天然气累积取样系统性能评价方法研究

王伟杰 曾文平 邹航 王晓琴 陈学锋 杨倩 何敏 丁思家

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.国家市场监管重点实验室(天然气质量控制和能量计量) 3.中国石油天然气集团有限公司天然气质量控制和能量计量重点实验室 4.重庆交通大学5.中国石油西南油气田公司 6.中国石油西南油气田公司输气管理处

天然气作为一种“清洁燃料”,在全球的需求量和产量呈逐年上升的趋势。国内目前已形成常规气、非常规气(页岩气、致密砂岩气和煤层气等)、进口液化天然气、进口管道气、掺氢/生物甲烷天然气等多元化的供销格局[1-3],气源发热量范围覆盖的跨度大,不同气源发热量最大差值超过20%。在一个统一的天然气输配管网内采用体积交接计量,难以准确计算管网输气能量平衡、有效控制和监督质量及保障天然气贸易公平。因此,实行天然气能量计量是大势所趋[4-5]。

依据GB/T 22723-2008《天然气能量的测定》,采用间接法测量天然气的发热量[6],应用的主要场所有GB/T 18603-2014《天然气计量系统技术要求》规定的天然气贸易交接的B级计量站、 C级计量站[7]。另外,由于我国长输管网气源的复杂性,以在线取样方式获取代表性样品时,也需要采用累积取样的方式进行核查,在贸易交接中对于A级计量站也需要连续累积取样器组成的核查系统进行贸易交接的公平验证,特别是当有贸易纠纷发生时,更需要用连续累积取样器进行待测样品的溯源。因此,累积取样系统作为实施天然气能量计量过程中发热量测定的重要手段,对保证天然气贸易交接的公平、公正起着重要作用。

目前,关于天然气累积取样的标准GB/T 13609-2017《天然气取样导则》和GB/T 30490-2014《天然气自动取样方法》只涉及取样的范围、原则、方法和材料等技术内容[8-9],但是对累积取样系统的材料核查、安装环境、系统配置及技术未作要求,无有效的评价机制,无法保证累积取样系统的有效性和可靠性。本研究主要对累积取样系统性能评价方法进行探讨,确保累积取样系统各部分功能配置及取样环节的规范性,保障累积取样系统获得样品的代表性,支撑我国天然气能量计量的推进和实施。

1 累积取样技术概述

天然气的发热量等物性参数由天然气组成分析的平均值提供,累积取样技术正是按时间和流量的变化对一系列的点进行采样,然后将其合并成一种组合样品。因此,累积取样技术主要应用于获得天然气组成的平均值和天然气产品的贸易交接。

1.1 技术简介

累积取样系统主要包括调压系统、电磁阀系统、取样泵、取样瓶等,通过安装在管道内的取样探头,按照一定的模式设置参数进行一定周期内的取样。按照取样容器类型的不同,累积取样系统分为置换式和调压式2种,其工作原理如图1所示。图1(a)为置换式,取样容器采用移动活塞式取样瓶,在取样周期内,在基本恒定的管道压力下,通过气瓶内的移动活塞将预先充入的气体逐步地由泵入的样品所置换。图1(b)所示为调压式,取样容器采用固定容积容器,一般为纺锤瓶,系统使用一种特殊设计的压力调节器,在取样过程中,使纺锤瓶中的压力从0增加至管道的最大压力。从二者的取样原理来看,推荐使用置换式累积取样系统,特别是当管道压力低或流量变化大时,使用具有固定容积容器的调压式累积取样系统不易获得代表性样品。

1.2 相关标准

国内外关于天然气取样系统的标准主要有ISO 10715、GB/T 13609、GOST 31370、ASTM D5287和GB/T 30490等,相关标准编号和名称详见表1。ISO 10715：2022论述了天然气样品采集的总方针,其中包括取样原则、取样方法和取样装置等。GB/T 13609-2017修改采用ISO 10715：1997,除规定了取样原则、方法、取样频率、取样安全要求、取样材料和取样设备外,拓展了取样导则的应用范围,增加了资料性附录以规定取样探头的位置及安装要求。目前由于ISO 10715：2022版在取样探头安装位置等方面提出了一些新的要求,GB/T 13609-2017也正在开展相应的修订工作。ASTM D5287-08(2015)规定了天然气及类似气体样品自动连续累积取样的方法,包括累积取样的选择、安装和维护等内容。GB/T 30490-2014《天然气自动取样方法》非等效参考了ASTM D 5287-08(2015)标准,内容包括取样材料选择、取样探头安装、取样回路设计以及取样器安装、维护、确认及使用。

