燃气工程-0绪论

燃气的种类燃气是指可以作为燃料的气体，即气体燃料。可燃成分包括H2,CO,甲烷及烃类；不可燃成分包括CO2，N2等。按照其来源及生产方式可分为四大类：天然气液化石油气生物气(人工沼气)天然气，人工燃气，液化石油气可作为城镇燃气气源。3/31/20231可燃冰：天然气水合物是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的笼形结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数它主要由水分子和烃类气体分子组成。CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烃类以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成可燃冰的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的可燃冰通常称为甲烷水合物。3/31/20232(二)天然气水合物(NaturalGasHydrate，简称GasHydrate)天然气水合物又称笼形包合物，俗称“可燃冰”。是天然气与水在一定条件下形成的类似冰的、笼形结晶化合物，遇火即可燃烧。3/31/20233天然气的净化：可分为脱除凝析油、脱水、脱硫。凝析油是很好的化工燃料，应从天然气中分离出来加以利用。少数天然气中含有硫化氢气体，如不对天然气进行处理，则可能会造成硫化氢中毒，所以要脱硫。水分还会与酸性成分作用腐蚀管道和设施，必须脱水处理。净化过程一般与脱除物的回收结合在一起。天然气净化目的：为了使热值提高，除去有毒气体，充分利用燃料。3/31/20235煤层气：俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4，还含有CO2，H2及少量O2CON2和硫化氢等气体。与煤炭伴生。

矿井气：是煤层气和空气混合后形成的气体。主要成分是CH4和N2，O2，CO2等。沼气：即生物气，主要可燃成分是甲烷，还含有氨气，氮气和CO2。煤气成分：煤气的主要成分是CO、氢和烷烃、烯烃、芳烃等。

3/31/20236燃气的基本性质燃气一般为多组成混合物，其中可燃成分有：碳氢化合物（烃类如甲烷，乙烷，乙烯，丙烷，丙烯等），氢气，一氧化碳等;不可燃成分有CO2，N2，O2等。3/31/20237(二)人工煤气的净化净化的目的：(1)降低温度(2)脱除水分(3)脱除其中的有害杂质(4)回收有价值的副产品3/31/20239煤气的净化与副产品的回收工艺煤气的净化是指将粗煤气中的苯族烃，焦油，氨，硫化氢及粉尘和凝析油脱除，以防止堵塞腐蚀管道设施，保证煤气的正常输送和使用。煤气的净化与副产品的回收工艺，主要由鼓风冷凝、焦油雾的脱除、氨的脱除与回收、萘的脱除与粗苯的回收以及硫化氢的脱除等部分组成。3/31/202310(二)液化石油气的净化液化石油气的主要成分是C3、C4。

将甲烷、乙烷、戊烷和重烃等分离出去；除掉硫化物等；需要进行干燥，以脱除其中的水分。3/31/202311矿井气又称矿井瓦斯，是煤层气与空气混合而成的可燃气体。其主要成分为甲烷(30％~55％)，氮气(30％~55％)，氧气及二氧化碳等。“瓦斯爆炸”3/31/202313(二)燃气的热值燃气的热值是指单位数量的燃气完全燃烧时所放出的全部热量。高热值是指单位数量的燃气完全燃烧后，其燃烧产物与周围环境恢复到燃烧前的原始温度，烟气中的水蒸汽凝结成同温度的水后所放出的全部热量。低热值则是指在上述条件下，烟气中的水蒸汽仍以蒸汽状态存在时，所获得的全部热量。工程实际中一般以燃气的低热值作为计算依据。3/31/202314(三)着火温度燃气开始燃烧时的温度称为着火温度。着火温度并不是一个固定值。它不仅与可燃物在空气中的浓度，与空气的混合程度，燃气压力，燃料性质、燃烧空间的大小及形状等许多因素有关。

