天然氣檢驗對于加熱爐節能檢測的影響及對策措

李青（遼河油田安全環保技術監督中心）

中國石油天然氣行業標準《SY/T 6381—2016石油工業用加熱爐熱工測定》規定，天然氣的組分和熱值等參數，影響著鍋爐的空氣系數、正平衡熱效率和反平衡熱效率等重要參數計算的準確性，直接影響著節能檢測以及監測的結果。尤其是如果熱值測量偏低，導致正平衡熱效率計算值大于1，則直接可導致判定現有的計量表不合格，結果影響很大。基礎數據不準確，后續的一切計算、結論以及節能措施全部沒有意義。通過分析天然氣檢驗方法以及原理，對于影響實驗較大的模版標定和取樣環節的質量控制方法進行詳細分析，并給出實驗室數據進行論證，可以為加熱爐節能監測提供科學準確的技術支撐。

1 天然氣檢驗數據對于熱效率的影響

1.1 天然氣檢驗數據對于正平衡熱效率的影響

加熱爐的正平衡熱效率是節能檢測的重要指標，其計算公式如下：

式中：Qr為供給熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet,v,ar為燃料收到基低位發熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qwl為使用外來熱量加熱空氣時，相當于標準狀況下每千克或標準狀況下每立方米燃料所給的熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qr為燃料的物理熱，kJ/kg或kJ/m3。B為加熱爐燃料消耗量，kJ/kg或kJ/m3；Q為被加熱介質為油水混合物時，加熱爐有效輸出熱量；H為平衡熱效率，%。Qnet,v,ar的值則需要通過天然氣檢驗機構提供加熱爐燃燒天然氣的基礎數據。正常的節能檢測鍋爐的正平衡熱效率在80%～85%視為合格。超過100%，視為檢測結果無效。Qnet,v,ar的值如果測量偏高，則Qr的值則偏高，Q一定的情況下，正平衡熱效率計算就偏低，會造成明明合格的鍋爐，檢測出不合格。反之Qnet,v,ar的值如果測量偏低，則Qr的值則偏低，Q一定的情況下，正平衡熱效率計算就偏高，會造成原本不合格的鍋爐，檢測結果合格，影響油田節能管理，遇到鍋爐有破損的情況可能會造成安全事故。若是超過100%則檢測結果無效。經過實際經驗及計算，熱值上下浮動5 000 kJ/m3，正平衡熱效率變化10%左右。

1.2 天然氣檢驗數據對于反平衡熱效率的影響

反平衡熱效率是節能監測的重要參數，可以考察鍋爐的運行狀態，一般應該為80%～85%合格。由反平衡法加熱爐效率計算公式可知，加熱爐反平衡效率值主要與排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失有關[1-5]。同時，排煙熱損失與氣體未完全燃燒熱損失主要與燃料氣的組分、空氣系數、排煙溫度以及排煙處煙氣組分有關。對于不同的燃料氣，由于其氣質、組分的不同，使得各項熱損失的計算結果也略有差異。天然氣組分測定不準也會影響反平衡熱效率的計算。

加熱爐反平衡法熱效率的簡化計算方法如下：

式中：η′2為簡化的加熱爐反平衡效率，%；q′2為簡化的排煙熱損失，%；q′3為簡化的氣體未完全燃燒熱損失，%；q′5為簡化的散熱損失，%。

其中熱損失的計算公式按照GB/T 10180—2017《工業鍋爐熱工性能試驗規程》[6]附錄B.1中公式計算。

2 天然氣檢驗數據質量控制的對策措施

2.1 基礎數據的檢驗方法

天然氣組分的檢驗方法使用氣相色譜法，標準執行GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》[7]。天然氣組分的檢測主要使用外標法，天然氣樣品組分和已知組成的標準氣，在同樣的操作條件下用氣相色譜法進行分離。通過對比峰面積，計算獲得氣樣相應組分，最后得到最終的氣體組分[8]。天然氣的熱值和密度通過標準GB/T 11062—2020《天然氣熱值、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》計算得到[9]。由此可見組分測定不準確，計算出的熱值及密度都是無效數據。

2.2 天然氣檢測的準確性關鍵影響因素

2.2.1 標氣的影響

由于天然氣樣品組分值是通過外標法，與標氣中想應組分對比得來的。因此然氣模板的準確性是天然氣組分數據準確的最關鍵因素。影響天然氣模板準確性的因素有以下3種：

1）標準氣來源的選擇。標準氣需要選擇國家二級以上有證標氣，由于天然氣檢測，尤其是節能檢測需要的天然氣檢測，都是多組分混合氣體檢測，并且重組分大部分屬于1%左右的微量組分，一般的配氣廠家無法保證質量。如果標氣的組分與標準證書區別很大，最嚴重的情況還有微量組分如己烷組分丟失的情況，就嚴重影響了天然氣模板的準確性。標氣給出的組分實際組分存在差異則標板中的矯正因子會出現誤差，用此模板測定的所有天然氣樣品的組分皆不準確。而且即便是標氣配置準確，無證也會導致數據無法溯源。不同廠家在專業機構檢測數據對比見表1。同時標氣的使用應嚴格按照氣瓶的保質期使用，由于天然氣標氣的組分中有重組分有機物，可能發生吸附或者液化，影響進入氣相色譜中的氣體組分，從而影響模版的準確性[10]。

