天然气在线自动取样系统的设计及应用.pdf

第 2 2 卷第 3 期 2 0 l 5 年 6 月 仪器 仪表用户 NS lT RUM E N T I ON EI C V o1 ． 2 2 2 O1 5 N o ． 3 天然气在线 自动取样 系统的设计及应用 耿传贵 ，刘伍三 ，聂中文 ，吕峰 1 ． 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ；2 ． 中国石油天然气股份有限公司 北京油气调控中心，北京 1 0 0 0 0 7 摘要 本文介绍了在线自动取样系统的基本构成和功能。在线自动取样系统能够自动连续地采集管道中天然气至 样品气瓶中，并通过取样控制器完成预定量的样品采集，系统可以在没有操作人员干预的情况下进行，为天然气的 气质分析提供依据。 关键词天然气；自动取样系统；样品；天然气组分 中图分类号T H 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 5 0 3 0 0 9 8 0 3 De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Na t u r a l Ga s On l i n e Au t o ma t i c S a mp l i n g S y s t e m G e n g C h u a n g u i ， L i u W u s a n ， N ie Z h o n g w e n ， v F e n f 1 ． C h i n a P e t r o l e u m P i p e l i n e E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， He b e i L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． P e t r o C h i n a O i l G a s P i p e l i n e C o n t r o l C e n t e r ， B e i j i n g 1 0 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e b a s i c s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f a u t o ma t i c o n l i n e s a mp l i n g s y s t e m． Au t o ma t i e o n l i n e s a mp l i n g s y s t e m c a n a u t o ma t i c a l l y a n d c o n t i n u o u s l y c o l l e c t p i p e l i n e n a t u r a l g a s t o t h e s a mp l e c y l i n d e r s ， a n d c o mp l e t e t h e s a mp l e s c o l l e c t e d f r o m a p r e d e t e r mi n e d a mo u n t b y s a mp l i n g c o n t r o l l e r ， s y s t e m c a n b e c a r r i e d o n wi t h o u t o p e r a t o r i n t e r v e n t i o n ， a n d p r o v i d e t h e b a s i s f o r t h e a n a l y s i s o f n a t u r a l g a s q u a l i t y ． K e y wor d s n a t u r a l g a s ； a u t o ma t i c s a mp l i n g s y s t e m； s a mp l e s ； g a s c o mp o s i t i o n 0 弓 J 言 目前 ，中国正在加快发展清洁能源 ，天然气将成为推 动中国能源转型的重要方向，长输天然气管道的建设逐渐 加大。在天然气长输管道尤其是跨国天然气输送中，为保 证天然气输人品质，做到客观、公正地检验检疫，保证贸 易双方的经济利益和管道的安全运行 ，对天然气气质地分 析是至关重要的 。 通常 ，在天然气长输管道首站设置分析仪表 ，用于 分析天然气的气质。分析取样方法分为直接取样和间接取 样。直接取样方法中，样品直接从气源输送至分析单元， 即从输气管道的取样点到在线过程分析仪表，主要有气相 色谱分析仪 、H S 分析仪 、水分分析仪和烃露点分析仪⋯。 对于天然气间接取样，需要在站场设置在线 自动取样系统 实现从管道内采集最具有代表性的样气至样品气瓶用于离 线分析。 本文以中缅天然气管道_T程为例 ，介绍间接取样方法 的在线自动取样系统的配置及功能。 1项 目概况 中缅天然气管道工程是中国实施能源战略的重点项 目 之一 ，是中国能源进 口的西南通道。