第一章燃气输配ppt课件.ppt

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1、燃 气 输 配,Gas transmission & distribution,绪论 能源与燃气,能源的发展过程和趋势我国燃气的发展历程和现状,一、能源的发展过程和趋势 18世纪60年代起 煤炭替代薪柴 能源结构的第一次大转变 20世纪20年代起 煤炭、石油、天然气 能源结构的第二次大转变 本世纪前半期 新能源 难以大规模利用，正是天然气为主的时期,天然气储量已超过石油,燃气天然气（NG）、人工燃气（煤气）、液化石油气（LPG）、沼气等。,燃气的优点：服务效益、节能效益和环保效益。,二、我国燃气的发展历程与现状,历史悠久：468年 四川天然气煮盐 1865年 上海煤制气厂第一阶段：20世纪80

2、年代前 人工煤气第二阶段：20世纪80年代90年代前期 人工煤气、天然气、液化石油气等多种气源并存格局第三阶段：90年代后期 天然气时代来临,我国天然气资源丰富：中、西部盆地及近海地区,燃气工程：陕西 北京 新疆 上海（西气东输，西部大开发的标志性工程）,2002年开工，2004年8月全线完工，全长4000Km。,自西向东跨越九省一市，管径d=1016mm，输气压力P=10MPa，供气能力120亿m3/年，投资1200亿元。,燃气工程：1. 俄气南供2. 进口液化天然气（LNG） 东南亚、澳大利亚 广州3. 近海天然气（1）南海气田 海南、广州、香港 （2）东海气田 上海、浙江（3）渤海气田

3、天津、山东4. 煤层气开发：中东部,天然气资源的用途,能源行业：发电、交通运输、工业、生活（取暖、热水、炊事）化工原料我国主要用于民用炊事，还用于燃气空调、汽车等。,第一章 燃气的分类及性质,燃气的分类及用途燃气的基本性质城市燃气的质量要求,第一节 燃气的分类及用途,燃气是易燃易爆的混合气体。可燃成分：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、低级碳氢化合物（烃类） 饱和烃：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、 CmH2m+2 不饱和烃：乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、 CmH2m CmHn或C1、C2、C3、不可燃成分：CO2、N2、O2（单纯的O2是不可燃的）、水及少量杂质。,燃烧条件：可燃物、助

4、燃物（氧）、温度,快速燃烧就是爆炸,燃气的分类1.天然气（NG）：主要是甲烷（开采方便，是优质气体燃料）按矿藏特点分类 气田气由气田开采出来的纯天然气 凝析气田气含有少量石油轻质馏分的天然气 石油伴生气与石油共存，伴随石油一起开采出来的天然气。,甲烷含量80%90%，低发热值（34.836MJ/Nm3） Nm3标方,气液分离：天然气、液化石油气、汽油、煤油等。甲烷含量75%，低发热值（48MJ/Nm3）,甲烷含量80%，低发热值（45MJ/Nm3）,矿井气 煤层气（煤田气）煤形成过程中产生，在地质断层和褶皱地带附近“涌出”。 常会与空气混合引起爆炸 矿井气（矿井瓦斯）在开采煤的过程中，煤层气与

5、矿井空间空气形成，抽吸出向城镇提供矿井气。 不抽出会引起瓦斯爆炸,按组分分类,干气每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体小于13.5cm3的天然气。湿气每一基方（sm3）井口流出物中，C5以上重烃液体大于13.5cm3的天然气。富气C5以上大于94cm3/ sm3。贫气C5以上小于94cm3/ sm3。酸性天然气含有较多的H2S、CO2等酸性气体，要进行净化处理。洁气H2S、CO2等含量很少，基本不要进行净化处理。,2. 人工燃气：以固体或液体可燃物为原料加工生产 的气体燃料,干馏煤气煤隔绝空气加强热 气化煤气煤、焦炭在高温下与气化剂（空气、水蒸 气、纯氧气等），通过化学反应得到。

