基于過程控制提高渦街流量計(jì)天然氣分析質(zhì)量

摘 要:GB 17820《天然氣》規(guī)定了通過管道輸送的商品天然氣的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。本文根據(jù)渦街流量計(jì)商品天然氣離線檢測(cè)流程，將天然質(zhì)量控制過程分為 4 個(gè)，詳細(xì)分析了影響各過程質(zhì)量的因素，并結(jié)合工作實(shí)際，重點(diǎn)分析了工作中易忽略的因素，并確定了各過程的質(zhì)量控點(diǎn)及技術(shù)要求。

1 前言：GB 17820 －2018《天然氣》［1］ 規(guī)定了通過管道輸送的商品天然氣的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。

除水露點(diǎn)外，其它 4 項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都可通過在線取樣、離線分析的方式測(cè)定，標(biāo)準(zhǔn)中雖然規(guī)定了試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則，但在實(shí)際分析過程中，影響分析數(shù)據(jù)仍有很多，基于過程控制原理，分析天然氣技術(shù)指標(biāo)每個(gè)檢測(cè)過程的影響因素，采取質(zhì)量控制措施，提高天然氣離線分析質(zhì)量。

2 天然氣離線檢測(cè)流程：天然氣質(zhì)量離線檢測(cè)流程見圖所示，即現(xiàn)場(chǎng)人工取樣、實(shí)驗(yàn)室儀器分析、數(shù)據(jù)處理、報(bào)告編制四個(gè)過程。

3 過程及影響因素分析：天然氣質(zhì)量離線分析的質(zhì)量控制過程可分為樣品取樣與運(yùn)輸、樣品分析、數(shù)據(jù)處理及證書編制等 4 個(gè)過程，在各個(gè)過程中影響天然氣分析質(zhì)量的主要因素。

3． 1 樣品取樣與運(yùn)輸

取樣的主要作用是獲得足夠的有代表性的氣體樣品，該過程的控制目標(biāo)就是獲取并確保樣品的代表性，影響取樣代表性的主要因素:(1)取樣點(diǎn)氣源流動(dòng)性。長(zhǎng)輸管道內(nèi)的商品天然氣的流動(dòng)狀態(tài)可能是層流或紊流，特殊情況下可能存在二相流，取樣要求氣體充分均勻，在取樣系統(tǒng)中應(yīng)現(xiàn)，在取樣系統(tǒng)和氣體管道內(nèi)，紊流是有利的，因?yàn)槲闪骺墒沽黧w混合均勻。如果是二相流，則認(rèn)為樣品不具有代表性。

(2)取樣探頭位置。一是探頭的安裝位置。GB/T13609 ［3］ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，對(duì)于試驗(yàn)的單相無凝析的天然氣，取樣探頭距離在 5D 到 20D 的范圍個(gè)組分的分析結(jié)果均滿足 GB/T 13610 － 2014 的再現(xiàn)性要求;二是探頭的插入位置。ISO 10715 － 1997 ［2］的 8． 1． 3“定位與安裝”中指出“取中，在管直經(jīng) 1/3 處取樣”。GB/T 18604 －2014 ［4］ “用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量”8． 2． 5 中要求:“溫度計(jì)和取樣器插入深度宜為 1/3經(jīng)流量計(jì)(DN300及以上)，插入深度應(yīng)不超過 125mm。應(yīng)注意避免高速氣流引起測(cè)溫套的共振”。

(3)取樣頻率。渦街流量計(jì)天然氣組成隨時(shí)間、氣源的變化而變化，取樣頻率取決于氣流以往的物性情況和預(yù)期(系統(tǒng)性)的變可用統(tǒng)計(jì)方法來確定，在某個(gè)特定的時(shí)間周期內(nèi)應(yīng)采集的樣品數(shù)為 n，計(jì)算樣品數(shù)的公式可見式 :

