天然气管道输送及操作技术要点.pdf

天然气管道输送及操作技术 赵会军 江苏工业学院油气储运工程系 二 00 八年十二月 本课程的主要内容： 1概述 2天然气的基本特性 3天然气净化 4管路中气体流动的基本方程 5天然气管道输送 6输气站与清管技术 7天然气输送系统相关设备 8内涂层减阻技术简介 1 第一章概述 Introduction §1.1 天然气在国民经济中的重要性 一、什么是天然气？ 所谓的天然气一般是指自然生成、在一定压力下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中、多组分、以烷烃为 主的混合气体，从广义上讲，天然气可以说是气态的石油。 二、天然气的用途 天然气是清洁、高效、方便的能源，天然气的热值较高，每立方米平均为33MJ(人工煤气为14.6 ， 液化石油气87.8 108.7 气态 ) ，不含灰分，容易完全燃烧，不污染环境，运输方便。它的使用在世 界经济发展和提高环境质量中起着重要作用。天然气近年其年产量增长速度高于石油与煤，在能源 消费结构中的比例达 23.5 （我国23） 。目前世界天然气为仅次于石油和煤炭的世界第三大 能源，据预测，21 世纪天然气在能源消费结构组成中的比例将超过石油，成为世界第能源。 其主要用途为： 1、城镇居民、公共建筑和商业部门，约占总用 量的 41.5 ；天然气与其他燃料相比，具有使用方便、经济、热值高、污染少等优点，是一种在技 术上已经得到证实的优质清洁燃料。天然气代替其他燃料，可以减少一氧化碳 （CO ） 、 二氧化碳（CO2 ） 、 氮氧化物（ NO ）及烃类等的排放，有利于环境保护; 2、工业部门，约占37，主要用作生产化工产 品和工业燃料的基本原料。天然气的主要组分是甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以卜烃 类，是重要的基本有机化工原料。以天然气为原料，可以生产出合成氨、甲醇低碳含氧化合物、合 成液体燃料等种类繁多的化工产品。至今全世界已有 10 的天然气用于制取化工产品，年产量已 达到 16 亿吨； 3、发电厂，约占 19 以上。特别是采用天然气联合循环发电技术后，投资费用仅为煤炭和核发电 厂 2 / 3 左右，对空气和水的污染也少，因而使得以天然气为燃料的发电厂更加具有竞争力； 4、 运输部门所占比例不足 1 。 天然气的一些特性使它有可能成为一种很有吸引力的汽油替代燃料。 它的价格和汽车废气排放指标都低于汽油。 天然气的应用将会显著扩大，21 世纪将逐步取代石油，并在世界能源消费结构中占据主导地位。世 界能源消费结构趋势如下图所示。 天然气市场发展情况 100 0 20 40 60 80 180019502100 比 例 年份 世界能源消费结构趋势 2 2003 年全球十大天然气消费国一览表( 单位：亿立方米) ： 3 中国天然气资源分布情况 三、天然气的来源 天然气可以从油田气和气田气获得。 油田气又称为油田伴生气，它是与石油伴生的天然气，伴随着石油的开采而采出。一般利用井上 的油气分离器将石油与伴生气分离，然后采用吸收法或其它方法将气体中的碳氢化合物进一步分离， 提取的 C3、C4成分作为液化石油气销售，C1、C2成分作为天然气使用或管道外输。 气田气是采自气田气井的天然气，通常这种气体的甲烷含量较高，可以达到85 97，C3 C5只 有 2 5，可以采用压缩法、吸收法、吸附法或低温分离法将C3、C4 等重烃分离出来，制取液化 石油气，其余纯净的天然气通过管道外输销售。 炼厂气。从天然气的主要成分甲烷来说，其来源还有炼油厂如蒸馏气中0.5 为甲烷，催化裂化 气中为 5.9 ，热裂化气35，铂重整气中10.7 为甲烷。当然这些气体不能划在天然气的范围， 量也不大，但其用途是一样的。 §1.2 天然气储运系统概述 一、天然气输送方式 1. 管道输送 优点：输送量大、技术成熟可靠；缺点：建设与输送成本较高，适应灵活性较差。 现代管输技术成熟, 约 75天然气通过管道输送。 长距离输气管道发展趋势:1) 平均运距增大。最长单根输气管道是俄罗斯亚马尔管道(4451km);2)最 大口径可达1420mm; 3)高压力 , 最高压力为12MPa ，海底 21MPa;4)自动化遥控 , 采用 SCADA 对管网实 4 施集散控制 ;5) 形成大型供气系统;6 向极地海洋延伸。 2. 