天然气基础知识

一、天然气的特点
什么是天然气
天然气是指动、植物通过生物、化学作用及地质变化作用，在不同地质条件下生成、转移，在一定的压力下储集，埋藏在深度不同的地层中的优质可燃气体，即指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。

天然气与其它燃气相比天然气的特点
1、天然气本身不含有毒物质，如一氧化碳。

2、从环保的角度讲，天然气燃烧的产物对大气的危害少，基本不产生二氧化硫、氮的氧化物等。

3、天然气在气源经过过滤后比较干净，含水量和含硫量低，不易液化，对管道的腐蚀少，适合远距离输送。

4、天然气输配系统相对比较简单，不需要进行除硫、除苯等工艺设备。

二、天然气的分类
按形成条件不同分类
⑴气田气：从气井开采出来的，又称纯天然气；
⑵油田伴生气：伴随石油一起开采出来的石油气；
⑶凝析气田气：含石油轻质馏分的一种深层的天然气；
⑷煤层气：是成煤过程所产生并聚集在合适地质构造中的可燃气体；
⑸矿井气：是成煤过程的伴生气与空气混合而成的可燃气体，又称矿井瓦斯。

按天然气的组成分类
⑴干气：1m3（压力为0.01MPa，温度为20℃状态）井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3的天然气。

⑵湿气：1m3井口流出物中，C5以上重烃液体含量高于13.5cm3的天然气，一般湿气需分离液态烃产品和水后才能进一步加工利用。

⑶富气：1m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量超过94cm3的天然气。

⑷贫气：1m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94cm3的天然气。

⑸酸性气体：含有较多的H2S和CO2等气体，需要进行净化处理，才能达到管输标准的天然气。

⑹洁气：H2S和CO2含量甚微，不需要净化处理的天然气。

三、天然气的基本性质
1、天然气的主要成分以饱和烃为主，主要是甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）含量不多，少量非烃类气体一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮气（N2）、氢气（H2）、硫化氢(H2S)、水蒸气及微量的惰性气体氦（He）、氩（Ar）。

2、天然气是无色、无味、无毒、无腐蚀性，易燃、易爆的气体。

所以在天然气泄露时，为了易于被人们发现，消除漏气，要求对天然气加臭。

加臭标准是达到爆炸下限浓度的20%能被查觉。

我国目前采用的加臭剂为四氢噻吩（THT)和乙硫醇(EM)。

天然气的主要成分是甲烷（CH4），它本身是一种无毒可燃的气体。

同其它所有燃料一样，天然气的燃烧需要大量氧气（O2）。

如果居民用户在使用灶具或热水器时不注意通风，室内的氧气会大量减少，造成天然气的不完全燃烧。

不完全燃烧的后果就是产生有毒的一氧化碳（CO），最终可能导致使用者中毒（反应式见下）。

2 CH4 +3 O2 →2CO+4H2O
3、天然气比空气轻，易挥发，不易聚集，安全性能好。

天然气中各组分均可彻底燃烧，燃烧后不产生灰粉等固体杂质，是完全清洁的燃料。

4、天然气的沸点是指101325Pa压力下液体沸腾时的温度。

天然气中主要成分甲烷的沸点是-162oC。

天然气的沸点是-162.49 oC。

5、露点：饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点。

碳氢化合物混合气体的露点与混合气体的组成及其总压力有关。

6、密度：其密度大约是0.75-0.8Kg/Nm3
7、相对密度：天然气的相对密度是指相同压力和相同温度条件下，天然气的密度和空气密度之比大约为0.58-0.62。

8、爆炸极限：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。

在这种混合物中当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的爆炸下限，而当可燃气体含量一直增加到不能形成爆炸混合物时的含量，称为爆炸上限。

天然气的爆炸下限是5%，爆炸上限是15%。

9、压力：压力是介质作用在容器单位面积的力。

法定计量单位中压力的单位为Pa，即作用于1M2上的力为1N时的压力。

1Pa=1N/M2由于Pa的单位很小，通常还用MPa，或KPa 来表示。

它们的数值关系为：1MPa=1，000，000Pa=1000KPa
（1）大气压力：由地面上的大气层的重力所造成的压力，称为“大气压力”，用pa表示。

它的数值随地区的纬度，海拔高度和气候条件而变化。

物理学上规定在纬度45度的海平面上常年平均大气压力为“标准大气压”，其值为101.325KPa。

（2）表压力：表压力—用压力表测出的压力即为压力Pn。

（2）绝对压力：绝对压力—通常为表压力Pn与大气压力Pb之和。

P=Pn+Pb即绝对压力=大气压＋表压
（3）真空度:真空度—当绝对压力P低于大气压力Pb时表压力为负值。

此时表压力Pn的绝对值称为真空度。

用Pυ表示Pυ=│Pn│=│P—Pb│即真空度=大气压—绝对压力
四、天然气的燃烧特性
1.热值：单位体积天然气完全燃烧放出的热量称为热值，单位KJ/Nm3，可分为高热值和低热值，高热值在数值上大于其低热值，差一个烟气中所含水蒸气以冷凝状态所释放的汽化潜热。

甲烷在标准状态下高热值为39.82 MJ/m3
低热值为35.88 MJ/m3
注：高热值是指单位数量的燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度而其中的水蒸气被凝结成同温度水后放出的全部热量；低热值是指单位数量燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而不计其中水蒸气凝结热时所放出的热量。

