李青（遼河油田安全環(huán)保技術(shù)監(jiān)督中心）

中國石油天然氣行業(yè)標準《SY/T 6381—2016石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》規(guī)定，天然氣的組分和熱值等參數(shù)，影響著鍋爐的空氣系數(shù)、正平衡熱效率和反平衡熱效率等重要參數(shù)計算的準確性，直接影響著節(jié)能檢測以及監(jiān)測的結(jié)果。尤其是如果熱值測量偏低，導致正平衡熱效率計算值大于1，則直接可導致判定現(xiàn)有的計量表不合格，結(jié)果影響很大?；A(chǔ)數(shù)據(jù)不準確，后續(xù)的一切計算、結(jié)論以及節(jié)能措施全部沒有意義。通過分析天然氣檢驗方法以及原理，對于影響實驗較大的模版標定和取樣環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法進行詳細分析，并給出實驗室數(shù)據(jù)進行論證，可以為加熱爐節(jié)能監(jiān)測提供科學準確的技術(shù)支撐。

1 天然氣檢驗數(shù)據(jù)對于熱效率的影響

1.1 天然氣檢驗數(shù)據(jù)對于正平衡熱效率的影響

加熱爐的正平衡熱效率是節(jié)能檢測的重要指標，其計算公式如下：

式中：Qr為供給熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet,v,ar為燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qwl為使用外來熱量加熱空氣時，相當于標準狀況下每千克或標準狀況下每立方米燃料所給的熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qr為燃料的物理熱，kJ/kg或kJ/m3。B為加熱爐燃料消耗量，kJ/kg或kJ/m3；Q為被加熱介質(zhì)為油水混合物時，加熱爐有效輸出熱量；H為平衡熱效率，%。Qnet,v,ar的值則需要通過天然氣檢驗機構(gòu)提供加熱爐燃燒天然氣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。正常的節(jié)能檢測鍋爐的正平衡熱效率在80%～85%視為合格。超過100%，視為檢測結(jié)果無效。Qnet,v,ar的值如果測量偏高，則Qr的值則偏高，Q一定的情況下，正平衡熱效率計算就偏低，會造成明明合格的鍋爐，檢測出不合格。反之Qnet,v,ar的值如果測量偏低，則Qr的值則偏低，Q一定的情況下，正平衡熱效率計算就偏高，會造成原本不合格的鍋爐，檢測結(jié)果合格，影響油田節(jié)能管理，遇到鍋爐有破損的情況可能會造成安全事故。若是超過100%則檢測結(jié)果無效。經(jīng)過實際經(jīng)驗及計算，熱值上下浮動5 000 kJ/m3，正平衡熱效率變化10%左右。

1.2 天然氣檢驗數(shù)據(jù)對于反平衡熱效率的影響

反平衡熱效率是節(jié)能監(jiān)測的重要參數(shù)，可以考察鍋爐的運行狀態(tài)，一般應(yīng)該為80%～85%合格。由反平衡法加熱爐效率計算公式可知，加熱爐反平衡效率值主要與排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失有關(guān)[1-5]。同時，排煙熱損失與氣體未完全燃燒熱損失主要與燃料氣的組分、空氣系數(shù)、排煙溫度以及排煙處煙氣組分有關(guān)。對于不同的燃料氣，由于其氣質(zhì)、組分的不同，使得各項熱損失的計算結(jié)果也略有差異。天然氣組分測定不準也會影響反平衡熱效率的計算。

加熱爐反平衡法熱效率的簡化計算方法如下：

式中：η′2為簡化的加熱爐反平衡效率，%；q′2為簡化的排煙熱損失，%；q′3為簡化的氣體未完全燃燒熱損失，%；q′5為簡化的散熱損失，%。

其中熱損失的計算公式按照GB/T 10180—2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》[6]附錄B.1中公式計算。