液化天然气 (LNG) liquefied natural gas 制备：液态储运即液化天然气(LNG)储运方式 , 利用经过净化天然气的压力经膨胀机制冷使其液化( 若 压力过低，需加压), 制冷温度 -80 -90 , 在 LNG装置中使用液氮补充冷却, 将其降至 -163成为液 化天然气 , 实现液态输送。 关键技术 : 预处理、液化及储存、液化天然气的气化、冷量回收及安全技术等。 LNG链: 开采、液化、LNG运输、 LNG接收与气化、外输管线、最终用户组成。 优势： 1 体积缩小 620 倍, 便于运输 ; 2代替深海 , 地下长输管道省投资, 降成本 ; 3超过 3500km后船 运占优势 ; 4有效回收边远、零散天然气; 5投资省 , 在等热能储气规模下LNG储罐与管道储存设施 相比 ,占地少 , 工期短 , 受地质条件约束少; 物性 :无毒 , 无色 , 无味液体 ;-163 密度 450470; 燃点 650; 爆炸限 4.7 15 应用 :1 供城镇居民 ; 2远离气源且管线未到地方; 3城市燃气调峰 ; 4优质汽车燃料 ;5 发电 ,特钢等 提高质量 ; 6冷能发电 , 分离空气 , 制干冰等 , 间接冷冻食品, 低温医疗等。 3. 压缩天然气 (CNG)管束容器储运compressed natural gas 制备 (新西兰 ): 20 25MPa压缩存储高压钢瓶中, 降温至 5, 充入“管束”内径为152.4mm ( 高级钢 管组成 ) 容器中 ,在 0.135 MPa 释放 , 净储气量为210V/V 280V/V。 优势 :与运距在1000km以上管道或LNG相比 , 具有竞争力 ; 灵活性强，投资少；使不能管输天然气得 到有效的利用, 方便未铺设管道边远地区, 补充城市管道供气不足。 不足 : 1高压储存增加储气密度; 2建立专门高压加气站, 配备多级压缩系统, 投资大 ; 3器壁厚 , 自 重增加 , 运费大 ; 4高压储罐制作 , 维护费用高 ; 5高压储气安全隐患多。 应用 : 1清洁汽车燃料 ; 2气源 ; 3应急供气手段; 4气量不大，用户距气源较远情况。 4. 天然气水合物 (natural gas hydrates) 物性 : 雪花状晶体 , 笼型多面体结构, 密度 0.880.80g/cm3,含天然气 164220m3/m3 。 制备：在35Mpa,26下 , 水与气充分接触逐渐生成水合物, 经过三相分离及脱除游离水, 制成干水 合物 ,可在接近常压与-40 下长期稳定储存。 性质：提高压力, 温度也可提高,储存压力36Mpa,储运温度为08。减压或增温。 优点 : 与 LNG相比 , 生产 , 储运 , 装置与工艺简单，综合成本要比LNG低 24。 5. 吸附天然气 (ANG)储存 adsorbed natural gas 制备 : 在储氢技术思路上开发, 借助罐内活性吸附剂, 利用巨大内表面和丰富微孔结构使天然气在较 低压力下 (34MPa)以较高密度 (180V/V240V/V) 储于钢瓶中。 技术 :优良性能吸附剂筛选与开发; 吸附剂储存容器结构设计。 优点 :单级压缩 ,储罐形状和用材选择余地大, 质量轻 , 压力低 , 使用方便 , 安全可靠 ,ANG是最经济方法 , 总费用仅为CNG 一半 , 吸附剂可重复使用。 难题 : 1) 高效专用吸附剂的投资大; 2)吸附剂性能影响实际储气量; 3)用后吸附性能下降; 4)自重 增加 ; 5) 储气过程中释放热量产生的高温存在安全隐患; 6)重组份的滞留。 二、几种运输方式的比较 1 管道输气是最主要方式，适应范围广，特别适用于长距离、大运量运输。 2 具备海运条件 , 运距很长 ,LNG优于管道。超过7000 km 时,惟一经济运输方式。 3 LNG,CNG内陆运输是管道有益补充, 主要适用于运量较小和分散供气的情况。 4 天然气水合物NGH 输送方式的技术不十分成熟，但具有发展前景 三、管输天然气储运系统 天然气储运系统是由气田集输管网、气体净化与加工装置、输气干线、输气支线以及各种用途的站 场所组成。它是一个统一的、密闭的水动力系统。如下图所示。 5 天然气储运系统示意图 1井场； 2集气站； 3天然气净化厂和压气站；4到配气站的出口， 5、 6铁路和公路穿越；7中间压气站；8河流穿越；9沟谷跨越； 10地下储气库；11阴极保护站；12终点配气站 四、站场的种类与作用 1、 井场：设于气井附近，从气井出来的天然气，经节流调压后，在分离器中脱除游离水、凝析油 及机械杂质，经过计量后送入集气管线； 2、集气站：将两口以上的气井来气从井口输送到集气站，在集气站内对各气井来天然气进行节流、 分离、计量后集中输入集气管线。 