燃气输配_燃气输配管网

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燃　气　输　配安徽建筑工业学院环境与能源工程学院 绪论　能源与燃气一、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 燃气——天然气（NG）、人工燃气（煤气）、液化石油气（LPG）、沼气等燃气优点：节能效益、环保效益和服务效益天然气储量已超过石油 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年上海人工煤气第一阶段：20世纪80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 已建成：陕西→北京新疆→上海（西气东输，西部大开发的标志性工程）九省一市d=1016mm，P=10MPa120亿m3/年，投资1200亿元2002年开工，2004年8月全线完工，全长4000km我国天然气资源丰富：中、西部及近海地区 在建：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→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与民用炊事，还用于燃气空调、汽车等 第一章　燃气的分类及性质 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）、……、CmH2mCmHn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、油气分离甲烷含量80%~90%，低发热值（34.8~36MJ/N·m3）N·m3——标方气体分离：天然气、液化石油气、汽油、煤油等甲烷含量75%，低发热值（48MJ/N·m3）甲烷含量80%，低发热值（45MJ/N·m3） 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），通过化学反应得到油制气——以石油及副产品为原料，经过高温裂解制成的燃气煤→煤气石油及副产品→油制气气体——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/N·m3热裂解法：加热至800~900℃，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（a）发生炉煤气：气化剂是空气和水蒸气，连续气化C+H2O（水蒸气）→CO+H2↑（高温下）C+O2（空气）→CO2（提供高温）低发热值5.4MJ/N·m3（b）水煤气：气化剂是水蒸气，间歇气化（交替吹入水蒸气和空气）低发热值10.5MJ/N·m3（c）压力气化煤气：高压（2~3MPa）条件下纯氧和水蒸气为气化剂CO+3H2→CH4+H2O（水蒸气）（高压下）含甲烷，接近干馏煤气，低发热值15.1MJ/N·m3（a）、（b）毒性大（CO）、热值低，只能掺混、调峰使用 3.液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品分类天然石油气——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，92.1~121.4MJ/N·m2，折成液态为45~46.1MJ/kg（a）油田气（b）凝析气田气油气分离原油石油伴生气吸收法天然气（C1、C2）天然汽油（C5~C11）液化石油气（C3、C4）分馏液气分离液态→气田凝析油气态吸收法天然气液化石油气（a）一次加工　减压蒸馏（物理过程）原理：石油是烃的混合物，没有固定的沸点加热：C4以下气化　（液化石油气）C5~C11气化　（汽油）C11~C16气化　（煤油）C15~C18气化　（柴油）剩下C20（重油）（b）二次加工　重油在催化剂作用下，加热裂解反应（化学过程），生成轻原油和非饱和烃（化工原料）（a）→饱和烃（物理），（b）→非饱和烃（化学） 4.生物气（人工沼气）：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 第二节　城市燃气的质量要求一、城市燃气的基本要求1.热值高：大于14.7MJ/N·m３2.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 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/N·m3（2）萘：低压管道　夏天小于100mg/N·m3；冬天50mg/N·m3中压以上管道　夏天小于1000mg/N·m3；冬天小于500mg/N·m3（3）硫化物：小于20mg/N·m3（4）氨：小于50mg/N·m3（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（CmHn·nH2O）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5~15℃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0.015~0.02%加氢脱硫，但生成H2S，用碱洗法、分子筛吸附法清除（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5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　四氢噻吩（THT）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 第三节　燃气的基本性质P3表1—1解释：1.CmHn2.