移動(dòng)式LNG取樣技術(shù)研究及應(yīng)用*

朱華東 李曉紅 買吾拉尼江·買買提吐爾洪 王宏莉

1中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

2中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制與能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3中國(guó)石油塔里木油田分公司

根據(jù)國(guó)際天然氣聯(lián)盟（IGU）2014年發(fā)布的分類標(biāo)準(zhǔn)，小型液化天然氣場(chǎng)站是指產(chǎn)量小于100×104t/a 的LNG 項(xiàng)目。預(yù)計(jì)到2030 年全球LNG 市場(chǎng)上小型LNG 項(xiàng)目規(guī)模將達(dá)到1×108t/a，主要分布在中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、加拿大和拉美地區(qū)等地。近年我國(guó)LNG 加氣站數(shù)量保持逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[1]。據(jù)四川省清潔能源汽車產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，2020 年我國(guó)LNG 加氣站保有量在4800 座左右[2]，到2025 年，我國(guó)LNG 加氣站市場(chǎng)保有量將超過(guò)7700座[3-5]。

LNG是重要的能源商品，在生產(chǎn)和貿(mào)易過(guò)程中均需要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)控制[6]，在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38753—2020《液化天然氣》[7]中規(guī)定了商品液化天然氣的質(zhì)量要求技術(shù)指標(biāo)，規(guī)定采用GB/T 20603—2006《冷凍輕烴流體-液化天然氣的取樣-連續(xù)法》中的方法進(jìn)行取樣[8]。由于取樣系統(tǒng)設(shè)備龐大，采購(gòu)、設(shè)計(jì)和使用成本高[9]，需要有專門的空間用于安裝，不適合應(yīng)用在小型LNG場(chǎng)站。

CN106989271A[10]公開了分體式真空絕熱低溫液化天然氣進(jìn)樣裝置，即將滿足GB/T 20603—2006要求的取樣系統(tǒng)進(jìn)行小型簡(jiǎn)化，整個(gè)取樣、加熱、樣品均勻化緩沖系統(tǒng)置于一個(gè)手提箱中，形成了移動(dòng)式LNG取樣裝置。目前已有應(yīng)用案例報(bào)道[6]，但是缺少足夠的實(shí)踐，無(wú)法說(shuō)明取樣方法的適應(yīng)性。因此針對(duì)小型LNG 站取樣問(wèn)題設(shè)計(jì)研制了一套移動(dòng)式點(diǎn)樣取樣系統(tǒng)。

1 小型LNG站取樣技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)的小型LNG 項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、供應(yīng)方式靈活的特點(diǎn)，可有效利用零散氣田等固有的特性和優(yōu)勢(shì)，小型LNG 已經(jīng)成為管道天然氣和進(jìn)口LNG 的重要補(bǔ)充。小型LNG 站的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)均涉及到質(zhì)檢取樣，主要包含LNG 加氣站和LNG 橇裝試驗(yàn)站的取樣。

1.1 LNG加氣站取樣

在LNG 加氣站，最終銷售給用戶的LNG 是從加液槍加注到車用LNG 鋼瓶，此處的LNG 質(zhì)量檢測(cè)最為關(guān)鍵。但是在加氣站沒(méi)有配備LNG 專用取樣系統(tǒng)，無(wú)法取樣進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，通常加氣站的LNG質(zhì)量指標(biāo)由上游供應(yīng)方提供，加氣站不對(duì)LNG質(zhì)量負(fù)責(zé)。作為與消費(fèi)者直接貿(mào)易交接的窗口，需要掌握所售商品的品質(zhì)情況，僅能通過(guò)加氣站的氣體管路段取樣分析，即在BOG 回收流程中取樣。

1.2 LNG橇裝試驗(yàn)站取樣

橇裝站LNG 生產(chǎn)工藝流程可分為脫碳單元、脫水單元、脫烴單元、丙烷預(yù)冷單元、冷劑壓縮機(jī)單元、低溫液化單元和LNG 裝車單元，凈化好的天然氣進(jìn)入冷箱，經(jīng)過(guò)一級(jí)主換熱器與混合冷劑換熱，溫度降低到-50 ℃左右時(shí)，出換熱器，進(jìn)入重?zé)N分離器。根據(jù)氣源組分變化情況，如重?zé)N含量較高，則在此處分出以重?zé)N為主的液體，送至重?zé)N換熱器，復(fù)溫后進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)。從頂部出來(lái)的氣態(tài)原料氣通過(guò)一級(jí)主換熱器與混合冷劑換熱，溫度逐級(jí)降低至約-161 ℃后，經(jīng)過(guò)節(jié)流將壓力降至0.2 MPa，通過(guò)裝車臂充入槽車。目前LNG 產(chǎn)品質(zhì)量是在凈化后冷箱前取樣口取氣體樣品分析檢測(cè)得到的。由于在冷箱中還需要進(jìn)行重?zé)N分離（-50 ℃左右），因此冷箱前的氣體和最終LNG 產(chǎn)品質(zhì)量可能存在一定的差異，這種在凈化后冷箱前取氣體樣品分析結(jié)果可能無(wú)法代表LNG產(chǎn)品的真實(shí)質(zhì)量。

