天然气性质与管输概要

天然气性质与管输概要第1页/共33页

天然气性质与管输系统基本组成

第2页/共33页一、天然气的概念二、天然气的组成、分类和用途三、基本概念四、天然气主要性质五、天然气输送中压力、温度概念六、天然气管输系统的基本组成第3页/共33页一、天然气的概念从自然界中产生的,以碳氢化合物为主的可燃性气体和少量不可燃气体的混合气体，就叫做天然气。天然气与石油是有机物生成的，即是古代生物（动物和植物）在一定的环境下生成的。在若干万年前地球上的动植物，特别是生长在浅海及其边沿、河流入海处、湖泊和沼泽等地方的动植物，随着地球的演变和自然环境的变化，逐渐死亡并被泥沙等沉积物所埋藏而与空气隔绝，在缺氧的沉积环境中，加之受地层压力、温度、放射线、催化剂等复杂的物理化学作用，细菌对有机质进行发酵分解作用，逐步转化为天然气和石油。第4页/共33页二、天然气的组成、分类和用途1、天然气的组成天然气是主要是以低分子饱合碳氢化合物和少量其它气体组成的混合物。它主要由占绝大部分的甲烷(CH4)和含量不多的乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、戊烷(C5H12)组成，其次还含有微量的重碳氢化合物和少量的非烃类气体，如：庚烷以上烷烃、氮气（N2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、水汽、有机硫等。第5页/共33页2、按照含硫量的多少来分类，可分为洁气和干气。洁气：通常是指不含硫或含硫量低于20mg/m3的天然气。洁气不需要脱硫净化处理，就可以进行管道输送和一般用户使用。酸性天然气：通常是指含硫量高于20mg/m3的天然气。酸性天然气含硫化氢以及其它硫化物组分，一般具有腐蚀性和毒性，影响用户使用，必须经过脱硫净化处理才能进入管道输送和一般用户使用。低含硫天然气:天然气中硫化氢的含量约0.01%--1%(体积比)。中含硫天然气:天然气中硫化氢的含量约1%--2%(体积比)。高含硫天然气:天然气中硫化氢的含量约2%--7%(体积比)。第6页/共33页3、天然气的用途（1）清洁的燃料。天然气具有热值大，运输和使用方便，燃烧完全无烟无渣，价格便宜等优点。因此，天然气广泛用于交通、冶金、电力、化工等行业的内燃机、汽车、炼钢、发电、工业锅炉、加热炉等方面，同时大量供给城市居民作为生活燃料，在世界燃料的消费结构中，天然气已超过20%。（2）化工原料。使用天然气作为化工原料，具有含水、灰粉、硫化物等杂质少，使用、处理方便等优点。可以降低生产的产品成本、提高劳动生产率。可以利用天然气生产的化工中间产品有：合成氨、甲醇、乙炔、碳黑等，利用上述中间产品，可以进一步加工制造氮肥、有机玻璃、合成纤维、合成橡胶、塑料、高能燃料等。

第7页/共33页三、基本概念一.标准状态与标准体积

天然气在通常的温度、压力条件下为气态，具有很强的压缩性，只有在指明温度压力的前提下才能以体积来计量。（1）.标准状态：在天然气工业中，常用天然气在某种特定状态下的体积作为计量单位，这样的状态称为标准状态。

a.我国石油行业标准SYL04-83《天然气流量的标准孔板计量方法》中，计量的标准状态为;20℃、1标准大气压（101325Pa）。

b.我国城市燃气行业采用的标准状态为：0℃、1标准大气压。（2）.天然气在标准状态下的体积称为标准体积，（如：在标准状态下计量的1立方米天然气称为1标准立方米。记为1Nm³）。第8页/共33页二.天然气组成的表示方法

（1）体积分数：指各种组分的分体积在天然气总体积中所占的比例。注：对于同一种天然气，在不同温度、压力条件下各组分的体积分数不完全相同。（2）摩尔分数：天然气中各种组分的摩尔体积分数在天然气的总摩尔数中所占的比例。（摩尔是物质的一种质量单位，1摩尔纯物质的质量在数量上等于该物质的分子量。理想气体的混合体系，其各种组分的摩尔分数等于其体积分数。（3）质量分数：天然气中各种组分的质量在天然气的总质量中所占的比例。注：对于同一种天然气，在不同温度、压力条件下各组分的质量分数是确定的。第9页/共33页三.天然气的密度与相对密度

