计算法获得天然气烃露点影响因素探讨
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收稿日期：2011-07-11
作者简介：曾文平：1970年生，男，四川成都。硕士，高级工程师，长期从事天然气分析测试工作.
摘要：烃露点是天然气的一项重要气质指标，准确测定天然气的烃露点，可为管道的安全运行和有效利用天然气提供技术支持。由组成数据计算天然气烃露点是获得烃露点的一种重要方法，文章分析探讨了计算法获得烃露点的影响因素，包括取样代表性、色谱分析结果的准确性及数据处理方式和计算软件的选择等。文章的结论对使用计算法获得准确可靠的烃露点提供了技术参考，对天然气管道的安全运行具有实际意义。
关键词：天然气 烃露点 计算法 影响因素 气相色谱法 重烃
Analysis of Influence Factors for Natural Gas Hydrocarbon Dewpoint by Calculation Method
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Zeng Wenping
,
Xiong Gang
Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan
Abstract: Hydrocarbon dewpoint(HCDP) is an important quality index of natural gas. Determining the HCDP of natural gas accurately can provide technical supports for pipeline safety operation and effectively utilizing of natural gas. It's one of the main methods for obtaining HCDP to calculate it by natural gas composition. The main influence factors to calculate HCDP, including representative sampling, accuracy of composition analysis ways of handling analytical data and choice of calculation software were analyzed and studied in this article. The conclusions of the article have practical significance for obtaining accurate HCDP and ensuring safe operation of gas pipeline.
Key words:
natural gas HCDP calculation method influence factors GC heavy hydrocarbons
烃露点是指在一定压力下天然气中开始凝结出烃液的温度。天然气的烃露点与天然气的压力和组成有关，由于天然气的复杂性和特殊性，天然气的相态特性不同于单一组分的相态特性。天然气的相态特性是非理想性的，不像空气中水的相态特性随着压力的升高而水露点逐渐升高，天然气相态曲线具有反凝析现象，在中间压力时烃露点具有最大值。当天然气的温度低于一定压力下的烃露点后，烃蒸气便凝结成液体，在管道低洼处形成积液，影响管道正常输送甚至形成水合物造成堵塞，并对下游用户使用天然气产生不利影响。
各国天然气的气质标准及天然气管道设计规范中除对气体中的H2S、CO2、水露点、发热量等有具体要求外，同时也对烃露点进行了规定。我国国家标准GB 17820-1999《天然气》[1]明确规定“在天然气交接点的压力和温度条件下不应存在液态烃”，GB 50251-2003《输气管道设计规范》[2]中规定“进入输气管道的气体烃露点应低于或等于输送条件下最低环境温度”。上述两项国家标准构成了对气田外输天然气烃露点的要求和规定，同时也是气田开发设计中确定产品天然气烃露点及脱烃工艺方案的依据。因此，在天然气脱烃和输送过程中检测天然气的烃露点具有重要的实际意义，可提供基础数据，以便采取相应的控制措施降低天然气重烃含量，从而保证管道的安全运行和提高管输能力[3]。
目前，国内还没有计算法获得天然气烃露点的方法标准。2007年12月，国际标准化组织发布了技术报告ISO/TR 11150-2007《天然气的烃露点和烃含量》[4]，介绍了天然气的烃露点或烃含量的测定方法，即采用烃露点仪直接测定法和通过气体组成计算烃露点的方法。此外，ISO 23874 《天然气烃露点计算的气相色谱分析要求》[5]对采用气相色谱法分析天然气组成以用于计算烃露点时，提出了对气相色谱法分析的具体要求。
1 影响因素分析
天然气是一种组分十分复杂的混合物，计算法获得烃露点结果的准确度受取样代表性、气相色谱组成分析结果的准确性、检测微量重烃组分能够达到碳数的程度、数据处理方式和计算软件的选择等因素的影响。
1.1 取样代表性
