天然气管道输送及操作技术

天然气管道输送及操作技术

天然气管道输送及操作技术

本课程的主要内容

1.概述

2.天然气的基本特性

3.天然气净化

4.管路中气体流动的基本方程

5.天然气管道输送

6.输气站与清管技术

7.天然气输送系统相关设备

8.内涂层减阻技术简介

第一章概述Introduction

§11天然气在国民经济中的重要性

一什么是天然气

所谓的天然气一般是指自然生成在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝

中多组分以烷烧为主的混合气体从广义上讲天然气可以说是气态的石油

二天然气的用途

天然气是清洁高效方便的能源天然气的热值较高每立方米平均为33MJ人

工煤气为146液化石油气878〜1087气态不含灰分容易完全燃烧不污染环境运

输方便它的使用在世界经济发展和提高环境质量中起着重要作用天然气近年其

年产量增长速度高于石油与煤在能源消费结构中的比例达235%我国2-3%

目前世界天然气为仅次于石油和煤炭的世界第三大能源据预测21世纪天然气

在能源消费结构组成中的比例将超过石油成为世界第一能源

其主要用途为

1城镇居民公共建筑和商业部门约占总用

量的415%天然气与其他燃料相比具有使用方便经济热值高污染少等优点

是一种在技术上已经得到证实的优质清洁燃料天然气代替其他燃料可以减少一

氧化碳CO二氧化碳C02氮氧化物NO及妙类等的排放有利于环境保护

2工业部门约占37%主要用作生产化工产

品和工业燃料的基本原料天然气的主要组分是甲烷此外还含有乙烷丙烷丁

烷及戊烷以卜煌类是重要的基本有机化工原料以天然气为原料可以生产出合成

氨甲醇低碳含氧化合物合成液体燃料等种类繁多的化工产品至今全世界已有

10%的天然气用于制取化工产品年产量已达到16亿吨

3发电厂约占19%以上特别是采用天然气联合循环发电技术后投资费用仅

为煤炭和核发电厂23左右对空气和水的污染也少因而使得以天然气为燃料

的发电厂更加具有竞争力

4运输部门所占比例不足1%天然气的一些特性使它有可能成为一种很有

吸引力的汽油替代燃料它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油

天然气的应用将会显著扩大21世纪将逐步取代石油并在世界能源消费结构

中占据主导地位世界能源消费结构趋势如下图所示

2003年全球十大天然气消费国一览表单位亿立方米

中国天然气资源分布情况

三天然气的来源

天然气可以从油田气和气田气获得

①油田气又称为油田伴生气它是与石油伴生的天然气伴随着石油的开采而

采出一般利用井上的油气分离器将石油与伴生气分离然后采用吸收法或其它方

法将气体中的碳氢化合物进一步分离提取的C3C4成分作为液化石油气销售C1C2

成分作为天然气使用或管道外输

②气田气是采自气田气井的天然气通常这种气体的甲烷含量较高可以达到

85〜97%C3〜C5只有2〜5%可以采用压缩法吸收法吸附法或低温分离法将C3C4

等重燃分离出来制取液化石油气其余纯净的天然气通过管道外输销售

③炼厂气从天然气的主要成分甲烷来说其来源还有炼油厂如蒸储气中05%

为甲烷催化裂化气中为59%热裂化气35%销重整气中107%为甲烷当然这些气

体不能划在天然气的范围量也不大但其用途是一样的

§12天然气储运系统概述

一天然气输送方式

1管道输送

优点输送量大技术成熟可靠缺点建设与输送成本较高适应灵活性较差

现代管输技术成熟约75%天然气通过管道输送

长距离输气管道发展趋势1平均运距增大最长单根输气管道是俄罗斯亚马

尔管道4451km2最大口径可达1420mm3高压力最高压力为12MPa海底21MPa4

自动化遥控采用SCADA对管网实施集散控制5形成大型供气系统6向极地海洋

延伸

2液化天然气LNGliquefiednaturalgas

制备液态储运即液化天然气LNG储运方式利用经过净化天然气的压力经膨

胀机制冷使其液化若压力过低需加压制冷温度-80〜-90C在LNG装置中使用

液氮补充冷却将其降至T63C成为液化天然气实现液态输送

关键技术预处理液化及储存液化天然气的气化冷量回收及安全技术等

LNG链开采液化LNG运输LNG接收与气化外输管线最终用户组成

优势1体积缩小620倍便于运输2代替深海地下长输管道省投资降成本3

超过3500km后船运占优势4有效回收边远零散天然气5投资省在等热能储气规

模下LNG储罐与管道储存设施相比占地少工期短受地质条件约束少

物性无毒无色无味液体T63℃密度450470燃点650℃爆炸限47%15%

应用1供城镇居民2远离气源且管线未到地方3城市燃气调峰4优质汽车

燃料5发电特钢等提高质量6冷能发电分离空气制干冰等间接冷冻食品低温医

疗等

3压缩天然气CNG管束容器储运compressednaturalgas

制备新西兰20〜25MPa压缩存储高压钢瓶中降温至5c充入管束内径为

1524mm高级钢管组成容器中在0135MPa释放净储气量为210VV〜280VV

优势与运距在1000km以上管道或LNG相比具有竞争力灵活性强投资少使不

能管输天然气得到有效的利用方便未铺设管道边远地区补充城市管道供气不足

不足1高压储存增加储气密度2建立专门高压加气站配备多级压缩系统投

资大3器壁厚自重增加运费大4高压储罐制作维护费用高5高压储气安全隐患

多

应用1清洁汽车燃料2气源3应急供气手段4气量不大用户距气源较远情

况

4天然气水合物naturalgashydrates

物性雪花状晶体笼型多面体结构密度088080gcm3含天然气164220m3m3

制备在35Mpa26℃下水与气充分接触逐渐生成水合物经过三相分离及脱除

游离水制成干水合物可在接近常压与-40C下长期稳定储存

性质提高压力温度也可提高储存压力36Mpa储运温度为08℃减压或增温

优点与LNG相比生产储运装置与工艺简单综合成本要比LNG低24%

5吸附天然气ANG储存adsorbednaturalgas

制备在储氢技术思路上开发借助罐内活性吸附剂利用巨大内表面和丰富微

孔结构使天然气在较低压力下34MPa以较高密度180VV240VV储于钢瓶中

技术优良性能吸附剂筛选与开发吸附剂储存容器结构设计

