天然气知识整理手册

天然气专业知识第一章天然气的基本性质天然气是以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体，是无色、无味、比空气轻、在低温、高压下可变成液体，液化后体积缩小，缩小为原来的1/600。天然气的主要成分是CH4、此外还含有少量的CO2、H2S、N2、惰性气体等。1.1、天然气分类⑴常规天然气：是指在目前的技术条件下能够作为资源进行开采和利用的天然气。根据矿藏特点分类：常规天然气根据矿藏特点可分为：气田气、凝析气田气、石油伴生气等。气田气是指产自天然气气藏的纯天然气。其中甲烷含量不少于90%，还有少量CO2、H2S、N2、惰性气体等。凝析气田气是指含有少量石油轻质馏分(如汽油、煤油组分)的天然气，其中甲烷含量约为75%。石油伴生气是指与石油共生的、伴随石油一起开采出来的天然气，其主要成分是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，还有少量的戊烷和重烃，甲烷含量约为80%。根据组分分类常规天然气根据其组分可分为干气、湿气、贫气和富气，也可分为酸性天然气和洁气等。按天然气中C5以上烃液含量多少可分为干气、湿气(1基方井口流出物中C5以上烃液含量高于13.5cm3为湿气)；按C3以上烃液含量多少可分为贫气、富气(94cm3)。按酸气(CO2和H2S)含量多少可分为酸性天然气和洁气(含硫量20mg/m3)。含量较多，需要净化处理的为酸气。⑵非常规天然气非常规天然气是指在现有的技术条件水平下还不能大范围地开发、利用的天然气资源。天然气水合物：俗称“可燃冰”，是天然气与水在一定条件下形成的类似于干冰的笼形的结晶化合物，遇火即可燃烧。每立方天然气水合物可分解、释放出160-180m3天然气。煤层气与矿井气(又称瓦斯气)1.2、天然气的应用特点天然气是一种优质的矿物资源；天然气是一种高效、安全物能源；天然气资源丰富，约为43×1012m3，另外还有(30-50)×1012m3的煤层气；天然气资源勘探、开发成本低；使用天然气，环境效益优越。1.3、天然气组成表示方法和密度燃气的组成表示方法：容积成分yi、质量成分gi、分子成分mi。平均分子量：天然气的总质量与天然气的摩尔数之比称为天然气。M=1001×(y1M1+y2M2+···+ynMn)y1y2，···，yn—各单一气体容积成分，%。M1，M2，···，Mn—各单一气体分子量。天然气的平均密度和相对密度单位体积的物质所具有的质量，叫做这种物质的密度。单位体积的天然气所具有的质量称为天然气的平均密度。密度的单位为kg/m3。天然气的相对密度为ρg=1001yipiρg其中天然气的平均密度，kg/m3天然气各组成在标准状态(压力：0.101325MPa；温度：273.15K)时的密度，kg/m3。气体的密度随温度和压力的变化而改变：压力升高，体积减少；温度升高，体积增大。相对密度也称为比密度。在标准状态下，天然气密度与干燥空气密度的比值称为相对密度，用符号γg在标准状态下空气的的密度为1.293kg/m3.天然气的密度为0.75－0.8kg/Nm3；相对密度在0.7-0.85之间。1.4天然气的基本物理和化学性质⑴压力：测量压力有两种标准方法：一种是以压力等于零作为测量起点，称为绝对压力；另一种是以当时当地的大气压力作为测量起点，也就是压力表测量出来的数值，称为表压，或相对压力。绝对压力=相对压力+当时当地的大气压压力的单位为Pa0.1MPa=1Kgf/cm2=100mmHg=10000mmH2O=1Bar=14.22Psi⑵气体状态方程理想气体的状态方程为PV=mRT式中P为绝对压力，Pa；V为体积，m3R为气体常数(在标准状态下)，J/(kg.K)T为气体热力学温度，KM为气体质量，kgPν=RT式中ν为比体积，m3/kg,ν=mV实际气体状态方程Pν=ZRT在工程上，当燃气压力低于1MPa，温度在10-20℃之间时，Z=1。Z为天然气压缩因子。