2.汽化潜热：是指在常压下液体沸腾时，1Kg饱和液体变为同温度的饱和蒸汽所吸收的热量。

甲烷在沸点时的汽化潜热为510.80KJ/kg。

3.着火温度：燃气与空气混合物开始燃烧反应的自燃的最低温度。

甲烷的着火温度540℃。

4.燃烧温度：燃气按燃烧反应方程式完全燃烧时产生的理论温度。

甲烷的理论燃烧温度是1970℃。

注：理论燃烧温度是在理想情况下才可能达到的最高温度，是指燃烧过程中所产生的热量全部用来加热烟气，这在实际上是做不到的，因为总有一部分烟气散失掉，所以，实际燃烧温度总比理论燃烧温度低。

5.华白数：是一项控制燃具热负荷恒定状况的指标。

在燃气工程中对不同类型燃气间互换时，要考虑衡量热流量大小的特性指数。

设有两种燃气的热值和密度均不相同，但只要华白数相等，就能在同一压力下获得同一热负荷。

如果两种燃气具有相同的华白数，则在置换时能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数。

华白数是互换性问题初期使用的一个互换性判定指数，一般规定两种燃气互换时华白数的变化不大于+５－１０％。

还与火焰特性有关。

W=Qh/S1/2
Qh—天然气的高热值
S—天然气的相对密度
6.燃烧速度：垂直于燃烧焰面，火焰向燃烧气体方向传播的速度，就是火焰传播速度。

甲烷
最大燃烧速度为0.38米/秒。

7.燃烧势：是反映燃气燃烧火焰所产生离焰、回火、黄焰和不完全燃烧倾向性的一项反映燃具燃气燃烧稳定的状态的综合指标。

回火：火焰缩回燃烧器内部而熄灭的现象
脱火：火焰飞离燃烧器头部而熄灭的现象
8.过剩空气系数：实际供给的空气量V与理论空气需要量之比V0,即α=V/V0 ，通常α>1。

在工业设备中，α一般控制在1.05～1.2；在民用燃具中α一般控制在1.3 ～1.8。

α过小，使燃烧不完全，燃料化学热不能充分发挥；α过大，则增加燃气体积，降低炉膛温度，增加排烟热的损失，其结果都是使加热设备的热效率降低。

9.理论空气需要量：指每立方米（或公斤）燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量。

理论空气需要量也是燃气完全燃烧所需的最小空气量。

CH4+2O2= CO2+ 2H2O
由于空气中氧含量占20.9%，其余为氮气及微量其他气体成分，因此：2m3／0.21＝9.52m3（即理论上1m3天然气燃烧时需要的空气量）
10.大气式燃烧：天然气在进入燃烧器燃烧之前，已预先混入部分空气（称一次空气），其余所需的空气靠扩散供给（称二次空气）的燃烧称为大气式燃烧。

11.扩散式燃烧：
在天然气进入燃烧器之前不预先混入空气的情况下，空气过剩系数α=0。

此时，燃烧所需的空气靠空气扩散这种燃烧称为扩散式燃烧，是一种很原始的燃烧方式。

五、燃气输配
1.燃气管道的分类:
1）根据用途分：
a.长距离输气管线
b.城市燃气管道
c.工业企业燃气管道
2）根据敷射方式分：
a.地下燃气管道
b.架空燃气管道
3)根据输气压力分：
a.低压燃气管道P<0.01 MPa
b.中压燃气管道B 0.01 ≤P ≤0.2MPa
A 0.2 <P ≤0.4 MPa
c.次高压燃气管道B 0.4 <P ≤0.8 MPa
A 0.8 <P ≤1.6 MPa
d.高压燃气管道B 1.6 <P ≤2.5 MPa
A 2.5 <P ≤4.0 MPa
4)根据压力级制分：
一级系统一种压力
二级系统二种压力
三级系统三种压力
多级系统四种压力或以上
2.城市燃气输配系统的构成
门站、高、中、低压燃气管网、储配站、调压站和调压计量装置、监控及数据采集1）门站
接受天然气长输管线、ＣＮＧ高压钢瓶组或LNG槽车送来气源，在站内进行过滤、调压、计量后，送入城市输配管网或直接送入用户，根据气量情况和长输管线特点，一般门站内还设有加臭装置及清管球接受装置。

2）储配站a.储配站的功能
在城市燃气供应中，供气量和需用量之间的平衡是靠燃气储配站来调节的，燃气储配站一般由储气罐、压缩机室及辅助设施所构成的。

它的调节能力和范围取决于燃气的储存方式。

对于高压天然气，经长距离管道输气到达城市门站的剩余压力还很高，利用其压力就可解决城市用气的储存和分配。

这时储配站的功能是接受气源并进行储存、控制供气压力、气量分配、计量和气质检测等。

b.储气设备的主要作用：解决燃气生产（气源供气）的均衡性和燃气使用的不均衡性之间的矛盾，保证燃气的正常供气；当输气干线，制气和气源供应设备发生暂时故障时，保证一定程度的供应；利用储气设备还可以用来混合不同组份的燃气使燃气性质（成分物理参数、燃烧特性等）均匀。

当输气设备均匀布置时，使管网的进气点得到合理分布，可以提高管网的输气能力；。