CAC-Chất Lượng Khí

Chất lượng khí là gì?

Khí tự nhiên được tạo thành từ một số loại khí thành phần và do đó có thể thay đổi tự nhiên. Sự không nhất quán này ảnh hưởng đến năng lượng chứa trong một thể tích khí nhất định. Chất lượng khí được mô tả phổ biến nhất dựa trên các phép đo được thực hiện về giá trị gia nhiệt, còn được gọi là giá trị nhiệt lượng, chỉ số Wobbe, mật độ tương đối, cùng nhiều giá trị khác.

Đo chất lượng khí

Tại sao?

Chất lượng khí đốt được đo chủ yếu cho mục đích tài chính. Đo lường tài chính theo thuật ngữ chung có nghĩa là “đo lường bằng tiền” và có thể được thực hiện cho mục đích phân bổ hoặc chuyển giao quyền giám hộ.

Phân bổ là sự phân phối số lượng sản phẩm giữa các bên theo phần vốn chủ sở hữu của họ. Việc chuyển giao quyền giám hộ thường được thực hiện theo hợp đồng. Điểm chuyển giao quyền nuôi con không nhất thiết hàm ý sự thay đổi quyền sở hữu. Có thể tại thời điểm này, việc đo khí tự nhiên được thực hiện để đảm bảo rằng nghĩa vụ theo hợp đồng giữa người mua và người bán được đáp ứng. Nghĩa vụ có thể yêu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn về độ chính xác, tuyến tính, độ lặp lại. Hoặc độ không chắc chắn như được xác định bởi các tiêu chuẩn đo lường mà họ đã đồng ý thực hiện.

Làm sao?

Chất lượng khí được đo phổ biến nhất bằng cách sử dụng Máy sắc ký khí. Máy sắc ký khí được sử dụng để tách các thành phần của khí tự nhiên sao cho mỗi thành phần chính có thể được định lượng. Quy trình nội bộ bao gồm các hệ thống con bơm mẫu, tách mẫu, phát hiện các thành phần và báo cáo kết quả.

Khó khăn trong việc đo khí tự nhiên

Khí tự nhiên từ các nguồn khác nhau có thành phần khác nhau và do đó có tính chất khác nhau. Khí tự nhiên không phải là một sản phẩm có công thức. Và do có đường ống chung với một điểm phân phối duy nhất nên thành phần của khí có thể rất khác nhau.

Hệ thống phân phối khí tự nhiên sẽ có các thông số kỹ thuật được xác định theo giới hạn về đặc tính và/hoặc thành phần. Khi nguồn cung cấp có sự khác biệt đáng kể, nhà phân phối có tùy chọn pha trộn để đáp ứng thông số kỹ thuật (ví dụ: yêu cầu về chỉ số Wobbe).

Các phép đo thành phần chất lượng khí được thực hiện để chứng minh sự tuân thủ với thông số kỹ thuật và để đảm bảo rằng khách hàng được lập hoá đơn cho hàm lượng năng lượng chính xác được cung cấp.

Đo lường thương mại

Để xác định giá trị tài chính của khí tự nhiên, phải đo cả chất lượng khí (giá trị nhiệt lượng) và lượng khí (lưu lượng). Sự kết hợp của hai phép đo cung cấp tổng năng lượng. Tổng giá trị năng lượng được sử dụng để tính toán giá trị tài chính của khí.

Giá trị nhiệt lượng (CV)

Giá trị nhiệt lượng có thể được tóm tắt như một phép đo lượng năng lượng được giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí đã biết trong các điều kiện cụ thể. Nó là thước đo công suất làm nóng của khí. Tính bằng số kilowatt giờ / megajouls / nhiệt điện được cung cấp. Phạm vi CV thường được quy định trong các quy định về khí đốt tự nhiên.

Tầm quan trọng của CV

Khí tự nhiên được mua và bán theo đơn vị thể tích như một nguồn năng lượng và CV là yếu tố chính trong phương trình. Tổng năng lượng được tính bằng cách nhân lượng khí (số lượng) với giá trị gia nhiệt (CV).