3、压气站：分为矿场压气站、输气干线起点压气站和中间压气站。当气田开采后期（或低压气田） 地层压力不能满足生产和输送要求时需设矿场压气站，将低压天然气增压至工艺要求的压力，然后 输送到天然气处理厂或输气干线。天然气在输气干线中流动时，压力不断下降，需在输气干线沿途 设置压气站，将气体增压到所需的压力。压气站设置在输气干线的起点则称为起点压气站，设置在 输气干线的中间某一位置则称为中间压气站，中间压气站的多少视具体工艺参数情况而定。 4、天然气处理厂：当天然气中硫化氢、二氧化碳、凝析油等含量和含水量超过管输标准时，则需设 置天然气处理厂进行脱硫化氢（二氧化碳）、脱凝析油、脱水使气体质量达到管输的标准。 5、调压计量站（配气站）：设于输气干线或输气支线的起点和终点，有时管线中间有用户也需设中 间调压计量站，其任务是接收输气管线来气，进站进行除尘，分配气量、调压、计量后将气体直接 送给用户，或通过城市配气系统送到用户。 6、集气管网和输气干线：在矿场内部，将各气井的天然气输送到集气站的输气管道叫做集气集网。 从矿场将处理好的天然气输送到远处用户的输气管道叫输气干线。在输气干线经过铁路、公路、河 流、沟谷时，有穿越和跨越工程。 7、 清管站： 为清除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力，常在集气干线和输气干线设置清管站， 通常清管站与调压计量站设在一起便于管理。 8、阴极保护站：为防止和延缓埋地管线的电化学腐蚀，在输气干线上每隔一定距离设置一个阴极保 护站。 § 1.3 输气管道发展概况 一、输气管道的分类、组成及特点 管道输送是天然气的主要输送方式之一，从油气田井口到最终用户，历经矿场集气、净化、管 道、压气站、配气站以及调压计量等形成了一个统一的密闭的输气系统。输气管道一般按其输送距 离和经营方式及输送目的分为三类：一是属于油气田内部管理的矿场输气管道，通常称为矿场集气 管线；二是隶属某管道输送公司的干线输气管道，通常称为长距离输气管道；三是由原城市煤气公 司或其他燃气公司投资建设并经营管理的城市输气管道，通常称为城市输配管网。 1. 矿场输气管道 矿场输气管道由采气管线和集气管线组成。根据气田构造、规模及气井分布等可布置成直线或 6 树枝状、环状和放射状管网，其特点是： （1）输送介质大多为未经净化或净化程度低的原料气。原料气中含硫、水、二氧化碳等杂质较高， 腐蚀性大。 （2）输送距离短。一般只有几公里至几十公里，也有一些由油气田企业内部管理的输气管道直接输 送到附近城市或化工厂等，如辽宁盘锦沈阳新民输气管道，距离稍长一些，但一般中间没有增压 站，也只有一百多公里。 （3）管径小。 一般在 DN100 DN300，由油气田企业内部管理的直接输送到附近城市或化工厂的输 气管道，管径一般多用377mm、 426mm 或 529mm。 （4）压力变化大。开采初期井口压力可能高达10MPa 或者更高，随着地层压力的降低，到开采后 期可能降到1.0MPa，甚至 0.10.2MPa。 （5）集输系统流程复杂。包括矿场集输管网流程和矿场集输站场工艺流程。 2. 干线输气管道 干线输气管道主要由线路和输气站组成，线路包括沿线截断阀、阴极保护站，输气站包括清管 站（ 天然气输气管道工程设计规范GB50251-94 规定清管站应建在输气站内），其它还包括通信、 自动监控、道路、水电供应、线路巡检维修和其它一些辅助设施和建筑，对于采用低温输送工艺的 管道，还应有中间冷却站。 干线输气管道是连接矿场集气系统和城市门站（或配气站）的纽带，将经过矿场处理后的洁净 的天然气送往城市。与矿场输气管道与城市配气管网相比，其具有输送距离长（从几百公里至几千 公里）、管径大（一般在400mm 以上，最大可达1420mm） 、压力高（操作压力在4.010.0MPa）的 特点，而且与其它输送方式或其它如油品等长距离输送管道相比，长距离输送天然气管道还具有如 下特点： （1）这是一个复杂的动力系统，运送量大，管道绝大部分埋设于地下，占地少，受地形地物及 恶劣气候影响小，能够连续运行，再加上运送介质本身就是很好的动力源，可以靠消耗自身克服摩 擦阻力将天然气运达目的地，所以是目前最有效、最大规模的运输系统，甚至是大量输送天然气的 唯一有效办法。 （2）从采气、净化、长输到城市供气各个环节，形成了一个密闭系统，上下游之间紧密相连而 又互相制约，一方面便于管理和易于实现远程集中监控，另一方面又存在着矿场天然气生产的相对 稳定与城市用户用气的不均衡性之间的矛盾，作为中间环节的长输管道，要解决好这一矛盾，其设 计和运行管理要比矿场和城市输气管道以及原油管道更复杂。 （3）市场经济决定了要建设一条长输天然气管道，要考虑一条管道为几家油气田服务，天然气 的用户也要照顾沿线途经的城市、城镇或地区，以图取得最大的经济效益和良好的社会效益。由于 中间有数个进气点和分气点的存在，再考虑中间进、分气量的波动性和不均衡性，对确定线路走向、 管道设计和运行管理工作要求更高。 （4）同油田类似，气田的开发与开采也存在近期和远期的问题，近期产气量少而地层压力高， 远期产气量多而地层压力低，与输油管道不同的是，在输气管道投产初期，可以在首站不设压缩机 车间，而充分利用地层压力进行输送，对于远期提高输送量而地层压力低，是增设压气站还是建设 复线或采用其他方案，在管道设计时要进行严格的技术经济论证，确定最优建设方案。 （5）不同于油品或普通工业用品，天然气输送管道虽然输送的也是燃料、能量或化工原料，但 它最主要的是担负着向某一城市或某些城市和地区的居民供气，涉及国计民生和千家万户，甚至社 会稳定的问题，一旦中断，将影响所涉及的这些城市或地区的人民的正常生活秩序和工业生产，因 此必须保证安全、连续、可靠地供气。这要在设计和管理上采取特别有效的措施予以保证。 （6）天然气长输管道输送压力高，介质易燃易爆，与输油管道的安全性质完全不同，输气管道 的损伤有可能引发爆裂或撕裂，这种事故会给周围居民和环境造成巨大破坏，而且难以短期修复。 因此要求在管材的选用上要更慎重，管子质量把关更严格，尤其在管道施工全过程中，注意防止管 子装卸碰伤和损坏绝缘层等，在焊接过程中防止产生裂纹，要更加细致地施工。从冶金、制管、勘 察设计、施工和运行管理全过程中，建立完善的输气管道质量保证（QA）体系。 7 （7）长输管道要求有与之配套的通信、道路交通、水电供给等附属设施，在以电动机为原动机 的压气站，电力供应必须保证万无一失，有线和无线通讯系统也是不可缺少的设施之一，是全线生 产调度指挥的重要工具。随着天然气工业的迅猛发展，跨国、跨省跨地区的天然气输送管道正在建 设或即将建设，这就要求如通讯卫星、微波技术以及局域网和广域网等这些更先进更完善的技术， 应用到天然气长输管道的通信调度指挥系统和生产自动化的信息传输系统中来，确保管道连续、可 靠和高效运行。 3. 城市输气管道 城市配气系统主要包括配气站、配气管网及支管、储气库和各类调压站所。它的任务就是从配 气站（或称城市门站）开始，通过各级配气管网和气体调压所保质保量地直接向用户供气。 城市输气管道从城市门站开始，遍布整个城市和近郊，通常有树枝状和环状两种布置方式，以 环状居多。其主要特点为： （1）管径变化范围宽。小到居民进户的户内管为20mm，大到兼有储气功能的高压干环的1m 以上。 （2）压力等级多。对于规模较大的城市，尤其是人口多、密度大的特大城市，配气管网多采用 多级系统，这些管道按照城镇燃气设计规范（GB50028-93）根据压力高低分为五个等级： 高压A 级0.8cv。两者的关系 为 cp cvR R气体常数。 2、焦耳 - 汤姆逊系数 焦耳 - 汤姆逊系数是在研究一个被称为焦耳- 汤姆逊膨胀过程的流动过程时得到的。如图所示， 让气体在管道中通过一多孔塞从高压区向低压区流动或称膨胀，过程稳定、绝热地进行。因为气体 不可能自发的从低压区向高压区扩散，因此，无论过程多么缓慢都是不可逆的。 保证高压侧的压力、温度P1、T1不变，而改变并维持低压侧压力在P2a、P2b、P2c等等，并分别测得 相应的温度 T2a、T2b、 T2c等。把这些点画在T-P图上，就有一系列离散点1，2a，2b，2c，。然后 改变 P1、T1，重复上述过程。如此作一系列类似的实验，就可以得到一簇等焓曲线， 焦耳 - 汤姆逊膨胀实验示意图 在这些曲线上，任一点的斜率称为焦耳- 汤姆逊系数。 当由于节流作用，温度随着压力的降低而降低，称为冷却效应。 v 定 值 1kg 气 体 qv p 定 值 1kg 气 体 qp wp p 20 对于干线输气管道，一般取35/MPa。 