Состав, классификация и свойства природных газов

Лекция 1

Состав, классификация и свойства природных газов.

Требования по качеству подготовленных природных газов.

1 Состав и классификация природных газов

Природные газы – ‘это газовая смесь, добываемая из газовых, нефтяных и газоконденсатных месторождений, состоящая из углеводородов гомологического ряда метана с общей формулой С_nН_2n+2, а также_; неуглеводородных компонентов: азота (N₂), углекислого газа (СО₂), сероводорода (H₂S), ряда инертных газов (гелий, аргон, криптон, ксенон), ртути. Число углеродных атомов в молекуле углеводородов n изменяется от единицы до 18 и более.

Хроматографический компонентный состав природного газа (газовой смеси) и определение любых его физико-химических свойств в газовой отрасли проводят при:

- нормальных условиях – давление - 0,1013 МПа и температура - 273 К (760 мм рт. ст. и 0° С);

- стандартных условиях - давление - 0,1013 МПа и температура - 293 К (760 мм рт. ст. и 20° С).

Рекомендуемые материалы

Следует обратить особое внимание на то, что такие параметры газовой смеси как плотность газа, его вязкость, относительная плотность по воздуху задаются при нормальных условиях – для проведения технических либо технологических расчетов или при стандартных условиях – для проведения коммерческих расчетов в газовой отрасли.

В составе природного газа метан (СН₄), этан (С₂Н₆) и этилен (С₂Н₄) при нормальных условиях (р = 0,1 МПа и t = 273 К) являются реальными газами. Пропан (С₃Н₈), пропилен (С₃Н₆), изобутан (i =С₄Н₁₀), нормальный бутан (n =С₄Н₁₀), бутилены (С₄Н₈) при атмосферных условиях находятся в парообразном (газообразном) состоянии, при повышенных давлениях – в жидком состоянии. Они входят в состав  жидких (сжижаемых, сжиженных) углеводородных газов.

Углеводороды, начиная с изо-пентана (i = C₅H₁₂) и более тяжелые (17≥n>5), при  атмосферных условиях находятся в жидком состоянии. Они входят в состав бензиновой фракции. Углеводороды, в молекулу которых входит 18 и более атомов углерода (от С₁₈Н₃₈), расположенных в одну цепочку, при атмосферных условиях находятся в твердом состоянии.

Итак, составы сухого газа, сжиженных газов и газового бензина:

- сухой газ – метан, этилен, этан;

- сжиженный газ – пропан, пропилен, изобутан, нормальный бутан, бутилены;

- бензин – изо-пентан, нормальный пентан, амилены, гексан.

Природные газы подразделяют на три группы:

1 группа: природные газы газовых месторождений, в состав которых в основном входит метан с объемной долей компонента до 99,5% (таблица 1.1)

2 группа: природные газы газоконденсатных месторождений, представляющие собой газоконденсатную смесь широкой фракции, состоящую из бензина, лигроина, керосина, а иногда и солярового масла. Объёмная доля метана в такой газовой смеси также достигает 93 % (таблица 1.2)

3 группа: попутные нефтяные газы нефтяных и газонефтяных месторождений, состоящие из смеси газа с газовым бензином и пропан-бутановой фракцией. Объёмная доля метана в таких природных газа достигает лишь 30-70% (таблица 1.3).

Таблица 1.1 – Компонентный состав газа газовых месторождений Украины

Таблица 1.2 – Компонентный состав газа газоконденсатных месторождений Украины

Таблица 1.3 – Компонентный состав попутного газа газонефтяных месторождений Украины

* - содержание О₂ зависит от качества отбора пробы газа

2 Параметры физико-химических свойств природных газов

Газовые смеси (как и смеси жидкостей и паров) характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Объемный состав газовой смеси примерно совпадает с молярным, так как объемы 1 кмоля идеальных газов при одинаковых физических условиях, по закону Авогадро, имеют одно и то же численное значение, в частности при 0°С и 760 мм рт. ст. 22,41 м ³.

К основным физико-химическим свойствам природных газов относят следующие параметры.

1 Молекулярная масса

Молекулярной массой природного газа есть сумма молекулярных масс компонентов, входящих в его состав.

При известном мольном или объемном составе природного газа в процентах (см. табл. 1.1 – 1.3) средняя молекулярная масса (М_г.ср.) определяется по формуле

,                    (1.1)

где y₁, y₂ ,..., y_n – мольные или объемные концентрации компонентов, %;

М_r1, М_r2, ..., М_rn – их соответствующие молекулярные массы, кг/моль.

При известном массовом составе природного газа в процентах средняя молекулярная масса (М_г.ср.) определяется по формуле

,                    (1.2)

где g₁, g₂,..., g_n – массовые концентрации компонентов, %

При выраженном в долях единиц молекулярном составе средняя молекулярная масса природного газа определяется по формуле

,                      (1.3)

где a₁, а₂,..., а_n – молекулярный состав в долях единиц;

m₁, m₂,..., m_n – массы компонентов.

2 Плотность газа r (кг/м³) – масса единицы объема, равная отношению молекулярной массы газа к молярному объему, и при нормальных условиях определяется по формуле

ρ₀ = М_г.ср./22,41                                            (1.4)

где r₀ – плотность при нормальных условиях, кг/м³.

Для характеристики газа применяют его относительную плотность по воздуху, которая  при нормальных условиях составит:

∆ = ρ₀ /ρ_вн= ρ₀ /1,293                                         (1.5)

а при стандартных физических условиях:

∆_с = ρ_0с /ρ_вс = ρ₀ /1,205,                                     (1.6)

где r_0с – плотность газа при стандартных условиях, кг/м³.

