基于GB 17820-2018的天然氣凈化廠在線分析儀配置及應用

高進 周軍 溫濤 傅適

中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠

GB 17820《天然氣》規定了天然氣的質量要求、實驗方法和檢驗規則，適用于經過處理的、通過管道輸送的商品天然氣，是天然氣生產、管輸、貿易的重要文件。隨著天然氣作為清潔能源被大力開發和使用，其應用也越來越廣泛，該標準也將發揮越來越重要的作用。

天然氣凈化是含硫天然氣開采中不可缺少的一個生產環節，天然氣凈化廠的產品天然氣也須遵守GB 17820中規定的天然氣質量要求、實驗方法和檢驗規則[1-2]。新修訂的標準GB 17820-2018《天然氣》已于2018年11月19日發布，于2019年6月1日實施，替代原標準GB 17820-2012《天然氣》。GB 17820-2018規定：“進入長輸管道的天然氣應符合一類氣的質量要求”[3]。

中國石油西南油田公司天然氣凈化總廠(以下簡稱凈化總廠)下轄各分廠(目前有7個分廠在運)生產的產品天然氣就近經集輸站輸入中國石油西南油氣田公司(以下簡稱西南油氣田公司)天然氣區域管網[1]。根據GB/T 37124-2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》對天然氣長輸管道的定義：“產地、儲氣庫、使用單位之間用于輸送經過處理商品天然氣的長距離管道”[4-5]，西南油氣田公司所屬的區域管網屬于天然氣長輸管道，因此凈化總廠也必須執行GB 17820-2018規定的一類氣氣質指標。

1 新舊標準主要變化

與GB 17820-2012相比，GB 17820-2018的變化主要有3個方面：①氣質指標的變化；②水露點要求的變化；③增加了在線監測要求。

1.1 氣質指標的變化

天然氣按高位發熱量、總硫含量、H2S含量和CO2含量分為一類氣和二類氣。GB 17820-2018修改了一類氣和二類氣發熱量、總硫含量、H2S含量和CO2含量的質量指標，并規定了進入長輸管道的天然氣應符合一類氣的質量要求，其高位發熱量由31.4 MJ/m3修改為34.0 MJ/m3，總硫質量濃度由200 mg/m3修改為20 mg/m3，H2S質量濃度由20 mg/m3修改為6 mg/m3?？偭蚝虷2S含量指標的大幅降低對天然氣凈化裝置和檢測技術提出了新要求。

1.2 水露點要求的變化

GB 17820-2018準刪除了對水露點的定量指標，并在“輸送和使用”中增加了“在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態水和液態烴”的表述。與GB 17820-2012相比，新標準不需要參考環境溫度，也不需要考慮環境溫度的變化對水露點的影響(見表1)[3，6]。

表1 GB 17820-2018與GB 17820-2012對水露點要求對比表

1.3 在線監測要求

GB 17820-2018在 “試驗方法和檢驗規則”中增加了“對于一類氣，如果總硫含量或H2S含量的瞬時值不符合質量指標的規定，應對總硫含量和H2S含量進行連續監測，總硫和H2S質量濃度的瞬時值應分別不大于30 mg/m3和10 mg/m3，并且總硫和H2S質量濃度任意連續24 h測定平均值應分別不大于20 mg/m3和6 mg/m3”的描述[6]，提出了對總硫含量和H2S含量進行在線監測的要求。

2 標準變化對生產工藝的影響

在凈化總廠現有裝置中，除新建的分廠二所屬的2套裝置為2019年建成投產外，其余分廠的工藝裝置均是在GB 17820-2018發布之前建立的。目前，包括分廠二，已有4個分廠執行GB 17820-2018一類氣氣質指標，而另外3個分廠因還未進行氣質達標改造，則仍在執行GB 17820-2012二類氣氣質指標。其新舊標準指標對比情況見表2。

表2 GB 17820-2018一類氣氣質指標與總硫在線分析儀除用于監測產品天然氣中GB 17820-2012二類氣氣質指標對比表[3，6]

凈化總廠各分廠原料天然氣中均含有不同程度的有機硫，現使用的醇胺法和砜胺法脫硫溶劑無法一次性脫除達到新標準一類氣氣質指標，致使現有凈化廠產品氣無法滿足新標準一類氣氣質指標[7-9]，各分廠2017年-2018年原料氣中有機硫含量、產品氣中H2S及總硫含量如表3所列。因此,有必要對凈化總廠除分廠二外的各分廠工藝裝置開展產品氣氣質達標改造工作。雖然,新建分廠的產品天然氣按新標準一類氣設計，但由于為首座投運執行一類氣氣質指標的天然氣凈化廠，故存在有機硫脫除效果差、溶液損耗大等缺點，經過更換脫硫溶液和調整吸收塔、再生塔塔盤等整改后,產品天然氣達到一類氣的輸出要求。

