气相色谱仪在天然气门站计量中的应用

江苏省产品质量监督检验研究院 周爱华

港华投资有限公司 刘志仁

2019年5月24日，国家发展改革委、国家能源局、住房城乡建设部和市场监管总局联合印发《油气管网设施公平开放监管办法》。办法中明确指出：天然气管网设施运营企业接受和代天然气生产、销售企业向用户交付天然气时，应对发热量、体积、质量等进行科学计量，并接受政府计量行政主管部门的计量监督检查；国家推行天然气能量计量计价；天然气能量计量需要在交接界面上设置在线分析的气相色谱仪。

1 天然气能量计算

我国天然气资源供应结构中，除国产常规天然气外，进口管道气、进口LNG、页岩气、煤层气和煤制气占比在不断增长。各种气源、不同产地和类型的天然气，组分差异很大，单位体积的发热量差异也较大。

1.1 天然气组成分析

天然气组成是指天然气中所含的气体组分机器在可检测范围内相应含量。分析时，天然气组成是指甲烷、乙烷等烃类组分和氮、二氧化碳等常见非烃组分的含量。进行天然气发热量计算时所使用的数据主要有烃类组成的常规分析得到。

根据GB 17820－2018《天然气》的规定，天然气组成的测定按GB/T 13610－2020《天然气的组成分析 气相色谱法》或GB/T 27894.1－2020《天然气 用气相色谱法测定组成和计算相关不确定度第1部分：总导则和组成计算》执行，仲裁试验应以GB/T 13610－2020为准。

在线色谱分析仪直接从管道中取样，并在无人管理的条件下自动分析，要求分析的组分数和数据处理方式以及色谱柱、检测器、色谱操作条件等都是预先设定的，并根据要求给出各组分的摩尔浓度、发热量、密度和压缩因子等。

按照GB/T 13610－2020，在线色谱仪的主要技术要求有：

(1) 检测器。选用热导检测器，或是在灵敏度和稳定性方面与之相当的检测器。要求对于正丁烷摩尔分数为1%的气样，进样0.25 mL，至少应产生0.5 mV的信号。

(2) 检测范围。提供 C1～C9的分析时，分组测到C6＋，氮、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷的浓度范围为0.01%～100%。

(3) 柱温控制。恒温操作时，柱温保持恒定，其变化应在0.3 K以内。

(4) 载气控制。在分析的全过程中，载气流量保持恒定，其变化应在1%以内。

(5) 仪器重复性检查。当仪器稳定后，两次或两次以上连续进标准气检查，每个组分响应值相差应在1%以内。

(6) 重复性和再现性。两个测定结果的差值不应超过表1(参见GB/T 13610－2020)规定的数值。

表1 重复性和再现性的精密度 %

1.2 发热量计算

根据GB/T 11062－2020《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》，高位发热量H是指规定量的气体与氧气完全燃烧时所释放出的热量。在燃烧反应发生时，压力p1保持恒定，所有燃烧产物的温度降至与规定的反应物温度t1相同的温度，除燃烧中生成的水在温度t1下全部冷凝为液态外，其余所有燃烧产物均为气态。

天然气能量计量中一般采用天然气组分Xj得出其高位发热量HS0，计算公式如下：

式中：HS0——高位发热量，MJ/m3；

Xj——天然气各组分体积含量，即摩尔分数，%；

Hj——天然气各组分发热量，MJ/m3。

1.3 天然气能量

天然气能量计算公式如下：

式中：E——天然气能量，MJ；

V0——标况下的体积流量，m3；

p0，pm——标况和工况下压力，Pa；

T0，Tm——标况和工况下温度，K；

Vm——工况下的体积流量，m3；

K——天然气状态方程因子，按GB/T 11062－2020中6.2规定选取。

2 天然气能量计量系统

2.1 能量计量系统组成

在天然气计量方面，有体积计量、质量计量和能量计量等方式。国际上普遍采用能量计量方式进行贸易结算，即将流量计测得的体积流量乘以在线分析测得的发热量，从而得到能量。作为燃料的天然气，其商品价值是其所含的发热量，即使用天然气的实质是天然气的能量。采用能量计量方式进行贸易结算是科学、合理的，因为同样体积的天然气，其发热量不一定相同，甚至差异很大。对于城镇燃气门站、直供大工业用户、玻璃、陶瓷工业以及天然气发电厂建议配备气相色谱仪，以便客观地监测、记录天然气的连续供应和高品质的稳定性能。因为优质稳定的天然气供应对企业生产效率的提高有很大帮助。如陶瓷企业，高热值的天然气在顶级陶瓷烧制过程中产品优等率比用其他燃料高很多。天然气发电厂对天然气中的氢气含量要求苛刻，氢气提前参与燃烧会影响燃气轮机的性能和寿命。

