天然氣在線自動取樣系統的設計及應用

耿傳貴，劉伍三，聶中文，呂峰

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.中國石油天然氣股份有限公司 北京油氣調控中心，北京100007）

0 引言

目前，中國正在加快發展清潔能源，天然氣將成為推動中國能源轉型的重要方向，長輸天然氣管道的建設逐漸加大。在天然氣長輸管道尤其是跨國天然氣輸送中，為保證天然氣輸入品質，做到客觀、公正地檢驗檢疫，保證貿易雙方的經濟利益和管道的安全運行，對天然氣氣質地分析是至關重要的。

通常，在天然氣長輸管道首站設置分析儀表，用于分析天然氣的氣質。分析取樣方法分為直接取樣和間接取樣。直接取樣方法中，樣品直接從氣源輸送至分析單元，即從輸氣管道的取樣點到在線過程分析儀表，主要有氣相色譜分析儀、H2S分析儀、水分分析儀和烴露點分析儀[1]。對于天然氣間接取樣，需要在站場設置在線自動取樣系統實現從管道內采集最具有代表性的樣氣至樣品氣瓶用于離線分析。

本文以中緬天然氣管道工程為例，介紹間接取樣方法的在線自動取樣系統的配置及功能。

1 項目概況

中緬天然氣管道工程是中國實施能源戰略的重點項目之一，是中國能源進口的西南通道。中緬管道在緬甸天然氣進入中國的首站－瑞麗分輸壓氣站設置了在線過程分析儀表，即在線色譜分析儀、H2S分析儀、水分分析儀和烴露點分析儀，用于在線實時監測天然氣的組分、水露點、烴露點和熱值等信息，分析數據上傳至管道的監控和數據采集（SCADA）系統，在站場控制室及調度控制中心監測天然氣的氣質。首站除設置在線的分析檢測儀外，另外為了滿足檢驗檢疫各方對天然氣分析要求，在進站處還設置了在線自動取樣系統，從管道內采集樣氣至樣品氣瓶，并定期將樣品氣瓶送至化驗室及出入境檢驗檢疫局進行離線分析，從而監測境外輸入到國內天然氣的品質。

2 在線自動取樣系統組成

圖1 輸氣管道自動取樣系統工藝及儀表控制流程簡圖Fig.1 Automatic sampling system pipeline and instrument flow diagram for natural gas pipeline

在線天然氣自動取樣系統主要包括：取樣探頭、取樣器、移動活塞氣瓶、取樣控制器、取樣小屋、取樣導管、保溫/伴熱以及附屬設備材料等。在線自動取樣系統的取樣探頭安裝在天然氣主管道上，天然氣經過取樣管路能夠直接自動連續地采集出管道中天然氣足夠量的具有代表性的氣體樣品至移動樣品氣瓶，通過取樣控制器完成預定量的樣品采集，并能將其取樣控制信號傳送至上位控制系統。通常情況下，自動取樣系統可以在沒有操作人員干預的情況下連續和反復地提取少量樣品，以確保天然氣任何成份的變化都被反映到樣品中。

圖1為天然氣管道工程自動取樣系統工藝及儀表控制流程簡圖，圖中以一個取樣回路和一個樣品氣瓶并設置手動取樣設備為例，當有多個樣品氣瓶需求時，可采取多個取樣回路和多個樣品氣瓶的設計。

取樣系統的采氣量雖小，但其介質為易燃易爆高壓介質，為保證自動取樣系統能安全工作，自動取樣系統按照《天然氣取樣導則》GB/T 13609及相關標準的要求進行設計，整個取樣系統的安全包括對人員、個人防護裝備、設備及運輸要求應嚴格遵循標準要求。

3 在線自動取樣系統技術要求[2]

3.1 取樣探頭

取樣探頭為插入氣體管道，另一端與取樣導管相連接的裝置。取樣探頭在管道上方插入管道直徑的1/2～1/3處，探頭的設計應考慮管道中高速氣流可能造成的的探頭共振，且不易被堵塞，使樣氣具有代表性。取樣探頭結構宜為在線插入/收回型，探頭通過一個配套的法蘭式全通徑球閥后直接插入輸氣管道中，操作者可關閉球閥切斷天然氣，并安全地從帶壓的管道中移出或插入取樣探頭，實現探頭在線插拔，當探頭維護時亦不用停輸。

取樣探頭為雙探頭設計，一個探頭用于樣品進氣，一個探頭用于樣品氣循環返回，實現用管道中的天然氣來提供背壓系統的氣源，并將多余引出的天然氣通過取樣探頭的另一個接口返回到天然氣主管道中。

3.2 取樣器

取樣器采用氣動式，動力為管道中的帶壓天然氣。取樣器從管道中抽取樣品壓縮至樣品氣瓶中，確保每個取樣周期都能獲取真實的樣品。

取樣器帶有樣品收集容器，每一次取樣時取樣器的收集頭就會被壓縮，使得取樣器在采集樣品時減少對取樣容器的沖擊，并完全釋放所采取的天然氣。同時，取樣器可在不同的管內天然氣壓力下，順利地從流動的高壓天然氣中提取樣品，并且將樣品送入移動活塞氣瓶。

