長輸管道天然氣取樣現狀及問題分析

謝躍輝,韋榮方,蔣斌巍,劉宗玉,劉海洋,楊大珂

1.國家管網集團西南管道有限責任公司油氣計量中心（四川 成都610041）

2.中國石油化工股份有限公司中原油田普光分公司（四川 達州635000）

3.國家管網集團西南管道有限責任公司貴陽輸油氣分公司（貴州 貴陽 550081）

1 天然氣取樣的目的

長輸管道天然氣取樣就是從管道中取出微量天然氣（與管道輸量相比），并對取出的天然氣（樣氣）進行品質分析，包括組分分析、水露點和烴露點測量、硫化氫含量測量、總硫含量測量等。天然氣取樣的目的有：①進行氣質監測，分為污染物（雜質）監測、氣質是否滿足交接各方約定和規范標準要求監測，以及政府部門質量監督檢測。文獻[1]設計了一種便攜式LNG取樣器，用于監管部門對LNG產品開展質量監督取樣。②獲得氣質組分數據，進行密度、壓縮因子、發熱值等物性參數計算，參與流量（貿易交接計量）計算。中海油文昌9-2/9-3/10-3氣田采用累計取樣采樣法獲取氣樣，每月送至由買賣雙方認可的第三方實驗室分析單位熱值及組分，輸入超聲波流量計算機，作為計量參數計算出產量[2]。

通常在一個位置只設置一路取樣，部分輸氣量較大或對氣質敏感的場站會在同一位置同時設置兩路取樣，一方面互為備用，另一方面可以開展兩路之間的比對，及時發現問題。中緬天然氣管道（國內段）瑞麗首站在同一位置同時設置在線氣質分析設備和在線自動取樣系統[3]。

2 天然氣取樣方法

我國從20世紀90年代初開始對長輸管道天然氣取樣技術進行系統研究，先后研發了直接取樣和間接取樣技術[4]，形成了GB/T 13609—2017《天然氣取樣導則》、GB/T 20603—2006《冷凍輕烴流體液化天然氣的取樣連續法》、GB/T 30490—2014《天然氣自動取樣方法》等技術標準[5-7]。當前，在長輸管道廣泛采用的取樣方法有直接取樣法、間接取樣法。其中直接取樣法應用最廣，間接取樣法也得到局部應用，其特點和應用場合對比見表1。中緬天然氣管道（國內段）瑞麗首站為了滿足政府機構天然氣檢驗需求，在進站處除設置在線氣質分析設備外，還設置了在線自動取樣系統[3]，開展累積取樣；中緬天然氣管道（國內段）分輸量較小的場站還預留了取點樣口，為間接取樣的推廣奠定了基礎。

表1 天然氣取樣方法特點及應用場合對比

3 天然氣取樣問題分析及建議

3.1 現有取樣位置設置不合理

根據統計，現有取樣位置一般設置在輸氣站進站位置（進站ESD閥后、過濾分離器前），部分設置在過濾分離器下游、流量計上游位置。在管道互聯互通大規模建設、管網設施全面公平開放前，多氣源混輸、正反輸工藝較少，一條管道往往只有首站進氣，管道沿線沒有新的進氣點，管道內天然氣沿著一個方向流動（正輸），氣質單一且穩定，只需在氣體流動的位置取樣即可，無需考慮氣體混合和反向流動的情況。管道內氣體混合、氣體流向頻繁切換成為常態，現有取樣位置的設置已不適應多氣源混輸、流向頻繁切換的新情況，部分取樣點在某一工藝條件下取不到有代表性的天然氣，取到的是“沒有充分混合均勻的”天然氣或“不流動的”天然氣，部分計量站流量計處的天然氣與取樣點的天然氣不是一種氣源，氣質差異較大。

對于存在雙氣源或多個氣源的站場，由于不同氣源的氣質組分存在差別。因此，為了保證混合氣氣質組分測定的精確性，必須待氣體混合均勻后方可取樣，故對于存在兩種或多種氣源的輸氣站場，天然氣取樣點位置的選取尤為重要[8]。多種天然氣混合均勻所需要的長度與每種天然氣的氣質、流速、壓力、溫度混合方式、是否加裝混合器等相關。目前還沒有理論公式可以計算不同氣質天然氣混合均勻所需的距離，只能按照經驗進行估測或者采用模擬軟件進行模擬估算[9]。閆文燦[9]對川氣東送天然氣管道普光首站天然氣混合情況進行FLUENT仿真模擬，提出對于普光首站，建議在距混合點280 m處位置安裝氣相色譜儀。280 m的距離可能已不在輸氣站內，需要在站外管道上選擇取樣點，即在站外設置氣體取樣分析撬（小屋）。