典型的天然气能量计量系统基本组成[1]如图1所示。

图1 典型天然气能量计量系统

2.2 气相色谱仪分析系统

在线色谱仪由分析器、控制器、样品处理及流路切换单元(简称采样单元)3个部分组成。一般来说，三者组装在一体化机箱内。国内市场上生产天然气气相色谱仪的厂家较多，有Elster EnCal3000、Emerson Daniel570、Agilent3000A、ABB NGC8206、Siemens SAM 等。典型的在线色谱仪分析系统[2]如图2所示。图2中的两个虚线框分别表示在线色谱仪主机中的分析器和控制器部分。

图2 在线色谱仪分析系统流程示意

3 气相色谱仪使用的通用要求

气相色谱仪通常采用分析小屋方式。分析小屋为色谱仪提供了可控的运维环境，可降低仪器的生命周期成本(延长使用寿命，降低维护成本)。分析小屋的运行主要需考虑满足其配电、照明、通风和空调等要求，具体如下：

(1) 配电。照明灯、通风机、空调、维修插座等公用设备由工业电源供电，分析仪系统、安全检测报警和联锁系统由UPS电源供电。

(2) 照明。分析小屋内正常照度应高于300 lx，以利于操作和维修。应配备事故照明，事故照度应高于50 lx，停电备用时间不少于30 min。照明开关应安装在分析小屋外主门旁，采用防爆电源开关。

(3) 通风。分析小屋内应保持通风良好。通风良好的定义是分析小屋内的空气清洁、干燥，含氧量在18%以上，可能存在的可燃气体会很快稀释到爆炸下限的25%以下。

(4) 空调。分析仪对环境温度的要求是小于50℃，带 LCD液晶显示屏的分析仪对环境温度的要求是小于40℃。当环境条件和设备散热在分析小屋内造成不可接受的高温时，应配备空调装置，以满足分析仪运行环境温度要求。

4 应用实例

以南京港华靖安门站为例。该场站采用了超声波流量计+在线气相色谱分析仪组成的天然气能量计量系统。

4.1 设施设置

该门站的工艺流程如图3所示，包括过滤、气质分析、计量、调压及加臭等单元。其中的气质分析单元即为在线气相色谱分析小屋，采用德国Elster-instromet公司EnCal3000天然气在线色谱仪。

图3 靖安门站工艺流程

4.2 分析方法

样品气进入进样器后，由载气携带进入色谱柱，不同组分在色谱柱中分离再进入检测器。因天然气中各组分的导热系数不同，产生的离子电流不同，从而产生大小不等的信号，形成一个个色谱峰。EnCal3000天然气在线色谱仪可自动运行分析色谱图，得到各组分及相应的摩尔百分含量。

4.3 操作步骤

首先，检查调节载气出口压力在0.2 MPa左右，检查载气流路是否通畅、色谱柱及各连接处密封情况是否良好，检查仪器载气出口是否有气体溢出。然后，打开电源，让仪器运转达到稳定状态。最后，将标准气气瓶与仪器相连接，调节标准气气瓶出口压力为0.2 MPa，对仪器进行校准并控制气体流速，即可进行气体组分分析。

4.4 分析结果

以某次EnCal3000运行分析为例，在线检测数据见表2，并通过天然气主要组分的摩尔分数计算出相应的天然气高热值为35.785 MJ/m3。

表2 某次天然气组分在线检测数据

该在线色谱分析小屋自 2011年建成投用以来，运行情况良好。主要特点如下：

(1) 采用了先进的微电子机械系统分析元件，结构紧凑，性能先进。

(2) 采用毛细管色谱柱，与填充式色谱柱相比：压损小，分析周期短；峰值分离效果更好；所需天然气样品量更少，检测器的灵敏度更高。

(3) C6＋分析周期为3 min，分析周期时间短。

(4) 重复性误差＜0.01%。

5 结语

在城镇燃气门站计量中设置气相色谱仪，可有效排除用户对天然气气质和能量计量的异议，客观、公正地维护好供需双方的经济利益。气相色谱仪的应用主要是为天然气能量计算赋值，从而促进贸易交接的公平公正。

能量计价的推广应用，利于天然气贸易发展，对形成区域性统一有序的天然气市场具有重要作用。随着国内气源增多，城镇燃气企业的燃气管网越来越多采用多气源的供气方式。再者，国家管网集团“X+1+X”油气市场化运营机制的逐渐形成也将推动城镇燃气企业越来越多地参与到天然气交易中。气相色谱仪在天然气能量计量中起到了重要的基础性作用，可以提升天然气计量的科学性和公正性，推动天然气市场交易的规范统一和合理定价，有利于天然气的公平公正发展。