1、中国石油管道德州培训基地天然气基础知识王晓燕中国石油管道德州培训基地1223422课程目录天然气的组成及分类天然气的基本性质天然气管输气质要求5气体状态方程水合物中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地中国石油管道德州培训基地讨论：发生这起事故的原因到底有哪些？中国石油管道德州培训基地对通球清管作业认识不足，没有预见排污中有液态烃。是在不利的生产条件下进行的带气清管。缺少必要的输气安全规程依据。4 4生产区距离其它设施防火间距不符合防火规定。1 12 23 3中国石油管道德州培训基地 一 、
2、天然气的组成及分类天然气的组成及分类1、天然气到底是怎样形成的呢？天然气与石油是有机物生成的，即是古代生物(动物和植物)在一定的环境下生成的。在若干万年前地球上的动植物，特别是生长在浅海及其边沿、河流入海处、湖泊和沼泽等地方的动植物，随着地球的演变和自然环境的变化，逐渐死亡并被泥沙等沉积物埋藏而与空气隔绝。 在缺氧的沉积环境中，加之受地层压力、温度、放射线、催化剂等复杂的物理化学作用和细菌的发酵分解作用，逐步转化为天然气和石油。天然气的组成及分类天然气的组成及分类在中国大百科全书和天然气工程手册、石油词典中不完全相同，但大体上内容一致。系指：从地层内开发生产出来的、可燃的烃和非烃混合气体。天然
3、气是一种以饱和碳氢化合物为主要成分的混合气体。天然气工程手册定义天然气工程手册2、天然气的定义3、天然气的组成天然气的组成及分类 天然气是由碳氢化合物和其它成分组成的混合物，它主要由甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）组成， 其次还含有微量的重碳氢化合物和少量的其它气体， 如：氮气（N2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、水、有机硫等。天然气的组成及分类对天然气组分加以归纳，大致分为三类01POINT 烃类组分02POINT 含硫组分03POINT 其它组分天然气的组成及分类 烃类化合物是天然气的主要组
4、分，大多数天然气中烃类组分含量为6090。天然气的烃类组分中，烷烃的比例最大。一般来说，大多数天然气的甲烷含量都很高，通常为7090。故通常将天然作为甲烷来处理。 只有碳和氢两种元素组成的有机化合物，称为碳氢化合物，简称烃类化合物。宣传烃类烃类 组分组分烃类烃类 组分组分天然气的组成及分类天然气中常含有一定量的戊烷(碳五)、己烷(碳六)、庚烷(碳七)、辛烷(碳八)、壬烷(碳九)、和癸烷(碳十)。大多数天然气中不饱和烃的总含量小于1。有的天然气中含有少量的环戊烷和环己烷。有的天然气中含有少量的芳香烃，其多数为苯、甲苯和二甲苯。天然气中除甲烷组分外，还有乙烷、丙烷、丁烷（含正丁烷和异丁烷），它们在
5、常温常压下都是气体。而丙烷，丁烷可以经适当加压降温而液化，这就是通常所说的液化石油气（LPG），简称液化气。天然气的组成及分类含硫含硫 组分组分无机硫化物:硫化氢H2S有机硫化物：硫醇、硫醚、二硫化碳等硫化氢是一种比空气重、可燃、有毒、有臭鸭蛋气味的气体。硫化氢的水溶液显酸性，故称硫化氢为酸性气体。有水存在的情况下，硫化氢对金属有强烈的腐蚀作用。有机硫化物对金属的腐蚀不及硫化氢严重，但使催化剂失去活性。大多数有机硫有毒、具有臭味、会污染大气。天然气的组成及分类天然气中含有硫化物时，必须经过脱硫净化处理，才能进行管输和利用。有机硫无机硫天然气的组成及分类温度降低，水汽冷凝为水。硫化氢和二氧化碳溶