3/31/202315(一)城镇燃气的基本要求作为城镇燃气气源，应尽量满足以下要求：(1)热值高(2)毒性小(3)杂质少3/31/202317(二)燃气中杂质及有害物的影响1)焦油与灰尘2)硫化物3)萘4)氨5)一氧化碳6)氧化氮7)水3/31/202318(三)城镇燃气的质量要求(1)城镇天然气与人工燃气城镇天然气的质量标准应符合表1-5中一类气或二类气的规定人工燃气则应符合表1-6的规定。(2)液化石油气液化石油气应限制其中的硫分、水分、乙烷、乙烯的含量；并应控制残液量。3/31/202319对加臭剂的要求是：1.应具有持久，难闻且区别于其它气味的特殊臭味。2、在正常使用浓度范围内。不应对人身、管道或与其接触的材料有毒、有害；3.能完全燃烧，燃烧产物不应对人体呼吸有害，不应腐蚀或损坏与此经常接触的材料。4、加臭剂溶解于水的程度不应大于2.5%(质量分数)；5.不与燃气发生任何化学反应。6、有适当的挥发性。7、价廉而不稀缺。3/31/202321二、技术经济分析的基本原则效益最佳原则方案可比原则系统分析原则3/31/202322一、静态评价方法在技术经济分析中，不考虑资金的时间因素的评价方法，称为静态评价方法。这种方法应用于技术方案的初选阶段，对方案进行粗略评价。常用的静态评价方法有：投资回收期法、投资效果系数法、追加投资回收期法、年计算费用法等。3/31/202323燃气用户类型及用气特点(一)城镇居民用户(二)商业用户(三)工业用户(四)燃气采暖与空调(五)燃气汽车(六)燃气发电(七)其他用途3/31/202325(一)城镇居民用户主要用于炊事和生活用水的加热。用气特点是：单户用气量不大，用气随机性强。3/31/202326(四)燃气采暖与空调(1)燃气采暖主要有两种形式：1)集中采暖2)单户独立采暖3/31/202329三、用气指标用气量指标又称为耗气定额，是进行城镇燃气规划、设计，估算燃气用气量的主要依据。因为各类燃气的热值不同，所以，常用热量指标来表示用气量指标。3/31/202330三、用气指标(一)居民生活用气指标(二)商业用户用气指标(三)工业企业用气指标(四)建筑物采暖及空调用气指标(五)燃气汽车用气指标3/31/202331(一)居民生活用气量指标指城镇居民每人每年平均燃气用量。影响居民生活用气量指标的因素主要有：(1)户内燃气设备的类型(2)能源多样化(3)户内人口数(4)社区配套设施的完善程度(5)其他因素3/31/202332(二)商业用户用气量指标影响商业用户用气量的因素主要有：城镇燃气供应状况；燃气管网布置与商业用户的分布情况；居民使用公共服务设施的普及程度、设施标准；用气设施的性能、效率、运行管理水平和使用均衡程度；地区的气候条件。3/31/202333(三)工业企业用气量指标工业企业用气量指标可由产品的耗气定额或其他燃料的实际消耗量进行折算，也可按同行业的用气量指标分析确定。3/31/202334(四)建筑物采暖及空调用气量指标按国家现行的采暖、空调设计规范或当地建筑物耗热量指标确定。3/31/202335(五)燃气汽车用气量指标燃气汽车用气量指标应根据当地燃气汽车的种类、车型和使用量的统计分析确定。3/31/202336一、年用气量计算

包括：(一)居民生活的年用气量(二)商业用户年用气量(三)工业企业年用气量(四)建筑物采暖年用气量(五)其他用户年用气量(六)未预见量3/31/202337(一)居民生活的年用气量居民生活的年用气量与许多因素有关：居民生活习惯作息及节假日制度气候条件户内燃气设备的类型住宅内有无集中采暖及热水供应城镇居民气化率等。3/31/202338(二)商业用户年用气量一是按商业用户拥有的各类用气设备数量和用气设备的额定热负荷进行计算；二是按商业用户用气性质、用途、用气指标及服务人数等进行计算。3/31/202339(二)商业用户年用气量商业用户年用气量与城镇人口数、公共建筑的设施标准、用气量指标等因素有关。3/31/202340(六)未预见量未预见量主要是指燃气管网漏损量和规划发展过程中的未预见供气量，一般按年总用气量的5％估算。3/31/202341用气不均匀情况描述城镇燃气供应的特点是供气基本均匀，而用户的用气是不均匀的。用户用气不均匀性与许多因素有关，如气候条件、居民生活水平及生活习惯、机关和工业企业的工作班次、建筑物和车间内装置用气设备的情况等。。用气不均匀性对燃气供应系统的经济性有很大影响。用气量较小时，气源的生产能力和长输管线的输气能力不能充分发挥和利用，从而提高了燃气的成本。用气不均匀情况可用季节或月不均匀性、日不均匀性、小时不均匀性描述。

