天然氣品質移動檢測系統(tǒng)的構建與應用

陳正華 魯大勇 周理 李曉紅 邢鵬飛 沈琳 王曉琴

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和能量計量重點實驗室 3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦 4.中國石油西南油氣田公司生產運行處

為了適應特定行業(yè)現(xiàn)場檢測的需要，實現(xiàn)機動、快速實驗并出具檢測結果，移動檢測系統(tǒng)應運而生，并越來越受到企業(yè)、政府和社會的關注[1-2]。移動檢測系統(tǒng)可滿足特定目的和要求，由成套裝置組成，在可移動的設施和環(huán)境中進行檢測、校準或科學實驗等活動[3]。作為固定實驗室的延伸，移動檢測系統(tǒng)具有高移動性、快速反應、現(xiàn)場快速出具檢測結果等特點[4-5]。移動檢測系統(tǒng)是質量糾紛應急對策中的重要元素，為天然氣應急檢測和質量抽查提供穩(wěn)定、可靠的平臺。針對天然氣的應急處理和質量監(jiān)督抽查，中國石油西南油氣田公司天然氣研究院(以下簡稱天然氣研究院)研發(fā)了一種天然氣品質移動檢測系統(tǒng)，以提高天然氣質量抽查和應急處理的能力。該天然氣品質移動檢測系統(tǒng)以小型客車底盤為平臺，經適當改裝，使供電、供氣等系統(tǒng)滿足突發(fā)事件和天然氣質量抽查現(xiàn)場快速檢測的實際需求[6]。與固定實驗室相比，天然氣品質移動檢測系統(tǒng)具有快速檢測功能，一旦遇到緊急情況，可以迅速出動，第一時間到達指定現(xiàn)場，一次性完成GB 17820-2018《天然氣》中規(guī)定的4項指標的快速檢測[7]，及時提供檢驗結果，在應對天然氣質量糾紛和天然氣質量監(jiān)督檢測，為天然氣凈化廠工藝調整提供技術支撐和企業(yè)決策提供科學依據(jù)。

1 天然氣品質移動檢測系統(tǒng)設計思路

天然氣品質移動檢測系統(tǒng)具有機動靈活、反應迅速、應急能力強等特點，可快速有效地提供技術保障，彌補固定實驗室在應對突發(fā)事件及深入偏遠地區(qū)時的局限性。然而,目前國內現(xiàn)有的天然氣品質移動檢測系統(tǒng)基本條件和保障能力較差，如空間狹小、儀器設備配置不足、檢測指標少、儀器設備使用條件差、防振不到位、故障率較高等，使得系統(tǒng)存在整體準確度低、數(shù)據(jù)重復性差、檢測結果不確定度范圍難以保證等不足。天然氣研究院通過對不同儀器進行選型，構建了天然氣品質移動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)天然氣移動檢測快速性和及時性、現(xiàn)場出具檢測報告的能力，提高了天然氣品質移動檢測的整體水平。

1.1 結構

天然氣品質移動檢測系統(tǒng)結構如圖1和圖2所示，按其功能分為駕駛區(qū)、實驗區(qū)和尾部區(qū)。

(1) 駕駛區(qū)主要包括了座椅、倒車影像、工具箱、行車記錄儀、方向盤等。駕駛區(qū)和實驗區(qū)用隔斷門隔開，保證現(xiàn)場分析不受干擾。

(2) 實驗區(qū)主要包括了色譜分析儀、總硫分析儀、水露點分析儀、H2S分析儀、四氫噻吩分析儀、空調、實驗臺和柜體等。

(3) 尾部區(qū)主要包含了氣源進樣口、電源進口、載氣進口等。此區(qū)域是整個系統(tǒng)電源和氣源的進口，為實驗區(qū)提供電源和氣源。

1.2 特點

該天然氣品質移動檢測系統(tǒng)不僅具有分析速度快、穩(wěn)定性好、可移動檢測等優(yōu)點，還具有以下特點：

(1) 采用便攜式儀器設計，實現(xiàn)實驗室的功能最大化、空間最小化?？筛鶕?jù)不同檢測需求配置不同檢測儀器設備，能夠檢測GB 17820-2018《天然氣》中所有的技術指標。

(2) 車載設備固定可靠，耐沖擊，配置了減振器，具有良好的減振性。配備固定式桌面儀器安全帶，避免儀器在運輸過程中發(fā)生移動或相互碰撞從而造成儀器損壞。儀器固定穩(wěn)固、可靠，確保行車、剎車、駐車狀態(tài)儀器無任何損壞。