1.5天然气的燃烧性质⑴天然气的热值天然气的热值是指单位数量的天然气完全燃烧时所放出的全部热量。天然气的扫值分为高热值和低热值。高热值是指单位数量的天然气完全燃烧后，其燃烧产物与周围环境恢复到燃烧前的原始温度，烟气中的水蒸气凝结成同温度的水后放出的全部热量。低热值是指在上述条件下，烟气中的水蒸气仍以蒸汽状态存在时，所获得全部热量。⑵燃烧及燃烧反应计量方程式对于气体燃料来说，燃烧是指气体中的可燃成分在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并産大量的热和光的物理化学反应过程。CmHn＋(m＋4n)O2＝mCO2＋2nH2O＋△H⑶燃烧所需空气量干空气的容积成分可按含氧21%、含氮79%计算。在天然气的燃烧过程中要供给适量的空气，过多过少都会对燃烧产生不利影响。V0-理论空气需要量，m3干空气/m3干燃气O2天然气中氧的容积成分1立方CH4完全燃烧所需的空气量为CH4＋2O2＝CO2＋2H2O12122÷21%＝9.52m3（空气）⑷着火温度天然气开始燃烧时的温度称为着火温度。一般可燃气体在空气中的着火温度比在纯氧中的着火温度高50-100摄氏度。⑸天然气的爆炸极限:可燃气体或蒸气与空气混合物,遇着火源能够发生爆炸的浓度范围称爆炸极限.爆炸燃烧的最低,最高浓度称爆炸浓度下,上限。天然气的爆炸极限为5%－15%。1.6、天然气气质指标：⑴管输天然气气质指标：高位发热量＞31.4MJ/Nm3;总硫量≤200mg/Nm3;H2S含量≤20mg/Nm3；C2O含量≤3%；O2含量≤0.5%；在天最高操作压力下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃。在天最高操作压力下，天然气的烃露点不应大于最低环境温度。⑵天然气的计量条件在标准温度和标准压力下，气体体积流量的大小。标准温度：20℃标准压力：101.325KPaVn=VPTn/PnTZ第二章天然气的管道输送2.1天然气长输管道2.1.1天然气输送方式从运输的地理环境，可分为陆上运输和水路运输。陆上运输主要采用管道输送，此外也采用压缩天然气2.1.2天然气长输管道的定义、组成与功能天然气从生产到销售需经过采集、净化、运输、配气等过程。采集、运输、配气过程所用的管道我们分别称为矿场集输管道、长输管道和城市输配管道。天然气长输管道就是连接脱硫净化厂和城市门站之间的管道，在我国压力管道分类中属GA类。长输管道的功能：计量功能、增压功能、接收和分输功能、截断功能、调压功能、清管功能、储气调峰功能。长输管道的组成：管道本身(包括干线和支线)、站场以及通信调度自控系统三部分。管道部分除管道本身外还有通过特殊地段，如江河湖泊、铁路、高速公路等的穿(跨)赿工程；管道截断阀室；阴极保护站及线路护坡、堡坎等构筑物。天然气站场包括输气首站、末站、压气站、气体接收站、分输站、清管站、门站等场站。天然气输气管道工程:用管道输送天然气和煤气的工程。一般包括输气管道、输气站、管道穿跨越及辅助生产设施等工程内容。2.1.3天然气长输管道的特点及现代化技术发展天然气长输管道的特点：大口径、长距离、高压力、巨输量。西气东输为例：从新疆库尔勒至东海边上海市全长4400多公里，管径ø1016mm，最高输气压力10MPa，年设计输量120亿立方米/年。陕京二线管道工程，全长850多公里，管径ø1016mm，最高输气压力10MPa，年设计输量120亿立方米/年。我公司的天然气主体工程长输管线有110公里，共有6座阀室。设计压力6.3Mpa。现代长输管道技术的发展(1)制管技术。目前我国已能按国际通用API5L标准生产直径1m以下的各种的各种口径的双面埋弧焊螺旋缝钢管和直径500mm以下的直缝电阻焊缝钢管，ø1016mmX70螺旋焊缝钢管的制造方面已达到世界先进水平，ø1016mmX80螺旋焊缝钢管的制造已在冀宁联络输气管道上试验。（2）管道防腐技术和减阻内层技术。目前广泛使用的二层PE或三层PE。它与管壁黏结牢靠、寿命长、绝缘性好。