发热值——1N·m3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——燃气热值S——燃气相对密度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—2：1.气体常数2.除甲烷、乙烯外P4表1—3：混合气体：各组分之间不发生化学反应的均匀混合物，其性质取决于各组分的成分及各组分的热力性质 混合气体的组分有三种表示法：1.容积成分2.质量成分3.分子成分混合液体的组分也是这三种表示方法，但xi≠yi 一、平均分子量二、平均密度和相对密度气体：液体：平均密度：　　　（定义式）相对密度：气体（相对空气ρ=1.293kg/N·m3）液体（相对4℃水ρ=1000kg/m3） 湿燃气密度区别湿气！d——水蒸气含量（含湿量），单位kg/N·m3干燃气0.833——水蒸气密度，单位kg/N·m3换算系数 P6表1—4：天然气——密度小，轻液化石油气——液态气态　　　　　易聚积例1—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1—2：人工燃气（CO、H2），求湿燃气参数解题步骤：1.换算关系2.由 三、临界参数临界温度——超过某个温度，无论多大压力都不能使气体液化的温度临界压力——临界温度下使气体液化的压力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，液化所加压力越小 图1-1P-V图图1-2P-T图C——临界点左（MCG）液态　右（NCG）气态　中间气液共存态液—气平衡曲线　左：液态　右：气态曲线——气液共存态　曲线顶点——临界点临界温度越高，越易液化———液化石油气临界温度越低，越难液化———天然气 四、实际气体状态方程范德瓦斯方程z——压缩因子（P、T）压力修正体积修正图1-3Tr<1P↑Z↓<1图1-4Tr>1P↑Z↓<1→Z↑>1 例1—3：比较考虑z与不考虑z的区别解题步骤：各组分Tc,Pc→Tm,c,Pm,c→Tr,Pr→检查Tr大于1还是小于1(Tr>1,查图1-4)→z不考虑z（z=1）V0减少6%例1—4（其中　　　　　　　）比容不考虑z（z=1）ρ减少13% 五、动力粘度（粘度）混合气体：　　　　　　　　（0℃时）混合液体：gi——质量成分修正：C——实验系数（注意：有量纲！）Ci——表1-2、1-3xi——分子成分运动粘度： 例1—5：气体 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）六、饱和蒸气压（蒸气压）与容器大小及液量无关，仅与温度有关混合液体的蒸气压：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） 理解：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图1-7液化石油气钢瓶（15℃）↓，　↑　→　↓（与钢瓶内体积及液量无关） 七、相平衡常数Ki某一温度下的气液两相平衡系统中，某一组分纯的蒸气压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——如液化石油气 换算公式：（1）已知液相xi，求气相yi（2）已知气相yi，求液相xi两边求和所以 例1—6：已知液相xi，求气相yi1.公式换算法2.查图1-8求Ki法例1—7：已知气相yi，求液相xi20℃tP3（丙烷）基线K1.260.67MPa1.公式换算法2.查图1-8求Ki法Ki>1⇒yi>xi，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 八、沸点和露点1.沸点2.露点气化蒸发：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为主某一压力下，未饱和气体冷却到饱和状态时的温度（饱和蒸气压所对应的温度，即此压力下的沸点） 露点计算：原理——气液平衡时满足假设露点温度为T，查图1-8可得Ki，是否满足公式=1例1—8：已知灌装时的组分和不同剩余时的组分，求在不同温度下液化气的蒸气压(参见P15图1-7，15℃已知灌装时组分就可知不同剩余时的组分) 例1—9：假设露点温度T1=55℃，求Ki→由于T↑，Ki↑，　↓再设露点温度为T2=65℃→Ki→1.150.9215565TT=61.5℃内插法T 防止结露的方法：要求环境温度至少比露点高5℃升温（不实际）管道保温掺混空气（图1-9，10，11）例1—10：求掺混空气后的露点由于异丁烷露点高于丙烷，所以按15%异丁烷查图1-11露点的直接计算（略） 九、气化潜热（计算高发热值需要）1kg液体变成与其处于平衡态的蒸气所吸收的热量混合气体气化潜热表1-8，1-9T-S图T↑，r↓；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气化潜热TOSc气化线 十、容积膨胀液态CmHn比水的膨胀系数大16倍单一液体：t2→t1范围膨胀系数平均值，见表1-10混合液体：注意：容积成分ki例1—12：步骤V10→V40不可装满 十一、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，爆炸下限很低泄漏极易引起爆炸 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）例1—13：爆炸极限范围缩小了3.