天然气输送工艺
第一章 天然气的基本性质
一、天然气的定义
广义的天然气：
指地壳中一切天然生成的气体，包括油田气、气田气、泥火山气、煤层气和生物生成气等。
狭义的天然气：
指自然生成的，以饱和烃类为主的烃类气体以及少量的非烃类气体组成的混合气体，其主要成份为甲烷及少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及以上烃类气体，并可能含有氮、氢、二氧化碳、硫化氢及水蒸气等非烃类气体及少量氦、氩等惰性气体。 二、天然气分类
天然气的分类有以下几种方法： 1、按油气藏的特点分
⑴气田气 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。其特点：该天然气在气藏中，烃类以单项存在，天然气中甲烷含量高（约80％一90%），而戊烷以上烃类组分含量很少，开采过程中一般没有凝析油同时采出。
⑵凝析气田气 在开采过程中有较多天然汽油凝析出来的天然气。其特点：天然气戊烷以上烃类组分含量较多，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。
⑶油田伴生气 在开采过程中与液体石油一起开采出来的的天然气。其特点：天然气在气藏中，烃类以液相或气液两相共存，采油时与石油同时被采出，天然气中重烃组分较多。
2、按烃类组分来分
⑴干气 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。大部分气田气都是干气。
⑵湿气 戊烷以上烃类可凝结组分的含量高于100 g/m3的天然气。湿气中甲烷含量一般在80％以下，戊烷以上烃类组分较高，开采时同时回收天然汽油。一般情况下，油田气和部分凝析气田可能是湿气。
3、按含硫量分类
⑴酸性天然气 含有较多的硫化氢和二氧化碳等酸性气体，需要进行净化处理才能达到管输标准的天然气。一般将含硫量大于20mg／m3的天然气称为酸性天然气。
⑵洁气 硫化氢和二氧化碳含量少，不需要进行净化处理就可以管输和利用的天然气。 三、天然气的组分和性质
1、天然气的组分
天然气是一种以饱和碳氢化合物为主要成分的混合气体，组分大致可以分为三大类型， 即烃类组分，含硫组分和其他组分。
1）、烃类组分
碳和氢两种元素组成的有机化合物，称之为碳氢化合物， 简称为烃类化合物。烃类化合物是天然气的主要成分，大多数天然气中烃类组分含量为６０％—８０％以上。
天然气中除甲烷组分外，还有，乙烷，丙烷，丁烷（正丁烷和异丁烷），它们在常温常压下都是气体。有些天然气中乙烷，丙烷，丁烷的含量较多，而丙烷，丁烷可以经适当加压
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降温而液化，这就是通常所说的液化石油气（LPG），简称液化气。液化气可以进行加工制成许多化工产品，是很宝贵的化工原料，同时也可以装入罐内，供给城市居民生活使用。 天然气中还含有一定量的戊烷 （C5）己烷（C6）庚烷 （C7）辛烷 (C8) 壬烷 (C9) 和葵烷 (C10) 等含量较多的烷烃，简称为碳五以上的组分，它们在常温常压下是液体，是天然汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析为液态而被回收，称之为凝析油，是一种天然气的汽油，可以用作汽车的燃料。至于含碳量更多的烷烃，在天然气中的含量极少。 不饱和烃烯烃及炔烃，在天然气中的含量很少，大多数天然气中不饱和烃的总含量小于1%。有些天然气中含有少量的环戊烷和环己烷。有些天然气中含有少量的芳香烃，其多数为苯，甲苯及二甲苯，上述组分，常常可以和凝析油一起从天然气中分离出来。 2）、含硫组分