中缅管道在缅甸天然 气进人中国的首站一瑞丽分输压气站设置了在线过程分析 仪表 ，即在线色谱分析仪、H S 分析仪、水分分析仪和烃露 点分析仪 ，用于在线实时监测天然气的组分、水露点、烃 露点和热值等信息 ，分析数据上传至管道的监控和数据采 集 S C A D 系统 ，在站场控制室及调度控制中心监测天 然气的气质。首站除设置在线的分析检测仪外 ，另外为了 满足检验检疫各方对天然气分析要求 ，在进站处还设置了 在线 自动取样系统，从管道内采集样气至样品气瓶 ，并定 期将样品气瓶送至化验室及出入境检验检疫局进行离线分 析 ，从而监测境外输入到国内天然气的品质。 2在线 自动取样系统组成 在线天然气 自动取样系统主要包括 取样探头、取样 器、移动活塞气瓶 、取样控制器、取样小屋 、取样导管 、 保温／ 伴热以及附属设备材料等。在线 自动取样系统的取样 收 稿日期 2 0 1 5 - 0 2 0 9 作者简介 耿传贵 1 9 6 5 一，女，哈尔滨人，本科 ，高级工程师 ，主要从事石油天然气长输管道仪表自动化设计工作。 第3 期 耿传贵 天然气在线自动取样系统的设计及应用 9 9 图1输气管道自动取样系统工艺及仪表控制流程简图 F i g ． 1 Au t o ma t i c s a mpli n g s y s t e m p i p e l i n e a n d i n s t r u me n t fl o w d i a g r a m f o r n a t u r a l g a s p i p e l ine 探头安装在天然气主管道上，天然气经过取样管路能够直 接 自动连续地采集出管道中天然气足够量的具有代表性的 气体样品至移动样品气瓶 ，通过取样控制器完成预定量的 样品采集 ，并能将其取样控制信号传送至上位控制系统。 通常情况下 ，自动取样系统可以在没有操作人员干预的情 况下连续和反复地提取少量样品，以确保天然气任何成份 的变化都被反映到样品中。 图1 为天然气 管道工程 自动取样 系统工艺 及仪表控制流 程简图，图中以一个取样回路和一个样品气瓶并设置手动 取样设备为例 ，当有多个样品气瓶需求时，可采取多个取 样回路和多个样品气瓶的设计。 取样系统的采气量虽小 ，但其介质为易燃易爆高压介 质，为保证 自动取样系统能安全工作 ，自动取样系统按照 天然气取样导则GB ／ T 1 3 6 0 9 及相关标准的要求进行设 计，整个取样系统的安全包括对人员 、个人防护装备 、设 备及运输要求应严格遵循标准要求。 3在线 自动取样系统技术要求 3 ． 1取样探头 取样探头为插入气体管道，另一端与取样导管相连接 的装置。取样探头在管道上方插入管道直径的1 ／ 2 ～ 1 ／ 3 处 ， 探头的设计应考虑管道 中高速气流可能造成的的探头共 振 ，且不易被堵塞 ，使样气具有代表性。取样探头结构宜 为在线插入／ 收回型 ，探头通过一个配套的法兰式全通径 球阀后直接插入输气管道中，操作者可关闭球 阀切断天然 气，并安全地从带压的管道中移出或插入取样探头 ，实现 探头在线插拔，当探头维护时亦不用停输。 取样探头为双探头设计，一个探头用于样品进气 ，一 个探头用于样品气循环返回，实现用管道中的天然气来提 供背压系统的气源，并将多余引出的天然气通过取样探头 的另一个接 口返回到天然气主管道中。 3 ． 2取样器 取样器采用气动式，动力为管道中的带压天然气。取 样器从管道中抽取样品压缩至样品气瓶中，确保每个取样 周期都能获取真实的样品。 取样器带有样品收集容器 ，每一次取样时取样器的收 集头就会被压缩，使得取样器在采集样品时减少对取样容 器的冲击，并完全释放所采取的天然气。同时，取样器可 在不同的管内天然气压力下，顺利地从流动的高压天然气 中提取样品，并且将样品送入移动活塞气瓶。 3 ．3移 动活塞气 瓶 移动活塞气瓶为内部装有一个可移动活塞的容器 ， 样品与缓冲气通过活塞进行隔离 ，活塞两边的压力保持平 衡，容器为恒压式。气瓶通过活塞接人管道内天然气 ，气 瓶所取样的天然气压力与管道内天然气压力相同。气瓶上 配有磁性指示器显示气瓶容量。根据工程需要设置相应数 量的移动活塞气瓶 ，并 配备取样 器和相应管路。 移动活塞气瓶取样系统设计 时应具有气瓶的背压系 统。在取样前移动活塞气瓶需要利用管道中的天然气对其预 先充压，使其压力与管道压力一致。背压气源将通过在线取 样探头将管道中的天然气引出到移动活塞气瓶背压接 口。 3 ． 4取样控制器 取样控制器可以对整个取样过程进行控制 ，在一定的 时间间隔内，以与气源管道天然气流成正比的速率采集样 品，保证系统 自动地按流量或时间进行周期取样。移动活 塞气瓶上设有限位开关 ，气瓶充气达到限定位置时 ，取样 过程 自动停止。取样控制器能与上位控制系统通讯 ，可以 向上位机提供取样系统的相关信息。 l 0 0 仪器仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 2 卷 3 ． 5取样导管和仪表设备 为减小气样停留时间，从取样探头到气瓶间的取样导 管应尽可能短 ，管直径应尽可能小 ，但不小于3 m m。 