五、天然气的燃烧性质 1、天然气的热值 1m3 燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，简称热值。单位kJ/m3（或 MJ/m3 ） 。天然气的 热值有高热值和低热值之分。 高热值又称全热值是指在恒定压力1.01325 ×105 Pa 、恒定温度 T（一般为 25）下燃气完全燃 烧，生成的水蒸气完全以冷凝水的状态排出时所放出的热量； 低热值又称净热值是指在恒定压力1.01325 ×105 Pa 、恒定温度 T（一般为 25）下燃气完全燃 烧，生成的水蒸气以气相排出时所放出的热量。 显然高、低热值之差即为水蒸气的气化潜热。一般在应用时，计算燃气具热效率时采用高热值为标 准热值，而在实际当中，烟气排放均比水蒸气冷凝温度高得多，水蒸气并没有冷凝，或者说冷凝潜 热得不到利用。所以工程计算中，一般采用低热值。 2、华白数、燃烧势 （1）华白数 又称沃贝尔数、沃泊指数。是燃气的热负荷指数，等于燃气高热值Hs与相对密度 d开方的比值， 代表燃气性质对热负荷的综合影响。符号Ws ，单位 kJ/m3。 Ws = Hs/d 1/2 （2）燃烧势 燃烧速度指数。当燃气的组分和性质变化较大，或者掺入的燃气与原来燃气性质相差较大时， 燃气的燃烧速度会发生较大变化，仅用华白数已不能满足设计需要。所以我国的燃气分类标准中又 引入燃烧速度指数燃烧势CP ，来全面判定燃气的燃烧特性。 CP-燃烧势 ; H2- 燃气中氢体积分数，%; CmHn- 燃气中除甲烷以外碳氢化合物体积分数，%; CO-燃气中一氧化碳体积分数，%; CH4- 燃气中甲烷体积分数，%; d- 燃气相对密度 ( 空气相对密度为1); K-燃气中氧含量修正系数; O2- 燃气中氧体积分数，% 。 3、天然气的爆炸极限 在室温和 101.325kPa 下，可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称 为爆炸极限。 可燃气体在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃 烧不能进行，这一极限称为爆炸下限；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，该极限称 为爆炸上限。某些可燃气体的爆炸极限见下表。 气体甲烷乙烷乙烯丙烷丙稀正丁烷正戊烷一氧化碳硫化氢 爆炸下限，52.9 2.7 2.1 2.0 1.5 1.4 12.5 4.3 爆炸上限，15 13 34 9.5 11.7 8.5 8.3 74.2 45.5 (1) 只含有可燃气体的混合气体，其爆炸极限可按下式估算 21 ii i L y L 100 (2) 含有含有惰性气体的燃气，其爆炸极限范围将缩小可按下式估算 i i i i u u L u u LL 1 100 100 1 1 L'- 含有惰性气体的燃气的爆炸上、（下）限，（体积） ； L- 扣除惰性气体含量后，重新调整各组分体积分数后计算得到的燃气的爆炸上、（下）限，（体积）； Ui- 惰性气体体积分数。 另外，含有氧气（空气）的混合气体爆炸极限可参阅其它资料。 六、气体状态方程 描述气体压力、比容和温度之间相互关系的方程就是气体状态方程，对于研究可压缩气体的状态和 流动规律是十分重要的。我们把气体的压力p、密度 （或比容 v）和温度 T这三者关系称之为“PVT 特性” 。 1、理想气体及其与实际气体的区别 主要有两点：分子是质点没有体积；分子间无作用力。实际上这样的气体是不存在的，当压力 足够低、温度足够高，即密度足够小的情况下（例如常温常压或低压），我们可以近似使用理想气体 状态方程。 2、理想气体状态方程 pv=RT （2-29） pVM=RMT （2-30） pV=mRT=nRMT p气体压力，Pa； v气体比容，m3/kg； R 气体常数，kJ/kg ·K； T气体温度，K； VM 1kmol气体容积， m3/ kmol ； RM 通用气体常数或普适常数，RM =8.3143kJ/kmol · K ； V m 公斤或 n摩尔气体容积，m3 ； m 气体质量，kg； n气体摩尔数，kmol。 气体常数 R与通用气体常数RM 的关系为 R= RM /M 3、实际气体状态方程 在天然气输气管线上，输气压力高达几兆帕甚至更高，此时天然气与理想气体的性质差别很大，分 子体积和分子间的作用力必须予以考虑。