天然气品质移动检测系统的构建与应用

陈正华 鲁大勇 周理 李晓红 邢鹏飞 沈琳 王晓琴

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.中国石油天然气集团公司天然气质量控制和能量计量重点实验室 3.中国石油西南油气田公司川西北气矿 4.中国石油西南油气田公司生产运行处

为了适应特定行业现场检测的需要，实现机动、快速实验并出具检测结果，移动检测系统应运而生，并越来越受到企业、政府和社会的关注[1-2]。移动检测系统可满足特定目的和要求，由成套装置组成，在可移动的设施和环境中进行检测、校准或科学实验等活动[3]。作为固定实验室的延伸，移动检测系统具有高移动性、快速反应、现场快速出具检测结果等特点[4-5]。移动检测系统是质量纠纷应急对策中的重要元素，为天然气应急检测和质量抽查提供稳定、可靠的平台。针对天然气的应急处理和质量监督抽查，中国石油西南油气田公司天然气研究院(以下简称天然气研究院)研发了一种天然气品质移动检测系统，以提高天然气质量抽查和应急处理的能力。该天然气品质移动检测系统以小型客车底盘为平台，经适当改装，使供电、供气等系统满足突发事件和天然气质量抽查现场快速检测的实际需求[6]。与固定实验室相比，天然气品质移动检测系统具有快速检测功能，一旦遇到紧急情况，可以迅速出动，第一时间到达指定现场，一次性完成GB 17820-2018《天然气》中规定的4项指标的快速检测[7]，及时提供检验结果，在应对天然气质量纠纷和天然气质量监督检测，为天然气净化厂工艺调整提供技术支撑和企业决策提供科学依据。

1 天然气品质移动检测系统设计思路

天然气品质移动检测系统具有机动灵活、反应迅速、应急能力强等特点，可快速有效地提供技术保障，弥补固定实验室在应对突发事件及深入偏远地区时的局限性。然而,目前国内现有的天然气品质移动检测系统基本条件和保障能力较差，如空间狭小、仪器设备配置不足、检测指标少、仪器设备使用条件差、防振不到位、故障率较高等，使得系统存在整体准确度低、数据重复性差、检测结果不确定度范围难以保证等不足。天然气研究院通过对不同仪器进行选型，构建了天然气品质移动检测系统，实现天然气移动检测快速性和及时性、现场出具检测报告的能力，提高了天然气品质移动检测的整体水平。

1.1 结构

天然气品质移动检测系统结构如图1和图2所示，按其功能分为驾驶区、实验区和尾部区。

(1) 驾驶区主要包括了座椅、倒车影像、工具箱、行车记录仪、方向盘等。驾驶区和实验区用隔断门隔开，保证现场分析不受干扰。

(2) 实验区主要包括了色谱分析仪、总硫分析仪、水露点分析仪、H2S分析仪、四氢噻吩分析仪、空调、实验台和柜体等。

(3) 尾部区主要包含了气源进样口、电源进口、载气进口等。此区域是整个系统电源和气源的进口，为实验区提供电源和气源。

1.2 特点

该天然气品质移动检测系统不仅具有分析速度快、稳定性好、可移动检测等优点，还具有以下特点：

(1) 采用便携式仪器设计，实现实验室的功能最大化、空间最小化。可根据不同检测需求配置不同检测仪器设备，能够检测GB 17820-2018《天然气》中所有的技术指标。

(2) 车载设备固定可靠，耐冲击，配置了减振器，具有良好的减振性。配备固定式桌面仪器安全带，避免仪器在运输过程中发生移动或相互碰撞从而造成仪器损坏。仪器固定稳固、可靠，确保行车、刹车、驻车状态仪器无任何损坏。

(3) 具有独立的供电、供气、排气、通信等系统，能为现场仪器操作提供良好的平台。配备排风装置，确保实验过程中有毒有害气体及时排出车外。

(4) 车外设有防水外接电源插座，整个电路系统采用国际标准电缆；配备独立式发电系统，当不具备外部供电条件时可迅速提供后备电源供电；适合野外长时间不间断供电使用，保证车辆在任何状态下电气系统都能保持优良的性能。

(5) 实验区内配置了冷暖空调和温湿度计，可确保仪器在规定的温湿度范围内使用。

(6) 实验区还配置了1台四氢噻吩分析仪，可对天然气中的加臭剂四氢噻吩进行分析，扩充了移动检测系统的功能。

(7) 配置了6盏照明灯，为实验提供充足的照明。

(8) 配置接地线缆，防止雷电对系统内仪器的损害。

(9) 配置了H2S和可燃气体报警器，在实验区开展实验时，能确保人员的安全。

(10) 设计了样品处理系统，对待分析样品进行除杂质、除液态烃等处理，确保仪器的工作稳定性。

2 配置

2.1 底盘的选择

综合评估车辆行驶稳定性、方便耐用性以及价格合理性等因素，选用的底盘车为丰田柯斯达进行改造设计，天然气品质移动检测系统根据QCT 22-1992《计量检测车》进行改装，不影响原汽车底盘的动力性、制动性、承载能力等技术特性[8-9]。

