天燃气工程基本知识点课案.docx
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天燃气工程基本知识点课案
天然气工程基本知识讲义
沈阳奥德燃气有限公司新民分公司
2016年1月
第一章天然气的形成………………………………………………………1
第一节概述……………………………………………………………1
第二节天然气组分与特征……………………………………………6
第三节天然气处理……………………………………………………9
第二章天然气输送管网……………………………………………………11
第一节输气管网的优越性及世界管网状况…………………………11
第二节中国的天然气管网……………………………………………13
第三章天然气工程建设常用材料与设备…………………………………15
第一节管材…………………………………………………………15
第二节管道输送常用主要设备………………………………………19
第三节天然气管道的附属设备………………………………………24
第四章天然气管道防腐……………………………………………………27
第一节输气管道的腐蚀及防护………………………………………27
第二节管道阴极保护…………………………………………………32
第五章管道的耐压试验与清扫……………………………………………35
第一节管道分段耐压试验……………………………………………35
第二节管道内壁清扫…………………………………………………36
第六章天然气工程新建管道混合气体置换………………………………38
第七章关于“照付不议”合同的结构要点和主要内容…………………40
第一章天然气的形成
据国际能源会议预测，21世纪世界能源将进入天然气时代，21世纪初期天然气将逐渐替代石油。
前者占能源百分比将超过50%。
随着人们环保意识的加强，天然气这种绿色能源又是重要的化工原料日益受到重视。
各国政府和能源工业界都把天然气工业放在重要的位置上，研究本国发展天然气工业的潜力和途径，制定天然气工业的中长期发展战略，增加对天然气工业的投资比例。
世界上丰富的天然气资源为天然气工业发展奠定了坚实的物质基础。
据专家预测，世界上常规天然气资源达400×1012～600×1012m3。
此外，还有大量的非常规天然气资源。
目前，天然气资源探明程度很低，天然气完全可以满足人类对能源的需求。
据美国《油气杂志》1998年年终号报导，全世界估算剩余探明天然气储量145.6×1012m3。
其中亚太地区为10.2×1012m3，西欧为4.5×1012m3，东欧与独联体为56.7×1012m3,中东为49.5×1012m3，非洲为10.2×1012m3，西半球总计14.5×1012m3，居前10位的国家依次为俄罗斯、伊朗、卡塔尔、沙特阿拉伯、阿布扎尔、美国、委内瑞拉、阿尔及利亚、尼日利亚、伊拉克。
1998年我国天然气剩余探明储量为1.3669×1012m2,位居第20位。
第一节概述
一、地层条件下的天然气
从广义上讲，在常温常压下以气态存在的任何天然物质都叫天然气，这些天然物质在地壳中是很有限的。
主要是由5个碳原子以下的烃类，二氧化碳、氮气、硫化氢、氢气、氦气和氩气。
这些天然气体大多数通常以超临界状态存在。
它们可溶解在水里或者原油内。
原油主要由5个或5个碳原子以上的烃类组成。
这些高分子烃类在常温常压下呈液态。
当埋藏深度增加时，温度平均以30℃/km的幅度上升（视局部热流量和地层剖面的热传导率而定，变化范围为20~80℃/km）。
深度达到5km后，温度高于地壳中除丁烷以外的所有富有天然气的临界温度。
在正常条件下，许多地下天然气在水中的溶解度相当高，其溶解度随压力急剧上升，在温度达到60℃时它又下降，在地质条件下这些作用相互平衡后溶解度随深度增加仍呈现出上升趋势。