Thông tin CV có thể được sử dụng để xác định lượng năng lượng được vận chuyển bởi các nhà vận hành đường ống, mạng lưới phân phối, người vận chuyển khí đốt và để lập hóa đơn cho khách hàng về mức tiêu thụ năng lượng.

Cách đo lường CV

• nhiệt lượng kế đốt
• Sắc ký khí (GC)
• Thiết bị suy luận

Đo nhiệt lượng đốt cháy

Đo nhiệt lượng đốt cháy đo nhiệt lượng thoát ra từ dòng khí được kiểm soát. Điều này đòi hỏi phải lắp đặt một số thiết bị cồng kềnh trong phòng được kiểm soát nhiệt độ và chỉ cung cấp thông tin CV. Phép đo nhiệt lượng đã được thay thế bằng sắc ký khí (GC), phương pháp này cũng cung cấp dữ liệu về thành phần.

Sắc ký khí

Máy sắc ký khí xử lý tách khí tự nhiên thành các hợp chất cấu thành của nó (ví dụ: metan, etan, carbon dioxide, v.v.) và đo lượng từng thành phần trong khí. Các đặc tính vật lý của từng thành phần, như được xác định bởi ISO6976, được lập trình vào máy sắc ký và CV tổng thể được lấy từ thành phần được đo.

Việc xác định CV của khí được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế. Các quy định này quy định thời điểm và địa điểm đo CV của khí và loại thiết bị được sử dụng.

Kỹ thuật suy luận

Các thiết bị suy luận đo các đặc tính vật lý cụ thể của khí từ đó suy ra thành phần đơn giản hóa. Điều này xác định khí bao gồm nitơ, carbon dioxide, etan và propan và tính toán các đặc tính theo ISO7976. Kỹ thuật này thường nhanh hơn và dễ sử dụng hơn nhiệt lượng kế và không cần sử dụng khí mang.

Vấn đề với các kỹ thuật suy luận là hiện tại không có quy trình nào để kiểm tra hiệu suất của công cụ. Tuy nhiên, hiệu suất của phép đo GC có thể được đánh giá bằng cách sử dụng ISO10723 sử dụng nhiều loại khí tự nhiên như khí thử nghiệm để đánh giá sai số và độ lệch do độ lặp lại và độ tuyến tính.

Tại sao GC là lựa chọn ưu tiên?

GC lắp đặt đơn giản và rẻ hơn so với nhiệt lượng kế đốt cháy và đo được nhiều dữ liệu hơn đáng kể so với giá trị nhiệt lượng. GC đo trực tiếp dữ liệu thành phần của khí, từ đó có thể thực hiện tính toán phạm vi các đặc tính và có thể thiết lập cho các bộ phận của máy phân tích trong 5 phút hoặc ít hơn. Hiện nay, GC có xu hướng chính xác hơn các thiết bị suy luận.

CV cấp trên và CV cấp dưới

Hai thuật ngữ bạn sẽ gặp khi xem dữ liệu CV là CV cấp trên và cấp dưới. Nhưng sự khác biệt là gì?

CV cao hơn là giá trị lý thuyết, dựa trên tính toán các tính chất của hỗn hợp khí. Việc thanh toán thường dựa trên phép đo CV vượt trội.

Tuy nhiên, CV kém hơn là năng lượng thực tế thu được từ quá trình đốt cháy khí và luôn thấp hơn CV cao hơn do ẩn nhiệt bay hơi của nước. Đốt cháy hiđrocacbon trong không khí tạo thành CO2 và nước. Nước sẽ bị bay hơi và cần đến năng lượng, do đó CV kém hơn sẽ đưa lượng năng lượng thất thoát này vào tính toán.

Hệ số nén

Hệ số nén là tỉ số giữa thể tích mol của một chất khí và thể tích mol của một chất khí lý tưởng ở cùng nhiệt độ và áp suất. Đơn giản hơn, một số loại khí có khả năng nén tốt hơn những loại khí khác. Trong một không gian xác định, thể tích khí phù hợp phụ thuộc vào độ nén của nó. Điều này được mô tả bởi hệ số nén.