表3 凈化總廠各分廠2017年-2018年原料氣、產品氣氣質指標統計表

3 在線分析儀的配置及使用現狀

目前,凈化總廠所屬各分廠均對產品天然氣中H2S含量、水含量進行了在線監測。除此之外，分廠二還配置有總硫、CO2在線分析儀，分廠一與分廠五也于2019年各配置1臺總硫在線分析儀進行試用和配合凈化廠氣質達標整改新脫硫溶劑測試，分廠六則設置有CO2在線分析儀(見表4)。

表4 凈化總廠各分廠在線分析儀配置及應用統計表

雖然凈化總廠各分廠均設置有H2S在線分析儀和水含量在線分析儀，少數分廠還設置有總硫和CO2在線分析儀，但大部分分廠僅將其測量值用于報警和指導操作人員對天然氣凈化廠生產裝置進行實時操作調整。僅有極少數天然氣凈化廠(如分廠四)將產品天然氣H2S在線分析儀、水含量在線分析儀測量值作為聯鎖條件，參與裝置聯鎖，以實現不合格產品天然氣自動放空至火炬系統燃燒，避免將不合格的產品天然氣外輸。

4 在線分析儀配置及應用管理建議

4.1 氣質指標

4.1.1高位發熱量

從凈化總廠各分廠原料天然氣的全組分分析報告來看，其高位發熱量均高于34.0 MJ/m3(見表3)。因此,其產品天然氣高位發熱量標準也必然高于34.0 MJ/m3，滿足標準規定的高位發熱量要求。發熱量的變化對凈化總廠的生產操作管理不產生影響，也無需配置在線分析儀進行在線監測，采取原有季度人工分析的方式即可滿足生產要求。

鑒于凈化總廠各分廠產品天然氣的高位發熱量高于34.0 MJ/m3，且受現有工藝裝置的影響小，建議暫不考慮發熱量在線分析儀的配置。若原料天然氣氣質發生變化而導致產品天然氣的高位發熱量臨近指標時再考慮配置。

4.1.2CO2含量

新舊標準對CO2含量的指標沒做修改，指標均為CO2摩爾分數小于等于3.0 %。目前,各分廠的脫硫裝置均能對原料天然氣中的CO2部分脫除，只要原料天然氣中CO2摩爾分數≤3.0%，則產品天然氣中的CO2摩爾分數必然<3.0%。在凈化總廠各分廠中，只有分廠二和分廠六原料天然氣中CO2摩爾分數>3.0%，因此這兩個分廠配置有產品天然氣CO2在線分析儀(見表4)。

建議凈化總廠各分廠對產品天然氣CO2在線分析儀的配置保持現狀；當原料天然氣氣質發生變化導致CO2摩爾分數大于3.0%時，產品天然氣有可能會出現CO2含量超指標的情況，建議配置CO2在線分析儀在線監測產品天然氣中CO2的含量[10]。從分廠二和分廠六的CO2在線分析儀自投用以來的使用情況來看，能滿足產品天然氣CO2含量指標的在線監測要求。

4.1.3總硫含量

各分廠處理的含硫天然氣中，含硫化合物主要為H2S，同時還可能含有氧硫化碳、二硫化碳、甲硫醇、乙硫醇、噻吩等其他有機硫硫化合物，其含量相對較低,現有工藝裝置僅能部分脫除有機硫。GB 17820-2018將產品天然氣中總硫質量濃度指標由200 mg/m3降至20 mg/m3。指標的大幅降低，導致產品天然氣總硫含量是否滿足指標不再單一受H2S含量決定，而是由H2S含量和有機硫含量共同決定。從分廠二2020年的運行情況來看，在生產過程中產品天然氣中總硫質量濃度達到或超過20 mg/m3的指標是大概率事件(見表5)。結合GB 17820-2018總硫含量在線監測要求，有必要設置總硫在線分析儀實時指導天然氣脫硫裝置的操作調整。建議未配置總硫在線分析儀的分廠配置總硫在線分析儀，同時對已有的總硫在線分析儀應用情況進行評估。