2.2 供配电系统

为了满足天然气品质移动检测系统在不同工况下的检测作业需求，配备外接线缆220 V 市电供电、发电机供电两种供电方式。在执行偏远地区检测任务且无市电供应的情况下，可启动发电机供电。可通过实验操作台下面的供电控制面板观察各路供电情况。车体尾部设有防静电接地装置。发电机能保证天然气品质移动检测系统在野外长时间不间断供电使用。

2.3 气路系统

样品处理系统为2进6出流路形式：2进是指系统可接受直接和间接两种取样方式，即系统既可以通过取样探头和管缆，从天然气管道直接取样，也可以先用取样钢瓶从天然气管道取样，然后再把取样钢瓶连接到系统；6出是指系统在对入口样品进行处理后，可同时为6台分析仪提供样品。

取样管缆全程伴热：在直接取样时，对所取出的样品在传输过程中伴热，以保持其气态。减压过程伴热：在对直接和间接取样的样品减压时，对减压元件进行伴热，补充样品在减压过程中的热损失，以保持其气态。

管道及其连接方式：流路切换，通过系统中的五通阀，可方便地选择直接和间接天然气取样分析，也可方便地切换成标准样品分析。

凝液隔离：在样品处理过程中，由于天然气凝析行为相当复杂，样品随时可能出现冷凝，为防止凝液进入分析仪，系统采用膜式旋净过滤，可有效去除凝液。

2.4 检测系统项目资料标准化

天然气品质移动检测系统仪器设备是《实验室资质认定评审准则》中一个非常重要的技术要素，对保证检测结果的准确可靠有至关重要的作用[10]。系统内搭载总硫分析仪、水露点分析仪、便携式H2S分析仪、气相色谱仪等设备，以满足对天然气产品气的检测需要。整个系统通过了CNAS中国合格评定国家认可委员会对品质检测集成系统的认证，并取得了证书，所有检测项目的标准化文件均按照CNAS要求的规范编制并进行管理。

2.5 其他配套

配套装置有通风系统、防振缓冲系统、防雷与防触电接地系统，这些基础设施可为天然气品质检测系统检测作业提供稳定、可靠的平台。通风系统可以及时地排掉检测过程中产生的有害气体，保证检测舱空气的洁净。通风系统包括用于排气的通风罩、用于强制通风的安全顶窗及用于温度调节的车载式冷暖空调。

大型仪器通过固定装置固定于实验操作台台面上，检测仪器配件及耗材、便捷式设备置于实验操作台下方的柜体中。检测舱内壁安装相应的防水电源插座和照明灯。同时，后备舱还设有气瓶室，以存放标准气。

3 现场应用

该天然气品质移动检测系统研制成功后，将移动检测系统从上海开往成都，行程超过1 900 km，在天然气研究院内配气站开展现场试验，各项性能指标达到设计要求，已在西南油气田各大天然气净化厂和输配气站进行了现场应用，效果良好。

3.1 A天然气净化厂

天然气品质移动检测系统行驶距离超过200 km，在A天然气净化厂与第三方检测机构石油工业天然气质量监督检验中心就天然气产品气中5项指标(发热量、总硫含量、H2S含量、水露点、CO2含量)进行比对试验[11-13]。其中，发热量的计算采用GB/T 11062-2014《天然气 发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》[14]，CO2含量的测定采用GB/T 13610-2014《天然气的组成分析 气相色谱法》[15-16]，水露点检测采用GB/T 17283-2014《天然气水露点的测定 冷却镜面凝析湿度计法》[17-18]，总硫含量的测定采用GB/T 11060.4-2017《天然气 含硫化合物的测定 第4部分：用氧化微库仑法测定总硫含量》[19]，H2S含量的测定采用GB/T 11060.1-2010《含硫化合物的测定 第1部分：用碘量法测定硫化氢含量》[20]。

在A天然气净化厂连续6天进行比对试验，比对试验结果见表1。

由表1可知，依据GB/T 11062-2014的计算，发热量再现性最大差值为0.08 MJ/m3，比对试验结果，发热量再现性的最大值为0.04 MJ/m3，满足再现性要求；CO2摩尔分数比对试验结果的再现性最大值为0.08%，满足GB/T 13610-2014中再现性≤0.10%(摩尔分数)的要求；H2S质量浓度比对试验结果的再现性最大值为1.21 mg/m3，满足GB/T 11060.1-2010中再现性小于较小测得值30%(1.45 mg/m3)的要求；总硫质量浓度比对试验结果的再现性最大值为2.6 mg/m3，满足GB/T 11060.4-2017中再现性≤2.7 mg/m3的要求；水露点比对试验结果的再现性最大值为1.7 ℃，满足GB/T 17283-2014中再现性≤2.0 ℃的要求。表明该天然气品质移动检测系统远距离、复杂工况移动后，车载设备性能不受影响，且检测结果与第三方检测结果吻合较好，满足标准中再现性要求。

