天然氣檢驗(yàn)對(duì)于加熱爐節(jié)能檢測(cè)的影響及對(duì)策措

李青（遼河油田安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督中心）

中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6381—2016石油工業(yè)用加熱爐熱工測(cè)定》規(guī)定，天然氣的組分和熱值等參數(shù)，影響著鍋爐的空氣系數(shù)、正平衡熱效率和反平衡熱效率等重要參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，直接影響著節(jié)能檢測(cè)以及監(jiān)測(cè)的結(jié)果。尤其是如果熱值測(cè)量偏低，導(dǎo)致正平衡熱效率計(jì)算值大于1，則直接可導(dǎo)致判定現(xiàn)有的計(jì)量表不合格，結(jié)果影響很大?；A(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，后續(xù)的一切計(jì)算、結(jié)論以及節(jié)能措施全部沒(méi)有意義。通過(guò)分析天然氣檢驗(yàn)方法以及原理，對(duì)于影響實(shí)驗(yàn)較大的模版標(biāo)定和取樣環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，可以為加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)提供科學(xué)準(zhǔn)確的技術(shù)支撐。

1 天然氣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于熱效率的影響

1.1 天然氣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于正平衡熱效率的影響

加熱爐的正平衡熱效率是節(jié)能檢測(cè)的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中：Qr為供給熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet,v,ar為燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qwl為使用外來(lái)熱量加熱空氣時(shí)，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀況下每千克或標(biāo)準(zhǔn)狀況下每立方米燃料所給的熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qr為燃料的物理熱，kJ/kg或kJ/m3。B為加熱爐燃料消耗量，kJ/kg或kJ/m3；Q為被加熱介質(zhì)為油水混合物時(shí)，加熱爐有效輸出熱量；H為平衡熱效率，%。Qnet,v,ar的值則需要通過(guò)天然氣檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提供加熱爐燃燒天然氣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。正常的節(jié)能檢測(cè)鍋爐的正平衡熱效率在80%～85%視為合格。超過(guò)100%，視為檢測(cè)結(jié)果無(wú)效。Qnet,v,ar的值如果測(cè)量偏高，則Qr的值則偏高，Q一定的情況下，正平衡熱效率計(jì)算就偏低，會(huì)造成明明合格的鍋爐，檢測(cè)出不合格。反之Qnet,v,ar的值如果測(cè)量偏低，則Qr的值則偏低，Q一定的情況下，正平衡熱效率計(jì)算就偏高，會(huì)造成原本不合格的鍋爐，檢測(cè)結(jié)果合格，影響油田節(jié)能管理，遇到鍋爐有破損的情況可能會(huì)造成安全事故。若是超過(guò)100%則檢測(cè)結(jié)果無(wú)效。經(jīng)過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算，熱值上下浮動(dòng)5 000 kJ/m3，正平衡熱效率變化10%左右。

1.2 天然氣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于反平衡熱效率的影響

反平衡熱效率是節(jié)能監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，可以考察鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，一般應(yīng)該為80%～85%合格。由反平衡法加熱爐效率計(jì)算公式可知，加熱爐反平衡效率值主要與排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失有關(guān)[1-5]。同時(shí)，排煙熱損失與氣體未完全燃燒熱損失主要與燃料氣的組分、空氣系數(shù)、排煙溫度以及排煙處煙氣組分有關(guān)。對(duì)于不同的燃料氣，由于其氣質(zhì)、組分的不同，使得各項(xiàng)熱損失的計(jì)算結(jié)果也略有差異。天然氣組分測(cè)定不準(zhǔn)也會(huì)影響反平衡熱效率的計(jì)算。

加熱爐反平衡法熱效率的簡(jiǎn)化計(jì)算方法如下：

式中：η′2為簡(jiǎn)化的加熱爐反平衡效率，%；q′2為簡(jiǎn)化的排煙熱損失，%；q′3為簡(jiǎn)化的氣體未完全燃燒熱損失，%；q′5為簡(jiǎn)化的散熱損失，%。

其中熱損失的計(jì)算公式按照GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[6]附錄B.1中公式計(jì)算。

2 天然氣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的對(duì)策措施

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方法

天然氣組分的檢驗(yàn)方法使用氣相色譜法，標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》[7]。天然氣組分的檢測(cè)主要使用外標(biāo)法，天然氣樣品組分和已知組成的標(biāo)準(zhǔn)氣，在同樣的操作條件下用氣相色譜法進(jìn)行分離。通過(guò)對(duì)比峰面積，計(jì)算獲得氣樣相應(yīng)組分，最后得到最終的氣體組分[8]。天然氣的熱值和密度通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11062—2020《天然氣熱值、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》計(jì)算得到[9]。由此可見(jiàn)組分測(cè)定不準(zhǔn)確，計(jì)算出的熱值及密度都是無(wú)效數(shù)據(jù)。

