累积取样系统在城市燃气行业的应用研究

王欣玮，赵 欣，仇 晶，张秀峰

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

基于天然气生产和贸易计量交接的需求，自20世纪90年代，我国对天然气取样技术进行了系统性地研究。目前，已经形成了GB/T 13609—2017《天然气取样导则》和GB/T 30490—2014《天然气自动取样方法》等技术标准[1-2]。上述标准对直接取样技术、间接取样技术进行了规定。其中，隶属于间接取样技术的累积取样技术作为一种可以直接获得天然气组成平均值的取样方法，已在国外获得了普遍应用。然而，在国内的贸易交接中，累积取样技术的应用并不多见。因此，该技术在城市燃气行业中的应用是对现有取样技术在应用领域的有效补充。

1 天然气取样技术概述

取样主要有直接取样和间接取样等2种方法[3]。在直接取样方法中，样品由气源直接送往分析单元，实现在线分析；在间接取样方法中，样品在转移到分析单元之前被贮存在相应的容器内，用于离线分析。进一步地，间接取样又可分为取点样和取累积样。点样是指规定时间和地点从气流中采集规定体积的样品；累积样则是指采集一系列点样并将其汇集成一个组合样品[3-5]。

点样取样技术更多地应用于获得天然气组成的限定值。累积取样技术则主要应用于获得天然气组成的平均值。

2 累积取样系统的工作原理

常见的累积取样系统分置换式和调压式2种，其工作原理如图1所示。前者在取样周期内，在基本恒定的管道压力下，通过气瓶内的移动活塞将预先充入的气体逐步地由泵入的样品所置换，如图1(a)所示。后者使用一种特殊设计的压力调节器，在取样过程中，使样品容器中的压力从零增加至管道的最大压力，如图1(b)所示。此外，从二者的工作原理可知，当管道压力低或流量变化大时，不推荐使用具有固定容积容器的调压式累积取样系统。

图1 累积取样系统工作原理图

3 累积取样系统的应用

北京市燃气集团某门站收集了燃气组成的试验数据，这些数据分别通过在线气相色谱仪和累积取样系统获得。二者之间的对比结果可用于评估累积取样系统在城市燃气行业的有效性和适应性。具体的操作过程如下：首先，在每天、每周或每月采集累积样品的过程中，以在线分析仪的分析周期为单元，同步收集同期的在线分析数据；然后，分别分析周期内的燃气组成和发热量等物性参数的平均值；最后，与累积取样获得的分析数据进行比较。为了避免管道压力变化或者流量变化对取样结果的影响，采用置换式累积取样系统。

4 有效性和适应性分析

在1个取样周期内，对直接取样的样品，采用在线气相色谱仪进行组成分析，并获得各组成的平均值。在此基础上，通过比较累积取样所获得样品的分析数据，评估累积取样系统的有效性和适应性。

在1个月内，累积样品分析结果以及直接取样样品分析结果平均值及其二者之间相对偏差(以在线分析结果的月平均值为基准)如表1所示。需要说明的是，本组试验采用的是重烃摩尔分数较少的天然气样品，并且在2种分析结果中，C4+以上组成的摩尔分数均为0，所以未在表中予以展示。

由表1中可以看出，与在线气相色谱仪的分析结果相比，累积样品的分析结果进一步包含了He、H2和O2的摩尔分数数据。此外，N2的摩尔分数偏低(-12.85%)；CO2摩尔分数相对偏差偏高(3.54%)；CH4、C2H6、C3H8、iC4H10的摩尔分数分别为偏高(0.03%)、偏低(0.77%)、偏低(17.53%)和偏高(16.67%)。基于组成比例，在累积样品中，高位发热量和沃泊指数的分析结果分别偏高(0.036%)和(0.10%)；压缩因子一致；密度偏低(0.12%)。

对上述对比结果进行分析，在线气相色谱仪采用的是低压取样，因而易造成空气扩散进入分析系统，导致分析出的N2摩尔分数偏高；另外，虽然N2、C3H8、iC4H10摩尔分数的相对误差较大，但由于这些组成的摩尔分数极少，未对样品的单位发热量等物性参数造成实质影响。

对于含有重烃的天然气样品，通过离线分析和在线气相色谱分析得到的结果如表2所示。与表1所列数据的不同之处在于其取样周期为1 d，且包含连续3个取样周期的试验数据。

表1 1个月的累积样品分析结果与在线色谱平均值对比

表2 24 h累积取样样品分析结果和在线色谱仪分析结果平均值对比

由表2中可以看出，3组数据中，摩尔分数在50%～100%范围内的CH4的最大相对偏差为0.11%；摩尔分数在1%～10%范围内的C2H6、CO2、N2的最大相对偏差为5.61%；摩尔分数在0.1%～1%范围内的C3H8的最大相对偏差为2.56%。对于其他摩尔分数在0.001%～0.1%范围内的组成，最大相对偏差为100%。各组成的相对偏差均未超过GB/T 13610和GB/T 27894.1所规定的要求范围 (分别为±3%、±10%、±50%、±100%)[6-7]。最终，基于燃气组成计算得到的低位发热量相对偏差低于0.1%。表明累积取样系统可被有效应用于城市燃气行业。

另外，对于上述3组累积样品，其低位发热量的波动范围约为0.2 MJ/m3。而这一波动水平并未对分析结果造成不利影响。由此可知，置换式累积取样系统适用于在上述气质条件下的组成分析。

5 结论

研究了累积取样技术在城市燃气行业的应用效果，并将由累积取样系统获得的燃气组成和物性参数分析结果与通过在线气相色谱仪获得的分析结果进行了对比，结论如下：

(1)累积取样可以更全面地获取天然气组成；

(2)应用在线色谱分析仪时，空气容易扩散进入分析系统，因此，在累积取样的分析结果中，发热量数值相对更高；

(3)对于基本不含重烃(C4及以上组成)的燃气，通过2种方式分析获得的物性参数差异很小，远低于国标规定的偏差范围；

(4)重烃摩尔分数相对较高时，重烃组成的相对偏差较大，但各项燃气的物性参数分析结果依然满足国标要求。

综上所述，对于城市燃气管网的下游端即热电厂、大型供暖厂、内部交接计量站、CNG、LNG等场站使用累积取样系统取样，然后由实验室给出离线分析结果，完全能够满足能量计量要求。另外，对于门站等同时配备在线气相色谱分析仪计量系统的场站，亦可将累积取样系统作为在线数据的核查工具，并可保存样品以方便争议时进行仲裁。