一种LNG取样分析系统及方法与流程

本发明属于天然气领域，具体涉及一种lng取样分析系统及方法。

背景技术：

目前，在国家能源政策的引导，天然气消费量大幅增加。对于未铺设输气管道的地方，相对气态甲烷而言，lng的储存、运输更加便捷。据相关机构统计2018年进口天然气9000万吨，5300万吨为lng，同时国内的众多的天然气液化企业和以煤为源头的煤基天然气企业存在lng检测的需求。

lng除包含甲烷外，根据来源不同，还会有少量氮气，氢气以及乙烷，乙烯等低碳烃类，在lng气化取样过程中，不同沸点的组分存在气化歧化，造成所取得样品不具有代表性。简单的说就是，不同沸点组份气化比例不同，低沸点的组分气化比例高，高沸点组分气化比例低，导致取到的气体样品组成和lng的真实组成存在差异，对最终的检测结果造成影响。

技术实现要素：

本发明提供一种lng取样分析系统及方法。用于解决lng取样过程中的气化歧视效应，使取出的样品具有代表性，利用本发明的技术方案可制造一套便携式取样模块，装置可移动，搬运，便于多地点工作。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种lng取样分析系统，该系统包括沿着lng取样管道依次设置的低温液体输送模块、用于将lng样品气化的气化模块、为lng样品加压的增压模块、用于储存lng样品的取样模块，增压模块与取样模块之间分出一个支管用于连接在线分析模块，取样管道的末端与放空总管连接。

进一步地，所述低温液体输送模块包括与lng管道或储罐连接用于输送液体lng的取样毛细内管，取样毛细内管的外围套有取样外套管，取样毛细内管与取样外套管之间的空间填充有液态lng，取样毛细内管的末端经单向阀与气化模块中的毛细气化管连接，取样外套管分出一个放空管道与放空总管道连接。

优选地，取样外套管采用耐低温不锈钢材质。取样外套管外部涂敷保温材料。

取样毛细内管的后端(例如经由单向阀)与气化器中的毛细气化管连接。取样毛细内管例如采用0.53mmid不锈钢毛细管，其长度例如为0.5-1.5m，优选为1m。放空管路上设有调节阀，其作用在于当取样管路内有气体产生时，其温度会高于lng的温度，打开调节阀，将产生的气体排出，防止气化的lng进入取样毛细内管，影响取样稳定性。尤其是在初始取样阶段会有较大量的气体产生。

正常取样状态下取样外套管、取样毛细内管内均为充满lng液体。取样毛细内管外部的lng起到为取样毛细内管内液体保冷的作用。

取样毛细内管为位于低温液体输送模块的取样管道。取样分析系统前端可灵活采用法兰或卡套方式与储罐或管道的分析口连接。

进一步地，所述气化模块包括经取样管道与低温液体输送模块连接的闪蒸气化器，闪蒸气化器包括内部开有波纹型凹槽的加热模块、与加热模块连接且对加热模块提供电能的供电单元(例如为三元锂电池模块)、经单向阀与低温液体输送模块的取样毛细内管连接且位于加热模块内的毛细气化管、设置于毛细气化管道上且位于低温液体输送模块与加热模块之间的单向阀，所述气化模块还包括与毛细气化管的出口连接的缓冲罐、设置在缓冲罐上的压力表、连接于闪蒸气化器(的供电单元)与缓冲罐之间的温控器。优选地，加热模块内部开有波纹型凹槽，毛细气化管穿过加热模块沿波纹型凹槽布置。闪蒸气化器的外部设有保温层。

供电单元采用三元锂电池作为供电电源，加热模块采用导热速度快、热容量大的金属制作而成，优选铝材，其作用为毛细气化管内lng气化提供足够热量。

毛细气化管例如选用0.53id不锈钢管，前端通过单向阀与毛细取样内管连接，毛细气化管的长度例如为50-200cm，例如优选为100cm。进一步可以使用外径1/16＂，内径0.04＂的不锈钢毛细管，内填充石英棉以增大气化面积。

