天然气在线自动取样系统的设计及应用

耿传贵，刘伍三，聂中文，吕峰

（1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.中国石油天然气股份有限公司 北京油气调控中心，北京100007）

0 引言

目前，中国正在加快发展清洁能源，天然气将成为推动中国能源转型的重要方向，长输天然气管道的建设逐渐加大。在天然气长输管道尤其是跨国天然气输送中，为保证天然气输入品质，做到客观、公正地检验检疫，保证贸易双方的经济利益和管道的安全运行，对天然气气质地分析是至关重要的。

通常，在天然气长输管道首站设置分析仪表，用于分析天然气的气质。分析取样方法分为直接取样和间接取样。直接取样方法中，样品直接从气源输送至分析单元，即从输气管道的取样点到在线过程分析仪表，主要有气相色谱分析仪、H2S分析仪、水分分析仪和烃露点分析仪[1]。对于天然气间接取样，需要在站场设置在线自动取样系统实现从管道内采集最具有代表性的样气至样品气瓶用于离线分析。

本文以中缅天然气管道工程为例，介绍间接取样方法的在线自动取样系统的配置及功能。

1 项目概况

中缅天然气管道工程是中国实施能源战略的重点项目之一，是中国能源进口的西南通道。中缅管道在缅甸天然气进入中国的首站－瑞丽分输压气站设置了在线过程分析仪表，即在线色谱分析仪、H2S分析仪、水分分析仪和烃露点分析仪，用于在线实时监测天然气的组分、水露点、烃露点和热值等信息，分析数据上传至管道的监控和数据采集（SCADA）系统，在站场控制室及调度控制中心监测天然气的气质。首站除设置在线的分析检测仪外，另外为了满足检验检疫各方对天然气分析要求，在进站处还设置了在线自动取样系统，从管道内采集样气至样品气瓶，并定期将样品气瓶送至化验室及出入境检验检疫局进行离线分析，从而监测境外输入到国内天然气的品质。

2 在线自动取样系统组成

图1 输气管道自动取样系统工艺及仪表控制流程简图Fig.1 Automatic sampling system pipeline and instrument flow diagram for natural gas pipeline

在线天然气自动取样系统主要包括：取样探头、取样器、移动活塞气瓶、取样控制器、取样小屋、取样导管、保温/伴热以及附属设备材料等。在线自动取样系统的取样探头安装在天然气主管道上，天然气经过取样管路能够直接自动连续地采集出管道中天然气足够量的具有代表性的气体样品至移动样品气瓶，通过取样控制器完成预定量的样品采集，并能将其取样控制信号传送至上位控制系统。通常情况下，自动取样系统可以在没有操作人员干预的情况下连续和反复地提取少量样品，以确保天然气任何成份的变化都被反映到样品中。

图1为天然气管道工程自动取样系统工艺及仪表控制流程简图，图中以一个取样回路和一个样品气瓶并设置手动取样设备为例，当有多个样品气瓶需求时，可采取多个取样回路和多个样品气瓶的设计。

取样系统的采气量虽小，但其介质为易燃易爆高压介质，为保证自动取样系统能安全工作，自动取样系统按照《天然气取样导则》GB/T 13609及相关标准的要求进行设计，整个取样系统的安全包括对人员、个人防护装备、设备及运输要求应严格遵循标准要求。

3 在线自动取样系统技术要求[2]

3.1 取样探头

取样探头为插入气体管道，另一端与取样导管相连接的装置。取样探头在管道上方插入管道直径的1/2～1/3处，探头的设计应考虑管道中高速气流可能造成的的探头共振，且不易被堵塞，使样气具有代表性。取样探头结构宜为在线插入/收回型，探头通过一个配套的法兰式全通径球阀后直接插入输气管道中，操作者可关闭球阀切断天然气，并安全地从带压的管道中移出或插入取样探头，实现探头在线插拔，当探头维护时亦不用停输。

取样探头为双探头设计，一个探头用于样品进气，一个探头用于样品气循环返回，实现用管道中的天然气来提供背压系统的气源，并将多余引出的天然气通过取样探头的另一个接口返回到天然气主管道中。

3.2 取样器

取样器采用气动式，动力为管道中的带压天然气。取样器从管道中抽取样品压缩至样品气瓶中，确保每个取样周期都能获取真实的样品。

取样器带有样品收集容器，每一次取样时取样器的收集头就会被压缩，使得取样器在采集样品时减少对取样容器的冲击，并完全释放所采取的天然气。同时，取样器可在不同的管内天然气压力下，顺利地从流动的高压天然气中提取样品，并且将样品送入移动活塞气瓶。