天然气中含硫组分，可以分为无机硫化物和有机硫化物两类，无机硫化物组分只有硫化氢，分子式为H2S 。硫化氢是一种比空气重，可燃，有毒，有臭鸡蛋气味的气体，硫化氢的水溶液叫氢硫酸，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，硫化氢还会使化工生产中的催化剂中毒而失去活性（催化能力减弱）。因此天然气中含有硫化氢，必须经过脱硫处理，才能进行管输和利用。由脱硫工艺可知，在进行天然气脱硫的同时，可以回收硫化氢，并将其转化成硫磺及进一步加工成硫化工产品。 3）、其它组分
天然气中，除去烃类和含硫组分外，相对而言，较为多见的组分还有二氧化碳，氧和 氮，氢，氦，氩以及水汽。
2、天然气的湿度和露点
天然气的绝对湿度。是指单位体积天然气中所含水蒸气的质量，单位是g/m3。
在一定的温度和压力条件下，天然气的含水量达到某一最大值，就不能再增加水汽的含量，同时开始有水从天然气中凝析出来，此时的天然气含水量达到饱和，即天然气为水汽饱和。
天然气为水汽饱和时的绝对湿度。称之为饱和绝对湿度，或简称饱和湿度。饱和湿度是一定压力和温度条件下天然气的最大含水汽量。天然气中的含水汽量超过此值后，就会有液态水析出。
在一定压力下，饱和绝对湿度对应的温度称为水的露点，简称为露点。 3、天然气的热值
单位体积天然气完全燃烧所放出的热量称为天然气的燃烧热值，简称天然气的热值。天然气的热值分为高热值和低热值。
高热值（全热值）：燃烧的反应热加上水蒸气冷凝的潜热称为天然气的高热值。 低热值（净热值）：不包含水的冷凝在内的燃烧热，称为天然气的低热值。
实际上，在天然气燃烧时，由于烟筒内烟道气温度很高，燃烧产生的蒸气不能凝结，汽化潜热并无法利用，从高热值中减去实际上不能利用的汽化潜热就是低热值。工程上通用的都是低热值。
4、天然气的可燃性极限及爆炸极限
可燃气体与空气混合（空气中的氧为助燃物质），遇到火源时，可以发生燃烧或爆炸。爆炸是一种剧烈燃烧，与之相区别的是稳定燃烧。
可燃气体与空气的混合物，对于敞开系统，遇到明火可进行稳定燃烧。可燃气体及空气的混合物进行稳定燃烧时，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，称之为可燃性界限，既可燃性限。
可燃气体与空气的混合物，在密闭系统中遇明火可以发生剧烈燃烧，系发生爆炸。可
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燃气体与空气的混合物，在封闭系统中遇明火发生爆炸时，其可燃气体在混合气体中的最低浓度称之为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限，爆炸下限与爆炸上限之间的可燃气体浓度范围，称之为爆炸限。
可燃气体与空气的混合物，在密闭系统内遇明火发生剧烈爆炸，具有很大破坏力。可燃气体发生剧烈燃烧时，即千分之一秒内，产生2000～3000℃的高温和高压，同时发生2000至 3000米／秒的高速传播的燃烧波（既爆炸波），体积突然剧烈膨胀，同时发生巨大声响，因而称之为爆炸。天然气是可燃气体，在输送及各种维护工作中，有可能与空气混合而遇明火发生爆炸事故，这是需要认真对待。
压力对可燃气体的爆炸限有很大影响，例如当压力低于6665Pa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﹪；随压力升高，
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爆炸限急剧上升，当压力为1.5×10时，天然气的爆炸上限为58％。 四、天然气的气质标准
管输天然气的气质标准是对有害于管道和管道输送过程的天然气成分的限制。气体中是否含有害成分及含量的多少，对管道、设备、仪表的工作状况、经济效益和使用寿命有重大影响。它是管道输送工艺设计和生产管理基本内容的主要决定因素。
我国管输天然气的气质标准在《输气管道工程设计规范》（GB50251）中作了明确规定。我国天然气国家标准（101.325kPa，20℃）