缓冲罐体积为例如15-30ml，优选为20ml。另外内部设有温度计与温控器相连，可实现根据缓冲罐中的气体温度变化自动调整加热模块的加热功率。

单向阀采用不易导热的非金属材料，例如选用peek材料，可以避免毛细气化管与取样毛细内管之间的热传递。

加热模块内部的波纹形凹槽内涂布导热硅胶，便于加热模块与毛细气化管之间进行热量传递。毛细气化管为位于气化模块的取样管道。

进一步地，增压模块包括设置在取样管道上的微型增压泵，微型增压泵的样品输入管道上设有节流阀，微型增压泵的样品输出管道上设有流量计，节流阀与气化模块之间的取样管道经第一三通阀分出一个旁路管道，旁路管道的末端经第二三通阀连接于流量计与微型增压泵之间的取样管道。

增压模块设置的目的在于：为后续取样模块中的取样钢瓶增加压力，进而增加取样体积，提供足够容量以供离线分析，例如对于100ml取样钢瓶，通过加压到1mpa，可提供约1000ml的气体供分析使用。

其中微型增压泵用于为气体lng样品增压，可设置出口压力例如为1mpa。节流阀可以设置通过流量，防止流量过大引起气化模块波动。流量计显示气体流量。第一三通阀和第二三通阀用于气路在旁路和增压管路之间切换。

进一步地，所述取样模块包括用于储存气化lng且与取样管道连接的取样钢瓶，取样钢瓶的气体输入段取样管道上和气体输出段取样管道上分别接有进口调节阀和出口调节阀，进口调节阀与加压模块之间的取样管道经第三三通阀分出一个旁路管道，旁路管道的末端经第四三通阀连接于出口调节阀之后的样品输送管道上，出口调节阀上设有爆破片，爆破压力1mpa，防止压力过高，取样瓶爆炸。旁路管道用于气体在旁路和取样流路之间切换。

取样钢瓶上设有压力表，指示取样钢瓶内压力，保证安全。

取样钢瓶大小根据需求而定，通常50-200ml，优选100ml，增压到1mpa以上后可充分满足色谱分析需求。第三三通阀和取样钢瓶的进口调节阀之间的取样管道上可设有一个快捷插头，取样钢瓶的出口调节阀和第四三通阀之间的取样管道上设有另一个快捷插头，第三三通阀和取样钢瓶的进口调节阀之间快捷插头可用于连接取样袋。

进一步地，增压模块与取样模块之间的管道上分出一个支管用于连接便携式分析模块，便携式分析模块包括支管上的调节阀，与调节阀连接的六通阀、锂电池供电模块、与六通阀连接的载气钢瓶、用于分析气相成分的气相色谱仪，六通阀的出口与放空管道连接。

其中,气相色谱仪所用载气为优选氦气，色谱柱优选plotq0.53mm×30m(l)，膜厚50μm，检测器优选热导池检测器，可实现h2，n2，ch4，c2h6，c3h8等lng中全组分的同时测定。

根据本发明的另一个实施方案，提供一种使用上述lng取样分析系统的lng取样方法：

(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度20-30℃(例如优选25℃)，将取样模块入口端与lng管道或储罐取样管道连接，打开低温液体输送模块的调节阀，将第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀旋至旁路管道，保持增压模块的节流阀处于关闭状态；

(2)打开lng管道或储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng(一般-158～-162℃)的温度时，表明低温液体输送模块的取样毛细内管充满lng液体，关闭低温液体输送模块的调节阀，开启闪蒸气化器加热，设置缓冲罐内气体温度例如为25℃，观察增压模块流量计的流量，直至流量稳定，记录；

(3)将第一三通阀和第二三通阀旋至微型增压泵两端连通状态，打开微型增压泵，调整节流阀，同时观察流量计，使其流量接近于旁路连通状态时流量，目的是为了保持流量稳定，间接保持汽化器内气化状态稳定；