2 天然氣檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的對策措施

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的檢驗方法

天然氣組分的檢驗方法使用氣相色譜法，標準執(zhí)行GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》[7]。天然氣組分的檢測主要使用外標法，天然氣樣品組分和已知組成的標準氣，在同樣的操作條件下用氣相色譜法進行分離。通過對比峰面積，計算獲得氣樣相應(yīng)組分，最后得到最終的氣體組分[8]。天然氣的熱值和密度通過標準GB/T 11062—2020《天然氣熱值、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》計算得到[9]。由此可見組分測定不準確，計算出的熱值及密度都是無效數(shù)據(jù)。

2.2 天然氣檢測的準確性關(guān)鍵影響因素

2.2.1 標氣的影響

由于天然氣樣品組分值是通過外標法，與標氣中想應(yīng)組分對比得來的。因此然氣模板的準確性是天然氣組分數(shù)據(jù)準確的最關(guān)鍵因素。影響天然氣模板準確性的因素有以下3種：

1）標準氣來源的選擇。標準氣需要選擇國家二級以上有證標氣，由于天然氣檢測，尤其是節(jié)能檢測需要的天然氣檢測，都是多組分混合氣體檢測，并且重組分大部分屬于1%左右的微量組分，一般的配氣廠家無法保證質(zhì)量。如果標氣的組分與標準證書區(qū)別很大，最嚴重的情況還有微量組分如己烷組分丟失的情況，就嚴重影響了天然氣模板的準確性。標氣給出的組分實際組分存在差異則標板中的矯正因子會出現(xiàn)誤差，用此模板測定的所有天然氣樣品的組分皆不準確。而且即便是標氣配置準確，無證也會導致數(shù)據(jù)無法溯源。不同廠家在專業(yè)機構(gòu)檢測數(shù)據(jù)對比見表1。同時標氣的使用應(yīng)嚴格按照氣瓶的保質(zhì)期使用，由于天然氣標氣的組分中有重組分有機物，可能發(fā)生吸附或者液化，影響進入氣相色譜中的氣體組分，從而影響模版的準確性[10]。

2）標準氣組分的設(shè)定。對于摩爾分數(shù)不大于5%的組分，與樣品相比，標準氣中相應(yīng)組分的摩爾分數(shù)應(yīng)不大于10%，也不低于樣品中相應(yīng)組分濃度的1/2。對于摩爾分數(shù)大于5%的組分，標準氣中相應(yīng)組分的濃度應(yīng)不低于樣品中組分濃度的1/2，也不大于該組分濃度的2倍。標準氣中組分的最低濃度宜不小于0.1%。不滿足這個條件的標氣濃度，會導致檢測樣品的結(jié)果有偏差。

3）模板標定的方法。標定模版時對于儀器的狀態(tài)要求要比樣品檢測時還要嚴格，檢查溫度和載氣等條件是否穩(wěn)定，當儀器穩(wěn)定后，在操作條件不變的前提下，兩次或兩次以上連續(xù)進標準氣檢查，無論是連續(xù)兩次進樣，還是最后一次與以前某一次進樣，各組分的重復(fù)性滿足標準GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》中章節(jié)8中給出的重復(fù)性，即可作為矯正模版。禁止只進一次標氣，不檢查重復(fù)性，就標定模版，用于后續(xù)的樣品檢驗，這樣無法確保標氣模版的準確性，則確保樣品檢測數(shù)據(jù)的準確性。

除了對于標準氣模版準確性的嚴格控制，樣品檢測的步驟也應(yīng)嚴格按照GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》，如此可以確保樣品檢測的準確性。

表1 不同廠家在專業(yè)機構(gòu)檢測數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of test data from different manufacturers in professional institutions

2.2.2 取樣的影響

近年來由于天然氣的來源越來越復(fù)雜，并且有些地區(qū)受注氮影響，天然氣自身組分也含有氧氣，并且管道氣也開始使用多氣源混合輸送供給，例如外來氣管道中經(jīng)常因為混入俄羅斯氣，而導致氧氮的組分含量升高，甚至有很嚴重的質(zhì)量問題。再像以前一樣在檢測組分中扣除空氣，已經(jīng)不科學了，不能反映真實的天然氣組分含量，因此取樣環(huán)節(jié)開始變得非常重要，取樣的代表性決定了后續(xù)檢驗數(shù)據(jù)是否有意義。

