天然气基础知识

天然气基础知识

一、天然气的基础知识

1. 天然气的特点与组成

天然气泛指自然界的一切气体，狭义则指采自地层的可燃气体。石油工业中称采自气田或凝析气田的可燃气体为天然气，又称气田气；在油田中与石油一起开采出来的可燃气体称为石油伴生气。

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是可燃烃类气体，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等，其中甲烷比例占绝对优势，例如我国四川气田天然气甲烷含量一般不低于90%，而陕甘宁气田则达95%左右。此外，还可能含有少量二氧化碳、硫化氢、氮气、水蒸气以及微量的氦、氖、氩等气体。在标准状况（0℃及101325Pa）下,甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液态。

2. 天然气的密度

单位体积气体的质量称为密度。气体的体积和压力与温度有关，说明密度时就必须指明它的压力、温度状态。例如空气在P=101325pa，t=20℃时，密度ρ＝1.206kg/m3；在P=101325pa，t=0℃时, ρ＝1.2931kg/m3。如果不指明压力，温度状态，通常就是指标准状态下的参数。

标准状态下，甲烷的密度为0.717 kg/m3 ，空气的密度为1.2931 kg/m3 ，故甲烷的相对密度

∆*CH 4=0.7174/ 1.2931= 0.5548

天然气的相对密度一般为0.58～0.62，石油伴生气为0.7～0.85。

3. 天然气的粘度

当两层气体相对运动时，气体的分子之间不仅具有与运动方向一致的相对运动而造成的内摩擦，而且由于气体分子无秩序的热运动，两层气体分子之间可以互相扩散和交

换。当流动速度较快的气层分子跑到流速较慢的一层时，这些具有较大动能的气体分子，将使较慢的气层产生加速的作用，反之流动速度较慢的气层分子跑进较快的气层时，则对气层产生一种阻滞气层运动的作用，结果两层气体之间就产生了内摩擦。温度升高，气体的无秩序热运功增强，气层之间的加速和阻滞作用跟着增加，内摩擦也就增加。所以，气体的粘度随着温度的升高而加大。

4. 天然气含水量(湿度)

天然气在地层温度和压力条件下含有饱和水汽，天然气的水汽含水量取决于天然气的温度、压力和组成等条件。天然气含水量，通常用绝对湿度、相对湿度和水露点来表示。

天然气绝对湿度是指一立方米天然气中所含水汽的克数，单位可用g/m3表示。

天然气的饱和含水量是指在一定温度和压力下，天然气中可能含有的最大水汽量，即天然气与液态平衡时的含水汽量。

天然气相对湿度是指在一定温度和压力下，天然气绝对湿度和饱和含水量之比。

天然气水露点是指天然气在一定压力下析出第一滴水时的温度，即天然气饱和水汽量对应的温度。在GB 50251-2003 《输气管道工程设计规范》中作了明确规定：进入输气管道的气体水露点应比输送条件下最低环境温度低5℃

5. 天然气的热值

天然气作为燃料使用，热值是一项重要的经济指标。天然气的热值是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炭和氢构成，氢在燃烧时生成水并被汽化，由液态变为气态，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）。将汽化热计算在内的热值叫高热值（全热值），不计汽化的热值叫低热值（净热值）。由于天然气燃烧的汽化无法利用，工程上通常使用

低热值即净热值。每立方米天然气热值在8000-10000大卡。

每立方米煤气的热值3000-4000大卡。

每公斤液化气燃烧热值为11000大卡。气态液化气的比重为2.5公斤/立方米。每立方液化气燃烧热值为25200大卡。

每瓶液化气重14.5公斤,总计燃烧热值159500大卡,相当于20立方天然气的燃烧热值。

6. 天然气的可燃性限和爆炸极限

可燃气体与空气混合（空气中的氧为助燃物质），遇到火源，可以发生燃烧或爆炸。可燃气体与空气的混合物，对于敞开系统，遇明火进行稳定燃烧。可燃气体与空气的混合物进行稳定燃烧时，其可燃气体在混合气体中的最低浓度称为可燃下限，最高浓度称为可燃上限，可燃上限与可燃下限之间的浓度范围，称之可燃性界限，即可燃性限。可燃气体与空气的混合物，在封闭系统中遇明火可以发生剧烈燃烧，即发生爆炸。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，其可燃气在混合气体中的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限，爆炸下限与爆炸上限之间的可燃烧气体浓度范围，称之为爆炸限。

有的可燃气体的可燃性限与爆炸限是一致的，有的可燃气体的爆炸限只是可燃性限内的更小浓度范围。一般情况下，可将爆炸限与可燃烧性限混用，即用可燃烧性限代替爆炸限，这对于实际工作是适宜的，有利于安全生产。

压力对于可燃烧气体的爆炸限有很大影响，例如当压力低于6665 帕时，天然气与空气的混合物，遇明火不会发生爆炸，而在常温常压下，天然气的爆炸限为5％～15％，随着压力的升高，爆炸限急剧上升，压力为 1.5×107帕时,天然气的爆炸上限为58% 。

7. 天然气输送过程中的节流效应

假如降低气体的压力而不释放气体的能量，而且气体是理想的，状态是绝热的，那么系统的总能量保持不变。也就是说，状态变化属于等焓变化，气体的温度也保持不变。然而假如上述变化的气体是真实气体，那么其容积变化将不同于理想气体的情况，其内能和温度将发生变化。气体在流道中经过突然缩小的断面（如管道上的针形阀、孔板等），产生强烈的涡流，使压力下降，这种现象称为节流。

节流效应又称为焦耳-汤姆逊效应。温度下降的数值与压力下降数值的比值称为节流效应系数，又称焦耳-汤姆逊效应系数。

节流效应系数的意义是：下降单位压力时的温度变化值。它随压力、温度而变。

在气田上，压力较高，天然气的节流效应系数一般为3～4℃/ MPa 。干线输气管道上，压力较低，一般为 2.5～3.0℃/ MPa 。

从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质，以及水、水蒸气、硫化物和二氧化碳等有害物质。

砂、铁等尘粒随气流运动，磨损压缩机、管道和仪表的部件，甚至造成破坏。有时还会积聚在某些部位，影响输气的正常进行。水积聚在管道低洼处，减少管道输气截面，增加输气阻力。水又能在管内壁上形成一层水膜，遇酸性气体（H 2 S 、CO2 ）等形成酸性水溶液，对管内壁腐蚀极为严重，是造成输气管道破坏的重要原因之一。水在一定温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成冰雪状水合物（如CH 4 . 6H 2 O 等），造成管路冰堵。

天然气中的硫化物分为无机的和有机的两种。无机的主要是硫化氢，有机的主要是二硫化碳（CS2 ）、硫氧化碳( COS ）等。硫化氢及其燃烧产物二氧化硫( SO2 )都具有强烈的刺鼻气味，对眼粘膜和呼吸道有破坏作用。空气中硫化氢含量大于910 mg/m3（约0.06％体积比）时人呼吸一小时就会严重中毒。当空气中含有0.05％（体