当达到一定深度，地层中孔隙流体的压力接近地静压力时，1mol纯水溶解甲烷10mol以上，即1m3水大约溶解15m3甲烷（标准条件下）。
天然气，特别是烃类气体与原油有很高的混溶性，且随着温度和压力的升高这种混溶性增加很大。
此外，在已发现和待发现的天然气藏中，甲烷只占地壳中各种气体的很小一部分（约占5%~10%）。
另一部分呈溶解状态，保存在油藏和水溶气藏中大部分气体呈分散状态贮存在沉积岩和其他岩石中，最后这些气体很难从地层中经济性的开采出来，其中很大部分天然气储存在非常规气藏中，特别是水化物气藏中。
二、天然气藏的天然气组分
天然气的化学组分为石蜡族低分子饱和烃气体和非烃气体。
烃类气体以甲烷（CH4）为主，含量一般大于70%，乙烷（C2H6）次之。
含量一般小于10%，丙烷（C3H8），丁烷（C4H10）等的含量不多。
常见的非烃气体是硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）。
有时也含有氦（He）氖（Ne）氪（Kr）氙（Xe）等隋性稀有气体。
不同地层，不同层位的天然气组成变化很大气体组分的差异不但影响其本身的经济价值，对开发工程也有重要影响。
（见表）
在大多数情况下，天然气藏是多种气体组分的混合物，但纯的近似纯的甲烷气藏，二氧化碳气藏和氮气藏也常见。
除甲烷外，其他气态氢类所占比例变化很大，但从未高于60%。
氢、氦、氩几乎总是比例很小，但也有例外，如独联体发现的一个气田的氢气含量达到70%，美国有一个气藏氦气的最高含量达到10%。
天然气藏只有达到一定规模才具有商业开采价值，严格讲只有烃类气体占主要部分的气藏才能叫天然气藏。
天然气藏由圈闭体，储渗体和流体三大要素组成，每一大要素又可分为若干种类。
气藏的分类是以这些要素中的一种或几种为依据，以能反映这些要素特征的指标作为标准进行划分的，有以圈闭成因的分类，分为构造圈闭，地层圈闭和岩性圈闭。
有以油气成因做分类的，也有根据气藏的流体和空隙介质进行分类的等。
三、天然气组分来源
（一）烃类
气态烃类有三种成因类型。
细菌型、热成型和无机型，然而到目前为止。
人类只发现前两种有商业价值的气藏。
1、细菌型
这种气体是由于细菌型对沉积岩有机物残渣的作用而产生，称之为细菌气或生物气，这种所谓产生甲烷的细菌在沉积岩沉降及潜埋早期产生作用，象大家都知道的在沼泽或墓地就会形成一种可自燃的气体。
产生甲烷的细菌只能在非常严格的环境条件下繁殖，在这种环境中必须是无氧的，也没有硫酸盐或硝酸盐，这些被酶作用物必须是以溶解在沉积环境水中形式存在，所需的氢由细菌生态系统中其他细菌提供。
甲烷是唯一生成的烃类，其温度必须保持在60-80℃范围内，大致相当于地层深度2000-2500m。
氢的产生同样也受到现有空间的限制，沉积岩必须保持有足够的孔隙度。
细菌气并不是有机沉积物的必然产物，尽管如此，细菌气占已发现天然气储量的20%。
2、热解气
在一定条件下，在一些沉积层，由有机物质按照“热模式”形成热解气。
这种有机物质与沉积岩一块形成，聚集在沉积层界面的有机碎屑由活性有机物降解。
在有氧环境中，这种降解过程进行很快，也接近完全，在有机碎屑中原来存在的碳几乎全部转化为二氧化碳，并释放到大气中。
在缺氧环境中，这种降解进行的比较缓慢，也不充分，这种残余物以复杂的微结构形式聚集在沉积岩中，并且一直保持降解过程。
在有机溶剂中不溶解的所有物质构成干酪根。
在沉积盆地演化过程中，沉积物逐渐下沉温度和压力上升。
虽然温度一般低于200℃。
但沉积周期相当长，以致于在沉降时占沉积物有机成分大多数的干酪根完全热降解，这种热降解产生烃及非烃类化合物。
在沉积初期，一般在2000m以上没有烃类生成，在这个区域内，干酪根分子失去氧化功能团，产生氧化物，干酪根的热裂解逐步开始生成液态烃（原油），大部分气态烃是由已形成的原油二次裂解形成的，这个区域叫后生作用区。
此时，气油比增长较快，形成油占主要成分的油区和气体占主要成分的凝析气区或者叫湿气区。
