天然气检验对于加热炉节能检测的影响及对策措

李青（辽河油田安全环保技术监督中心）

中国石油天然气行业标准《SY/T 6381—2016石油工业用加热炉热工测定》规定，天然气的组分和热值等参数，影响着锅炉的空气系数、正平衡热效率和反平衡热效率等重要参数计算的准确性，直接影响着节能检测以及监测的结果。尤其是如果热值测量偏低，导致正平衡热效率计算值大于1，则直接可导致判定现有的计量表不合格，结果影响很大。基础数据不准确，后续的一切计算、结论以及节能措施全部没有意义。通过分析天然气检验方法以及原理，对于影响实验较大的模版标定和取样环节的质量控制方法进行详细分析，并给出实验室数据进行论证，可以为加热炉节能监测提供科学准确的技术支撑。

1 天然气检验数据对于热效率的影响

1.1 天然气检验数据对于正平衡热效率的影响

加热炉的正平衡热效率是节能检测的重要指标，其计算公式如下：

式中：Qr为供给热量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet,v,ar为燃料收到基低位发热量，kJ/kg或kJ/m3；Qwl为使用外来热量加热空气时，相当于标准状况下每千克或标准状况下每立方米燃料所给的热量，kJ/kg或kJ/m3；Qr为燃料的物理热，kJ/kg或kJ/m3。B为加热炉燃料消耗量，kJ/kg或kJ/m3；Q为被加热介质为油水混合物时，加热炉有效输出热量；H为平衡热效率，%。Qnet,v,ar的值则需要通过天然气检验机构提供加热炉燃烧天然气的基础数据。正常的节能检测锅炉的正平衡热效率在80%～85%视为合格。超过100%，视为检测结果无效。Qnet,v,ar的值如果测量偏高，则Qr的值则偏高，Q一定的情况下，正平衡热效率计算就偏低，会造成明明合格的锅炉，检测出不合格。反之Qnet,v,ar的值如果测量偏低，则Qr的值则偏低，Q一定的情况下，正平衡热效率计算就偏高，会造成原本不合格的锅炉，检测结果合格，影响油田节能管理，遇到锅炉有破损的情况可能会造成安全事故。若是超过100%则检测结果无效。经过实际经验及计算，热值上下浮动5 000 kJ/m3，正平衡热效率变化10%左右。

1.2 天然气检验数据对于反平衡热效率的影响

反平衡热效率是节能监测的重要参数，可以考察锅炉的运行状态，一般应该为80%～85%合格。由反平衡法加热炉效率计算公式可知，加热炉反平衡效率值主要与排烟热损失、气体未完全燃烧热损失和散热损失有关[1-5]。同时，排烟热损失与气体未完全燃烧热损失主要与燃料气的组分、空气系数、排烟温度以及排烟处烟气组分有关。对于不同的燃料气，由于其气质、组分的不同，使得各项热损失的计算结果也略有差异。天然气组分测定不准也会影响反平衡热效率的计算。

加热炉反平衡法热效率的简化计算方法如下：

式中：η′2为简化的加热炉反平衡效率，%；q′2为简化的排烟热损失，%；q′3为简化的气体未完全燃烧热损失，%；q′5为简化的散热损失，%。

其中热损失的计算公式按照GB/T 10180—2017《工业锅炉热工性能试验规程》[6]附录B.1中公式计算。

2 天然气检验数据质量控制的对策措施

2.1 基础数据的检验方法

天然气组分的检验方法使用气相色谱法，标准执行GB/T 13610—2020《天然气的组成分析气相色谱法》[7]。天然气组分的检测主要使用外标法，天然气样品组分和已知组成的标准气，在同样的操作条件下用气相色谱法进行分离。通过对比峰面积，计算获得气样相应组分，最后得到最终的气体组分[8]。天然气的热值和密度通过标准GB/T 11062—2020《天然气热值、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》计算得到[9]。由此可见组分测定不准确，计算出的热值及密度都是无效数据。

2.2 天然气检测的准确性关键影响因素

2.2.1 标气的影响

由于天然气样品组分值是通过外标法，与标气中想应组分对比得来的。因此然气模板的准确性是天然气组分数据准确的最关键因素。影响天然气模板准确性的因素有以下3种：

1）标准气来源的选择。标准气需要选择国家二级以上有证标气，由于天然气检测，尤其是节能检测需要的天然气检测，都是多组分混合气体检测，并且重组分大部分属于1%左右的微量组分，一般的配气厂家无法保证质量。如果标气的组分与标准证书区别很大，最严重的情况还有微量组分如己烷组分丢失的情况，就严重影响了天然气模板的准确性。标气给出的组分实际组分存在差异则标板中的矫正因子会出现误差，用此模板测定的所有天然气样品的组分皆不准确。而且即便是标气配置准确，无证也会导致数据无法溯源。不同厂家在专业机构检测数据对比见表1。同时标气的使用应严格按照气瓶的保质期使用，由于天然气标气的组分中有重组分有机物，可能发生吸附或者液化，影响进入气相色谱中的气体组分，从而影响模版的准确性[10]。