2 移動(dòng)式LNG取樣系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNG 取樣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為：①?gòu)囊后w樣品源取樣過(guò)程中需要保持LNG 過(guò)冷狀態(tài)不發(fā)生氣化；②取樣氣化過(guò)程完全氣化。取樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)排布和取樣探頭關(guān)系到LNG 是否處于過(guò)冷狀態(tài)，因此采用了預(yù)冷設(shè)計(jì)（圖1）。氣化器前設(shè)置了一個(gè)LNG 放空閥，在取樣前打開放空閥，將LNG 從輸送管線中引入到氣化器，置換了整個(gè)取樣探頭中LNG，使氣化器前的LNG接近樣品源的狀態(tài)，最大程度地解決了LNG 在取樣過(guò)程中因?yàn)檩斔臀鼰岫l(fā)生部分氣化的問(wèn)題。在探頭設(shè)計(jì)方面，采用了真空隔熱技術(shù)，取樣探頭的技術(shù)規(guī)格關(guān)系到隔熱效果，取樣探頭（保冷結(jié)構(gòu)）的焓增量需要小于LNG樣品的過(guò)冷度，才能確保氣化器入口處的LNG 處于過(guò)冷狀態(tài)。

圖1 移動(dòng)式LNG取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of mobile LNG sampling system

2.2 系統(tǒng)制作

LNG取樣系統(tǒng)（圖2）的關(guān)鍵部件有LNG連接接口（加液槍座）、LNG 傳輸管線、深冷截止閥和氣化器。選用五月花加液槍座作為連接接口；采用不銹鋼真空套管作為L(zhǎng)NG 傳輸管線（外徑為0.010 21 m，內(nèi)徑為0.006 35 m），為了確保保冷效果，在不銹鋼真空套管外部又打了一層酚醛泡沫(PE)；選用HY-LOK HPGR400 閥作為深冷截止閥；選用上海銳宇流體公司生產(chǎn)的realflow 電加熱調(diào)壓閥作為氣化器。為了對(duì)取樣過(guò)程中流速進(jìn)行監(jiān)控，特別設(shè)計(jì)增加了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

圖2 移動(dòng)式LNG取樣系統(tǒng)Fig.2 Mobile LNG sampling system

3 移動(dòng)式LNG取樣系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 取樣

為了考察移動(dòng)式LNG 取樣系統(tǒng)的取樣實(shí)用性和取樣一致性，采用移動(dòng)式LNG 取樣系統(tǒng)在某LNG 站連續(xù)取樣11 個(gè)（圖3）。取樣方法及取樣步驟如下：①將取樣鋼瓶連接至便攜式LNG 取樣系統(tǒng)氣路出口；②打開電源預(yù)熱調(diào)壓氣化器；③加液機(jī)通過(guò)加液槍打循環(huán)，注入新鮮LNG；④將加液槍插入便攜式LNG 取樣系統(tǒng)的加液槍座；⑤打開入口處深冷截止閥，再打開放空閥，調(diào)節(jié)LNG 流速至15～20 kg/h，觀察到放空管出口處流出LNG液體后，關(guān)閉放空閥；⑥完全打開調(diào)壓氣化器，吹掃氣路和取樣鋼瓶5 次，然后靜置1 min，關(guān)閉取樣鋼瓶起始端閥門，完成取樣。

圖3 采用移動(dòng)式LNG取樣系統(tǒng)取樣Fig.3 Sampling with mobile LNG sampling system

3.2 組成分析

根據(jù)GB/T 13610—2020，采用多根色普柱聯(lián)用以便能完全分離、測(cè)定LNG 中可能存在的所有組分，定量分析時(shí)采用外標(biāo)法。試驗(yàn)色譜條件為：Agilent 7890B 氣相色譜儀，色譜柱為：Mole-Sieve 13X 45～80mesh；MoleSieve 13X 60～80mesh；Porapak Q 80～100mesh；10% silicone UCW982 ON Chromosorb PAW 80～100mesh；25%silicone DC200；2 個(gè)TCD 檢測(cè)器，載氣：氦氣28 mL/min，氮?dú)?5 mL/min；進(jìn)樣量0.25 mL。80 ℃保持18 min。在上述分析條件下，對(duì)采用移動(dòng)式LNG 取樣器連續(xù)取樣獲得的11 個(gè)樣品進(jìn)行組成分析，結(jié)果見(jiàn)表1，連續(xù)兩次取樣樣品組成分析結(jié)果差值見(jiàn)表2。

表1 連續(xù)11次取樣組成分析結(jié)果Tab.1 Composition analysis results of 11 consecutive samples 摩爾分?jǐn)?shù)/%

由表2 可知，根據(jù)GB/T 13610—2020 中的規(guī)定，如果兩個(gè)連續(xù)測(cè)定值差值超過(guò)了表3規(guī)定的數(shù)值，測(cè)定結(jié)果應(yīng)視為可疑。由圖4明顯看出，采用移動(dòng)式LNG 取樣系統(tǒng)取樣符合GB/T 13610—2020的再現(xiàn)性要求。

圖4 連續(xù)兩個(gè)樣品測(cè)定結(jié)果的差值統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of the difference between the test results of two consecutive samples

表2 連續(xù)兩個(gè)樣品測(cè)定結(jié)果的差值Tab.2 Difference between the test results of two consecutive samples 摩爾分?jǐn)?shù)/%

表3 GB/T 13610—2020的精密度要求Tab.3 Precision requirements of GB/T 13610—2020

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)小型LNG 站已經(jīng)成為管道天然氣和進(jìn)口LNG的重要補(bǔ)充，在我國(guó)天然氣開發(fā)利用中發(fā)揮著重要作用。隨著LNG 加氣站、零散氣回收試驗(yàn)LNG 橇裝站等小型LNG 產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，小型LNG 站進(jìn)行LNG 取樣質(zhì)檢需求增大，然而現(xiàn)有的LNG取樣技術(shù)（GB/T 20603—2006）不適用于小型LNG 站，為了解決這個(gè)問(wèn)題，研制了移動(dòng)式LNG取樣裝置和取樣技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)適用于LNG 加氣站取樣，可以滿足小型LNG 質(zhì)檢取樣需求，有力支撐了小型LNG產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。