3、无机气
火山喷发气体和地下热水中也含有甲烷，变质岩（岩浆岩）矿物中内含流体常常也含有轻质烃类，主要是甲烷。
这些烃类是由简单化合物直接合成的，但这种气很难形成工业开发规模。
（二）非烃类成分
天然气生成的过程，有部分非烃类气体伴随着产生，有些非烃类物质在一定的条件下也能形成较大规模的气藏。
如二氧化碳、硫化氢，这里不在讨论。
第二节天然气组分与特性
一、天然气的分类
1、天然气按气藏分类可分为气田气、凝析气田气和油田伴生气三种。
气田气：
气藏中烃类以单相存在，而戊烷以上组分很少，在开采过程中没有或极少有天然气凝析油产生的天然气，称为气田气。
凝析气田气：
气藏中戊烷以上组分含量较多，在开采过程中有较多的天然气凝析油析出。
但没有或有极少的原油同时采出来的天然气，称为凝析气田气。
油田伴生气：
在油藏中，烃类以液相和气相共同存在，在开采过程中伴随原油同时被采出来的天然气，称为油田伴生气或油田气。
2、天然气按组分来分可分为干气、湿气、贫气、富气，也可分为酸性天然气和洁净天然气等。
我国天然气行业划分如下：
干气：
1m3（N）的天然气中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3。
湿气：
1m3（N）的天然气中，C5以上重烃液体含量高于13.5cm3。
富气：
1m3（N）的天然气中，C3以上烃类液体含量超过94cm3。
贫气：
1m3（N）的天然气中，C3以上烃类液体含量低于94cm3。
酸性天然气：
含有较多的硫化氢和二氧化碳等酸性气体，需要经过净化处理才能达到管输标准的天然气。
就含硫量而言，一般把含硫量大于20毫克/m3（标准状态）的天然气称为酸性天然气。
洁净天然气：
硫化氢和二氧化碳含量甚微，不需要净化处理就可进行管输或利用的天然气。
二、天然气的组分及表示方法
天然气的组分是很复杂的气体混合物，各类天然气的组分有100多种，大致可分为：
1、烷烃：
烷烃的通式为CnH2n+2是天然气的主要成分，在常压20℃时，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷为气态，戊烷以上到C17H36为液态，C18H38为固态。
2、烯烃：
通式为CnH2n，在大部份天然气中仅可能以微量存在，一般有乙烯、丙烯、丁烯。
3、环烷烃：
通式为CnH2n的环烷烃，天然气中含量很少，典型的环烷烃有环戊烷、环已烷。
4、芳香烃：
芳香烃是一种不饱和的环状烃类，在天然气中可能存在的芳香烃有苯、甲苯、二甲苯和三甲苯。
5、非烃类：
天然气中含有的非烃类气体有氮气、二氧化碳、硫化氢、氢气、氦气、氩气、水蒸气、还有硫酸等有机化合物。
三、管输天然气对有害组分含量的要求
1、管输过程中要求不出现液态水，水汽含量尽可能小于0.2mg/m3。
2、硫化氢和二氧化碳含量尽可能低。
硫化氢含量应小于20mg/m3，最好不大于6mg/m3。
二氧化碳的体积含量比应小于2%（v/v）。
有机硫化物含量应小于250mg/m3。
3、固体或液体杂质必须清除干净。
四、天然气的理化性质
天然气是一个复杂的混合体，其分子质量、密度、蒸气压力、粘度和热传导率等指标不同的气田有不同的参数，这里不作详细介绍，只讲其基本概念。
1、临界状态和视临界状态
使天然气液化的最高温度称之为天然气的临界温度。
在临界温度下，使气体液化的最低压力称之为天然气的临界压力。
在临界压力和临界温度下1kg气体所占有的容积叫天然气的临界比容。
临界压力、临界温度、临界比容统称为天然气的临界状态参数，临界状态参数决定的状态叫临界状态。
天然气是多种气体组成的混合物，可以通过实验方法找到它的临界状态参数，也可以用它的组分的临界参数来计算它的临界参数，而计算出来的临界参数近似值，称为天然气的视临界参数。
2、密度、比容。
密度——是单位体积的物质重量。
比容——是单位质量天然气所占有的体积。
