DANIEL氣相色譜儀在南海氣田的選型和使用建議

吳紅光

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

氣相色譜儀廣泛應用于天然氣開發(fā)、生產、輸送等裝置。不同階段的天然氣,所需要的天然氣組分精確程度不同,然而,即使是同樣生產裝置,但受區(qū)域影響,或者氣藏影響,天然氣組分也會有巨大的差異,因此,為精確測量組分,特別是滿足貿易計量的需求,對色譜儀的選型和使用,就存在有不同的方式。

在南海氣田,外輸氣體需要滿足下游組分和流量需求,需要對天然氣組分進行準確分析,因此,需要選用色譜儀為生產提供精確組分。根據13年的對DANIEL色譜儀使用經驗,結合DANIEL色譜儀的特性以及氣田現場的條件,為色譜儀的選型和更好的使用提供建議。

1 南海氣田特性分析

南海氣田地處南海鶯歌海海域,位于距海南省陸地70公里以外的區(qū)域。該區(qū)域地處熱帶,常年氣溫較高,基本上沒有寒冬；空氣潮濕,濕度平均在90%RH以上。

該海域的生產井,主要以天然氣為主,伴隨凝析油的產生。由于地處不同氣藏,天然氣組分差異很大,甲烷濃度從4%～95%,二氧化碳濃度從2%～95%,其他碳2、碳3、碳4等組分也存在較大差異。

在生產過程中,平臺需要對生產井進行管理,需對各井天然氣組分進行測量,這些天然氣通過取樣方式進行采集,直接含水含油；在外輸過程中,天然氣和凝析油混合外輸,需要對外輸天然氣組分進行調配,同樣需要對天然氣進行取樣,這種天然氣只含油。同時,由于涉及到商業(yè)計量,因此對天然氣組分的精度要求比較高,細微的組分值變化,都將造成標準流量的變化,對于銷售量達到億方甚至是幾十億方的氣田來說,影響是巨大的。

生產現場采用氣相色譜方法對天然氣進行組分析:氣相色譜法是以氣體為流動相的色譜法,它利用物質在流動相與固定相中分配系數的差異,當兩相做相對運動時,流動相將出現差距,最后被測樣品得到分離[2]。DANIEL色譜儀就是使用這種方法,對天然氣組分進行分析。

2 DANIEL色譜儀的優(yōu)勢

DANIEL GC500系列色譜儀是艾默生集團下丹尼爾公司制造的產品。包括在線型GC570和實驗室型GC575,在線型GC570能夠在相對惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定運行,滿足防火防爆要求；分析精度能夠達到10 ppm級別,為商業(yè)計量提供精確數據。現場主要使用的GC570色譜儀,此類色譜儀采用的是TCD[3]探頭進行測量。

2.1 DANIEL色譜儀防爆性能

色譜儀放置區(qū)域為生產現場,生產現場的可燃氣是偶爾出現的場所,但對于平臺設計,要求現場電氣設備必須是符合一般一類一區(qū)的場合,且是甲烷氣體防爆級別。

GC570分析儀,采用的是NEC標準,執(zhí)行的是CLASS I DIV 1的標準,且是group C,D氣體組合[4]。能夠滿足現場生產需求。

2.2 DANIEL色譜儀電源屬性

對于生產現場來說,平臺提供的三相三線制中性點不接地電源,可以通過變壓提供220 V交AC雙火線供電方式,工頻是50 Hz。

GC570色譜儀能夠提供單相、三線、115 V特或者230 V特、50～60 Hz的交流電[4]；多種可選供電方式,完全能夠滿足現場需求。

2.3 DANIEL色譜儀除油水雜質能力

從分析對象的特性來看,不管是生產井天然氣還是外輸天然氣,均含有水分或者凝析油。然而,天然氣攜帶油污和雜質,油污和雜質容易導致色譜柱堵塞甚至色譜柱具有很強的毒化影響。

GC570均有除液體解決方案,帶過濾和減壓功能的采樣閥,能夠對高壓差的凝液(外輸氣體壓力在6 MPa以上,然而分析儀采樣回路工作壓力一般在20～30 psi）和天然氣中的攜帶液體進行清除,通過這種減壓閥的回路設計,能夠阻止液體進行分析管線,同時,能夠滿足減壓需求。如圖1所示,是膜過濾加減壓功能的閥門。

同時GC570自帶2 μm過濾器,帶有固體顆粒和液體功能,減少過程雜質對色譜管路的堵塞和污染。

圖1 采樣閥Fig.1 Sample valve

圖2 過濾器Fig.2 Filter

2.4 DANIEL色譜儀組分分析能力

現場要求的井數量多,組分各異,就主要氣體甲烷來講,百分比摩爾濃度就從百分之幾到90mol%多,一般色譜儀測量范圍無法達到這些要求。DANIEL色譜儀測量范圍如表1[5]所示。

