移動式LNG取樣技術研究及應用*

朱華東 李曉紅 買吾拉尼江·買買提吐爾洪 王宏莉

1中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

2中國石油天然氣集團公司天然氣質量控制與能量計量重點實驗室

3中國石油塔里木油田分公司

根據國際天然氣聯盟（IGU）2014年發布的分類標準，小型液化天然氣場站是指產量小于100×104t/a 的LNG 項目。預計到2030 年全球LNG 市場上小型LNG 項目規模將達到1×108t/a，主要分布在中國、美國、澳大利亞、加拿大和拉美地區等地。近年我國LNG 加氣站數量保持逐年穩定增長的態勢[1]。據四川省清潔能源汽車產業協會和前瞻產業研究院統計預測，2020 年我國LNG 加氣站保有量在4800 座左右[2]，到2025 年，我國LNG 加氣站市場保有量將超過7700座[3-5]。

LNG是重要的能源商品，在生產和貿易過程中均需要進行質量檢測控制[6]，在標準GB/T 38753—2020《液化天然氣》[7]中規定了商品液化天然氣的質量要求技術指標，規定采用GB/T 20603—2006《冷凍輕烴流體-液化天然氣的取樣-連續法》中的方法進行取樣[8]。由于取樣系統設備龐大，采購、設計和使用成本高[9]，需要有專門的空間用于安裝，不適合應用在小型LNG場站。

CN106989271A[10]公開了分體式真空絕熱低溫液化天然氣進樣裝置，即將滿足GB/T 20603—2006要求的取樣系統進行小型簡化，整個取樣、加熱、樣品均勻化緩沖系統置于一個手提箱中，形成了移動式LNG取樣裝置。目前已有應用案例報道[6]，但是缺少足夠的實踐，無法說明取樣方法的適應性。因此針對小型LNG 站取樣問題設計研制了一套移動式點樣取樣系統。

1 小型LNG站取樣技術現狀

我國的小型LNG 項目具有經濟環保、供應方式靈活的特點，可有效利用零散氣田等固有的特性和優勢，小型LNG 已經成為管道天然氣和進口LNG 的重要補充。小型LNG 站的生產經營均涉及到質檢取樣，主要包含LNG 加氣站和LNG 橇裝試驗站的取樣。

1.1 LNG加氣站取樣

在LNG 加氣站，最終銷售給用戶的LNG 是從加液槍加注到車用LNG 鋼瓶，此處的LNG 質量檢測最為關鍵。但是在加氣站沒有配備LNG 專用取樣系統，無法取樣進行質量檢測，通常加氣站的LNG質量指標由上游供應方提供，加氣站不對LNG質量負責。作為與消費者直接貿易交接的窗口，需要掌握所售商品的品質情況，僅能通過加氣站的氣體管路段取樣分析，即在BOG 回收流程中取樣。

1.2 LNG橇裝試驗站取樣

橇裝站LNG 生產工藝流程可分為脫碳單元、脫水單元、脫烴單元、丙烷預冷單元、冷劑壓縮機單元、低溫液化單元和LNG 裝車單元，凈化好的天然氣進入冷箱，經過一級主換熱器與混合冷劑換熱，溫度降低到-50 ℃左右時，出換熱器，進入重烴分離器。根據氣源組分變化情況，如重烴含量較高，則在此處分出以重烴為主的液體，送至重烴換熱器，復溫后進入燃料氣系統。從頂部出來的氣態原料氣通過一級主換熱器與混合冷劑換熱，溫度逐級降低至約-161 ℃后，經過節流將壓力降至0.2 MPa，通過裝車臂充入槽車。目前LNG 產品質量是在凈化后冷箱前取樣口取氣體樣品分析檢測得到的。由于在冷箱中還需要進行重烴分離（-50 ℃左右），因此冷箱前的氣體和最終LNG 產品質量可能存在一定的差異，這種在凈化后冷箱前取氣體樣品分析結果可能無法代表LNG產品的真實質量。

2 移動式LNG取樣系統

2.1 系統設計

LNG 取樣系統的關鍵技術為：①從液體樣品源取樣過程中需要保持LNG 過冷狀態不發生氣化；②取樣氣化過程完全氣化。取樣系統的結構排布和取樣探頭關系到LNG 是否處于過冷狀態，因此采用了預冷設計（圖1）。氣化器前設置了一個LNG 放空閥，在取樣前打開放空閥，將LNG 從輸送管線中引入到氣化器，置換了整個取樣探頭中LNG，使氣化器前的LNG接近樣品源的狀態，最大程度地解決了LNG 在取樣過程中因為輸送吸熱而發生部分氣化的問題。在探頭設計方面，采用了真空隔熱技術，取樣探頭的技術規格關系到隔熱效果，取樣探頭（保冷結構）的焓增量需要小于LNG樣品的過冷度，才能確保氣化器入口處的LNG 處于過冷狀態。

