天然氣累積取樣系統性能評價方法研究

王偉杰 曾文平 鄒航 王曉琴 陳學鋒 楊倩 何敏 丁思家

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家市場監管重點實驗室(天然氣質量控制和能量計量) 3.中國石油天然氣集團有限公司天然氣質量控制和能量計量重點實驗室 4.重慶交通大學5.中國石油西南油氣田公司 6.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

天然氣作為一種“清潔燃料”,在全球的需求量和產量呈逐年上升的趨勢。國內目前已形成常規氣、非常規氣(頁巖氣、致密砂巖氣和煤層氣等)、進口液化天然氣、進口管道氣、摻氫/生物甲烷天然氣等多元化的供銷格局[1-3],氣源發熱量范圍覆蓋的跨度大,不同氣源發熱量最大差值超過20%。在一個統一的天然氣輸配管網內采用體積交接計量,難以準確計算管網輸氣能量平衡、有效控制和監督質量及保障天然氣貿易公平。因此,實行天然氣能量計量是大勢所趨[4-5]。

依據GB/T 22723-2008《天然氣能量的測定》,采用間接法測量天然氣的發熱量[6],應用的主要場所有GB/T 18603-2014《天然氣計量系統技術要求》規定的天然氣貿易交接的B級計量站、 C級計量站[7]。另外,由于我國長輸管網氣源的復雜性,以在線取樣方式獲取代表性樣品時,也需要采用累積取樣的方式進行核查,在貿易交接中對于A級計量站也需要連續累積取樣器組成的核查系統進行貿易交接的公平驗證,特別是當有貿易糾紛發生時,更需要用連續累積取樣器進行待測樣品的溯源。因此,累積取樣系統作為實施天然氣能量計量過程中發熱量測定的重要手段,對保證天然氣貿易交接的公平、公正起著重要作用。

目前,關于天然氣累積取樣的標準GB/T 13609-2017《天然氣取樣導則》和GB/T 30490-2014《天然氣自動取樣方法》只涉及取樣的范圍、原則、方法和材料等技術內容[8-9],但是對累積取樣系統的材料核查、安裝環境、系統配置及技術未作要求,無有效的評價機制,無法保證累積取樣系統的有效性和可靠性。本研究主要對累積取樣系統性能評價方法進行探討,確保累積取樣系統各部分功能配置及取樣環節的規范性,保障累積取樣系統獲得樣品的代表性,支撐我國天然氣能量計量的推進和實施。

1 累積取樣技術概述

天然氣的發熱量等物性參數由天然氣組成分析的平均值提供,累積取樣技術正是按時間和流量的變化對一系列的點進行采樣,然后將其合并成一種組合樣品。因此,累積取樣技術主要應用于獲得天然氣組成的平均值和天然氣產品的貿易交接。

1.1 技術簡介

累積取樣系統主要包括調壓系統、電磁閥系統、取樣泵、取樣瓶等,通過安裝在管道內的取樣探頭,按照一定的模式設置參數進行一定周期內的取樣。按照取樣容器類型的不同,累積取樣系統分為置換式和調壓式2種,其工作原理如圖1所示。圖1(a)為置換式,取樣容器采用移動活塞式取樣瓶,在取樣周期內,在基本恒定的管道壓力下,通過氣瓶內的移動活塞將預先充入的氣體逐步地由泵入的樣品所置換。圖1(b)所示為調壓式,取樣容器采用固定容積容器,一般為紡錘瓶,系統使用一種特殊設計的壓力調節器,在取樣過程中,使紡錘瓶中的壓力從0增加至管道的最大壓力。從二者的取樣原理來看,推薦使用置換式累積取樣系統,特別是當管道壓力低或流量變化大時,使用具有固定容積容器的調壓式累積取樣系統不易獲得代表性樣品。