(4)连接好取样钢瓶，依次打开取样钢瓶进口阀门和出口阀门，第三三通阀和第四三通阀旋至取样流路，对取样钢瓶进行置换；

(5)根据流量计流量和时间计算，当置换量超过取样容量的10-20倍时，关闭取样钢瓶出口阀门，观察取样钢瓶上的压力表数值变化，满足分析需求或接近钢瓶设计操作压力时，依次关闭取样钢瓶出口阀门、入口阀门，将第四三通阀和第三三通阀旋至旁通管路。取下取样钢瓶，取样结束。

根据本发明的另一个实施方案，提供一种使用上述lng取样分析系统的lng在线分析方法，该方法包括：

(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度20-30℃(例如优选25℃)，打开低温液体输送模块的调节阀，将第一三通阀、第二三通阀、第四三通阀旋至旁路管道、将第三三通阀旋至取样模块断开状态，保持分析支管上的调节阀处于打开状态；

(2)打开lng管道或储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng的温度时(-158～-162℃)，表明低温液体输送模块的取样毛细内管中充满lng液体，关闭低温液体输送模块的调节阀，开启闪蒸气化器加热，设置缓冲罐内气体温度例如为25℃，观察增压模块流量计的流量，直至流量稳定(此时所有气体均通过)；

(3)待流量稳定后，保持置换体积大于20倍定量换体积分析支管六通阀出口气体进入放空管路，样品置换完成后，将第三三通阀旋至取样模块旁路连通状态，关闭分析支管的调节阀，旋转六通阀，进样分析。

根据本发明的再一个实施方案，提供了一种使用上述lng取样分析系统的lng取样和分析方法：

(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度20-30℃(例如优选25℃)，将取样模块入口端与lng管道或储罐取样管道连接，打开低温液体输送模块的调节阀，将第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀旋至旁路管道，保持分析支管的调节阀处于关闭状态，保持增压模块的节流阀处于关闭状态；

(2)打开lng管道或储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng(通常-158～-162℃)的温度时，表明低温液体输送模块的取样毛细内管充满lng液体，关闭低温液体输送模块的调节阀，开启闪蒸气化器加热，设置缓冲罐内气体温度例如为30℃，观察增压模块流量计的流量，直至流量稳定，记录；

(3)将第一三通阀和第二三通阀旋至微型增压泵两端连通状态，打开微型增压泵，调整节流阀，同时观察流量计，使其流量接近于旁路连通状态时流量，目的是为了保持流量稳定，间接保持汽化器内气化状态稳定；连接好取样钢瓶，依次打开取样钢瓶进口阀门和出口阀门，第三三通阀和第四三通阀旋至取样流路，对取样钢瓶进行置换；根据流量计流量和时间计算，当置换量超过取样容量的10-20倍时，关闭取样钢瓶出口阀门，观察取样钢瓶上的压力表数值变化，当取样钢瓶压力表数值满足分析需求或接近钢瓶设计操作压力时，依次关闭取样钢瓶出口阀门、入口阀门，将第四三通阀和第三三通阀旋至旁通管路。取下取样钢瓶，取样结束；

(4)在保持对取样钢瓶进行置换的同时，缓慢打开在线分析模块的调节阀，流量计指示流量20-30ml/min即可，可满足分析置换需求，同时不影响取样模块操作，置换完成后，关闭在线分析模块的调节阀，六通阀旋转，进行色谱分析。

在该实施方案中，在线分析与取样同时进行本发明的有益效果：

本发明的lng取样分析系统能够有效解决lng取样过程中的气化歧视问题，而且能够同时进行取样和在线分析操作，本发明的装置可以随时卸离lng管道或储罐，随时移动，而且携带方便。

附图说明

图1为本发明的一种lng取样分析系统的整体结构示意图。

图2为低温液体输送模块的放大图。

图3为气化模块的放大图。

图4为气化模块的加热模块中的波纹型凹槽结构示意图。

图5为增压模块的放大图。

图6为取样模块的放大图。

图7为在线分析模块的放大图。

附图标记说明

1-1取样外套管；1-2取样毛细内管；1-3放空管道；1-4调节阀；1-5温度计；

2-0闪蒸气化器；2-1供电单元；2-2加热模块；2-3毛细气化管；2-4缓冲罐；2-5压力表；2-6温控器；2-7单向阀；2-8保温层；

3-1微型增压泵；3-2节流阀；3-3旁路管道；3-4第一三通阀；3-5第二三通阀；3-6流量计；

4-1取样钢瓶；4-2进口调节阀；4-3出口调节阀；4-4旁路管道；4-5第三三通阀；4-6第四三通阀；4-7压力表；4-8快捷插头；4-9取样袋；4-10快捷插头；

