天然气基本知识

天然气基本知识第一节天然气概述一、天然气概述天然气是从自然界中产生的，以碳氢化合物为主要成分的可燃气体。不同地区、不同类型的天然气，其所含组分是不同的。二、天然气的组成天然气的组分大致可以分为三大类：烃类组分、含硫组分和其它组分。1、烃类组分烷烃比例大，其中甲烷占70％～90％。甲烷是无色无味比空气轻的可燃气体，可以作为燃料，也是一种用途广泛的化工原料。由于甲烷含量高，通常将天然气作为甲烷来处理。除甲烷外，还有乙烷、丙烷、丁烷，在常温下是气体。丙烷、丁烷通过加压或降温而液化，即为液化石油气，简称液化气。天然气中还含有一定量的含碳量较多的烷烃，简称碳五以上组分，它们在常温常压下是液体，是汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析成液态被收回，称为凝析油。2、含硫组分天然气中的含硫组分，可分为无机硫化物和有机硫化物两类。无机硫化物为硫化氢，硫化氢是一种比空气重、可燃、有毒、有臭鸭蛋气味的气体。硫化氢的水溶液呈酸性，对金属有强烈的腐蚀作用。所以天然气含硫化氢时，必须经过脱硫净化处理，才能进行管输和利用。天然气中有时也含有少量的有机硫。3、其它组分天然气除了含以上成分外，还含有二氧化碳和一氧化碳、氧和氮、氢等以及水分。二氧化碳溶于水呈酸性，对金属设备腐蚀严重，通常在天然气脱硫工艺中，将二氧化碳同硫化氢一起尽量脱除（脱硫、脱碳）。天然气中含水分，温度降低会不断冷凝为液态水，会影响管输工作。一般采用吸收法、低温分离法和吸附法等将水和烃的露点降低到规定值。表1-1我国某些气田天然气的组成气田名称产层天然气组成%（体积）甲烷乙烷丙烷正丁烷异丁烷正戊烷异戊烷己烷及以上二氧化碳硫化氢氢氮氦氩四川盆地威远震旦系86.800.1104.4661.0917.260.236卧龙河嘉五92.441.010.560.360.220.274.480.090.10石炭系97.890.400.050.890.120.0020.600.049相国寺石炭系97.070.810.080.200.0010.0011.740.0960.004五百梯石炭系97.380.500.060.9910.1780.891中坝须二90.975.621.660.360.370.0960.1310.1280.4100.0080.230.0170.003雷三84.011.680.500.1810.1240.0860.0774.426.860.031.820.0590.001磨溪雷一95.220.191.300.131.610.0031.530.0030.01陕甘宁盆地中部油田马五95.9420.3240.0450.0020.0023.0370.3190.2910.2910.028三、天然气的分类1、按照天然气的来源分类•油田伴生气这种天然气是指开采过程中与液体石油一起开采出来，含重烃组分较多。•气田气这种天然气自气田产生，甲烷含量约为80％～90%。•凝析气田气这种气田气在地层中以气态存在，开采出来常温下为液态。煤层伴生气通常存在于煤层中，即通常所说的瓦斯气。此外还有水溶天然气、水合物天然气。2、按照含凝析油量来分类•干气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•无硫和微硫天然气:这种天然气中硫化氢的含量符合管输要求。•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).四、天然气的特点a)是一种清洁能源；b)资源丰富（煤层气、水合物气、水溶气）；c)热值远高于人工煤气；d)燃烧效率高；e)市场竞争加强，价格较稳定；f)最佳运输方式－管道运输（LNG、水合物）。第二节:天然气的主要性质一、摩尔质量天然气是一种混合气体，它的摩尔质量是由各组分的摩尔质量和体积百分比的乘积加权平均计算出来的。计算公式如下：M=M1V1+M2V2+M3V3+……+MnVn式中:M表示:天然气的摩尔质量,V1、V2、V3……Vn表示:天然气各组分的体积百分比.M1、M2、M3……Mn表示:天然气各组分的摩尔质量.例:某天然气的组分和体积百分含量如下表：求天然气的摩尔质量?解:由公式M=M1V1+M2V2+M3V3+……+MnVn得M=93.5%×16.043+2.3%×30.07+1.2%×44.097+0.3%×58.12+1.5%×34.09+1.2%×28.02=17.09答:此种天然气的摩尔质量为17.09.1.228.02氮气1.534.09硫化氢0.358.12丁烷1.244.097丙烷2.330.07乙烷93.516.043甲烷体积百分含量摩尔质量成分二、重度、密度、比重（一）、重度、密度1、概念单位体积天然气的重量称为天然气的重度。计算公式为:式中:γ－－天然气的重度,Kgf/m3G－－天然气的重量,KgfV－－天然气的体积,m3VG2、影响因素（1）压力的影响在温度一定时,一定重量的天然气压力越大,重度越大;压力越小,重度越小.（2）温度的影响在压力一定时,一定重量的天然气温度越大,重度越小;温度越小,重度越大.（二）天然气的比重１、概念单位体积天然气的重量与相同条件(压力、温度)下单位体积空气重量的比值。计算公式为：S=γg/γa式中:γg－－天然气的重度;γa－－空气的重度.２、影响因素天然气的比重只要是在相同条件下,天然气与空气重度之比,其值是定值.三、天然气的含水量（湿度）天然气的含水量指在湿天然气中，标准单位体积干气所分摊到水蒸气的质量称为含水量，单位为Kg/Nm3。1、研究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，将与水结合形成水化物，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。