天然气基础知识
天然气基本知识
第一部分 基本理论
一、一次能源概念及分类
一次能源是指直接取自自然界，没有经过加工转换的各种能量和资源，它包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等。
一次能源根据它们是否能够再生而分成再生能源和非再生能源。
再生能源：可再生能源是清洁能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用，主要包括：太阳能、水能、风能、海洋能、潮汐能等。。
非再生能源：煤炭、石油、天然气、油页岩和核燃料铀等。其中煤炭、石油、天然气和油页岩等非再生能源又叫化石燃料、燃料矿石和矿物燃料。
二、天然气概念
广义：自然界一切天然因素形成的气体，都可称为天然气。如大气、地下气、宇宙气等。
狭义：是指存在于地下岩层中的各种气体，天然气的成分不是单一的，而是由多种气态物质组成的混合物，如气层气、油田气、煤层气等。
三、天然气分类
1按重烃气含量分类 a 、干气 甲烷含量在气体成分中占95%以上，重烃气含量很少，不超过1%—4%。它不与石油伴生，可单独形成纯气藏。
b 、湿气 气体成分中含重烃气超过5%，即为湿气，湿气常与石油伴生。如我国大庆、辽河、大港等油田所产天然气多为湿气。
c 、富气是指含C 3、C 4、C 5等重碳成分较高的天然气，一般占10%以上；
d 、贫气是指含C 3、C 4、C 5等重碳成分较少的天然气，一般占10%以下；
2、按产出分类
a 、气田气 从气井中开采出来的天然气，不与油藏伴生的单一天然气聚集的气体，气体成分以甲烷为主，其含量达到95%以上，重烃气含量极少，不超过1%—4% ,属于干气；
b 、油田气 主要指与石油共存的天然气。可溶于油内或在油气藏中呈游离气态，也可以单独气藏与油藏共处于同一油气田中，一般油田气除以甲烷为主外还含有较多的重烃气，重烃含量可达百分之几至几十，属于湿气。
c 、凝析气 当地下温度、压力超过临界温度﹙单一气体都有一特定温度，高于此温度时不管加多大压力都不能使该气体转化为液体，该特定温度成为临界温度。甲烷的临界温度为-82. 5℃﹚后液态烃逆蒸发作用而形成的气体。
d 、煤层气 指煤层中的游离气和吸附气，主要成分是甲烷，此外还伴生有氮气、二氧化碳、氢气等。
3、按状态分类
a 、普通天然气 是指常温常压下的天然气，相对密度为0.59，在标准状况（101325Pa ，0℃）下，天然气混合物的密度为0.71 Kg/m3，空气密度为1.29 Kg/m3，相对密度就是二者的比值；
b 、压缩天然气（CNG ） 是指压力达到20MPa 以上的天燃气，
一般压力为25MPa ，体积是标准状态下的1/300，是理想的汽车燃料;
c 、液化天然气（LNG ） 是指转变为液态的天然气，一般在常压下，温度冷却到-162℃天然气由气态变为液态，体积缩小为原来的1/600，密度为0.42-0.46t/m3；如果在20MP 下，冷却至-140℃则由气态变为液态. d 、可燃冰 可燃冰的学名为“天然气水合物”，是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不
产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。目前，全世界拥有的常规资源，将在40年或50年后逐渐枯竭。而科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年，因而被科学家誉为“未来能源”、“21世纪能源”。 2007年5月1日凌晨，我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第
4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。
四、天然气化学组成
a 、烃类气体 主要是甲烷（CH 4）一般占80%以上，其次为乙烷（C 3H 6）、丙烷（C 3H 8）、丁烷（C 4H 10）、戊烷（C 5H 12）等；
b 、非烃气体 二氧化碳（CO 2）、硫化氢（H 2S ）、一氧化碳（CO ）、氮气（N 2）等；
c 、稀有气体 氦气（Ne ）、氩气（Ar ）等。
五、天然气主要成分
a 、可燃气体 主要是甲烷（CH 4）等烃类气体；
b 、酸性气体 如二氧化碳（CO 2）、硫化氢（H 2S ）等；
c 、水蒸气
六、天然气的物理性质