6、于水，会腐蚀管道及设备，要进行脱水处理。其它其它 组分组分二氧化碳CO2酸性气体，溶于水生成碳酸，对金属设备腐蚀严重，通常在脱硫工艺中，同硫化氢一起尽量脱除。一氧化碳CO含量甚微氧O2氮N2微量氧一般含量在10%以下，也有高达50%甚至更多的。氢、氦、氩饱和水蒸气一般在1%以下，氦是除氢气以外密度最小的气体，含量超过0.1(体积比)时，就有提氦的工业价值。4、天然气的分类天然气的组成及分类按油气藏的特点气田气凝析气田气油田伴生气天然气的组成及分类在开采过程中没有或只有较少天然汽油凝析出来的天然气。气田气这种天然气在气藏中，烃类以单相存在，其甲烷的含量约为8090，而戊烷以上的烃类组分含量很少。
7、天然气的组成及分类凝析气田气这种天然气中戊烷以上的组分含量较多，但是在开采中没有较重组分的原油同时采出，只有凝析油同时采出。油田伴生气天然气的组成及分类这种天然气是油藏中烃类以液相或气液两相共存，采油时与石油同时被采出，天然气中的重烃组分较多。天然气的组成及分类按天然气中烃类组分含量多少干气湿气天然气的组成及分类是指戊烷以上烃类可凝结组分的含量低于100g/m3的天然气。干气中的甲烷含量一般在90以上，乙烷、丙烷、丁烷的含量不多，戊烷以上烃类组分很少。是指戊烷以上烃类可凝结组分的含量高于100g/m3的天然气。湿气中的甲烷含量一般在80以下，戊烷以上的组分含量较高，开采中可同时回收天然气油（即
8、凝析油）。一般情况下油田气和部分凝析气田全可能是湿气。干气湿气天然气的组成及分类按天然气中含硫量差别洁气酸性气体通常是指不含硫或含硫量低于20mg/m3的天然气，洁气不需要脱硫净化处理，即可进行管道输送和一般用户使用。通常是指含硫量高于20mg/m3的天然气。酸性天然气中含硫化氢以及其它硫化物组分，一般具有腐蚀性和毒性，影响用户使用。酸性天然气必须经过脱硫净化处理后，才进入输气管线。洁气酸性气体天然气的组成及分类天然气的组成及分类按重烃组分含量划分贫气:C3+100ml(liquid)/Nm3指1Nm3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于100cm3富气:C3+100ml(liquid)/N
9、m3指1Nm3井口流出物中，C3以上烃类液体含量高于100cm3按储运形态划分天然气的组成及分类NG:天然气，NaturalGasCNG:压缩天然气，CompressedNaturalGas(2025MPa)LNG:液化天然气LiquefiedNaturalGas(大气压，-162)ANG:吸附天然气，AbsorbedNaturalGasNGH:天然气水合物NaturalGasHydrate(大气压，-15）全世界已探明的NGH储量已达现有矿物燃料（fossilfuel，包括煤、石油、天然气、油页岩等）储量的两倍以上。根据初步地质调查结果，我国南海、东海大陆架存在较丰富的NGH资源。 二 天然
10、气的基本性质天然气的基本性质天然气重要性质低相对密度天然气（绝对密度0.7kg/m3）相对密度为0.6左右。因此比空气轻，易扩散。可燃性天然气是一种可燃气体，且具有很高的热值，其热值一般为34-38MJ/方，比普通煤大1.5倍，是理想的高效燃料。可压缩性增压20-25MPa体积缩小为240-300分之一。天然气的基本性质1、天然气的相对分子质量计算公式如下：M=M1V1+M2V2+M3V3+MnVn式中：M表示天然气的摩尔质量；V1、V2、V3Vn表示天然气各组分的体积百分比；M1、M2、M3Mn表示天然气各组分的摩尔质量。天然气的相对分子质量通常用摩尔质量表示，天然气是一种混合气体，它的摩尔
11、质量是由各组分的摩尔质量和体积百分比的乘积加全平均计算出来的。天然气的基本性质例：某天然气的组分体积百分含量如下表：成分摩尔量(g/mol)体百分含量甲16.04393.5乙30.072.3丙44.0971.2丁58.120.3硫化34.091.5氮气28.021.2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=17.09g/mol答：此种天然气的摩尔质量为17.09g/mol。2、天然气密度天然气的密度为单位体积天然气的质量。计算公式：
