燃气输配1章

第一章城镇燃气的分类及其性质第一节燃气的分类燃气的概念燃气：一切可燃烧的气体城镇燃气：可作为城镇燃料的可燃烧气体a.城镇燃气必须符合一定的质量标准（国家分别制定有：天然气、人工燃气、液化石油气的标准）。b.“燃气”与“煤气”的概念有区别。燃气的分类一、按燃气的来源分（一）天然气一般认为，天然气是古代动、植物的遗体在不同的地质条件下，通过生物化学作用以及地质变质作用生成的可燃气体。在一定压力下，天然气经运移，储集在地下适宜的地质构造中，形成矿藏，埋藏在深度不同的地层中。天然气是一种混合气体，其主要成分是低分子量烷烃，还含有少量的二氧化碳、硫化氢和氮气等。天然气既是化工产品原料气，又是优质燃料气，是理想的城镇燃气气源。利用天然气，促进低碳化，节能减排、提高能源利用率，能源的可持续发展。天然气的开采、储运和使用既经济又方便。如液态天然气的体积仅为气态时的1/600，有利于运输和储存。目前，天然气将会取代石油成为全球的主导能源。国家从合理调整能源利用结构、科学治理大气环境的角度，提出了加大天然气在能源消费结构中利用比例的基本国策，通过实施“立足国内，利用海外，西气东输，北气南下，海气登陆，就近供应”的天然气气源战略，力求使天然气在一次能源消费结构中的比例提高到12%。我国天然气资源极为丰富1.按照勘探、开采技术可分为常规天然气和非常规天然气两大类。①常规天然气：按照矿藏特点可分为气田气、石油伴生气和凝析气田气等1)气田气（纯天然气）：气田气是从气井直接开采出来的燃气。气田气的成分以甲烷为主，甲烷含量在90%以上还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氦等气体，其低热值约为36MJ/m3。2)凝析气田气(深层气田气)：凝析气田气是含石油轻质馏分的燃气。凝析气田气除含有大量甲烷外，还含有2%～5%的戊烷及其他碳氢化合物，低热值约为48MJ/m3。3)石油伴生气：伴随石油一起开采出来的低烃类气体称为石油伴生气。石油伴生气的甲烷含量约为80%，乙烷、丙烷和丁烷等含量约为15%，低热值约为45MJ/m3。②非常规天然气指由于目前技术经济条件的限制尚未投入工业开采的天然气资源。包括天然气水合物、煤层气、页岩气、水溶气、浅层生物气及致密砂岩气等。其中煤层气已经像常规天然气—样得到开采利用。我国非常规天然气资源量丰富，在未来将具有巨大的应用前景。1）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冰固态化合物。标准状态下，1单位体积的甲烷水合物最多可结合164单位体积的甲烷。天然气水合物的开采过程中，最大限度地减少对环境和气候的影响等技术难题是目前需要解决的问题。2）煤层气煤层气又称煤层甲烷气，是煤层形成过程中经过生物化学和变质作用以吸附或游离状态存在于煤层及固岩中的自储式天然气。成分以甲烷为主，含有少量的二氧化碳、氮、氢以及烃类化合物。煤层气的开发利用可以防范煤矿瓦斯事故、有效减排温室气体，是高效、洁净的城镇燃气气源。3）页岩气页岩气是以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气。页岩气的开发具有开采寿命长和生产周期长等优点，但由于页岩气储层的渗透率低，使页岩气的开采难度较大。我国页岩气资源广泛分布于海相、陆相盆地，资源量丰富。基方：1atm20℃(standardcubicmeter,简写：Sm3）标方：1atm0℃(normalcubicmeter,简写：Nm3）《世界能源展望》国际能源署预计，到2035年，包括页岩气和煤层气等在内的非传统天然气将占全球新增天然气产量的近一半，其中多数新增产量来自中国、美国和澳大利亚。2.按其储运方式分为三种：①管输天然气②液化天然气（LiquifiedNaturalGas，简称LNG)，气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船（车）运输，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，可作为大、中城市燃气气源。