2.2 天然氣檢測(cè)的準(zhǔn)確性關(guān)鍵影響因素

2.2.1 標(biāo)氣的影響

由于天然氣樣品組分值是通過(guò)外標(biāo)法，與標(biāo)氣中想應(yīng)組分對(duì)比得來(lái)的。因此然氣模板的準(zhǔn)確性是天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確的最關(guān)鍵因素。影響天然氣模板準(zhǔn)確性的因素有以下3種：

1）標(biāo)準(zhǔn)氣來(lái)源的選擇。標(biāo)準(zhǔn)氣需要選擇國(guó)家二級(jí)以上有證標(biāo)氣，由于天然氣檢測(cè)，尤其是節(jié)能檢測(cè)需要的天然氣檢測(cè)，都是多組分混合氣體檢測(cè)，并且重組分大部分屬于1%左右的微量組分，一般的配氣廠家無(wú)法保證質(zhì)量。如果標(biāo)氣的組分與標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)區(qū)別很大，最嚴(yán)重的情況還有微量組分如己烷組分丟失的情況，就嚴(yán)重影響了天然氣模板的準(zhǔn)確性。標(biāo)氣給出的組分實(shí)際組分存在差異則標(biāo)板中的矯正因子會(huì)出現(xiàn)誤差，用此模板測(cè)定的所有天然氣樣品的組分皆不準(zhǔn)確。而且即便是標(biāo)氣配置準(zhǔn)確，無(wú)證也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法溯源。不同廠家在專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。同時(shí)標(biāo)氣的使用應(yīng)嚴(yán)格按照氣瓶的保質(zhì)期使用，由于天然氣標(biāo)氣的組分中有重組分有機(jī)物，可能發(fā)生吸附或者液化，影響進(jìn)入氣相色譜中的氣體組分，從而影響模版的準(zhǔn)確性[10]。

2）標(biāo)準(zhǔn)氣組分的設(shè)定。對(duì)于摩爾分?jǐn)?shù)不大于5%的組分，與樣品相比，標(biāo)準(zhǔn)氣中相應(yīng)組分的摩爾分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于10%，也不低于樣品中相應(yīng)組分濃度的1/2。對(duì)于摩爾分?jǐn)?shù)大于5%的組分，標(biāo)準(zhǔn)氣中相應(yīng)組分的濃度應(yīng)不低于樣品中組分濃度的1/2，也不大于該組分濃度的2倍。標(biāo)準(zhǔn)氣中組分的最低濃度宜不小于0.1%。不滿足這個(gè)條件的標(biāo)氣濃度，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)樣品的結(jié)果有偏差。

3）模板標(biāo)定的方法。標(biāo)定模版時(shí)對(duì)于儀器的狀態(tài)要求要比樣品檢測(cè)時(shí)還要嚴(yán)格，檢查溫度和載氣等條件是否穩(wěn)定，當(dāng)儀器穩(wěn)定后，在操作條件不變的前提下，兩次或兩次以上連續(xù)進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)氣檢查，無(wú)論是連續(xù)兩次進(jìn)樣，還是最后一次與以前某一次進(jìn)樣，各組分的重復(fù)性滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》中章節(jié)8中給出的重復(fù)性，即可作為矯正模版。禁止只進(jìn)一次標(biāo)氣，不檢查重復(fù)性，就標(biāo)定模版，用于后續(xù)的樣品檢驗(yàn)，這樣無(wú)法確保標(biāo)氣模版的準(zhǔn)確性，則確保樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

除了對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氣模版準(zhǔn)確性的嚴(yán)格控制，樣品檢測(cè)的步驟也應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》，如此可以確保樣品檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

表1 不同廠家在專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of test data from different manufacturers in professional institutions

2.2.2 取樣的影響

近年來(lái)由于天然氣的來(lái)源越來(lái)越復(fù)雜，并且有些地區(qū)受注氮影響，天然氣自身組分也含有氧氣，并且管道氣也開(kāi)始使用多氣源混合輸送供給，例如外來(lái)氣管道中經(jīng)常因?yàn)榛烊攵砹_斯氣，而導(dǎo)致氧氮的組分含量升高，甚至有很嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。再像以前一樣在檢測(cè)組分中扣除空氣，已經(jīng)不科學(xué)了，不能反映真實(shí)的天然氣組分含量，因此取樣環(huán)節(jié)開(kāi)始變得非常重要，取樣的代表性決定了后續(xù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有意義。

