第一章燃气输配课件

《燃气输配》《Gastransmission&distribution》《燃气输配》《Gastransmission1绪论能源与燃气能源的发展过程和趋势我国燃气的发展历程和现状绪论能源与燃气能源的发展过程和趋势2一、能源的发展过程和趋势

18世纪60年代起煤炭替代薪柴

——能源结构的第一次大转变

20世纪20年代起煤炭、石油、天然气

——能源结构的第二次大转变

本世纪前半期新能源

——难以大规模利用，正是天然气为主的时期一、能源的发展过程和趋势3天然气储量已超过石油燃气——天然气（NG）、人工燃气（煤气）、液化石油气（LPG）、沼气等。燃气的优点：服务效益、节能效益和环保效益。天然气储量已超过石油燃气——天然气（NG）、人工燃气（煤气）4二、我国燃气的发展历程与现状历史悠久：468年四川天然气煮盐

1865年上海煤制气厂第一阶段：20世纪80年代前人工煤气第二阶段：20世纪80年代—90年代前期人工煤气、天然气、液化石油气等多种气源并存格局第三阶段：90年代后期天然气时代来临二、我国燃气的发展历程与现状历史悠久：468年四川5我国天然气资源丰富：中、西部盆地及近海地区燃气工程：陕西北京新疆上海（西气东输，西部大开发的标志性工程）2002年开工，2004年8月全线完工，全长4000Km。

自西向东跨越九省一市，管径d=1016mm，输气压力P=10MPa，供气能力120亿m3/年，投资1200亿元。我国天然气资源丰富：中、西部盆地及近海地区燃气工程：陕西6燃气工程：1.俄气南供2.进口液化天然气（LNG）东南亚、澳大利亚广州3.近海天然气（1）南海气田海南、广州、香港（2）东海气田上海、浙江（3）渤海气田天津、山东4.煤层气开发：中东部燃气工程：7天然气资源的用途能源行业：发电、交通运输、工业、生活（取暖、热水、炊事）化工原料我国主要用于民用炊事，还用于燃气空调、汽车等。天然气资源的用途能源行业：发电、交通运输、工业、生活（取暖、8第一章燃气的分类及性质燃气的分类及用途燃气的基本性质城市燃气的质量要求第一章燃气的分类及性质燃气的分类及用途9第一节燃气的分类及用途燃气是易燃易爆的混合气体。可燃成分：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、低级碳氢化合物（烃类）饱和烃：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、……、

CmH2m+2

不饱和烃：乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、……、

CmH2m

CmHn或C1、C2、C3、……不可燃成分：CO2、N2、O2（单纯的O2是不可燃的）、水及少量杂质。燃烧条件：可燃物、助燃物（氧）、温度快速燃烧就是爆炸第一节燃气的分类及用途燃气是易燃易爆的混合气体。燃烧条10燃气的分类1.天然气（NG）：主要是甲烷（开采方便，是优质气体燃料）按矿藏特点分类

气田气——由气田开采出来的纯天然气凝析气田气——含有少量石油轻质馏分的天然气石油伴生气——与石油共存，伴随石油一起开采出来的天然气。甲烷含量80%~90%，低发热值（34.8~36MJ/N·m3）N·m3——标方气液分离：天然气、液化石油气、汽油、煤油等。甲烷含量75%，低发热值（48MJ/N·m3）甲烷含量80%，低发热值（45MJ/N·m3）燃气的分类甲烷含量80%~90%，低发热值（34.8~36M11

矿井气

煤层气（煤田气）——煤形成过程中产生，在地质断层和褶皱地带附近“涌出”。

常会与空气混合引起爆炸

矿井气（矿井瓦斯）——在开采煤的过程中，煤层气与矿井空间空气形成，抽吸出向城镇提供矿井气。

不抽出会引起瓦斯爆炸矿井气12按组分分类干气——每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体小于13.5cm3的天然气。湿气——每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体大于13.5cm3的天然气。富气——C5以上大于94cm3/sm3。贫气——C5以上小于94cm3/sm3。酸性天然气——含有较多的H2S、CO2等酸性气体，要进行净化处理。洁气——H2S、CO2等含量很少，基本不要进行净化处理。按组分分类干气——每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重132.人工燃气：以固体或液体可燃物为原料加工生产的气体燃料煤煤气石油及副产品油制气