對于節(jié)能監(jiān)測取樣比正常管輸天然氣更為重要，由于加熱鍋爐使用的燃氣經(jīng)常是由罐車定時拉運并且注入干線中，氣體組分不但來源復(fù)雜，而且組分值波動可能較大，遇到波動較大的甚至需要波段取樣來取平均值參考。取樣的主要誤差來自于混入的空氣，如果誤差過大，就會導致檢測出的組分中氧氮含量比真實值偏高，計算出的熱值就會偏低，會使加熱爐正平衡熱效率偏高，甚至大于1，嚴重影響節(jié)能檢測的結(jié)論。

氣體燃料的采樣可在減壓（調(diào)節(jié)）閥后的燃氣管道上或在燃燒器前的燃氣管道上進行，一般在管道裝設(shè)一個帶閥門的采樣管，接上采樣器(袋)進行采樣?，F(xiàn)場采樣按照GB/T 13609—2017《天然氣取樣導則》執(zhí)行。使用附錄E充氣排空法的取樣步驟。緩慢地用氣體吹掃以置換導管和樣品容器內(nèi)的空氣，并排空3遍以上[11]。

不同取樣點單項閥和雙向閥取樣袋含氧量對比見圖1，證明選用雙向閥取樣袋和標準的取樣方法，可以將取樣誤差降低到最小，確保天然氣分析數(shù)據(jù)更加可靠。

圖1 不同取樣點單項閥和雙向閥取樣袋含氧量對比Fig.1 Comparison of oxygen content in sampling bags of single valve and two-way valve at different sampling points

經(jīng)同一操作人員不同取樣方式下所取同一地點天然氣樣品的檢驗結(jié)果對比見表2。表2中第一組數(shù)據(jù)，即用雙向閥取樣得出的實驗結(jié)果，含氧量是三組數(shù)據(jù)中最低的，熱值最高，檢測出最接近實時的檢驗數(shù)據(jù)。此次檢測的熱值也最能真實反映原料氣的初始能量值。第二組數(shù)據(jù)是使用單向閥取樣，經(jīng)過檢驗分析測得的天然氣中氧氣、氮氣含量明顯比雙向閥取樣時天然氣樣品中氧氣的摩爾百分比相差0.32%，低位熱值和高位熱值分別減少0.38 MJ/m3、0.43 MJ/m3。氧氮的含量越低，熱值就會越高，因此取樣是否規(guī)范對于熱值的影響很大。最后一組是取樣人未經(jīng)培訓，使用單向閥取樣，無法反應(yīng)出真實的結(jié)果，低位熱值和高位熱值分別減少皆為9.11 MJ/m3、10.08 MJ/m3。取樣人異常取樣的檢測結(jié)果經(jīng)過計算正平衡熱效率會從86%變成116%，原本合格的加熱爐節(jié)能監(jiān)測加過變成了不可用結(jié)果。反平衡熱效率增加了1%左右，影響不算很大。

表2 不同取樣方式下所取同一地點天然氣樣品的檢驗結(jié)果對比Tab.2 Comparison of test results of natural gas samples taken from the same place under different sampling methods

3 結(jié)論

加熱爐熱效率是節(jié)能管理的重要指標，二者的準確度直接影響后續(xù)對于加熱爐的措施管理。這兩個參數(shù)都與天然氣檢驗密切相關(guān)。天然氣檢驗的準確度直接影響熱效率的計算，根據(jù)工作經(jīng)驗得出，取樣環(huán)節(jié)和模版標準環(huán)節(jié)都是控制天然氣檢測數(shù)據(jù)準確的重要環(huán)節(jié)，也是最容易出問題的環(huán)節(jié)，使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的標準氣，使用雙向閥取樣，并按照上述的方法進行取樣并檢測，可以將實驗誤差減小到最低，獲得實驗室數(shù)據(jù)更接近真實數(shù)值，更有利于獲得正確的加熱爐節(jié)能監(jiān)測得結(jié)論，為后續(xù)的節(jié)能措施及管理辦法的提出，提供準確、科學的數(shù)據(jù)支撐。