优点单级压缩储罐形状和用材选择余地大质量轻压力低使用方便安全可靠

ANG是最经济方法总费用仅为CNG一半吸附剂可重复使用

难题1高效专用吸附剂的投资大2吸附剂性能影响实际储气量3用后吸

附性能下降4自重增加5储气过程中释放热量产生的高温存在安全隐患6重

组份的滞留

二几种运输方式的比较

1管道输气是最主要方式适应范围广特别适用于长距离大运量运输

2具备海运条件运距很长LNG优于管道超过7000km时惟一经济运输方式

3LNGCNG内陆运输是管道有益补充主要适用于运量较小和分散供气的情况

4天然气水合物NGH输送方式的技术不十分成熟但具有发展前景

三管输天然气储运系统

天然气储运系统是由气田集输管网气体净化与加工装置输气干线输气支线

以及各种用途的站场所组成它是一个统一的密闭的水动力系统如下图所示

天然气储运系统示意图

1—井场2一集气站3—天然气净化厂和压气站4一到配气站的出口

56—铁路和公路穿越7一中间压气站8—河流穿越9一沟谷跨越

10一地下储气库11一阴极保护站12—终点配气站

四站场的种类与作用

1井场设于气井附近从气井出来的天然气经节流调压后在分离器中脱除游

离水凝析油及机械杂质经过计量后送入集气管线

2集气站将两口以上的气井来气从井口输送到集气站在集气站内对各气井

来天然气进行节流分离计量后集中输入集气管线

3压气站分为矿场压气站输气干线起点压气站和中间压气站当气田开采后

期或低压气田地层压力不能满足生产和输送要求时需设矿场压气站将低压天然

气增压至工艺要求的压力然后输送到天然气处理厂或输气干线天然气在输气干

线中流动时压力不断下降需在输气干线沿途设置压气站将气体增压到所需的压

力压气站设置在输气干线的起点则称为起点压气站设置在输气干线的中间某一

位置则称为中间压气站中间压气站的多少视具体工艺参数情况而定

4天然气处理厂当天然气中硫化氢二氧化碳凝析油等含量和含水量超过管

输标准时则需设置天然气处理厂进行脱硫化氢二氧化碳脱凝析油脱水使气体质

量达到管输的标准

5调压计量站配气站设于输气干线或输气支线的起点和终点有时管线中间

有用户也需设中间调压计量站其任务是接收输气管线来气进站进行除尘分配气

量调压计量后将气体直接送给用户或通过城市配气系统送到用户

6集气管网和输气干线在矿场内部将各气井的天然气输送到集气站的输气

管道叫做集气集网从矿场将处理好的天然气输送到远处用户的输气管道叫输气

干线在输气干线经过铁路公路河流沟谷时有穿越和跨越工程

7清管站为清除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力常在集气干线和

输气干线设置清管站通常清管站与调压计量站设在一起便于管理

8阴极保护站为防止和延缓埋地管线的电化学腐蚀在输气干线上每隔一定

距离设置一个阴极保护站

§13输气管道发展概况

一输气管道的分类组成及特点

管道输送是天然气的主要输送方式之一从油气田井口到最终用户历经矿场

集气净化管道压气站配气站以及调压计量等形成了一个统一的密闭的输气系统

输气管道一般按其输送距离和经营方式及输送目的分为三类一是属于油气田内

部管理的矿场输气管道通常称为矿场集气管线二是隶属某管道输送公司的干线

输气管道通常称为长距离输气管道三是由原城市煤气公司或其他燃气公司投资

建设并经营管理的城市输气管道通常称为城市输配管网

1矿场输气管道

矿场输气管道由采气管线和集气管线组成根据气田构造规模及气井分布等

可布置成直线或树枝状环状和放射状管网其特点是

1输送介质大多为未经净化或净化程度低的原料气原料气中含硫水二氧化

碳等杂质较高腐蚀性大

2输送距离短一般只有几公里至几十公里也有一些由油气田企业内部管理

的输气管道直接输送到附近城市或化工厂等如辽宁盘锦沈阳新民输气管道距离

稍长一些但一般中间没有增压站也只有一百多公里

3管径小一般在DN100〜DN300由油气田企业内部管理的直接输送到附近城

市或化工厂的输气管道管径一般多用377mm426mm或529mm

4压力变化大开采初期井口压力可能高达lOMPa或者更高随着地层压力的降

低到开采后期可能降到lOMPa甚至01〜02MPa

5集输系统流程复杂包括矿场集输管网流程和矿场集输站场工艺流程

2干线输气管道

干线输气管道主要由线路和输气站组成线路包括沿线截断阀阴极保护站输

气站包括清管站《天然气输气管道工程设计规范》GB50251-94规定清管站应建

在输气站内其它还包括通信自动监控道路水电供应线路巡检维修和其它一些辅

助设施和建筑对于采用低温输送工艺的管道还应有中间冷却站

干线输气管道是连接矿场集气系统和城市门站或配气站的纽带将经过矿场

处理后的洁净的天然气送往城市与矿场输气管道与城市配气管网相比其具有输

送距离长从几百公里至几千公里管径大一般在400mm以上最大可达1420mm压力

高操作压力在40〜lOOMPa的特点而且与其它输送方式或其它如油品等长距离输

送管道相比长距离输送天然气管道还具有如下特点

1这是一个复杂的动力系统运送量大管道绝大部分埋设于地下占地少受地

形地物及恶劣气候影响小能够连续运行再加上运送介质本身就是很好的动力源

可以靠消耗自身克服摩擦阻力将天然气运达目的地所以是目前最有效最大规模

的运输系统甚至是大量输送天然气的唯一有效办法

2从采气净化长输到城市供气各个环节形成了一个密闭系统上下游之间紧

密相连而又互相制约一方面便于管理和易于实现远程集中监控另一方面又存在

着矿场天然气生产的相对稳定与城市用户用气的不均衡性之间的矛盾作为中间

环节的长输管道要解决好这一矛盾其设计和运行管理要比矿场和城市输气管道

以及原油管道更复杂

3市场经济决定了要建设一条长输天然气管道要考虑一条管道为几家油气

田服务天然气的用户也要照顾沿线途经的城市城镇或地区以图取得最大的经济

效益和良好的社会效益由于中间有数个进气点和分气点的存在再考虑中间进分

气量的波动性和不均衡性对确定线路走向管道设计和运行管理工作要求更高

4同油田类似气田的开发与开采也存在近期和远期的问题近期产气量少而

地层压力高远期产气量多而地层压力低与输油管道不同的是在输气管道投产初

期可以在首站不设压缩机车间而充分利用地层压力进行输送对于远期提高输送

量而地层压力低是增设压气站还是建设复线或采用其他方案在管道设计时要进