3/31/202342燃气供应系统解决供需矛盾的方法有哪些？为解决均匀供气与不均匀用气之间的矛盾，保证不间断地向用户供应正常压力和流量的燃气，需要采取一定的措施使燃气供应系统供需平衡。一般要综合考虑气源、用户刀配系统的具体情况，提出合理的调峰手段。通常，城镇燃气供应系统会在技术经济比较基础上采用几种调峰手段的组合方式。调峰手段有：1.调整气源的生产能力或设置机动气源。2．设立缓冲用户。3.利用储气设施。3/31/202343燃气输管网按输气压力分为：高压燃气管道次高压燃气管道中压燃气管道低压燃气管道3/31/202344城镇燃气管道地区等级的划分城镇燃气管道通过的地区，应按沿线建筑物的密集程度，划分为四个地区等级，并依据地区等级做出相应的管道设计。（1）管道中心线两侧各200m范围内，任意划分为1.6Km长并能包括最多供人居住的独立建筑物数量的地段，按划定地段内的房屋建筑密集程度，划分为四个等级。在多单元住宅建筑物内，每个独立住宅单元按一个供人居住的独立建筑物计算。3/31/202345（2）地区等级的划分：一级地区：有12个或12个以下供人居住建筑物的任一地区分级单元。二级地区：有12个以上，80个以下供人居住建筑物的任一地区分级单元。三级地区：介于二级和四级之间的中间地区。有80个和80个以上供人居住建筑物的任一地区分级单元；或距人员聚集的室外场所90m内铺设管线的区域。四级地区：地上4层或4层以上建筑物普遍且占多数的任一地区分级单元（不计地下室数）。3/31/202346（3）二、三、四级地区的长度可按如下规定调整：四级地区的边界线与最近地上4层或4层以上建筑物相距200m。二、三级地区的边界线与该级地区最近建筑物相距200m。（4）确定城镇燃气管道地区等级应为该地区的今后发展留有余地，宜按城市规划划分地区等级。3/31/202347管道的埋深地下燃气管道埋设的最小覆土厚度（路面至管顶）应符合下列要求：1、埋设在车行道下时，不得小于0.9m；2、埋设在非机动车车道（含人行道）下时，不得小于0.6m；3、埋设在机动车不可能到达的地方时，不得小于0.3m。4、埋设在水田下时，不得小于0.8m。注：当采取有效的安全防护措施后，上述规定均可适当降低。输送湿燃气的燃气管道，应埋设在土壤冰冻线以下。3/31/2023483/31/202349（一）1.穿越铁路和高速公路的燃气管道，其外应加套管；2.燃气管道穿越电车轨道和城镇主要干道时宜敷设在套管或地沟内；3，燃气管道宜垂直穿越铁路、高速公路、电车轨道和城镇主要干道。（二）燃气管道通过河流时，可采用穿越河底或采用管桥跨越的形式。当条件许可也可利用道路桥梁跨越河流。（1）水下穿越1）沟埋敷设2）裸管敷设3）顶管敷设（2）沿桥架设为保证安全，燃气管道随桥梁跨越河流时，其输送压力不应大于0.4MPa（3）管桥跨越3/31/202350钢制燃气管道腐蚀原因：（1）化学腐蚀（2）电化学腐蚀（3）杂散电流腐蚀（4）细菌腐蚀。埋地钢制燃气管道采取防腐控制措施时应考虑以下因素：土壤腐蚀性、管道重要程度、管道环境条件。埋地的钢制燃气管道，可以采用的防腐方法包括绝缘层腐蚀、阴极保护、排流保护、防腐涂料保护3/31/202351钢制燃气管道的防腐方法（1）净化燃气（2）管道加内衬（3）采用耐腐蚀管材（4）绝缘层防腐（5）阴极护防法1）牺牲阳极保护法2）外加电源阴极保护法3）排流保护法3/31/202352阴极护防法是根据电化学腐蚀原理，使埋地钢管阴极区而不被腐蚀，是一种积极主动的防腐方法。牺牲阳极保护法利用电极电位较钢管材料负的金属与被保护钢管相连。在作为电解质的土壤中形成原电池。电极电位较高的钢管成为阴极，电流不断从电极电位较低的阳极，通过土壤流向阴极，从而使钢管得到保护。外加电源阴极保护法原理:将钢管作为阴极，另外用废钢材等作为接地阳极。电流从正极通过导线流入接地阳极，再经过土壤流入被保护管道，然后由管道经导线流回负极。接地阳极的正离子流入土壤，不断受到腐蚀，管道则受到保护。3/31/202353燃气管道的试压用的介质有清洁水和压缩空气。钢管既可以用清洁水又可以用压缩空气。3/31/202354燃气设施有燃气储罐，调压器，燃气调压站和燃气压缩机，燃气门站，储配站等。3/31/202355