表1 測量范圍Table 1 Measurement ranges

2.5 DANIEL色譜儀多回路分析能力

現場存在多路氣體需要進行分析,進行配氣的情況,如各井口平臺過來的氣體在中心平臺混合配氣的情況。

DANIEL單臺色譜分析儀支持多路氣分析,且最多可分析12路[4],且都能夠設置輪流進行分析,不影響各路不同組分氣體對分析儀的影響。

3 DANIEL色譜儀的投用建議

色譜儀是一種精密測量儀器,各環(huán)節(jié)組分部分多,對環(huán)境要求高,在使用過程中,受各種客觀因素的影響很大,因此,只有滿足色譜儀運行要求,才能讓色譜儀更加準確、實時和可靠。

3.1 色譜儀準確性的要求

色譜儀要保證準確性,其中有以下方面需要注意:

(1）載氣的純度

分析儀進行分析的載氣是氦氣,純度達到99.999%,如果載氣純度不夠、有其他雜質,會影響到TCD惠世通電橋的參考項或者測量項的基準,分析儀的準確度；

當載氣純度未達要求的情況下,雜質講攜帶熱量,經過測量路TCD或者參考路TCD時,將會造成原始數據波動,出現毛刺的情況。譜圖均從DANIEL色譜儀軟件MON2000[6]里面導出。

圖3 毛刺圖Fig.3 Baseline with burr

(2）閥門設置時間準確性

必須保證采樣閥、反吹閥、雙柱閥的閥門設置時間設置合理,才能有效的把天然氣中各組分分離開,組分之間的間距是能夠滿足測試要求的。

一旦出現閥門開關過早,都容易出現出峰過早、過晚的情況。如圖4所示,為雙柱閥關閉過早,導致CO2和氮氣提前出峰、后期CO2和氮氣無法檢測為0的情況。

圖4 雙柱閥OFF過快Fig.4 Dual column valve turning off too fast

(3）基準電壓的穩(wěn)定性

分析儀通過TCD探頭進行原始電流數據的收集,采用的惠世通平衡電橋法,在分析儀工作前,應保證平衡電橋電壓在±0.5 mV內,確保去除過高電壓帶來的影響。

圖5 平衡電橋過電壓Fig.5 Balanced bridge overvoltage

(4）電氣傳輸回路的可靠性

分析儀和控制器之間,有4～20 mA電流傳輸,為保證傳輸不受干擾,應確保電纜有金屬屏蔽,電纜必須在單端接地,電纜的連接可靠,附件沒有強磁場。

圖6 信號線多點接地Fig.6 Signal line with multipoint grounding

3.2 對色譜儀實時性的要求

為了準確計量外輸氣體的流量,色譜儀的實時性要求就比較高；然而,取樣點和分析儀設備畢竟存在一定的距離,特別是管線長、設備選擇不合適的時候,滯后就更加嚴重。

(1）采樣管線上的閥門,盡量選擇1/8“針閥；采樣管線,一般采用1/8”儀表管。

(2）采樣管線的壓力、流量等設置,應盡量滿足如下要求:

①減壓閥出口壓力設置,應在20～30 psi±2%,如果管線長,則壓力高一些；

②對于管線旁通流量計的設置,由于采樣管線平均每英尺會容留1 cc的流體,假設有100英尺的管線,就會容留100 cc的流體[4]；如果旁通流量計設置100 cc/m,則從取樣點到分析儀處,就會有1 min的滯后。可以根據樣氣管線的長度,來調節(jié)樣氣的壓力和旁通流量計的大小,但必須保證樣氣流量計在50 sccm的流量。

圖7 樣氣流程Fig.7 Sample process

3.3 對色譜儀可靠性的要求

(1）對色譜儀本身來講,不允許突然的停電,突然的停電會導致樣氣滯留在色譜柱里面,導致色譜儀重新啟動后的前面幾次的分析,數據存在較大的差異。

(2）對于平臺生產來講,要求平臺關停恢復能夠及時有效,保證色譜儀一直在運行；因此,對于供電來源就顯得非常重要。平臺一般使用UPS供電,保證平臺關停或者正常電掉電后,色譜儀能夠一直運行。

4 結 語

南海氣田天然氣色譜儀的選擇,應從南海氣田本身特點進行分析,以及對該類型的色譜儀特性進行了解,才能選擇到合適的色譜儀,并且在運行過程中,應該特別注意對色譜儀運行存在影響的因素,才能夠保證設備運行的可靠性、實時性和準確性。類似天然氣處理場合,也可以參考這種方式進行選型,但需要考慮其他復雜因素如天氣影響。推而廣之,在各行業(yè)、各區(qū)域,選用色譜儀,也同樣需要對行業(yè)、對環(huán)境進行分析,結合行業(yè)、環(huán)境特點,針對逐項特征來選擇色譜儀。但基于對色譜儀理解的程度有限,部分可能考慮不夠全面,不夠深入,比如對樣氣流量設置值、平衡電橋電壓值等的詳細規(guī)定尚不明確,需要繼續(xù)探索和研究。