行严格的技术经济论证确定最优建设方案

5不同于油品或普通工业用品天然气输送管道虽然输送的也是燃料能量或

化工原料但它最主要的是担负着向某一城市或某些城市和地区的居民供气涉及

国计民生和千家万户甚至社会稳定的问题一旦中断将影响所涉及的这些城市或

地区的人民的正常生活秩序和工业生产因此必须保证安全连续可靠地供气这要

在设计和管理上采取特别有效的措施予以保证

6天然气长输管道输送压力高介质易燃易爆与输油管道的安全性质完全不

同输气管道的损伤有可能引发爆裂或撕裂这种事故会给周围居民和环境造成巨

大破坏而且难以短期修复因此要求在管材的选用上要更慎重管子质量把关更严

格尤其在管道施工全过程中注意防止管子装卸碰伤和损坏绝缘层等在焊接过程

中防止产生裂纹要更加细致地施工从冶金制管勘察设计施工和运行管理全过程

中建立完善的输气管道质量保证QA体系

7长输管道要求有与之配套的通信道路交通水电供给等附属设施在以电动

机为原动机的压气站电力供应必须保证万无一失有线和无线通讯系统也是不可

缺少的设施之一是全线生产调度指挥的重要工具随着天然气工业的迅猛发展跨

国跨省跨地区的天然气输送管道正在建设或即将建设这就要求如通讯卫星微波

技术以及局域网和广域网等这些更先进更完善的技术应用到天然气长输管道的

通信调度指挥系统和生产自动化的信息传输系统中来确保管道连续可靠和高效

运行

3城市输气管道

城市配气系统主要包括配气站配气管网及支管储气库和各类调压站所它的

任务就是从配气站或称城市门站开始通过各级配气管网和气体调压所保质保量

地直接向用户供气

城市输气管道从城市门站开始遍布整个城市和近郊通常有树枝状和环状两

种布置方式以环状居多其主要特点为

1管径变化范围宽小到居民进户的户内管为20mm大到兼有储气功能的高压

干环的1m以上

2压力等级多对于规模较大的城市尤其是人口多密度大的特大城市配气管

网多采用多级系统这些管道按照《城镇燃气设计规范》GB50028-93根据压力高

低分为五个等级

高压A级08pW16MPa

B级04pW08MPa

中压A级02pW04MPa

B级0005p这02MPa

低压A级pW0005MPa

3气体从高压力等级管网输入低压力等级管网必须经过调压绝不允许不同

压力等级的管道直接连通

4城市配气管网的设计应遵照《城镇燃气设计规范》GB50028-93执行

5如果城市或城镇敷设压力高于16MPa的燃气管道称为超高压燃气管道其设

计应按照《输气管道工程设计规范》GB50251-94进行

二世界著名大型输气管道

1前苏联乌连戈依中央输气管道系统这是原苏联的两大天然气管道系统之

一堪称世界最大的天然气管道系统全系统由6条输气干线组成总长2万公里管子

直径为10201220和1420毫米1981年开工建设1985年投产当年全系统输气量达

到1800亿米3其中最著名的干线之一当属亚马尔输气管道是由前苏联出口到欧

洲的德国法国和意大利全长9000公里当时被称为超大型横贯大陆的输气管道直

径1420毫米工作压力75MPal982年10月动工1984年4月投产共用18个月完成

且当年达到满负荷运行输气量320亿米3年该管线在原苏联境内4451公里建设

了41座压缩机站和两座冷却站经西西伯利亚地区穿越水域945公里穿越河流

700余处森林区2128公顷以及永冻土区等不论从施工难度管口径之大里程之长

压气站之多还是输气量至今仍为输气管道之最

2阿意输气管道这是一条跨国管道工程又是一条跨洲际的管道途径阿尔及

利亚突尼斯到达意大利该管道是将位于阿尔及利亚萨哈拉大沙漠中的哈西迈勒

HassiR'Mel大气田的天然气输至意大利北部的博洛尼亚Bologna全长2506

公里管子直径分别采用5001060和1220毫米操作压力75MPa全线设有压缩机站

12座其中阿尔及利亚境内4座突尼斯境内3座西西里岛2座意大利半岛上3座

1976年开始动工建设1983年初投产年输气量125亿米3该管道有两大突出特点

其一这是第一条连接非洲与欧洲的洲际输气管道第二管道穿越地中海创建了水

深600米的海底管道是当时世界上海下最深的输气管道因此通常更多地被称为

穿越地中海输气管道Trans-MediteraneanGasPipeline开创了超常规深海管道

铺设的先例为深海管道铺设和向更深海域的管道铺设提供了宝贵的经验

3横贯加拿大输气管道总长8500公里经过加拿大四个省另又铺设一条复线

经北美大湖区向美国出口天然气管线直径916毫米操作压力69MPa沿线设有46

座压气站和两座移动式压缩机组该管线美国境内段1977年投产整个系统实现了

全盘自动化

4美国东线输气管道管径1022毫米全长1337公里操作压力988MPal973年

申请建设直到1985年才建成投产历时12年

5加拿大阿恩莱斯输气管道这也是世界著名的天然气管道之一管径914毫米

全长3000公里操作压力988MPa2000年10月建成投产

6美加合作阿拉斯加段输气管道这条管道是一条对风险估计不足而未能建

成的管道作为反面教材具有代表性原名阿拉斯加公路管道建设的目的是将阿拉

斯加普鲁德霍湾的油气田可采储量7360亿米3的天然气经7728公里多条输气管

道组合的管网输送到美国的中部和西部原设计数据为管径1220毫米输送压力

866MPa阿拉斯加段长度1176公里1970年开始起步经过5年的时间研究将天然

气的温度降至11〜T7C就可以用埋地管道安全地通过永冻土和半永冻土地带

输送研究取得成功以后1977年申请联邦政府获得批准但最终并未建成究其原因

除涉及美国能源政策美国当时的经济状况投资风险以及到美国本土的气价等问

题外也存在对于输送工艺不成熟的问题该管道的建设流产为以后其它管道的建

设提供了经验教训

三我国输气管道发展简介

我国是最早使用管道输送天然气的国家之一公元1600年左右竹管输气已有

很大发展从长竹剖开去节合缝漆布一头插入井底其上曲接以口紧对釜脐的一井

一管一锅的就地使用到一井口接数十竹者并每竹中间复横嵌竹以接之的分输距

离也从周围砌灶发展到以竹筒引之百步千步的长度显示了我国古代劳动人民的

智慧和管道建设水平但是真正意义上的天然气长输管道在20世纪50年代以前还

是空白随着四川天然气的相继开采输气管道建设也蓬勃兴起自1963年在四川省