3、蒸气压力和沸点
液体的表面总有一些液体的分子蒸发、变为蒸气、这些蒸气产生的压力称为液体的蒸气压力。
而一定的温度下与液体相互平衡的蒸气所具有的压力则称为饱和蒸气压。
饱和蒸气压与外界压力相等时的温度称为液体的沸点，也是气体的液化点。
4、湿度和露点：
每立方米天然气中含水蒸气的质量数称为天然气的绝对湿度。
在一定的温度和压力下天然气的含水汽量达到饱和时，这个饱和水汽量的数值叫作饱和绝对湿度。
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，简称露点。
5、爆炸极限：
爆炸极限即指当可燃气体与空气混合到一定浓度时，遇到明火而引起爆炸，这种能爆炸的混合气体中所含燃气的浓度范围就是爆炸极限。
用百分数表示，在混合气体中，当可燃气体的含量减少到不到形成爆炸混合物时的浓度，称为爆炸下限。
当可燃气体一直增加到不能形成爆炸混合物时的含量称为爆炸上限。
各种可燃气体的爆炸极限（燃气体积%）
气体名称
爆炸极限
气体名称
爆炸极限
下限
上限
下限
上限
氢H2
4.1
75.0
乙烯C2H4
3.0
16.0
一氧化碳CO
12.5
75.0
乙炔C2H2
2.3
82.0
甲烷CH4
5.3
15.0
硫化氢H2S
4.3
45.5
乙烷C2H6
3.2
12.5
氨NH3
15.7
27.4
丙烷C3H8
2.4
9.5
炼焦煤气
5.6
31.0
丁烷C4H10
1.9
8.5
水煤气
6.2
72.0
戊烷C5H12
1.4
8.0
发生炉煤气
20.7
73.7
天然气的爆炸极限大约在4.96~15.7%左右。
6、天然气各组分的参数
组分
分子式
分子量
密度Kg/Nm3
总热值KT/Nm3
GHV
净热值KT/Nm3
NHV
甲烷
CH4
16.043
0.7175
39.936
35.904
乙烷
C2H6
30.070
1.333
70.498
64.404
丙烷
C3H8
44.097
2.010
101.364
93.146
正丁烷
nC4H10
58.123
2.709
134.415
123.910
异丁烷
iC4H10
58.123
2.709
153.851
123.356
正戊烷
nC5H12
72.150
3.51
172.189
159.045
正已烷
nC6H14
86.177
4.31
210.226
194.445
正庚烷
nC7H16
100.200
5.39
261.390
242.007
苯
C6H6
78.114
3.83
162.219
155.582
甲苯
C7H8
92.141
4.84
207.717
198.242
硫化氢
H2S
34.082
1.536
25.369
23.338
第三节天然气处理
天然气藏产出的气态烃含有许多化合物组分。
一般情况下，气井产出的流体是一种高速流，处于紊流状态不断膨胀的气体和液态氢的混合物，其中还含有水蒸气，游离水和固体杂质，当这种流体从高温高压的储层流出后，环境条件发生了剧烈的变化。
流体的相态也相应发生变化。
在生产过程中必须把气态烃，液态烃和游离水进行分离才能保证生产顺利进行。
天然气的现场处理包括4个基本内容。
1、从原油、凝析油、水中分离出气体和固体杂质。
2、从气体中回收可凝析的烃蒸气。
3、从气体中除去水蒸气，因为在一定的条件下容易形成水合物。
4、从气体中除去其它有害成份。
如硫化氢、二氧化碳。
进入21世纪，人类的环境保护意识不断增强，促进了天然气处理技术的发展。
同时天然气做为原料和燃料资源地位越来越重要，大家都十分重视天然气的加工和利用，对其质量的要求也越来越高。
一、天然气脱水
天然气的“脱水”是指脱除水蒸汽，所有的天然气都在某种程度上含有水蒸汽。
天然气要脱除水蒸汽的原因是：
（1）水和天然气能形成固体水合物，堵塞设备。
（2）含液态水的天然气具有腐蚀性，尤其是当天然气中含有CO2和H2S时更为严重。