對(duì)于節(jié)能監(jiān)測(cè)取樣比正常管輸天然氣更為重要，由于加熱鍋爐使用的燃?xì)饨?jīng)常是由罐車定時(shí)拉運(yùn)并且注入干線中，氣體組分不但來(lái)源復(fù)雜，而且組分值波動(dòng)可能較大，遇到波動(dòng)較大的甚至需要波段取樣來(lái)取平均值參考。取樣的主要誤差來(lái)自于混入的空氣，如果誤差過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)出的組分中氧氮含量比真實(shí)值偏高，計(jì)算出的熱值就會(huì)偏低，會(huì)使加熱爐正平衡熱效率偏高，甚至大于1，嚴(yán)重影響節(jié)能檢測(cè)的結(jié)論。

氣體燃料的采樣可在減壓（調(diào)節(jié)）閥后的燃?xì)夤艿郎匣蛟谌紵髑暗娜細(xì)夤艿郎线M(jìn)行，一般在管道裝設(shè)一個(gè)帶閥門的采樣管，接上采樣器(袋)進(jìn)行采樣?，F(xiàn)場(chǎng)采樣按照GB/T 13609—2017《天然氣取樣導(dǎo)則》執(zhí)行。使用附錄E充氣排空法的取樣步驟。緩慢地用氣體吹掃以置換導(dǎo)管和樣品容器內(nèi)的空氣，并排空3遍以上[11]。

不同取樣點(diǎn)單項(xiàng)閥和雙向閥取樣袋含氧量對(duì)比見(jiàn)圖1，證明選用雙向閥取樣袋和標(biāo)準(zhǔn)的取樣方法，可以將取樣誤差降低到最小，確保天然氣分析數(shù)據(jù)更加可靠。

圖1 不同取樣點(diǎn)單項(xiàng)閥和雙向閥取樣袋含氧量對(duì)比Fig.1 Comparison of oxygen content in sampling bags of single valve and two-way valve at different sampling points

經(jīng)同一操作人員不同取樣方式下所取同一地點(diǎn)天然氣樣品的檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。表2中第一組數(shù)據(jù)，即用雙向閥取樣得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含氧量是三組數(shù)據(jù)中最低的，熱值最高，檢測(cè)出最接近實(shí)時(shí)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次檢測(cè)的熱值也最能真實(shí)反映原料氣的初始能量值。第二組數(shù)據(jù)是使用單向閥取樣，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)分析測(cè)得的天然氣中氧氣、氮?dú)夂棵黠@比雙向閥取樣時(shí)天然氣樣品中氧氣的摩爾百分比相差0.32%，低位熱值和高位熱值分別減少0.38 MJ/m3、0.43 MJ/m3。氧氮的含量越低，熱值就會(huì)越高，因此取樣是否規(guī)范對(duì)于熱值的影響很大。最后一組是取樣人未經(jīng)培訓(xùn)，使用單向閥取樣，無(wú)法反應(yīng)出真實(shí)的結(jié)果，低位熱值和高位熱值分別減少皆為9.11 MJ/m3、10.08 MJ/m3。取樣人異常取樣的檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)計(jì)算正平衡熱效率會(huì)從86%變成116%，原本合格的加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)加過(guò)變成了不可用結(jié)果。反平衡熱效率增加了1%左右，影響不算很大。

表2 不同取樣方式下所取同一地點(diǎn)天然氣樣品的檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of test results of natural gas samples taken from the same place under different sampling methods

3 結(jié)論

加熱爐熱效率是節(jié)能管理的重要指標(biāo)，二者的準(zhǔn)確度直接影響后續(xù)對(duì)于加熱爐的措施管理。這兩個(gè)參數(shù)都與天然氣檢驗(yàn)密切相關(guān)。天然氣檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度直接影響熱效率的計(jì)算，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)得出，取樣環(huán)節(jié)和模版標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)都是控制天然氣檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的重要環(huán)節(jié)，也是最容易出問(wèn)題的環(huán)節(jié)，使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣，使用雙向閥取樣，并按照上述的方法進(jìn)行取樣并檢測(cè)，可以將實(shí)驗(yàn)誤差減小到最低，獲得實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)更接近真實(shí)數(shù)值，更有利于獲得正確的加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)得結(jié)論，為后續(xù)的節(jié)能措施及管理辦法的提出，提供準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。