项目 总硫（以硫计, mg/m） H2S（mg/m） CO2（体积%） 水露点（℃） 高热值（MJ/m）
333一类 ≤100 ≤6 二类 ≤200 ≤20 ≤3.0 三类 ≤460 ≤460 在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃ ＞31.4 第二章 天然气长输管道输送
一、天然气的输送方式
天然气从矿井中开采出来，需要送给用户，这就是天然气的输送。按输送的方式可分为管道输送和非管道输送。
二、天然气长输管道的组成与功能
长输管线的任务就是根据用户的需求把经净化处理的符合管输气质标准的天然气送到城市或大型工业用户，它必须具备：
1、计量功能 2、增压功能
3、接收和分输功能 4、截断功能 5、调压功能 6、清管功能 7、储气调峰功能
它的组成大致可分为：管道部分、站场及通信调度自控系统三部分。
管道部分除管道本身以外还有通过特殊地段如：江河湖泊、铁路等穿越工程；管道截断阀室；阴极保护站及线路护坡等构筑物。
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站场部分有首站、清管站、阴极保护站、气体分输站、增压站、门站等。
通信系统承担全线的通信联络、行政和生产调度和提供自控监测系统的数据传输任务，主要方式是光缆、卫星和租用地方邮电线路，移动通信主要使用手机。 三、天然气长输管道的特点及发展
特点：输送量大、供气稳定、距离长、地域广、用户多；供应连续不断。
发展方向：输气管道向着长距离、高输压、大管径、薄壁管、高度自动化遥控以及向高寒地区和海洋延伸等方向发展。 四、天然气的净化处理
1、天然气中的杂质及危害
管道输送中的有害物质主要是机械杂质，如粉尘、硫化铁粉末等；游离水、烃类凝析液和硫化氢。
天然气中杂质的危害：
（1）增加输气阻力，使管线输送能力下降； （2）腐蚀管线和设备；
（3）天然气中的固体杂质在高速流动时会冲蚀管壁； （4）使天然气流量测量不准。 2、气质要求
管输天然气要达到如下质量要求： （1）管输过程中不出现液态水； （2）固体和液体杂质必须消除干净； （3）硫化氢和二氧化碳含量少。 3、净化处理 （1）脱硫
随着天然气工业、化学工业的发展和环境污染问题提出新的更高要求，脱硫技术也不断取得新进展。大致分化学溶剂法、物理溶剂法、直接转化法和干式床层法四大类。 （2）脱水
从地层采出的天然气，通常处于被水饱和的状态。处于液相状态的水，在天然气的集输过程中，通过分离器就可以使其从天然气中分离出来。但天然气中含有的饱和水汽，就不能通过分离器分离。天然气中液相水存在时，在一定条件下会形成水合物，堵塞管路、设备、影响输气生产的正常进行。另外，对于含有CO2、H2S等酸性气体的天然气，由于液相水的存在，会造成设备、管道的腐蚀。因此，有必要脱除天然气中的水分，或采取抑制水合物生成和控制腐蚀的其它措施。
天然气的脱水方法多种多样，按其原理可归纳为以下三种： 低温冷凝法。
被水饱和的天然气在温度下降到水露点以下时，天然气中含有的饱和水就会冷凝成液相水析出（天然气在新的温度下仍被水饱和），在分离和取走液相水的情况下，提高天然气的温度或降低天然气的压力，天然气就会变成不被水饱和的状态，从而降低了它的汽相含水量。这就是低温脱水的原理。 溶剂吸收脱水法。
利用某些液体物质不与天然气中的水分发生化学反应，只对水有很好的溶解能力，溶水后蒸气压很低、且可再生和循环使用的特点，将天然气中水汽脱出。这样的物质有甲醇、甘醇等。由于吸收剂可以再生和循环使用，故脱水成本低，在天然气脱水中得到广泛的使用。 固体吸附脱水法。
利用某些固体物质表面孔隙可以吸附大量水分子的特点来脱除天然气中的水分。
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