LNG接收站取樣系統(tǒng)改造對計(jì)量結(jié)果的影響①

唐顯明

廣東大鵬液化天然氣有限公司

LNG接收站取樣系統(tǒng)改造對計(jì)量結(jié)果的影響①

唐顯明

廣東大鵬液化天然氣有限公司

摘要廣東大鵬液化天然氣有限公司LNG接收站為EPC建成，經(jīng)過幾年的運(yùn)營后，發(fā)現(xiàn)原LNG取樣系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷，不能取到有代表性的樣品。LNG分析準(zhǔn)確度高低的前提是能否取到有代表性的LNG樣品, 對于LNG貿(mào)易交接，取到有代表性的LNG樣品極為關(guān)鍵。針對取樣系統(tǒng)的缺點(diǎn)，改造目的非常明顯：汽化前的LNG液體樣品進(jìn)行特殊真空保溫，增加LNG汽化器的功率，快速汽化。改造完成后，經(jīng)過改造前后的比較，效果令人滿意。

關(guān)鍵詞LNG取樣系統(tǒng)改造優(yōu)化LNG貿(mào)易交接

LNG組分分析結(jié)果是LNG密度及單位發(fā)熱量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確與否將直接影響LNG貿(mào)易交接計(jì)量的具體數(shù)量及質(zhì)量判定。所以，在LNG船卸載過程中取到有代表性的LNG樣品，是LNG準(zhǔn)確計(jì)量過程中非常關(guān)鍵的一步(見圖1)[1-3]。由于LNG是超低溫的液體混合物且極易汽化，任何溫度和壓力的變化都很容易導(dǎo)致LNG組分的快速分餾汽化，要獲取能真實(shí)代表管道內(nèi)液體混合物比的流動(dòng)LNG樣品(即液體混合組分比與氣體組分混合比一致的樣品)就存在著很大的難度。為此，ISO 8943-2007《冷凍液態(tài)輕烴液化天然氣取樣-連續(xù)取樣法》對LNG取樣有明確的要求[4]，即：LNG樣品在汽化前必須保持過冷狀態(tài)，即全液體狀態(tài)，不得有任何組分的分餾汽化發(fā)生。

1LNG取樣系統(tǒng)改造

1.1舊取樣系統(tǒng)存在的問題

從圖1可以看出，在LNG貿(mào)易交接中，LNG的取樣與分析占有極為重要的位置，缺失取樣與分析，就沒有辦法進(jìn)行LNG的貿(mào)易交接。廣東大鵬液化天然氣有限公司的LNG接收站是EPC(Engineering & Procurement & Construction 工程采購建造)交鑰匙工程，原來設(shè)計(jì)的LNG取樣系統(tǒng)在運(yùn)營實(shí)踐中被發(fā)現(xiàn)有如下一些設(shè)計(jì)缺陷，這些缺陷可能引起比較大的貿(mào)易交接誤差。

(1) 取樣探頭和汽化器之間連接的管線過長，有3 m多(見圖2(a)、圖2(b))，管線保溫效果差，且LNG經(jīng)過不同的管徑、管道和閥門，發(fā)生節(jié)流效應(yīng)，并在汽化前發(fā)生了分餾，無法滿足LNG取樣過冷度的要求。

(2) 電加熱的汽化器功率不夠，無法同時(shí)瞬間汽化及控溫，LNG汽化后的流量不穩(wěn)定，天然氣組分隨樣品氣體流量大小變化而變化。

(3) 在夏天高溫環(huán)境，如果3個(gè)LNG儲(chǔ)罐同時(shí)進(jìn)料，受外界高溫和卸料管線分流產(chǎn)生的壓力降而影響嚴(yán)重，LNG在汽化前就已經(jīng)發(fā)生分餾，導(dǎo)致樣品代表性差。

(4) 甲烷、氮?dú)獾鹊头悬c(diǎn)組分測定值偏低，重組分含量偏高，計(jì)算的LNG單位發(fā)熱量和卸船總能量計(jì)算結(jié)果總是偏大。

以上問題導(dǎo)致的后果是：由于取不到有代表性的樣品，LNG氣體分析結(jié)果的混合物比例不能真實(shí)地反映管道內(nèi)流動(dòng)的LNG混合物比例，影響了貿(mào)易交接計(jì)量LNG密度及單位發(fā)熱量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.2新取樣系統(tǒng)