表5 分廠二2020年原料氣、產品氣氣質指標統計表

4.1.4H2S含量

在各分廠原料天然氣中，H2S是含硫化合物的主要組分，占99.9%以上，脫除原料天然氣中的H2S是脫硫裝置的首要任務，產品天然氣中H2S質量濃度滿足20 mg/m3指標是脫硫裝置操作調整的核心工作。新標準執行后，將產品天然氣中H2S質量濃度指標由20 mg/m3降至6 mg/m3，指標的大幅降低導致工藝裝置運行的操作空間也大幅縮小。鑒于各分廠現均已配置有H2S在線分析儀，建議對除分廠二外的六個分廠的H2S在線分析儀進行適應性評估。若不滿足新標準的測量要求，則建議重新選型整體更換。

4.1.5 水露點

目前，各分廠均設置有產品天然氣水含量在線分析儀。凈化總廠每年年初會結合各分廠每年不同時段區域溫度變化趨勢及各生產裝置系統壓力的變化情況，根據各分廠所在地氣象局提供的上一年度溫度(按埋地80 cm氣象溫度)和系統最高操作壓力信息，對不同時段產品氣水露點質量要求進行核算，折算出不同時段產品天然氣水含量指標。2020年分廠一與分廠五在不同時段的產品氣水露點質量要求及水含量對應表見表6。各分廠依據水含量在線分析儀的測量值，并結合下達的水含量指標進行產品天然氣水含量的操作調整，從而實現產品天然氣水露點指標的控制。

表6 2020年2個分廠不同時段產品氣水露點質量要求及水含量對應表

在相同的水含量條件下，天然氣壓力越高，其對應的水露點越高。由于凈化總廠各分廠外輸產品天然氣依靠系統壓力進入集輸站后直接進入西南油氣田公司所屬的區域管網，其壓力逐漸遞減，水露點指標也隨壓力逐漸降低。對天然氣凈化廠而言，受脫硫、脫水工藝的影響，其外輸產品天然氣溫度全年變化很小，基本恒定，新標準規定的水露點指標更易確定，不需隨季節變化而變化，對外輸產品天然氣水露點更易控制，從而降低了脫水裝置的操作難度。

從各天然氣凈化廠水含量在線分析儀的使用情況來看，在用的水含量在線分析儀均能滿足各天然氣凈化廠對產品天然氣水露點的在線監測要求。與舊標準相比，新標準僅對水露點的指標確定有影響，而對產品天然氣水露點的測量無影響。因此，目前在用的水含量在線分析儀能滿足GB 17820-2018執行后各天然氣凈化廠對產品天然氣水露點的在線監測要求，能繼續使用。

4.2 在線監測設備

新標準對產品天然氣總硫含量、H2S含量提出了在線監測要求，即：配置總硫、H2S在線分析儀；總硫、H2S在線分析儀應用管理。

4.2.1總硫、H2S在線分析儀的配置

總硫、H2S在線分析儀的配置包括2個方面：①現有H2S在線分析儀的適應性評估；②總硫在線分析儀的選型配置。

目前,除分廠二是按新標準要求配置外，其余各分廠配置的H2S在線分析儀都是2015年以前的產品，量程大，933、LGA500IC型在線分析儀量程為(0～100)×10-6，LaserGasTMII MP型為(0～200)×10-6。以933為例，該分析儀有(0～25)×10-6、(0～100)×10-6兩個測量范圍，其精度分別為±5%和±2%。各分廠設置的使用量程通常為(0～30)×10-6或0～50 mg/m3，其計算最大允許誤差為100 mg/m3×2%×1.434=2.868 mg/m3(1.434為H2S由質量分數10-6轉換為質量濃度mg/m3的系數)。對于產品天然氣中H2S質量濃度為6 mg/m3的質量指標而言，最大允許誤差達質量指標控制值的40%以上，再加上分析儀使用年限較長的元器件老化而導致性能降低，從凈化總廠2020年3月對各分廠產品天然氣H2S含量的抽檢情況來看，在線分析儀測量值和人工分析數據相差較大(見表7)。顯然，現有產品氣H2S在線分析儀的測量誤差不能滿足新標準H2S指標的測量要求，需對現有產品天然氣H2S在線分析儀進行重新選型和整體更換。建議對除分廠二外的其余6個分廠的H2S在線分析儀進行重新選型整體更換。

表7 總廠2020年3月對各分廠產品天然氣H2S含量抽檢情況統計表 ρ/(mg·m-3)