取样系统还设置了压力表 、限位开关 、自力式减压 阀、电磁阀、止回阀、安全阀、仪表阀和过滤器等仪表和 阀门，保证系统安全运行。 根据需要可设置手动取样设备 ，手动取样装置的工作 应不受 自动取样系统运行情况的影响，便于在 自动取样系 统 出现 问题时还能进行取样 。 根据环境温度和介质温度 ，为了防止外界环境温度影 响使取样管路中有凝液形成 ，确保取样设备能正常运行 ， 取样探头 、取样导管及设备应根据情况进行相应的保温和 伴热，取样管路的加热温度应至少高于凝析温度1 0 C。 取样系统使用的材料选择必须能够承受取样介质的压 力、温度、流速冲击和腐蚀，且不受天然气的影响 ，也不 改变气体的化学性质。取样探头 、移动活塞气瓶等设备和 取样管路安装材料的材质应为不锈钢。 3 ． 6取样小屋 为保证取样系统的正常工作和使用效果 ，除探头、取样 管路外，其他取样设备及其附属设备均安装在取样小屋内。 当取样小屋内取样设备及管路故障使天然气泄漏时， 导致天然气的聚集。在小屋内应安装可燃气体探测器_ 3 】 ，当 室内外可燃气体泄漏并超过限定值时，现场报警器报警 ， 自动停止取样，同时启动通风设备。 为便于移动 ，取样小屋采用整体橇装结构设计。取样 小屋为钢制框架结构 ，各表面材质均应为不锈钢 ，内外层 间填充保温材料。 3 ． 7供 电及接地 取样控制器供电可采用2 4 V D C 或2 2 0 V AC 电源 ，仪表和 控制器采用不间断电源 ，保证在供电系统故障时取样的不 间断。取样小屋照明、通风设施和电伴热器所用的动力电 源可采用普通用 电。 各电气设备应采用接地铜线接至取样小屋 的接地体 上，取样小屋的接地接至站场共用接地系统上。 安装在现场的仪表及电气设备应采用防爆和安全防护 措施 。 4结束语 天然气的成分变化会影 响气体的发热值 ，如发热值 偏离合同要求 ，将对贸易双方经济利益产生影响。另外， 如天然气中含水量、含硫量及含二氧化碳量过高将对管道 的运行产生危害，降低输气能力 ，影响正常供气 ，并对管 道产生腐蚀 ，降低管道的使用寿命，影响计量准确度。因 此，高效准确的在线自动取样系统为天然气长输管道天然 气的品质分析、保障贸易双方的经济利益和管道的安全运 行起着重要作用。 中缅天然气管道已投产运行 ，瑞丽分输压气站 自动取 样系统按照冗余的双回路取样进行配置，每回路均可独立 进行 ，按设定方案进行样 品抽取 ，双回路中每个回路样气 可同时注入3 个相同的移动活塞气瓶中，分别为化验室、出 入境检验检疫局或第三方检验提供合格的样品的需求，样 品气瓶可根据规定定期更换 ，当偏差出现时能够找到验证 处理的依据，保证检验结果的公平性和真实性。 参考文献 [ 1 1 石油和化工工程设计工作手册编委会． 石油和化工工程设 计工作手册[ z ] ． 2 0 1 0 5 5 9 ． 【2 】 G B ／ T 1 3 6 0 9 天然气取样导则[ z 】 ． 1 5 5 0 6 6 1 4 6 1 5 1 3 1 8 [ 3 1 HG／ T 2 0 1 5 6 自动分析器室设计规定 【 z 】 i 仪表与自动化工程技术应用新进展 安徽 交流会在合肥成功召开 i 为了促进安徽区域仪表 自动化技术地交流，由中国仪 术委员会秘书长王玉敏作了中国工控系统安全标准现状与 i 器仪表学会产品信息工作委员会主办 ，东华科技工程股份 发展的报告 ；中国仪器仪表学会产品信息工作委员会安徽 j i 有限公司协办，中国仪器仪表学会产品信息工作委员会安 工作站站长陈剑云汇报了C I S P I C 安徽工作站的T作规划 ； i j 徽省工作站和合肥杜威仪表科技有限公司承办的仪表与 白 东华工程科技股份有限公司副总工程师马恒平向与会代表 i i 动化工程技术应用新进展 安徽 交流会于2 0 1 5 年5 月7 日 解析了 石油化工安全仪表系统设计规范；东华工程科 i i 在合肥市新文采国际酒店举行。 技股份有限公司电控室高工张公明作了 “ 白控丁程设计 中 中国石化工程建设公司副总工程师叶向东，东华科技 的三维设计”报告。 i 工程股份有限公司副总工程师马恒平 ，全国测量、控制和 交流会还举行了新产品地展示。承德菲时博特 自动 ； 实验室电器设备安全标准化技术委员会秘书长王玉敏等1 8 0 化设备有限公司、深圳市索福达电子有限公司、安徽天康 多位来 自 石油化工 、冶金、电力等行业的代表参加了交流 集团 股份有限公司、加拿大沃森实业有限公司北京代 i ； 会。中国仪器仪表学会产品信息工作委员会秘书长刘哲鸣 表处 、毕托巴科技 上海 有限公司 、北京瑞普三元仪表 主持会议。 有限公司、福禄克测试仪器 上海 有限公司、上海江浪 会上 ，中国石化工程建设公司副总工程师叶向东作了 流体机械制造有限公司、合肥杜威仪表科技有限公司9 个单 国际] 二 程实施经验的介绍 ；毕托巴科技 上海 有限公司 位展示了各自公司的优秀产品。 i 董事长王忠辉介绍了毕托巴公司举世无双的流体一揽子计 中国仪器仪表学会产品信息工作委员会还将在北京、i 量产品；全国测量 、 控制和实验室电器设备安全标准化技 济南 、 上海、武汉等地举办同类交流活动。 鲁远航