Hệ số nén được tính bằng phương trình khí lý tưởng. Nó thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và thành phần. Đối với các khí hydrocarbon và hỗn hợp của chúng, hệ số nén luôn nhỏ hơn 1. Điều này có nghĩa là một thể tích khí xác định ở áp suất xác định sẽ chứa nhiều mol hơn dự đoán từ trạng thái lý tưởng. Ở điều kiện môi trường xung quanh, hệ số nén đối với hầu hết các khí tự nhiên sẽ vào khoảng 0,997. ISO6976 đưa ra phương pháp tính hệ số nén ở điều kiện môi trường xung quanh. Đó là một con số gần đúng nhưng phù hợp với mục đích.

Đo hệ số nén

Hệ số nén thường không được quy định cụ thể mà phải được đo lường. Các phép đo có thể được thực hiện bằng thiết bị phòng thí nghiệm phức tạp, trực tuyến bằng mật độ kế hoặc được tính toán từ thành phần GC. Phép đo bằng GC đang trở nên phổ biến hơn, đặc biệt là với khí ướt hydrocarbon, trong đó một giọt chất lỏng trên mật độ kế sẽ làm mất kết quả.

Thành phần điển hình của khí tự nhiên

Khí tự nhiên thường được tạo thành chủ yếu từ khí mê-tan trong khoảng từ 80% đến 95%. Các thành phần chính khác bao gồm hydrocarbon ethanes (C2) đến butan (C4) và các thành phần không cháy bao gồm nitơ và carbon dioxide. Các thành phần nhỏ có thể bao gồm hydrocacbon từ pentan (C5) đến dodecan (C12); khí trơ heli và argon, cũng như nước và hydro sunfua.

Nhìn vào các thành phần chi tiết hơn:

Hydrocacbon

Chiếm phần lớn khí tự nhiên, hydrocarbon là các hợp chất chỉ được tạo thành từ các nguyên tử carbon và hydro. Có nhiều loại hydrocacbon khác nhau bao gồm hydrocacbon bão hòa, thường được gọi là ankan và hydrocacbon không bão hòa, thường được gọi là anken. Cycloalkanes (ví dụ cyclopentane, methylhexane) và hydrocarbon thơm bao gồm benzen, toluene và xylene.

Các hợp chất này được đo bằng kỹ thuật phân tích sắc ký khí (GC). Các đặc tính vật lý của từng thành phần được xác định bởi ISO6976 và được lập trình trong máy sắc ký. Từ thành phần sử dụng phương pháp trung bình có trọng số, có thể tính được các tính chất sau:

• Tính nhiệt trị, mật độ, mật độ tương đối và chỉ số Wobbe
• Khối lượng mol và chỉ số nguyên tử
• Hệ số tổng hợp
• Khối lượng nguyên tử của các nguyên tố

Nước (độ ẩm)

Hơi nước cũng có thể có trong khí tự nhiên và có thể ngưng tụ thành nước lỏng. Nếu nhiệt độ giảm hoặc áp suất tăng, nước sẽ thoát ra khỏi pha khí.

Nước có thể lắng đọng tại một số điểm nhất định trong đường ống và tạo thành một “sên”, những sên này có thể gây ra sai số đo cũng như làm hư hỏng đường ống và các thiết bị liên quan.

Nước lỏng có trong đường ống áp suất cao sẽ tăng cường tác dụng ăn mòn của các loại khí axit như H2S và CO2. Khi sản xuất LNG, khí được hóa lỏng ở áp suất gần bằng áp suất khí quyển bằng cách làm lạnh nó xuống -162°C, do đó việc loại bỏ độ ẩm là rất quan trọng để tránh hình thành các tinh thể băng.

Cacbon Dioxit (CO2) và Nitơ (N2)

Cả CO2 và N2 đều là các khí không màu, không mùi, có hàm lượng khác nhau trong khí tự nhiên, cả hai loại khí này đều được đo dễ dàng bằng sắc ký khí với máy dò dẫn nhiệt (TCD)

Việc đo lường là cần thiết vì lý do tương tự như việc chúng ta đo hydrocacbon. CO2 và N2 đều ảnh hưởng đến tính chất vật lý, có trọng lượng phân tử cao nhưng nhiệt trị bằng 0 và có thể ảnh hưởng đến chỉ số Wobbe.

