天然气基础知识

天天 然然 气气 基基 础础 知知 识识 1 一、天然气的基础知识 1. 天然气的特点与组成 天然气泛指自然界的一切气体， 狭义则指采自地层的可燃气体。 石油工业中称采自气 田或凝析气田的可燃气体为天然气， 又称气田气；在油田中与石油一起开采出来的可 燃气体称为石油伴生气。 天然气是一种多组分的混合气体， 主要成分是可燃烃类气体， 包括甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷等，其中甲烷比例占绝对优势，例如我国四川气田天然气甲烷含量一般不低于 90%，而陕甘宁气田则达 95%左右。此外，还可能含有少量二氧化碳、硫化氢、氮气、 水蒸气以及微量的氦、氖、氩等气体。在标准状况（ 0℃及 101325Pa）下,甲烷至丁烷 以气体状态存在，戊烷以上为液态。 2. 天然气的密度 单位体积气体的质量称为密度。气体的体积和压力与温度有关，说明密度时就必须 指明它的压力、温度状态。例如空气在P=101325pa，t=20℃时，密度ρ＝ 1.206kg/m3；在P=101325pa，t=0℃时, ρ＝1.2931kg/m3。如果不指明压力，温 度状态，通常就是 指标准状态下的参数。 标准状态下，甲烷的密度为 0.717 kg/m3 ，空气的密度为 1.2931 kg/m3 ，故甲烷的 相对密度 *CH 4=0.7174/ 1.2931= 0.5548 天然气的相对密度一般为 0.58～0.62，石油伴生气为 0.7～0.85。 3. 天然气的粘度 当两层气体相对运动时， 气体的分子之间不仅具有与运动方向一致的相对运动而造成 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 2 换。 当流动速度较快的气层分子跑到流速较慢的一层时，这些具有较大动能的气体 分子，将 使较慢的气层产生加速的作用，反之流动速度较慢的气层分子跑进较快的 气层时， 则对气层产生一种阻滞气层运动的作用， 结果两层气体之间就产生了内摩擦。 温度升高，气体的无秩序热运功增强，气层之间的加速和阻滞作用跟着增加，内摩擦 也就增加。所以，气体的粘度随着温度的升高而加大。 4. 天然气含水量(湿度 ) 天然气在地层温度和压力条件下含有饱和水汽， 天然气的水汽含水量取决于天然气的 温度、压力和组成等条件。天然气含水量，通常用绝对湿度、相对湿度和水露点来表 示。 天然气绝对湿度是指一立方米天然气中所含水汽的克数，单位可用g/m3 表示。 天然气的饱和含水量是指在一定温度和压力下， 天然气中可能含有的最大水汽量， 即 天然气与液态平衡时的含水汽量。 天然气相对湿度是指在一定温度和压力下，天然气绝对湿度和饱和含水量之比。 天然气水露点是指天然气在一定压力下析出第一滴水时的温度，即天然气饱和水汽 量对应的温度。在 GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》中作了明确规定：进 入输气管道的气体水露点应比输送条件下最低环境温度低5℃ 5. 天然气的热值 天然气作为燃料使用， 热值是一项重要的经济指标。 天然气的热值是指单位数量的天 然气完全燃烧所放出的热量。 天然气主要组分烃类是由炭和氢构成， 氢在燃烧时生成 水并被汽化，由液态变为气态，于是一部分燃料热能消耗于水的汽化。消耗于水的汽 化的热叫汽化热（或蒸汽潜热） 。将汽化热计算在内的热值叫高热值（全热值） ，不计 汽化的热值叫低热值（净热值） 。由于天然气燃烧的汽化无法利用，工程上通常使用 3 低热值即净热值。每立方米天然气热值在8000-10000 大卡。 每立方米煤气的热值 3000-4000 大卡。 