表1 国内外天然气累积取样相关标准国家或国际标准标准编号标准名称国际ISO 10715：2022天然气 取样导则中国GB/T 13609-2017天然气 取样导则中国GB/T 30490-2014天然气自动取样方法俄罗斯GOST 31370-2008天然气-取样指南美国ASTM D5287-08(2015)气体燃料自动采样的标准实施规程美国ASTM D7314-10(2015)用热量计和在线/在线取样测定气体燃料发热量的标准实施规程美国GPA STD 2166-2005采用气体色谱法分析天然气样品

2 累积取样系统性能评价方法

天然气贸易交接时,通过累积取样系统获得一定周期的混合样品,然后采用色谱法对样品进行组成分析,并基于组成数据计算获得天然气的发热量。由此可见,累积取样系统的工作状态是否正常,对获得的发热量值的准确性和有效性至关重要。因此,需要建立全面、系统的累积取样系统性能评价方法。

根据GB/T 13609-2017和GB/T 30490-2014标准的规定,累积取样系统的使用要遵守相应的技术要求,比如取样系统的取样位置设计,取样探针安装及设计,取样探头的保温,取样系统的材料及系统构成部件的材质,取样容器的使用、选择、安装及清洗,取样系统的密封性,取样系统的工作环境和工作压力,电气设施的防爆及运行过程的资质和安全质量管理等。如果要获得具有代表性的样品,累积取样系统的结构和组成的取样环路就必须是完整的,组成部件包括但不限于取样探头、取样泵、调压器、电磁阀、控制器、气瓶压力表、取样瓶等。此外,在累积取样系统的运行过程中还涉及取样量、取样频率的设置,这些参数均会影响系统的实际应用效果。因此,综合考虑从累积取样系统的安装、运行到维护、质量管理等全流程,建议从以下几项性能指标对累积取样系统进行性能评价。

2.1 取样系统配置的完整性

取样系统配置的完整性指累积取样系统按照待测组分的取样要求,组成取样系统的各部件都应该是完整的,缺一不可。依据GB/T 13609-2017、GB/T 30490-2014标准的规定,累积取样系统主要由取样探头、取样泵、减压模块 、控制电磁阀 、控制器 、气瓶压力表总成、取样瓶构成取样的回路。因此,该项指标可使用现场勘验、查询档案资料的方法,对累积取样系统的结构完整性和可靠性进行记录和描述。对A、B两个场站安装的累积取样系统进行现场核查,如图2所示,两个场站的累积取样系统均包括取样探头、取样泵、减压模块 、电磁阀 、控制器 、恒压取样瓶、连接管线,并由连接管线构成取样的回路,经评价,其系统配置是完整的。

2.2 取样系统的符合性

取样系统的符合性指取样系统安装的位置、组件材质、回路构成,以及取样系统运行要求、人员及设备资质和质量安全管理要符合技术规范的要求。主要使用现场勘验、查询档案资料的方法,按照GB/T 13609-2017、GB/T 30490-2014标准的要求,并结合ISO 10715：2022进行现场核查。对安装于A场站的累积取样系统取样点的位置、取样探头的安装、取样系统各部件的材质及使用要求、取样容器清洁等展开符合性评估。

(1) 取样位置检查：现场观察取样位置设计直管段,相距阻流元件的距离为1.2 m,现场取样位置适合取样操作及日常维护方便。

(2) 取样探头安装核查：现场查看取样探头组成结构,确认取样探头安装类型为直通探头,垂直安装在出站主干线的水平管道顶部,管径为DN400 mm,探针插入管道1/2至2/3管径处,并在同一管线上有回流管路,形成回路。

(3) 取样回路：从取样探头到取样容器,利用取样导管形成了取样回路,现场察看安装于现场的累积取样装置,根据取样过程中气流的流动方向,逐一检查累积取样装置的取样探头、连接管路、取样控制器、取样泵和取样恒压瓶连接通道,判断取样流是否可以形成回路,取样管线的材质、尺寸、排管的走向等是否能够满足累积取样装置的技术要求。

(4) 取样控制器安装位置核查：取样控制器安装高于取样探头,并有防护箱防护,与取样口距离较短,满足要求。

(5) 取样系统的材质：取样探头材质均为不锈钢316L,取样系统组成部分如取样泵、阀门、导管、接头、单向阀、过滤器材质均为316L,取样容器的材质如恒压取样瓶、阀门、压力表、管线、接头主体材质均为316L。