Argon (Ar) và Helium (He)

Cả hai loại khí này đều có mặt ở mức ppm trong khí tự nhiên (thành phần vi lượng). Những khí này không được đo bằng GC của quy trình vì chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý. Thay vào đó, lượng cố định được giả định là có trong dòng khí.

Hydro Sunfua (H2S)

H2S là một loại khí độc, không màu, có mùi trứng thối đặc trưng (nồng độ gây chết người có thể làm mất khứu giác!) Nó vừa ăn mòn vừa dễ cháy. Hầu hết các loại khí tự nhiên đều chứa hàm lượng lưu huỳnh rất thấp so với các nhiên liệu hóa thạch khác (mức ppm), tuy nhiên một số nguồn có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn.

Tổng lưu huỳnh (bao gồm COS)

Carbonyl Sulphide (COS), một thành phần khí tự nhiên hiếm hơn H2S, bản thân nó không phải là vấn đề nên các giá trị giới hạn thường không được chỉ định. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định nó có thể chuyển thành H2S. Các chất lưu huỳnh khác có thể bao gồm mercaptan, disulphide và thiophenes. Tổng lượng lưu huỳnh đơn giản là tổng lượng của tất cả các chất chứa lưu huỳnh trong khí.

Tại sao chúng ta đo H2S và tổng lưu huỳnh?

• An toàn công cộng (mức độ cao có thể gây tử vong)
• Giảm sự ăn mòn trong đường ống và các thiết bị liên quan
• Hợp đồng thỏa thuận
  • Giới hạn thông số kỹ thuật cho riêng H2S: 15 đến 20 mg/m3
  • Giới hạn thông số kỹ thuật đối với tổng lưu huỳnh (bao gồm H2S): 50 mg/m3
  • Đo tại các điểm vào mạng và chuyển giao quyền giám sát
• Kiểm soát mùi – các loại lưu huỳnh khác được thêm vào để tạo mùi cho khí nhằm hỗ trợ phát hiện rò rỉ.
• Có thể loại bỏ khỏi khí tự nhiên – “làm ngọt”

Oxi (O2)

Oxy không có trong khí tự nhiên mặc dù nó có thể xâm nhập qua rò rỉ trong hệ thống sản xuất hoặc vận chuyển. Oxy có thể gây ra nhiều vấn đề khác nhau bao gồm ăn mòn đường ống và gây nổ! Thông số kỹ thuật giới hạn nghiêm ngặt được đặt ra và nó sẽ được trích xuất nếu mức quá cao.

Hydro (H2)

Hydro tuy là chất hóa học phổ biến nhất trong vũ trụ nhưng chỉ có một lượng nhỏ trong khí tự nhiên. Giống như argon và helium, hydro không được đo bằng quá trình GC vì nó đóng góp rất ít vào các tính chất của khí tự nhiên.

Những cân nhắc khác đối với khí đốt tự nhiên:

Mật độ tương đối

Mật độ tương đối là tỷ lệ giữa mật độ của khí ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn với mật độ của không khí ở cùng áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn. Mật độ của khí tự nhiên rất quan trọng trong việc tính toán lưu lượng (thể tích) và do đó tính toán giá trị tài chính của khí tự nhiên.

Điểm sương hydrocacbon

Điểm sương hydrocarbon là nhiệt độ (ở áp suất xác định) tại đó các thành phần hydrocarbon trong khí tự nhiên sẽ bắt đầu ngưng tụ ra khỏi pha khí. Tại điểm sương một lượng vết của pha lỏng sẽ tách ra khỏi khí. Khi nhiệt độ giảm hơn nữa, lượng chất lỏng được hình thành ngày càng tăng.

Trong hệ thống truyền khí tự nhiên, bất kỳ sự hình thành chất lỏng nào cũng gây ra vấn đề và cần tránh. Bộ lọc có thể bị chặn và bất kỳ giọt chất lỏng nào lọt vào thiết bị đều có thể gây khó khăn khi vận hành.

