天然气取样器取样准确度及能耗分析与应用

贺 超

（中海油能源发展股份有限公司销售服务分公司 天津 300450）

引言

天然气取样器是测量天然气热值、烃露点和组分等技术参数的关键设备，按照我国现有的天然气取样和化验标准[1]，取样器采集得到的天然气样品分析结果不仅可以作为对买卖双方交易的天然气结算的依据，还可以此为参考对生产工艺进行调整，确保天然气外输的品质，同时样品的准确度对于企业生产调整和贸易结算也具有重要意义[2～4]。本文根据中国海油某陆地终端天然气取样器工作过程中发现的工作模式、样品代表性、取样精度、设备缺陷等影响准确度因素进行了分析，尝试在生产上通过一些调节的手段，提高取样器取样的准确度，减少贸易误差和计量纠纷，为天然气取样准确度和计量管理提供一些新的思路和方法。

1 设备运行原理

天然气累计取样器的运行原理如图1，取样器安装在外输的天然气管道上，当需要开始采集天然气样时，通过电信号给取样器的三通电磁阀③通电，利用工业仪表风驱动取样器内的弹簧④进行动作，管道中的高压气体进入到取样器的调压器①中减压为低压气体，采集得到的低压气体通过平衡阀⑤将气体存入取样瓶⑥中，完成取样器的一个取样动作。内置平衡阀自动补偿管线压力的波动以确保取样瓶不会发生泄漏，同时可以补偿外输压力变化对取样造成的影响。其他情况下，电磁阀处于失电状态，取样阀门关闭，需要等待新的执行信号才开始下一个取样动作。

图1 取样器运行原理示意图

取样量可以通过调节一个带刻度的机械调节螺丝（千分尺）②来设定，千分尺将改变泵的冲程的行程以获得需要的取样量。每月取样器取得定量的天然气样品，送至买卖双方都认可的第三方检验检测机构进行天然气热值以及组分的分析，分析得到的热值和组分数据，将作为终端天然气外输流量计的计量参数，计算下一个月每日实际的天然气外输量。

2 影响设备的准确度因素

2.1 天然气取样器的运行模式

天然气终端现场使用的天然气取样器有两种运行模式。一种是Flow 模式，按实际通过流量计的流量多少取样，当通过流量计的流量达到设置的额定参数时，集散式操作与监控系统（DCS）便会发出一个取样信号，取样器中的控制器接收到取样信号的指令，便开始动作取一次样品；另一种是Time 模式，经过额定时间便取一次样品，每当到设定好的额定时间，取样器中的控制器便发出自动取一次样品的指令，不需要DCS 发出取样信号。

对2018 年取样器运行工况进行了调试及数据收集，发现每月的样品数量仅为规定数量的78%-85%左右（表1）。这是由于Flow 模式下信号传输指令与现场取样器接收次数不一致，信号传输指令每到设定取样节点时，需跳变2-3 次信号传输指令，而现场取样器仅仅接受一次取样指令，导致信号传输指令提前完成，现场取样器并未获取设定要求的量。我们对天然气取样器在Time 模式进行运行测试，动作效率相比Flow 模式具有显著的提升，实际动作数达到了规定的97%以上（表2）。

表1 取样器2018年取样数据（Flow模式）

表2 取样器2019年1-6月取样数据（Time模式）

2.2 天然气取样器的样品代表性

Time 模式虽然能够较准确完成取样动作，但这种定时定点进行的天然气取样，对在某段时间天然气生产平稳外输的情况下，具备一定的可行性和代表性，而实际的天然气外输过程中，由于上游的例行检维修或其他特殊维修，以及下游用户在时间、季节需求导致的外输气量波动时有发生，此时取样的代表性就容易遭受下游买家的质疑。

观察2019 年部分月份的天然气化验数据可知，影响较大的主要是天然气中的丙烷组分，其中1-2月份为农历春节假期工业用户用气量较低，6 月为南方地区夏季的用电高峰期，7 月为天然气终端每年定期的额定检维修。在上述这些外输波动较大的情况下，若不及时调整取样方式，所取的样品就不能够清晰的反映实际外输的天然气组分差异，使用争议较大的天然气组分输入到超声波流量计算机，买卖双方容易形成计量争议和纠纷。

2.3 天然气取样器的取样精度

根据取样器的工作原理，取样器本质上是一台可利用机械调节螺丝（千分尺）调节冲程的容积泵，千分尺在使用过程中，由于设备磨损、使用不当等因素，会使千分尺的示值误差超差。为了测定千分尺的准确度，以一周为测试周期，利用千分尺调节了四组取样量（0.5ml、1ml、1.5ml、2ml），并进行记录，试验结果如图2。