所有输气管道除外壁涂层外，均要做阴极保护。我国天然气管道采用三层PE结构外防腐与阴极保护结合方式，已达到国际先进水平。我国天然气管道在国内长输管道上首次采用减阻内涂层技术，陕京二线也相继使用了减阻内涂层技术。(3)新材料、新设备的应用。长输管线的主要工艺设备有增压、调压设备、流量计设备及各种阀门等。最初在管线用的有往复式和离心式两种压缩机，现已被燃气轮机和离心式压缩机替代。目前燃气轮机和变频电机是压气站上主要原动力。调压阀是输气管道上应用最多的稳压设备，长输管道上用的多为自力式调压阀。调压阀已经从原来单一的调节性能发展到压力检测、流量控制和安全防护等多种功能。流量计目前已转向使用涡轮流量计和超声波流量计。它们量程比宽、精度高(最高可达0.5级)，而且很容易和和计算机终端相连实现自动控制。阀门的制造技术也有了很大提高，原先在输气管道上广泛使用的旧式截止阀和闸阀已被淘汰，开关和密封性能更好的平板阀和球阀已等到广泛使用，输气干线全部广泛采用气液联动球阀，这种球阀利用管道在发生爆破时压力的瞬时变化而及时、自动地关闭阀门，截断天然气流，不使事故扩大，减少损失。2.1.4阴极保护外加电流阴极保护系统主要有直流电源设备、辅助阳极、阳极线路、汇流点装置、电绝缘装置、参比电极、检测装置、跨接均压线等。外加电流阴极保护系统中对直流电源设备的基本要求：1、可靠性高；2、维护保养方便；3、寿命长；4、对环境适应性强；5、输出电流、电压可调；6、应具有过、载、防雷、故障保护装置。阴极保护站组成极化电源（如恒位仪）；输助阳极（如高硅铸铁阳极）；被保护的阴极（管道）天然气长输管线上的电位测试桩一般是每隔1Km设一个。天然气长输管线沿线阴极保护桩的测试周期为半年。在阴极保护系统中防腐仪表电位的最佳值为1.15，参比电位范围为-0.85--1.2在进行天然气长输管线阴极保护桩的测试时，若10公里电位衰减大于0.05，说明管道防腐层有破坏现象。2.1.5阀室在天然气长输管线中设立阀室的作用是以便在事故发生时和抢修时及时切断气源。阀室分为地上式和半地下式。2.1.6.天然气长输管道维护与管理1、管道保护管道保护应执行《石油天然气管道保护条例》。管道保护应有专业人员管理，定期进行巡检，雨季或其他灾害发生时加强检查。巡线检查内容应包括：埋地管线无裸露，防腐层无损坏；跨越管段结构稳定，构配件无损，明管无锈蚀；护堤、护坡、护岸、堡坎无垮塌；管道两侧5米范围内禁止种植深根植物，禁止取土、采石和构建其他建筑物等；管道两侧50米范围内禁止开山、爆破和修筑大型建筑物、构筑物工程。管道内防护：根据输送天然气气质情况可使用缓冲剂保护管道内壁。天然气在输送过程中宜再次分离、除尘、2.2天然气长输管道运行工艺计算：输气量计算当管段起点与终点的相对高差△ｈ≤200ｍ时的计算式Q＝11522Ed53.2961.02221ZTLGpp51.0式中：Q――气体流量（P0＝0.101325MPａ，T0=293.12K），单位为立方米每天(m3／d)；d－－输气管内直径，单位为厘米（cm）；P1，P2－－输气管段内起点、终点气体（绝），单位为兆帕（Mpa）；Z――气体的压缩系数；T――气体和平均温度，单位为开尔(K)；L――输气管计算段长度，单位为千米(Km)；G――气体的相对密度；E――输气管的效率系数；当DN为300～800时，E=0.8～0.9；当DN＞800时，E=0.91～0.94。当管段起点与终点的相对高差△ｈ＞200ｍ时的计算式Q=11522Ed2.5351.0n1ii1-ii2221LhhL2a1ZTLGh1app式中：a――系数，单位为米-1(m-1)；△ｈ――输气管终点和起点的标高差，单位为米(m)；n――输气管沿线高差变化所划分的计算段数；hi，hi-1――各分段终点和起点的标高，单位为（ｍ）；Lｉ――各分段长度，单位为千米(Km)。管道压力的计算管道内平均压力计算式(不考虑节流效应)Pm=3221221PPPP式中：Pm――管道内气体平均压力(绝)，单位为兆帕（Mpa）；P1，P2――管道计算段