1.2 相關標準

國內外關于天然氣取樣系統的標準主要有ISO 10715、GB/T 13609、GOST 31370、ASTM D5287和GB/T 30490等,相關標準編號和名稱詳見表1。ISO 10715：2022論述了天然氣樣品采集的總方針,其中包括取樣原則、取樣方法和取樣裝置等。GB/T 13609-2017修改采用ISO 10715：1997,除規定了取樣原則、方法、取樣頻率、取樣安全要求、取樣材料和取樣設備外,拓展了取樣導則的應用范圍,增加了資料性附錄以規定取樣探頭的位置及安裝要求。目前由于ISO 10715：2022版在取樣探頭安裝位置等方面提出了一些新的要求,GB/T 13609-2017也正在開展相應的修訂工作。ASTM D5287-08(2015)規定了天然氣及類似氣體樣品自動連續累積取樣的方法,包括累積取樣的選擇、安裝和維護等內容。GB/T 30490-2014《天然氣自動取樣方法》非等效參考了ASTM D 5287-08(2015)標準,內容包括取樣材料選擇、取樣探頭安裝、取樣回路設計以及取樣器安裝、維護、確認及使用。

表1 國內外天然氣累積取樣相關標準國家或國際標準標準編號標準名稱國際ISO 10715：2022天然氣 取樣導則中國GB/T 13609-2017天然氣 取樣導則中國GB/T 30490-2014天然氣自動取樣方法俄羅斯GOST 31370-2008天然氣-取樣指南美國ASTM D5287-08(2015)氣體燃料自動采樣的標準實施規程美國ASTM D7314-10(2015)用熱量計和在線/在線取樣測定氣體燃料發熱量的標準實施規程美國GPA STD 2166-2005采用氣體色譜法分析天然氣樣品

2 累積取樣系統性能評價方法

天然氣貿易交接時,通過累積取樣系統獲得一定周期的混合樣品,然后采用色譜法對樣品進行組成分析,并基于組成數據計算獲得天然氣的發熱量。由此可見,累積取樣系統的工作狀態是否正常,對獲得的發熱量值的準確性和有效性至關重要。因此,需要建立全面、系統的累積取樣系統性能評價方法。

根據GB/T 13609-2017和GB/T 30490-2014標準的規定,累積取樣系統的使用要遵守相應的技術要求,比如取樣系統的取樣位置設計,取樣探針安裝及設計,取樣探頭的保溫,取樣系統的材料及系統構成部件的材質,取樣容器的使用、選擇、安裝及清洗,取樣系統的密封性,取樣系統的工作環境和工作壓力,電氣設施的防爆及運行過程的資質和安全質量管理等。如果要獲得具有代表性的樣品,累積取樣系統的結構和組成的取樣環路就必須是完整的,組成部件包括但不限于取樣探頭、取樣泵、調壓器、電磁閥、控制器、氣瓶壓力表、取樣瓶等。此外,在累積取樣系統的運行過程中還涉及取樣量、取樣頻率的設置,這些參數均會影響系統的實際應用效果。因此,綜合考慮從累積取樣系統的安裝、運行到維護、質量管理等全流程,建議從以下幾項性能指標對累積取樣系統進行性能評價。

2.1 取樣系統配置的完整性

取樣系統配置的完整性指累積取樣系統按照待測組分的取樣要求,組成取樣系統的各部件都應該是完整的,缺一不可。依據GB/T 13609-2017、GB/T 30490-2014標準的規定,累積取樣系統主要由取樣探頭、取樣泵、減壓模塊 、控制電磁閥 、控制器 、氣瓶壓力表總成、取樣瓶構成取樣的回路。因此,該項指標可使用現場勘驗、查詢檔案資料的方法,對累積取樣系統的結構完整性和可靠性進行記錄和描述。對A、B兩個場站安裝的累積取樣系統進行現場核查,如圖2所示,兩個場站的累積取樣系統均包括取樣探頭、取樣泵、減壓模塊 、電磁閥 、控制器 、恒壓取樣瓶、連接管線,并由連接管線構成取樣的回路,經評價,其系統配置是完整的。

2.2 取樣系統的符合性

取樣系統的符合性指取樣系統安裝的位置、組件材質、回路構成,以及取樣系統運行要求、人員及設備資質和質量安全管理要符合技術規范的要求。主要使用現場勘驗、查詢檔案資料的方法,按照GB/T 13609-2017、GB/T 30490-2014標準的要求,并結合ISO 10715：2022進行現場核查。對安裝于A場站的累積取樣系統取樣點的位置、取樣探頭的安裝、取樣系統各部件的材質及使用要求、取樣容器清潔等展開符合性評估。