从图2 中可以看出，在取样量为0.5ml、2ml 在条件下，每日取样准确度除前2 日与标准值贴近外，从第3 日开始就出现了较大偏差，一周累计取样量为88ml，准确率为88%；而在取样量为1ml、1.5ml 在条件下，准确率提高到95%。由于测试的设备是新投用的，在部分条件下取样准确度不足现象可能是由于产品的内部缺陷导致的，后续可以先采用准确度较高的1ml 或1.5ml 进行取样，在停气检维修期间将设备维修或更换，确保取样的准确度。

图2 四种不同取样量千分尺准确度测试

2.4 取样器连接管线及阀门等设备内漏

取样器现场配置了两个取样瓶（一用一备），取样器设计有放空管线，用于取样瓶投用前的冲洗，具体操作主要是通过取样器内置的阀门在每次取样瓶更换后对整个系统内的残留陈旧气体进行吹扫。在日常工作中发现，除使用的取样瓶中发现天然气样品外，备用瓶中也发现了少量样品。

为了进一步确认连接管线及设备是否存在内漏的情况，通过定期观察两个取样瓶的容积变化，同时在管线连接出喷洒肥皂水测试是否有气体，确认了备用瓶的开关阀门存在内漏的现象，并及时对相关内漏阀门进行了处理。设备的内漏会降低取样瓶中样品数量的准确性，导致样品不能够准确代表某个时期外输的天然气，降低了样品分析的准确性，若发现不及时，还有可能引发更加严重的安全事故。

3 准确度改进的几点建议

3.1 针对不同生产工况，设定合理的取样模式

在Flow 模式没有修复前，通过采用Time 模式和手动模式切换两种处理方式，在天然气外输流量稳定时采用Time 模式，设定固定的时间间隔进行周期取样；当生产或下游出现外输流量较大调整时，采取人工干预的方式对千分尺进行调节，按需取样。但由于人工调节不仅增加了现场作业人员的工作量，同时人为操作还会存在一定的操作误差。通过在检修期间及时对Flow 模式下取样器控制器无法准确接收DCS 信息问题进行了修复，后续流量波动时，取样器可以通过设定好的参数和实际流量按比例进行取样，降低了工作模式对取样器取样准确度带来的影响。

3.2 设置在线色谱仪，及时对组分数据进行校正

对于天然气组分波动的情况，通过在天然气外输管线上设置在线色谱仪，可以每隔1 小时监测并记录天然气的色谱组分数据，充分掌握外输的天然气组分，发现贸易计量纠纷和误差时可以做到有据可依；在发现数据异常时，可以及时对异常的组分数据进行分析，进而对生产工艺进行调整，确保外输的天然气气质符合要求以及取样器的样品具备代表性。对于表3 中7 月份C3 含量过高的情况，就能够及时发现和调整，避免误差过大的组分数据输入至流量计算机，导致买卖双方计量争议的现象发生。

表3 2019年天然气化验数据

3.3 定期进行校正和维护，确保测量准确度

终端计量器具的精度、工作环境、人员操作等因素会对取样器的取样准确度带来影响，使用过程中，建议进行计划性和非计划性的预防性维护，确保仪器运行的可靠性，降低设备运行的系统性误差：

（1）通过对千分尺测量的结果进行定期校正，控制千分尺的误差范围，发现问题及时进行纠偏，防止隐患扩大；

（2）定期对设备或仪器的部件进行维护，降低在取样或计量过程中发生误差或故障的可能性；

（3）由于终端地处海边，设置了相应的隔离罩减少海风对设备腐蚀造成的影响；

（4）发挥现场工作人员的主观能动性，加强现场巡检的效率及质量，及时发现风险及安全隐患。

3.4 按需对工作模式进行调整，减少天然气能耗

之前工况下，终端取样器现场取样瓶⑥按照单台取样瓶进行设置，一方面降低了取样瓶的取样精度，无法及时对新取样瓶进行吹扫以及残余气体置换，另一方面吹扫及置换产生的额外天然气，不仅增加了取样器的使用能耗，而且天然气的放空不及时处理还存在一定的安全风险。由于Flow 和Time 模式下天然气的取样方式不一致，通过设置备用瓶，一是有针对性的收集吹扫、置换等非工作模式下的天然气，避免额外的天然气排放，二是在常用取样瓶取样容量达到设置的80%时，能够切换至备用瓶收集额外的天然气，既保证了取样的精度，又避免了额外天然气消耗。

结语

天然气取样器是天然气工业中分析和计量的重要设备，也是未来我国天然气产业与国际贸易接轨必不可少的关键一环。针对对现阶段取样器在工作过程中发现的影响准确度的因素及现象，结合实际工作需要，通过设置合理运行模式、安装在线色谱仪、定期对测量设备进行校正和维护等方式，优化取样器取样的准确度，降低取样器使用过程中的能耗，确保样品更加具有代表性，可靠性，真实有效反映天然气样品组分，保障各方的合理利益诉求，减少不必要的商务贸易纠纷，是我国天然气产业标准化、国际化和高质量发展的迫切需要。