干馏煤气——煤隔绝空气加强热气化煤气——煤、焦炭在高温下与气化剂（空气、水蒸气、纯氧气等），通过化学反应得到。油制气——以石油及副产品为原料，经过高温裂解制成的燃气。气体——煤气液体——上：水下：煤焦油固体——焦炭城市最早的燃气气源（焦炉煤气），低发热值16.7MJ/N·m3热裂解法：加热至800~900℃，原料裂解成油制气催化剂法：加催化剂，使裂解的烃与水蒸气反应生成H2和CO2.人工燃气：以固体或液体可燃物为原料加工生产煤143.液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品。

主要是C3、C4混合物，常温常压下为气态，常温加压或常压降温变为液态，其体积缩小至气体的1/250，便于运输；气态低发热值最高，92.1~121.4MJ/N·m3，折成液态为45~46.1MJ/kg。分类天然石油气——从石油伴生气和凝析气田气中提取炼厂石油气3.液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品。154.生物气（人工沼气）：环保洁净，在小范围内使用。天然气是一次能源人工燃气、液化石油气、沼气是二次能源

各种有机物质，如蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等，在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物的作用下产生的可燃气体。4.生物气（人工沼气）：环保洁净，在小范围内使用。天然气16第二节燃气的基本性质P3表1-1解释：1.CmHn：表示C5及C5以上的烃类2.发热值——1N·m3燃气完全燃烧后其烟气中的水蒸气被冷却至原始温度所放出的热。低发热值——水蒸气被冷却至原始温度的蒸气所放出的热量

高发热值——水蒸气被冷却至原始温度的凝结水所放出的热量高发热值—低发热值=气化潜热第二节燃气的基本性质P3表1-1解释：高发热值—低发热17华白指数波动范围：±5%H——燃气的高发热值

S——燃气的密度W——燃烧特征比较接近才可用（必要条件）火焰特征离焰——气流速度大于火焰传播速度

脱火——气流速度远大于火焰传播速度而吹熄

黄焰——燃烧不充分

回火——气流速度小于火焰传播速度华白指数波动范围：±5%火焰特征18P4表1-2：某些低级烃的基本性质1.气体常数：2.除甲烷、乙烯外P4表1-3：某些气体的基本性质混合物：各组分之间不发生化学反应的均匀的混合物，其性质取决于各组分的成分及各组分的热力性质。

P4表1-2：某些低级烃的基本性质P4表1-3：某些气体的基19一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度二、临界参数及实际气体状态方程三、粘度四、饱和蒸气压及相平衡常数五、沸点和露点六、液化石油气的气化潜热七、容积膨胀八、爆炸极限九、水化物十、液化石油气的状态图一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度20混合气体的组分有三种表示方法：容积成分质量成分分子成分混合液体的组分也是这三种表示方法，但混合气体的组分有三种表示方法：混合液体的组分也是这三种表示方21一、平均分子量、平均密度和相对密度气体：液体：平均密度：（定义式）或相对密度：气体（相对空气ρ=1.293kg/N·m3）液体（相对4℃水ρ=1000kg/m3）一、平均分子量、平均密度和相对密度22湿燃气密度

d——水蒸气含量（含湿量），单位kg/N·m3干燃气0.833——水蒸气密度，单位kg/N·m3干、湿燃气容积成分换算：换算系数：湿燃气密度d——水蒸气含量（含湿量），单位kg/N·m3干23例1-2：求湿燃气参数解题步骤：1.换算关系

2.由例1-1：已知混合气体的容积成分为yC2H6=4%,yC3H8=75%,yC4H10=20%,yC5H12=1%,解题步骤：查各组分的分子量平均分子量平均密度相对密度例1-2：求湿燃气参数例1-1：已知混合气体的容积成分为yC24

例:已知干燃气的容积成分为甲烷27%，一氧化碳6%，氢气56%，二氧化碳3%，氧气1%，氮气5%，CmHn(按丙烯)2%。求混合气体平均分子量、平均密度和相对密度。若含湿量为0.002kg／m3干燃气，求湿燃气的容积成分及其平均密度。例:已知干燃气的容积成分为甲烷27%，一氧化碳6%，25