天然气中含有液态水燃烧时，水将汽化吸热，降低天然气的燃烧值。由于上述问题，将增加许多维修管理的工作量，因此会增加许多管理费用。2、影响天然气含水量的因素1)温度和压力的影响在天然气中含有液态（或游离态）水时，温度一定，压力越高，天然气中含水量（水汽量）越少；压力越低，天然气中含水量（水汽量）越多。压力一定，温度越高，天然气中含水量（水汽量）越多；温度越低，天然气中含水量（水汽量）越少。2)天然气的分子量越大，天然气中含水量（水汽量）就越多。3、天然气含水量的表示方法天然气的含水量用绝对湿度、相对湿度、露点来表示。1)绝对湿度单位体积或单位重量天然气中所含水蒸气的重量称为天然气的绝对湿度或含水量。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）下饱和状态天然气的含水量的比值。3)露点a)天然气的饱和状态在一定的温度和压力下，天然气达到最多容纳水蒸汽量时的状态，就称为天然气的饱和状态。在天然气达到饱和状态时，其多余的水蒸气将凝析出来。b)露点在压力一定时，天然气中水蒸气达到饱和时的温度就叫做天然气在这种压力下的露点（水露点)。不同的压力下天然气有不同的露点。压力越大露点越低，压力越小露点越高。四、天然气的爆炸性（一）概念1、燃烧物质发生激烈氧化，是连续稳定的氧化过程并发出光和热叫燃烧。2、爆炸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。4、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。第三节天然气的压力、温度及单位换算一、压力1、概念垂直作用在器壁单位面积上的力。单位：Kg/cm2、Mpa、Kpa、Pa、物理大气压等。2、常用压力的单位换算1Mpa=103Kpa=106Pa=146.961Psi（磅/平方英寸）1Mpa=10.197Kg/cm2≈10Kg/cm21Psi（磅/平方英寸）=0.070307Kg/cm21atm（标准大气压）=1.033Kg/cm2•=1.0133bar(巴）3、绝压、表压、真空度a)绝压以绝对真空为准的压力。b)表压压力表测出的压力，以大气压为基准的压力。c)绝压、表压两者关系P表=P绝-P大气压二、温度1、概念(1)温度表示物体的冷热程度，是分子平均平动动能的标志。单位：摄氏温标℃。绝对温标K。华氏温标F。(2)摄氏温标以纯水的冰点定为0℃，沸点定为100℃。然后进行定分，这样的温标称为摄氏温标。(3)绝对温标以摄氏温度的零下273.15为起点,即为绝对零度,这种温标称为绝对温标.(4)华氏温标以摄氏零度定为32F,100℃定为212F,这种温标称为华氏温标.2、三种温标之间换算关系T=273.15+tF=9t/5+32式中:T－－绝对温度K.t－－摄氏温度℃.F－－华氏温标F.三、天然气体积单位换算1、我国天然气的计量标准（基方）1个大气压（760mmHg），20℃为标准条件。2、国际物理学界的标准条件（标方）1个大气压（760mmHg），0℃为标准条件。3、1基方天然气=0.931784标方天然气1标方天然气=1.07321基方天然气第四节天然气的节流效应一、节流效应的概念又称焦耳-汤姆逊效应，气体遇到压力突变（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。对于理想气体，节流效应是不存在的，只发生在真实气体上。气体通过弯头、变径管等，都会引起节流。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。对于气田内部管道，节流效应系数为3.5～4℃/MPa，对于干线输气管道，节流效应系数为2.5～3℃/MPa.三、节流前后压力、温度的关系式式中：P1、T1－－节流前的压力、温度。P2、T2－－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.kkPPTT12121四、节流效应的危害和用途危害：产生水化物甚至结冰，堵塞管路、设备、仪表。用途：用节流降温可以除去天然气中的水和凝析油。节流效应适用于一切真实气体。第五节天然气中的水化物一、水化物的特点1、水化物是一种白色结晶物质，类似冰和微密的雪。2、水化物是由碳氢化和物和几分子水组成的水合物。例如：CH4.6H2O、C3H8.7H2O、C4H10.7H2O等。3、水化物是一种不稳定的化合物，当其所处的温度升高或压力降低至适当值时，会分解为碳氢化合物和水。二、形成水化物的条件1、天然气处于水汽过饱和状态或有液态水存在。2、天然气有足够高的压力和足够低的温度。3、其次还要有辅助条件：〈1〉压力波动，〈2〉流向突变产生扰动，〈3〉有晶体存在。1、压力一定时，温度越高，越不易形成水化物。2、温度一定时，压力越低，越不易形成水化物3、只有当温度、压力达到一定值时，才有可能形成水化物0102030405060708090100110120-10-8-6-4-20246810121416温度（℃）压力（bar）管道水合物曲线图水化物形成区三、形成水化物临界温度的概念天然气温度升高到一定值时，无论压力多大，也不能形成水化物，这个温度就叫做天然气形成水化物的临界温度。五、防止水化物形成的方法1、在长输管线上安装分水器，排除冷凝水。2、在矿场集输管上用加热气管的方法预防形成水化物。3、再无其他方法遇形成水化物时，可以暂时将气体放空降低输气管线压力或降低下游压力，增加输气量，让已形成的水化物分解并随之排处4、往输气管中喷注化学反应剂，吸收气中的水分，以降低天然气的露点，防止形成水化物或促使水化物分解