采用GB/T 13609-1999《天然气取样导则》[6]进行取样，取样设备的流程见图 1。开始取样时，部分打开取样探头上的取样阀(阀1)，再依次打开调节阀(阀2)和放空阀(阀3)，吹扫取样系统一段时间；然后关闭阀3，将阀1全打开，缓慢打开样品容器控制阀阀4，使样品容器压力达到气源压力。在天然气的取样过程中，当有压降时，取样管线和接头等部位可能造成节流，由于焦耳-汤普森效应，节流处会急剧降温，若不采取一定的措施则会造成重烃的析出、损失，导致取样的不准确，使取到的样品不具有代表性。因此，取样时应注意取样探头、取样管线、取样阀和样品容器的加热和保温。
目前，由于多数输气站场的主管线尚未设置专门的取样口，因而取样工作只能在压力表处进行，即将压力表卸下，将取样用的管线接到压力表处。由于压力表一般都设置在管道上端，而取样操作一般在地面，这就导致取样管线较长，保温效果难以达到，将会对取样的代表性造成一定的影响。
1.2 组成分析结果
采用GB/T 13610-2003《天然气组成分析气相色谱法》[7]通过外标法检测天然气中N2、CO2、C1~C5烃类组分含量；采用GB/T 17281-1998《天然气中丁烷至十六烷烃类的测定气相色谱法》[8]通过戊烷搭桥的方法检测C6及以后重烃组分含量。对组成分析结果的准确度带来影响的因素主要有：样品的均匀性、标准气体、色谱分析结果的重复性以及检测的微量重烃组分能够达到碳数的程度。
(1) 样品的均匀性。由于天然气组分的复杂性，计算烃露点时，C6及以后的组分按碳数归类，即正戊烷(nC5)和正己烷(nC6)之间的组分归入C6，更高碳数的组分依次类推。在天然气取样钢瓶运输过程中，由于环境温度等因素的影响，可能发生天然气样品凝析从而造成气体分布的不均匀，样品在进入气相色谱分析前，应确保样品呈均匀的气态。样品开始分析之前至少应加热至比样品源温度高出10 ℃，如果不知道样品源温度时则应将样品至少加热至80 ℃左右，为了确保可能存在的凝析物再气化，应加热2 h，如果需要，加热时间可以更长。
(2) 标准气体。由于GB/T 13610采用外标法检测天然气中N2、CO2、C1~C5烃类组分含量，而对C6及以后重烃组分含量采用GB/T 13610获得的样品中戊烷的含量搭桥进行定量，使用的标准气组分含量的不确定度直接影响样品中各组分含量的定量结果[9]。因此，应尽量选用组分含量不确定度小的标准气体，以保证天然气样品组成分析结果的准确可靠。
(3) 分析结果的重复性。分析结果的重复性也会影响天然气组成的定量结果，同一天然气样品常规组分检测结果的重复性必须满足GB/T 13610的要求，而GB/T 17281并没有对C6及以后重烃组分含量的重复性进行要求，可参照GB/T 13610的规定。表 1为分析两瓶平行天然气样品，每瓶样品重复分析两次得到的组分含量和计算的烃露点结果。结果表明：对同一天然气样品重复分析的两次结果计算的烃露点是一致的，两者最大差值为2.8 ℃，而两瓶平行样品获得的烃露点结果也是一致的，两者差值2 ℃。说明现有气相色谱分析技术能满足分析天然气各组分含量的重复性要求。
表 1
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表 1 气相色谱重复分析结果对计算烃露点的影响
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(4) 微量重烃组分。微量重烃组分是指天然气中的C6及更重的烃类组分。由于天然气中重烃组分对烃露点的影响很大，分析的最重烃类组分碳数能够达到的程度将直接影响最终计算烃露点的结果。表 2是分析某天然气样品时获得的烃类组分能够达到的最高碳数的不同对计算的天然气烃露点结果的影响。色谱分析结果最高碳数达到了C14，表 2中分别计算了重组分达到C6+、C9+和C14+，天然气压力在5 MPa时的烃露点。结果表明：重组分分别达到C6+、C9+和C14+时，计算的烃露点相差很大，C6+和C14+的计算结果两者相差约60 ℃。因此，检测的微量重烃组分能够达到碳数的程度对计算的烃露点有很大的影响。ISO 23874《天然气-计算烃露点的气相色谱法要求》规定烃类组分应分析至十二烷。
表 2
表 2 某天然气样品重烃组分对计算烃露点结果的影响
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表 2 某天然气样品重烃组分对计算烃露点结果的影响
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1.3 碳数交叉对烃露点计算结果的影响
我国多数实验室采用GB/T 13610分析天然气的常规组成；采用GB/T 17281分析微量重烃组分含量，C6以后的组分按正构烷烃分段的方式进行定量，如正己烷以后直到并包括正庚烷的所有组分，归类成C7组分段, 以此类推。采用该方法归类，对正己烷以后的组分存在碳数交叉的情况，各组分段的分析结果将对计算烃露点的准确度产生一定影响。