6、油制气以石油及副产品为原料，经过高温裂解制成的燃气。,气体煤气液体上：水 下：煤焦油固体焦炭城市最早的燃气气源（焦炉煤气），低发热值 16.7MJ/Nm3,热裂解法：加热至800900，原料裂解成油制气催化剂法：加催化剂，使裂解的烃与水蒸气反应生成H2和CO,3. 液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品。 主要是C3、C4混合物，常温常压下为气态，常温加压或常压降温变为液态，其体积缩小至气体的1/250，便于运输；气态低发热值最高，92.1121.4MJ/Nm3，折成液态为4546.1MJ/kg。分类 天然石油气从石油伴生气和凝析气田气中提取 炼厂石油气,4. 生物气（人工沼气）：

7、环保洁净，在小范围内使用。,天然气是一次能源人工燃气、液化石油气、沼气是二次能源,各种有机物质，如蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等，在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物的作用下产生的可燃气体。,第二节 燃气的基本性质,P3表1-1解释：1.CmHn：表示C5及C5以上的烃类2.发热值1Nm3燃气完全燃烧后其烟气中的水蒸气被冷却至原始温度所放出的热。低发热值水蒸气被冷却至原始温度的蒸气所放出的热量 高发热值水蒸气被冷却至原始温度的凝结水所放出的热量,高发热值低发热值=气化潜热,华白指数波动范围：5%H燃气的高发热值 S燃气的密度W燃烧特征比较接近才可用（必要条件）,火焰特征 离焰气流速度大于火焰传播速

8、度脱火气流速度远大于火焰传播速度而吹熄黄焰燃烧不充分回火气流速度小于火焰传播速度,P4表1-2：某些低级烃的基本性质1. 气体常数：2. 除甲烷、乙烯外,P4表1-3：某些气体的基本性质 混合物：各组分之间不发生化学反应的均匀的混合物，其性质取决于各组分的成分及各组分的热力性质。,一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度 二、临界参数及实际气体状态方程 三、粘度四、饱和蒸气压及相平衡常数五、沸点和露点六、液化石油气的气化潜热七、容积膨胀八、爆炸极限九、水化物十、液化石油气的状态图,混合气体的组分有三种表示方法：容积成分质量成分分子成分,混合液体的组分也是这三种表示方法，但,一、平

9、均分子量、平均密度和相对密度气体：液体：,平均密度： （定义式） 或相对密度：气体（相对空气 =1.293kg/Nm3） 液体（相对4水=1000 kg/m3）,湿燃气密度,d水蒸气含量（含湿量），单位kg/Nm3干燃气0.833水蒸气密度，单位kg/Nm3,干、湿燃气容积成分换算：换算系数：,例1-2：求湿燃气参数解题步骤：1.换算关系 2.由,例1-1：已知混合气体的容积成分为yC2H6=4%, yC3H8=75%, yC4H10=20%, yC5H12=1%,解题步骤：查各组分的分子量 平均分子量 平均密度 相对密度,例:已知干燃气的容积成分为甲烷27%，一氧化碳6%，氢气56%，二氧化

10、碳3%，氧气1%，氮气5%，CmHn(按丙烯)2%。求混合气体平均分子量、平均密度和相对密度。若含湿量为0.002kgm3干燃气，求湿燃气的容积成分及其平均密度。,1. 临界参数定义: 温度不超过某一数值，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。在临界温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。,三、临界参数及实际气体状态方程,混合气体平均临界温度混合气体平均临界压力,气体温度比临界温度越低，液化所需压力越小,图1-1 P-V图 C临界点 左（MCG）液态 右（NCG）气态 中间气液共存态 临界温度越高，越易液化液化石油气

11、临界温度越低，越难液化天然气,图1-2 P-T图 液-气平衡曲线 左：液态 右：气态 曲线-气液共存态 曲线顶点-临界点,2.实际气体状态方程,式中: P气体的绝对压力(Pa) 气体的比容(m3kg) Z压缩因子 R气体常数J(kgK) T气体的热力学温度(K),当Pr1， Tr=0.61.0,当Pr5.6， Tr=1.02.0,所谓对比温度Tr，就是工作温度T与临界温度Tc的比值，而对比压力Pr，就是工作压力P与临界压力Pc的比值。此处温度为热力学温度，压力为绝对压力。,例1-3 求天然气在标准状态下的体积解题步骤：各组分 大于1还是小于1（Tr1，查图1-4） z 不考虑z（z=1），v0

