进口液化天然气在线取样系统对比研究

赵 波 魏宇锋 邱 丰 王文青

（上海出入境检验检疫局 上海 200135）

1 前言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为优质高效的绿色清洁能源，越来越受到国际能源市场的关注。近年来，我国LNG进口贸易迅猛发展，2006年，我国在深圳建立了首个进口LNG接收站——大鹏LNG接收站，截至2014年底，我国已经陆续建成了上海洋山和五号沟、福建莆田、江苏南通、浙江宁波、山东青岛等几大接收站，我国LNG进口量呈快速增长态势。

在国际贸易中LNG产品通常使用热值作为结算依据，为避免国际贸易中的经济损失，促使贸易双方顺利履行贸易合同，需准确计量LNG热值[1-2]。而LNG热值的计量不是常规意义上的直接方法，而是通过气相色谱仪分析由在线取样系统取得的LNG样品成分组成，进而计算得到其单位热值和密度，再结合测得的总体积得出LNG总热值。因此，口岸接收站的在线取样系统取得代表性样品是确保得到LNG产品准确热值数据的前提和关键点。然而我国进口液化天然气贸易起步不久，LNG取样技术还不是很成熟，在口岸接收站对LNG进行检验计量工作中，存在由于无法取得代表性样品导致计量错误从而造成国家经济损失的情况，因此很有必要对我国现有的在线取样系统进行对比研究，分析各自优缺点，为建立和完善我国进口LNG在线取样系统提供技术支持。目前国内外尚无有关LNG接收站中在线取样系统的相关研究报道，我国口岸现用的LNG在线取样系统主要是连续取样系统和间歇取样系统两种，这两种取样系统均满足国际标准ISO 8943标准，但是分别具有不同的优势和劣势。本研究结合口岸实际应用情况，对现有的两种取样系统进行了对比分析，介绍了两种取样系统的工作原理和各自优缺点，同时对两种取样系统如何保证采集到具有代表性LNG样品的主要技术措施做了简要总结，旨在为我国今后进口LNG商品取样系统的选择和设计提供技术支持。

2 国内外LNG在线取样系统概况

取样是通过某种方法获取少量样品，以检测大批物料质量。因此，采集的子样必须有代表性，即通过子样的质量能了解全部物料的性质。LNG在运输过程中处于高压、低温状态（约为-162℃），因此需要通过取样系统的蒸发器将LNG样品完全气化后再进行取样。目前国际通常使用的LNG取样系统是ISO8943-2007提出的连续取样和间歇取样两种。连续取样系统作为一种常规传统的取样系统一直在全球范围内被广泛应用，而间歇取样系统是近几年主要由欧盟国家新推出的取样系统，因此该系统在欧盟地区被逐步采用，其他地区如北美、中东以及LNG第一进口大国日本仍然以连续取样系统为主。我国目前已建成的LNG接收站除上海以外其他接收站都使用连续取样系统。

3 两种主要的LNG取样系统

3.1 连续取样系统

连续取样（Continuoussampling）是指在稳定输送的整体时间内，样品气化后以恒定的流速通过一个大容积的恒压样品容器 （储气罐）进入到采样钢瓶，连续取样分析系统可以直接和分析单元相连，同时也提供采样钢瓶给实验室进行分析。

连续取样系统主要由取样探头、LNG样品蒸发器（汽化器）、缓冲罐、储气罐及辅助设备构成，其中储气罐可以是非密封水式或者密封水式。连续取样系统（密封水式样品储气罐）如图1所示[3]。