3.3 移動活塞氣瓶

移動活塞氣瓶為內部裝有一個可移動活塞的容器，樣品與緩沖氣通過活塞進行隔離，活塞兩邊的壓力保持平衡，容器為恒壓式。氣瓶通過活塞接入管道內天然氣，氣瓶所取樣的天然氣壓力與管道內天然氣壓力相同。氣瓶上配有磁性指示器顯示氣瓶容量。根據工程需要設置相應數量的移動活塞氣瓶，并配備取樣器和相應管路。

移動活塞氣瓶取樣系統設計時應具有氣瓶的背壓系統。在取樣前移動活塞氣瓶需要利用管道中的天然氣對其預先充壓，使其壓力與管道壓力一致。背壓氣源將通過在線取樣探頭將管道中的天然氣引出到移動活塞氣瓶背壓接口。

3.4 取樣控制器

取樣控制器可以對整個取樣過程進行控制，在一定的時間間隔內，以與氣源管道天然氣流成正比的速率采集樣品，保證系統自動地按流量或時間進行周期取樣。移動活塞氣瓶上設有限位開關，氣瓶充氣達到限定位置時，取樣過程自動停止。取樣控制器能與上位控制系統通訊，可以向上位機提供取樣系統的相關信息。

3.5 取樣導管和儀表設備

為減小氣樣停留時間，從取樣探頭到氣瓶間的取樣導管應盡可能短，管直徑應盡可能小，但不小于3mm。

取樣系統還設置了壓力表、限位開關、自力式減壓閥、電磁閥、止回閥、安全閥、儀表閥和過濾器等儀表和閥門，保證系統安全運行。

根據需要可設置手動取樣設備，手動取樣裝置的工作應不受自動取樣系統運行情況的影響，便于在自動取樣系統出現問題時還能進行取樣。

根據環境溫度和介質溫度，為了防止外界環境溫度影響使取樣管路中有凝液形成，確保取樣設備能正常運行，取樣探頭、取樣導管及設備應根據情況進行相應的保溫和伴熱，取樣管路的加熱溫度應至少高于凝析溫度10℃。

取樣系統使用的材料選擇必須能夠承受取樣介質的壓力、溫度、流速沖擊和腐蝕，且不受天然氣的影響，也不改變氣體的化學性質。取樣探頭、移動活塞氣瓶等設備和取樣管路安裝材料的材質應為不銹鋼。

3.6 取樣小屋

為保證取樣系統的正常工作和使用效果，除探頭、取樣管路外，其他取樣設備及其附屬設備均安裝在取樣小屋內。

當取樣小屋內取樣設備及管路故障使天然氣泄漏時，導致天然氣的聚集。在小屋內應安裝可燃氣體探測器[3]，當室內外可燃氣體泄漏并超過限定值時，現場報警器報警，自動停止取樣，同時啟動通風設備。

為便于移動，取樣小屋采用整體橇裝結構設計。取樣小屋為鋼制框架結構，各表面材質均應為不銹鋼，內外層間填充保溫材料。

3.7 供電及接地

取樣控制器供電可采用24VDC或220VAC電源，儀表和控制器采用不間斷電源，保證在供電系統故障時取樣的不間斷。取樣小屋照明、通風設施和電伴熱器所用的動力電源可采用普通用電。

各電氣設備應采用接地銅線接至取樣小屋的接地體上，取樣小屋的接地接至站場共用接地系統上。

安裝在現場的儀表及電氣設備應采用防爆和安全防護措施。

4 結束語

天然氣的成分變化會影響氣體的發熱值，如發熱值偏離合同要求，將對貿易雙方經濟利益產生影響。另外，如天然氣中含水量、含硫量及含二氧化碳量過高將對管道的運行產生危害，降低輸氣能力，影響正常供氣，并對管道產生腐蝕，降低管道的使用壽命，影響計量準確度。因此，高效準確的在線自動取樣系統為天然氣長輸管道天然氣的品質分析、保障貿易雙方的經濟利益和管道的安全運行起著重要作用。

中緬天然氣管道已投產運行，瑞麗分輸壓氣站自動取樣系統按照冗余的雙回路取樣進行配置，每回路均可獨立進行，按設定方案進行樣品抽取，雙回路中每個回路樣氣可同時注入3個相同的移動活塞氣瓶中，分別為化驗室、出入境檢驗檢疫局或第三方檢驗提供合格的樣品的需求，樣品氣瓶可根據規定定期更換，當偏差出現時能夠找到驗證處理的依據，保證檢驗結果的公平性和真實性。

[1]《石油和化工工程設計工作手冊》編委會.石油和化工工程設計工作手冊[Z].2010:559.

[2]GB/T 13609 天然氣取樣導則[Z].155066·1-46151:3-18.

[3]HG/T 20156自動分析器室設計規定[Z].