目前，我国正在修改采用ISO 23874《天然气-计算烃露点的气相色谱法要求》，制订国家标准。该国际标准对分析天然气组成提供了气相色谱法的具体要求，按照正构烷烃分段的方式，对正己烷以后微量重烃组分进行定量，但对有碳数交叉的组分，如苯、环己烷、甲苯、甲基环己烷等单独进行定量，因而由组成数据计算的烃露点更加准确可靠。表 3为某天然气样品组成，表 4是使用HYSYS 3.1软件根据组成数据的不同处理方式计算的烃露点。结果表明：将有碳数交叉的组分，如苯、环己烷、甲苯、甲基环己烷单独定量时，计算的烃露点和按组分段计算的烃露点在3 MPa时相差3.3 ℃。因此，C6以后重烃组分碳数的交叉会给计算的烃露点带来一定影响。实际上，随着C8以后碳数交叉情况的增多，由于碳数交叉对烃露点计算结果带来的影响会更大。
表 3
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表 3 某天然气样品组成
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表 4
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表 4 两种数据处理方式计算的烃露点结果
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1.4 软件的选择
计算烃露点的状态方程主要有PR方程和SRK方程，多数情况下采用PR方程，只有在不含C6的情况下才用SRK方程。本文采用的CHEMCAD 5.2和HYSYS 3.0两个计算软件均使用的是PR方程。采用以上两个软件计算了2瓶标准气体的烃露点，标准气体的组成见表 5，烃露点计算结果见表 6。瓶号为NG115的标准气体，计算的临界凝析温度分别为-13.8 ℃和-13.5 ℃，而标准气证书上提供的临界凝析温度为-13.0 ℃；瓶号为NG113的标准气，计算的临界凝析温度分别为-40.0 ℃和-39.6 ℃，而标准气证书上提供的临界凝析温度为-39.0 ℃。结果表明：两个软件计算的烃露点结果是一致的，两者相差均在1 ℃以内。
表 5
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表 5 两瓶标准气体组分及其含量
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表 6
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表 6 两种软件计算的烃露点与实际值比较
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2 结论
(1) 烃露点是天然气的一项重要的气质指标，计算法获得烃露点的影响因素有取样代表性、色谱分析结果的准确性及数据的处理方式和计算软件的选择。
(2) 己烷以后微量重烃分析所能达到碳数的程度对烃露点的计算结果影响较大，不宜采用C6+和C9+的数据进行烃露点计算，否则造成结果偏低。另外，己烷以后碳数交叉的情况对计算烃露点带来的影响应予考虑。
(3) 选用不同的计算软件对烃露点计算结果带来的影响较小，本文选用的两种软件计算的烃露点结果是一致的。
| [1] |
全国天然气标准化技术委员会.GB 17820-1999天然气[S].1999-08-02.
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| [2] |
油气田及管道建设设计专业标准化委员会.GB 50251-2003输气管道设计规范[S].2003-06-10.
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| [3] |
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| [4] |
ISO/TR 11150-2007天然气的烃露点和烃含量[S].2007-12.
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| [5] |
ISO 23874-2006天然气-计算烃露点的气相色谱法要求[S].2006-11.
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| [6] |
全国天然气标准化技术委员会.GB/T 13609-1999天然气取样导则[S].1999-05-01.
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| [7] |
全国天然气标准化技术委员会.GB/T 13610-2003天然气组成分析气相色谱法[S].2003-06-18.
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| [8] |
全国天然气标准化技术委员会.GB/T 17281-1998天然气中丁烷至十六烷烃类组分的测定气相色谱法[S].1998-03-20.
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| [9] |
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2011, Vol. 40