(1) 取樣位置檢查：現場觀察取樣位置設計直管段,相距阻流元件的距離為1.2 m,現場取樣位置適合取樣操作及日常維護方便。

(2) 取樣探頭安裝核查：現場查看取樣探頭組成結構,確認取樣探頭安裝類型為直通探頭,垂直安裝在出站主干線的水平管道頂部,管徑為DN400 mm,探針插入管道1/2至2/3管徑處,并在同一管線上有回流管路,形成回路。

(3) 取樣回路：從取樣探頭到取樣容器,利用取樣導管形成了取樣回路,現場察看安裝于現場的累積取樣裝置,根據取樣過程中氣流的流動方向,逐一檢查累積取樣裝置的取樣探頭、連接管路、取樣控制器、取樣泵和取樣恒壓瓶連接通道,判斷取樣流是否可以形成回路,取樣管線的材質、尺寸、排管的走向等是否能夠滿足累積取樣裝置的技術要求。

(4) 取樣控制器安裝位置核查：取樣控制器安裝高于取樣探頭,并有防護箱防護,與取樣口距離較短,滿足要求。

(5) 取樣系統的材質：取樣探頭材質均為不銹鋼316L,取樣系統組成部分如取樣泵、閥門、導管、接頭、單向閥、過濾器材質均為316L,取樣容器的材質如恒壓取樣瓶、閥門、壓力表、管線、接頭主體材質均為316L。

(6) 現場安裝的取樣容器類型檢查：現場采用的是活塞取樣瓶,水平安裝在保溫箱中,活塞取樣瓶兩端壓力一致,連接管線均比較短。

2.3 取樣系統的氣密性

取樣系統氣密性核查主要采用現場試驗方式,首先應采用檢漏液(如肥皂水)對系統整體的管路連接點進行試漏,觀察是否有氣泡出現。當觀察到無氣泡后,打開氣源以及累積取樣系統的吹掃閥、鋼瓶閥等,使取樣瓶內快速充入一定壓力的樣品,然后關閉氣源以及吹掃閥,記錄取樣系統上所有壓力表讀數,觀察記錄壓力表讀數至少0.5 h,確認系統壓力有無明顯下降,判斷系統是否具有良好的氣密性。

2.4 預設參數的符合性

2.4.1取樣時間間隔

當累積取樣系統設置為時間模式時,需要以取樣周期和取樣容器的容量為依據,確定要間隔多長時間才需要取一次樣品,并在控制器上設置時間間隔參數。對該參數的核查,可用秒表等計時器記錄控制器操作取樣泵動作一次的時間,按同樣的條件重復測量多次(至少7次)取平均值,評價該參數的符合性。通過對3種類型的取樣系統的取樣時間間隔參數的評價,實測的取樣時間間隔基本與預設值一致。具體核查結果見表2。

表2 累積取樣系統取樣時間間隔核查s序號取樣器類型設定取樣時間間隔實測取樣時間間隔1234567平均值1A30.0029.9530.1729.8730.0330.0330.2429.7830.012B60.0059.9260.1058.7059.6059.5059.7059.3059.553C180.00179.00180.00178.00179.00180.00177.00179.00179.00

2.4.2單次取樣量

單次取樣量即累積取樣系統泵工作一次抽取的樣品量。當采用活塞瓶進行取樣時,活塞瓶上有浮子,可讀取樣品量體積數據。因此,對于活塞瓶取樣情況,可通過直接讀數的方式對取樣量進行核查。但是,如果采用紡錘瓶進行取樣的話,無法顯示鋼瓶內的樣品體積,可采用流量法或稱量法進行核查。3種取樣量核查方法具體特征見表3。

表4為采用一臺累積取樣器在現場進行快速測試的取樣量核查,可看出在開始取樣初始階段,活塞瓶上浮子讀數與取樣量的偏差較大,隨著后續泵工作次數的增加,浮子的讀數偏差逐漸降低至5%左右。原因主要有幾個方面：①取樣管線內有部分死體積,會導致在取樣初始階段的誤差,根據現場的多次觀察實驗,一般當泵次數到達50次左右時才能觀察到活塞瓶浮子的移動;②活塞瓶浮子是靠磁性吸引,如果有灰塵或者液體等雜質存在,會造成浮子移動不是特別靈敏,比較卡頓,經常會突然移動10 mL,使讀數偏差較大;此外浮子與活塞有時會脫節,浮子無法跟隨活塞進行移動,會導致浮子讀數不準確;③鋼瓶上浮子讀數刻度比較寬泛,最小刻度為10 mL,靠觀察直接讀數的偏差較大。