为了考虑这些效应，范得瓦尔（Van Der Waals ）在 1873 年提出了定性描述实际气体一般特性的范得瓦尔状态方程。之后又出现了大量的经验或半经验半理 论的关系式。 工程实际中经常使用的带压缩因子Z的状态方程。 P=ZRT 或 pv= ZRT 或 pV= ZmRT 或 pV= ZnRT （2-33 ） 式中的 Z称为压缩因子或压缩系数，它表示实际气体与理想气体的差别。由状态方程可以看出， Z是一个状态参数，但对理想气体，在任何状态下都有Z=1。 22 4、对比态原理 任何实际气体的Z值要通过实验来确定。但大量实验表明： 在相同的压力和温度下，不同流体的密度（或比容）是不同的，但是，处于对比状态的不同流 体具有近似相同的对比密度（或对比容积），这就是对比态原理。 这一事实首先被范得瓦尔应用，对所有气态和液态流体提出如下的数学表达式： F （pr、Tr 、vr ）=0 或vr=f1 （pr、Tr） RT pv Z及 c cc c RT vp Z Zc称为临界压缩因子。两式相比得 r rr c T vp ZZ 由上式与（ 2-34）联立可得： Z=f2（pr 、Tr、Zc）（2-35 ） 对于大多数物质， Zc的实验值变化不大， 在0.23 0.31 左右，因而可以近似认为是一常数。这样 （2-35 ） 式简化为 Z=f2 （pr 、Tr）（2-36 ） 常用天然气的压缩因子图 例已知某天然气压力4.413MPa，温度 5。气体组成容积百分数（）为：甲烷97.5 ，乙烷 0.2 ， 丙烷 0.2 ，氮 1.6 ，二氧化碳 0.5 。利用通用压缩因子图查其Z值。 解： 1）查表 2.3 得甲烷乙烷丙烷氮二氧化碳各组分pci 、Tci 如下 pci，MPa ：4.5444.8164.1943.3497.290 Tci，K：190.58305.42369.82125.97304.25 2）计算视临界参数 Tc=yiTci=(97.5*190.58+0.2*305.42+0.2*369.82+1.6*125.97+0.5*304.25)/100=190.7K Pc=yiPci=(97.5*4.544+0.2*4.816+0.2*4.194+1.6*3.349+0.5*7.290)/100=4.538MPa 23 3）计算对比参数 对比压力 pr=p/Pc=4.413 ÷4.538=0.972 对比温度 Tr=T/Tc=278.15 ÷190.7=1.459 4）查图得Z=0.91 例如果上题在作一下改动： 已知某天然气管道内径为900mm 、长为 115km，压力 4.413MPa，温度 5。气体组成容积百分数（） 为：甲烷 97.5 ， 乙烷 0.2 ， 丙烷 0.2 ， 氮1.6 ， 二氧化碳 0.5 。 求管道中天然气在标准状态下（101.325kPa 、 273.15k ）的体积。 求解过程前四步是一样的，即： 1. 查的各组分的临界压力pci 、临界温度 Tci 2. 计算天然气视临界压力pc、临界温度 Tc 3. 计算对比压力 pr 、对比温度 Tr 4. 查通用压缩因子图得Z0.91 接下来就要用到pV= ZmRT 或 pV= ZnRT 由上式可得： 00 00 TZ Vp ZT pV 所以V T T p p Z Z V 0 0 0 0 Z01 ， Z0.91 322 m731231150009.0784.0 4 长度内径 V 73123 15.278 15.273 101325.0 413.4 91.0 1 0 V 例 已知混合气体的容积成分为丙烷 50 % ，丁烷 50 % ，求在工作压力 p = 1MPa 、t 100 时 的密度和比容。 解： 1. 查表得丙烷和丁烷标准状态下的密度分别为2.0102 、2.703 2. 标准状态下混合气体密度 )/(36.2703.25 . 00102. 25. 0 3 0 mkgy ii 3. 混合气体的平均临界温度和临界压力 查表得丙烷和正丁烷的平均临界温度和临界压力为： 丙烷： 368.85k 、4.3975MPa 正丁烷： 425.95k 、3.6173MPa 混合气体的平均临界监度和临界压力 TC=yiTci 397.4k pC=yipci4.0074MPa 3. 计算对比参数 对比压力 pr=p/Pc=0.275 对比温度 Tr=T/Tc=0.94 4. 查通用压缩因子图得Z0.87 5. 混合气体密度 6.21 1 0 0 0 ZT T p p 6. 