(6) 现场安装的取样容器类型检查：现场采用的是活塞取样瓶,水平安装在保温箱中,活塞取样瓶两端压力一致,连接管线均比较短。

2.3 取样系统的气密性

取样系统气密性核查主要采用现场试验方式,首先应采用检漏液(如肥皂水)对系统整体的管路连接点进行试漏,观察是否有气泡出现。当观察到无气泡后,打开气源以及累积取样系统的吹扫阀、钢瓶阀等,使取样瓶内快速充入一定压力的样品,然后关闭气源以及吹扫阀,记录取样系统上所有压力表读数,观察记录压力表读数至少0.5 h,确认系统压力有无明显下降,判断系统是否具有良好的气密性。

2.4 预设参数的符合性

2.4.1取样时间间隔

当累积取样系统设置为时间模式时,需要以取样周期和取样容器的容量为依据,确定要间隔多长时间才需要取一次样品,并在控制器上设置时间间隔参数。对该参数的核查,可用秒表等计时器记录控制器操作取样泵动作一次的时间,按同样的条件重复测量多次(至少7次)取平均值,评价该参数的符合性。通过对3种类型的取样系统的取样时间间隔参数的评价,实测的取样时间间隔基本与预设值一致。具体核查结果见表2。

表2 累积取样系统取样时间间隔核查s序号取样器类型设定取样时间间隔实测取样时间间隔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单次取样量

单次取样量即累积取样系统泵工作一次抽取的样品量。当采用活塞瓶进行取样时,活塞瓶上有浮子,可读取样品量体积数据。因此,对于活塞瓶取样情况,可通过直接读数的方式对取样量进行核查。但是,如果采用纺锤瓶进行取样的话,无法显示钢瓶内的样品体积,可采用流量法或称量法进行核查。3种取样量核查方法具体特征见表3。

表4为采用一台累积取样器在现场进行快速测试的取样量核查,可看出在开始取样初始阶段,活塞瓶上浮子读数与取样量的偏差较大,随着后续泵工作次数的增加,浮子的读数偏差逐渐降低至5%左右。原因主要有几个方面：①取样管线内有部分死体积,会导致在取样初始阶段的误差,根据现场的多次观察实验,一般当泵次数到达50次左右时才能观察到活塞瓶浮子的移动;②活塞瓶浮子是靠磁性吸引,如果有灰尘或者液体等杂质存在,会造成浮子移动不是特别灵敏,比较卡顿,经常会突然移动10 mL,使读数偏差较大;此外浮子与活塞有时会脱节,浮子无法跟随活塞进行移动,会导致浮子读数不准确;③钢瓶上浮子读数刻度比较宽泛,最小刻度为10 mL,靠观察直接读数的偏差较大。

表3 3种取样量核查方法方法主要思路说明直接读数法①在现场通过快速测试的方式,让取样泵连续取样,记录取样次数、单次取样量、活塞瓶浮子读数,对比二者的偏差,确认取样是否与预设值一致;② 根据每天定期巡检记录取样次数、单次取样量、活塞瓶浮子读数来确认仅用于采用活塞瓶取样,纺锤瓶无法直接读数。活塞瓶浮子刻度较为宽泛,且容易出现与活塞脱节或者卡顿的情况,建议可用于日常巡检时记录核查流量法根据预设单次取样量及取样次数计算出预设的取样量,根据钢瓶内的气体压力、环境温度、环境压力、气体工况条件下的压缩因子,由气体状态方程计算出放到环境压力下的取样量。然后将样品瓶与湿式气体流量计连接,缓慢使气体流出,测出实际放出的气体体积,比较与计算值的偏差。可用于活塞瓶或者纺锤瓶,该方法需要使用流量计,易受流量计的读数误差、流量计测量气体时气体的流速等因素的影响称量法采用高精度天平称量样品瓶满瓶与放空后的质量差值,计算取得样品的质量;根据气质组成数据计算摩尔发热量、压缩因子,然后根据样品压力、环境温度,采用气体状态方程计算出样品瓶内实际的样品体积,与预设取样量进行比较该方法既可用于活塞瓶,也可用于纺锤瓶

采用流量法开展了两次评价实验,结果如表5所列。该方法中的影响因素主要有流量计的读数误差、流量计测量气体时气体的流速等。

采用称量法开展了5次评价实验,结果如表6所列。计算的取样总量相对偏差最大为5.46%,单次取样量相对偏差最大为4.11%。主要影响因素有以下几个方面：①天平称量时读数有误差;②钢瓶压力读数较为粗略,对计算实际取样量的数据影响较大。综合3种方法的使用情况及评价结果,建议采用称量法对累积取样系统的取样量进行评价。