一、调压器工作原理及构造图2调压器工作原理图1—气孔；2—重块；3—薄膜；4—阀；5—导压管

3/31/202356调压器具有降压及稳定出口压力的作用，在额定的压力、流量范围内，当进口压力或出口负荷发生变化时，能自动调节阀门的启闭，使其稳定在设定的压力范围内。所以调压器也可看作是一种自动减压阀，即将进口较高的压力，降至某一设定压力。调压器一般均由感应装置和调节机构组成。感应装置的主要部分是敏感元件（薄膜），调节机构是由执行机构将各形式的节流阀、敏感元件和调节机构之间的连接。3/31/202357二、调压器的种类（一）直接作用式调压器：敏感元件即为传动装置的受力元件（1）液化石油气调压器（图5-6）（2）用户调压器（图5-7）（二）间接作用式调压器：敏感元件和传动装置的受力元件分开（图5-8）3/31/202358三、调压器的选择（一）选择调压器应考虑的因素（1）流量：不应在小于最大流量的10%情况下工作，一般在最大流量的20％-80％使用。（2）燃气种类（3）调压器进出口压力：串联并联（4）调节精度：稳压精度正负5－15％（5）阀座形式；（6）连接方式：标准螺纹或法兰连接，大管径调节器采用法兰连接。3/31/202359调压站在燃气输配系统中的主要作用是调节和稳定系统压力，并控制燃气流量，防止调压器后设备被磨损和堵塞，保护系统，以免出口压力过低或超压。调压站由调压器、阀门、过滤器、安全装置、旁通管以及测量仪表等组成。有的调压站装有计量设备，除了调压以外，还起计量作用，故称做调压计量3/31/202360调压站的工艺流程系统正常运行时，入口燃气经进口阀门及过滤器进入调压器，调压后的燃气经流量计及出口阀送到管网。当维修时，可关闭进出口阀门，打开旁通阀，燃气由旁通管流出。当调压器出口压力过高时，安全阀启动，安全阀需手动复位3/31/202361第三节燃气的压送一、燃气压缩机（1）活塞式压缩机工作原理图4单级单作用活塞式气体压缩机示意图1—气缸；2—活塞；3—活塞杆；4—十字头；5—连杆；6—曲柄；7—吸气阀；8—排气阀；9—弹簧

3/31/202362当活塞式压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环3/31/202363（2）活塞式压缩机特点优点：效率高，对压力的适应范围较大；缺点：输气量小且不连续，吸气量250m3/min是最大的极限，气体可能会被缸内的润滑油污染。（二）离心式压缩机（图5-15）优点：排气量大、连续而平稳；机器外形小，占地少；设备轻，易损件少，维修费用低；机壳内不需要润滑；排出气体不被污染；转速高，可直接和电动机或汽轮机连接，故传动效率高；排气侧完全关闭时，升压有限，可不设安全阀。缺点：高速旋转的叶轮表面与气体磨损较大，气体流经扩压器、弯道和回流器时回转多，局部阻力较大，因此效率比活塞式压缩机低，对压力的适应范围较窄，有喘振现象（图5-16）。3/31/202364离心压缩机的喘振喘振是离心压缩机的一种特殊现象。任何离心式压缩机在某一固定的转速下,都有一个最高工作压力。在此压力下,有一个相应的最低流量。当离心压缩机出口的压力高于此数值时,就会产生喘振。。喘振发生的条件：给定压力下流量小于最小喘振流量；给定流量下压力大于最高喘振压力。3/31/202365喘振发生时的现象：发生喘振时，机组开始强烈振动，伴随发生异常的吼叫声，而且是周期性地发生；机壳相连接的出口管线也随之发生较大的振动；进口管线上的压力表指针大幅度摆动；出口止回阀处发生周期性的开和关的撞击声响；主电动机的电流表指针大幅度的摆动；在操作仪表上，流量表等也发生大幅度的摆动。3/31/202366喘振发生的危害：喘振对压缩机的密封损坏较大，由于密封的损坏，将使润滑油窜入流道，影响冷却器和冷凝器的效率。严重的喘振很容易造成转子轴向窜动，烧坏止推轴瓦，叶轮有可能被打碎。极严重时，可使压缩机遭到破坏，会损伤齿轮箱和电动机等，并会造成各种严重的事故。3/31/202367管道天然气门站和储配站站址选择应符合以下要求：①站址应符合城市总体规划的要求；②站址应具有适宜的地形、工程地质、供电、给排水和通信等条件；③门站和储配站应少占农田、节约用地并应注意与城市景观等协调；④门站站址应结合长输管线位置确定；⑤根据输配系统具体情况，储配站与门站可合建；⑥当门站设有储罐时，储气罐与站外的建、构筑物的防火间距应符合现行的国家标准《建筑设计防火规范》GB5016的有关规定。3/31/202368门站和储配站站站区布置的要求：（1）站区应分区布置，即分为生产区和辅助区。（2）站区的各建构筑物之间以及与站外构筑物的耐火等级不应低于现行国家标准《建筑设计防火规范》的有关规定。站内建筑物的耐火等级不应低于现行国家标准《建筑设计防火规范》“二级”的规定。（3）站内露天工艺装置区边缘距明火或散发火花地点不应小于20m，距办公、生活建筑不应小于18m，据围墙不应小于10m。与站内生活建筑的间距按工艺要求确定。（4）储配站生产区应设置环形消防车通道，消防车通道宽度不应小于3.5m。3/31/202369门站的工艺流程天然气由高压管道输送到门站总进口阀门，进入汇管1，再经三路（两开一备）过滤、计量；计量后，通过两路并联调压系统（一开一备）将压力由6.0MPa调到4.0MPa的高压后，经过加溴装置进入地下输气管道，分别向LNG加气站和CNG加气母站供气。