12、 式中 天然气的密度，kg/ m3 ； m 天然气的质量， kg； v 天然气的体积， m3。 天然气的基本性质密度的影响因素天然气的基本性质温度的影响：在压力一定时，一定质量的天然气，温度越大密度越小；温度越小密度越大。压力的影响：在温度一定时，一定质量的天然气，压力越大密度越大；压力越小密度也越小。天然气的基本性质相对密度即在同温同压条件下，天然气的密度与空气的密度之比。即：天然气的密度，kg/m3；a同温同压下空气的密度，kg/m3；G天然气的相对密度。石油伴生气：0.7-0.85 天然气比空气轻，其相对密度一般小于1，通常在0.50.7之间。天然气的基本性质甲烷：t=0，P=10132
13、5Pa，G=0.7143/1.2931=0.5524气田天然气：0.58-0.62通常所说的天然气含水量，是指天然气中水汽的含量。天然气的含水量，通常用绝对湿度、相对湿度和露点来表示 。3、含水量天然气的基本性质（1）天然气的绝对湿度：是指单位数量天然气中所含水蒸气的质量。单位是g/m3。（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。式中相对湿度；E绝对湿度，g/m3；Es饱和湿度，g/m3。天然气的基本性质什么是天然气的饱和状态？ 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
14、水蒸汽将凝析出来。天然气的基本性质天然气的基本性质（3）露点在压力一定时，天然气中水蒸汽达到饱和时的温度就叫做天然气在这种压力下露点（水露点）。不同的压力下天然气有不同的露点，压力越大露点越高，压力越小露点越低。它可能对天然气的储运和利用过程带来以下几方面的危害：（1）析出的液态水与天然气中的某些组分形成固态水合物，从而堵塞管道或设备；（2）析出的液态水会加剧管内壁的腐蚀，尤其是当天然气中含有硫化氢和二氧化碳时更为严重；（3）如果析出的液态水太多，管道中可能会出现气液两相段塞流，这种情况在干线输气管道上是不允许出现的；（4）水蒸气将使湿天然气的热值降低。天然气的基本性质天然气含水的危害天然气的
15、基本性质 天然气管输时，必须将水汽尽量脱除，使其露点降低到输压条件下的输气温度5以下，这样在输送过程中就不会出现液态水。天然气的基本性质4、烃露点定义：天然气在一定压力下析出液态烃时的最高温度。干线输气管道对天然气的露点控制：工程上通常采用控制露点的办法防止在天然气储运和利用过程中析出液态水或液态烃。输气管道工程设计规范（GB 50251-2003）规定：管输天然气在最高输送压力下的水露点至少要比管道周围的最低环境温度低5，而烃露点不得高于最低环境温度。天然气的基本性质5、热值定义：指单位数量的天然气完全燃烧所放出的热量。天然气主要组分烃类是由碳和氢构成的，氢在燃烧时生成水并被汽化，由液态变为
16、气态，于是一部分燃料热能消耗于水的汽化。消耗于水的汽化的热叫汽化热（或蒸汽潜热）。热值可以由天然气各组分的体积组成和热值用下式计算：Q=yiQi式中Q天然气的热值，kJ/kg或KJ/m3；Qi各组分气体的热值，kJ/kg或KJ/m3；Yi各组分的体积组成。天然气的基本性质天然气的基本性质热值全热值（高热值）：将汽化热计算在内的热值。净热值（低热值）：不计算汽化热的热值。天然气的基本性质6、天然气的粘度从宏观上讲粘度表示流体（气体和液体）流动时的难易程度，粘度大的流体流动困难，粘度小的流体易于流动。气体的粘温性质:在气体压力不太高的情况下，气体粘度随温度升高而增大。随着压力升高，气体的性质逐渐接