1.临界参数定义:温度不超过某一数值，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。在临界温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。三、临界参数及实际气体状态方程混合气体平均临界温度混合气体平均临界压力气体温度比临界温度越低，液化所需压力越小1.临界参数定义:温度不超过某一数值，对气体进26图1-1P-V图

C——临界点左（MCG）液态右（NCG）气态中间气液共存态临界温度越高，越易液化——液化石油气临界温度越低，越难液化——天然气图1-1P-V图27图1-2P-T图液-气平衡曲线左：液态右：气态曲线-气液共存态曲线顶点-临界点图1-2P-T图液-气平衡曲线282.实际气体状态方程

式中:P——气体的绝对压力(Pa)

υ——气体的比容(m3／kg)Z——压缩因子

R——气体常数[J／(kg·K)]T——气体的热力学温度(K)2.实际气体状态方程式中:P——气体的绝对压力(Pa)29当Pr＜1，Tr=0.6～1.0

当Pr＜5.6，Tr=1.0～2.0

所谓对比温度Tr，就是工作温度T与临界温度Tc的比值，而对比压力Pr，就是工作压力P与临界压力Pc的比值。此处温度为热力学温度，压力为绝对压力。当Pr＜1，Tr=0.6～1.0当Pr＜5.6，Tr=30例1-3求天然气在标准状态下的体积解题步骤：各组分大于1还是小于1（Tr>1，查图1-4）z

不考虑z（z=1），v0减少6%例1-4

比容不考虑z(z=1)ρ减少13%例1-3求天然气在标准状态下的体积31例:

有一内径为900mm、长为115km的天然气管道。当天然气的平均压力为3.04MPa、温度为278K，求管道中的天然气在标准状态下(101325Pa、273.15K)的体积。已知天然气的容积成分为甲烷97.5％，乙烷0.2％，丙烷0.2％，氮气1.6％，二氧化碳0.5％。例:有一内径为900mm、长为115km的天然气管道。当天32三、动力粘度（粘度）混合气体：（0℃时）

gi——质量成分混合液体：xi——分子成分运动粘度

修正：C——实验系数Ci——表1-2、1-3三、动力粘度（粘度）修正：C——实验系数33例1-5：已知混合气体的容积成分为yco2=1.9%,yCmHn=3.9%(按C3H8计算),yo2=0.4%,yco=6.3%,yH2=54.4%,yCH4=31.5%,yN2=1.6%,求该混合气体的动力粘度。步骤：气体例1-5：已知混合气体的容积成分为yco2=1.9%,yC34四、饱和蒸气压及相平衡常数

1.饱和蒸汽压：在一定温度下，密闭容器中液体及蒸气处于动态平衡时蒸气的压力（绝对压力）混合液体的蒸气压：由道尔顿定律由拉乌尔定律Pi——任一组分的蒸气分压

Pi’——该纯组分的蒸气压（表1-5）注：蒸气压与密闭容器的大小及液量无关，仅取决于温度。温度升高时，蒸气压增大。四、饱和蒸气压及相平衡常数混合液体的蒸气压：注：蒸气35表1-5：同一温度，丙烷蒸气压高于正丁烷蒸气压图1-6：丙烷占的比例越大，混合液体的蒸气压就越高如果容器中为丙烷和正丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，混合液体的蒸气压是如何变化的呢？当使用容器中的液化石油气时，总是先蒸发出较多的丙烷，而剩余的液体中丙烷的含量渐渐减少，所以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。

如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，其蒸气压取决于丙烷和丁烷含量的比例。

表1-5：同一温度，丙烷蒸气压高于正丁烷蒸气压如果容36

如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当15℃时容器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。（a）气相组成的变化（b）液相组成的变化如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当15℃时容372.相平衡常数ki

某一温度下的气液两相平衡系统中，某一纯组分的蒸气压Pi’与混合液体的蒸气压P之比为一常数ki，即液相：拉乌尔定律气相：分压定律意义：yi与xi之比也是常数ki

。由相平衡常数ki，可计算已知气相组成yi求液相组成xi；或已知液相组成xi

求气相组成yi。2.相平衡常数ki液相：拉乌尔定律气相：分压定律意义：yi与38换算公式：1.已知液相xi,求气相yi2.已知气相yi,求液相xi（无法求出P）两边求和所以换算公式：2.已知气相yi,求液相xi（无法求出P）两边39