建成了我国第一条大口径输气管道巴渝线管径426毫米全长55公里之后又陆续

建成了付纳线*720X8威成线(1)630X7泸威线(1)630X8卧渝线*426X6等输气

管道1984年底建成四川南半环输气管网干线总长3400公里1987年底四川北半

环东起渠县西至成都的输气管道投产北干线全长330公里管径720毫米途径11

个县市全线设计量站清管站阴极保护站和截断阀室共18座采用密闭正反输清管

流程计算机程控计算大型电动球阀或气液联动操作不停输程控清管并具备事故

自动截断功能配套的通信工程为数字微波通信至此四川环形天然气输送管网初

步形成环状的输气干线和枝状集输管线组成的输送系统将四川气田开发区域与

各大城市连在一起形成了一个四通八达输配自如的输气管网系统

到目前全国的近2万公里输气管道中13左右集中在四川省此外在各油

气田也相继修建了一批输气管道分布在大庆辽河吉林华北胜利大港中原长庆新

疆等油气田的天然气和油田气输送管道总长度超过5000公里这些管线的技术水

平与川内管线水平相近其中中沧线是我国第一次采用燃气轮机驱动离心压缩机

输送油田伴生气的输气管道全长362公里管径426毫米输送压力25MPa横跨河南

山东河北3省12个县市全线设压气首站末站和调压计量站各一座中间清管站3

座濮阳开封输气管道在穿越黄河施工中首次使用引进的水平定向钻在黄河河底

27米处回拖一次成功穿越长度1380米

进入20世纪90年代以后尤其是西部大开发战略的实施随着长庆油气田

和新疆天然气的开发我国的天然气长输管道建设进入了快速发展时期海洋长输

管道建设掀开了新篇章1992年我国建成了全长485公里的锦州20-2气田至兴城

的海底输气管道是我国第一条海底登陆管道随后在南中国海莺歌海水域敷设了

两条海底输气管道一条是崖城13T气田至香港一条是崖城13T气田至海南岛其

中至香港的管道全长778公里管径7112毫米28英寸壁厚1712毫米设计压力

80MPa材质X-65由美国阿科公司负责设计和建造1996年已投产该管道所经水域

平均水深100米深水段707米是我国目前最长的海底输气管道在世界居第二位

1993年7月建成了我国最长的24745公里亚洲口径最大①630X7-6720X7的

黑龙江伊兰至哈尔滨人工煤气长输管道最大工作压力216MPa管道施工首次采用

纤维素焊条打底低氢型焊条填充盖帽的焊接新工艺同时首次大规模使用了性能

良好的环氧煤沥青进行防腐1997年相继建设了陕京线靖边至北京①660920公里

靖边至西安①406486公里靖边至银川①406303公里和轮南至库尔勒①660223公

里等天然气管道这些管道的设计都采用了最新的制管技术管道防腐技术以及国

外80年代的新技术新设备和SCADA监控系统使我国的天然气管输技术水平大大

向前推进了一步

3西气东输工程

西气东输是我国西部大开发战略的标志性工程之一广义上的西气东输

工程有三条输气管道备受瞩目建成后将使亿万民众受惠

一是青海涩北至甘肃兰州涩一宁一兰线全长953公里管径660毫米输气

能力20亿米3年总投资约25亿元2000年开工建设2002年竣工投产向西宁兰州

地区供气

二是重庆忠县至武汉的输气管道忠武线全长738公里管径711毫米输气

能力30亿米3年总投资约30亿元2000年开工建设除忠武干线外还规划了武昌-

黄石枝江-荆门-襄樊和潜江-长沙三条支线向湖北湖南地区供气

三是于2002年7月4日正式全面开工的举世瞩目的新疆塔里木至上海

的输气管道通常所说的西气东输该管道是我国目前距离最长管径最大压力最高

投资最大的输气管道也是我国改革开放以来规模最大的中外合作项目中方包括

中油集团和中石化集团占55外方包括壳牌中国勘探与生产有限公司俄罗斯天然

气工业股份公司和埃克森-美孚中国天然气管道有限公司占45从世界范围来看

堪当世界著名管道之一全长4000多公里管径1016毫米操作压力lOMPa输气能力

120亿米3年全线设输气站31座包括首末站中间压气站分输站清管站干线用钢

160万吨螺旋管约2750公里直缝管约1250公里材质选用X70总投资约460亿元

途径新疆甘肃宁夏陕西山西河南安徽江苏浙江上海等10个省市自治区除干线外

还规划了包括安徽定远-合肥江苏常州-浙江杭州江苏南京-安徽芜湖和浙江杭州

-上海等支线工程覆盖东部地区8500万户居民生活用气

另外西气东输的建设对我国的输气管道整体设计和建设水平既是考验

又是锻炼其工程建设的难点包括三山一嫄五越一网三山吕梁山太岳山太行山一

塘黄土嫄五越三次穿越黄河一次穿越淮河一次穿越长江一网江南水网西气东输

工程完工投运使我国的输气管道设计建设和管理水平取得了很大的进步

四我国未来10年内管网的总体布局

目前我国天然气管道以及原有城市燃气管网存在的问题是分布不均不

成系统管线老化技术水平落后不能联网供气可靠性差和管道输气能力利用低等

为了克服这些问题必须对新建管道干线及下游管网总体布局总体规划

我国未来10年内管网的总体布局可以用一句话概括两纵两横四枢纽五

气库按照这个总体规划将共建管道1万公里管网总供气能力达1200亿米3年建

设地下储气库130〜150亿米3其中两纵是指两条南北向输气干线即萨哈林-大庆

-沈阳干线和伊尔库茨克-北京-日照-上海干线两横是两条东西向输气干线即新

西伯利亚-乌鲁木齐-西安-上海干线和万县-枝江干线四枢纽是指北京上海信阳

和武汉等地设立调度中心或分调度中心五气库是在大庆北京山东上海和南阳等

地区建设地下储气库这样由新老干线支线和储气库组成遍布全国的天然气管网

由调度中心和分调度中心统一调度管理组成一个可靠的供气系统

第二章天然气的基本特性TheBasicCharacteristicsofNaturalGas

§21天然气的组成与分类

一天然气的组成

天然气是由煌类化合物非煌类气体和其它复杂成分组成的混合物

1煌类包括烷煌环烷煌烯烧芳香煌以烷烧为主

1低分子饱和煌其中甲烷CH4占绝大多数其次为乙烷C2H6丙烷C3H8丁烷

C4H10少量的戊烷C5H12己烷C6H14庚烷以上烷；IS含量极少

在常压20℃293K下甲烷乙烷丙烷丁烷呈气态戊烷及以上至十七烷妙呈液态

十八烷为固态

2非饱和烧如乙烯C2H4丙稀C3H6丁烯C4H8

