第一章燃气输配

《燃气输配》《Gastransmission&distribution》绪论能源与燃气能源的发展过程和趋势我国燃气的发展历程和现状一、能源的发展过程和趋势18世纪60年代起煤炭替代薪柴——能源结构的第一次大转变20世纪20年代起煤炭、石油、天然气——能源结构的第二次大转变本世纪前半期新能源——难以大规模利用，正是天然气为主的时期天然气储量已超过石油燃气——天然气（NG）、人工燃气（煤气）、液化石油气（LPG）、沼气等。燃气的优点：服务效益、节能效益和环保效益。二、我国燃气的发展历程与现状历史悠久：468年四川天然气煮盐1865年上海煤制气厂第一阶段：20世纪80年代前人工煤气第二阶段：20世纪80年代—90年代前期人工煤气、天然气、液化石油气等多种气源并存格局第三阶段：90年代后期天然气时代来临我国天然气资源丰富：中、西部盆地及近海地区燃气工程：陕西北京新疆上海（西气东输，西部大开发的标志性工程）2002年开工，2004年8月全线完工，全长4000Km。自西向东跨越九省一市，管径d=1016mm，输气压力P=10MPa，供气能力120亿m3/年，投资1200亿元。燃气工程：1.俄气南供2.进口液化天然气（LNG）东南亚、澳大利亚广州3.近海天然气（1）南海气田海南、广州、香港（2）东海气田上海、浙江（3）渤海气田天津、山东4.煤层气开发：中东部天然气资源的用途能源行业：发电、交通运输、工业、生活（取暖、热水、炊事）化工原料我国主要用于民用炊事，还用于燃气空调、汽车等。第一章燃气的分类及性质燃气的分类及用途燃气的基本性质城市燃气的质量要求第一节燃气的分类及用途燃气是易燃易爆的混合气体。可燃成分：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、低级碳氢化合物（烃类）饱和烃：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、……、CmH2m+2不饱和烃：乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、……、CmH2mCmHn或C1、C2、C3、……不可燃成分：CO2、N2、O2（单纯的O2是不可燃的）、水及少量杂质。燃烧条件：可燃物、助燃物（氧）、温度快速燃烧就是爆炸燃气的分类1.天然气（NG）：主要是甲烷（开采方便，是优质气体燃料）按矿藏特点分类气田气——由气田开采出来的纯天然气凝析气田气——含有少量石油轻质馏分的天然气石油伴生气——与石油共存，伴随石油一起开采出来的天然气。甲烷含量80%~90%，低发热值（34.8~36MJ/N·m3）N·m3——标方气液分离：天然气、液化石油气、汽油、煤油等。甲烷含量75%，低发热值（48MJ/N·m3）甲烷含量80%，低发热值（45MJ/N·m3）矿井气煤层气（煤田气）——煤形成过程中产生，在地质断层和褶皱地带附近“涌出”。常会与空气混合引起爆炸矿井气（矿井瓦斯）——在开采煤的过程中，煤层气与矿井空间空气形成，抽吸出向城镇提供矿井气。不抽出会引起瓦斯爆炸按组分分类干气——每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体小于13.5cm3的天然气。湿气——每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体大于13.5cm3的天然气。富气——C5以上大于94cm3/sm3。贫气——C5以上小于94cm3/sm3。酸性天然气——含有较多的H2S、CO2等酸性气体，要进行净化处理。洁气——H2S、CO2等含量很少，基本不要进行净化处理。2.人工燃气：以固体或液体可燃物为原料加工生产的气体燃料煤煤气石油及副产品油制气干馏煤气——煤隔绝空气加强热气化煤气——煤、焦炭在高温下与气化剂（空气、水蒸气、纯氧气等），通过化学反应得到。油制气——以石油及副产品为原料，经过高温裂解制成的燃气。气体——煤气液体——上：水下：煤焦油固体——焦炭城市最早的燃气气源（焦炉煤气），低发热值16.7MJ/N·m3热裂解法：加热至800~900℃，原料裂解成油制气催化剂法：加催化剂，使裂解的烃与水蒸气反应生成H2和CO3.液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品。主要是C3、C4混合物，常温常压下为气态，常温加压或常压降温变为液态，其体积缩小至气体的1/250，便于运输；气态低发热值最高，92.1~121.4MJ/N·m3，折成液态为45~46.1MJ/kg。分类天然石油气——从石油伴生气和凝析气田气中提取炼厂石油气4.生物气（人工沼气）：环保洁净，在小范围内使用。天然气是一次能源人工燃气、液化石油气、沼气是二次能源各种有机物质，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产生的可燃气体。第二节燃气的基本性质P3表1-1解释：1.CmHn：表示C5及C5以上的烃类2.发热值——1N·m3燃气完全燃烧后其烟气中的水蒸气被冷却至原始温度所放出的热。低发热值——水蒸气被冷却至原始温度的蒸气所放出的热量高发热值——水蒸气被冷却至原始温度的凝结水所放出的热量高发热值—低发热值=气化潜热华白指数波动范围：±5%H——燃气的高发热值S——燃气的密度W——燃烧特征比较接近才可用（必要条件）火焰特征离焰——气流速度大于火焰传播速度脱火——气流速度远大于火焰传播速度而吹熄黄焰——燃烧不充分回火——气流速度小于火焰传播速度P4表1-2：某些低级烃的基本性质1.气体常数：2.除甲烷、乙烯外8314RM31.293/kgNm空气P4表1-3：某些气体的基本性质混合物：各组分之间不发生化学反应的均匀的混合物，其性质取决于各组分的成分及各组分的热力性质。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二、临界参数及实际气体状态方程三、粘度四、饱和蒸气压及相平衡常数五、沸点和露点六、液化石油气的气化潜热七、容积膨胀八、爆炸极限九、水化物十、液化石油气的状态图混合气体的组分有三种表示方法：1.容积成分2.