3/31/202370管道内燃气的流动可以认为是等温的，其温度等于埋管周围土壤的温度，因此决定燃气流动状况的参数为：压力P，密度p，流速w。3/31/202371(二)附加压头与局部阻力损失(1)附加压头：由于燃气的密度与空气的密度不同，当燃气管道始末端存在高程差时，管道中特产生附加压头(或附加阻力)、附加压头值由下式确定：3/31/202372(二)附加压头与局部阻力损失(2)局部阻力：可用下式求得：3/31/202373(二)附加压头与局部阻力损失在进行燃气分配管网的水力计算时，一般不详细计算局部阻力，而按增加燃气管段长度的5%-10%作为计算长度进行计算。对于街坊内庭院管道和室内管道的局部阻力应逐一进行计算，厂区内燃气管道在水力计算时也要计算局部阻力。也可以将局部阻力折算成相同管径管段的当量长度L2计算。3/31/202374(二)附加压头与局部阻力损失3/31/202375(一)燃气分配管网供气方式燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况，可分为三种：(1)管段沿途不输出燃气，这种管段的燃气流量是不变的。Q2称为转输流量。3/31/202376(一)燃气分配管网供气方式(2)分配管网的管段与大量居民用户、小型商业用户相连。由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户。Q1称为途泄流量。3/31/202377(三)燃气分配管段计算流量确定管段上既有途泄流量又有转输流量的变负荷管段，其计算流量可按下式求得：系数在0.5~0.6之间，取平均值0.55.3/31/202378(四)节点流量在燃气管网计算时，特别是在用计算机进行燃气环网水力计算时，常把途泄流量改用节点流量来表示。从式6-13可知，途泄流量Q1可分为两个部分：一部分0.55Q1是从管段终端流出，另一部分0.45Q1是在始端流出。3/31/202379由于环状管网的各管段相互连接，故各节点流量等于流入节点所有管段途泄流量的0.55Q1、流出节点所有管段途泄流量的0.45Q1，以及与该节点的集中流量三者之和。(四)节点流量3/31/202380(四)节点流量3/31/202381例题[6-1]3/31/202382例题解析1、计算各环的单位长度途泄流量，为此(1)按管网布置将供气区域分为三个小区；(2)求出各环内的最大小时用气量∴3/31/202383(3)计算供气环周边的总长3/31/202384(4)求单位长度的途泄流量∴3/31/2023852、根据计算简图，求出管网中每一管段的计算流量，列表于6-3。(1)将管网的各管段依次编号，在距供气点(调压站)最远处，假定零点位置(3，5，8)，同时决定气流方向。(2)计算各管段的途泄流量：对于Ⅰ环：1-22-31-44-33/31/202386同理，对于Ⅱ环：对于Ⅲ环：3/31/202387(3)计算转输流量3/31/202388(3)计算转输流量3/31/202389(3)计算转输流量3/31/202390(4)求计算流量对于Ⅰ环：3/31/202391(4)求计算流量对于Ⅱ环：3/31/202392(4)求计算流量对于Ⅲ环：3/31/202393校验转输流量总值调压站由1-2，1-4，1-6管段输出的燃气量为：两值相符。各环供气量及集中负荷为：3/31/2023943、根据初步流量分配及单位长度平均压力降选择各管段管径