17、近液体，而温度对气体粘度的影响也逐渐接近液体。当压力升高到一定限度时，温度升高将导致气体粘度降低。对于甲烷，这个界限压力大约为10MPa 。 天然气的基本性质压力对天然气的粘度也有影响。在相同温度下，压力越高，天然气的粘度越大。在输气管道工程中一般不考虑压力对气体粘度的影响。7、天然气的可燃性限和爆炸限天然气的基本性质可燃气体与空气的混合物进行稳定燃烧时，可燃气体在混合气中的最低浓度称为可燃下限，最高浓度称为可燃上限，可燃下限与可燃上限之间的浓度范围称可燃性界限，简称可燃性限。可燃性限可燃性限天然气的基本性质可燃气体与空气的混合物，在封闭系统中遇明火发生爆炸时，可燃气体在混合气体中的最低浓度称
18、为爆炸下限，其最高浓度称为爆炸上限，爆炸上限与爆炸下限之间的可燃气体的浓度范围称为爆炸界限，简称爆炸限。天然气的基本性质 必须有天然气和空气的混合物。混合物的浓度必须在爆炸范围之内。必须满足爆炸所需温度，如遇明火。爆炸条件天然气的基本性质a、天然气与空气的浓度在低限以下时，既不能燃烧也不能爆炸；高限以上条件满足时只能燃烧不能爆炸；只有在爆炸范围内才可能发生爆炸。b、天然气与空气的混合物只有同时满足上述三个条件，才能发生爆炸，缺一不可。特性天然气的基本性质温度越高，天然气的爆炸范围越大。温度越低，天然气的爆炸范围越小。含惰性气体越多，天然气的爆炸范围越小。 压力对可燃气体的可燃性限有很大影响，如
19、当压力低于6665Pa时，天然气与空气的混合气遇明火不会发生爆炸。而在常温常压下，天然气的可燃性限为515%；随着压力升高，爆炸限急剧上升，当压力为1.5107Pa时，其爆炸上限高达58%。1 12 23 3影响爆炸范围的因素温度的影响压力的影响惰性气体的影响天然气的基本性质混合气压力的影响：爆炸力与混合气爆炸前混合气的压力成正比。在爆炸范围内的混合气体多少的影响：混合气体越多，爆炸力越大。混合气体越少，爆炸力越小。与混合气体的密闭程度有关，密闭越严，爆炸力越大。1 12 23 3影响爆炸力的因素天然气的基本性质8、天然气的节流效应气体在流道中经过突然缩小的断面，如针阀、孔板等设备，由于局部的
20、阻力，产生强烈的涡流，压力降低，该现象称节流现象。若在过程中气体与外界无热交换，则称为绝热节流，亦称为节流。天然气的基本性质气体遇到压力突变引起温度急剧降低，甚至产生冰冻，这种现象叫做节流效应，也叫焦耳汤姆逊效应。什么叫节流效应？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，近似可以看成为是绝热膨胀，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。天然气的基本性质思考：为什么会产生节流降温现象呢？天然气的基本性质节流前后压力、温度的关系式式中：P1、T1 表示节流前的压力、温度； P2、T2 表示节流
21、后的压力、温度。 k表示绝热指数，一般天然气为1.2-1.4， 干气取1.3，湿气取1.2。天然气的基本性质 三、天然气管输气质要求 强制性国家标准:GB17820-2012天然气v GB17820-2012天然气，提高一类气气质指标，高位发热量由原来大于31.4MJ/m3提高到大36MJ/m3，二氧化碳由小于或等于3.0提高为小于或等于2.0，总硫由不大于100mg/m3提高到不大于60mg/m3。v 天然气按高位发热量，总硫、硫化氢和二氧化碳含量分为一类、二类和三类。一类和二类气体主要用作民用燃料和工业原料或燃料，三类气体主要作为工业用气。天然气管输气质要求天然气按高位发热量，总硫、硫化氢