图1 连续取样系统（密封水式气体样品储气罐）

首先取样探头从LNG卸载管线中采集低温液态LNG进入取样管路，然后进入蒸发器，通过蒸发器加热，使液态LNG完全气化。完全气化的LNG样品进入缓冲罐，缓冲罐主要是出于安全考虑，防止系统压力过大或者不稳定，通过缓冲罐后样品进入一个大容积的活塞式恒压样品容器（储气罐），其主要功能是能起到平衡采样时间以及对样品进行充分混合的作用，用以消除样品经过蒸发器后产生的不均匀现象。活塞的密封应使用氦气或其他惰性气体作为密封气。对于密封水式储气罐取样开始前还需用气化后的LNG对水进行鼓泡，使水中的烃类溶解并达到饱和。待储气罐内样品气充分混合，稳定半小时以上后，气体样品充装压缩机将样品气充入样品容器（取样钢瓶）中。样品容器需要做硫钝化处理，容器的特殊处理或内涂层应保证与含硫化合物的反应性最小，同时也适合汞样品的应用，且方便吹扫和清洁连续取样系统设计上是一个封闭系统，通常在取样前的清洗程序中，系统可以自动验证清洁去污是否达到要求，有效防范样品被污染的可能性；取样过程通过流量控制器控制，储气罐基本处于静态，可以确保整个系统的稳定性；连续式取样由于取样时间段连续，且气体储存在储气罐中充分混合，因此精度高。同时连续取样系统使用大容积的储气罐，可以取得相对较多的样品，但其设备庞大，采购、设计和使用成本高。

3.2 间歇取样系统

间歇取样（Intermittentsampling）是指预定的时间间隔或预定的流量间隔，将样品气化后将气体样品通过3个采样器（采样泵）分别泵入到3个恒压气瓶中。

间歇取样系统主要由取样探头、LNG样品蒸发器（汽化器）、缓冲罐、常压浮动活塞样品容器（constantpressure/floatingpiston，简称CP/FP样品容器）及辅助设备构成，详见图2[3]。

图2 间歇取样系统（CP/FP取样容器）

与连续取样系统相比，间歇式取样系统在样品气没有进入储气罐前与连续取样系统工作原理相似，之后间歇式取样系统不使用储气罐，而是由3个CP/FP样品容器直接采集样品。间歇取样系统CP/FP样品容器通过一个可移动的活塞将样品与载气（通常使用如氦气、氩气等惰性气体作为载气）分开。活塞两边的压力处于平衡状态。由不锈钢耐高压圆筒组成的CP/FP样品容器至少包括以下部分：

（1）浮动活塞：分离样品气体和载气并保持容器内所需的恒定压力；

（2）活塞位置指示器：类似于磁力跟随器或者活塞杆，可以用来显示容器允许存储和运输的最大样品气体体积百分比；

（3）压力表；

（4）两个末端的不锈钢针阀；

（5）每个末端用来防止过充或者热膨胀造成超压情况的安全泄压装置。

加工完成后的圆柱型CP/FP样品容器与连续取样系统的样品容器相似，样品容器同样应做硫钝化处理，容器的特殊处理或内涂层应保证与含硫化合物的反应性最小，同时也适合汞样品的应用，且方便吹扫和清洁。图3是一种典型间歇取样系统样品容器。

图3 间歇取样系统CP/FP样品容器

由于间歇取样系统样品容器使用了移动活塞将样品气与载气分开，但是移动活塞在取样过程中极有可能将微量载气带入样品中，因此载气的选择就显得尤为关键。在实际取样中如果使用氩气作为载气，用气相色谱仪对样品进行分析，会发现组分中有氧气峰出现，这是由于氩气和氧气的出峰时间几乎相同，当氩气带入样品气后，就会发生这种情况。类似情况会给LNG贸易结算带来极大的困扰，因此在使用间歇取样系统时，一定要根据实际情况选择最适当的载气。

间歇取样系统改进了连续取样的高容积气体流经系统，采用直接取样的方式，样品的代表性好，设备体积小，成本低；但取样前需要手动清洗取样容器，没有连续取样系统中自动验证清洁去污是否达到要求的程序，因此存在系统被污染的可能性；同时样品容器结构复杂较为脆弱，系统中如果有固体粒子可能会损坏气缸，载气的微量泄露也会给检测带来不便，增加维修和保养成本。另外相较于连续取样系统，取样量较少。