5-0在线分析模块(或单元)；5-1调节阀；5-2六通阀(六通取样阀)；5-3锂电池供电模块；5-4气相色谱仪；5-5载气钢瓶；5-6放空管道，5-7流量计。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1-7所示，一种lng取样分析系统，该系统包括沿着lng取样管道依次设置的低温液体输送模块、用于将lng样品气化的气化模块、为lng样品加压的增压模块、用于储存lng样品的取样模块，增压模块与取样模块之间分出一个支管用于连接在线分析模块，取样管道的末端与放空总管连接。

所述低温液体输送模块包括与lng管道或储罐(图中未示出)连接用于输送液体lng的取样毛细内管1-2，取样毛细内管1-2的外围套有取样外套管1-1，取样外套管1-1与取样毛细内管1-2之间的空间填充有液态lng，取样毛细内管1-2的末端经单向阀2-7与气化模块中的毛细气化管2-3连接，取样外套管1-1分出一个放空管道1-3与放空总管道连接，放空管道上设有调节阀1-4，温度计1-5。

取样毛细内管1-2例如采用0.53mmid不锈钢毛细管。调节阀1-4的作用在于当取样管路内有气体产生时，其温度会高于lng的温度，打开调节阀，将产生的气体排出，防止气化的lng进入取样毛细内管1-2，影响取样稳定性，尤其是在初始取样阶段会有较大量的气体产生。

正常取样状态下取样外套管1-1、取样毛细内管1-2内均为充满lng液体。取样毛细内管外部的lng起到为取样毛细内管内液体保冷的作用。

取样毛细内管1-2为位于低温液体输送模块的取样管道。取样分析系统前端可灵活采用法兰或卡套方式与储罐或管道的分析口连接。

所述气化模块包括经取样管道与低温液体输送模块连接的闪蒸气化器2-0，闪蒸气化器内部包括加热模块2-2、与加热模块2-2连接且对加热模块提供电能的供电单元2-1、经单向阀2-7与低温液体输送模块的取样毛细内管1-2连接且位于加热模块2-2内的毛细气化管2-3、设置于毛细气化管道上且位于低温液体输送模块与加热模块之间的单向阀2-7，所述气化模块还包括与毛细气化管2-3的出口连接的缓冲罐2-4、设置在缓冲罐上的压力表2-5、连接于闪蒸气化器与缓冲罐2-4之间的温控器2-6。优选地，加热模块内部开有波纹型凹槽，如图4所示，毛细气化管2-3穿过加热模块沿波纹型凹槽布置。闪蒸气化器的外部设有保温层2-8。

供电单元2-1可采用三元锂电池作为供电电源，加热模块2-2可采用导热速度快、热容量大的金属制作而成，优选铝材，其作用为毛细气化管2-3内lng气化提供足够热量。

毛细气化管2-3例如选用0.53mmid不锈钢管，前端通过单向阀2-7与毛细取样内管1-2连接。毛细气化管2-3优选采用外径1/16＂,内径0.04＂的不锈钢毛细管，内填充石英棉以增大气化面积，前端通过单向阀与毛细取样内管连接，毛细气化管的长度为一般50-200cm，例如优选为100cm。取样外套管1-1可采用6mm-12mm管路，耐低温材料制成。