（3）天然气中的水蒸汽在管线中凝析，可能形成段塞流。
天然气脱水在原理上讲有四种方法：
直接冷却法，压缩以后冷却法，吸收和吸附法，在工艺上主要有：
液体脱水法（甘醇脱水法），固体脱水法，（分子筛、铝土、硅胶）氯化钙法。
二、酸性气体的脱除
硫化氢和二氧化碳是天然气中非常有害的两种酸性气体，必须从天然气中脱除。
硫化氢是一种有毒、恶臭的气体。
民用燃气不允许含有此种气体。
另外，硫化氢溶于水中是极强的腐蚀剂，对管道、阀门、容器很容易造成腐蚀，缩短其使用寿命，用于工业生产，可以造成催化剂中毒。
因此，一般天然气管道输送中要求硫化氢的含量不能大于4ppm（百万分之四）。
天然气中的二氧化碳进入低温装置后会出现凝固，造成管路阻塞，而且二氧化碳也具有腐蚀性，因为其为隋性气体，没有燃烧热值，所以在脱除硫化氢的时候一并将其脱除。
酸性气体的脱除一般采取吸附分离的方法。
三、其他气体的脱除
在某些情况下，天然气中的氮气、氦气、氩气的含量可达到10%或者高于10%，为达到天然气的热值，必须脱除这些气体。
工业上一般采用低温分离法脱除这些气体。
第二章天然气输送管网
这里所说的输气管网，既不同于独立运行的单条输气管道，也不同于操作压力较低的配气管网，而是若干个单独的长输管道相互连接而成的输气网络系统。
20世纪80年代是全世界天然气管道建设的高峰期，90年代世界输油管道建设速度虽有所放慢，但输气管道建设依然很活跃。
近年来，天然气发展除呈现出长运距、大口径、高压力、高度自动化遥控，向极地和海洋延伸等趋势和特点外，天然气输气管网建设特别是城市配气网的建设也有较大的发展。
第一节输气管网的优越性及世界管网状况
一、人们从长期的天然气开发和利用的经验教训中认识到，单条输气管道具有很多的缺陷，将若干个单条管线连通起来，形成网络，具有以下优点。
1、可提高供气的可靠性。
2、有利于开拓天然气市场。
3、有利于充分利用输气管道的能力。
4、有利于对整个输气系统实行计算机管理。
5、有利于提高输气调度的灵活性。
二、世界输气管网概况
从世界已建成的管网系统来看，输气管网可分为洲际的、国际的，全国性的和地区性的几种类型。
建设输气管网系统，必须具备两个基本条件，一是有丰富的天然气资源（多气源）。
二是足够的天然气消费市场（多用户）。
另外，先建设多条单独的输气管道工程，而后进行联网运行是必由之路。
输气管网都遵循由小到大的发展过程。
即：
输气系统地区性管网全国性管网国际管网洲际管网。
1、前苏联的统一供气系统
统一供气系统是前苏联燃料动力综合系统结构中一个独立的系统，也是当今世界上规模最大的输气管网系统。
该系统连接了500多个气田，约15000个城市，46个地下储气库，22万多公里的输气干线，近900个压缩机站，总输气能力超过1×1012m3/a。
进入20世纪90年代，前苏联解体，但独联体国家仍按原协议进行天然气分配。
并开始建设一批新的输气工程。
其中亚马尔——欧洲大型输气工程是其中最引人注目的项目。
亚马尔是俄罗斯的大型原料基地，已发现25个天然气构造，探明储量为9×1012m3，整个工程包括6条平行的输气管道，线路全长4847km。
管径1020~1422mm，设计压力为7.4~8.3mpa。
单条线的输气能力为28×108m3/a。
该管道的建成将扩大统一供气系统的规模，进一步促进统一供气系统在欧洲天然气市场的发展。
2、欧洲输气管网
欧洲大陆，特别是西欧部分，是当今世界输气管道密度最大的地区，纵横交错的输气管道组成了一个从东（欧亚边境）到西（大西洋），从南（西西里岛）直布罗陀海峡到北（挪威北海）的欧洲输气管网。
但是，欧洲并不是能源富裕地区，以探明储量为6×1012m3左右（不含前苏联），产气量只能满足总需求的60%，因此需从俄罗斯购买大量的天然气以补不足。
3、北美输气管网
北美洲是世界上天然气资源最丰富、消费量也最大的地区。