3.3 移动活塞气瓶

移动活塞气瓶为内部装有一个可移动活塞的容器，样品与缓冲气通过活塞进行隔离，活塞两边的压力保持平衡，容器为恒压式。气瓶通过活塞接入管道内天然气，气瓶所取样的天然气压力与管道内天然气压力相同。气瓶上配有磁性指示器显示气瓶容量。根据工程需要设置相应数量的移动活塞气瓶，并配备取样器和相应管路。

移动活塞气瓶取样系统设计时应具有气瓶的背压系统。在取样前移动活塞气瓶需要利用管道中的天然气对其预先充压，使其压力与管道压力一致。背压气源将通过在线取样探头将管道中的天然气引出到移动活塞气瓶背压接口。

3.4 取样控制器

取样控制器可以对整个取样过程进行控制，在一定的时间间隔内，以与气源管道天然气流成正比的速率采集样品，保证系统自动地按流量或时间进行周期取样。移动活塞气瓶上设有限位开关，气瓶充气达到限定位置时，取样过程自动停止。取样控制器能与上位控制系统通讯，可以向上位机提供取样系统的相关信息。

3.5 取样导管和仪表设备

为减小气样停留时间，从取样探头到气瓶间的取样导管应尽可能短，管直径应尽可能小，但不小于3mm。

取样系统还设置了压力表、限位开关、自力式减压阀、电磁阀、止回阀、安全阀、仪表阀和过滤器等仪表和阀门，保证系统安全运行。

根据需要可设置手动取样设备，手动取样装置的工作应不受自动取样系统运行情况的影响，便于在自动取样系统出现问题时还能进行取样。

根据环境温度和介质温度，为了防止外界环境温度影响使取样管路中有凝液形成，确保取样设备能正常运行，取样探头、取样导管及设备应根据情况进行相应的保温和伴热，取样管路的加热温度应至少高于凝析温度10℃。

取样系统使用的材料选择必须能够承受取样介质的压力、温度、流速冲击和腐蚀，且不受天然气的影响，也不改变气体的化学性质。取样探头、移动活塞气瓶等设备和取样管路安装材料的材质应为不锈钢。

3.6 取样小屋

为保证取样系统的正常工作和使用效果，除探头、取样管路外，其他取样设备及其附属设备均安装在取样小屋内。

当取样小屋内取样设备及管路故障使天然气泄漏时，导致天然气的聚集。在小屋内应安装可燃气体探测器[3]，当室内外可燃气体泄漏并超过限定值时，现场报警器报警，自动停止取样，同时启动通风设备。

为便于移动，取样小屋采用整体橇装结构设计。取样小屋为钢制框架结构，各表面材质均应为不锈钢，内外层间填充保温材料。

3.7 供电及接地

取样控制器供电可采用24VDC或220VAC电源，仪表和控制器采用不间断电源，保证在供电系统故障时取样的不间断。取样小屋照明、通风设施和电伴热器所用的动力电源可采用普通用电。

各电气设备应采用接地铜线接至取样小屋的接地体上，取样小屋的接地接至站场共用接地系统上。

安装在现场的仪表及电气设备应采用防爆和安全防护措施。

4 结束语

天然气的成分变化会影响气体的发热值，如发热值偏离合同要求，将对贸易双方经济利益产生影响。另外，如天然气中含水量、含硫量及含二氧化碳量过高将对管道的运行产生危害，降低输气能力，影响正常供气，并对管道产生腐蚀，降低管道的使用寿命，影响计量准确度。因此，高效准确的在线自动取样系统为天然气长输管道天然气的品质分析、保障贸易双方的经济利益和管道的安全运行起着重要作用。

中缅天然气管道已投产运行，瑞丽分输压气站自动取样系统按照冗余的双回路取样进行配置，每回路均可独立进行，按设定方案进行样品抽取，双回路中每个回路样气可同时注入3个相同的移动活塞气瓶中，分别为化验室、出入境检验检疫局或第三方检验提供合格的样品的需求，样品气瓶可根据规定定期更换，当偏差出现时能够找到验证处理的依据，保证检验结果的公平性和真实性。

[1]《石油和化工工程设计工作手册》编委会.石油和化工工程设计工作手册[Z].2010:559.

[2]GB/T 13609 天然气取样导则[Z].155066·1-46151:3-18.

[3]HG/T 20156自动分析器室设计规定[Z].