1.2.1設(shè)備組成

為了解決舊取樣系統(tǒng)存在的問題，確定新取樣系統(tǒng)由下列設(shè)備組成：

(1) 兩個(gè)單獨(dú)的LNG取樣探頭。

(2) 連接取樣探頭和汽化器之間的連接管線為真空絕熱管道。

(3) 兩個(gè)單獨(dú)互為備用可以自動(dòng)溫控500 W的LNG汽化器。

(4) 由兩個(gè)取樣控制器合成的一個(gè)取樣器控制機(jī)柜。

(5) 分析小屋。

(6) 一臺(tái)艾默生700 型在線分析色譜儀(具備微量氧氣分析能力)。

(7) 在線色譜儀取樣預(yù)處理系統(tǒng)(壓力變送器、過濾網(wǎng)、流量計(jì)等)。

(8) 通訊轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(光纖通訊至實(shí)驗(yàn)室，以便遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測)。

(9) 分析小屋電源系統(tǒng)。

(10) 實(shí)驗(yàn)室可遠(yuǎn)程控制取樣及色譜分析系統(tǒng)的控制電腦。

(11) 將舊的LNG汽化后進(jìn)行自動(dòng)和人工天然氣取樣的系統(tǒng)移至碼頭,與新取樣系統(tǒng)安裝在一起。

1.2.2設(shè)計(jì)安裝

圖3所示為LNG接收站碼頭新取樣系統(tǒng)的安裝位置。新取樣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)需要考慮以下問題：

(1) 分析小屋的供電及電纜的走向。

(2) 分析小屋安裝位置。

(3) 分析小屋多余的樣品氣排放管連接。

(4) 分析小屋與實(shí)驗(yàn)室的通訊。

2新取樣系統(tǒng)安裝施工難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)

2.1安裝主要難點(diǎn)

(1) 需要在運(yùn)營期間，找出合適的安裝窗口。

(2) 需要將安裝點(diǎn)隔離出來并進(jìn)行帶壓開孔作業(yè)。

(3) 需要將探頭預(yù)冷至-112 ℃，以便允許探頭插入LNG液體。

(4) 需要將取樣探頭進(jìn)行無冰堵、無損傷安裝。

2.2安裝主要風(fēng)險(xiǎn)

(1) 隔離段LNG會(huì)泄露至被隔離管道內(nèi)。

(3) 溫差過大，應(yīng)力引起管道變形，破壞整條管道。

(4) 預(yù)冷過后的取樣探頭暴露在空氣中，極易在取樣口處結(jié)冰而堵塞取樣口。

(5) 安裝過程中，超低溫LNG液體對安裝工人的傷害。

3新取樣系統(tǒng)的特點(diǎn)

新取樣系統(tǒng)很好地克服了舊取樣系統(tǒng)存在的問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 新取樣系統(tǒng)是按照LNG取樣標(biāo)準(zhǔn)ISO 8943-2007中關(guān)于過冷度的要求設(shè)計(jì)，采用取樣探頭、連接管線、閥門和汽化器一體化設(shè)計(jì)和真空絕緣隔熱技術(shù)，做到了很好的絕熱效果，避免了LNG在汽化前發(fā)生分餾，保證了卸載過程能取到有代表性的LNG樣品。

(2) 新取樣系統(tǒng)真空取樣探頭和汽化器的連接采用了一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)和專利技術(shù)，即：體積為0.5 mL的止回閥。該閥門通過LNG揮發(fā)而產(chǎn)生增加壓力的效果，保持汽化器壓力，從而使LNG維持在臨界狀態(tài)，避免LNG汽化前由于管線壓降而發(fā)生相變分餾。

(3) 智能、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。汽化器溫度可以任意設(shè)置，溫控能快速達(dá)到平衡，且非常穩(wěn)定；汽化器出口流量和壓力可以智能調(diào)控，不受卸料管線壓力、流速變化的影響。人工操作設(shè)定和改變汽化器的溫度、流量、壓力，不是為了要改變LNG的分析組分，而是為了獲得更好的色譜分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性，提高準(zhǔn)確度和分析精度。分析結(jié)果可由系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，沒有人為的干預(yù)影響。

(4) 取樣與分析系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制。一旦有任何的LNG液體或天然氣泄漏，可遠(yuǎn)程立刻關(guān)閉系統(tǒng)，比舊取樣系統(tǒng)更安全。

(5) 新的在線分析色譜儀能實(shí)時(shí)分析檢測汽化后的天然氣組成和品質(zhì)，減少人工取樣分析。

此外，廣東省水利部門在加大河道執(zhí)法力度的同時(shí)，注重拓展水土保持、水資源、水工程等執(zhí)法，截至目前，已辦理水土保持案23宗，水資源案14宗，水利工程案8宗，有力地打擊了各類水事違法行為。