表4 取样量核查实验-直接读数法序号泵工作次数/次设置单次取样量,体积/mL预设应取体积/mL活塞瓶浮子读数,体积/mL相对偏差/%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 取样量核查实验-流量法序号单次取样量,体积/mL取样泵次数/次工况下预设的取样量,体积/mL计算放到常压下的预设的取样量,体积/mL湿式流量计测量的取样量,体积/mL取样总量相对偏差/%10.2942188.46 654.57 0155.420.4506202.47 149.07 0950.8

表6 取样量核查实验-称量法序号单次取样量,体积/mL取样泵次数/次预设的取样量,体积/mL取样后钢瓶质量/g样品放空后钢瓶质量/g计算取的样品质量/g实际的取样体积/mL取样总量相对偏差/%单次取样量相对偏差/%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

在实际的累积取样中,由于输送介质的组分及流量都会随着时间会发生很大的变化,因此,采用流量比的累积取样方式更为科学、合理。在以流量比的方式进行累积取样时,累积取样系统的控制器设定有接收1～5 V,4～20 mA流量信息或与流速成比例的脉冲流(最大30 V)的部件,同时还需要一个来自外部设备提供的流量信息,该流量信息可以是模拟量流速(1～5 V,4～20 mA),也可以是来自压差传感器的平方根提取,或者是数字量流速(流量脉冲)。

当采用流量模式取样时,现场核查的内容主要包括：中控系统软件程序中的累积流量、瞬时流量与流量计算机数据是否一致;当中控系统发出控制信号后,累积取样系统的取样泵是否进行取样工作;软件程序中的取样次数与累积取样控制器显示的次数是否一致。图3所示为在某场站对累积取样系统流量模式控制程序的核查,核查结果为该累积取样系统能够按照预设的累积流量参数进行取样,且取样次数与累积取样控制器显示的次数一致。

2.5 取样系统的一致性

取样系统的一致性是指累积取样所得样品与在线/离线取样所得样品的发热量偏差。主要通过对累积取样样品与在线色谱、离线点样的发热量进行对比,或者在具备实验条件的情况下,采用两台累积取样系统(分别命名为A和B)在相同模式下对所得样品的发热量进行对比,验证获得发热量值的一致性。实验数据分别见表7和表8。由表7可见,累积取样系统在时间模式下与在线色谱的发热量相对偏差均在1.00%以内,特别说明该实验结果是在气质环境比较稳定的实验站点所得。由表8可见,安装于同一站点的两台累积取样系统采用时间模式在相同周期内取得的样品的发热量相对偏差也均在1.00%以内,该站点的气质也较稳定。说明现场安装的累积取样系统获得的发热量具有较好的一致性。结果表明,当气质较稳定时,现场安装的累积取样系统与在线色谱发热量结果具有较好的一致性,且不同累积取样系统获得的发热量也具有较好的一致性。电子文档2：气质波动较大条件下累积取样系统发热量一致性的评价,以及相关标准规范的制定。

表7 累积取样与在线色谱发热量比对组分场站1场站2场站3累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%在线色谱分析结果算术平均值,摩尔分数/%相对偏差/%累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%在线色谱分析结果算术平均值,摩尔分数/%相对偏差/%累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%在线色谱分析结果算术平均值,摩尔分数/%相对偏差/%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高位发热量/(MJ·m-3)36.4636.580.3336.3836.410.0840.2440.120.15

表8 不同累积取样系统所得样品的发热量比对组分A累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%B累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%相对偏差/%A累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%B累积取样系统样品分析结果,摩尔分数/%相对偏差/%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高位发热量/(MJ·m-3)36.5936.610.0536.6736.620.14

3 结论

(1) 天然气能量计量是未来的发展趋势,而累积取样系统是获得天然气发热量平均值的关键技术,在未来将具有越来越广泛的应用场景。

(2) 目前,针对累积取样系统还未有相关的性能评价方法标准,综合考虑从累积取样系统的安装、运行到维护、质量管理等全流程,建议从取样系统配置的完整性、取样系统的符合性、取样系统的气密性、预设参数的符合性、取样系统的一致性等几项指标进行评价。

(3) 通过具体的评价试验示例,验证了累积取样系统的评价方法,后续将进一步开展气质波动较大条件下累积取样系统发热量一致性的评价,以及相关标准规范的制定,建立完善的累积取样系统性能评价方法标准规范,为天然气能量计量的推进和实施提供标准保障。