В формулах (1.5) и (1.6) ρ_вн=1,293 и ρ_вс=1,205 – плотность воздуха при 0°С и 20°С, соответственно (по ГОСТ 22667-82).

Перерасчет плотности газа с нормальных условий к условиям эксплуатации в процессе сбора, подготовки и транспортировки продукта проводят с учетом влияния параметров условий эксплуатации (давления, температуры, коэффициента сжимаемости) по формуле.

                                   (1.7)

где Р₀, Т₀, Z₀ – значения давления (0,1013 МПа), температуры (273 К) и коэффициента сжимаемости, отвечающие нормальным условиям;

Р_у.э., Т_у.э., Z_у.э. – значения давления (МПа), температуры (К) и коэффициента сжимаемости, отвечающие условиям эксплуатации.

Очевидно, что формулу (1.7) можно использовать для пересчета плотности газа с одних параметров условий эксплуатации на другие.

3 Давление – предел отношения нормальной составляющей силы (DN) к площади (DS), на которую эта сила воздействует:

Очевидно, что при равномерном распределении сил:

                                                 (1.8)

Абсолютное давление природного газа (P) –это давление газа на стенки трубопровода или сосуда, в котором газ находится.

Избыточное давление природных газов (P_изб) – разница между абсолютным давлением природного газа и барометрическим (атмосферным) давлением (Р_бар):

                                      (1.9)

Очевидно, что во время проведения измерений давления по трассе газопровода с помощью манометров, исследователь получает величину избыточного давления, для проведения же гидравлических, тепловых и других расчетов газопроводов используют абсолютное давление газа.

4 Температура газового потока – величина, характеризующая тепловой режим работы газопровода.

Для гидравлического и теплового расчета используют абсолютную температура газового потока

                                       (1.10)

где Т – абсолютная температура газового потока, К

t – измеренная температура в град. С,

5 Сжимаемость газа характеризирует отклонение свойств реальных газов от законов идеального газа. Объём реальных газов изменяется не пропорционально изменению его давления и температуры, а при одинаковых условиях сжимается больше или меньше, чем идеальный газ, на величину Z – коэффициента сжимаемости газа [О.Ф.]:

                                  (1.11)

где Р_у.э., Т_у.э., D_у.э. – соответственно давление (Па), температура (К) и относительная плотность природного газа по воздуху.

6 Вязкость газа – свойство газа, характеризующее сопротивляемость скольжению или сдвигу между слоями движущегося природного газа.

По закону Ньютона сила внутреннего трения, проявляющаяся при перемещении одного слоя жидкости или газа относительно другого, прямо пропорциональна градиенту относительной скорости перемещения и площади соприкосновения этих слоев. Закон Ньютона  математически записывается так:

,

где m – коэффициент динамической (абсолютной) вязкости;

S – площадь параллельно перемещающихся слоев;

dW/dx – градиент скорости в направлении, перпендикулярном к плоскости соприкосновения слоев.

Исходя из того, что в системе СИ сила выражается в ньютонах (Н), площадь — в м²,  скорость — в м/с, а расстояние — в м; то коэффициент динамической вязкости m будет выражен в Н×с/м² или в паскаль-секундах (Па×с).

Зависимость коэффициента динамической вязкости от давления и температуры описывает формула[ОНТП]:

       (1.12)

где Р_пр, Т_пр – соответственно значения приведенного давления и приведенной температуры газа.

Приведенными параметрами индивидуальных компонентов называются безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, абсолютная температура, объем, плотность) больше или меньше критических:

,  ,                                                                      (1.13)

Критической температурой Т_кр (единица измерения – К) называют такую температуру, выше которой при любом давлении нельзя сконденсировать пары (перевести в жидкое состояние).

Критическим давлением Р_кр (единица измерения – МПа) называют такое давление, выше которого нельзя испарить жидкость при любом повышении температуры [СОУ]:

,                              (1.14)

,                               (1.15)

При гидравлических расчетах шлейфов и газопроводов пользуются понятием кинематической или относительной вязкости газа, которая определяется как отношение динамической вязкости к его плотности

                                                    (1.16)

7 Массовый и объемный расход газа

Массовый расход газа M – масса газа (m), проходящая через поперечное сечение потока за единицу времени (t):

,                                           (1.17)

где t – время, на протяжении которого газ проходит через поперечное сечение (определяется временем наблюдения – секунда, минута, час, сутки, год).

Объёмный расход газа Q – количество газа в единице объёма (м³), который проходит через поперечное сечение потока за единицу времени, (единица измерения– м³/с, м³/час и т.д.).

                                              (1.18)

8 Линейная скорость газа ω определяется як объемный расход газа (Q) в условиях потока через единицу поперечного сечения потока (F), (единица измерения в системе СИ – м/с):

,                                           (1.19)

где F– площадь поперечного сечения потока, м².

Рекомендация для Вас - Основные модели гос. регулирования экономики и соц. отношений.

Массовая скорость U – массовый расход газа через единицу поперечного сечения потока, кг/(с·м²):

,                                         (1.20)

Довідник працівника газотранспортного підприємства. Довідкове видання /Розгонюк В.В. та ін. К., "Росток", 2001 (с.8–21).

Ширковский А.И. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатних месторождений.Недра.1979 (с.21-48).

СОУ

Статья Фоменко