表3 3種取樣量核查方法方法主要思路說明直接讀數法①在現場通過快速測試的方式,讓取樣泵連續取樣,記錄取樣次數、單次取樣量、活塞瓶浮子讀數,對比二者的偏差,確認取樣是否與預設值一致;② 根據每天定期巡檢記錄取樣次數、單次取樣量、活塞瓶浮子讀數來確認僅用于采用活塞瓶取樣,紡錘瓶無法直接讀數。活塞瓶浮子刻度較為寬泛,且容易出現與活塞脫節或者卡頓的情況,建議可用于日常巡檢時記錄核查流量法根據預設單次取樣量及取樣次數計算出預設的取樣量,根據鋼瓶內的氣體壓力、環境溫度、環境壓力、氣體工況條件下的壓縮因子,由氣體狀態方程計算出放到環境壓力下的取樣量。然后將樣品瓶與濕式氣體流量計連接,緩慢使氣體流出,測出實際放出的氣體體積,比較與計算值的偏差。可用于活塞瓶或者紡錘瓶,該方法需要使用流量計,易受流量計的讀數誤差、流量計測量氣體時氣體的流速等因素的影響稱量法采用高精度天平稱量樣品瓶滿瓶與放空后的質量差值,計算取得樣品的質量;根據氣質組成數據計算摩爾發熱量、壓縮因子,然后根據樣品壓力、環境溫度,采用氣體狀態方程計算出樣品瓶內實際的樣品體積,與預設取樣量進行比較該方法既可用于活塞瓶,也可用于紡錘瓶

采用流量法開展了兩次評價實驗,結果如表5所列。該方法中的影響因素主要有流量計的讀數誤差、流量計測量氣體時氣體的流速等。

采用稱量法開展了5次評價實驗,結果如表6所列。計算的取樣總量相對偏差最大為5.46%,單次取樣量相對偏差最大為4.11%。主要影響因素有以下幾個方面：①天平稱量時讀數有誤差;②鋼瓶壓力讀數較為粗略,對計算實際取樣量的數據影響較大。綜合3種方法的使用情況及評價結果,建議采用稱量法對累積取樣系統的取樣量進行評價。

表4 取樣量核查實驗-直接讀數法序號泵工作次數/次設置單次取樣量,體積/mL預設應取體積/mL活塞瓶浮子讀數,體積/mL相對偏差/%1106215631824250529264257560867897031081011963121 1010.442.42052.8362.44035.9072.85031.32100.07525.00116.810014.38170.015011.76224.020010.71271.22507.82281.22607.54324.03007.41385.23606.54440.44204.63

表5 取樣量核查實驗-流量法序號單次取樣量,體積/mL取樣泵次數/次工況下預設的取樣量,體積/mL計算放到常壓下的預設的取樣量,體積/mL濕式流量計測量的取樣量,體積/mL取樣總量相對偏差/%10.2942188.46 654.57 0155.420.4506202.47 149.07 0950.8

表6 取樣量核查實驗-稱量法序號單次取樣量,體積/mL取樣泵次數/次預設的取樣量,體積/mL取樣后鋼瓶質量/g樣品放空后鋼瓶質量/g計算取的樣品質量/g實際的取樣體積/mL取樣總量相對偏差/%單次取樣量相對偏差/%10.42 149859.68 476.2928 457.11219.180843.91.821.8320.42 208883.28 523.4108 503.75319.657846.94.104.1131.0 500500.06 231.4056 220.23711.168494.34.061.1441.0 500500.06 227.2636 215.01512.248485.45.462.9250.41 000400.06 341.4556 328.11313.342389.02.762.75

2.4.3流量

在實際的累積取樣中,由于輸送介質的組分及流量都會隨著時間會發生很大的變化,因此,采用流量比的累積取樣方式更為科學、合理。在以流量比的方式進行累積取樣時,累積取樣系統的控制器設定有接收1～5 V,4～20 mA流量信息或與流速成比例的脈沖流(最大30 V)的部件,同時還需要一個來自外部設備提供的流量信息,該流量信息可以是模擬量流速(1～5 V,4～20 mA),也可以是來自壓差傳感器的平方根提取,或者是數字量流速(流量脈沖)。

