吴红光

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

气相色谱仪广泛应用于天然气开发、生产、输送等装置。不同阶段的天然气,所需要的天然气组分精确程度不同,然而,即使是同样生产装置,但受区域影响,或者气藏影响,天然气组分也会有巨大的差异,因此,为精确测量组分,特别是满足贸易计量的需求,对色谱仪的选型和使用,就存在有不同的方式。

在南海气田,外输气体需要满足下游组分和流量需求,需要对天然气组分进行准确分析,因此,需要选用色谱仪为生产提供精确组分。根据13年的对DANIEL色谱仪使用经验,结合DANIEL色谱仪的特性以及气田现场的条件,为色谱仪的选型和更好的使用提供建议。

1 南海气田特性分析

南海气田地处南海莺歌海海域,位于距海南省陆地70公里以外的区域。该区域地处热带,常年气温较高,基本上没有寒冬；空气潮湿,湿度平均在90%RH以上。

该海域的生产井,主要以天然气为主,伴随凝析油的产生。由于地处不同气藏,天然气组分差异很大,甲烷浓度从4%～95%,二氧化碳浓度从2%～95%,其他碳2、碳3、碳4等组分也存在较大差异。

在生产过程中,平台需要对生产井进行管理,需对各井天然气组分进行测量,这些天然气通过取样方式进行采集,直接含水含油；在外输过程中,天然气和凝析油混合外输,需要对外输天然气组分进行调配,同样需要对天然气进行取样,这种天然气只含油。同时,由于涉及到商业计量,因此对天然气组分的精度要求比较高,细微的组分值变化,都将造成标准流量的变化,对于销售量达到亿方甚至是几十亿方的气田来说,影响是巨大的。

生产现场采用气相色谱方法对天然气进行组分析:气相色谱法是以气体为流动相的色谱法,它利用物质在流动相与固定相中分配系数的差异,当两相做相对运动时,流动相将出现差距,最后被测样品得到分离[2]。DANIEL色谱仪就是使用这种方法,对天然气组分进行分析。

2 DANIEL色谱仪的优势

DANIEL GC500系列色谱仪是艾默生集团下丹尼尔公司制造的产品。包括在线型GC570和实验室型GC575,在线型GC570能够在相对恶劣的工作环境中稳定运行,满足防火防爆要求；分析精度能够达到10 ppm级别,为商业计量提供精确数据。现场主要使用的GC570色谱仪,此类色谱仪采用的是TCD[3]探头进行测量。

2.1 DANIEL色谱仪防爆性能

色谱仪放置区域为生产现场,生产现场的可燃气是偶尔出现的场所,但对于平台设计,要求现场电气设备必须是符合一般一类一区的场合,且是甲烷气体防爆级别。

GC570分析仪,采用的是NEC标准,执行的是CLASS I DIV 1的标准,且是group C,D气体组合[4]。能够满足现场生产需求。

2.2 DANIEL色谱仪电源属性

对于生产现场来说,平台提供的三相三线制中性点不接地电源,可以通过变压提供220 V交AC双火线供电方式,工频是50 Hz。

GC570色谱仪能够提供单相、三线、115 V特或者230 V特、50～60 Hz的交流电[4]；多种可选供电方式,完全能够满足现场需求。

2.3 DANIEL色谱仪除油水杂质能力

从分析对象的特性来看,不管是生产井天然气还是外输天然气,均含有水分或者凝析油。然而,天然气携带油污和杂质,油污和杂质容易导致色谱柱堵塞甚至色谱柱具有很强的毒化影响。

GC570均有除液体解决方案,带过滤和减压功能的采样阀,能够对高压差的凝液(外输气体压力在6 MPa以上,然而分析仪采样回路工作压力一般在20～30 psi）和天然气中的携带液体进行清除,通过这种减压阀的回路设计,能够阻止液体进行分析管线,同时,能够满足减压需求。如图1所示,是膜过滤加减压功能的阀门。

同时GC570自带2 μm过滤器,带有固体颗粒和液体功能,减少过程杂质对色谱管路的堵塞和污染。

图1 采样阀Fig.1 Sample valve

图2 过滤器Fig.2 Filter

2.4 DANIEL色谱仪组分分析能力

现场要求的井数量多,组分各异,就主要气体甲烷来讲,百分比摩尔浓度就从百分之几到90mol%多,一般色谱仪测量范围无法达到这些要求。DANIEL色谱仪测量范围如表1[5]所示。