目前，市場上測量天然氣總硫含量的在線分析儀成熟產品主要采用的分析方法有紫外熒光法、紫外可見光法、醋酸鉛紙帶法、氣相色譜法。紫外熒光法、紫外可見光法、醋酸鉛紙帶法總硫在線分析儀是將天然氣中的含硫化合物全部氧化為SO2或還原為H2S后，再通過測量SO2或H2S的含量來折算為總硫含量；氣相色譜法則是將天然氣中每種含硫化合物的含量測量出來，然后通過折算和累加計算出總硫含量，也可單獨輸出每種組分含量的測量值。由于氣相色譜法需將天然氣中每種含硫化合物的含量測量出來，故在測量天然氣總硫時，測量周期時間較長，從幾分鐘到幾十分鐘不等，分析數據滯后時間長，而且產品天然氣中硫化合物的組分越多，測量周期就越長[11]。分廠五配置的M609色譜在線儀分析時間如圖1所示。

對天然氣凈化廠而言，配置總硫在線分析儀除用于監測產品天然氣中總硫含量是否滿足指標外，更重要的是指導生產裝置的操作調整，因此，要求在線分析儀滯后時間短。目前,分廠一試用的6400TSG型紫外熒光法總硫在線分析儀響應時間小于等于100 s，其分析滯后時間短。考慮到如下因素:色譜在線分析儀分析周期長、滯后時間長；醋酸鉛紙帶法總硫在線分析儀需定期更換紙帶等耗材，凈化總廠多個分廠曾使用過的醋酸鉛紙帶法H2S在線分析儀故障率高等維護經驗；紫外可見光法的總硫在線分析儀目前應用案例少，紫外熒光法總硫在線分析儀在煉油化工企業大量應用，故建議配置采用紫外熒光法的總硫在線分析儀。目前，西南油氣田公司在推進的天然氣凈化廠產品氣氣質達標改造項目中選用的是紫外熒光法總硫在線分析儀。

4.2.2總硫、H2S在線分析儀應用管理

總硫、H2S在線分析儀應用管理包括2個方面：①總硫和H2S質量濃度的瞬時值應分別不大于30 mg/m3和10 mg/m3控制實現；②總硫和H2S質量濃度任意連續24 h測定平均值應分別不大于20 mg/m3和6 mg/m3控制實現。

通過將總硫和H2S在線分析儀的測量值作為聯鎖條件，當其分別大于等于30 mg/m3和10 mg/m3時觸發聯鎖，關閉產品天然氣出裝置切斷閥，防止產品天然氣進入下游管網。同時，自動打開放空閥，工藝裝置內天然氣進入放空火炬系統放空燃燒，或者關閉上游井站，從而實現總硫含量和H2S含量瞬時值的達標控制。

各分廠設置有DCS/SIS系統，可利用其組態程序分別實現產品天然氣中總硫含量、H2S含量的累積量，然后通過一定的運算和條件判斷，實現總硫和H2S質量濃度任意連續24 h平均值的計算，當其平均值分別大于等于20 mg/m3和6 mg/m3時觸發聯鎖，從而實現總硫和H2S質量濃度任意連續24 h測定平均值分別不大于20 mg/m3和6 mg/m3的控制目標。其聯鎖動作的結果與總硫和H2S含量瞬時值達標控制的聯鎖結果相同。

5 結論與建議

設置在線分析儀是實現產品天然氣質量指標在線監測的必要手段[12]，同時又是保證產品天然氣合格外輸實現裝置快速操作調整的重要依據來源?；贕B 17820-2018的頒布實施和內容變化產生的影響，提出了凈化總廠產品天然氣質量指標監測在線分析儀配置及應用管理建議，以達到產品天然氣質量指標監測在線分析儀合理配置和使用目的。

5.1 結論

(1)在凈化總廠各分廠產品天然氣高位發熱量、總硫含量、H2S含量、CO2含量及水露點這5個質量指標中，高位發熱量、CO2含量是易滿足指標的，水露點次之，總硫含量、H2S含量則是天然氣凈化裝置操作、控制的重點和難點，在生產過程中極易超出指標。

(2)凈化總廠各分廠現配置的水分在線分析儀能滿足GB 17820-2018水露點監測要求，可以繼續使用；現配置的H2S在線分析儀不能滿足GB 17820-2018 H2S含量的監測要求，需重新選型更換；需要增加總硫在線分析儀；SO2在線分析儀配置保持現狀；發熱量在線分析儀暫不考慮。

5.2 建議

(1)總硫在線分析儀宜采用紫外熒光法測量原理的在線分析儀。

(2)總硫含量、H2S含量是產品天然氣滿足GB 17820-2018中一類氣氣質指標的關鍵，需要重點加強總硫、H2S在線分析儀的應用管理，確保為實現裝置快速操作調整提供參考。