据统计，北美洲天然气剩余探明可采储量近9.4×1012m3，年消费量在700×108m3。
丰富的资源，广阔的市场，促使其天然气输气管网成为世界上最发达的地区，北美洲共有天然气干管53.5万km。
占全球天然气管道的38%，其中仅美国就占45.8万km，加拿大6.4万km，墨西哥1.3万km。
全球554个地下储气库中，北美占了424座，占76%。
4、北非——欧洲输气管道
北非的主要产气国有阿尔及利亚、利比亚、埃及和突尼斯。
其中阿尔及利亚的天然气探明储量为3.8×1012m3，主要通过阿尔及利亚至意大利和阿尔及利亚至西班牙的两条输气管道出口到欧洲，是世界上第一个洲际输气管网。
第二节中国的天然气管网
中国能源工业经历了缓慢的历史发展过程，1850年前，薪柴是老百姓的主要燃料；1920年，煤代替了薪柴的地位，成为主要的能源；1980年，石油成为能源工业的老大。
进入二十一世纪，能源进入多元化时代，除传统的煤、油、气、水、电能源外，各种新能源——核电、太阳能、风能也独占一枝，从综合实力考虑，天然气将逐渐成为主旋律，预计到2020年，天然气在能源构成比重中将超过石油，目前，我国的天然气工业已进入了一个新的发展时期。
一、西气东输工程
该工程主要任务是将新疆塔里木盆地的天然气送往豫、皖、苏、浙、沪地区，沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海、浙江等10个省区。
西气东输工程包括塔里木盆地天然气资源勘探开发，塔里木至上海天然气长输管道建设及长江下游天然气利用配套设施建设，管道全长约4000km左右，输气规模为120亿m3/年。
建成后成为我国第一条大口径，长距离，高压力，多级加压的输气干线，为我国天然气工业今后的发展起到骨干作用。
二、涩宁兰管线
该输气管线起于青海省柴达木盆地涩北，经青海省的省会西宁市到甘肃省的省会兰州市，全长930km，管线直径660mm，年输气量20亿m3，该工程已经完工，投入使用。
三、忠武线工程
2002年，60亿川气入汉工程启动，湖北省沿线10多个城市及部分大型企业将成为这条输气管线的受益者，预计2004年底即可通气。
四、广东天然气进口项目
广东省将投巨资在深圳建设液化天然气接收站和输气干线项目，一期工程准备进口300万吨液化天然气，主要供应深圳、佛山、广州和东莞四个城市；二期工程将供应惠州、珠海、肇庆、江门、中山五城市。
五、俄气南供项目
为实现东北亚经济国际合作，我国东三省及韩国确定了引进俄罗斯天然气300亿m3的工程建设项目。
除了上述几个大的工程项目外，全国各地都在大搞天然气的开发、配套、引进工程，象海南三亚的海上天然气上岸工程，北京、天津、重庆的城市管网改造工程，上海市、南京市、苏州市的城市管网建设工程，气化山东工程，陕京线改造工程，陕西、河南等省天然气管网地市普及工程，长庆至呼和浩特输气工程等等。
到处是天然气工程建设的号子声，天然气工业做为能源支柱产业的前景已经可以看到，正在以飞快的步伐向我们走来。
第三章天然气工程建设常用材料与设备
第一节管材
一、输气管线对材质的要求
输气管线用钢材除满足强度要求（力学性能）和可焊性外，还需要根据环境、温度、管径大小、输送压力及输送介质的腐蚀性等条件，考虑钢材的冲击韧性、韧脆转变温度和耐腐蚀性能。
（一）力学性能
衡量钢材力学性能的主要指标有抗拉强度，屈服强度，伸长率等。
1、抗拉强度
钢材的抗拉强度是指钢材在拉伸试验中，试样在被拉断时，对应的最大应力。
我国常用管材抗拉强度一般在300~515mpa之间。
2、屈服强度。
钢材的屈服强度是指钢材在拉伸试验中，试样拉伸变形，当不计初始瞬时效应时，屈服节段中的最小应力，屈服强度是强度计算的基本数据，我国常用管线用钢的屈服强度在205~415mpa之间。
3、伸长率：
伸长率又称断后伸长率，是对钢材
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