天然气场站讲义

前言近年来，作为补充备用气源和汽车用燃料，压缩天然气和液化天然气已经逐渐得到广泛应用。

因此，国内各燃气公司建设的各类天然气场站也逐年增多，为了进一步规范燃气公司各类天然气场站的运行管理，提高安全运行水平，燃气管理办公室组织相关专家特此编写了此《天然气场站讲义》，望各单位认真组织员工学习，促进本单位的安全生产，提高企业的经济效益。

由于时间短，难免有疏漏和错误，敬请批评指正！。

第一章天然气的基本知识1）天然气的物理性质，如：分子量、密度和相对密度、饱和蒸汽压、粘度、临界参数、真实气体和理想气体状态方程及气体偏差系数、体积系数、含水量、溶解度和烃露点等；2）天然气的相态性质和相平衡计算；3）天然气的热力学性质如：比热容、绝热指数、导热系数、汽化潜热、焓、熵、热值和爆炸性等。

限于篇幅，本章只涉及与日常工程中经常用的几个参数。

第一节天然气的分类与组成一、天然气的分类依据不同的原则，有三种天然气的分类方式：1、按矿藏特点分类按矿藏特点的不同可将天然气分为气井气、凝析井气和油田气。

前两者合称非伴生气，后者也称为油田伴生气。

气井气：即纯气田天然气，气藏中的天然气以气相存在，通过气井开采出来，其中甲烷含量高。

凝析井气：即凝析气田天然气，气藏中以气体状态存在，是具有高含量可回收烃液的气田气，其凝析液主要为凝析油，其次可能还有部分被凝析的水，这类气田的井口流出物除含有甲烷、乙烷外，还含有一定量的丙烷、丁烷及C5+以上的烃类。

油田气：即油田伴生气，它是伴随原油共生，是在油藏中与原油呈相平衡接触的气体，包括游离气（气层气）和溶解在原油中的溶解气，从组成上亦认为属于湿气。

在油井开采情况中，借助气层气来保持井压，而溶解气则伴随原油采出。

油田气采出的特点是：组成和气油比（一般为20～500m3气/t原油）因产层和开采条件不同而异，不能人为地控制，一般富含丁烷以上组分。

当油田气随原油一起被开采到地面后，由于油气分离条件（温度和压力）和分离方式（一级或二级）不同，以及受气液平衡规律的限制，气相中除含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷外，还含有戊烷、己烷，甚至C9、C10组分。

液相中除含有重烃外，仍含有一定量的丁烷、丙烷，甚至甲烷。

与此同时，为了降低原油的饱和蒸气压，防止原油在储运过程中的挥发耗损，油田上往往采用各种原油稳定工艺回收原油中C1～C5组分，回收回来的气体，称为原油稳定气，简称原稳气。