（1）天然气的密度：是指单位体积天然气的质量。同一种天然气的密度取决于其温度与压力。在0℃、一个物理大气压（101325Pa）条件（此条件称为物理标准状态）下，天然气可以看成理想气体，故1摩尔天然气占有的体积为22.4升，由此可按ρ=Mg/22.4L计算天然气在物理标准状态下的密度：

ρ—天然气在物理标准状态下的密度，克/升

Mg—天然气的视分子量（平均分子量），按照天然气中各组分的体积百分比乘以对应各组分的分子量相加求得。如：空气的体积组成是:氧气占21%,氮气占79%,氧气分子量32、氮气分子量28、空气平均分子量为：32×0.21+28×0.79≈29

甲烷的分子量为16，在标准状态下的密度为0.7143克/升，相当于0.7143千克/立方米。（2）天然气的相对密度：在相同的温度、压力条件下，天然气的密度与空气的密度（1.293kg/m³）之比。相对密度的大小反应天然气中重烃组分的含量（相对密度越大重烃组分越多），气田天然气相对密度为：0.58-0.62，石油伴生气的相对密度为：0.7-0.85。第10页/共33页四、天然气的粘度气体与液体一样，在流动过程中表现出一种导致流动过程产生内摩擦或机械能损失的性质，这种性质称为气体粘度。当流场中的速度梯度为1单位时，单位面积上的内摩擦力就是流体的运动粘度；运动粘度（ν单位：㎡/s）是:流体的动力粘度（μ单位：Pa·s）与密度（ρ）之比。气体粘性的产生原理与液体不完全相同。大多数液体的粘度随温度升高而降低。天然气的粘度与其组成、压力、温度有关，在低压条件下，气体粘度随温度的升高而增大；在高压条件下，气体的粘度随压力的增大而增大，随温度的升高而降低。第11页/共33页注：温度升高气体分子的无序热运动增强，因而气体分子交换产生的内摩擦加剧。当压力升高，气体的性质逐渐接近液体，而温度对气体粘度的影响也逐渐接近液体。当压力升高到一定限度时，温度升高将导致气体粘度降低。对于甲烷，这个临界压力约为10MPa。第12页/共33页五、天然气的含水量天然气的含水量是指天然气中水汽的含量。(1)、绝对湿度天然气的绝对湿度，是指单位数量的天然气中所含水蒸汽的质量，单位为mg/m3。在天然气的压力和温度一定的条件下，天然气的含水量达到某一最大值时（即天然气中开始有液态水凝析出来），称此时为天然气的水汽饱和状态。天然气处于水汽饱和状态时的绝对湿度称为饱和湿度。(2)、相对湿度单位体积天然气的含水量与相同条件（温度、压力）下水汽饱和状态天然气的含水量的比值。（即天然气的绝对湿度与饱和湿度的比值）第13页/共33页（3）露点在一定压力下，天然气的含水量刚达到饱和湿度时的温度，就叫做天然气在这种压力下的水露点（简称露点）。不同的压力下天然气有不同的露点。压力越大露点越高，压力越小露点越低。天然气在管输过程中，在输压条件下随着输送距离的增长，天然气的温度会逐渐降低，当天然气的温度降低到其露点温度时，就会凝析出液态水。因此，天然气在进行管输时必须尽量脱除其中的水汽，使其露点降低到输压条件下的输气温度以下。第14页/共33页四、天然气主要性质一、天然气的爆炸性概念1、燃烧：燃烧是物质发生激烈氧化，是连续稳定发光发热的氧化过程。2、爆炸：爆炸是物质在极短的时间内激烈氧化，瞬间向外传播，发光、发热并产生冲击波，是不连续、不稳定的氧化过程。3、爆炸低限:当空气中含有天然气时，其含量一直减小到不能形成爆炸混合物的那个量。4、爆炸高限:当空气中含有天然气时，其含量一直增加到不能形成爆炸混合物的那个量。5、天然气的爆炸范围常温常压下，一般在5%----15%（体积）范围内。不同的天然气成分不同，爆炸范围有所变化，但变化不大。