缓冲罐2-4体积为15-30ml，优选为20ml。另内部设有温度计与温控器2-6相连，可实现根据缓冲罐2-4中的气体温度变化自动调整加热模块2-2的加热功率。

单向阀2-7采用不易导热的非金属材料，例如选用peek或ptfe等材料，可以避免毛细气化管与取样毛细内管之间的热传递。

加热模块内部的波纹形凹槽内涂布导热硅胶，便于加热模块与毛细气化管之间进行热量传递。毛细气化管为位于气化模块的取样管道。

增压模块包括设置在从缓冲罐2-4引出的取样管道上的微型增压泵3-1，微型增压泵3-1的样品输入管道上设有节流阀3-2，微型增压泵的样品输出管道上设有流量计3-6，节流阀与气化模块之间的取样管道经第一三通阀3-4分出一个旁路管道3-3，旁路管道3-3的末端经第二三通阀3-5连接于流量计3-6与微型增压泵3-1之间的取样管道。

增压模块设置的目的在于：为后续取样模块中的取样钢瓶增加压力，进而增加取样体积，提供足够容量以供离线分析，例如对于100ml的取样钢瓶，通过加压到1mpa，可提供约1000ml的气体供分析使用。

微型增压泵3-1用于为气体lng样品增压，可设置出口压力例如为1mpa。节流阀3-2可以设置通过流量，防止流量过大引起气化模块波动。流量计3-6显示气体流量。第一三通阀3-4和第二三通阀3-5用于气路在旁路3-3和增压管路之间切换。

所述取样模块包括用于储存气化lng且与从流量计3-6引出的取样管道连接的取样钢瓶4-1，取样钢瓶的气体输入段取样管道上和气体输出段取样管道上分别接有进口调节阀4-2和出口调节阀4-3，进口调节阀4-2与加压模块之间的取样管道经第三三通阀4-5分出一个旁路管道4-4，旁路管道4-4的末端经第四三通阀4-6连接于出口调节阀之后的样品输送管道上，出口调节阀4-3上设有爆破片，爆破压力根据钢瓶设计压力而定，例如为1mpa，防止压力过高，取样瓶爆炸。第三三通阀4-5和第四三通阀4-6用于气体在旁路4-4和取样流路之间切换。

取样钢瓶上设有压力表4-7，指示取样钢瓶内压力，保证安全。

取样钢瓶4-1的大小根据需求而定，通常50-200ml，优选100ml，增压到1mpa(可根据分析样品量需求确定充装压力)后可充分满足色谱分析需求。第三三通阀4-5和取样钢瓶的进口调节阀4-2之间的取样管道上设有一个快捷插头4-10，取样钢瓶的出口调节阀和第四三通阀之间的取样管道上设有另一个快捷插头4-8，快捷插头可经管线与取样袋4-9连接。

增压模块与取样模块之间的取样管道上分出一个支管用于连接便携式分析模块(或便携式分析单元)5-0，便携式分析模块包括分析支管上的调节阀5-1，与调节阀连接的六通阀5-2、锂电池供电模块5-3、与六通阀5-2连接的载气钢瓶5-5、用于分析气相成分的气相色谱仪5-4，六通阀5-2的出口与放空管道5-6连接。

其中,气相色谱仪5-5所用载气为优选氦气，色谱柱优选plotq0.32mm×30m(l)，膜厚50μm，检测器优选热导池检测器，可实现h2，n2，ch4，c2h6，c3h8等lng中全组分的同时测定。

实施例1

一种lng取样分析系统的取样方法：

使用图1所示的分析系统，(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器2-0，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度为25℃，将取样模块入口端与lng储罐取样管道连接，打开低温液体输送模块的调节阀1-4，将第一三通阀3-4、第二三通阀3-5、第三三通阀4-5、第四三通阀4-6旋至旁路管道，保持分析支管调节阀处于关闭状态，保持增压模块的节流阀3-2处于关闭状态；

(2)打开lng储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng的温度(-158℃)时，关闭低温液体输送模块的调节阀1-4，开启闪蒸气化器2-0加热，设置缓冲罐2-4内气体温度为25℃，观察增压模块流量计3-6的流量，直至流量稳定，记录流量值；

(3)将第一三通阀3-4和第二三通阀3-5旋至微型增压泵两端连通状态，打开微型增压泵3-1，调整节流阀3-2，同时观察流量计3-6，使其流量接近于旁路连通状态时流量，目的是为了保持流量稳定，间接保持汽化器内气化状态稳定；