22、和二氧化碳含量分为一类、二类和三类。3.2天然气的技术指标应符合表1的规定。3.3作为民用燃料的天然气，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标。v 天然气的技术指标应符合表1的规定。v 作为民用燃料的天然气，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标。天然气管输气质要求 四、气体状态方程气体状态方程 1、实际气体和理想气体概念 理想气体：是为了简化问题而假想的一类气体，它们的分子本身不具有体积，分子之间也没有作用力，这样的气体称为理想气体。 实际气体：气体分子是有体积的（尽管通常比气体所占的体积小得多），气体分子之间也是有作用力的（尽管比液体和固体的小得多）。当气体的比容不是很大，
23、在工程计算中必须考虑分子本身体积和分子间作用力的影响时，人们把它称为实际气体。气体状态方程 2、理想气体状态方程式中：P-力（）,KPa V-体，m3 T-气体的力学温度，K n-千摩尔数，kmol R-气体常数,KPa. M3/(Kmol.K)PV=nRT力在低于040.5MPa，在工程算中一般按理想气体状方程算已足准确。气体状态方程 3、实际气体状态方程pv= ZnRT式中：Z-压缩系数（因子）已知状态方程，已知气体在P1、T1、Z1条件下的体积V1，换算成P2、T2、Z2条件下的体积V2，按下式计算：V2=Z2T2 P1Z1T1 P2V1气体状态方程 4、天然气计量的标准状态 气体的体积
24、是随温度和压力而变化的。因此，在测量天然气体积流量时，必须指定某一温度和压力作为计量的标准温度和压力，称之为“基准状态”或“标准状态”。 用标准孔板流量计测量天然气流量(SY/T61432004)规定：101.325KPa（760mmHg) ,2O(293.15K)作为我国天然气计量的标准状态。气体状态方程 五、 水合物 水合(化)物 hydrate ：天然气中某些组分与液态水在一定温度、压力条件下形成的一种外观象冰霜的物质，俗称”可燃冰”，密度为0.88至0.90 g/cm3。 水合物形成机理及条件与水结冰不同，即使温度高达47，只要天然气压力足够高(3900bar)，其仍然可以与水形成水合
25、物。 水合物水合物 2、水合物的特点： 水合（化）物是一种白色结晶物质，类似冰和微密的雪。水化物是由碳氢化合物和几分子水组成的水合物。例如：CH4.6H2O、C3H8.7H2O、C4H10.7H2O等。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。水合物 3、 形成水合物的条件 （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： a.压力波动；b.流向突变产生扰动；c.有晶体存在。水合物水合物水化物的形成曲线水化物形成曲线图从上图中可以看出如下结论：1、压力一定时，温度越高，越不易
26、形成水化物。2、温度一定时，压力越低，越不易形成水化物。 4、水合物的利用 天然气水合物被誉为21世纪的新能源。一立方米水合物的能量相当于164立方米天然气的热值。据称在世界大洋中，天然气水合物的总量换算成甲烷气体将高达210的16次方，其含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤炭矿产总量多2倍。水合物 水合物5、冰堵产生的原因及危害 对于天然气长输管道和天然气分输站，冰堵是运行管理单位需要解决的棘手问题。冰堵产生的原因有二： 一是长输管道投产前，在注水试压后的扫线、清管过程中，没有将管道内的存水清理干净，造成部分管段聚水较多，温度较低时冻结或形成天然气水合物，此种情况多出现在长输管道地势低