第15页/共33页天然气的爆炸条件及特性1、爆炸条件A．必须有天然气和空气的混合物。B．混合物的浓度必须在爆炸范围之内。C．必须满足爆炸所需温度。2、特性天然气与空气的混合物只有同时满足上述三个条件，才能发生爆炸，三者缺一不可。第16页/共33页二、天然气的节流效应1、节流效应的概念气体遇到压力突变（例如调压阀）引起温度急剧降低，甚至产生冰冻，这种现象叫做节流效应，也叫焦耳－汤姆逊效应。2、产生节流降温现象的原因气体在节流处急剧产生压降，使气体很快膨胀，对外做功。而气体在极短的时间内又来不及与外界发生热交换，近似可以看成为绝热膨胀，因此只能消耗气体自己的内能，对外做功，而内能与气体的温度成正比，因此气体的温度也急剧降低。第17页/共33页3、节流前后压力、温度的关系式式中：P1、T1节流前的压力、温度。P2、T2节流后的压力、温度。k绝热指数，一般天然气为1.2—1.4，干气取1.3，湿气取1.2。4、节流效应的危害和用途危害：产生水合物甚至结冰，堵塞管路、设备、仪表。用途：用节流降温可以除去天然气中的水和凝析油。节流效应适用于一切真实气体。第18页/共33页三、天然气水合物1)天然气水合物的特点天然气水合物是一种结构复杂而以极不稳定的白色结晶物质，外观类似松散的冰或者致密的雪。天然气水合物是由碳氢化和物和几分子水组成的水合物。例如：CH4.6H2O、C2H6.8H2O、C3H8.17H2O、C4H10.17H2O、H2S.6H2O、CO2.6H2O等，戊烷以上烷烃一般不形成水合物。水合物是一种不稳定的化合物，当其所处的温度升高或压力降低至适当值时，会分解为碳氢化合物和水。第19页/共33页2)天然气形成水合物的条件1、天然气处于水汽过饱和状态或有液态水存在。2、天然气有足够高的压力和足够低的温度。3、其次还要有辅助条件：A压力波动B流向突变产生扰动C有晶体存在。3)形成水合物临界温度的概念天然气温度升高到一定值时，无论压力多大，也不能形成水合物，这个温度就叫做天然气形成水合物的临界温度。4)水合物的形成曲线从图中可以看出如下结论。1、压力一定时，温度越高，越不易形成水合物。2、温度一定时，压力越低，越不易形成水合物。只有当温度、压力达到一定值时，才有可能形成水合物。第20页/共33页5)水合物对输气生产的影响水合物在输气干线或输气站某段（如弯头）、阀门、节流装置等处形成后，天然气的流通面积减小，形成局部堵塞，造成上游压力增大，下游压力降低，严重时会造成设备损伤及人员伤害等安全事故，影响正常输气和为用户平衡平稳供气。另外，若水合物在节流孔板处形成，会影响计量天然气流量的准确性。6)防止水合物形成的方法根据天然气水合物形成的主要条件，天然气中饱和水蒸汽是形成水合物的内因，温度和压力是形成水合物的外因。所以，防止水合物形成可从两个方面考虑：一是提高天然气的输送温度，二是减少天然气中的含水量。1、提高天然气的流动温度。即在节流阀前对天然气加温，或者铺设平行于输气管线的伴热管线，使天然气的流动温度保持在其露点以上。2、脱除天然气中的水汽，降低天然气的水露点。第21页/共33页具体做法：（1）、在长输管线上安装分水器，排除冷凝水。（2）、在矿场集输管上用加热气管的方法预防形成水合物。（3）、再无其他方法遇形成水合物时，可以暂时将气体放空降低输气管线压力或降低下游压力，增加输气量，让已形成的水合物分解并随之排出。（4）、向输气管道中喷注化学反应剂，吸收气中的水分，以降低天然气的露点，防止形成水合物或促使水合物分解。（5）、天然气进入输气干线之前，进行脱水，这是防止形成水合物的根本方法。