工程上，常利用相平衡常数计算图来计算液化石油气的气相组成或液相组成。如图1—8可查得Ki。

1—甲烷2—已烷3—丙烷4—正丁烷5—异丁烷6—正戊烷7—异戊烷8—乙烯9—丙烯

相平衡常数计算图工程上，常利用相平衡常数计算图来计算液化石油气的气相40例1-6：已知液化石油气由丙烷C3H8，正丁烷nC4H10和异丁烷iC4H10组成，其液相分子组成为xC3H8=70％，xnC4H10=20％，xiC4H10=10％，求温度为20℃时系统的压力和达到平衡状态时气相分子组成。已知液相xi,求气相yi1.公式换算法2.查图1-8，求ki法tk基线20℃P3（丙烷）1.260.67MPa例1-6：已知液化石油气由丙烷C3H8，正丁烷nC4H10和41例1-7：已知气相yi,求液相xi1.公式换算法2.查图1-8，求ki法

ki>1⇒yi>xi

，即气相组分大于液相组分⇒易蒸发ki是表示相对蒸发程度的量度例1-7：已知气相yi,求液相xiki>1⇒yi42五、沸点和露点1.沸点：通常所说的沸点指101325Pa压力下液体沸腾时的温度。

蒸发：液体表面的气化（任何温度）沸腾：液体内部的气化（沸点温度）

表1-6表明，Cm越高，沸点越高，故寒冷地区液化气应以C3为主2.露点

饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点。气化五、沸点和露点蒸发：液体表面的气化（任何温度）沸腾：液体内部43露点计算（假设方法）：原理——混合物中，各组分在气相或液相中的分子成分之和都等于1。当气液平衡时，需满足或计算步骤：假设露点温度为T；查图1-8相平衡常数计算图得ki；通过计算检验是否满足上述公式若不满足，重新假设露点温度的值，再进行上述计算，直到满足为止。露点计算（假设方法）：原理——混合物中，各组分在气相或液相中44解：假设露点温度T1=55

℃

，由压力和温度，求ki→由于T↑，ki↑，

↓再设露点温度为T2=65℃→

ki→

T=61.5℃1.150.9215565T内插法T例1-9：已知容积成分和压力，求露点。解：假设露点温度T1=55

℃

，由压力和温度，求ki→由于45露点的直接计算工程中特别是液化石油气管道供气的工程中所处理的气态液化石油气或液化石油气—空气混合气一般处于压力为0.1～0.3MPa的范围内，很需要对它们进行露点计算。用于这种情况的计算公式是：

露点的直接计算工程中特别是液化石油气管道供气46气化潜热六、液化石油气的气化潜热

气化潜热就是单位质量(1kg)的液体变成与其处于平衡状态的蒸气所吸收的热量。混合液体气化潜热：T-S图T升高，r减小，T=Tc时，r=0潜热越大，越不易挥发，潜热间接地表示液体挥发程度T0Sc气化线气化六、液化石油气的气化潜热气化潜热就是单位质47七、容积膨胀液态CmHn比水的容积膨胀系数大16倍单一液体：t2→t1范围膨胀系数平均值，见表1-10混合液体：注意：ki——t1时混合液体各组分的容积成分不可装满七、容积膨胀液态CmHn比水的容积膨胀系数大16倍单一液体：48八、爆炸极限

可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸的可燃气体的浓度范围爆炸下限：当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸时的含量爆炸上限：当可燃气体的含量增加到不能形成爆炸时的含量P4表1-2常压、293K时，爆炸下限很低，一定要避免泄露！泄漏极易引起爆炸八、爆炸极限可燃气体和空气的混合物遇明火而引起49爆炸极限的计算：1.只有可燃气体的混合气体2.含有惰性气体的混合气体（1-28）

某一惰性气体与某一可燃气体组合，视为混合气体中的一种成分，查图1-12、13得此新组合的爆炸极限，代入（1-29）随着惰性气体含量的增加，混合气体的爆炸极限范围将缩小。