未处理的可有汽油味，有时有硫化氢味。经处理过的天然气是无色、无味、无毒和无腐蚀性的气体，主要物理性质是具有可燃性。
c 、溶解性 天然气溶于水和石油，甲烷在石油中的溶解度约等于水中的九倍。
d 、可燃性 每立方米天燃气燃烧时所放出的热量称为热值，甲烷的热值为35-38兆焦/标准立方米；约8500大卡/立方米
e 、可压缩性
七、天然气爆炸极限
天然气在空气中的爆炸极限是上限为15%，下限为5% 。
八、天然气的化学反应
甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成，燃烧主要产物是二氧化碳和水。 CH 4+2O2
2+2H2O
将甲烷和水蒸气通过贮有镍或三氧化二铝催化剂的反应器在850℃左右就发生转化作用生成一氧化碳和氢气。一氧化碳和氢气可用来合成甲醇、合成氨等等，工业上叫做合成气。
十二、天然气重要性质
1、低相对密度 天然气（绝对密度0.71kg/m3）相对密度为0.59. 因此比空气轻，易扩散，安全性高。
2、可燃性 天然气是一种可燃气体，且具有很高的热值，其热值一般为35-38MJ/方，即8500大卡左右，比普通煤气大2.5倍（煤气的热值为15-17MJ/方），是理想的高效燃料。
3、可压缩性 增压20-25MPa 体积缩小为240-300分之一。
天然气是高压、易燃、易爆的危险化学品
十三、天然气、汽油、液化石油气和人工煤气热值比较
天然气 35-38.6MJ/m3
油田伴生气 45.46MJ/m3
汽 油 36-38.8MJ/L
液化石油气 45-46MJ/kg3
人工煤气 16.5-17.6 MJ/m3
热效率关系是1m 3天然气相当于1升汽油、相当于0.78kg 液化石油气、相当于2.2 m3人工煤气。1卡=4.2J，1MJ=240大卡，1大卡=4.2KJ=4Btu，1Btu=250卡，1MBtu=29方，
1方=8500大卡=35.5MJ
十五、压缩天然气与液化天然气的异同点
相同点：二者均为天然气，只是状态不同，
不同点：
压缩天然气是气态，高压常温，压力一般为20MPa 以上；而液化天然气是液态，常压低温，温度一般低于-162℃.
十六、天然气占一次能源比例
一次能源消费以石油、天然气、煤炭、核电和水利发电为基础，天然气在一次能源消费结构中世界平均水平的25%，其中，前苏联、中东和北美洲已经超过世界平均水平达40%以上，而亚洲和大洋洲最低，只有12%，我国半个世纪以来天然气在一次能源消费中一直维持在3.8%，远低于亚洲水平。目前全国天然气消费量超过10亿方的省市区有22个，超过20亿方的有13个，其中四川、北京、江苏和广东均接近70亿方。而辽宁仅有8亿方，只占1.8%，不及国家平均水平的也一半。目前国家规划到2010年力争达到10%，因此天然气有着巨大的发展空间。目前，辽河油田全年可生产8亿立方米天然气，西气东输项目每年通过管线输给辽河油田60亿立方米天然气。辽河油田正在筹建中的锦采储气库，预计投产后可以提供35亿立方米的天然气储备。
十七、天然气的优越性
1、天然气是高热值的能源；
2、天然气是环境污染小的能源；
3、天然气利用效率高的能源；
4、天然气是安全可靠的能源；
5、天然气是资源丰富的能源。
十八、天然气汽车优势
天然气作为汽车燃料有两种形式：压缩天然气（CNG ）和液化天然气（LNG ），以天然气为燃料的汽车以下优点：
1、经济效益高
在相同的当量热值时，1立方米天然气的价格为1升汽油柴油的一半。如果各类发动机的热效率比较近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半。这不仅弥补了由于汽车数量不断增加而引起的液体燃料供应不足，而且使用汽车的运行费用大幅度降低。
2、运行安全可靠
CNG 、LNG 和LPG 汽车的气瓶或气罐等都很结实可靠。 由于天然气密度远远小于空气，当天然气从输气管线或储气容器中泄漏到空气中，天然气将向上移动，迅速扩散到空气中。由于这一特点，天然气的安全性优于汽油等大多数燃料。气体燃料系统的各个部件，特别是密封部分，都经过严格的检查。因此，天然气作为汽车燃料是比较安全的；
3、营运成本低
天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全、干净、不容易产生积碳，抗爆性能好，不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。这些都会降低汽车的保养和运行费用，提高汽车使用的经济性。
