江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 周愛華

港華投資有限公司 劉志仁

2019年5月24日，國家發(fā)展改革委、國家能源局、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和市場監(jiān)管總局聯(lián)合印發(fā)《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》。辦法中明確指出：天然氣管網(wǎng)設(shè)施運(yùn)營企業(yè)接受和代天然氣生產(chǎn)、銷售企業(yè)向用戶交付天然氣時，應(yīng)對發(fā)熱量、體積、質(zhì)量等進(jìn)行科學(xué)計(jì)量，并接受政府計(jì)量行政主管部門的計(jì)量監(jiān)督檢查；國家推行天然氣能量計(jì)量計(jì)價；天然氣能量計(jì)量需要在交接界面上設(shè)置在線分析的氣相色譜儀。

1 天然氣能量計(jì)算

我國天然氣資源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中，除國產(chǎn)常規(guī)天然氣外，進(jìn)口管道氣、進(jìn)口LNG、頁巖氣、煤層氣和煤制氣占比在不斷增長。各種氣源、不同產(chǎn)地和類型的天然氣，組分差異很大，單位體積的發(fā)熱量差異也較大。

1.1 天然氣組成分析

天然氣組成是指天然氣中所含的氣體組分機(jī)器在可檢測范圍內(nèi)相應(yīng)含量。分析時，天然氣組成是指甲烷、乙烷等烴類組分和氮、二氧化碳等常見非烴組分的含量。進(jìn)行天然氣發(fā)熱量計(jì)算時所使用的數(shù)據(jù)主要有烴類組成的常規(guī)分析得到。

根據(jù)GB 17820－2018《天然氣》的規(guī)定，天然氣組成的測定按GB/T 13610－2020《天然氣的組成分析 氣相色譜法》或GB/T 27894.1－2020《天然氣 用氣相色譜法測定組成和計(jì)算相關(guān)不確定度第1部分：總導(dǎo)則和組成計(jì)算》執(zhí)行，仲裁試驗(yàn)應(yīng)以GB/T 13610－2020為準(zhǔn)。

在線色譜分析儀直接從管道中取樣，并在無人管理的條件下自動分析，要求分析的組分?jǐn)?shù)和數(shù)據(jù)處理方式以及色譜柱、檢測器、色譜操作條件等都是預(yù)先設(shè)定的，并根據(jù)要求給出各組分的摩爾濃度、發(fā)熱量、密度和壓縮因子等。

按照GB/T 13610－2020，在線色譜儀的主要技術(shù)要求有：

(1) 檢測器。選用熱導(dǎo)檢測器，或是在靈敏度和穩(wěn)定性方面與之相當(dāng)?shù)臋z測器。要求對于正丁烷摩爾分?jǐn)?shù)為1%的氣樣，進(jìn)樣0.25 mL，至少應(yīng)產(chǎn)生0.5 mV的信號。

(2) 檢測范圍。提供 C1～C9的分析時，分組測到C6＋，氮、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷的濃度范圍為0.01%～100%。

(3) 柱溫控制。恒溫操作時，柱溫保持恒定，其變化應(yīng)在0.3 K以內(nèi)。

(4) 載氣控制。在分析的全過程中，載氣流量保持恒定，其變化應(yīng)在1%以內(nèi)。

(5) 儀器重復(fù)性檢查。當(dāng)儀器穩(wěn)定后，兩次或兩次以上連續(xù)進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)氣檢查，每個組分響應(yīng)值相差應(yīng)在1%以內(nèi)。

(6) 重復(fù)性和再現(xiàn)性。兩個測定結(jié)果的差值不應(yīng)超過表1(參見GB/T 13610－2020)規(guī)定的數(shù)值。

表1 重復(fù)性和再現(xiàn)性的精密度 %

1.2 發(fā)熱量計(jì)算

根據(jù)GB/T 11062－2020《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》，高位發(fā)熱量H是指規(guī)定量的氣體與氧氣完全燃燒時所釋放出的熱量。在燃燒反應(yīng)發(fā)生時，壓力p1保持恒定，所有燃燒產(chǎn)物的溫度降至與規(guī)定的反應(yīng)物溫度t1相同的溫度，除燃燒中生成的水在溫度t1下全部冷凝為液態(tài)外，其余所有燃燒產(chǎn)物均為氣態(tài)。