新取樣系統(tǒng)對汽化器進(jìn)出口溫度和流量可以智能設(shè)置和控制，獲得了相對穩(wěn)定的樣品汽化溫度及出口壓力，如圖4所示。

卡塔爾氣卸船期間13 h，根據(jù)色譜分析標(biāo)準(zhǔn)GPA 2261-2000《色譜儀分析天然氣和相似混合氣體》[5]，所有(196個(gè))色譜數(shù)據(jù)的重復(fù)性為0.033、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.011。該結(jié)果顯示了新取樣系統(tǒng)非常良好的重復(fù)性。在卸料管線循環(huán)期間，溫度和壓力不穩(wěn)定的情況下測試，在線色譜13 h分析結(jié)果，所有(200個(gè))色譜數(shù)據(jù)重復(fù)性為0.41、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13。在LNG取樣管線壓力偏低，溫度壓力不穩(wěn)的情況下，仍能測出這個(gè)結(jié)果，說明新取樣系統(tǒng)很穩(wěn)定。

4新舊取樣系統(tǒng)樣品分析能量計(jì)算結(jié)果比較

目前，公司有兩種貨源，一種是澳大利亞來的長期期貨，一種是世界各地來的現(xiàn)貨。不同的貨源，貿(mào)易交接地點(diǎn)及結(jié)算方式也不一樣。

澳大利亞來的是期貨，LNG運(yùn)輸船使用揮發(fā)的LNG氣體(BOG)作為運(yùn)輸船的動(dòng)力燃料，船艙內(nèi)的LNG因?yàn)楹Ｉ祥L時(shí)間航行而揮發(fā)，運(yùn)輸船也需要消耗比較多的BOG作為動(dòng)力燃料，從而會(huì)導(dǎo)致船艙內(nèi)的LNG組成發(fā)生一些變化。例如，到達(dá)卸載港后，甲烷成分由于消耗而稍微偏低。

卡塔爾來的是現(xiàn)貨，運(yùn)輸過程不以BOG為燃料。由于不使用BOG作為運(yùn)輸船的動(dòng)力燃料，運(yùn)輸船上裝備有BOG再循環(huán)冷卻系統(tǒng)，BOG經(jīng)過該系統(tǒng)后將再次變成液體LNG回到船艙內(nèi)。所以，LNG船內(nèi)的LNG組成相對還是比較穩(wěn)定的。這樣，裝載港和卸載港取樣分析的結(jié)果就具有很好的可比性?？ㄋ栠^來的LNG船從裝載港到卸載港，LNG液體體積可能會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓a(chǎn)生一定的變化，其密度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，但是LNG的組成應(yīng)該不會(huì)變化。由于裝備了BOG再循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可以認(rèn)為卡塔爾船里的LNG是處于一個(gè)穩(wěn)定密閉的系統(tǒng)內(nèi)，裝載港和卸載港的能量計(jì)量結(jié)果應(yīng)該是很接近的。因此，對比分析卡塔爾來船的LNG能量計(jì)量結(jié)果，可以很好地比較新舊取樣系統(tǒng)的能量計(jì)量誤差。

統(tǒng)計(jì)卡塔爾LNG船的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：大鵬LNG接收站卸載港舊取樣系統(tǒng)取樣分析的甲烷、氮?dú)夂慷急瓤ㄋ栄b載港偏低，而C2及以上重組分含量都比裝載港高，計(jì)算的單位發(fā)熱量(MJ/kg)也就相應(yīng)偏高，貿(mào)易交接能量也就偏多。根據(jù)ISO 6976-1995《使用組分計(jì)算天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度以及沃泊指數(shù)》對天然氣單位發(fā)熱量的計(jì)算[6]，通過對29船卡塔爾氣在大鵬接收站卸載港和裝載港的總能量比較，發(fā)現(xiàn)大鵬接收站卸載港多計(jì)算了340 311 MMBTU (1×106BTU=1 055.056 MJ)。其中，有17船卡塔爾天然氣計(jì)算的總能量綜合誤差超過10 000 MMBTU。如果按照裝載港離岸計(jì)價(jià)，購買卡塔爾的天然氣，接收站則多支付了費(fèi)用。

圖5中綠色與紅色表示的是新取樣系統(tǒng)對4船卡塔爾氣的甲烷和能量計(jì)量誤差結(jié)果。從圖5中可以看到，離岸和到岸計(jì)量的能量基本相同，誤差也不大，也比較符合能量計(jì)量誤差規(guī)律，有正偏差也有負(fù)偏差，改變了大鵬接收站能量貿(mào)易交接數(shù)據(jù)一直偏高的情況。從圖5中卡塔爾氣新舊取樣系統(tǒng)計(jì)算的能量差值說明，新取樣系統(tǒng)分析計(jì)算的能量結(jié)果更接近上游卡塔爾計(jì)算的結(jié)果，說明新取樣系統(tǒng)準(zhǔn)確性更高，真實(shí)性更可靠、可信。