當采用流量模式取樣時,現場核查的內容主要包括：中控系統軟件程序中的累積流量、瞬時流量與流量計算機數據是否一致;當中控系統發出控制信號后,累積取樣系統的取樣泵是否進行取樣工作;軟件程序中的取樣次數與累積取樣控制器顯示的次數是否一致。圖3所示為在某場站對累積取樣系統流量模式控制程序的核查,核查結果為該累積取樣系統能夠按照預設的累積流量參數進行取樣,且取樣次數與累積取樣控制器顯示的次數一致。

2.5 取樣系統的一致性

取樣系統的一致性是指累積取樣所得樣品與在線/離線取樣所得樣品的發熱量偏差。主要通過對累積取樣樣品與在線色譜、離線點樣的發熱量進行對比,或者在具備實驗條件的情況下,采用兩臺累積取樣系統(分別命名為A和B)在相同模式下對所得樣品的發熱量進行對比,驗證獲得發熱量值的一致性。實驗數據分別見表7和表8。由表7可見,累積取樣系統在時間模式下與在線色譜的發熱量相對偏差均在1.00%以內,特別說明該實驗結果是在氣質環境比較穩定的實驗站點所得。由表8可見,安裝于同一站點的兩臺累積取樣系統采用時間模式在相同周期內取得的樣品的發熱量相對偏差也均在1.00%以內,該站點的氣質也較穩定。說明現場安裝的累積取樣系統獲得的發熱量具有較好的一致性。結果表明,當氣質較穩定時,現場安裝的累積取樣系統與在線色譜發熱量結果具有較好的一致性,且不同累積取樣系統獲得的發熱量也具有較好的一致性。電子文檔2：氣質波動較大條件下累積取樣系統發熱量一致性的評價,以及相關標準規范的制定。

表7 累積取樣與在線色譜發熱量比對組分場站1場站2場站3累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%在線色譜分析結果算術平均值,摩爾分數/%相對偏差/%累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%在線色譜分析結果算術平均值,摩爾分數/%相對偏差/%累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%在線色譜分析結果算術平均值,摩爾分數/%相對偏差/%He0.020.020.05H20.010.010O2000N20.650.580.680.670.990.98CO21.361.311.631.650.010.01CH497.6297.5497.2997.3290.4490.83C2H60.320.550.310.265.955.74C3H80.020.020.030.041.571.48iC4H10000.010.020.290.28nC4H10000.010.020.330.32neo-C5H12000.010.01iC5H120000.010.100.10nC5H120000.010.080.08C6+000.010.030.180.17高位發熱量/(MJ·m-3)36.4636.580.3336.3836.410.0840.2440.120.15

表8 不同累積取樣系統所得樣品的發熱量比對組分A累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%B累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%相對偏差/%A累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%B累積取樣系統樣品分析結果,摩爾分數/%相對偏差/%He0.020.020.020.02H20.010.010.010.01O20000N20.600.550.430.55CO21.241.231.221.22CH497.5397.6197.6897.58C2H60.580.560.620.60C3H80.020.020.020.02iC4H100000nC4H100000neo-C5H120000iC5H120000nC5H120000C6+0000高位發熱量/(MJ·m-3)36.5936.610.0536.6736.620.14

3 結論

(1) 天然氣能量計量是未來的發展趨勢,而累積取樣系統是獲得天然氣發熱量平均值的關鍵技術,在未來將具有越來越廣泛的應用場景。

(2) 目前,針對累積取樣系統還未有相關的性能評價方法標準,綜合考慮從累積取樣系統的安裝、運行到維護、質量管理等全流程,建議從取樣系統配置的完整性、取樣系統的符合性、取樣系統的氣密性、預設參數的符合性、取樣系統的一致性等幾項指標進行評價。

(3) 通過具體的評價試驗示例,驗證了累積取樣系統的評價方法,后續將進一步開展氣質波動較大條件下累積取樣系統發熱量一致性的評價,以及相關標準規范的制定,建立完善的累積取樣系統性能評價方法標準規范,為天然氣能量計量的推進和實施提供標準保障。