12、 减少6%,例1-4 比容 不考虑z(z=1) 减少13%,例: 有一内径为900mm、长为115km的天然气管道。当天然气的平均压力为3.04MPa、温度为278K，求管道中的天然气在标准状态下(101325Pa、273.15K)的体积。已知天然气的容积成分为甲烷97.5，乙烷0.2，丙烷0.2，氮气1.6，二氧化碳0.5。,三、动力粘度（粘度）混合气体： （0时） gi质量成分混合液体： xi分子成分运动粘度,例1-5：已知混合气体的容积成分为yco2=1.9%, yCmHn=3.9%(按C3H8计算), yo2=0.4%, yco=6.3%, yH2=54.4%, yCH4=31.5%,

13、 yN2=1.6%,求该混合气体的动力粘度。步骤：气体,四、饱和蒸气压及相平衡常数 1.饱和蒸汽压：在一定温度下，密闭容器中液体及蒸气处于动态平衡时蒸气的压力（绝对压力）,混合液体的蒸气压：由道尔顿定律由拉乌尔定律 Pi任一组分的蒸气分压 Pi该纯组分的蒸气压（表1-5）,注：蒸气压与密闭容器的大小及液量无关，仅取决于温度。温度升高时，蒸气压增大。,表1-5：同一温度，丙烷蒸气压高于正丁烷蒸气压 图1-6：丙烷占的比例越大，混合液体的蒸气压就越高,如果容器中为丙烷和正丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，混合液体的蒸气压是如何变化的呢？,当使用容器中的液化石油气时，总是先蒸发出较多的丙烷，而剩

14、余的液体中丙烷的含量渐渐减少，所以温度虽然不变，容器中的蒸气压也会逐渐下降。 如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液化石油气，当温度一定时，其蒸气压取决于丙烷和丁烷含量的比例。,如图所示是随着丙烷、正丁烷混合物的消耗，当15时容器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。,（a）气相组成的变化 （b）液相组成的变化,2.相平衡常数ki 某一温度下的气液两相平衡系统中，某一纯组分的蒸气压Pi与混合液体的蒸气压P 之比为一常数ki，即,液相：拉乌尔定律,气相：分压定律,意义：yi与xi之比也是常数ki 。由相平衡常数ki，可计算 已知气相组成yi求液相组成xi；或已知液相组成xi 求气相组成yi。,换算

15、公式：1.已知液相xi ,求气相yi,2.已知气相yi ,求液相xi （无法求出P）,两边求和,所以,工程上，常利用相平衡常数计算图来计算液化石油气的气相组成或液相组成。如图18可查得Ki。,1甲烷2已烷3丙烷4正丁烷5异丁烷6正戊烷7异戊烷8乙烯9丙烯,相平衡常数计算图,例1-6：已知液化石油气由丙烷C3H8，正丁烷nC4H10和异丁烷iC4H10组成，其液相分子组成为xC3H8=70，xnC4H10=20，xiC4H10=10，求温度为20时系统的压力和达到平衡状态时气相分子组成。,已知液相xi ,求气相yi1.公式换算法2.查图1-8，求ki 法,t,k,基线,20,P,3（丙烷）,1.

