天然气输送工艺理论

第一章、天然气的主要性质第一节、天然气概述一、天然气的概念顾名思义，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。

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。

2、天然气的分类（1）按照天然气的来源（油气藏的特点）分类，可分为气田气、油田伴生气、凝析气田气。

气田气：这种天然气在开采过程中没有或只有较少天然气凝析油析出，含甲烷在90%以上。

戊烷以上的烃类含量很少。

油田伴生气：是指开采过程中与液体石油一起开采出来的天然气。

1凝析气田气：是指在开采过程中有较多天然汽油凝析出来的天然气，这种天然气戊烷以上的烃类含量很多。

（2）按照天然气中烃类组分的含量多少分类，可分为干气和湿气。

干气：指戊烷以上的烃类可凝结组分的含量低于100g/m3这种天然气含甲烷在90%以上，含其它成分较少。

湿气，这种天然气含甲烷在90%以下，含其它成分10%以上。

（3）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20 mg/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)。

4、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。

2第二节、天然气的主要性质一、密度、相对密度（一）密度1、概念所谓天然气的密度，是指单位体积天然气的质量。

2、影响因素（1）压力的影响在温度一定时，一定质量的天然气压力越大，密度越大；压力越小，密度越小。

（2）温度的影响在压力一定时，一定质量的天然气温度越大，密度越小；温度越小，密度越大。

（二）相对密度天然气的相对密度是指在同温同压条件下，天然气的密度与空气密度之比。

通常所说的天然气相对密度，是指压力为101.325kPa、温度为273.15K （0℃）即标准状态下，天然气的相对密度。

天然气比空气轻，其相对密度通常在0.5到0.7的范围内变化。

二、粘度1、概念粘度是表示流体（气体和液体）流动时的难易程度，粘度小的流体易于流动，粘度大的流体流动困难。

2、影响因素天然气的粘度与其组成、压力、温度有关。

在低压条件下，压力变化对气体粘度的影响不明显，气体粘度随温度的升高而增大；在高压条件下，气3体的粘度随压力的增大而增大，随温度的升高而降低。

四、天然气的热值天然气作为燃料使用，其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释放出的热量。

天然气的热值分为高热值（全热值）和低热值（净热值）。

高热值是指压力在101.325kPa，温度为25℃，天然气燃烧生成的水蒸汽完全冷凝成水时所释放出的热量；低热值是指天然气初始温度与燃烧后所生成产物的温度相同，燃烧生成的水蒸汽保持气相时所释放出的热量。

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。

（一）研究天然气含水量的意义天然气从地层中开采出来，如果处理不干净，将含有水和酸性离子，形成一种电解质，对金属设备产生电化学腐蚀和化学腐蚀。

天然气中含有水时，天然气中的烃成分在一定条件下，将会与水结合形成水合物，堵塞管道、仪表、阀门。

天然气中含有液态水时，将在管道低洼处分离出来减小流通面积，增大输气阻力，降低输送效率。

另外，天然气中含有液态水燃烧时，水将汽化吸热，降低天然气的燃烧热值。

由于上述问题，将增加许多维修管理的工作量，同时会增加许多管理费用。

（二）影响天然气含水量的因素天然气的含水量与其压力、温度有关。

当天然气与液态水同时存在时，天然气的含水量随压力的增高而减少，随温度的升高而增加。

（三）天然气含水量的表示方法天然气的含水量通常用绝对湿度、相对湿度、露点来表示。

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4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）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。

六、天然气的爆炸性（一）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。

54、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。

一般而言，含有惰性气体的天然气，其爆炸极限范围将缩小。

（二）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浓度在低限以下时，既不能燃烧也不能爆炸；高限以上条件满足时，只能燃烧不能爆炸；只有在爆炸范围内才可能发生爆炸。

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。

（三）影响爆炸范围的因素1、温度的影响温度越高，天然气的爆炸范围越大。

温度越低，天然气的爆炸范围越小。

2、压力的影响压力增大，天然气的爆炸低限变化不大，而高限明显增加。

当压力为1.5x107Pa，其爆炸上限可高达58%。

3、惰性气体的影响含惰性气体越多，天然气的爆炸范围越小。

67（四）影响爆炸力的因素1、在爆炸范围内，混合气总量多少的影响：混合气越多，爆炸力越大。

混合气越少，爆炸力越小。

2、混合气压力的影响：爆炸力与混合气爆炸前混合气的压力成正比。

爆炸力的计算公式为：式中:P 初----天然气与空气的混合物爆炸前的压力,单位:Mpa 。

t 爆----天然气爆炸时所达到的气体温度,单位:℃。

t 初----天然气爆炸前混合气体的温度,单位:℃。

m----天然气爆炸产物的体积数(考虑空气中氮气在内)。

n----爆炸前天然气与空气混合物的体积数。

3、与混合气体的密闭程度有关：密闭越严，爆炸力越大。

（五）天然气爆炸极限的计算计算公式为：式中:L----表示天然气的爆炸极限(低限或高限)。

L 1、L 2…… L n ----天然气各组分爆炸极限(低限或高限)。

x 1、x 2…… x n ----天然气中各组分的体积百分数。

由于天然气的主要成分是甲烷，故可以用甲烷的可燃性限代替天然气的可燃性限。

七、天然气的临界状态（一）概念1、天然气的临界状态()nm t t P P ⨯++⨯=15.27315.273初爆初爆nn L x L x L x L /....//1002211+++=天然气由气态变成液态或由液态变成气态时的压力和温度。

2、天然气的临界温度使天然气变成液体的最高温度称为天然气的临界温度；当高于临界温度时，无论用多大压力也不能使天然气变成液体。

3、天然气的临界压力在临界温度下，天然气由气态变成液态的最小压力称为天然气的临界压力。

（二）天然气临界压力和临界温度的计算P cp=P c1V1+ P c2V2+……+ P cn V nT cp=T c1V1+ T c2V2+……+ T cn V n式中:P cp:天然气的临界压力(绝)，单位Mpa。

T cp:天然气的临界温度，单位K。

P c1、P c2…… P cn各组分的临界压力(绝)，单位Mpa。

T c1、T c2…… T cn各组分的临界温度，单位K。

V1、V2…… V n各组分的体积百分数。

八、天然气的节流效应（一）、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。

（二）、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。

89（三）、节流前后压力、温度的关系式式中：P 1、T 1节流前的压力、温度。

P 2、T 2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。

（四）、节流效应的危害和用途1、危害：产生水合物甚至结冰，堵塞管路、设备、仪表。