天然氣取樣器取樣準(zhǔn)確度及能耗分析與應(yīng)用

賀 超

（中海油能源發(fā)展股份有限公司銷售服務(wù)分公司 天津 300450）

引言

天然氣取樣器是測量天然氣熱值、烴露點(diǎn)和組分等技術(shù)參數(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，按照我國現(xiàn)有的天然氣取樣和化驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]，取樣器采集得到的天然氣樣品分析結(jié)果不僅可以作為對(duì)買賣雙方交易的天然氣結(jié)算的依據(jù)，還可以此為參考對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，確保天然氣外輸?shù)钠焚|(zhì)，同時(shí)樣品的準(zhǔn)確度對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)調(diào)整和貿(mào)易結(jié)算也具有重要意義[2～4]。本文根據(jù)中國海油某陸地終端天然氣取樣器工作過程中發(fā)現(xiàn)的工作模式、樣品代表性、取樣精度、設(shè)備缺陷等影響準(zhǔn)確度因素進(jìn)行了分析，嘗試在生產(chǎn)上通過一些調(diào)節(jié)的手段，提高取樣器取樣的準(zhǔn)確度，減少貿(mào)易誤差和計(jì)量糾紛，為天然氣取樣準(zhǔn)確度和計(jì)量管理提供一些新的思路和方法。

1 設(shè)備運(yùn)行原理

天然氣累計(jì)取樣器的運(yùn)行原理如圖1，取樣器安裝在外輸?shù)奶烊粴夤艿郎?，?dāng)需要開始采集天然氣樣時(shí)，通過電信號(hào)給取樣器的三通電磁閥③通電，利用工業(yè)儀表風(fēng)驅(qū)動(dòng)取樣器內(nèi)的彈簧④進(jìn)行動(dòng)作，管道中的高壓氣體進(jìn)入到取樣器的調(diào)壓器①中減壓為低壓氣體，采集得到的低壓氣體通過平衡閥⑤將氣體存入取樣瓶⑥中，完成取樣器的一個(gè)取樣動(dòng)作。內(nèi)置平衡閥自動(dòng)補(bǔ)償管線壓力的波動(dòng)以確保取樣瓶不會(huì)發(fā)生泄漏，同時(shí)可以補(bǔ)償外輸壓力變化對(duì)取樣造成的影響。其他情況下，電磁閥處于失電狀態(tài)，取樣閥門關(guān)閉，需要等待新的執(zhí)行信號(hào)才開始下一個(gè)取樣動(dòng)作。

圖1 取樣器運(yùn)行原理示意圖

取樣量可以通過調(diào)節(jié)一個(gè)帶刻度的機(jī)械調(diào)節(jié)螺絲（千分尺）②來設(shè)定，千分尺將改變泵的沖程的行程以獲得需要的取樣量。每月取樣器取得定量的天然氣樣品，送至買賣雙方都認(rèn)可的第三方檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行天然氣熱值以及組分的分析，分析得到的熱值和組分?jǐn)?shù)據(jù)，將作為終端天然氣外輸流量計(jì)的計(jì)量參數(shù)，計(jì)算下一個(gè)月每日實(shí)際的天然氣外輸量。

2 影響設(shè)備的準(zhǔn)確度因素

2.1 天然氣取樣器的運(yùn)行模式

天然氣終端現(xiàn)場使用的天然氣取樣器有兩種運(yùn)行模式。一種是Flow 模式，按實(shí)際通過流量計(jì)的流量多少取樣，當(dāng)通過流量計(jì)的流量達(dá)到設(shè)置的額定參數(shù)時(shí)，集散式操作與監(jiān)控系統(tǒng)（DCS）便會(huì)發(fā)出一個(gè)取樣信號(hào)，取樣器中的控制器接收到取樣信號(hào)的指令，便開始動(dòng)作取一次樣品；另一種是Time 模式，經(jīng)過額定時(shí)間便取一次樣品，每當(dāng)?shù)皆O(shè)定好的額定時(shí)間，取樣器中的控制器便發(fā)出自動(dòng)取一次樣品的指令，不需要DCS 發(fā)出取樣信號(hào)。

對(duì)2018 年取樣器運(yùn)行工況進(jìn)行了調(diào)試及數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)每月的樣品數(shù)量僅為規(guī)定數(shù)量的78%-85%左右（表1）。這是由于Flow 模式下信號(hào)傳輸指令與現(xiàn)場取樣器接收次數(shù)不一致，信號(hào)傳輸指令每到設(shè)定取樣節(jié)點(diǎn)時(shí)，需跳變2-3 次信號(hào)傳輸指令，而現(xiàn)場取樣器僅僅接受一次取樣指令，導(dǎo)致信號(hào)傳輸指令提前完成，現(xiàn)場取樣器并未獲取設(shè)定要求的量。我們對(duì)天然氣取樣器在Time 模式進(jìn)行運(yùn)行測試，動(dòng)作效率相比Flow 模式具有顯著的提升，實(shí)際動(dòng)作數(shù)達(dá)到了規(guī)定的97%以上（表2）。