圖1 移動式LNG取樣系統設計Fig.1 Design of mobile LNG sampling system

2.2 系統制作

LNG取樣系統（圖2）的關鍵部件有LNG連接接口（加液槍座）、LNG 傳輸管線、深冷截止閥和氣化器。選用五月花加液槍座作為連接接口；采用不銹鋼真空套管作為LNG 傳輸管線（外徑為0.010 21 m，內徑為0.006 35 m），為了確保保冷效果，在不銹鋼真空套管外部又打了一層酚醛泡沫(PE)；選用HY-LOK HPGR400 閥作為深冷截止閥；選用上海銳宇流體公司生產的realflow 電加熱調壓閥作為氣化器。為了對取樣過程中流速進行監控，特別設計增加了科里奧利質量流量計。

圖2 移動式LNG取樣系統Fig.2 Mobile LNG sampling system

3 移動式LNG取樣系統應用

3.1 取樣

為了考察移動式LNG 取樣系統的取樣實用性和取樣一致性，采用移動式LNG 取樣系統在某LNG 站連續取樣11 個（圖3）。取樣方法及取樣步驟如下：①將取樣鋼瓶連接至便攜式LNG 取樣系統氣路出口；②打開電源預熱調壓氣化器；③加液機通過加液槍打循環，注入新鮮LNG；④將加液槍插入便攜式LNG 取樣系統的加液槍座；⑤打開入口處深冷截止閥，再打開放空閥，調節LNG 流速至15～20 kg/h，觀察到放空管出口處流出LNG液體后，關閉放空閥；⑥完全打開調壓氣化器，吹掃氣路和取樣鋼瓶5 次，然后靜置1 min，關閉取樣鋼瓶起始端閥門，完成取樣。

圖3 采用移動式LNG取樣系統取樣Fig.3 Sampling with mobile LNG sampling system

3.2 組成分析

根據GB/T 13610—2020，采用多根色普柱聯用以便能完全分離、測定LNG 中可能存在的所有組分，定量分析時采用外標法。試驗色譜條件為：Agilent 7890B 氣相色譜儀，色譜柱為：Mole-Sieve 13X 45～80mesh；MoleSieve 13X 60～80mesh；Porapak Q 80～100mesh；10% silicone UCW982 ON Chromosorb PAW 80～100mesh；25%silicone DC200；2 個TCD 檢測器，載氣：氦氣28 mL/min，氮氣25 mL/min；進樣量0.25 mL。80 ℃保持18 min。在上述分析條件下，對采用移動式LNG 取樣器連續取樣獲得的11 個樣品進行組成分析，結果見表1，連續兩次取樣樣品組成分析結果差值見表2。

表1 連續11次取樣組成分析結果Tab.1 Composition analysis results of 11 consecutive samples 摩爾分數/%

由表2 可知，根據GB/T 13610—2020 中的規定，如果兩個連續測定值差值超過了表3規定的數值，測定結果應視為可疑。由圖4明顯看出，采用移動式LNG 取樣系統取樣符合GB/T 13610—2020的再現性要求。

圖4 連續兩個樣品測定結果的差值統計Fig.4 Statistics of the difference between the test results of two consecutive samples

表2 連續兩個樣品測定結果的差值Tab.2 Difference between the test results of two consecutive samples 摩爾分數/%

表3 GB/T 13610—2020的精密度要求Tab.3 Precision requirements of GB/T 13610—2020

4 結束語

我國小型LNG 站已經成為管道天然氣和進口LNG的重要補充，在我國天然氣開發利用中發揮著重要作用。隨著LNG 加氣站、零散氣回收試驗LNG 橇裝站等小型LNG 產業的迅猛發展，小型LNG 站進行LNG 取樣質檢需求增大，然而現有的LNG取樣技術（GB/T 20603—2006）不適用于小型LNG 站，為了解決這個問題，研制了移動式LNG取樣裝置和取樣技術。實驗結果表明，該技術適用于LNG 加氣站取樣，可以滿足小型LNG 質檢取樣需求，有力支撐了小型LNG產業的高質量發展。