2）标准气组分的设定。对于摩尔分数不大于5%的组分，与样品相比，标准气中相应组分的摩尔分数应不大于10%，也不低于样品中相应组分浓度的1/2。对于摩尔分数大于5%的组分，标准气中相应组分的浓度应不低于样品中组分浓度的1/2，也不大于该组分浓度的2倍。标准气中组分的最低浓度宜不小于0.1%。不满足这个条件的标气浓度，会导致检测样品的结果有偏差。

3）模板标定的方法。标定模版时对于仪器的状态要求要比样品检测时还要严格，检查温度和载气等条件是否稳定，当仪器稳定后，在操作条件不变的前提下，两次或两次以上连续进标准气检查，无论是连续两次进样，还是最后一次与以前某一次进样，各组分的重复性满足标准GB/T 13610—2020《天然气的组成分析气相色谱法》中章节8中给出的重复性，即可作为矫正模版。禁止只进一次标气，不检查重复性，就标定模版，用于后续的样品检验，这样无法确保标气模版的准确性，则确保样品检测数据的准确性。

除了对于标准气模版准确性的严格控制，样品检测的步骤也应严格按照GB/T 13610—2020《天然气的组成分析气相色谱法》，如此可以确保样品检测的准确性。

表1 不同厂家在专业机构检测数据对比Tab.1 Comparison of test data from different manufacturers in professional institutions

2.2.2 取样的影响

近年来由于天然气的来源越来越复杂，并且有些地区受注氮影响，天然气自身组分也含有氧气，并且管道气也开始使用多气源混合输送供给，例如外来气管道中经常因为混入俄罗斯气，而导致氧氮的组分含量升高，甚至有很严重的质量问题。再像以前一样在检测组分中扣除空气，已经不科学了，不能反映真实的天然气组分含量，因此取样环节开始变得非常重要，取样的代表性决定了后续检验数据是否有意义。

对于节能监测取样比正常管输天然气更为重要，由于加热锅炉使用的燃气经常是由罐车定时拉运并且注入干线中，气体组分不但来源复杂，而且组分值波动可能较大，遇到波动较大的甚至需要波段取样来取平均值参考。取样的主要误差来自于混入的空气，如果误差过大，就会导致检测出的组分中氧氮含量比真实值偏高，计算出的热值就会偏低，会使加热炉正平衡热效率偏高，甚至大于1，严重影响节能检测的结论。

气体燃料的采样可在减压（调节）阀后的燃气管道上或在燃烧器前的燃气管道上进行，一般在管道装设一个带阀门的采样管，接上采样器(袋)进行采样。现场采样按照GB/T 13609—2017《天然气取样导则》执行。使用附录E充气排空法的取样步骤。缓慢地用气体吹扫以置换导管和样品容器内的空气，并排空3遍以上[11]。

不同取样点单项阀和双向阀取样袋含氧量对比见图1，证明选用双向阀取样袋和标准的取样方法，可以将取样误差降低到最小，确保天然气分析数据更加可靠。

图1 不同取样点单项阀和双向阀取样袋含氧量对比Fig.1 Comparison of oxygen content in sampling bags of single valve and two-way valve at different sampling points

经同一操作人员不同取样方式下所取同一地点天然气样品的检验结果对比见表2。表2中第一组数据，即用双向阀取样得出的实验结果，含氧量是三组数据中最低的，热值最高，检测出最接近实时的检验数据。此次检测的热值也最能真实反映原料气的初始能量值。第二组数据是使用单向阀取样，经过检验分析测得的天然气中氧气、氮气含量明显比双向阀取样时天然气样品中氧气的摩尔百分比相差0.32%，低位热值和高位热值分别减少0.38 MJ/m3、0.43 MJ/m3。氧氮的含量越低，热值就会越高，因此取样是否规范对于热值的影响很大。最后一组是取样人未经培训，使用单向阀取样，无法反应出真实的结果，低位热值和高位热值分别减少皆为9.11 MJ/m3、10.08 MJ/m3。取样人异常取样的检测结果经过计算正平衡热效率会从86%变成116%，原本合格的加热炉节能监测加过变成了不可用结果。反平衡热效率增加了1%左右，影响不算很大。

表2 不同取样方式下所取同一地点天然气样品的检验结果对比Tab.2 Comparison of test results of natural gas samples taken from the same place under different sampling methods

3 结论

加热炉热效率是节能管理的重要指标，二者的准确度直接影响后续对于加热炉的措施管理。这两个参数都与天然气检验密切相关。天然气检验的准确度直接影响热效率的计算，根据工作经验得出，取样环节和模版标准环节都是控制天然气检测数据准确的重要环节，也是最容易出问题的环节，使用正规厂家生产的标准气，使用双向阀取样，并按照上述的方法进行取样并检测，可以将实验误差减小到最低，获得实验室数据更接近真实数值，更有利于获得正确的加热炉节能监测得结论，为后续的节能措施及管理办法的提出，提供准确、科学的数据支撑。