2）標準氣組分的設定。對于摩爾分數不大于5%的組分，與樣品相比，標準氣中相應組分的摩爾分數應不大于10%，也不低于樣品中相應組分濃度的1/2。對于摩爾分數大于5%的組分，標準氣中相應組分的濃度應不低于樣品中組分濃度的1/2，也不大于該組分濃度的2倍。標準氣中組分的最低濃度宜不小于0.1%。不滿足這個條件的標氣濃度，會導致檢測樣品的結果有偏差。

3）模板標定的方法。標定模版時對于儀器的狀態要求要比樣品檢測時還要嚴格，檢查溫度和載氣等條件是否穩定，當儀器穩定后，在操作條件不變的前提下，兩次或兩次以上連續進標準氣檢查，無論是連續兩次進樣，還是最后一次與以前某一次進樣，各組分的重復性滿足標準GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》中章節8中給出的重復性，即可作為矯正模版。禁止只進一次標氣，不檢查重復性，就標定模版，用于后續的樣品檢驗，這樣無法確保標氣模版的準確性，則確保樣品檢測數據的準確性。

除了對于標準氣模版準確性的嚴格控制，樣品檢測的步驟也應嚴格按照GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》，如此可以確保樣品檢測的準確性。

表1 不同廠家在專業機構檢測數據對比Tab.1 Comparison of test data from different manufacturers in professional institutions

2.2.2 取樣的影響

近年來由于天然氣的來源越來越復雜，并且有些地區受注氮影響，天然氣自身組分也含有氧氣，并且管道氣也開始使用多氣源混合輸送供給，例如外來氣管道中經常因為混入俄羅斯氣，而導致氧氮的組分含量升高，甚至有很嚴重的質量問題。再像以前一樣在檢測組分中扣除空氣，已經不科學了，不能反映真實的天然氣組分含量，因此取樣環節開始變得非常重要，取樣的代表性決定了后續檢驗數據是否有意義。

對于節能監測取樣比正常管輸天然氣更為重要，由于加熱鍋爐使用的燃氣經常是由罐車定時拉運并且注入干線中，氣體組分不但來源復雜，而且組分值波動可能較大，遇到波動較大的甚至需要波段取樣來取平均值參考。取樣的主要誤差來自于混入的空氣，如果誤差過大，就會導致檢測出的組分中氧氮含量比真實值偏高，計算出的熱值就會偏低，會使加熱爐正平衡熱效率偏高，甚至大于1，嚴重影響節能檢測的結論。

氣體燃料的采樣可在減壓（調節）閥后的燃氣管道上或在燃燒器前的燃氣管道上進行，一般在管道裝設一個帶閥門的采樣管，接上采樣器(袋)進行采樣。現場采樣按照GB/T 13609—2017《天然氣取樣導則》執行。使用附錄E充氣排空法的取樣步驟。緩慢地用氣體吹掃以置換導管和樣品容器內的空氣，并排空3遍以上[11]。

不同取樣點單項閥和雙向閥取樣袋含氧量對比見圖1，證明選用雙向閥取樣袋和標準的取樣方法，可以將取樣誤差降低到最小，確保天然氣分析數據更加可靠。

圖1 不同取樣點單項閥和雙向閥取樣袋含氧量對比Fig.1 Comparison of oxygen content in sampling bags of single valve and two-way valve at different sampling points

經同一操作人員不同取樣方式下所取同一地點天然氣樣品的檢驗結果對比見表2。表2中第一組數據，即用雙向閥取樣得出的實驗結果，含氧量是三組數據中最低的，熱值最高，檢測出最接近實時的檢驗數據。此次檢測的熱值也最能真實反映原料氣的初始能量值。第二組數據是使用單向閥取樣，經過檢驗分析測得的天然氣中氧氣、氮氣含量明顯比雙向閥取樣時天然氣樣品中氧氣的摩爾百分比相差0.32%，低位熱值和高位熱值分別減少0.38 MJ/m3、0.43 MJ/m3。氧氮的含量越低，熱值就會越高，因此取樣是否規范對于熱值的影響很大。最后一組是取樣人未經培訓，使用單向閥取樣，無法反應出真實的結果，低位熱值和高位熱值分別減少皆為9.11 MJ/m3、10.08 MJ/m3。取樣人異常取樣的檢測結果經過計算正平衡熱效率會從86%變成116%，原本合格的加熱爐節能監測加過變成了不可用結果。反平衡熱效率增加了1%左右，影響不算很大。

表2 不同取樣方式下所取同一地點天然氣樣品的檢驗結果對比Tab.2 Comparison of test results of natural gas samples taken from the same place under different sampling methods

3 結論

加熱爐熱效率是節能管理的重要指標，二者的準確度直接影響后續對于加熱爐的措施管理。這兩個參數都與天然氣檢驗密切相關。天然氣檢驗的準確度直接影響熱效率的計算，根據工作經驗得出，取樣環節和模版標準環節都是控制天然氣檢測數據準確的重要環節，也是最容易出問題的環節，使用正規廠家生產的標準氣，使用雙向閥取樣，并按照上述的方法進行取樣并檢測，可以將實驗誤差減小到最低，獲得實驗室數據更接近真實數值，更有利于獲得正確的加熱爐節能監測得結論，為后續的節能措施及管理辦法的提出，提供準確、科學的數據支撐。