表1 A天然气净化厂产品气5项指标分析比对数据时间比对实验室发热量/(MJ·m-3)再现性/(MJ·m-3)y(CO2)/%再现性/%ρ(H2S)/(mg·m-3)再现性/(mg·m-3)ρ(总硫)/(mg·m-3)再现性/(mg·m-3)水露点/℃再现性/℃第1天移动系统36.19质检中心36.210.021.901.850.056.186.130.0517.017.30.03-1.7-2.81.1第2天移动系统36.22质检中心36.200.021.881.860.025.885.960.0814.917.22.30-6.0-7.71.7第3天移动系统36.22质检中心36.180.041.891.900.016.166.720.5616.416.60.02-11.0-9.71.3第4天移动系统36.15质检中心36.160.012.031.990.044.945.420.4815.217.82.60-11.1-9.71.4第5天移动系统36.22质检中心36.210.011.871.880.014.846.051.2115.216.00.80-9.8-8.41.4第6天移动系统36.23质检中心36.200.031.831.910.087.278.050.7816.918.11.20-9.8-9.60.2

表2 B输气站产品气5项指标分析比对数据时间比对实验室发热量/(MJ·m-3)再现性/(MJ·m-3)y(CO2)/%再现性/%ρ(H2S)/(mg·m-3)再现性/(mg·m-3)ρ(总硫)/(mg·m-3)再现性/(mg·m-3)水露点/℃再现性/℃第1天移动系统40.45质检中心40.460.010.170.180.010.510.460.058.19.41.3-9.2-9.80.6第2天移动系统40.76质检中心40.810.050.490.490.000.620.510.1110.09.30.7-7.8-8.20.4第3天移动系统40.94质检中心40.960.020.320.330.010.640.720.0810.811.20.4-9.2-9.40.2第4天移动系统40.31质检中心40.310.000.290.290.000.660.730.0710.59.41.1-10.9-11.40.5第5天移动系统40.21质检中心40.240.030.130.130.000.680.830.1510.09.40.6-16.4-16.50.1第6天移动系统39.93质检中心39.960.030.180.190.010.670.740.077.37.80.5-17.8-17.20.6

3.2 B输气站

天然气品质移动检测系统行驶距离超过100 km，在B输气站与第三方检测机构石油工业天然气质量监督检验中心就天然气产品气中5项指标(发热量、总硫含量、H2S含量、水露点、CO2含量)进行比对试验。其中，发热量的计算采用GB/T 11062-2014，CO2含量的测定采用GB/T 13610-2014，水露点检测采用GB/T 17283-2014，总硫的测定采用GB/T 11060.4-2017，H2S的测定采用GB/T 11060.1-2010。

在B输气站连续6天进行了比对试验，比对结果见表2。

依据A天然气净化厂数据处理方法，由表2可知，依据GB/T 11062-2014的计算，发热量再现性最大差值为0.06 MJ/m3，比对试验结果，发热量再现性最大值为0.05 MJ/m3，满足再现性要求；CO2摩尔分数比对试验结果的再现性最大值为0.01%，满足GB/T 13610-2014中再现性≤0.10%的要求；H2S质量浓度比对试验结果的再现性最大值为0.15 mg/m3，满足GB/T 11060.1-2010中再现性小于较小测得值30%(0.20 mg/m3)的要求；总硫质量浓度比对试验结果的再现性最大值为1.3 mg/m3，满足GB/T 11060.4-2017中再现性≤2.7 mg/m3的要求；水露点比对试验结果的再现性最大值为0.6 ℃，满足GB/T 17283-2014中再现性≤2.0 ℃的要求。表明该天然气品质移动检测系统远距离、复杂工况移动后，车载设备性能不受影响，且检测结果与第三方检测结果吻合较好，满足标准中再现性要求。

4 结语

(1) 构建了一套天然气品质移动检测系统。

(2) 通过开展现场应用比对实验，天然气品质移动检测系统具有良好适应性，经过远距离、复杂工况移动后，车载设备性能保持完好，检测数据准确、可靠；可一次性完成GB 17820-2018《天然气》中规定的4项指标及水露点的现场快速检测，现场出检测报告。

(3) 天然气品质移动检测系统不仅可以用于突发性天然气质量纠纷的应急监测，还可用于日常油气田公司、天然气净化厂天然气巡检及监督。

(4) 受限于实验室的条件，构建的天然气品质移动检测系统内总硫分析仪采用的是氧化微库仑法，在运输过程中可能会对仪器内的玻璃器皿造成损坏，现场检测分析时间较长。建议在条件允许的情况下采用紫外荧光分析仪用于现场总硫的检测。