4、环境污染小
与石油燃料相比，天然气燃烧比较完全、干净，可以大量地降低发动机废气排入中的各种有害成分，这也是工业发达国家使用天然气作为汽车燃料的一个最主要的原因。另外气体燃料在制备过程中能量损失较小，对大气的有害排放污染物少。从燃料来源考虑，对环境保护是更有利的；
十九、LNG 物化性质
1）LNG 的主要成分是甲烷，化学名称为CH 4，还有少量的乙烷C 2H 6，丙烷C 3H 8以及氮气N 2等，其他成份组成。
2）临界温度为-82.3℃。
3）沸点为-162.5℃，着火点为650℃。
4）液态密度为0.42-0.46T/m3，气态密度为0.688kg/Nm3。
5）气态热值38.2MJ/m3，液态热值52MJ/kg。
6）爆炸范围：上限为15%，下限为5%。
7）辛烷值ASTM ：130（研究法）。
8）无色、无味、无毒且无腐蚀性。
9）体积约为同量气态天然气体积的1/625。。
二十五、天然气计量
采用国家法定计量单位，保证计量器具量值与计量标准 量值的一致，是天然气流量测量的基本准则。天然气计量主要是流量测量，其单位以体积表示称“体积流量”，以质量表示称“质量计量”。体积流量计量单位，符号为m 3/h，体积总量计量单位符号为m 3 ；质量流量计量单位，符号为kg/h，质量总量计量单位符号为kg 或t 。
上述体积单位按GB1314-77和SY/T6143-96规定，天然气的体积流量计量是在压力为101.325kPa 、温度为20℃ 这一基本状态下的体积。
在国际天然气贸易的情况下，由于各地区气质不同，采用体积单位引起不少纠纷。所以国际上天然气计量是按照能量输送原则，即体积测量和体积发热量的测量合成，计算出天然气的输送能量，计量单位热值，符号为MJ 或Mbtu 。
3、天然气输送方法
a 、液化运输：LNG 是天然气净化处理后，通过低温冷却而成的液化产物，温度为-162℃，体积缩小1/600，用专用轮船或槽车运输的方式。目前LNG 槽车的最大充装量
为52.8 m3，重量23吨，折合气态天然气3.3万N m3。
b 、压缩运输：LNG 是将净化处理后天然气压缩增压到20Mpa 以
上，用撬车或瓶装的运输方式；通常CNG 撬车管束有8个瓶，单瓶容积为2.25 m3, 总容积为18 m3最大充装量为4550 m3 经济运输半径为150—200公里。
出租车用钢瓶容积换算关系：1升=0.2m 3 ， 1方=5升。出租车钢瓶一般容积为
65升，所以可装天然气13 m3。
c 、管道输送：用管道把净化处理后天然气输送到目的地的运输方式。
4、长距离输气管道
是连接天然气产地与消费地的运输通道，所输送的介质一般经
过净化处理的符合管输气质要求的商品天然气，又叫干线输气管道。我国的西气东输工程，世界上第一条工业规模的长距离输气管道是美国在1886年建成的。
5、长距离输气管道特点
距离长、管径大、压力高、输量大；
6、长距离输气管道组成
一般由干线输气管段、首站、压气站、中间接收站、中间分输站、清管站、截阀室、城市门站等组成。其主要功能如下
首站：是对进入管线的天然气进行分离调压和计量，同时还具有气质检测控制和发送清管球的功能。
压气站：是给气体增压，从而维持所要求的输气流量。
中间接收站：是收集管道沿线或气源的来气，设有天燃气调压计量装置。
中间分输站：是向管道沿线的支线或用户供气。设有天然气调压计量装置。
清管站：是发送、接收清管器，一般两个清管站在100-150Km 左右，设有分离器及排污装置。
截阀室：是为了及时进行事故抢修、防止事故扩大而设置的，我国的国家标准《输
气管道工程设计规范（GB50251-91）规定：截阀室间距小于32Km 。》
城市门站：也叫末站，具有分离、调压、计量的功能，可直接向城市输配气管网供气。
7、其他辅助设施
通信系统和仪表系统是构成管道运行SCADA 系统的基础，其功能是对管道的运行过程进行实时监测、控制远动操作，从而保证管道安全、可靠、高效、经济地运行。
8、城市输配气管道的分类
(1) 按管道的功能分类
a 、分配管道 将燃气分配给工业用户、公共设施和居民用户的
管道，它包括从城市门站或者其他气源接收燃气的管道、通过街区的配气管道以及居民小区内部的配气管道；
b 、用户引入管道 将燃气从分配管道引到用户室内管道引
入口处的总阀门；
C 、室内燃气管道 通过燃气引入口处的总阀门将燃气引入室内，并分配到每一件燃气用具；
d 、企业燃气管道 通常包括工厂引入管、厂区分配管、车间燃气
管和炉前燃气管道。
(2）按燃气压力分类