天然氣能量計(jì)量中一般采用天然氣組分Xj得出其高位發(fā)熱量HS0，計(jì)算公式如下：

式中：HS0——高位發(fā)熱量，MJ/m3；

Xj——天然氣各組分體積含量，即摩爾分?jǐn)?shù)，%；

Hj——天然氣各組分發(fā)熱量，MJ/m3。

1.3 天然氣能量

天然氣能量計(jì)算公式如下：

式中：E——天然氣能量，MJ；

V0——標(biāo)況下的體積流量，m3；

p0，pm——標(biāo)況和工況下壓力，Pa；

T0，Tm——標(biāo)況和工況下溫度，K；

Vm——工況下的體積流量，m3；

K——天然氣狀態(tài)方程因子，按GB/T 11062－2020中6.2規(guī)定選取。

2 天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)

2.1 能量計(jì)量系統(tǒng)組成

在天然氣計(jì)量方面，有體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量等方式。國際上普遍采用能量計(jì)量方式進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，即將流量計(jì)測得的體積流量乘以在線分析測得的發(fā)熱量，從而得到能量。作為燃料的天然氣，其商品價值是其所含的發(fā)熱量，即使用天然氣的實(shí)質(zhì)是天然氣的能量。采用能量計(jì)量方式進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算是科學(xué)、合理的，因?yàn)橥瑯芋w積的天然氣，其發(fā)熱量不一定相同，甚至差異很大。對于城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站、直供大工業(yè)用戶、玻璃、陶瓷工業(yè)以及天然氣發(fā)電廠建議配備氣相色譜儀，以便客觀地監(jiān)測、記錄天然氣的連續(xù)供應(yīng)和高品質(zhì)的穩(wěn)定性能。因?yàn)閮?yōu)質(zhì)穩(wěn)定的天然氣供應(yīng)對企業(yè)生產(chǎn)效率的提高有很大幫助。如陶瓷企業(yè)，高熱值的天然氣在頂級陶瓷燒制過程中產(chǎn)品優(yōu)等率比用其他燃料高很多。天然氣發(fā)電廠對天然氣中的氫氣含量要求苛刻，氫氣提前參與燃燒會影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能和壽命。

典型的天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)基本組成[1]如圖1所示。

圖1 典型天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)

2.2 氣相色譜儀分析系統(tǒng)

在線色譜儀由分析器、控制器、樣品處理及流路切換單元(簡稱采樣單元)3個部分組成。一般來說，三者組裝在一體化機(jī)箱內(nèi)。國內(nèi)市場上生產(chǎn)天然氣氣相色譜儀的廠家較多，有Elster EnCal3000、Emerson Daniel570、Agilent3000A、ABB NGC8206、Siemens SAM 等。典型的在線色譜儀分析系統(tǒng)[2]如圖2所示。圖2中的兩個虛線框分別表示在線色譜儀主機(jī)中的分析器和控制器部分。

圖2 在線色譜儀分析系統(tǒng)流程示意

3 氣相色譜儀使用的通用要求

氣相色譜儀通常采用分析小屋方式。分析小屋為色譜儀提供了可控的運(yùn)維環(huán)境，可降低儀器的生命周期成本(延長使用壽命，降低維護(hù)成本)。分析小屋的運(yùn)行主要需考慮滿足其配電、照明、通風(fēng)和空調(diào)等要求，具體如下：

(1) 配電。照明燈、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)、維修插座等公用設(shè)備由工業(yè)電源供電，分析儀系統(tǒng)、安全檢測報警和聯(lián)鎖系統(tǒng)由UPS電源供電。

(2) 照明。分析小屋內(nèi)正常照度應(yīng)高于300 lx，以利于操作和維修。應(yīng)配備事故照明，事故照度應(yīng)高于50 lx，停電備用時間不少于30 min。照明開關(guān)應(yīng)安裝在分析小屋外主門旁，采用防爆電源開關(guān)。

(3) 通風(fēng)。分析小屋內(nèi)應(yīng)保持通風(fēng)良好。通風(fēng)良好的定義是分析小屋內(nèi)的空氣清潔、干燥，含氧量在18%以上，可能存在的可燃?xì)怏w會很快稀釋到爆炸下限的25%以下。

