累積取樣系統(tǒng)在城市燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用研究

王欣瑋，趙 欣，仇 晶，張秀峰

（北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035）

基于天然氣生產(chǎn)和貿(mào)易計(jì)量交接的需求，自20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣取樣技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性地研究。目前，已經(jīng)形成了GB/T 13609-2017《天然氣取樣導(dǎo)則》和GB/T 30490-2014《天然氣自動(dòng)取樣方法》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1,2]。上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直接取樣技術(shù)、間接取樣技術(shù)進(jìn)行了規(guī)定。其中，隸屬于間接取樣技術(shù)的累積取樣技術(shù)，作為一種可以直接獲得天然氣組成平均值的取樣方法，已在國(guó)外獲得了普遍應(yīng)用。然而，在國(guó)內(nèi)的貿(mào)易交接中，累積取樣技術(shù)的應(yīng)用并不多見(jiàn)。因此，開(kāi)展該技術(shù)在城市燃?xì)庑袠I(yè)中的應(yīng)用研究，是對(duì)現(xiàn)有取樣技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的有效補(bǔ)充。

1 天然氣取樣技術(shù)概述

取樣主要有直接取樣和間接取樣等兩種方法[3]。在直接取樣方法中，樣品由氣源直接送往分析單元，實(shí)現(xiàn)在線分析；在間接取樣方法中，樣品在轉(zhuǎn)移到分析單元之前被貯存在相應(yīng)的容器內(nèi)，用于離線分析。進(jìn)一步地，間接取樣又可分為取點(diǎn)樣和取累積樣。點(diǎn)樣是指規(guī)定時(shí)間和地點(diǎn)，從氣流中采集規(guī)定體積的樣品；累積樣則是指采集一系列點(diǎn)樣，并將其匯集成一個(gè)組合樣品[3-5]。

圖1 累積取樣系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of cumulative sampling system

點(diǎn)樣取樣技術(shù)，更多地應(yīng)用于獲得天然氣組成的限定值。累積取樣技術(shù)，則主要應(yīng)用于獲得天然氣組成的平均值。

2 累積取樣系統(tǒng)的工作原理

常見(jiàn)的累積取樣系統(tǒng)，可分為置換式和調(diào)壓式兩種，其工作原理如圖1所示。前者在取樣周期內(nèi)，在基本恒定的管道壓力下，通過(guò)氣瓶?jī)?nèi)的移動(dòng)活塞，將預(yù)先充入的氣體逐步地由泵入的樣品所置換，如圖1(a)所示。后者使用一種特殊設(shè)計(jì)的壓力調(diào)節(jié)器，在取樣過(guò)程中，使樣品容器中的壓力，從零增加至管道的最大壓力，如圖1(b)所示。此外，從二者的工作原理可知，當(dāng)管道壓力低或流量變化大時(shí)，不推薦使用具有固定容積容器的調(diào)壓式累積取樣系統(tǒng)。

表1 一個(gè)月的累積樣品分析結(jié)果與在線色譜平均值對(duì)比Table 1 A month’s cumulative sample analysis results compared with the online chromatographic average

3 累積取樣系統(tǒng)的應(yīng)用

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)某門(mén)站收集了燃?xì)饨M成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別通過(guò)在線氣相色譜儀和累積取樣系統(tǒng)獲得。二者之間的對(duì)比結(jié)果，可用于評(píng)估累積取樣系統(tǒng)在城市燃?xì)庑袠I(yè)的有效性和適應(yīng)性。具體的操作過(guò)程如下：首先，在每天、每周或每月采集累積樣品的過(guò)程中，以在線分析儀的分析周期為單元，同步收集同期的在線分析數(shù)據(jù)；然后，分別分析周期內(nèi)的燃?xì)饨M成和發(fā)熱量等物性參數(shù)的平均值；最后，與累積取樣獲得的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為了避免管道壓力變化或者流量變化對(duì)取樣結(jié)果的影響，采用置換式累積取樣系統(tǒng)。

表2 24小時(shí)累積取樣樣品分析結(jié)果和在線色譜儀分析結(jié)果平均值對(duì)比Table 2 Comparison of the analysis results of the accumulated sampling samples in 24 hours and the average value of the online chromatograph

4 有效性和適應(yīng)性分析

在1個(gè)取樣周期內(nèi)，對(duì)直接取樣的樣品采用在線氣相色譜儀進(jìn)行組成分析，并獲得各組成的平均值。在此基礎(chǔ)上，比較通過(guò)累積取樣所獲得樣的分析數(shù)據(jù)，可評(píng)估累積取樣系統(tǒng)的有效性和適應(yīng)性。