根据我国的城市燃气设计规范，城市燃气输配管道划分为5个
压力等级：
高压A 级 8＜p ≤16Kg
高压B 级 4＜p ≤8Kg
中压A 级 2＜p ≤4Kg
中压B 级 0.05＜p ≤2Kg
低压 p≤0.05Kg
气体从高压力等级的管道进入低压力等级的管道必须经过调压。
9、天然气加气站概念
天然气加气站是指以压缩天然气（CNG ）形式向天然气汽车（Natural Gas Vihicle）和大型CNG 子站车提供燃料的场所。天然气管线中的气体一般先经过前置净化处理，处去其中的硫份和水分，在由压缩机组将压力由0.1-1.0Mpa 压缩到20Mpa ，最后通过售气机给车辆加气。
10、加气站分类
一般根据站区现场或附近是否有管线天然气，可分为常规站、母站和子站。
1）常规站：常规站是建在有天然气管线能过的地方，从天然气管线直接取气，进站压力0.4Mpa ，天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，经过压缩后压力为20Mpa. 然后进售气机给汽车加气。通常常规加气量在600-1000m 3/h之间。
2）母站：母站是尚未铺设输气管道或者虽有管道但见常规站困难的地方，从天然气管线直接取气，进站压力1-1.5Mpa ，经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，然后经过储气罐（20Mpa ）的拖车运输到子站给汽车加气，母站多建在城市门站附近，母站加气量在2500-4000m 3/h之间。
3）子站：子站是建在加气站周围没有天然气管线的地方，通过子站运转车从母站运来的天然气给天然气汽车加气，一般还需培训小型压缩机和储气瓶组，为提高运转车的取气率，用压缩机将运转车内的低压气体升压后，转存在储气瓶组内或直接给天然气汽车加气。
第三部分 天然气安全知识
1、天然气常见的火灾原因
1.1埋在地下的管线或室外管线受腐蚀、震动或冷冻等，使管道破裂漏气，气体通过土层或下水管线窜入室内，接触明火而着火或爆炸。
1.2由于进户管线上的室内阀门关闭不严，阀杆、丝扣损坏失灵，阀门不符合安全质量要求，或误开阀门，使天然气逸出，遇到明火燃烧或爆炸。
1.3天然气金属炉或炉筒与可燃建筑物、可燃物品的距离不足，阀门调整不当，以致烧红炉子、烟筒，烤着可燃建筑物或物品而引起火灾事故。
1.4用天然气取暖的火炕、火墙，用火时间过长，炕表面过热烤着被褥、衣物或其它物品引起火灾。
2、天然气防火措施
2.1天然气管道不宜埋入地下，最好是架空敷设。管线的安装要由专业人员进行，非专业人员不得乱拉乱接。
2.2管线的阀门必须完整好用，各部门不得泄漏。严禁用其它阀门代替针形阀门。
2.3天然气装导管的两端必须固定牢靠，导管应用耐油耐压的夹线胶管。
2.4在用户进户管线的适当位置，要设置油水分离器，并定期排放被分离出来的轻质油和水。当发现炉具冒油和冒水时，要立即停火，将油水排出后方可使用。
2.5天然气炉灶及管线要经常检查，发现漏气或闻着气味时，严禁动用明火和开关电气开关，应迅速打开门窗通风。如自己找不到泄漏点，应立即与供气部门联系。
2.6使用天然气取暖的火炉、火炕、火墙的烟道要畅通。烧火时如果突然熄火，应隔几分钟再点，以防引起爆炸，金属烟筒口距可燃结构不应小于1米，应安装拐脖，防止倒风把炉火吹灭。
2.7天然气管线、阀门的维修，必须在停气是进行。停气，关气时必须事先通知用户。对安装的管线、阀门等应经试压、试漏检验合格后，方可使用。
2.8一旦发生火灾事故，不要惊慌失措。要立即关闭总阀门，并用毛毯、被褥等浸水后进行扑救。也可使用二氧化碳、干粉等灭火器进行扑救，并及时报告消防部门。
3、发现室内天然气泄漏，切勿采取下列措施
●切勿触动电器开关（如开灯、关灯）。
●切勿使用室内电话或无线电话。
●切勿使用明火或使用明火测验漏气点。
●切勿按动门铃。
●切勿开启任何燃具，直接漏气情况得到控制和室内无天然气为止。
4、如何处理室内天然气泄漏
●打开门窗，让天然气自然散发出室外。
●检查炉具是否关好，软皮管是否松动、脱落等。
●关闭天然气表前阀门及熄灭所有火种。
●在室外安全地点，致天然气24小时地区受理用户电话
液化石油气的热值约为45200——46100KJ/Kg，换算为10813——11028Kcal/Kg，按立方米算的话是92100——121400KJ 每标准立方米，也就是22033——29043Kcal 每标方。（标准立方米指 273.15K 和 101325Pa 的状态下）。