2、按天然气的烃类组成分类按天然气的烃类组成（即按天然气中液烃含量）的多少来分类，可分为干气、湿气或贫气、富气。

（1）C5界定法：干、湿气的划分。

根据天然气中C5以上的烃液含量的多少，用C5界定法划分为干气和湿气。

干气：指在1Sm3(基准立方米)井口流出物中，C5以上烃液含量低于13.5cm3的天然气。

湿气：指1Sm3井口流出物中，C5以上烃液含量高于13.5cm3的天然气。

注：1Sm3是指101.325kPa、20℃下计量的气体体积，中国气体计量采用的标准，有时又称基方。

（2）C3界定法：贫、富气的划分。

根据天然气中C3以上烃类液体的含量多少，用C3界定法划分为贫气和富气。

贫气：指在1Sm3井口流出物中，C3以上烃类液含量低于94cm3的天然气。

富气：指在1Sm3井口流出物中，C3以上烃类液含量高于94cm3的天然气。

在北美地区的文献中定义两种气体为贫气：①在天然气加工装置回收天然气液体之后的剩余残气；②几乎不含或无可回收天然气液体的未加工气体。

而富气指适合作天然气加工厂原料并能从中提取产品的气体，这与上述的定义无原则上区别。

相反，干气和湿气包括两方面的内容：一则是针对天然气是否含有水分来划分为干、湿气；二则是与贫、富气的划分相类似。

3、按酸气含量分类按酸气（指CO2和硫化物）含量多少，天然气可分为酸性天然气和洁气。

酸性天然气指含有显著量的硫化物和CO2等酸气，这类气体必须经处理后才能达到管输标准或商品气气质指标的天然气。

洁气是指硫化物含量甚微或根本不含的气体，它不需净化就可外输和利用。

由此可见酸性天然气和洁气的划分采取模糊的判据，而具体的数值指标并无统一的标准。

在我国，由于以CO 2的净化处理要求不严格，而一般采用西南油田分公司的管输指标即硫含量不高于20mg/Nm 3作为界定指标，把含硫量高于20mg/Nm 3天然气称为酸性天然气，否则为洁气。

把净化后达到管输要求的天然气称为净化气。

二、天然气的组成天然气是指自然生成，在一定压力、温度下蕴藏于地下岩层孔隙或裂缝中的混合气体，其主要成分为甲烷及少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上烃类气体，并可能含有氮、氢、二氧化碳、硫化氢及水蒸汽等非烃类气体及少量氦、氩等惰性气体。

天然气中还可能含多硫化氢、以胶溶态粒子形式存在于气相中的沥青质，还可能微含水银。

表示天然气组成的方法有三种：1、摩尔组成：这是目前最常用的一种表示方法，常用符号i y 表示气中组分i 的摩尔组成，其表达式为∑==n i i ii nn y 1（1-1）式中 i n ——气组分i 的摩尔数；∑=n i i n 1——气体总摩尔数，n 为气体组分总数。

2、体积组成：也常用符号i y 表示∑==n i iii VV y 1 （1-2）式中 V i ——气组分i 的体积；∑=n i i V 1——气体总体积。

当考虑天然气满足阿佛加德罗定律（体积相同、压力温度条件相同的各种气体具相同数量分子，1g 物质的分子数6.02×1023）时，天然气中任何组分的体积组成在数值上等于该组分的摩尔组成。

1kg 摩尔气体在sc p =0.101325MPa 、sc T =273k 、sc z =1下的体积均22.4m 3/kmol ，克摩尔气体为22.4cm 3/gmol 。

3、质量组成：即为各组分的质量百分数，用符号w i 表示∑==n i iii mm w 1 （1-3） 式中 m i ——气组分i 的质量；∑im ——气体总质量。

因为i i i n M m =/，故将质量组成换算为摩尔组成，可利用下式∑==n i iiii i M m M m y 1// （1-4） 式中：M i ——气组分i 的分子量。

第二节 天然气的分子量、相对密度、密度和比容对于已知化学分子式的纯物质，可根据分子式得知其分子量（又称摩尔质量）。

但天然气是多组分组成的混合物气体，不可能写出一个分子式，也就不能象纯物质那样由分子式算出其恒定分子量。

天然气的分子量在数值上等于在标准状态下1摩尔天然气的质量。

显然，天然气的分子量是一种人们假想的分子量，故称为视分子量。

同时，由于天然气的分子量随组成的不同而变化，没有一个恒定的数值，因此又称为“平均分子量”。

通常，多将上述数值简称为天然气的分子量。

一、天然气分子量分子量计算常用的方法是当已知天然气中各组分i 的摩尔组成i y 和分子量i M 后，天然气的分子量按加合法则可由下式求得∑==ni i i )M y (M 1 （1-5）式中 M ——天然气分子量，克摩尔或公斤摩尔（g/gmol ，kg/kmol ）； i y ——天然气各组分的摩尔组成；i M ——组分i 的分子量。

二、天然气密度天然气的密度定义为单位体积天然气的质量。

在理想条件下，可用下式表示 RTpM V m g ==ρ （1-6） 式中 g ρ——气体密度，kg/ m 3；m ——气体质量，kg ；V ——气体体积，m 3；P ——绝对压力，MPa ；T ——绝对温度，K ；M ——气体分子量，kg/kmol ；R ——气体常数，0.008471K kmol m MPa 3⋅⋅。