只要使天然气露点低于管线周围介质（土壤、空气等）最低温度5--7℃，就可以防止水合物形成。解除水合物的堵塞的措施有：一是降压、二是加热、三是注防冻剂（甲醇）。第22页/共33页五、天然气输送中压力、温度概念一、压力1、概念垂直作用在器壁单位面积上的力。单位：Kgf/cm2、MPa、KPa、Pa、物理大气压等。2、常用压力的单位换算1MPa=10³KPa=10^6Pa1MPa=10.197Kgf/cm2≈10Kgf/cm21Psi=0.070307Kgf/cm2＝0.00689MPa1atm=1.03321Kgf/cm2第23页/共33页3、绝压、表压、真空度（1）绝压:以绝对真空为基准的压力值。（2）表压：以测量地大气压为基准的压力值，也就是压力表显示的压力值。（3）真空度:是表述低于大气压力的程度的物理量，其大小为低于大气压力的那部分压力值。绝压线大气压线绝对真空线真空度表压（4）绝压、表压、真空度三者关系P表=P绝-P大气压P真空度=P大气压-P绝第24页/共33页二、温度1、概念温度是表示物体的冷热程度的物理量，是分子平均平动动能的标志。单位：摄氏温标℃、绝对温标K、华氏温标F。（1）摄氏温标以纯水的冰点定为0℃，沸点定为100℃。然后进行定位，这样的温标称为摄氏温标。（2）绝对温标以摄氏温度的零下273.15℃为零点，即为绝对零度，这种温标称为绝对温标。（3）华氏温标以摄氏零度定为32F，100℃定为212F，这种温标称为华氏温标。第25页/共33页六、天然气管输系统的基本组成一、基本组成天然气管输系统是一个联系采气井与用户间的复杂而庞大的管道及设备组成的采、输、供网络。天然气从气井中采出至输送到用户，其基本输送过程是：气井油气田矿场集输管网天然气增压及净化输气干线城镇或工业区配气管网用户。天然气管输系统可分为：集气、配气管线及输气干线、天然气增压站、天然气净化处理厂、集输配气场站、清管及阴保防腐站。第26页/共33页二、各组成部分的功能和作用1、输气管线，按其输气任务的不同，一般分为矿场集气支线、矿场集气干线、输气干线和配气管线四类。（1）矿场集气支线。是气井井口至集气站的管线，它将各气井采出来的天然气输送到集气站做初步处理，如分离掉泥砂和游离的水，脱除凝析油，并节流降压。（2）矿场集气干线。是集气站到天然气处理厂或增压站、或输气干线首站的管线。（3）输气干线是将天然气处理厂或输气干线首站到城镇配气或工矿企业一级站的管线。（4）配气管线。是输气干线一级站至城镇配气站以及各用户的管线。第27页/共33页2、天然气增压站。是给天然气加压，提高输送能力。3、天然气处理厂。任务是将天然气中的含硫成分和气态水脱除，使之达到天然气管输气质的要求。4、输配气站。输气站与配气站往往结合在一起，任务是将上站来的天然气分离除尘、调压计量后输往下站，同时按用户要求（如用气量、压力等）平稳地为用户供气。5、清管站。有时与输气站结合在一起，任务是接收或发送清管器。排放上游输气干线中由清管器推出的积水污物，提高输气干线的输气能力。6、防腐站：任务是对输气管线进行阴极保护。输气站工艺流程输气站的功能一般为：净化、除尘、调压、计量、收发清管器、排污、增压、气体组分分析，以及流程切换、自动监测与控制、安全保护与阴极保护功能。第28页/共33页七、天然气管输系统输气站工艺流程输气站的功能一般为：净化、除尘、调压、计量、收发清管器、排污、增压、气体组分分析，以及流程切换、自动监测与控制、安全保护与阴极保护功能。一、输气站的设备、仪表及管线组成由于不同输气站的输气量、输气压力、气质情况、用户数量不同，其设备、仪表及管线的规格、数量也不同。主要有以下几种：