混合气体比容 v 1/ 0.0463 若按理想气体状态方程计算，密度为18.78 ，偏差达 13。 24 §2.3 天然气及其加工产品的质量要求 一、管输天然气的质量要求 商品天然气的质量要求是根据经济效益、安全卫生和环境保护等三方面的因素综合考虑制定的。不 同国家、不同地区和不同用途的天然气质量要求也不一样，有的作为燃料，有的作为原料。因此， 在世界范围内还没有一个统一的标准遵循，但是，国际标准化组织（ISO）对管输天然气质量提出在 以下三个方面应加以限制。 1. 天然气的组成 大量组分六个：甲烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、氮； 少量组分五个：二氧化碳、氢、不饱和烃类总量、一氧化碳、氧； 微量组分四个：硫化氢、硫醇类、总硫、水分。 2. 燃烧性质 标准状态下的总发热量； 标准状态下的华白数。 3. 其它性质 交接压力、温度下，不存在液相的水和烃类； 固体颗粒的含量不影响输送与利用； 存在的其它气体组分不影响输送和利用。 随着天然气在能源结构中比例的上升、输气压力的升高和输送距离的增长，对天然气气质的要 求也更趋严格。下表列出了国际标准化组织ISO/TC-193.AD.HOC小组， 1991年5月关于“天然气质量 标准”报告中有代表的气质标准。 有代表的天然气质量标准 国别英国荷兰法国美国中国 企业British Gas(第二组 ) Gas Unit Gas de France AGA SY7514-88d I II H2S ，mg/m3 硫醇硫， mg/m3 总硫， mg/m3 CO2 ，mol% O2 ， mol% 水露点， 烃露点， 5 6/16 120/150 2 0.5/3 管线压力下地面温度 5 15 150 1.5 0.5 -10/ -5 5 16.9 150 3 0.5 /55 - 5.7 11.5 22.9 - - /110 - 6 - 150 3 - 无游离水 - 20 - 270 3 - - - 线下为短期容许值，但实际上该公司均未达到6 mg/m3； 线上为湿分配管容许值，线下为干分配管容许值； 对输送及利用无有害影响； 共有、四级标准。 前苏联公共生活用天然气质量标准 H2Smg/m3 硫醇 mg/m3 CO2 ， （体积）O2 ，（体积）水露点， 20 36 2.0 1.0 冬季 -35 ，夏季 -20 前苏联管输天然气质量标准 指标 气候地区的标准 试 验 方 法 温暖地区寒冷地区 5.1-9.30 10.1-4.30 5.1-9.30 10.1-4.30 水露点不超过，0 -5 -10 -20 烃露点不超过，0 0 -5 -10 25 机械杂质量，mg/m3 3 3 3 3 硫化氢， mg/m3 20 20 20 20 硫醇， mg/m3 36 36 36 36 我国输气管道工程设计规范（GB50251-2003）中也提出了对管输天然气的气质要求： 进入输气管道的气体必须清除机械杂质；水露点应比输送条件下最低环境温度低5；烃露点应 低于或等于最低环境温度；气体中的硫化氢含量不应大于20mg/m3；当被输送的气体不符合上述要求 时，必须采取相应的保护措施。 二、天然气质量控制 天然气质量应该以我国现行标准GB17820-1999为控制依据，对于进口天然气的质量还应参照国 外尤其是出口国的有关标准的指标签署合同和验收，尤其对于出口国对质量要求低于我国相应指标 的，应考虑后续天然气的使用问题，必要时到岸后应进行净化处理。对于管输天然气，机械杂质、 水露点、烃露点和硫化氢含量必须达到输气管道工程设计规范（GB50251-2003）的要求。 天然气的分析测试是天然气质量控制的保证措施。 为了确保天然气的质量，天然气的分析测试从取样开始到各组分分析都应严格遵守相关标准、 规范的规定。如取样应遵照GB/TB13609-92天然气的取样方法，或参考美国气体加工者协会GPA 标准 2166-86 气相色谱法分析天然气样品的取样方法和ASTM D 1145天然气取样的标准方法； 硫化氢的测定要根据测试目的选用不同的测试方法，然后按照相关标准进行分析，如碘量法应按 GB11060.1天然气中硫化氢含量的测定- 碘量法，亚甲蓝法要遵循GB11060.2天然气中硫化氢含 量的测定 - 亚甲蓝法等；水含量的测定参考GB5832.1气体中微量水分的测定- 电解法、GB5832.2 气体中微量水分的测定- 露点法或 ISO 6327气体分析 - 天然气水露点测定- 表面冷凝露仪以及 ASTM D 1142燃料气水气含量测露点试验方法等推荐的方法进行。