27、洼处； 二是天然气在经过分输场站的调压撬、过滤分离器时，由于焦耳-汤姆逊效应，温度急剧降低，当温度低至天然气水露点时，天然气组分中的水分子析出，在高压低温条件下，产生天然气水合物，从而堵塞阀门、流量计和其他工艺设备，此类冰堵易发生在调压撬处，且在西气东输二线尤其明显，因其气源来自中亚，含硫量和天然气水露点均高于国内气源，故在降压分输过程中极易产生冰堵。水合物 天然气管道冰堵的危害 天然气水合物形成后，会对输气生产产生显著影响： 1、天然气水合物在输气干线或输气场站某些管段（如弯头、阀门、节流装置等部位）形成后，易造成流通面积减小，形成局部堵塞，其上游压力增大，流量减小，下游压力降低，从而影响正
28、常输气和平稳供气； 2、天然气水合物在节流孔板处形成，直接影响天然气流量的计量准确性； 水合物 3、天然气水合物在气液联动截断阀的引压管处形成，将导致控制单元无法及时准确地检测到信号，造成阀门误关断； 4、水合物若在关闭阀门的阀腔或“死气段”内形成，易因体积膨胀造成设备或管道冻裂，该情况多发生在投产初期和冬季气温较低的地区。水合物6、冰堵的防治措施 目前，对于因天然气水合物而形成的冰堵，可尝试以下方法：（1）确保管道内天然气含水量满足标准规定，在天然气进入管道前，对其进行干燥处理。通常采用的天然气干燥方法有两种：液体吸收法和固体吸附法。前者是利用甘醇等具有良好亲水性的液体脱水剂，降低天然气水露
29、点，使之在输送压力条件下，低于输气温度510 ；后者是利用分子筛、氧化铝、活性碳、硅胶等具有较强吸附能力的脱水吸附剂，吸附天然气中的水汽，降低天然气水露点。水合物 （2）对于刚投产的输气管道，输气场站应对阀门、过滤分离器、计量橇、调压橇、排污罐、放空立管等设备进行多次排污，将管道和设备内的积液及时排出。日常巡检时，注意检查过滤分离器的差压表，当过滤器差压大于0.1Mpa时，应立即更换滤芯。 水合物 （3）提高天然气流动温度，在调压橇前对天然气加热或者在易冰堵管段安装电伴热带，确保天然气的流动温度或者调压橇后的气体温度保持在天然气水露点以上，防止天然气水合物的生成。许多分输站均在调压橇前安装了电
30、加热器，并在分输场站内的排污管道、调压橇管道、调压橇引压管、自用气橇增设了电伴热带且包裹保温材料。水合物1、燃烧器2、筒体3、防爆门4、火筒5、后烟箱6、烟管7、盘管8、膨胀水槽9、液位计10、梯子平台11、烟囱水合物(4)加入化学制剂抑制天然气水合物的形成。 水合物 (5)在下游分输管道具备一定储气调峰能力的前提下，适当提高下游分输压力且间歇输送，既满足了下游用户的天然气用量需求，又降低了调压橇分输时的前后压差，从而避免调压橇后的天然气温度过低而产生冰堵。水合物6、天然气管道冰堵的处理方法 目前，工程上主要采取以下措施解决天然气管道冰堵： （1）降压解堵法。在形成水合物的输气管段，将部分天然
31、气放空，以降低输气管道的压力和温度，当水合物的形成温度低于输气管道的气体温度时，水合物立即分解。实践证明，水合物的分解速度很快，整个过程仅需要10 min，这是由于当水合物的结晶壳开始液化时，水合物立即从管壁脱落，并被排出的气流从输气管道带出。水合物 （2）向冰堵管段注入防冻剂（如甲醇等），利用防冻剂大量吸收水分，降低水合物形成的平衡温度，破坏水合物的形成条件，使已形成的水合物分解。但甲醇是有毒物质，操作人员在工作时，应注意保护自身不受侵害。水合物 （3）对冰堵管段浇淋热水或者采用蒸汽加热车进行蒸汽加热解堵，若是埋地管道则需对该管段进行开挖。 水合物 （4）提高分输压力，减小调压撬的前后压差（低于1 MPa）。在干线管道上利用上游截断阀室的旁通管道进行压力调节，降低分输站的进站压力。 其中，天然气加热和注醇是最常用的冰堵处理方法，而向管道冰堵部位喷淋热水和蒸汽加热是最简便易行的冰堵处理方法。本章结束！