③压缩天然气（CompressedNaturalGas,简称CNG）指压缩到压力大于或等于10MPa且不大于25MPa的气态天然气，它与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷，用作车用燃料或供小规模城镇燃气用户使用。甲烷：临界温度：191.05K（-82.1℃）；临界压力：4.6407MPa（二）人工燃气1.干馏煤气煤在隔绝空气的情况下干馏（煤的热分解），固体产物是焦炭(或半焦)，气体产物就是干馏煤气，热值在16.7MJ/m3，可作为城镇气源。2.气化煤气煤在有气化剂的情况下产生的煤气。实质是煤与气化剂发生了热化学反应，产物是CO和H2等。不能单独作为城镇气源，一般是用作加热焦炉或混气（调整发热值或供气量）。3.油制气以重油(或石脑油)为原料制得的燃气。实质是在高温情况下使碳氢化合物裂解，其中催化裂解油制气的组成与热值和焦炉煤气接近，可作为城镇气源。人工煤气》GB/T13612质量要求：低热值≥14.7MJ/m3焦炉示意图连续式发生炉示意图（三）液化石油气1.来源在油田或气田开采过程中获得的，称为天然石油气；来源于炼油厂，是在石油炼制加工过程中获得的副产品，称为炼厂石油气。2.特点液化石油气的主要成分是丙烷、丙烯、丁烷和丁烯，习惯上又称C3、C4，即只用烃的碳原子数来表示。这些碳氢化合物在常温常压下呈气态，当压力升高或温度降低时，很容易转变为液态。液化石油气从气态转变为液态，其体积缩小约250倍。气态液化石油气的低热值约为100MJ/m3。液态液化石油气的低热值约为46MJ/kg。由于液化石油气液化容易，可采用瓶装供气，供应方法灵活，可不必建输气管网，且投资低，国内已广泛用作城市管输天然气的补充气源。3.产量我国的液化石油气产量居世界第四，消费量居世界第三。从上世纪90年代开始，我国对液化石油气的需求量猛增，从1987年后开始进口液化石油气，到目前已成为液化石油气进口大国，在亚洲仅次于日本。（四）生物质气生物质气：是以生物质为原料通过发酵、干馏或直接气化等方法产生的可燃气体。沼气：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可产生可燃气体。发酵的原料粪便、垃圾、杂草和落叶等有机物质，用于干馏和气化的秸秆、稻壳、树枝、木屑都是农业和林业的废弃物，因此生物质气属于可再生资源。生物质气中甲烷的含量约为60%，二氧化碳约为35%，还含有少量的氢、一氧化碳等气体。生物质气的低热值约为21MJ/m3。二、按燃烧特性分燃气性质中影响燃烧特性的参数主要有华白数和火焰传播速度（即燃烧速度）。华白数是与热值Ｈ和相对密度S有关的综合系数，即在压力不变的情况下，华白数是设计和选用燃具的重要依据。我国规定燃气华白数的波动服务范围不得超过±5%。当燃气的成分和性质变化较大，燃气的燃烧速度会发生较大的变化，仅用华白数分类不能满足设计要求，因而又提出燃烧速度指数的燃烧势，以反映燃具燃烧稳定状况的综合指数，更全面地判断燃气的燃烧特性。我国当前主要城镇气源分布情况，参照国际燃气联盟（IGU）燃气分类以及一些国家的相应标准，制订了我国“城镇燃气分类”标准。我国的分类指标是国际上广泛采用的华白数和燃烧势。SHW/第二节燃气的基本性质燃气是由多种可燃与不可燃气体组成的混合物，其可燃成分主要包括碳氢化合物（如甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丁烷、丁烯等）、氢气、－氧化碳等，不可燃成分主要包括二氧化碳、氮气、氧气等。燃气的性质取决于各组分气体的比例和性质。燃气组分中常见的低烃类和某些单一气体的基本性质分别列于下表。本节以此为基础来介绍燃气的基本特性。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(一)平均分子量：混合气体：混合液体：式中:M-混合气体(液体）的平均分子量；y–混合气体各组分的摩尔分数；x–混合液体各组分的摩尔分数。