(3) 具有獨立的供電、供氣、排氣、通信等系統(tǒng)，能為現(xiàn)場儀器操作提供良好的平臺。配備排風裝置，確保實驗過程中有毒有害氣體及時排出車外。

(4) 車外設有防水外接電源插座，整個電路系統(tǒng)采用國際標準電纜；配備獨立式發(fā)電系統(tǒng)，當不具備外部供電條件時可迅速提供后備電源供電；適合野外長時間不間斷供電使用，保證車輛在任何狀態(tài)下電氣系統(tǒng)都能保持優(yōu)良的性能。

(5) 實驗區(qū)內配置了冷暖空調和溫濕度計，可確保儀器在規(guī)定的溫濕度范圍內使用。

(6) 實驗區(qū)還配置了1臺四氫噻吩分析儀，可對天然氣中的加臭劑四氫噻吩進行分析，擴充了移動檢測系統(tǒng)的功能。

(7) 配置了6盞照明燈，為實驗提供充足的照明。

(8) 配置接地線纜，防止雷電對系統(tǒng)內儀器的損害。

(9) 配置了H2S和可燃氣體報警器，在實驗區(qū)開展實驗時，能確保人員的安全。

(10) 設計了樣品處理系統(tǒng)，對待分析樣品進行除雜質、除液態(tài)烴等處理，確保儀器的工作穩(wěn)定性。

2 配置

2.1 底盤的選擇

綜合評估車輛行駛穩(wěn)定性、方便耐用性以及價格合理性等因素，選用的底盤車為豐田柯斯達進行改造設計，天然氣品質移動檢測系統(tǒng)根據(jù)QCT 22-1992《計量檢測車》進行改裝，不影響原汽車底盤的動力性、制動性、承載能力等技術特性[8-9]。

2.2 供配電系統(tǒng)

為了滿足天然氣品質移動檢測系統(tǒng)在不同工況下的檢測作業(yè)需求，配備外接線纜220 V 市電供電、發(fā)電機供電兩種供電方式。在執(zhí)行偏遠地區(qū)檢測任務且無市電供應的情況下，可啟動發(fā)電機供電?？赏ㄟ^實驗操作臺下面的供電控制面板觀察各路供電情況。車體尾部設有防靜電接地裝置。發(fā)電機能保證天然氣品質移動檢測系統(tǒng)在野外長時間不間斷供電使用。

2.3 氣路系統(tǒng)

樣品處理系統(tǒng)為2進6出流路形式：2進是指系統(tǒng)可接受直接和間接兩種取樣方式，即系統(tǒng)既可以通過取樣探頭和管纜，從天然氣管道直接取樣，也可以先用取樣鋼瓶從天然氣管道取樣，然后再把取樣鋼瓶連接到系統(tǒng)；6出是指系統(tǒng)在對入口樣品進行處理后，可同時為6臺分析儀提供樣品。

取樣管纜全程伴熱：在直接取樣時，對所取出的樣品在傳輸過程中伴熱，以保持其氣態(tài)。減壓過程伴熱：在對直接和間接取樣的樣品減壓時，對減壓元件進行伴熱，補充樣品在減壓過程中的熱損失，以保持其氣態(tài)。

管道及其連接方式：流路切換，通過系統(tǒng)中的五通閥，可方便地選擇直接和間接天然氣取樣分析，也可方便地切換成標準樣品分析。

凝液隔離：在樣品處理過程中，由于天然氣凝析行為相當復雜，樣品隨時可能出現(xiàn)冷凝，為防止凝液進入分析儀，系統(tǒng)采用膜式旋凈過濾，可有效去除凝液。

2.4 檢測系統(tǒng)項目資料標準化

天然氣品質移動檢測系統(tǒng)儀器設備是《實驗室資質認定評審準則》中一個非常重要的技術要素，對保證檢測結果的準確可靠有至關重要的作用[10]。系統(tǒng)內搭載總硫分析儀、水露點分析儀、便攜式H2S分析儀、氣相色譜儀等設備，以滿足對天然氣產品氣的檢測需要。整個系統(tǒng)通過了CNAS中國合格評定國家認可委員會對品質檢測集成系統(tǒng)的認證，并取得了證書，所有檢測項目的標準化文件均按照CNAS要求的規(guī)范編制并進行管理。