Trong các hỗn hợp khí đơn giản hoạt động gần như lý tưởng, nhiệt độ điểm sương sẽ tăng khi áp suất tăng. Áp suất cao hơn sẽ làm tăng áp suất riêng phần của bộ phận ngưng tụ cho đến khi đạt đến áp suất hơi bão hòa.

Hỗn hợp hydrocacbon không hoạt động lý tưởng mà thể hiện trạng thái nghịch hành, theo đó nhiệt độ điểm sương tăng khi áp suất giảm.

Phân tích chi tiết thành phần của khí tự nhiên sử dụng GC có thể được sử dụng để tính nhiệt độ điểm sương bằng phương trình trạng thái.

Ưu điểm của phương pháp này là có thể rút ra toàn bộ sơ đồ pha, do đó

• Điểm sương ở bất kỳ áp suất nào, bao gồm cả crcondentherm và crcondenbar
• Điểm cốt lõi
• Lượng và thành phần ngưng tụ tại bất kỳ điểm nào trong ranh giới pha.

Khả năng thay thế cho nhau

Các thông số chất lượng khí được xác định để đảm bảo khí được cung cấp từ các nguồn khác nhau (thành phần khác nhau) sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động an toàn của các thiết bị dùng gas. Hai thước đo chính là Chỉ số Wobbe và hệ số đốt cháy không hoàn toàn.

Chỉ số Wobbe (WI)

Hầu hết các thiết bị đều kiểm soát dòng khí tới đầu đốt bằng cách cung cấp áp suất khí cố định cho lỗ. Chỉ số Wobbe được tính bằng tỷ lệ giá trị nhiệt lượng (CV) với căn bậc hai của mật độ tương đối (RD) và là thước đo nhiệt lượng cung cấp cho đầu đốt. Các khí có thành phần khác nhau nhưng có giá trị WI tương tự sẽ cung cấp nhiệt lượng tương tự. 

Khí có chỉ số Wobbe cao tạo ra ngọn lửa lớn có khả năng tạo ra CO độc hại. Khí có Chỉ số Wobbe thấp gây ra tốc độ cháy cao hơn và có khả năng nâng ngọn lửa cao hơn.

Hệ số đốt cháy không hoàn toàn (ICF)

Hệ số đốt cháy không hoàn toàn liên quan đến Chỉ số Wobbe với hiệu suất đốt cháy của thiết bị (tỷ lệ CO/CO2)

Kết luận

Chất lượng khí được đo lường vì một số lý do chính:

• Tài chính
  • Để tính toán từ các tính chất giá trị của khí
  • Phân bổ từ đường ống dùng chung
• Sự an toàn
  • Để đảm bảo không gây nguy hiểm cho nhân viên hoặc thiết bị
• Duy trì hoạt động
  • Đảm bảo khí có thể được truyền tải và phân phối tới khách hàng mà không bị gián đoạn hoặc gặp khó khăn trong vận hành.

Khi đo khí tự nhiên, các thành phần chính cần đo là:

• Hydrocacbon
• Hydro sunfua
• Khí cacbonic
• Tổng lưu huỳnh
• Tổng lượng khí trơ
• Nước

Từ dữ liệu thành phần này, các thuộc tính được tính toán bao gồm:

• Giá trị nhiệt lượng (CV)
• Mật độ tương đối (RD)
• Chỉ số Wobbe
• Hệ số đốt cháy không hoàn toàn (ICF)
• điểm sương hydrocacbon
• Hệ số nén

Cách phổ biến nhất để đo khí tự nhiên là sắc ký khí (GC). GC lắp đặt đơn giản và rẻ hơn so với nhiệt lượng kế đốt cháy và đo được nhiều dữ liệu hơn là chỉ giá trị nhiệt lượng. GC đo trực tiếp dữ liệu thành phần của khí từ đó tính toán phạm vi các đặc tính. Nó có thể được thiết lập để phân tích các thành phần trong 5 phút hoặc ít hơn và có xu hướng chính xác hơn các thiết bị suy luận.

---