第1章 天然气的物理化学性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 天然气的物理化学性质,Chapter1 physical and chemical character of NG,第一节 天然气的化学组成与分类,Chemical,element and classification,一、天然气输送方法,大宗天然气的输送方法目前只有两种：,管道输送,液化天然气运输,与输油不同，天然气的管道输送,必然是上下游一体化的，开采、,收集、处理、运输和分配是在统,一的连续密闭的系统中进行的。,液化天然气（,LNG,）,是天然气经净,化处理后，通过低温冷却而成的液态,产物，其体积为原气态体积的,1/600,。,为在常压下保持液态，必须将其冷却,至,-162,以下。液态时，可以用液化,天然气运输船运输。液化天然气运达,接收的港口后，卸入接收站的低温储,罐中储存，然后通过加热再气化后，,以气态形式用管道输送至用户。目前,我国正在积极发展液化天然气系统。,广东、上海、大庆、长庆等地均已建,或在建液化天然气生产装置。,二、天然气气质要求,1.,天然气质量的三项要求,1,）天然气组成,大量组分八个,：甲烷、乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、,C,6+,、氮、二氧化碳；,少量组分五个,：氢、不饱和烃总量、一氧化碳、氧、氦；,微量组分五个,：硫化氢、硫醇、羰基硫、总硫、水分。,2,）物理性质,标准状态下的总发热量、标准状态下的沃贝指数（,Wobbe,Index,）、相对密度、压缩因子和露点。,3,）其他要求,在管输温度、压力条件下，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；,存在的其他气体组分不影响输送和利用。,2.,我国天然气气质标准,1,）我国,输气管道工程设计规范,（,GB50251-94),规定管输天然气气质要求：,进入输气管道的气体必须清除其中的杂质；,水露点应低于输气条件下最低管输气体温度,5,；,烃露点应低于或等于最低管输气体温度；,气体中硫化氢含量不大于,20mg/m,3,；,如输送不符合上述质量的气体，必须采取相,应的保护措施。,2,）,GB17820-1999,对天然气的质量要求,项 目,一类,二类,三类,高热值,(MJ/m,3,),31.4,总硫,(,以硫计）,(mg/m,3,),100,200,460,硫化氢,(mg/m,3,),6,20,460,二氧化碳,(,，,V/V%),3.0,3.0,-,水露点,(),在交接点处，比最低环境温度低,5 ,。,3.,部分国家、团体对天然气质量要求的规定,1,）美国材料试验学会,ASTM D-3,委员会1981,年,7,月对管输天然气的质量要求。,1,）美国材料试验学会,ASTM D-3,委员会1981,年,7,月对管输天然气的质量要求。,2,）英国煤气,1990.2,工程标准资料,2,）英国煤气,1990.2,工程标准资料,3,）加拿大、法国、意大利和荷兰等国对天然气质量的要求,三、天然气的分类,1.,按矿藏特点分类,气井气（,gas well gas）,凝析井气（,condensate gas）,油田气（,oil field gas,）,2.,按天然气的烃类组成分类,1,）,C,5,界定法干、湿气的划分,干气（dry gas）,：指在1m,3,井口流出物中， C,5,以上烃液含量低于13.5cm,3,的天然气。,湿气,(,wet gas,),：,指在1m,3,井口流出物中， C,5,以上烃液含量高于13.5cm,3,的天然气。,2,）,C,3,界定法贫、富气的划分,贫气（lean gas）,：指在1m,3,井口流出物中，,C,3,以上烃类液体含量低于94cm,3,的天然气。,富气（,rich gas,）,：,指在1m,3,井口流出物中， C,3,以上烃类液体含量高于94cm,3,的天然气。,3.,按酸气（,acid gas),含量分类,酸性天然气（,sour gas）,：,每标立方米天然气中含硫量大于,1,克的气。,洁气（,sweet gas）,：,每标立方米天然气中含硫量小于,1,克的气。,四、,天然气组成表示方法,1,质量（俗称重量）组成,如用符号,g,i,表示组分,i,的质量组成，则,1,）用百分数表示时,2,）用小数表示时,2,体积组成,1,）用百分数表示时,2,）用小数表示时,3,摩尔组成（即分子组成）,如用符号,y,i,表示组分,i,的摩尔组成，则,1,）用百分数表示时,2,）用小数表示时,表示天然气组成的三种方法之间可以互相转换。