3环状燃化合物含量极少如环戊烷环己烷苯甲苯二甲苯等

2非煌类气体随不同气田而不同存在的种类与含量高低悬殊很大

一般有二氧化碳C02一氧化碳CO氮N2氢H2硫化氢H2S和水汽H20惰性气

体如氧He氤Ar等

其中氨He气是重要的战略物质在不同时期He的用途分配不一但是有一

点却是相同的几乎绝大部分用于军事或尖端科技领域我国预期计划He将用于火

箭及航天卫星发射光纤通讯分析色谱飞艇提升低温超导等

氢是如此的重要而世界上消耗的氮气主要就来自于含He的天然气即使目前

认为无经济价值的贫He天然气其He含量也要比大气中的He含量高出两个数量

级因此迄今含He天然气几乎是唯一经济的提氮来源

3有机硫化物类硫醇类硫酸类硫氧化碳二硫化碳等有机化合物

4其它近年的资料中还报导了天然气中含有汞氮-222天然气凝液中含有

汞和针

在一些天然气藏中还含有多硫化氢H2Sx和以胶溶态粒子形态存在的沥青质

其中多硫化氢在气藏的温度压力降低时可能会分解为硫化氢和硫磺这些硫磺在

一定条件下变成硫蒸气当温度降低至硫磺凝固点以下时呈硫磺晶体析出从而有

可能堵塞管道阀门

二天然气组成的表示方法

天然气是一种气体混合物其组成有三种表示方法即体积分数摩尔分数和质

量分数而每种表示方法又都可以用小数或百分数表示

1组成的三种表示方法

1体积分数

如果混合物中各组分的容积为VlV2V3Vn它们之和为总体积V其中某一组分

i的体积为Vi则其容积分数yi为

根据定义有

2摩尔分数

如果混合物中各组分的摩尔数为nln2n3nn它们之和为总摩尔数n其中某一

组分i的摩尔数为ni则其摩尔分数yi为

也有Eyi1

3质量分数

气体混合物总质量为m其中i组分的质量为mi则该组分的质量分数xi

为

£xi1

2三种表示方法之间的关系

1体积分数与摩尔分数

理想混合气体总压为p总体积为V总摩尔数为n其中i组分的分压为pi体

积Vi摩尔数为ni

气体状态方程

a

由道尔顿定律分压定律piVniRMTb

由混合气体分容定律c

分别用b式c式与a式相比得到

结论对于理想气体混合物任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合

物总压的比值表示且摩尔分数与容积分数相等

当然对于理想气体来说Ikmol的气体体积均为224nl3这样也可得到yiyi

的结论另外当压力足够低温度足够高即密度足够小时可以近似将实际气体视为

理想气体

2由体积分数或摩尔分数计算质量分数

假设第i组分的摩尔数为ni摩尔质量为Mi则其质量为miniMi

按照质量分数定义

3由质量分数计算体积分数或摩尔分数

假设第i组分的质量为mi摩尔质量为Mi则其摩尔数为nimiMi

按照摩尔分数定义

例1某气田天然气的体积组成如下

甲烷CH49623%乙烷C2H6173%丙烷C3H8017%丁烷C4H10014%戊烷

C5H12007%二氧化碳C02027%氮气N2127%水H20012%试求其质量组成

解由2—5式

甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷二氧化碳氮气水合计

体积分数yi%9623173017014007027127012100摩尔质量

1630445872442818质量分数xi%9265312045

049030071214013100例2某气田天然气的质量组成如下

甲烷CH49265%乙烷C2H6312%丙烷C3H8045%丁烷C4H10049%戊烷

C5H1203%二氧化碳C02027%氮气N2127%水H2O012%试求其体积或摩尔

组成

解由2—6式

甲烷乙烷丙烷丁烷戊烷二氧化碳氮气水合计

质量分数xi%9265312045049030071214013100摩尔质量

1630445872442818体积分数yi%9623173017

014007027127012100三天然气的分类

有三种分类方式

1按矿藏特点分

1纯气藏天然气气井气纯气田天然气

在地层中呈气态甲烷含量最高但随成分的不同采出到地面后在分离器

或管系中可能有部分液态煌析出

2凝析气藏天然气凝析气井气凝析气田天然气

在地层原始状态下呈气态但开采到一定阶段随着地层压力下降流体状

态跨过露点线进入相态反凝析区部分煌类在地层中呈液态析出凝析液主要为凝

析油具有高含量的轻燃液

3油田伴生天然气油田气

在地层中与原油共存在采油过程中与原油同时被采出经油气分离后所

得的天然气以及原油稳定工艺回收的原油稳定气

2按煌类组分关系分

1C5界定法按照C5及以上烧液含量分为干气与湿气

1干气在地层中呈气态采出后在一般地面设备和管线中也不析出液态

燃的天然气lm3C5及以上燃液含量低于135cm3

2湿气在地层中呈气态采出后在一般地面设备的温度压力下即有液态

煌析出的天然气lm3C5及以上燃液含量高于135cm3

2C3界定法按照C3及以上烧液含量分为贫气与富气

1贫气C3及以上烧类含量少于94mLm3的天然气

2富气C3及以上烧类含量大于94mLm3的天然气

3按酸气含量硫化氢二氧化碳分

1酸性天然气

含有显著量的硫化氢甚至有可能含有有机硫化合物二氧化碳等酸性气

体需经处理才能达到管输商品气气质标准的天然气

2洁气

硫化氢和二氧化碳含量甚微不需要进行净化处理的天然气

管输标准为20mgm3

§22天然气的物理化学性质

一状态参数

状态天然气在变化过程中某一瞬间所处的宏观物理状况称为状态状态参数

描述天然气所处状态的宏观物理量称为〜例如压力温度比容或密度状态参数一

旦确定天然气的状态也就确定了

1压力

单位面积上所受到的垂直作用力称为〜物理上称为压强用符号p表示

p=FA2-7

1表示压力大小的方法

绝对压力气体或液体的真实压力或者以零作为测量起点

相对压力表压用压力表测得或者以大气压作为测量起点

真空度绝对压力低于大气压力时低于的部分

绝对压力p绝absolute相对压力p表gauge真空度p真空vacuume的关

系表述为

P绝p表pb大气压2-8

p绝pb—pv2~9

2压力的单位

①法定单位国际单位制kgms制帕斯卡PalPa=lNm2

兆帕斯卡MPalO6Pa千帕斯卡kPa103Pa

②工程单位标准大气压或物理大气压atm