表1 测量范围Table 1 Measurement ranges

2.5 DANIEL色谱仪多回路分析能力

现场存在多路气体需要进行分析,进行配气的情况,如各井口平台过来的气体在中心平台混合配气的情况。

DANIEL单台色谱分析仪支持多路气分析,且最多可分析12路[4],且都能够设置轮流进行分析,不影响各路不同组分气体对分析仪的影响。

3 DANIEL色谱仪的投用建议

色谱仪是一种精密测量仪器,各环节组分部分多,对环境要求高,在使用过程中,受各种客观因素的影响很大,因此,只有满足色谱仪运行要求,才能让色谱仪更加准确、实时和可靠。

3.1 色谱仪准确性的要求

色谱仪要保证准确性,其中有以下方面需要注意:

(1）载气的纯度

分析仪进行分析的载气是氦气,纯度达到99.999%,如果载气纯度不够、有其他杂质,会影响到TCD惠世通电桥的参考项或者测量项的基准,分析仪的准确度；

当载气纯度未达要求的情况下,杂质讲携带热量,经过测量路TCD或者参考路TCD时,将会造成原始数据波动,出现毛刺的情况。谱图均从DANIEL色谱仪软件MON2000[6]里面导出。

图3 毛刺图Fig.3 Baseline with burr

(2）阀门设置时间准确性

必须保证采样阀、反吹阀、双柱阀的阀门设置时间设置合理,才能有效的把天然气中各组分分离开,组分之间的间距是能够满足测试要求的。

一旦出现阀门开关过早,都容易出现出峰过早、过晚的情况。如图4所示,为双柱阀关闭过早,导致CO2和氮气提前出峰、后期CO2和氮气无法检测为0的情况。

图4 双柱阀OFF过快Fig.4 Dual column valve turning off too fast

(3）基准电压的稳定性

分析仪通过TCD探头进行原始电流数据的收集,采用的惠世通平衡电桥法,在分析仪工作前,应保证平衡电桥电压在±0.5 mV内,确保去除过高电压带来的影响。

图5 平衡电桥过电压Fig.5 Balanced bridge overvoltage

(4）电气传输回路的可靠性

分析仪和控制器之间,有4～20 mA电流传输,为保证传输不受干扰,应确保电缆有金属屏蔽,电缆必须在单端接地,电缆的连接可靠,附件没有强磁场。

图6 信号线多点接地Fig.6 Signal line with multipoint grounding

3.2 对色谱仪实时性的要求

为了准确计量外输气体的流量,色谱仪的实时性要求就比较高；然而,取样点和分析仪设备毕竟存在一定的距离,特别是管线长、设备选择不合适的时候,滞后就更加严重。

(1）采样管线上的阀门,尽量选择1/8“针阀；采样管线,一般采用1/8”仪表管。

(2）采样管线的压力、流量等设置,应尽量满足如下要求:

①减压阀出口压力设置,应在20～30 psi±2%,如果管线长,则压力高一些；

②对于管线旁通流量计的设置,由于采样管线平均每英尺会容留1 cc的流体,假设有100英尺的管线,就会容留100 cc的流体[4]；如果旁通流量计设置100 cc/m,则从取样点到分析仪处,就会有1 min的滞后。可以根据样气管线的长度,来调节样气的压力和旁通流量计的大小,但必须保证样气流量计在50 sccm的流量。

图7 样气流程Fig.7 Sample process

3.3 对色谱仪可靠性的要求

(1）对色谱仪本身来讲,不允许突然的停电,突然的停电会导致样气滞留在色谱柱里面,导致色谱仪重新启动后的前面几次的分析,数据存在较大的差异。

(2）对于平台生产来讲,要求平台关停恢复能够及时有效,保证色谱仪一直在运行；因此,对于供电来源就显得非常重要。平台一般使用UPS供电,保证平台关停或者正常电掉电后,色谱仪能够一直运行。

4 结 语

南海气田天然气色谱仪的选择,应从南海气田本身特点进行分析,以及对该类型的色谱仪特性进行了解,才能选择到合适的色谱仪,并且在运行过程中,应该特别注意对色谱仪运行存在影响的因素,才能够保证设备运行的可靠性、实时性和准确性。类似天然气处理场合,也可以参考这种方式进行选型,但需要考虑其他复杂因素如天气影响。推而广之,在各行业、各区域,选用色谱仪,也同样需要对行业、对环境进行分析,结合行业、环境特点,针对逐项特征来选择色谱仪。但基于对色谱仪理解的程度有限,部分可能考虑不够全面,不够深入,比如对样气流量设置值、平衡电桥电压值等的详细规定尚不明确,需要继续探索和研究。