(4)取樣方法。目前天然氣離線分析的樣品取樣通常采用充氣排空法現(xiàn)場(chǎng)取點(diǎn)樣的方式。

(5)運(yùn)輸過程。樣品運(yùn)輸過程中影響因素主要有幾方面，一是凝析，即樣品容器內(nèi)的樣品在運(yùn)輸過程中可能發(fā)生部分凝析，特別是在有重組分存在的樣品解吸，即天然氣中可能含有幾種強(qiáng)吸附效應(yīng)的組分，在測(cè)定痕量重?zé)N或雜質(zhì)時(shí)應(yīng)特別注意;三是泄露和擴(kuò)散，即微漏可影響痕量組分的分析，即使在高壓中的氧也可能擴(kuò)散到管子或容器中。在氫氣存在時(shí)應(yīng)特別注意;四是反應(yīng)和化學(xué)吸附，即取樣設(shè)備中使用的材料也可能催化樣品的反應(yīng)，例如在含有痕量硫及羰基硫化合物的混合物中。

3． 2 實(shí)驗(yàn)室儀器分析

以色譜法分析天然氣組成為例，其分析流程如圖 3所示，影響因素分析如下:

(1)熱機(jī)。熱機(jī)的目的是減少色譜儀器本身穩(wěn)定性能的影響，色譜處在穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)試的數(shù)據(jù)才有參考性。

(2)標(biāo)氣。標(biāo)氣是分析樣氣的基礎(chǔ)，直接影響樣品分析的質(zhì)量，是影響分析樣品準(zhǔn)確性的決定性因素。

(3)樣氣。首先是凝析，即樣品在運(yùn)輸、存貯、進(jìn)樣過程中可能發(fā)生部分凝析，在進(jìn)樣前一定要確保樣品不發(fā)生凝析，特別是在有重組分存在的樣品中;其散，即樣品在運(yùn)輸、存貯、進(jìn)樣過程中可能發(fā)生泄漏或擴(kuò)散，進(jìn)樣前一定要確保容器沒有泄漏和擴(kuò)散。

(4)吹掃過程。通過吹掃降低不同氣體、不同組分以及操作過程中混入空氣對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3． 3 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理在手工計(jì)算的方式下，極大可能發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤的問題。

3． 3 證書編制：證書編制過程在手工編制的方式下，極大可能發(fā)生漏項(xiàng)、錯(cuò)項(xiàng)等問題。

4 質(zhì)量控制點(diǎn)及要求

質(zhì)量控制點(diǎn)與第三部分中質(zhì)量控制過程一致，影響分析結(jié)果質(zhì)量的因素主要有兩項(xiàng)，即樣品取樣與運(yùn)輸、樣品分析。數(shù)據(jù)處理及證書編制過程可通過管理文不予討論。

4． 1 樣品取樣與運(yùn)輸過程

(1)確認(rèn)取樣點(diǎn)氣源流動(dòng)特性。取樣前確認(rèn)取樣點(diǎn)氣源非常好在紊流狀態(tài)，在層流或二相流狀態(tài)下獲得的樣品對(duì)結(jié)果影響較大，應(yīng)避開，取樣前確認(rèn)流過是主干線流經(jīng)的氣流，避免在死氣處取樣。

(2)確定取樣點(diǎn)位置。長(zhǎng)輸管道天然氣基本可視為單相無凝析充分混合均勻的天然氣，只要取樣探頭在距離阻流元件 5D 到 20D 的范圍內(nèi)，可不考慮插入多氣源混輸時(shí)，取樣點(diǎn)應(yīng)保證混氣混合充分均勻。

(3)確定取樣頻率的合理性。可根據(jù)氣源變化情況，由式(1)計(jì)算得出。對(duì)于氣源變動(dòng)較大，如 LNG 混合外輸?shù)那闆r，應(yīng)采用累積取樣法或安裝自動(dòng)采樣器

(4)合理確定取樣方法。對(duì)一定時(shí)間段氣源穩(wěn)定的渦街流量計(jì)氣取樣時(shí)，可采用抽氣排空法。對(duì)含有重組分的天然氣取樣時(shí)，可采用保濕保壓法。對(duì)變化樣時(shí)，宜采用累積取樣法或自動(dòng)采樣法。

(5)科學(xué)選取取樣器和運(yùn)輸。一是對(duì)于痕量硫化合物分析時(shí)，宜采用特殊材料取樣器，消除吸附和解吸、反應(yīng)和化學(xué)吸附的影響;二是樣品運(yùn)輸及存貯過程凝析，消除樣氣凝析對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響;三是樣品運(yùn)輸及存貯過程中要防止容器泄漏，在取樣前、取樣后及分析前都要進(jìn)行樣品驗(yàn)漏操作，消除泄漏和擴(kuò)的影響。