2.5 其他配套

配套裝置有通風系統(tǒng)、防振緩沖系統(tǒng)、防雷與防觸電接地系統(tǒng)，這些基礎設施可為天然氣品質檢測系統(tǒng)檢測作業(yè)提供穩(wěn)定、可靠的平臺。通風系統(tǒng)可以及時地排掉檢測過程中產生的有害氣體，保證檢測艙空氣的潔凈。通風系統(tǒng)包括用于排氣的通風罩、用于強制通風的安全頂窗及用于溫度調節(jié)的車載式冷暖空調。

大型儀器通過固定裝置固定于實驗操作臺臺面上，檢測儀器配件及耗材、便捷式設備置于實驗操作臺下方的柜體中。檢測艙內壁安裝相應的防水電源插座和照明燈。同時，后備艙還設有氣瓶室，以存放標準氣。

3 現(xiàn)場應用

該天然氣品質移動檢測系統(tǒng)研制成功后，將移動檢測系統(tǒng)從上海開往成都，行程超過1 900 km，在天然氣研究院內配氣站開展現(xiàn)場試驗，各項性能指標達到設計要求，已在西南油氣田各大天然氣凈化廠和輸配氣站進行了現(xiàn)場應用，效果良好。

3.1 A天然氣凈化廠

天然氣品質移動檢測系統(tǒng)行駛距離超過200 km，在A天然氣凈化廠與第三方檢測機構石油工業(yè)天然氣質量監(jiān)督檢驗中心就天然氣產品氣中5項指標(發(fā)熱量、總硫含量、H2S含量、水露點、CO2含量)進行比對試驗[11-13]。其中，發(fā)熱量的計算采用GB/T 11062-2014《天然氣 發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》[14]，CO2含量的測定采用GB/T 13610-2014《天然氣的組成分析 氣相色譜法》[15-16]，水露點檢測采用GB/T 17283-2014《天然氣水露點的測定 冷卻鏡面凝析濕度計法》[17-18]，總硫含量的測定采用GB/T 11060.4-2017《天然氣 含硫化合物的測定 第4部分：用氧化微庫侖法測定總硫含量》[19]，H2S含量的測定采用GB/T 11060.1-2010《含硫化合物的測定 第1部分：用碘量法測定硫化氫含量》[20]。

在A天然氣凈化廠連續(xù)6天進行比對試驗，比對試驗結果見表1。

由表1可知，依據(jù)GB/T 11062-2014的計算，發(fā)熱量再現(xiàn)性最大差值為0.08 MJ/m3，比對試驗結果，發(fā)熱量再現(xiàn)性的最大值為0.04 MJ/m3，滿足再現(xiàn)性要求；CO2摩爾分數(shù)比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為0.08%，滿足GB/T 13610-2014中再現(xiàn)性≤0.10%(摩爾分數(shù))的要求；H2S質量濃度比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為1.21 mg/m3，滿足GB/T 11060.1-2010中再現(xiàn)性小于較小測得值30%(1.45 mg/m3)的要求；總硫質量濃度比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為2.6 mg/m3，滿足GB/T 11060.4-2017中再現(xiàn)性≤2.7 mg/m3的要求；水露點比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為1.7 ℃，滿足GB/T 17283-2014中再現(xiàn)性≤2.0 ℃的要求。表明該天然氣品質移動檢測系統(tǒng)遠距離、復雜工況移動后，車載設備性能不受影響，且檢測結果與第三方檢測結果吻合較好，滿足標準中再現(xiàn)性要求。

表1 A天然氣凈化廠產品氣5項指標分析比對數(shù)據(jù)時間比對實驗室發(fā)熱量/(MJ·m-3)再現(xiàn)性/(MJ·m-3)y(CO2)/%再現(xiàn)性/%ρ(H2S)/(mg·m-3)再現(xiàn)性/(mg·m-3)ρ(總硫)/(mg·m-3)再現(xiàn)性/(mg·m-3)水露點/℃再現(xiàn)性/℃第1天移動系統(tǒng)36.19質檢中心36.210.021.901.850.056.186.130.0517.017.30.03-1.7-2.81.1第2天移動系統(tǒng)36.22質檢中心36.200.021.881.860.025.885.960.0814.917.22.30-6.0-7.71.7第3天移動系統(tǒng)36.22質檢中心36.180.041.891.900.016.166.720.5616.416.60.02-11.0-9.71.3第4天移動系統(tǒng)36.15質檢中心36.160.012.031.990.044.945.420.4815.217.82.60-11.1-9.71.4第5天移動系統(tǒng)36.22質檢中心36.210.011.871.880.014.846.051.2115.216.00.80-9.8-8.41.4第6天移動系統(tǒng)36.23質檢中心36.200.031.831.910.087.278.050.7816.918.11.20-9.8-9.60.2