L——混合气体的爆炸下（上）限

（体积%）爆炸极限的计算：1.只有可燃气体的混合气体2.含有惰性气体的503.含有氧气（混入空气）的混合气体当混合气体中含有氧气时，则可认为混入了空气。先扣除O2及空气中的N2→算出新的组分，代入（1-29），计算无空气基爆炸极限→代入（1-31），计算包含有空气的混合气体的整体爆炸极限

→返回有空气状态3.含有氧气（混入空气）的混合气体当混合气体中含有氧气时51解：氧1.7%空气中的N2为1.7×79/21%=6.4%

剩下容积=(100-1.7-6.4)%=91.9%N2=(39.7-6.4)%=33.3%

（↑）……

将y’i带入（1-29）得LnA，将LnA带入（1-31）返回有空气状态得到LT。例：已知燃气的容积成分为=5.7％，=5.3％，=1.7％，=8.4％，=20.93％，=18.27％，=39.7％。求该燃气的爆炸极限(CmHn按C3H6计算)。解：氧1.7%空气中的N2为1.7×79/21%=652九、水化物概念：如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定温度压力条件下，水能与液相和气相的C1、C2、C3和C4生成结晶水化物CmHn·xH2O(对于甲烷，x=6～7；对于乙烷，x=6；对于丙烷及异丁烷，x=17)。

生成条件：在湿气中形成水化物的主要条件是压力及温度，次要条件是：含有杂质、高速、紊流、脉动(例如由活塞式压送机引起的)，急剧转弯等因素。九、水化物概念：生成条件：53未来能源：可燃冰。深海永久冻土层内，储量是煤、石油、天然气之和的2.84倍，1m3相当于160~180m3的天然气。我国可燃冰占石油总储量的一半。

水化物的生成，会缩小管道的流通断面，甚至堵塞管线、阀件和设备。水化物的防止：采用降低压力、升高温度、加入可以使水化物分解的反应剂(防冻剂)。脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水化物的程度。

未来能源：可燃冰。深海永久冻土层内，储量是煤、石油、54十、液化石油气的状态图（P-i图）状态图的使用方法：

在进行气态或液态碳氢化合物的热力计算时，一般需要使用饱和蒸气压P、比容ν、温度T、焓值i及熵值s等5种状态参数。为了使用上的方便，将这些参数值绘制成曲线图，一般称之为状态图。

只要知道上述五个参数中的任意两个，即可在状态图上确定其状态点，相应查出该状态下的其他各参数值。十、液化石油气的状态图（P-i图）状态图的使用方法：55CF——饱和液体线CS——饱和蒸气线TEMG——低于临界温度的等温线T’E’——高于临界温度的等温线OB——液体的比容线O’H’B’——气体的比容线AD——等熵线Cx——蒸气的等干度线液相气液共存相气相CF——饱和液体线CS——饱和蒸气线液相气液共存相56单位：kg/kg饱和液体线x=0，饱和蒸气线x=1

液相气液共存相气相干度：指单位质量的饱和液体和饱和蒸气中所包含饱和蒸气的质量。单位：kg/kg饱和液体线x=0，饱和蒸气线x=1

液相气液57例1-15注意等温线的标法例1-16分液相和气相比容例1-17

气化潜热=饱和蒸气与饱和液体的焓差例1-18绝热是等熵过程例1-19节流前后焓值不变，液体开始为饱和液体（x=0）例1-20

调压器：节流调压，等焓过程，气体开始为饱和蒸气（x=1）

例1-15注意等温线的标法58一、城市燃气的基本要求

1.热值高：大于14.7MJ/N·m32.毒性小：人工煤气要慎重发展

3.杂质少二、城市燃气的质量要求净化与回收的过程第三节城市燃气的质量要求一、城市燃气的基本要求第三节城市燃气的质量要求591.人工燃气及天然气中的主要杂质及允许含量指标（1）焦油与灰尘：小于10mg/N·m3（2）萘：低压管道夏天小于100mg/N·m3；冬天50mg/N·m3

中压以上管道夏天小于1000mg/N·m3；冬天500mg/N·m3（3）硫化物：小于20mg/N·m3（4）氨：小于50mg/N·m3（5）一氧化碳：小于10%（6）氧化氮：常清扫（7）水：进入长输管线前必须脱水堵塞管道、设备，使阀门失灵清除方法：氨水