质量成分3.分子成分100%iiVyViVV100%iiGgGiGG100%iiNxNiNNiixy混合液体的组分也是这三种表示方法，但iixy一、平均分子量、平均密度和相对密度气体：液体：11100100iiiiMyMxM1100iiMxM()iixy平均密度：（定义式）或相对密度：气体（相对空气ρ=1.293kg/N·m3）液体（相对4℃水ρ=1000kg/m3）MV1()100iiVyV1100iiy1.2931.293MSV1000S湿燃气密度0.833()0.833wddd——水蒸气含量（含湿量），单位kg/N·m3干燃气0.833——水蒸气密度，单位kg/N·m3干、湿燃气容积成分换算：换算系数：wiiyky0.83310.833kd例1-2：求湿燃气参数解题步骤：1.换算关系2.由wiikyky0.24%1wiyy水w例1-1：已知混合气体的容积成分为yC2H6=4%,yC3H8=75%,yC4H10=20%,yC5H12=1%,解题步骤：查各组分的分子量平均分子量平均密度相对密度例:已知干燃气的容积成分为甲烷27%，一氧化碳6%，氢气56%，二氧化碳3%，氧气1%，氮气5%，CmHn(按丙烯)2%。求混合气体平均分子量、平均密度和相对密度。若含湿量为0.002kg／m3干燃气，求湿燃气的容积成分及其平均密度。1.临界参数定义:温度不超过某一数值，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，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，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。三、临界参数及实际气体状态方程混合气体平均临界温度混合气体平均临界压力气体温度比临界温度越低，液化所需压力越小.1100imcicPyP.1100mciciTyT图1-1P-V图C——临界点左（MCG）液态右（NCG）气态中间气液共存态临界温度越高，越易液化——液化石油气临界温度越低，越难液化——天然气图1-2P-T图液-气平衡曲线左：液态右：气态曲线-气液共存态曲线顶点-临界点2.实际气体状态方程PzRT式中:P——气体的绝对压力(Pa)υ——气体的比容(m3／kg)Z——压缩因子R——气体常数[J／(kg·K)]T——气体的热力学温度(K)当Pr＜1，Tr=0.6～1.0当Pr＜5.6，Tr=1.0～2.0131411111rrrrTPZTPZZ图图所谓对比温度Tr，就是工作温度T与临界温度Tc的比值，而对比压力Pr，就是工作压力P与临界压力Pc的比值。此处温度为热力学温度，压力为绝对压力。例1-3求天然气在标准状态下的体积解题步骤：各组分大于1还是小于1（Tr1，查图1-4）z不考虑z（z=1），v0减少6%,,,,,ccmcmcrrrTPTPTPT检查0000PPzTT例1-4比容不考虑z(z=1)ρ减少13%0001()100iiPPzyTT0其中1例:有一内径为900mm、长为115km的天然气管道。当天然气的平均压力为3.04MPa、温度为278K，求管道中的天然气在标准状态下(101325Pa、273.15K)的体积。已知天然气的容积成分为甲烷97.5％，乙烷0.2％，丙烷0.2％，氮气1.6％，二氧化碳0.5％。三、动力粘度（粘度）混合气体：（0℃时）gi——质量成分混合液体：xi——分子成分运动粘度100/iig100/iix32273()273tCTTC1100iiCyC修正：C——实验系数Ci——表1-2、1-3例1-5：已知混合气体的容积成分为yco2=1.9%,yCmHn=3.9%(按C3H8计算),yo2=0.4%,yco=6.3%,yH2=54.4%,yCH4=31.5%,yN2=1.6%,求该混合气体的动力粘度。步骤：气体iiyg100100iiiiiiiiiiixMyMgyxxMyM100iig四、饱和蒸气压及相平衡常数1.饱和蒸汽压：在一定温度下，密闭容器中液体及蒸气处于动态平衡时蒸气的压力（绝对压力）混合液体的蒸气压：由道尔顿定律由拉乌尔定律Pi——任一组分的蒸气分压Pi’——该纯组分的蒸气压（表1-5）iPP'iiiPxP'iiiPPxP注：蒸气压与密闭容器的大小及液量无关，仅取决于温度。温度升高时，蒸气压增大。表1-5：同一温度，丙烷蒸气压高于正丁烷蒸气压图1-6：丙烷占的比例越大，混合液体的蒸气压就越高如果容器中为丙烷和正丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，混合液体的蒸气压是如何变化的呢？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渐渐减少，所以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，其蒸气压取决于丙烷和丁烷含量的比例。如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当15℃时容器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。（a）气相组成的变化（b）液相组成的变化2.相平衡常数ki某一温度下的气液两相平衡系统中，某一纯组分的蒸气压Pi’与混合液体的蒸气压P之比为一常数ki，即'iiPkP'iiiPxPiiPyP液相：拉乌尔定律气相：分压定律'iiiiPykPx意义：yi与xi之比也是常数ki。由相平衡常数ki，可计算已知气相组成yi求液相组成xi；或已知液相组成xi求气相组成yi。换算公式：1.已知液相xi,求气相yiiiiykx'iiPxP'iiiiiPykxxP2.已知气相yi,求液相xi（无法求出P）'iiiiPykPx'iiiyxPP'1iiiyxPPP'1iiPyP'''1iiiiiiiyPyxyPPP两边求和所以'iiPkP工程上，常利用相平衡常数计算图来计算液化石油气的气相组成或液相组成。如图1—8可查得Ki。1—甲烷2—已烷3—丙烷4—正丁烷5—异丁烷6—正戊烷7—异戊烷8—乙烯9—丙烯相平衡常数计算图例1-6：已知液化石