表2 B輸氣站產品氣5項指標分析比對數(shù)據(jù)時間比對實驗室發(fā)熱量/(MJ·m-3)再現(xiàn)性/(MJ·m-3)y(CO2)/%再現(xiàn)性/%ρ(H2S)/(mg·m-3)再現(xiàn)性/(mg·m-3)ρ(總硫)/(mg·m-3)再現(xiàn)性/(mg·m-3)水露點/℃再現(xiàn)性/℃第1天移動系統(tǒng)40.45質檢中心40.460.010.170.180.010.510.460.058.19.41.3-9.2-9.80.6第2天移動系統(tǒng)40.76質檢中心40.810.050.490.490.000.620.510.1110.09.30.7-7.8-8.20.4第3天移動系統(tǒng)40.94質檢中心40.960.020.320.330.010.640.720.0810.811.20.4-9.2-9.40.2第4天移動系統(tǒng)40.31質檢中心40.310.000.290.290.000.660.730.0710.59.41.1-10.9-11.40.5第5天移動系統(tǒng)40.21質檢中心40.240.030.130.130.000.680.830.1510.09.40.6-16.4-16.50.1第6天移動系統(tǒng)39.93質檢中心39.960.030.180.190.010.670.740.077.37.80.5-17.8-17.20.6

3.2 B輸氣站

天然氣品質移動檢測系統(tǒng)行駛距離超過100 km，在B輸氣站與第三方檢測機構石油工業(yè)天然氣質量監(jiān)督檢驗中心就天然氣產品氣中5項指標(發(fā)熱量、總硫含量、H2S含量、水露點、CO2含量)進行比對試驗。其中，發(fā)熱量的計算采用GB/T 11062-2014，CO2含量的測定采用GB/T 13610-2014，水露點檢測采用GB/T 17283-2014，總硫的測定采用GB/T 11060.4-2017，H2S的測定采用GB/T 11060.1-2010。

在B輸氣站連續(xù)6天進行了比對試驗，比對結果見表2。

依據(jù)A天然氣凈化廠數(shù)據(jù)處理方法，由表2可知，依據(jù)GB/T 11062-2014的計算，發(fā)熱量再現(xiàn)性最大差值為0.06 MJ/m3，比對試驗結果，發(fā)熱量再現(xiàn)性最大值為0.05 MJ/m3，滿足再現(xiàn)性要求；CO2摩爾分數(shù)比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為0.01%，滿足GB/T 13610-2014中再現(xiàn)性≤0.10%的要求；H2S質量濃度比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為0.15 mg/m3，滿足GB/T 11060.1-2010中再現(xiàn)性小于較小測得值30%(0.20 mg/m3)的要求；總硫質量濃度比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為1.3 mg/m3，滿足GB/T 11060.4-2017中再現(xiàn)性≤2.7 mg/m3的要求；水露點比對試驗結果的再現(xiàn)性最大值為0.6 ℃，滿足GB/T 17283-2014中再現(xiàn)性≤2.0 ℃的要求。表明該天然氣品質移動檢測系統(tǒng)遠距離、復雜工況移動后，車載設備性能不受影響，且檢測結果與第三方檢測結果吻合較好，滿足標準中再現(xiàn)性要求。

4 結語

(1) 構建了一套天然氣品質移動檢測系統(tǒng)。

(2) 通過開展現(xiàn)場應用比對實驗，天然氣品質移動檢測系統(tǒng)具有良好適應性，經過遠距離、復雜工況移動后，車載設備性能保持完好，檢測數(shù)據(jù)準確、可靠；可一次性完成GB 17820-2018《天然氣》中規(guī)定的4項指標及水露點的現(xiàn)場快速檢測，現(xiàn)場出檢測報告。

(3) 天然氣品質移動檢測系統(tǒng)不僅可以用于突發(fā)性天然氣質量糾紛的應急監(jiān)測，還可用于日常油氣田公司、天然氣凈化廠天然氣巡檢及監(jiān)督。

(4) 受限于實驗室的條件，構建的天然氣品質移動檢測系統(tǒng)內總硫分析儀采用的是氧化微庫侖法，在運輸過程中可能會對儀器內的玻璃器皿造成損壞，現(xiàn)場檢測分析時間較長。建議在條件允許的情況下采用紫外熒光分析儀用于現(xiàn)場總硫的檢測。