16、26,0.67MPa,例1-7：已知气相yi ,求液相xi 1.公式换算法2.查图1-8，求ki 法,ki1yixi ，即气相组分大于液 相组分易蒸发 ki是表示相对蒸发程度的量度,五、沸点和露点1.沸点：通常所说的沸点指101325Pa压力下液体沸腾时的温度。,蒸发：液体表面的气化（任何温度）,沸腾：液体内部的气化（沸点温度）,表1-6表明，Cm越高，沸点越高，故寒冷地区液化气应以C3为主,2.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。,气化,露点计算（假设方法）：,原理混合物中，各组分在气相或液相中的分子成分之和都等于1。当气液平衡

17、时，需满足 或 计算步骤： 假设露点温度为T； 查图1-8相平衡常数计算图得ki； 通过计算检验是否满足 上述公式 若不满足，重新假设露点温度的值，再进行上述计算，直到满足为止。,解：假设露点温度T1=55，由压力和温度，求ki,由于T，ki， 再设露点温度为T2=65 ki,T=61.5,例1-9：已知容积成分和压力，求露点。,露点的直接计算,工程中特别是液化石油气管道供气的工程中所处理的气态液化石油气或液化石油气空气混合气一般处于压力为0.10.3MPa的范围内，很需要对它们进行露点计算。 用于这种情况的计算公式是：,气化潜热,六、液化石油气的气化潜热,气化潜热就是单位质量(1kg)的液体

18、变成与其处于平衡状态的蒸气所吸收的热量。,混合液体气化潜热：,T-S图,T升高，r减小，T=Tc时，r=0,潜热越大，越不易挥发，潜热间接地表示液体挥发程度,T,0,S,c,气化线,七、容积膨胀,液态CmHn比水的容积膨胀系数大16倍,单一液体：,t2t1范围膨胀系数平均值，见表1-10,混合液体：,注意：kit1时混合液体各组分的容积成分,不可装满,八、爆炸极限,可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸的可燃气体的浓度范围,爆炸下限：当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸时的含量 爆炸上限：当可燃气体的含量增加到不能形成爆炸时的含量,P4表1-2常压、293K时，爆炸下限很低，一定要避免泄露！,泄

19、漏极易引起爆炸,爆炸极限的计算：,1.只有可燃气体的混合气体,2.含有惰性气体的混合气体,（1-28）,某一惰性气体与某一可燃气体组合，视为混合气体中的一种成分，查图1-12、13得此新组合的爆炸极限，代入（1-29）,随着惰性气体含量的增加，混合气体的爆炸极限范围将缩小。,L混合气体的爆炸下（上）限 （体积%）,3.含有氧气（混入空气）的混合气体,当混合气体中含有氧气时，则可认为混入了空气。 先扣除O2及空气中的N2算出新的组分，代入（1-29），计算无空气基爆炸极限代入（1-31），计算包含有空气的混合气体的整体爆炸极限返回有空气状态,解：氧1.7%空气中的N2为1.779/21%=6.4

20、%,剩下容积=(100-1.7-6.4)%=91.9% N2=(39.7-6.4)%=33.3%,（）,将yi带入（1-29）得LnA，将LnA带入（1-31）返回有空气状态得到LT。,九、水化物,概念： 如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定温度压力条件下，水能与液相和气相的C1、C2、C3和C4生成结晶水化物CmHnxH2O(对于甲烷，x=67；对于乙烷，x=6；对于丙烷及异丁烷，x=17)。,生成条件： 在湿气中形成水化物的主要条件是压力及温度，次要条件是：含有杂质、高速、紊流、脉动(例如由活塞式压送机引起的)，急剧转弯等因素。,未来能源：可燃冰。深海永久冻土层内，储量是煤、石油、

21、天然气之和的2.84倍，1m3相当于160180m3的天然气。我国 可燃冰占石油总储量的一半。,水化物的生成，会缩小管道的流通断面，甚至堵塞管线、阀件和设备。,水化物的防止：,采用降低压力、升高温度、加入可以使水化物分解的反应剂(防冻剂)。脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水化物的程度。,十、液化石油气的状态图（P-i图）,状态图的使用方法：,在进行气态或液态碳氢化合物的热力计算时，一般需要使用饱和蒸气压P、比容、温度T、焓值i及熵值s等5种状态参数。为了使用上的方便，将这些参数值绘制成曲线 图，一般称之为状态图。 只要知道上述五个参数中的任意两个，即可在状态图上确定其状态点，相应查出该状态