(4)连接好取样钢瓶4-1，依次打开取样钢瓶进口阀门4-2和出口阀门4-3，第三三通阀4-5和第四三通4-6阀旋至取样流路，对取样钢瓶进行置换，

(5)根据流量计流量和时间计算，当置换量超过取样容量的10倍时，关闭取样钢瓶出口阀门4-3，观察取样钢瓶上的压力表数值变化，当取样钢瓶压力表数值接近1mpa(取样所需压力)时，依次关闭取样钢瓶出口阀门、入口阀门，将第四三通阀和第三三通阀旋至旁通管路，取下取样钢瓶，取样结束。

实施例2

一种lng取样分析系统的在线分析方法，该方法包括：

(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器2-0，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度25℃，打开低温液体输送模块的调节阀1-4，将第一三通阀3-4、第二三通阀3-5、第四三通阀4-6旋至旁路连同、，将第三三通阀4-5旋至取样模块断开状态，保持分析支管调节阀5-1处于打开状态，

(2)打开lng储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng的温度(-158℃)时，表明低温液体输送模块的取样毛细内管中充满lng液体，关闭低温液体输送模块的调节阀1-4，开启闪蒸气化器2-0加热，设置缓冲罐2-4内气体温度为25℃，观察增压模块流量计的流量，直至流量稳定，

(3)气化流量稳定后，保持六通阀置换，置换体积大于20倍定量环体积，将第三三通阀4-5、第四三通阀4-6旋至取样模块旁路连同状态，关闭支路调节阀5-1。旋转六通阀，进样分析。分析结果与真实组成完全一致。

实施例3

一种lng取样分析系统的在线分析与取样同时进行的操作方法，操作方法同实施例1类似。

具体过程如下：

(1)首先，打开气化模块的闪蒸气化器2-0，进行预热，设置闪蒸气化器出口温度为25℃，将取样分析系统入口端与lng储罐取样管道连接，打开低温液体输送模块的调节阀1-4，将第一三通阀3-4、第二三通阀3-5、第三三通阀4-5、第四三通阀4-6旋至旁路管道，保持增压模块的节流阀3-2处于关闭状态，保持分析支管的调节阀5-1处于关闭状态；

(2)打开lng储罐的采样阀门，观察低温液体输送模块的温度计的温度变化，当温度降低到lng的温度-158℃时，关闭低温液体输送模块的调节阀1-4，开启闪蒸气化器2-0加热，设置缓冲罐2-4内气体温度为25℃，观察增压模块流量计3-6的流量，直至流量稳定，记录流量值；

(3)将第一三通阀3-4和第二三通阀3-5旋至微型增压泵两端连通状态，打开微型增压泵3-1，调整节流阀3-2，同时观察流量计3-6，使其流量接近于旁路连通状态时流量，目的是为了保持流量稳定，间接保持汽化器内气化状态稳定；连接好取样钢瓶4-1，依次打开取样钢瓶进口阀门4-2和出口阀门4-3，第三三通阀4-5和第四三通4-6阀旋至取样流路，对取样钢瓶进行置换；根据流量计流量和时间计算，当置换量超过取样容量的15倍时，关闭取样钢瓶出口阀门4-3，观察取样钢瓶上的压力表数值变化，当取样钢瓶压力表数值接近1mpa(指示可以满足分析需求时)时，依次将取样钢瓶入口阀门关闭，第四三通阀4-6和第三三通阀4-5旋至旁通管路取下取样钢瓶，取样结束；

(4)同时，在取样模块置换过程中，缓慢打开分析支路调节阀5-1，观察流量计5-7流量，保持置换气体流量在20-30ml/min，满足置换流量的同时，不影响取样操作。出口气体进入放空管路，样品置换完成后，关闭调节阀5-1，使分析支路与取样流路断开，旋转六通阀5-2，利用气相色谱仪5-4进样分析。分析结果与真实组成完全一致。

根据上述实施例，能够有效解决lng取样过程中的气化歧化问题，同时能够进行取样和在线分析操作。