nnMxMxMxM2211(二)平均密度和相对密度标况下空气密度）（混合气体平均摩尔容积（293.1293.1293.1),00MMMVMSVVMvmnnMyMyMyM2211混合气体平均摩尔容积VM双原子气体和甲烷22.4；其它碳氢化合物组成的混合气体22.0精确计算：式中：V0，M1----V0，Mn：标准状态下各单一气体摩尔容积（Nm3/Kmol）混合气体平均密度ρ的另一种计算方法湿燃气的密度及容积成分nnyyy,02,021,010dkkkyyddiwigw833.0833.0833.0833.0)(00换算系数：：干湿燃气容积成分换算nMnMMMVyVyVyV,0,02,01,0...21二、临界参数及实际气体状态方程(一)临界参数临界温度与临界压力温度超过某一数值，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，使气体液化所必需的压力称为临界压力，此时的状态称为临界状态，气体的各项参数称为临界参数。临界温度是气体能否液化的分界温度气体的临界温度越高，越易液化混合气体的临界温度与临界压力计算cnnccmccnnccmcTyTyTyTPyPyPyP22112211(二)实际气体状态方程理想气体Pv＝RT实际气体Pv＝ZRT（引进压缩因子）压缩因子Z偏离1的程度表示了实际气体偏离理想气体的程度Z的大小是根据Pr、Tr查表求得的，如图1-3、4图1-4Z的大小并不一定是小于1。对于一定状态的气体是否能够做为理想气体对待，要视其温度、压力大小而定。在天然气输气管线中也常采用式（1-17）近似计算或根据式（1-18）精确计算。（1-17）（1-18）15.110113.0100100pZ320107.078.068.110241.01rrrTTTPZ三、黏度（—）动力黏度（二）运动黏度nnnnnxxxgggggg22112211211混合液体动力粘度：混合气体动力粘度：度：混合气体和液体运动黏影响因素压力气体和液体的动力黏度都将随压力的升高而增大，但气体在小于1MPa情况下，认为动力粘度与压力无关。温度气体：温度越高，动力粘度增大。修正公式(1-14)液体：温度越高，动力粘度越小。分子量气体：分子量越大，动力粘度越小。液体：分子量越大，动力粘度越大。四、饱和蒸气压及相平衡常数（一）饱和蒸气压液态烃的饱和蒸气压（简称蒸气压）指在一定温度下，密闭容器中的液体及其蒸气处于动态平衡时，蒸气的绝对压力。1.影响因素：仅与温度有关(温度越大，蒸气压越大)，与密闭容器的大小和液量无关。一些低碳烃在不同温度下的蒸气压见下表液化石油气储罐设计温度+48℃，设计压力1.6MPa(按纯丙烷+48℃的饱和蒸汽压考虑）！打火机用纯丁烷（考虑安全）！登山气罐用纯丙烷（考虑低温下能够自然气化）！2.混合液体的蒸气压混合液体的蒸气压在温度一定时，其大小取决于液相组分及所占比例iiiiiiiPxPPPxPPP拉乌尔定律：道尔顿定律：如果容器中为丙烷和正丁烷组成的液化石油气，在温度一定时，其蒸气压随丙烷和正丁烷含量的比例变化而变化的曲线见图1-6。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逐渐减少，所以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。图1-7所示为随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当15℃时容器中不同剩余量气相组分和液相组分的变化情况。（二）相平衡常数一定温度下，由不同组分组成的混合液体的气液平衡系统中，某一纯组分在该温度下的饱和蒸气压与混合液体的饱和蒸气压的比值是一个常数Ki。在该气液平衡系统中，气相中某一组分的摩尔分数Yi与其液相中的摩尔分数Xi的比值，同样是一个常数Ki。该常数Ki被称为相平衡常数。1.求相平衡常数公式法图解法（图1-8）iiiixyPPk2.已知液相分子组成，求气相组成a.先求系统压力b.再利用或利用相平衡常数3.已知气相分子组成，求液相组成a.先求系统压力，b.再利