对于理想气体混合物，用混合气体的视相对分子质量a MW 代替单组分气体的相对分子质量M ，得到混合气体的密度方程RTpMW a g =ρ （1-7）三、天然气相对密度天然气相对密度定义为：在相同温度、压力下，天然气的密度与空气密度之比。

相对密度是一无因次量，常用符号g γ表示。

则a g g ρργ/= （1-8）式中 g ρ——天然气密度a ρ——空气密度。

因为空气的分子量为28.96故96.28/M g =γ （1-9） 一般天然气的相对密度在0.5—0.7之间，个别含重烃多的油田气或其它非烃类组分多的天然气相对密度可能大于1。

四、天然气的比容天然气的比容定义为天然气单位质量所占据的体积，在理想条件下，可写成： ga MW p RT m V ρυ1=⋅==（1-11）式中 υ——比容，m 3/kg 。

第三节 天然气的粘度粘度是流体抵抗剪切作用能力的一种量度。

牛顿流体的动力粘度μ定义为下列比值)//(y u x xy ∂∂-=τμ （1-12）式中 xy τ——剪切应力；x u ——在施加剪应力的x 方向上的流体速度；y /u x ∂∂——在与x 垂直的y 方向上的速度x u 梯度。

对纯流体，粘度是温度、压力和分子类型的函数；对于混合物，除了温度、压力外，还与混合物的组成有关。

对于非牛顿流体，粘度同时是局部速度梯度的函数。

方程式（1-12）定义的粘度称为绝对粘度，也称动力粘度。

动力粘度的单位，由方程式（1-12）可导出，是Pa ·S （帕·秒）。

最常使用的粘度单位是厘泊。

它与帕·秒的关系为：1帕·秒[g/（cm ·秒）]=10泊=1000厘泊1泊=1（dyne ）（sec ）/cm 2此外，流体的粘度还可以用运动粘度来表示。

运动粘度定义为绝对粘度μ与同温、同压下该流体密度ρ的比值：ρμ=v （1-13） 式中 v ——运动粘度，mm 2/s （厘沱），1厘沱=10-2cm 2/s （沱）μ——绝对（动力）粘度，mPa.s ；ρ——真空密度，kg/m 3。

第四节 天然气含水量大多数气田属气—水两相系统。

天然气在地下长期与水接触过程中，一部分天然气溶解在水中，同时一部分水蒸汽进入天然气中。

因此，从井内采出的天然气中，或多或少都含有水蒸汽。

一、天然气的水露点和烃露点天然气的水露点是指在一定压力下与天然气的饱和水蒸汽量对应的温度；天然气的绝对湿度是指在一立方米天然气中所含水蒸汽的克数；天然气的烃露点是指在一定压力下，气相中析出第一滴“微小”的烃类液体的平衡温度。

天然气的水露点可以用实验测定，也可由天然气的水含量数据查表得到。

天然气的烃露点可由仪器测量得到，也可由天然气烃组成的延伸分析数据计算得到。

与一般气体不同的是天然气的烃露点还取决于压力与组成，组成中尤以天然气中较高碳数组分的含量对烃露点影响最大。

二、天然气中的含水量1、天然气含水量表示方法描述天然气中含水量的多少，统一用绝对湿度和相对湿度（水蒸汽的饱和度）表示，即每1 m 3的湿天然气所含水蒸汽的质量称为绝对湿度，其关系式如下TR p V W X W VW == （1-14） 式中 X ——绝对湿度，kg/ m 3；W ——水蒸汽的质量，kg ；V ——湿天然气的体积，m 3；VW p ——水蒸汽的分压，kg/ m 2；T ——湿天然气的绝对温度，K ；w R ——水蒸汽的体积常数，w R =47.1kg. m 3/(kg.K)。