,1,）如果已知天然气的质量组成,g,i,，要求换算为体积组成,v,i,或摩尔组成,y,i,，可用下式,（,2,）已知天然气的摩尔组成,y,i,（,或体积组），要求换算为质量组成,gi,:,(3),已知天然气的体积百分数,v,i,利用下面方法可换算为质量百分数,g,i,。,第一步 利用求出组分,i,的摩尔数,n,i,；,第二步 求组分,i,的质量,m,i,=,n,i,m,I,;,第三步 组分,i,的质量百分数,第二节 天然气的物理化学性质,Physical,and chemical character of NG,1.2.1,天然气的压力、温度、临界值,(critical valuation),及其对比值,(reduced valuation),一、天然气的压力,在国际单位制中压力的单位为牛顿,/,米,2,（,N/m,2,）,称为帕斯卡，符号为,Pa,，,1atm(,标准大气压,)=1.01325,10,5,Pa,=760mmHg,柱,=10.33mH,2,O,柱,=1.033kgf/cm,2,=14.7lbf/in,2,流体压力,=,大气压力,+,表压,当被测流体的实际压力低于大气压力,时，压力表上测得的压力称为真空度。,此时流体的实际压力为：,流体压力,=,大气压力,-,真空度,二、天然气的温度,常用的温标有四种：,（,1,）摄氏温度 （,2,）华氏温标,(3,）开氏温标（绝对温标）,(4,）兰金温标（英制绝对温标）,这四种温标的关系如下：,t,（,F,）,=1.8,t,（,C,）,+32,T,（,K,）,=t,（,C,）,+273.15,T,（,R,）,=t,（,F,）,+460,T,（,R,）,=1.8T,（,K,）,天然气的温度一般用,t,C,表示。,三、天然气的临界值,1,临界温度,对每一种纯的气体都存在着一特定的温度，高于此温度时，无论加多大压力也不可能使它由气体变为液体，这个温度称为临界温度，用符号,T,c,表示。,临界温度是该气体能以液体状态存在的最高温度。,2,临界压力,在临界温度下，气相与液相相平衡时所施加的压力。也可定义为相应于临界温度的饱和压力，用符号,P,c,表示。它是在临界温度下该气体由气态转变为液态所需的最低压力。,按下式计算,在近似计算时，当天然气相对密度,在,0.50.9,范围内，可用下列经验公式计算天然气临界值。,按下面公式校正酸性天然气的视临界参数。,图,1-1,视临界温度修正系数,当,H,2,S,和,CO,2,含量都不超过,20%,时 ：,四、天然气压力和温度的对比值,对比压力,对比温度,1.2.2,天然气的分子量,(Molecular,value of NG),把,0,C,、,101325Pa,时体积为,22.4,立方米天然气所具有的质量认为是天然气的分子量。,换言之，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。,1.2.3,天然气的密度,(density),和相对密度（比重）,(reduced density),一、密度定义,：,气体在此标准状态下的密度为：,气体在某压力、温度下的密度为：,天然气的重度,二、相对密度（即比重）,空,=1.293kg/m,3,(,在,0,C,、,101325Pa,下,),空,=1.205kg/m,3,(,在,20,C,、,101325Pa,下,),1.2.4,天然气的粘度,(Viscosity,of NG),1,动力粘度（绝对粘度）,：,动力粘度的单位是克,/,（厘米,秒）。这个单位又称为,“,泊,”,，,1,泊,g/(cm,s)=100,厘泊。,在国际单位制中，动力粘度的单位为帕斯卡,秒（,Pa,s,），,即千克,/,（米,秒）（,kg/(m,s),）。,1(Pa,s)=10P(,泊,)=1000cp,（,厘泊）,2,运动粘度,1),低压下的气体粘度,2),高压下（压力大于,6.9Mpa,）,的气体粘度,101.325kPa,下的粘度,0,1.2.5,天然气的热力学性质,(Thermodynamic,character of NG),一、天然气的比热,气体的比热可分为质量比热、容积比热和摩尔比热三种。三种比热的关系如下：,理想气体的定压比热,Cp,、定容比热,Cv,之间存在一定的关系：,低压下气体在各种温度下的定压摩尔比热也可按下式计算,气体混合物（天然气）在低压下的比热可根据各组分的比热用摩尔分数加合法或质量分数加合法求得，即,在同一温度下，高压下的定压比热与低压下的定压比热之间有如下的关系：,图,1-2,大气压力下烃类气体的比热与温度的关系,图,1-3,真实气体比热校正图,二、天然气的导热系数（或热导率）,物质传递热量的性能叫导热性,在较高压力条件下,三、天然气的热值,每千克或每立方米天然气完全燃烧所发出的热量称为天然气的燃烧热值，简称天然气热值，单位为,kJ/kg,或,kJ/m,3,。