关于天然气中粉尘的测定方法， 目前我国还没有统一的规定，比较常用的方法是滤膜称重法，该方法适用于带压天然气测定其中大 于0.5 微米粉尘浓度的测定。 三、商品天然气的质量要求 通常，商品天然气的质觉指标主要有下述几项： 1热值（发热量）前面已经讲过，热值是表示燃气（即气体燃料）质量的重要指标之一，单位 为kJ/m3或kJ/kg ，亦可为 MJ/m3 或MJ/kg。不同种类的燃气，其热值差别很大。天然气的热值大约是 人工燃气的 2倍，如下表所示。 各种燃气低热值（概略值） 燃气 天然气人工燃气 气藏气伴生气炉煤气直立炭化炉煤气压力气化煤气 热值 ,MJ/m3 31.4-36.0 41.5-43.9 14.7-18.3 16.2-16.4 15.3-15.5 此处 m3 是指 101.325kPa 、0 状态下的体积。 未经加工或处理。 燃气热值也是用户正确选用燃烧设备或燃具时所必须考虑的一项质量指标。在一些国家的商品天然 气质量要求中， 都对其热值有一定要求。例如在北美各国， 一般要求商品天然气的热值不低于 34.5 37.3MJ/m3。 2 烃露点此项要求是用来防止在输气或配气管道中有液烃析出。析出的液烃聚集在管道低洼 处，会减少管道流通截而。只要管道中不析出游离液烃，或游离液烃不滞留在管道中，烃露点要求 就不十分重要。 3 水露点（也称露点）此项要求是用来防止在输气或配气管道中有液态水（游离水）析出。 液态水的存在会加速天然气中酸性组分（H2S 、CO2) 对钢材的腐蚀，还会形成固态天然气水合物， 堵塞管道和设备。液态水聚集在管道低洼处，也会减少管道的流通截面。冬季（寒冷地区）水易结 冰，会堵塞管道和设备。 4 硫含量此项要求主要是用来控制天然气中硫化物的腐蚀性和对大气的污染，常用 H2S 含量和 26 总硫含最表示。 天然气中硫化物分无机硫和有机硫。无机硫指硫化氢(H2S)，有机硫指二硫化碳(CS2)、氧硫化 碳(COS)、硫醇 (CH3SH 、C2H5SH) 、噻吩 (C4H4S)、硫醚 (CH3SCH3) 等。天然气中的大部分硫化物为无 机硫。硫化氢及其燃烧产物二氧化硫，都具有强烈的刺鼻气味，对眼 黏膜和呼吸道有损坏作用。空气中硫化氢体积分数大于0.06 %( 约 91Omg/m3)时，人呼吸 30min就会 致命。当空气中含有0.05%( 体积分数 )SO2时，人呼吸短时间生命就有危险。硫化氢又是一种活性腐 蚀剂。在高压、高温以及有液态水存在时，腐蚀作用会更加剧烈。硫化氢燃烧后生成的SO2 和SO3 也 会造成对燃具或燃烧设备的腐蚀。因此，一般要求天然气中硫化氢含量不高于6-20mg/m3。除此以外， 对天然气中的总硫含量也有一定要求，一般要求小于480mg/ m3。 （2003年12月23日晚 21时15分, 地处重庆市开县高桥镇晓阳村境内的中石油西南油气田分公司川东 北气矿罗家 16 号气井突然发生井喷, 硫化氢浓度达100ppm以上的气体从钻具水眼喷涌而出, 高达 30 米。硫化氢为无色气体, 有臭鸡蛋味 , 经粘膜吸收快, 对动物有极大杀伤力。人吸入 70至 150毫克 ,1 至2小时出现呼吸道及眼刺激症状, 吸入 760毫克至 1000毫克 , 数秒钟后 , 出现急性中毒症状, 呼吸加 快后呼吸道麻痹而亡。失控的有毒气体随空气迅速扩散, 瞬间 , 离气井较近的开县高桥镇、麻柳乡、 正坝镇、天和乡 4个乡镇 9万余人面临灾难的袭击, 以出事地点为圆心, 半径 5公里范围内的30个村约 4 万人的生命受到威胁, 紧邻气井的晓阳、高旺村2419人更是听到了死神的狞笑。( 摘自中国减灾 2004年第 3 期) 如果空气中含有0.1 （体积比） 一氧化碳， 呼吸 1小时会因起头痛和呕吐，当含量达 0.5 （体积比） 时，经 2030分钟将危及生命。 ） 5二气化碳含量 二氧化碳也是天然气中的酸性组分，在有液态水存在时，对管此和设备也有腐蚀性。尤其当硫 化氢、二氧化碳与水同时存在时，钢材的腐蚀更加严重。此外，二氧化碳还是天然气中的不可燃组 分，因此，一些国家规定了天然气中二氧化碳的含量（体积分数）不高于2% 3。 我国国家标准天然气 （ GB17520-1999）已从 2001 年开实施。此标准适用于气田、油田采出 经预处理后通过管道输送