中鼎助力能源轉型 液化天然氣取樣系統介紹

— 工程事業群 中鼎 設計主任 曾偊靼

因應全球減碳趨勢，台灣亦推出「增氣、減煤」政策，在各國以天然氣取代燃媒發電下，也促成液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）接收站興建需求持續成長。中鼎以「地球永續的把關者」自許，承攬液化天然氣接收站的實績遍佈海內外，曾執行過的代表案例，包含：台灣中油台中一期和二期接收站、以及近期的台灣中油第三接收站；海外的則有印度Dhamra LNG接收站和泰國PTT LNG接收站等。

在液化天然氣接收站之中，液化天然氣取樣系統（LNG Sampling System）扮演了重要的角色，藉由此系統，可確認從運輸船卸載下來的液化天然氣的熱總含量（由液化天然氣的液體體積、液體密度和總熱值決定），以確保天然氣的品質，故此系統的建置至關重要。

本文將介紹液化天然氣取樣系統各項取樣特性與主要部件。

液化天然氣取樣系統介紹

依據「ISO 8943 冷凍輕質烴液--液化天然氣取樣的連續性和間歇性方法（Refrigerated light hydrocarbon fluids — Sampling of liquefied natural gas — Continuous and intermittent methods）」，液化天然氣取樣系統可分成兩個種類：連續性取樣以及間歇性取樣（又稱非連續性取樣），以下介紹兩者在技術與設備上的差異之處。

1.連續性取樣

在液化天然氣卸載作業的過程中，會從液化天然氣管線連續收集其中的液化天然氣。來自氣化器再氣化的液化天然氣會持續地被送入氣體樣品槽，恆定的流量由氣體樣品槽入口閥維持，而取樣管線中的壓力由壓力調節閥控制。在氣體樣品槽收集到的天然氣會用於離線分析其熱總含量。氣體樣品槽又分為水封式和無水封式兩種。

水封式氣體樣品槽，在氣體樣品槽收集天然氣之前，其密封水需藉由再氣化的液化天然氣氣泡，使密封水內的天然氣達到飽和。而無水封式氣體樣品槽，通常使用可膨脹/收縮、可變形的橡膠膜並搭配真空幫浦。

2.間歇性取樣（非連續性取樣）

與連續性取樣相同的部分在於，此方式同樣是在液化天然氣卸載作業的過程中，從管線連續收集其中的液化天然氣。不同之處在於，來自氣化器再氣化的液化天然氣會部分引導至氣相層析儀做線上分析，另一部分則進入恆壓浮動活塞（CP/FP）樣本容器。

進入CP/FP樣本容器恆定的流量，由CP/FP樣本容器入口閥維持，而取樣管線中的壓力，則由壓力調節閥控制。CP/FP樣本容器，用來維持從液化天然氣管線到樣本容器取樣期間壓力的恆定。在該容器收集到的氣體，會用於離線分析天然氣熱總含量。

液化天然氣取樣系統主要部件

1.取樣探頭

即為插入液化天然氣管線的裝置，用來收集液化取樣系統所需的液化天然氣樣品。

為了確保取樣的正確性，取樣探頭需插入在液化天然氣處於過冷狀態的液化天然氣管線位置上。過冷狀態是指液體的溫度低於其正常沸點。若取樣探頭位置選擇不當，可能會導致樣品氣體無法真實反映液化天然氣的組成，進而影響分析結果。因此，取樣探頭的設計，也需考慮流體動力學和液化天然氣的分布特性。另外，取樣探頭應垂直安裝在液化天然氣管線上，並考慮冷位移問題。

2.氣化器

即為用來氣化液化天然氣的裝置。

氣化器的設計需避免分餾，並確認其熱交換能力，足以氣化全部取樣收集的液化天然氣。在結構上，則要確保較重的液化天然氣成分不會殘留在取樣氣化器中。氣化器通常使用電加熱，但也有其他類型，例如使用被蒸汽加熱的水加熱，或直接以蒸汽加熱。

3.氣體樣品槽

此裝置通常使用在連續性取樣中，用於保留氣體樣品，並將其轉移至分析儀器。

此氣體樣品槽的容量，應大於用於分裝氣體樣本容器所需加總體積，並應考慮保留額外的容量，以便清洗氣體樣品槽到分裝氣體樣本容器之間的管道。

樣品槽分為兩種，分別為水封式氣體樣品槽，其結構設計成內槽浸沒在密封水中，並能將其內的氣體完全排出。再氣化的液化天然氣氣泡通入密封水排除水中大氣污染樣品。另一種則是無水封式氣體樣品槽，其結構需設計成易於排出任何殘餘氣體。

4.恆壓浮動活塞（CP/FP）樣本容器

此裝置通常使用在間歇性取樣中，能夠在氣體從製程管線進入氣瓶的過程中，保持恆定的壓力。

（CP/FP）樣本容器具有自由浮動的內部活塞，透過內部活塞，可將容器分為兩個獨立的部分（樣品氣體和攜帶氣體）。另外，此容器通常是不銹鋼製成的圓筒，兩端各裝有不銹鋼針閥與壓力表，並能承受所設計的壓力。一般情況下，容器設計可容納氣體體積在500cm3至1000 cm3之間。

5.氣相層析儀

為直接連接管道或取樣裝置的氣體分析儀，透過線上分析，即時確認再氣化的液化天然氣組成。

氣相層析儀設計需考慮到其性能（循環時間、重複性等），並提供流向選擇功能。依樣品氣體需求，除了確認其所需的儀表空氣、載氣、校正氣體等，也需確認樣品進樣測量條件（氣體樣品以體積測量）。而為了實現連續線上分析，通常設計成能在兩個載氣鋼瓶間自動切換。氣相層析儀通常安裝在封閉、溫度適宜的房屋內，避免陽光、熱源或氣流的影響。

結語

中鼎以「地球永續的把關者」自許，積極以核心本業投入永續發展，於世界各地打造兼顧環境保護與經濟發展的「綠色工程」，攜手業主實踐淨零碳排目標，而液化天然氣接收站的興建，更是邁向能源轉型的重要建設之一。

由上述內容可見，在液化天然氣接收站的建設中，液化天然氣取樣系統是高度專業化的系統，設計上需要考慮液化天然氣的特殊性質，包含極低的溫度和高壓等條件。而取樣系統需要具備精確的溫度控制、壓力控制和氣化能力，同時也要防止樣品氣體被污染和分餾現象，具備相當的技術門檻。而液化天然氣取樣系統不僅在液化天然氣的生產、儲存和運輸過程中發揮著重要作用，也在液化天然氣的商業貿易和環境監測中扮演著關鍵角色。未來，中鼎將持續精進技術，並持續拓展於液化天然氣接收站領域的實績，提供全球客戶「最值得信賴的」工程服務。

參考資料：Custody Transfer Handbook 6th edition (2021)