3.3 两种取样系统样品一致性对比分析

从两种取样系统的取样流程可以看出，由于间歇式取样是将不同时间段采集的气体通过3个采样泵分别泵入到3个恒压气瓶中，因此理论上来讲间歇取样系统取样精度较低，不同钢瓶之间的样品一致性差[4]。为考察在实际取样工作中两种取样系统取得样品的一致性情况，分别选取南通口岸采用连续取样系统一年内连续10次取得的LNG代表性样品，以及上海洋山口岸采用间歇取样系统一年内连续10次取得的LNG代表性样品进行对比分析研究。取样过程中，每次平行取两支钢瓶样品（设为A号瓶、B号瓶），分别使用气相色谱对LNG主要组分甲烷的含量进行检测分析，检测结果对比数据列于表1。

表1 两种取样系统平行取样甲烷含量对比

表1显示，连续取样系统取得的平行样品中甲烷含量差异不大，相对标准偏差在0.00-0.04%之间；间歇取样系统取得的平行样品中甲烷含量相对标准偏差在0.00-0.05%，差异也并不显著。因此，通过两种取样系统检测结果比较，可以认为实际工作中间歇取样系统和连续取样系统取得的平行样品检测结果均具有良好的重复性，平行取得的两只钢瓶的样品一致性好，两种取样系统均能够满足检验工作的需要。

4 LNG取样系统取得代表性样品的技术措施

LNG是一种低温液态轻烃类混合物，以甲烷为主，同时还含有有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及氮气等，各组分的沸点不同且范围分布广，其特殊的物理特性造成取样系统取得一致性样品具有一定难度[5]。因此上述的直接取样系统或间歇取样系统进行LNG取样工作时，均需采取以下措施，以保证取得代表性LNG样品：

（1）为了防止蒸发器后的采样管路中有液体形成，需要对这些采样管路进行保温处理及加热，采样管路的加热温度应至少高于凝析温度10℃。为防止检测数据与装货港数据出现较大偏差，要定期对保温层进行检查，如发现管路有结冰情况，要及时更换保温层。

（2）取样探头应采用真空管式，以保证采集的样品在传送过程中保持最少的温差，降低LNG样品部分汽化的风险。取样探头的顶端需深入到管道直径的1/3-1/2处安装。

（3）蒸发器的电加热功率能满足气化系统对从主管道内采到的LNG样品进行气化不会产生凝析所需要的热量，此蒸发器功率至少为500W，并可随采样速度的变化自动调节加热温度，以满足对所采集的LNG气化所需热量的变化，使得出口气体温度保持在50℃以上；蒸发器的结构应该能避免气化后的LNG中质量较重的成分残留在蒸发器内；为防止LNG气化后还存在的小液滴，蒸发器内应该为超临界状态。

5 结论

（1）通过调研发现，连续取样系统体积大，采购成本高，但系统取样稳定、不易污染、取样量大、精度高；间歇取样系统体积小，采购成本低，样品代表性好，但稳定性较差，需要手动清洗，取样量较少，取样容器较为复杂，加工要求高，损坏率高，维护成本高。

（2）通过国内两个口岸分别采用两种取样系统取样一致性情况对比分析发现，连续取样系统和间歇取样系统取得的平行样品检测结果均具有良好的重复性，两种取样系统均能够满足检验工作的需要。

（3）我国各地LNG接收站应该充分了解两种取样系统的优缺点，结合自身实际情况，因地制宜选择合适的取样系统，从而避免不必要的经济损失，保证LNG贸易顺利交接。

[1] 邢辉，张荣旺.船运LNG到港计量交接作业及常见问题的解决措施[J].天然气工业，2011，21（8）：9-100.

[2] 梁尚煊，叶东升.LNG贸易计量与交接[J].化工学报，2009，60（增刊）：118-12l.

[3] ISO 8943-2007-03-01 Second edition，Refrigerated light hydrocarbon fluids—Sampling of liquefied natural gas-Continuous and intermittent methods[S].

[4] 赵雪利.取样系统平稳对计量的重要性[J].管理学家，2013，06:269.

[5] 李淑一，王彬.国际LNG贸易交接取样关键技术分析[C].第三届全国油气运输科技、信息与标准技术交流大会论文集，2013.