表1 取樣器2018年取樣數(shù)據(jù)（Flow模式）

表2 取樣器2019年1-6月取樣數(shù)據(jù)（Time模式）

2.2 天然氣取樣器的樣品代表性

Time 模式雖然能夠較準(zhǔn)確完成取樣動(dòng)作，但這種定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行的天然氣取樣，對(duì)在某段時(shí)間天然氣生產(chǎn)平穩(wěn)外輸?shù)那闆r下，具備一定的可行性和代表性，而實(shí)際的天然氣外輸過程中，由于上游的例行檢維修或其他特殊維修，以及下游用戶在時(shí)間、季節(jié)需求導(dǎo)致的外輸氣量波動(dòng)時(shí)有發(fā)生，此時(shí)取樣的代表性就容易遭受下游買家的質(zhì)疑。

觀察2019 年部分月份的天然氣化驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，影響較大的主要是天然氣中的丙烷組分，其中1-2月份為農(nóng)歷春節(jié)假期工業(yè)用戶用氣量較低，6 月為南方地區(qū)夏季的用電高峰期，7 月為天然氣終端每年定期的額定檢維修。在上述這些外輸波動(dòng)較大的情況下，若不及時(shí)調(diào)整取樣方式，所取的樣品就不能夠清晰的反映實(shí)際外輸?shù)奶烊粴饨M分差異，使用爭議較大的天然氣組分輸入到超聲波流量計(jì)算機(jī)，買賣雙方容易形成計(jì)量爭議和糾紛。

2.3 天然氣取樣器的取樣精度

根據(jù)取樣器的工作原理，取樣器本質(zhì)上是一臺(tái)可利用機(jī)械調(diào)節(jié)螺絲（千分尺）調(diào)節(jié)沖程的容積泵，千分尺在使用過程中，由于設(shè)備磨損、使用不當(dāng)?shù)纫蛩兀瑫?huì)使千分尺的示值誤差超差。為了測定千分尺的準(zhǔn)確度，以一周為測試周期，利用千分尺調(diào)節(jié)了四組取樣量（0.5ml、1ml、1.5ml、2ml），并進(jìn)行記錄，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

從圖2 中可以看出，在取樣量為0.5ml、2ml 在條件下，每日取樣準(zhǔn)確度除前2 日與標(biāo)準(zhǔn)值貼近外，從第3 日開始就出現(xiàn)了較大偏差，一周累計(jì)取樣量為88ml，準(zhǔn)確率為88%；而在取樣量為1ml、1.5ml 在條件下，準(zhǔn)確率提高到95%。由于測試的設(shè)備是新投用的，在部分條件下取樣準(zhǔn)確度不足現(xiàn)象可能是由于產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的，后續(xù)可以先采用準(zhǔn)確度較高的1ml 或1.5ml 進(jìn)行取樣，在停氣檢維修期間將設(shè)備維修或更換，確保取樣的準(zhǔn)確度。

圖2 四種不同取樣量千分尺準(zhǔn)確度測試

2.4 取樣器連接管線及閥門等設(shè)備內(nèi)漏

取樣器現(xiàn)場配置了兩個(gè)取樣瓶（一用一備），取樣器設(shè)計(jì)有放空管線，用于取樣瓶投用前的沖洗，具體操作主要是通過取樣器內(nèi)置的閥門在每次取樣瓶更換后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的殘留陳舊氣體進(jìn)行吹掃。在日常工作中發(fā)現(xiàn)，除使用的取樣瓶中發(fā)現(xiàn)天然氣樣品外，備用瓶中也發(fā)現(xiàn)了少量樣品。

為了進(jìn)一步確認(rèn)連接管線及設(shè)備是否存在內(nèi)漏的情況，通過定期觀察兩個(gè)取樣瓶的容積變化，同時(shí)在管線連接出噴灑肥皂水測試是否有氣體，確認(rèn)了備用瓶的開關(guān)閥門存在內(nèi)漏的現(xiàn)象，并及時(shí)對(duì)相關(guān)內(nèi)漏閥門進(jìn)行了處理。設(shè)備的內(nèi)漏會(huì)降低取樣瓶中樣品數(shù)量的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致樣品不能夠準(zhǔn)確代表某個(gè)時(shí)期外輸?shù)奶烊粴?，降低了樣品分析的?zhǔn)確性，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，還有可能引發(fā)更加嚴(yán)重的安全事故。