760mmHgl01325X105Pa

工程大气压at公斤力厘米2kgfcm2

③其它单位巴barlO5Pa

磅力英寸21bfin2

Ubfin2=04536kgf2542cm2703X10-3kgfcm2

毫米水柱或米水柱mmH20或mH20

2压力的单位的换算

见梁平主编18页

2温度

温度是为了描述物体冷热状态而引入的一个宏观物理量通常规定较热的物

体具有较高的温度实验表明物体在宏观上表现

得愈热其内部分子运动也愈剧烈因此温度必然和物体内部分子运动的能量

有着某种紧密的联系或者可以说温度是物体内部分子无规则运动剧烈程度的一

个标志一种度量尺度因此从微观上看温度是物质分子热运动激烈程度的标志

温度的数值表示方法称为温标温度计读数的显示有赖于温标的确定也

就是说要确定基准点例如日常生活中常用的摄氏温标就是在标准大气压力下以

水的冰点为零度水的沸点为100度将水银柱的高度变化划分为100个等份而得出

1摄氏温标按法定计量单位规定摄氏温标为实用温标符号为t单位为七摄氏

度是瑞典人摄尔休斯提出的

2热力学温标开氏温标又称绝对温度符号为T单位为K开热力学温标规定纯

水三相点温度即水的汽液固三相平衡共存时的温度为基准井指定为27316K每1K

为水的三相点温度的1/27316是英国人开尔文提出的

3华氏温标华氏温标在我国为已被废除的非法定计量单位但在欧美还常被

采用它是将水在1个标难大气压下的冰点和汽点分别定为32度和212度冰点和

汽点之间分为180个等份每一等份为1度它也是选取某种测温属性随温度的线性

变化来进行标定的华氏温标用。F表示符号用tF

摄氏温标与热力学温标和华氏温标的关系为

或

-40F是℃

注上式中27315是国际计量会议规定的

3比体积比容或密度

比体积是单位质量物质所占据的体积称为比体积m3kg符号若以m表

示质量V表示其所占体积则比体积v=Vm

密度是单位容积内所含物质的质量kgm3符号若以m表示质量V表示其

所占体积则密度P=Vm

不难看出比体积与密度互为倒数即P=lv或Pv=l

从微观意义上讲对一定气体而言密度比体积均为描绘分子聚集疏密程度的

物理量

二天然气的平均参数

1气体的标准状态

天然气是由互不发生化学反应的多种单一组分气体混合而成它的平均参数

或视参数可由单一组分气体的性质按混合法则计算因而各单一组分气体的特性

是计算该混合气体的基础数据而气体的特性与气体所处的状态有关目前规定的

的标准状态有三种

11954年第十届国际计量大会CGPM协议及国际标准IS07504-84规定温

度27315Koe压力101325X105Pa为标准状态StandardCondition

国际标准化组织ISO7504还推荐环境压力和1520232527C等为正常状态

NormalCondition

2美国国家标准ANSI的标准状态为温度28815K15℃压力101325X105Pa

3我国《天然气流量的标准孔板计量方法》SYL04和GB1314-77规定的

标准状态通常称为工程标准状态温度29315K20℃压力101325X105Pa这是我国

计量气体体积流量采用的标准

2天然气的视相对分子量

标准状态下Ikmol天然气的质量定义为天然气的相对平均相对分子量

简称天然气的视相对分子量或分子量

MEyiMi或

3天然气视临界参数和对比参数

1天然气视临界参数

任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液体但当高于该温

度时无论压力增加到多大都不能使之液化那么可以使气体压缩成液体的这个极

限温度称为该气体的临界温度对应临界温度使气体液化所需的压力称为临界压

力该状态称为临界状态临界状态下的温度压力密度或比体积分别称为临界温度

Tc临界压力pc临界密度Pc或临界比体积vc混合气体的视临界参数可按凯Kay

法则计算

lcLyilei

pcEyipci

Pc£yiPci或

2天然气的对比参数

天然气的压力p温度T密度P或比容v分别与其视临界压力视临界温度

视临界密度或视临界比容之比称为对比压力pr对比温度Tr对比密度Pr或对比

容积vr统称为对比参数

或

三天然气的物理性质

1天然气的密度

1天然气的平均密度

指在规定状态下单位体积天然气的质量符号P单位kgm3

Ikmol气体质量为M容积为VM则其密度可以写为

2-64

混合气体的密度可根据各组分的摩尔分数或容积分数与各自的千摩尔

质量和摩尔容积计算

或

在p101325X105Pat0℃的标准状态下对于理想气体VM22414n13则

气体密度的倒数称为比容用v表示单位为m3kg

2天然气的相对密度

指在相同的指定压力温度状态下天然气的密度与干空气密度的比值△

符号无量纲写为

式中d天然气的相对密度

P天然气的密度kgm3

Pa干空气密度kgm3

一般所说的天然气的相对密度是指标准状态和工程标准状态的即

标准状态P101325X105PaT27315K0℃时干空气密度Pa1293kgm3

工程标准状态p101325X105PaT29315K20℃时干空气密度Pa

1206kgm3

另外还可以用各组分的摩尔分数或容积分数与各自的相对密度计算

dEyidi2-67

式中dii组分气体的相对密度

2天然气的粘度

同液体一样气体在运动时也表现出粘度的性质但形成的内摩擦原因却不尽

相同两层气体相对运动时气体分子之间不仅具有相对移动造成的内摩擦而且由

于气体分子无秩序的热运动两层气体分子之间可以互相扩散和交换也会引起内

摩擦

气体的粘度也受温度和压力的影响在低压时温度升高气体分子无序热

运动增强气层间的加速和阻滞作用增加因此气体的粘度随温度升高而增大压力

增高气体的粘度也增大随着压力的增加温度升高对气体粘度的影响逐渐减小当

压力增加到一定程度后有资料介绍当压力高于lOMPa以上时温度对气体粘度的

影响接近液体气体粘度随温度升高而降低

气体的粘度包括动力粘度和运动粘度

动力粘度用符号U单位Pa-S常用单位泊P厘泊cPlPa•S10PlOOOcP

运动粘度用符号v单位m2S常用单位托St厘托cStlm2S104St106cSt

3天然气的湿度

天然气中往往含有水汽天然气中含水汽多少就用湿度或含水量来描述