每公斤液化气燃烧热值为 11000 大卡。气态液化气的比重为 2.5 公斤/立方米。每立方 液化气燃烧热值为 25200 大卡。 每瓶液化气重14.5公斤,总计燃烧热值159500大卡,相当于20立方天然气的燃烧热值。 6. 天然气的可燃性限和爆炸极限 可燃气体与空气混合 （空气中的氧为助燃物质） ， 遇到火源， 可以发生燃烧或爆炸。可 燃气体与空气的混合物，对于敞开系统，遇明火进行稳定燃烧。 可燃气体与空气的混 合物进行稳定燃烧时， 其可燃气体在混合气体中的最低浓度称为可燃下限， 最高浓度 称为可燃上限， 可燃上限与可燃下限之间的浓度范围， 称之可燃性界限， 即可燃性限。 可燃气体与空气的混合物， 在封闭系统中遇明火可以发生剧烈燃烧， 即发生爆炸。 可 燃气体与空气的混合物， 在封闭系统中遇明火发生爆炸时， 其可燃气在混合气体中的 最低浓度称为爆炸下限， 最高浓度称为爆炸上限， 爆炸下限与爆炸上限之间的可燃烧 气体浓度范围，称之为爆炸限。 有的可燃气体的可燃性限与爆炸限是一致的， 有的可燃气体的爆炸限只是可燃性限内 的更小浓度范围。一般情况下，可将爆炸限与可燃烧性限混用，即用可燃烧性限代替 爆炸限，这对于实际工作是适宜的，有利于安全生产。 压力对于可燃烧气体的爆炸限有很大影响， 例如当压力低于 6665 帕时，天然气与空 气的混合物， 遇明火不会发生爆炸， 而在常温常压下， 天然气的爆炸限为 5％～15％， 随着压力的升高，爆炸限急剧上升，压力为1.5×107 帕时,天然气的爆炸上限为 58% 。 7. 天然气输送过程中的节流效应 4 假如降低气体的压力而不释放气体的能量，而且气体是理想的，状态是绝热的，那 么系统的总能量保持不变。也就是说，状态变化属于等焓变化，气体的温度也保持不 变。 然而假如上述变化的气体是真实气体， 那么其容积变化将不同于理想气体的情况， 其内能和温度将发生变化。气体在流道中经过突然缩小的断面（如管道上的针形阀、 孔板等） ，产生强烈的涡流，使压力下降，这种现象称为节流。 节流效应又称为焦耳-汤姆逊效应。温度下降的数值与压力下降数值的比值称为节流 效应系数，又称焦耳-汤姆逊效应系数。 节流效应系数的意义是：下降单位压力时的温度变化值。它随压力、温度而变。 在气田上，压力较高，天然气的节流效应系数一般为 3～4℃/ MPa 。干线输气管道 上，压力较低，一般为 2.5～3.0℃/ MPa 。 从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质，以及水、水蒸气、 硫化物和二氧化碳等有害物质。 砂、铁等尘粒随气流运动， 磨损压缩机、管道和仪表的部件，甚至造成破坏。有时 还 会积聚在某些部位， 影响输气的正常进行。 水积聚在管道低洼处， 减少管道输气截面， 增加输气阻力。水又能在管内壁上形成一层水膜，遇酸性气体（ H 2 S 、 CO2 ） 等形成 酸性水溶液，对管内壁腐蚀极为严重，是造成输气管道破坏的重要原因之一。 水在一定 温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成冰雪状水合物（如 CH 4 . 6H 2 O 等） ， 造成管路冰堵。 天然气中的硫化物分为无机的和有机的两种。无机的主要是硫化氢，有机的主要 是 二硫化碳（ CS2 ） 、硫氧化碳( COS ）等。硫化氢及其燃烧产物二氧化硫( SO2 )都 具有强烈的刺鼻气味，对眼粘膜和呼吸道有破坏作用。空气中硫化氢含量大于910 mg/m3（约 0.06％体积比）时人呼吸一小时就会严重中毒。当空气中含有 0.05％（体 5 积比） 二氧化硫时， 呼吸短时间就会有生命危险。 硫化氢和二氧化碳还是一种腐蚀剂，