含有氧气（混入空气）的混合气体扣除O2及空气中的N2→新的组分，代入（1-31）→返回有空气状态L——混合气体的爆炸下（上）限（体积%) 例1—14：　氧1.7%空气中的N2为1.7×79/21%=6.4%剩下容积=(100-1.7-6.4)%=91.9%N2=(39.7-6.4)%=33.3%（↑）……仿例1-13计算返回有空气状态 十二、水化物在一定高压、低温下，析出游离水，在低于湿燃气露点时，与碳氢化合物生成结晶水化物CmHn·xH2O白色或铁锈色结晶体　堵塞管道图1-14C——临界点防止方法：降压、升温，加防冻剂（使水化物分解）脱水未来能源：可燃冰。深海永久冻土层内，储量是煤、石油、天然气之和的2.84倍，1m3相当于160~180m3的天然气。我国可燃冰占石油总储量的一半。 十三、液化石油气的状态图（P-i图）图1-15CF——饱和液体线CS——饱和蒸气线TEMG——低于临界温度的等温线T’E’——高于临界温度的等温线单位：kg/kg饱和液体线x=0，饱和蒸气线x=1 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） 第二章城市燃气需用量及供需平衡规划、储配的依据 第一节　城市燃气的需用量一、供气对象（六类）居民生活用气　特点：单户用气量不大，用气随机性强要保证连续稳定供气商业用气　特点：用气量不是很大，用气有规律工业企业用气　特点：用气量大，有规律、均匀，可要求调节（如让气）采暖通风和空调用气　特点：季节性强是今后发展方向燃气汽车用气CNG（压缩天然气），城市公交其它用气　发电、农业等等以及管道漏损 二、供气原则民用：优先工业：提高质量、减少污染、缓冲用户工业与民用供气比例：提高工业用气比例，平衡城市用气的不均匀性 三、城市燃气需用量的计算1.用气定额：统计意义居民：表2-1商业：表2-2其它：折算2.城市燃气年用气量计算居民：式（2-1）商业：式（2-2）工业：折算或式（2-3）供暖：式（2-4、2-5）燃气汽车：折算其它：暂按5%注意区别t1，t2，t3，n，n1 第二节　燃气需用工况工况——动态的计算工况——流量满足最大负荷，且燃具的压力是额定压力，流量是额定流量时的工况用气的不均匀性一、月用气不均匀性居民、商业用气——气候因素月份123456789101112用气9.910.19.79.08.07.37.06.66.97.48.39.8上海1996年居民每月用气量占年用气量的百分数 工业用气——生产工艺的性质供暖用气——城市所在地的气候式（2-6）为供暖月用气量占整个采暖期用气量的百分比月不均匀系数：——月高峰系数，该月为计算月月份北京上海哈尔滨香港21.031.32春节1.031.0570.940.910.940.86121.15寒冷0.981.08寒冷1.23圣诞几个城市的K1 二、日用气不均匀性星期一二三四五六日用气百分比12.813.313.413.313.416.317.5某地民用用气周不均匀性的平均值工业——平时、厂休供暖——波动小日不均匀系数：——日高峰系数，是该月中最大的日不均匀系数注意：不考虑特大负荷情况（如春节前） 三、小时用气不均匀性小时不均匀系数：——小时高峰系数，是该日中最大的小时不均匀系数表2-3居民　　　　　　　　　　　　波动大工业波动小 第三节燃气输配系统的小时计算流量小时计算流量——确定管径不均匀系数法同时工作系数法 一、不均匀系数法（城市输配管道）1.按计算月小时最大流量设计K1、K2、K3均是指计算月的最大值或（10%） 城市居民、商业用气高峰系数城市K1maxK2maxK3max(K1K2K3)max北京1.15~1.251.03~1.072.64~3.143.20~4.20上海1.20~1.301.10~1.172.723.70~4.12哈尔滨1.151.102.90~3.242.66~4.10…………………………一般1.10~1.301.05~1.202.20~3.202.54~4.99注：用户多，K3max取小值；用户少，K3max取大值（甚至3.30~4.00） 季节性用气（采暖等）：用小时高峰用量计算（最大负荷利用小时法）Qy’——整个采暖期用气量（例如四个月）n——最大负荷利用小时数（例如二个月）夏天制冷、冬天采暖按两者的最大者取一计算流量=Q+Q’→确定管径 2.全部按最大负荷利用小时法计算用气越均匀，(K1K2K3)max越小，n越大表2-4n、Qy→Q 二、同时工作系数法（小区、庭院、室内管道）K——燃具同时工作系数，反映燃气集中使用的程度表2-5、2-6用户越多，K越小用统计方法得出K 第四节燃气输配系统的供需平衡一、供需平衡方法1.改变气源的生产能力（可能性不大）；2.利用缓冲用户（注意发展工业、汽车用气等用气大户）；3.利用储气设施作用调峰√故障时保障供气合理布置，提高输气能力掺混 地下储气（P228）　利用枯竭油田储气，夏季注气，冬季采气液态储存　液化石油气（P224）液化天然气（P225）　常压、-162℃，深度冷冻压缩天然气(CNG)管道储气（P221）　长输干管末端储气或地下管束储气储气罐　　低压湿式储气柜（人工煤气）（P207）高压球罐（天然气）（P214） 低压湿式储气柜（人工煤气） 高压球罐（天然气）——成都 高压球罐（天然气）——合肥 二、储气容积的计算用例2-1说明统计的方法：表2-9（值偏大）例2-2如果供气可调节，储气可大大减少