1绝对湿度和相对湿度

绝对湿度是指单位体积天然气与水汽的混合物中含有的水汽质量符号

Wa单位kgm3或mgm3

WamwV

由气体分压定律pwVmwRMTMw

则WapwMwRMT

Mw水蒸气千摩尔质量Mw18kgkmol

RM通用气体常数RM83143Jkmol-K

所以Wa2165X10-3pwT

从上式可以看出在一定温度下天然气的绝对湿度只与水蒸气的分压有

关

若温度一定水分增加到天然气被水蒸气所饱和时混合气体中的水蒸气分压

也就达到该温度下的最大值饱和蒸气压PwO此时的绝对湿度称为饱和湿度用WaO

表示

Wa0=2165X10-3Pw0T

相对湿度就是天然气的实际绝对湿度与同温度下的饱和湿度之比符号中

中WaWaOpwpwO

当天然气中水蒸气达到饱和时中1

2饱和含水量与水露点

含水量是指单位体积干天然气中所含的水蒸气量符号Wkgm3

WmwVg

由气体分压定律

带入上式得

当达到饱和时天然气的含水量称为饱和含水量记为W0此时中1有

在标准状态下pgMg22414且Mw18带入上式得

WO0803Pw0p-pw0

上式中水的饱和蒸气压PwO是温度的单值函数可见在标准状态下气体的饱

和含水量只与气体总压和温度有关而与气体种类和组成无关

水露点是指在压力一定下逐渐降低温度当天然气中水蒸气开始冷凝结露时

的温度反过来有泡点的概念

关于饱和含水量的计算《输气管道设计与管理》一书38页给出了相对

密度06纯水的饱和含水量图或露点图

3煌露点

天然气的煌露点是指一定组成的天然气在一定压力下冷凝当析出第一

滴烧类液珠时的温度可以根据天然气组成和压力温度条件进行计算也可以用仪

器直接测量

其计算涉及气体混合物的饱和蒸气压和相平衡的知识下面作简要介绍

①饱和蒸汽压与温度的关系

液态燃的饱和蒸汽压简称蒸汽压就是在一定温度下密闭容器中的液体

及其蒸汽处于动态平衡时蒸汽所表示的绝对压力

蒸汽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汽压

增大一些低碳煌在不同温度下的蒸汽压见表

②混合液体的蒸汽压

根据道尔顿定律混合液体的蒸汽压等于各组分蒸汽分压之和根据拉乌

尔定律在一定温度下当液体与蒸汽处于平衡状态时混合液体上方各组分的蒸汽

分压等于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以其在混合液体中的摩尔分数因此混

合液体的蒸汽压可按下式计算pEpiEyi液相pi

P-混合液体的蒸汽压Papi-混合液体中i组分的蒸汽分压Payi液相一

混合液体中i组分的摩尔分数pi-该纯组分在同温度下的蒸汽压Pa

②相平衡常数

如前所述当混合液体与其蒸汽处于平衡状态时各组分的蒸汽分压为

piyi液相pi

根据混合气体分压定律各组分的蒸汽分压为

piyi气相P

由上两式得到

ki-相平衡常数p—混合液体的蒸汽压Pi—混合液体中i组分饱和蒸汽压yi

气相一该组分在气相中的摩尔分数等于容积成分yi液相一该组分在液相中的

摩尔分数

相平衡常数表示在一定温度下一定组成的气液平衡系统中某一组分在该温

度下的饱和蒸汽压pi与混合液体蒸汽压p的比值是一个常数ki并且在一定温度

和压力下气液两相达到平衡状态时气相中某一组分的摩尔分数yi气相与其液相

中的摩尔分数yi液相的比值同样是一个常数ki

工程上常利用相平衡常数来计算液化石油气的气相组成或液相组成各

常用碳氢化合物燃的k值可由图查得

使用图时先连接温度和碳氢化合物两点之间的直线并向右延长与基准线相

交然后把此交点同反映系统中蒸汽压的点相连此连接线与相平衡常数线相交的

地方即可求得k值

如查温度20C系统压力067MPa丙烷的相平衡常数

一些碳氢化合物的相平衡常数计算图

1-甲烷2-乙烷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

③碳氢化合物混合气体的露点

碳氢化合物混合气体的露点与混合气体的组成及其总压力有关在混合

物中由于各组分在气相或液相中的摩尔分数之和都等于1所以在气液平衡时满

足以下关系

上两式中的符号意义同前

当已知混合物气相组成时可按上两式通过计算的方法来确定在

某一定压力下的混合气体露点具体计算步骤为

i假设一露点温度根据假设的露点和给定的压力由图查出各组分在相应温

度压力下的相平衡常数ki

ii认算出平衡液相中各组分的摩尔分数

iii若Eyi液相=1则原假设的露点温度正确否则再假设一露点进行计算直

到满足Eyi液相=1为止

例已知某混合气体的容积分数为y丙烷25y正丁烷71y异丁烷904求当

压力为0914MPa时的露点

解假定露点温度为550C根据露点和压力由图查得该温度压力下的平衡常

数分别为

k丙烷182k正丁烷065k异丁烷088

再假设露点为65℃由图查得k丙烷22k正丁烷083k异丁烷11

用内插法求得0914MPa时的露点为615℃

四天然气的热力性质

1比热和比热容

在不发生相变和化学变化的条件下加热单位质量的物质时温度升高

1℃所吸收的热量称为此物质的比热单位为kjkg•K或kjkg•°C同样条件下加热

单位体积的物质时温度升高所吸收的热量称为此物质的比热容单位为

kjm3・K或kjm3•℃另外还有摩尔比热其意义与上类同比热和比热容代表相同类

型的量只是单位不同因此现在对两者已不加区别以下统称为比热

不同的热力过程同样升高或降低1度其吸入或放出的热量也不同一般

定容过程和定压过程的比热最有现实意义常用的比热主要有定容比热容和定压

比热容

1定容比热气体加热在体积不变的情况下进行加入的热量全部转变为分子

的动能使气体的温度升高符号cv

2定压比热气体加热在压力不变的情况下进行加入的热量除用于增加分子

的动能使气体的温度升高外还有一部分作为机械能对外作功符号cp

这样看来同样温度升高1度定压过程需要的热量要比定容过程要多即

cpCV两者的关系为

cp=cv+R

R—气体常数

2焦耳-汤姆逊系数

焦耳-汤姆逊系数是在研究一个被称为焦耳-汤姆逊膨胀过程的流动过

程时得到的如图所示让气体在管道中通过一多孔塞从高压区向低压区流动或称

膨胀过程稳定绝热地进行因为气体不可能自发的从低压区向高压区扩散因此无