表1展示了在1個(gè)月內(nèi)，累積樣品分析結(jié)果以及直接取樣樣品分析結(jié)果平均值，并比較了二者之間相對(duì)偏差（以在線分析結(jié)果的月平均值為基準(zhǔn)）。需要說(shuō)明的是，本組試驗(yàn)采用的是重?zé)N含量較少的天然氣樣品，并且在兩種分析結(jié)果中，C4+以上組成的含量均為0，所以未在表中予以展示。

如表1所示，與在線氣相色譜儀的分析結(jié)果相比，累積樣品的分析結(jié)果，進(jìn)一步包含了He、H2和O2的含量數(shù)據(jù)。此外，N2含量偏低12.85%；CO2含量偏高3.54%；CH4、C2H6、C3H8、iC4H10的含量，分別為偏高0.03%、偏低0.77%、偏低17.53%和偏高16.67%。基于組成比例，在累積樣品中，高位發(fā)熱量和沃泊指數(shù)的分析結(jié)果分別偏高0.036%和0.10%；壓縮因子一致；密度偏低0.12%。

對(duì)上述對(duì)比結(jié)果進(jìn)行分析，在線氣相色譜儀采用的是低壓取樣，因而易造成空氣擴(kuò)散進(jìn)入分析系統(tǒng)，導(dǎo)致分析出的N2比例偏高；另外，雖然N2、C3H8、iC4H10含量的相對(duì)誤差較大，但由于這些組成的含量極少，未對(duì)樣品的單位發(fā)熱量等物性參數(shù)造成實(shí)質(zhì)影響。

對(duì)于含有重?zé)N的天然氣樣品，通過(guò)離線分析和在線氣相色譜分析獲得的結(jié)果，如表2所示。與表1所列數(shù)據(jù)的不同之處在于，其取樣周期為1日，且包含連續(xù)3個(gè)取樣周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在表2所列的3組數(shù)據(jù)中，含量在50%～100%范圍內(nèi)的CH4，最大相對(duì)偏差為0.11%；含量在1%～10%范圍內(nèi)的C2H6、CO2、N2的最大相對(duì)偏差為5.61%；含量在0.1%～1%范圍內(nèi)的C3H8，最大相對(duì)偏差為2.56%。對(duì)于其他含量在0.001%～0.1%范圍內(nèi)的組成，最大相對(duì)偏差為100%。各組成的相對(duì)偏差，均未超過(guò)GB/T 13610和GB/T 27894.1所規(guī)定的要求范圍[6,7]（分別為±3%，±10%，±50%，±100%）。最終，基于燃?xì)饨M成計(jì)算得到的低位發(fā)熱量，相對(duì)偏差低于0.1%。這表明，累積取樣系統(tǒng)可被有效應(yīng)用于城市燃?xì)庑袠I(yè)。

另外，對(duì)于上述3組累積樣品，其低位發(fā)熱量的波動(dòng)范圍約為0.2 MJ/m3。而這一波動(dòng)水平，并未對(duì)分析結(jié)果造成不利影響。由此可知，置換式累積取樣系統(tǒng)適用于在上述氣質(zhì)條件下的組成分析。

5 結(jié)論

本文展示了累積取樣技術(shù)在城市燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用效果，并將由累積取樣系統(tǒng)獲得的燃?xì)饨M成和物性參數(shù)分析結(jié)果，與通過(guò)在線氣相色譜儀獲得的分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)論如下：

1）累積取樣可以更為全面地獲取天然氣組成。

2）應(yīng)用在線色譜分析儀時(shí)，空氣容易擴(kuò)散進(jìn)入分析系統(tǒng)。因此，在累積取樣的分析結(jié)果中，發(fā)熱量數(shù)值相對(duì)更高。

3）對(duì)于基本不含重?zé)N（C4及以上組成）的燃?xì)猓ㄟ^(guò)兩種方式分析獲得的物性參數(shù)差異很小，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的偏差范圍。

4）重?zé)N含量相對(duì)較高時(shí)，重?zé)N組成的相對(duì)偏差較大，但各項(xiàng)燃?xì)獾奈镄詤?shù)分析結(jié)果，依然滿足國(guó)標(biāo)要求。

綜上所述，對(duì)于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的下游端，即熱電廠、大型供暖廠、內(nèi)部交接計(jì)量站、CNG、LNG等場(chǎng)站，使用累積取樣系統(tǒng)取樣，然后由實(shí)驗(yàn)室給出離線分析結(jié)果，完全能夠滿足能量計(jì)量要求。另外，對(duì)于門(mén)站等，同時(shí)配備在線氣相色譜分析儀計(jì)量系統(tǒng)的場(chǎng)站，亦可將累積取樣系統(tǒng)作為在線數(shù)據(jù)的核查工具，并可保存樣品以方便爭(zhēng)議和仲裁。