實(shí)驗(yàn)室在新取樣系統(tǒng)調(diào)試期間，對新舊取樣系統(tǒng)14船LNG計(jì)算的能量差值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和比較，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖6可以看到，新舊取樣系統(tǒng)計(jì)算的卸船能量有9船相差不大，在計(jì)量較小誤差范圍內(nèi)；有5船的計(jì)量誤差比較大，特別是2011年10月25日的卡塔爾氣最大誤差值超過了22 000 MMBTU。這是由于取樣系統(tǒng)不一樣，舊取樣系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，容易受天氣，排氣操作等的影響。統(tǒng)計(jì)14船新取樣系統(tǒng)計(jì)算的總能量(見圖7)，新取樣系統(tǒng)比舊取樣系統(tǒng)少了52 837 MMBTU。

5結(jié) 論

(1) 只要風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別充分，措施得當(dāng)，對運(yùn)營中的LNG接收站可以進(jìn)行取樣系統(tǒng)的改造。

(2) 新取樣系統(tǒng)解決了舊取樣系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)缺陷而發(fā)生LNG提前分餾的問題。

(3) 新取樣系統(tǒng)提高了LNG接收站LNG取樣分析技術(shù)水平，可以保證LNG卸船期間系統(tǒng)能夠取到有代表性的樣品，從而可以保證離線和在線色譜分析結(jié)果更可靠、可信度更高、重復(fù)性和重現(xiàn)性更好。

(4) LNG貿(mào)易交接中，僅改正取樣系統(tǒng)，別的方法標(biāo)準(zhǔn)都一致，但是貿(mào)易交接數(shù)據(jù)結(jié)果卻不同，說明舊取樣系統(tǒng)對貿(mào)易交接處于負(fù)面影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 成永強(qiáng), 崔婧, 張琳. LNG接收站內(nèi)天然氣流量測量準(zhǔn)確度研究[J]. 石油與天然氣化工, 2014, 43(6): 684-688.

[2] 陳雪, 馬國光. 流程參數(shù)對LNG接收終端蒸發(fā)氣再冷凝工藝流程性能的影響[J]. 石油與天然氣化工, 2008, 37(2): 100-104.

[3] 張福元, 王勁松, 孫青峰, 等. 液化天然氣的計(jì)量方法及其標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 石油與天然氣化工, 2007, 36(2): 157-161.

[4] ISO 8943-2007 Refrigerated light hydrocarbon fluids-sampling of liquefied natural gas-continuous and intermittent methods (second edition)[S].2007.

[5] GPA 2261-2000 Analysis for natural gas and similar gaseous mixture by Gas Chromatography[S]. 2000.

[6] ISO 6976-1995 Natural gas-Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe Index from composition[S].1995.

Effect of sampling system modification

on the measurement results of LNG receiving terminal

Tang Xianming

(GuangdongDapengLNGLimitedInc,Shenzhen518048，China)

Abstract:LNG receiving terminal of Guangdong Dapeng Liquefied Natural Gas Limited Company was Built by EPC contract.After several years， operation, lab technicians found the original LNG sampling system had design fault, which could not take representative sample. For the LNG trade, the representative sample of LNG is the key to obtain accurate and reliable analysis results. In view of the shortcomings of the original sampling system, LNG liquid sample needs special vacuum insulation before it goes to vaporizer, and power supply for the vaporizer needs to be increased. By comparing with the old and new sampling system performance through LNG custody transfer, satisfactory results were obtained.

Key words:LNG, sampling system, modification, optimization, LNG custody transfer

收稿日期：2015-03-11；修回 2015-06-08；編輯：鐘國利

中圖分類號(hào)：TE863.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.021

作者簡介：①唐顯明(1968-)，男，1993年畢業(yè)于西南石油學(xué)院開發(fā)系采油專業(yè)。從1996年起，在中海油的合資企業(yè)阿科中國有限公司/BP勘探與開發(fā)(ARCO，BP)從事天然氣的計(jì)量及質(zhì)量分析工作,2005年加入廣東大鵬液化天然氣有限公司，從事天然氣計(jì)量與分析工作至今。E-mail:Tang.Thomas@gdlng.com

基金項(xiàng)目：廣東大鵬液化天然氣有限公司改造項(xiàng)目“LNG接收站碼頭取樣系統(tǒng)更新改造”(MOC-105)。