论过程多么缓慢都是不可逆的

保证高压侧的压力温度P1T1不变而改变并维持低压侧压力在P2ap2bp2c等

等并分别测得相应的温度T2aT2bT2c等把这些点画在T-P图上就有一系列离散点

12a2b2c然后改变P1T1重复上述过程如此作一系列类似的实验就可以得到一簇

等焰曲线

焦耳-汤姆逊膨胀实验示意图

在这些曲线上任一点的斜率称为焦耳-汤姆逊系数

当由于节流作用温度随着压力的降低而降低称为冷却效应

对于干线输气管道一般取3〜5℃MPa

五天然气的燃烧性质

1天然气的热值

lm3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值简称热值单位kjm3或

MJm3天然气的热值有高热值和低热值之分

高热值又称全热值是指在恒定压力101325X105Pa恒定温度T一般为

25c下燃气完全燃烧生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出时所放出的热量

低热值又称净热值是指在恒定压力101325X105Pa恒定温度T一般为

25℃下燃气完全燃烧生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量

显然高低热值之差即为水蒸气的气化潜热一般在应用时计算燃气具热效率

时采用高热值为标准热值而在实际当中烟气排放均比水蒸气冷凝温度高得多水

蒸气并没有冷凝或者说冷凝潜热得不到利用所以工程计算中一般采用低热值

2华白数燃烧势

1华白数

又称沃贝尔数沃泊指数是燃气的热负荷指数等于燃气高热值Hs与相对

密度d开方的比值代表燃气性质对热负荷的综合影响符号Ws单位kjm3

WsHsdl2

2燃烧势

燃烧速度指数当燃气的组分和性质变化较大或者掺入的燃气与原来燃

气性质相差较大时燃气的燃烧速度会发生较大变化仅用华白数已不能满足设计

需要所以我国的燃气分类标准中又引入燃烧速度指数燃烧势CP来全面判定燃气

的燃烧特性

CP-燃烧势

H2-燃气中氢体积分数

CmHn-燃气中除甲烷以外碳氢化合物体积分数

CO-燃气中一氧化碳体积分数

CH4-燃气中甲烷体积分数

d-燃气相对密度空气相对密度为1

K-燃气中氧含量修正系数

02-燃气中氧体积分数

3天然气的爆炸极限

在室温和101325kPa下可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时

的可燃气体浓度范围称为爆炸极限

可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时氧化反应产生的热量不足以

弥补散失的热量使燃烧不能进行这一极限称为爆炸下限当其浓度超过某一极限

时由于缺氧也无法燃烧该极限称为爆炸上限某些可燃气体的爆炸极限见下表

气体甲烷乙烷乙烯丙烷丙稀正丁烷正戊烷一氧化碳

硫化氢爆炸下限％529272120151412543爆炸上

限%1513349511785837424551只含有可燃气体的混合气体

其爆炸极限可按下式估算

2含有含有惰性气体的燃气其爆炸极限范围将缩小可按下式估算

L-含有惰性气体的燃气的爆炸上下限％体积

上扣除惰性气体含量后重新调整各组分体积分数后计算得到的燃气的爆炸

上下限％体积

Ui-惰性气体体积分数

另外含有氧气空气的混合气体爆炸极限可参阅其它资料

六气体状态方程

描述气体压力比容和温度之间相互关系的方程就是气体状态方程对于研究

可压缩气体的状态和流动规律是十分重要的我们把气体的压力p密度P或比容v

和温度T这三者关系称之为PVT特性

1理想气体及其与实际气体的区别

主要有两点分子是质点没有体积分子间无作用力实际上这样的气体是

不存在的当压力足够低温度足够高即密度足够小的情况下例如常温常压或低压

我们可以近似使用理想气体状态方程

2理想气体状态方程

pvRT2-29

pVMRMT2-30

pVmRTnRMT

p气体压力Pa

v气体比容m3kg

R气体常数kjkg-K

T气体温度K

VMlkmol气体容积m3kmol

RM通用气体常数或普适常数RM83143kjkmol•K

Vm公斤或n摩尔气体容积m3

m气体质量kg

n气体摩尔数kmol

气体常数R与通用气体常数RM的关系为

RRMM

3实际气体状态方程

在天然气输气管线上输气压力高达几兆帕甚至更高此时天然气与理想气体

的性质差别很大分子体积和分子间的作用力必须予以考虑为了考虑这些效应范

得瓦尔VanDerWaals在1873年提出了定性描述实际气体一般特性的范得瓦尔

状态方程之后又出现了大量的经验或半经验半理论的关系式

工程实际中经常使用的带压缩因子Z的状态方程

PZPRT或pvZRT或pVZmRT或pVZnRT2-33

式中的Z称为压缩因子或压缩系数它表示实际气体与理想气体的差别

由状态方程可以看出Z是一个状态参数但对理想气体在任何状态下都有Z1

4对比态原理

任何实际气体的Z值要通过实验来确定但大量实验表明

在相同的压力和温度下不同流体的密度或比容是不同的但是处于对比

状态的不同流体具有近似相同的对比密度或对比容积这就是对比态原理

这一事实首先被范得瓦尔应用对所有气态和液态流体提出如下的数学

表达式

FprTrvr0或vrfIprTr

及

Zc称为临界压缩因子两式相比得

由上式与2-34联立可得Zf2prTrZc2-35

对于大多数物质Zc的实验值变化不大在023〜031左右因而可以近似认为是

一常数这样2-35式简化为

Zf2prTr2-36

常用天然气的压缩因子图

例已知某天然气压力4413MPa温度5c气体组成容积百分数%为甲烷975

乙烷02丙烷02氮16二氧化碳05利用通用压缩因子图查其Z值

解1查表23得甲烷乙烷丙烷氮二氧化碳各组分pciTci如下

pciMPa45444816419433497290

TciK1905830542369821259730425

2计算视临界参数

TcZyiTci9751905802305420236982161259705304251001907K

PcSyiPci97545440248160241941633490572901004538MPa