一般情況下，在選擇天然氣取樣位置時，需要根據工藝流程和流量計位置綜合確定，確保流量計處的天然氣與取樣位置處的天然氣一致，同時兼顧監測輸氣站進口、上載口氣質變化情況。必要時，可以單獨設置氣質監測取樣口，專門用于氣質監測，不直接用于計量計算。當需要在站外管道上設置取樣點時，應選用自動化水平高、穩定可靠的氣質取樣分析撬或自動取樣系統，且管道企業應加強站外氣質取樣分析撬或自動取樣系統的運營管理。

3.2 現有在線色譜儀分析能力不足

直接取樣法在取樣的同時進行氣質分析，配套有在線氣質分析設備，通常為在線色譜儀。因此，直接取樣法的應用受制于在線色譜儀的特點。當前，長輸管道配置的在線色譜儀分析到C6+已是基礎能力，但能夠分析到C9+的在線色譜儀較少。與輕組分相比，同樣體積的重組分熱值更大，因此，能夠分析到更重組分的色譜儀測出的氣質組分計算出的發熱值更大。夏寶丁[10]提出天然氣中的微量重組分在天然氣發熱量的計算中占有較大權重，重組分體積發熱量相當于甲烷的5～7倍，對某一樣品而言，全組分的高位發熱量提高了1.2%左右。

國家發展改革委、國家能源局等發布《油氣管網設施公平開放監管辦法》，其中第十三條特別明確了建立天然氣能量計量計價體系的要求，提出：門站等天然氣批發環節應以熱量作為貿易結算依據；暫不具備熱值計量條件的，應于《油氣管網設施公平開放監管辦法》實施之日起24個月內實現熱值（能量）計量。2019年12月9日，國家石油天然氣管網集團有限公司（以下簡稱國家管網）正式掛牌成立，國家管網成立一年多來，致力于促進管網互聯互通、加快管網投資建設步伐，實現天然氣管網全面公平開放，真正形成全國一張網，這在一定程度提高了天然氣能量計量的緊迫性。

綜上，建議天然氣管道企業開展在線色譜儀C6+升級到C9+改造，標準氣體制造企業開展C9+標氣研制工作，新增在線色譜儀應選用能夠分析到C9+的最新型號。

3.3 間接取樣法推廣應用不足

中緬天然氣管道（國內段）分輸量較小的場站預留了取點樣口，但未正式投用開展間接取樣分析工作。與直接取樣法（配置在線氣質分析設備）相比，間接取樣法推廣應用存在如下問題：

1）人工間接取樣操作安全風險大，需要人員持證上崗并接受安全培訓。

2）間接取樣需要用到氣瓶，符合TSGR0006—2014《氣瓶安全技術監察規程》[11]的氣瓶需按照特種設備進行管理，其運輸需要有資質的單位負責[12]，大部分輸氣站位置偏僻，這增加了管道企業的運營風險和管理成本。

3）天然氣能量計量尚未全面推廣應用，管道企業、托運商、生產者、用戶等對天然氣發熱值的關注還不足，市場需求不強烈，推廣動力不足。

雖然以上問題導致間接取樣法推廣不足，但間接取樣法有以下兩個明顯優勢：①間接取樣法應用靈活、節省投資，可實現相互間的比對；②在分輸量不大、氣質變化不大、使用賦值法實現能量計量的場所，可以通過間接取樣法對賦值情況進行監測、驗證，且取得的樣品可以長期保存，便于追溯。建議天然氣管道企業和相關方開展間接取樣試點，第三方氣質分析機構提供技術支持，共同推廣間接取樣法。

4 結論

1）當前，長輸管道天然氣取樣以直接取樣法為主，部分管道開展了間接取樣試點，但未全面推廣。

2）取樣位置的確定應兼顧計量和氣質監測，必要時可以單獨設置氣質監測用取樣點；場站、樞紐站等取樣位置的確定應充分考慮不同天然氣混合均勻所需要的管道距離，必要時可以通過數值模擬計算。

3）建議天然氣管道企業開展在線色譜儀C6+升級到C9+改造，開展C9+標氣研制工作，新增在線色譜儀應選用能夠分析到C9+的最新型號。

4）間接取樣法應用靈活、節省投資，可實現相互間的比對，建議天然氣管道企業和相關方開展間接取樣試點，第三方氣質分析機構提供技術支持，共同推廣間接取樣法。