,天然气的燃烧热值决定了它的热力价值，是天然气很重要的质量指标，在下列几种常用燃料中天然气的燃烧热值最高。,天然气：,46055kJ/kg,其中：气田气：,35588-41868kJ/Nm,3,油田气：,35588-66989kJ/Nm,3,煤 ：,29308kJ/kg,干木材：,12560kJ/kg,（,1,）高位发热量,规定量的气体在空气中完全燃烧时所释放出的热量。在燃烧反应时，压力,p,保持恒定，所有燃烧产物降至规定的反应物温度,t,相同的温度，除燃烧中生成的水在温度,t,下全部冷凝为液态外，其余所有燃烧产物,为气态。用符号,H,s,表示。,（,2,）低位发热量,规定量的气体在空气中完全燃烧时所释放出的热量。在燃烧反应时，压力,p,保持恒定，所有燃烧产物的温度降至指定的反应物温度,t,相同的温度，所有燃烧产物,为气态。用符号,H,i,表示。,（,3,）沃泊指数,在规定参比条件下的体积高位发热量除以相同的规定计量参比条件下的相对密度的平方根。用符号,W,s,表示。沃泊指数代表燃气性质对热负荷的综合影响。,天然气发热量和沃泊指数的计算方法请参阅,GB/T110621998,天然发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法,。,天然气热值的求定,理想气体热值可用下式计算：,理想气体的热值，被气体混合物在,15.5,C,和,101325Pa,（,绝）下的压缩系数,Z,除，即修正为真实气体的热值,Hr,，即,上述天然气热值计算是对干天然气而言，在同样状态下含饱和水汽的湿天然气的热值较干天然气热值为低。湿天然气热值正比于天然气中干天然气的含量，即,式中：,H,d,干天然气的热值，,kJ/m,3,；,H,w,湿天然气的热值，,kJ/m,3,；,y,d,干天然气在湿天然气混合物中所占的摩尔百分数；,y,w,在湿天然气混合物中水蒸汽所占的摩尔百分数。,假定湿天然气是理想气体混合物，则水蒸汽的摩尔分数等于其分压和总压之比。,四、天然气的爆炸性,天然气在空气中的含量达到一定比例时，就与空气构成爆炸性的混合气体，这种气体遇到火源，就会发生燃烧和爆炸。,天然气在混合气中的最低含量叫,爆炸下限，低于爆炸下限就不会爆炸,。,最高含量叫爆炸上限，高于爆炸上限也不会爆炸。,上下限之间叫爆炸范围或爆炸极限,。,在常温常压下，天然气的爆炸范围约为,5-15%,，常温常压下，天然气的爆炸极限可由下式计算：,式中,L,爆炸的上限或下限；,L,i,组分,i,的爆炸上限或下限，用体积百分数表示，,查表,1-2,、表,1-3,；,y,i,组分,i,的体积百分数。,当天然气中含有不可燃组分时应当对爆炸极限进行校正：,（,%,）,式中：,L,是按式（,1-49,）计算的爆炸极限；,y,0,不可燃组分的体积组成。,1.2.6,气体状态方程式及压缩系数,Equation,of state and compressibility factor,一、天然气的计量单位及标准条件,以立方米为计量单位。,我国定压力为,101325Pa,，,温度为,20,C,作为天然气计量的标准条件。用符号,Nm,3,GPA,标准：压力为,101325Pa,，,温度为,15,C,。,用符号,Sm,3,基准条件：压力为,101325Pa,，,温度为,0,C,。,用符号,Bm,3,。,状态方程：,二、天然气的压缩系数,在规定的压力和温度条件下，一给定质量气体的实际（真实）体积除以在相同条件下按理想气体定律计算出的该气体的体积，称为气体的压缩因子，用符号,Z,表示。,真实气体状态方程式,R,通用气体常数；,M,气体摩尔质量，,kg/,kmol,m,气体质量，,kg.,Z,（,t,p),的计算,GB/T17747.11999,天然气压缩因子的计算,；,SRK,方程、,PR,方程计算；,由对比压力和对比温度采用查图法；,经验相关式计算。,1,、计算法,根据经验公式来计算天然气的压缩系数,对于干燥天然气,对于脱去轻油的石油伴生气,2,、查图法,根据研究，气体的压缩系数同对比压力、对比温度有一定的函数关系，即,天然气物性计算参考文献,天然气工程手册（上册）；,气体加工工程数据手册（第十版）；,油田油气集输设计技术手册（下册）；,石油及天然气物性预测（白执松等编）。,