3 準(zhǔn)確度改進(jìn)的幾點(diǎn)建議

3.1 針對(duì)不同生產(chǎn)工況，設(shè)定合理的取樣模式

在Flow 模式?jīng)]有修復(fù)前，通過采用Time 模式和手動(dòng)模式切換兩種處理方式，在天然氣外輸流量穩(wěn)定時(shí)采用Time 模式，設(shè)定固定的時(shí)間間隔進(jìn)行周期取樣；當(dāng)生產(chǎn)或下游出現(xiàn)外輸流量較大調(diào)整時(shí)，采取人工干預(yù)的方式對(duì)千分尺進(jìn)行調(diào)節(jié)，按需取樣。但由于人工調(diào)節(jié)不僅增加了現(xiàn)場作業(yè)人員的工作量，同時(shí)人為操作還會(huì)存在一定的操作誤差。通過在檢修期間及時(shí)對(duì)Flow 模式下取樣器控制器無法準(zhǔn)確接收DCS 信息問題進(jìn)行了修復(fù)，后續(xù)流量波動(dòng)時(shí)，取樣器可以通過設(shè)定好的參數(shù)和實(shí)際流量按比例進(jìn)行取樣，降低了工作模式對(duì)取樣器取樣準(zhǔn)確度帶來的影響。

3.2 設(shè)置在線色譜儀，及時(shí)對(duì)組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行校正

對(duì)于天然氣組分波動(dòng)的情況，通過在天然氣外輸管線上設(shè)置在線色譜儀，可以每隔1 小時(shí)監(jiān)測并記錄天然氣的色譜組分?jǐn)?shù)據(jù)，充分掌握外輸?shù)奶烊粴饨M分，發(fā)現(xiàn)貿(mào)易計(jì)量糾紛和誤差時(shí)可以做到有據(jù)可依；在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，可以及時(shí)對(duì)異常的組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)整，確保外輸?shù)奶烊粴鈿赓|(zhì)符合要求以及取樣器的樣品具備代表性。對(duì)于表3 中7 月份C3 含量過高的情況，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)整，避免誤差過大的組分?jǐn)?shù)據(jù)輸入至流量計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致買賣雙方計(jì)量爭議的現(xiàn)象發(fā)生。

表3 2019年天然氣化驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 定期進(jìn)行校正和維護(hù)，確保測量準(zhǔn)確度

終端計(jì)量器具的精度、工作環(huán)境、人員操作等因素會(huì)對(duì)取樣器的取樣準(zhǔn)確度帶來影響，使用過程中，建議進(jìn)行計(jì)劃性和非計(jì)劃性的預(yù)防性維護(hù)，確保儀器運(yùn)行的可靠性，降低設(shè)備運(yùn)行的系統(tǒng)性誤差：

（1）通過對(duì)千分尺測量的結(jié)果進(jìn)行定期校正，控制千分尺的誤差范圍，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行糾偏，防止隱患擴(kuò)大；

（2）定期對(duì)設(shè)備或儀器的部件進(jìn)行維護(hù)，降低在取樣或計(jì)量過程中發(fā)生誤差或故障的可能性；

（3）由于終端地處海邊，設(shè)置了相應(yīng)的隔離罩減少海風(fēng)對(duì)設(shè)備腐蝕造成的影響；

（4）發(fā)揮現(xiàn)場工作人員的主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)現(xiàn)場巡檢的效率及質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)及安全隱患。

3.4 按需對(duì)工作模式進(jìn)行調(diào)整，減少天然氣能耗

之前工況下，終端取樣器現(xiàn)場取樣瓶⑥按照單臺(tái)取樣瓶進(jìn)行設(shè)置，一方面降低了取樣瓶的取樣精度，無法及時(shí)對(duì)新取樣瓶進(jìn)行吹掃以及殘余氣體置換，另一方面吹掃及置換產(chǎn)生的額外天然氣，不僅增加了取樣器的使用能耗，而且天然氣的放空不及時(shí)處理還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于Flow 和Time 模式下天然氣的取樣方式不一致，通過設(shè)置備用瓶，一是有針對(duì)性的收集吹掃、置換等非工作模式下的天然氣，避免額外的天然氣排放，二是在常用取樣瓶取樣容量達(dá)到設(shè)置的80%時(shí)，能夠切換至備用瓶收集額外的天然氣，既保證了取樣的精度，又避免了額外天然氣消耗。

結(jié)語

天然氣取樣器是天然氣工業(yè)中分析和計(jì)量的重要設(shè)備，也是未來我國天然氣產(chǎn)業(yè)與國際貿(mào)易接軌必不可少的關(guān)鍵一環(huán)。針對(duì)對(duì)現(xiàn)階段取樣器在工作過程中發(fā)現(xiàn)的影響準(zhǔn)確度的因素及現(xiàn)象，結(jié)合實(shí)際工作需要，通過設(shè)置合理運(yùn)行模式、安裝在線色譜儀、定期對(duì)測量設(shè)備進(jìn)行校正和維護(hù)等方式，優(yōu)化取樣器取樣的準(zhǔn)確度，降低取樣器使用過程中的能耗，確保樣品更加具有代表性，可靠性，真實(shí)有效反映天然氣樣品組分，保障各方的合理利益訴求，減少不必要的商務(wù)貿(mào)易糾紛，是我國天然氣產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、國際化和高質(zhì)量發(fā)展的迫切需要。