22、下的其他各参数值。,CF饱和液体线 CS饱和蒸气线TEMG低于临界温度的等温线 TE高于临界温度的等温线OB液体的比容线 OHB气体的比容线AD等熵线 Cx蒸气的等干度线,单位：kg/kg,饱和液体线x=0，饱和蒸气线x=1,干度：指单位质量的饱和液体和饱和蒸气中所包含饱和蒸气的质量。,例1-15注意等温线的标法例1-16分液相和气相比容例1-17气化潜热=饱和蒸气与饱和液体的焓差例1-18绝热是等熵过程例1-19节流前后焓值不变，液体开始为饱和液体（x=0）例1-20 调压器：节流调压，等焓过程，气体开始为饱和 蒸气（x=1）,一、城市燃气的基本要求 1. 热值高：大于14.7MJ/Nm3

23、2. 毒性小：人工煤气要慎重发展 3. 杂质少二、城市燃气的质量要求 净化与回收的过程,第三节 城市燃气的质量要求,1. 人工燃气及天然气中的主要杂质及允许含量指标（1）焦油与灰尘：小于10mg/Nm3（2）萘：低压管道 夏天小于100mg/Nm3；冬天50mg/Nm3 中压以上管道 夏天小于1000mg/Nm3；冬天500mg/Nm3（3）硫化物：小于20mg/Nm3（4）氨：小于50mg/Nm3（5）一氧化碳：小于10%（6）氧化氮：常清扫（7）水：进入长输管线前必须脱水,堵塞管道、设备，使阀门失灵清除方法：氨水喷洒,以结晶状态析出堵塞管道、设备除焦油、萘的方法：用冷却水与煤气直接接触，回

24、收焦油和萘。,H2S腐蚀管道，有毒气体，燃烧生成SO2有毒清除方法：湿法脱硫（填料是含氨的介质） 干法脱硫（填料是氧化铸铁屑）,干馏煤气含氨，具有两重性：1.对管道腐蚀，燃烧物有害2.中和硫化物等酸性物质脱氨过程：水洗（脱焦油、萘、氨的初洗） 脱硫 水洗（小于25）洗氨,虽可燃，但有巨毒,燃烧生成NO2有害，并与不饱和烃反应生成胶质，附着管道、设备,在高压下与烃类生成水化物（CmHnnH2O）堵塞管道用吸收法、掺空气法降低露点，露点要比外界环境最低温度低515对湿气要注意排水,2. 对液化石油气的质量要求（1）硫分：小于0.0150.02% 加氢脱硫，但生成H2S，用碱洗法、分子筛吸附法清除（

25、2）水：脱水 产生结晶水化物，堵塞管道（3）二烯烃：小于2% 有很强的聚合作用，阻止气化（4）C2（乙烷、乙烯）：小于6% 由于液化石油气是按C3、C4比例组成（5）残液（C5及C5以上）：小于2%，常温下不能气化,3. 城市燃气的加臭 臭味强度分为6级 2级臭味一般（报警线、安全浓度线） 对CO，浓度在0.02%时，加臭可察觉 对天然气，泄漏量达1%，加臭可察觉 常用 四分噻吩（THT）,城镇燃气应具有可以察觉的臭味，无臭味或臭味不足的燃气应加臭。城镇燃气设计规范中规定燃气中臭剂的最小量应符合下列规定： （1）有毒燃气泄露到空气中，达到对人体允许的有害浓度之前应能察觉； （2）无毒燃气泄露到空气中，到达爆炸下限的20%浓度时，应能察觉。,三、城市燃气的选择 燃气发展方针：优先发展天然气，扩大液化石油气供应，慎重发展人工煤气。,本 章 要 求1.掌握燃气的分类 2.掌握混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度的计算3.掌握实际气体状态方程的应用4.掌握相平衡常数的计算问题 5.掌握其他基本性质的概念，了解计算方法。6.了解城市燃气的质量要求7.城市燃气加臭（必要性、加臭剂要求、加臭量）,