(4) 空調(diào)。分析儀對環(huán)境溫度的要求是小于50℃，帶 LCD液晶顯示屏的分析儀對環(huán)境溫度的要求是小于40℃。當(dāng)環(huán)境條件和設(shè)備散熱在分析小屋內(nèi)造成不可接受的高溫時，應(yīng)配備空調(diào)裝置，以滿足分析儀運(yùn)行環(huán)境溫度要求。

4 應(yīng)用實(shí)例

以南京港華靖安門站為例。該場站采用了超聲波流量計(jì)+在線氣相色譜分析儀組成的天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)。

4.1 設(shè)施設(shè)置

該門站的工藝流程如圖3所示，包括過濾、氣質(zhì)分析、計(jì)量、調(diào)壓及加臭等單元。其中的氣質(zhì)分析單元即為在線氣相色譜分析小屋，采用德國Elster-instromet公司EnCal3000天然氣在線色譜儀。

圖3 靖安門站工藝流程

4.2 分析方法

樣品氣進(jìn)入進(jìn)樣器后，由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱，不同組分在色譜柱中分離再進(jìn)入檢測器。因天然氣中各組分的導(dǎo)熱系數(shù)不同，產(chǎn)生的離子電流不同，從而產(chǎn)生大小不等的信號，形成一個個色譜峰。EnCal3000天然氣在線色譜儀可自動運(yùn)行分析色譜圖，得到各組分及相應(yīng)的摩爾百分含量。

4.3 操作步驟

首先，檢查調(diào)節(jié)載氣出口壓力在0.2 MPa左右，檢查載氣流路是否通暢、色譜柱及各連接處密封情況是否良好，檢查儀器載氣出口是否有氣體溢出。然后，打開電源，讓儀器運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最后，將標(biāo)準(zhǔn)氣氣瓶與儀器相連接，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)氣氣瓶出口壓力為0.2 MPa，對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)并控制氣體流速，即可進(jìn)行氣體組分分析。

4.4 分析結(jié)果

以某次EnCal3000運(yùn)行分析為例，在線檢測數(shù)據(jù)見表2，并通過天然氣主要組分的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算出相應(yīng)的天然氣高熱值為35.785 MJ/m3。

表2 某次天然氣組分在線檢測數(shù)據(jù)

該在線色譜分析小屋自 2011年建成投用以來，運(yùn)行情況良好。主要特點(diǎn)如下：

(1) 采用了先進(jìn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)分析元件，結(jié)構(gòu)緊湊，性能先進(jìn)。

(2) 采用毛細(xì)管色譜柱，與填充式色譜柱相比：壓損小，分析周期短；峰值分離效果更好；所需天然氣樣品量更少，檢測器的靈敏度更高。

(3) C6＋分析周期為3 min，分析周期時間短。

(4) 重復(fù)性誤差＜0.01%。

5 結(jié)語

在城鎮(zhèn)燃?xì)忾T站計(jì)量中設(shè)置氣相色譜儀，可有效排除用戶對天然氣氣質(zhì)和能量計(jì)量的異議，客觀、公正地維護(hù)好供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益。氣相色譜儀的應(yīng)用主要是為天然氣能量計(jì)算賦值，從而促進(jìn)貿(mào)易交接的公平公正。

能量計(jì)價的推廣應(yīng)用，利于天然氣貿(mào)易發(fā)展，對形成區(qū)域性統(tǒng)一有序的天然氣市場具有重要作用。隨著國內(nèi)氣源增多，城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)的燃?xì)夤芫W(wǎng)越來越多采用多氣源的供氣方式。再者，國家管網(wǎng)集團(tuán)“X+1+X”油氣市場化運(yùn)營機(jī)制的逐漸形成也將推動城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)越來越多地參與到天然氣交易中。氣相色譜儀在天然氣能量計(jì)量中起到了重要的基礎(chǔ)性作用，可以提升天然氣計(jì)量的科學(xué)性和公正性，推動天然氣市場交易的規(guī)范統(tǒng)一和合理定價，有利于天然氣的公平公正發(fā)展。