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第一章 燃气基础知识
第一节 城市燃气的发展、分类、特点
随着城市现代化的发展，燃气作为城市能源建设中的重要组成部分及重要的能源基础设施，在人们生活中发挥越来越重要的作用。目前，我国的城市燃气主要有三类：人工煤气、液化石油气、天然气。
人工煤气主要是来源是焦炉制气（炼焦）和冶金工业的焦炉余气，主要成分是甲烷、氢。由于人工煤气热值低，其使用及制备过程的环保问题等使其发展受到限制，逐渐被天然气取代。
液化石油气是开采和炼制石油过程中的副产品，其主要成分是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。液化石油气热值较高，但是由于其生产、输送的成本较高及其品质的不稳定性，限制了其发展。
天然气有气井开采的气田气、开采石油伴生的油田气和从井下煤层抽取的煤层气，以前两种为主。我国天然气主要成分是甲烷（90%左右），其热值仅次于液化石油气。煤层气的成分变动较大，热值也低。虽然由于开采技术等原因，其未等到充分利用，但是其作为储量丰富的清洁能源正在受到更多的关注。
上个世纪九十年代开始，天然气的开采利用在我国得到迅猛发展，已经成为我国城市燃气的重要、主要部分，尤其在北京、上海等大中城市。现在，北京的燃气基本以天然气为主。天然气通到家家户户，在日常生活中发挥主要作用。天然气的普遍使用及其可燃可爆性，也决定了其管理的重要性。
第二节 天然气的主要成分和性质
天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢以及微量的惰性气体，如氦和氩等。无硫化氢时为无色无臭易燃易爆气体，密度多在0.6～0.8g/cm3，比空气轻。通常将含甲烷高于90%的称为干气，含甲烷低于90%的称为湿气。
天然气是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。天然气其主要成分为甲烷，热值约为8500大卡/米3是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。
第三节 天然气的特性
1.3.1 比重：天然气比重小于空气，当从储存容器、管道中泄漏
出来后，天然气将向上移动，扩散到空气中。
1.3.2 热值：热值是指单位重量或体积的燃料完全燃烧后产生的热量，分为高热值和低热值。
1.3.3 状态、沸点：在常温、常压下，天然气为气体状态；甲烷的沸点-162°C，在此温度以上，天然气呈气态。由于非常低的沸点，天然气非常难于液化，一般采用气体状态储存和输送天然气。
1.3.4 颜色、味道和毒性：甲烷（天然气）是一种无色、无味的物质，且没有毒性；天然气在空气中的浓度较高时，对人体有一定的麻醉作用。为便于识别其在空气中的存在，在生产过程中添加了少量的臭味剂(硫醇、硫醚等物质）。
1.3.5 点火（爆-炸）极限：气态的天然气与空气形成混合气，混合气浓度在一定范围内时能够被点燃、燃烧，超过这个范围将不能被点燃，这个范围的上下限即为点火下限和点火上限。天然气的点火上限和点火下限分别为5%和15%。
1.3.6 理论空燃比：单位重量（或体积）燃料完全燃烧需要的空气重量（或体积）即为该燃料的理论空燃比；汽油、甲烷的（重量）理论空燃比分别为14.7、16.7。相同质量的燃料完全燃烧，天然气需要更多的空气。按照体积计算，天然气的理论空燃比约为和10：1。
1.3.7 辛烷值：辛烷值是燃料抗爆震燃烧的能力，辛烷值越高，表示抗爆性越好，发动机可以采用更高的压缩比。目前使用的汽油辛烷值一般为90、93。天然气的辛烷值一般在120—130之间，其抗爆性要好于汽油。
1.3.8 自燃温度：在没有外界火源的条件下，由于天然气内部的氧化、本身温度或介质温度变化而引起天然气自行着火燃烧，天然气自行着火燃烧的最低温度即为自燃温度；天然气的自燃温度为630—730度；汽油的自燃温度为220—471度；较高的自燃温度表明天然气的安全性好于汽油。
1.3.9 起燃方式：天然气自燃温度高，难于压燃，适宜外火源点燃，同时高的辛烷值，适合在较高的压缩比下点燃工作。

第四节 天然气的储存
常温、常压下的天然气密度非常低，为有效的储存天然气，一般采用以下方式储存天然气，以提高天然气的储存压力：
1、压缩天然气——Compressed Natural Gas简称CNG（压缩天然气），汽车上使用的CNG的最高压力为20MPa（相当于将天然气压缩200倍）；
2、液化天然气——Liquefied Natural Gas简称LNG（液化天然气），液化后的天然气的密度是常温、常压下的气态天然气密度的625倍；
3、吸附天然气——Adsorbed Natural Gas简称ANG（吸附天然气），储存的能量密度介于CNG和LNG之间，且储存压力大为降低（在4MPa左右）。
第二章 天然气输配系统
第一节 输配系统种类
2.1.1 天然气运输主要有三种方式：管道输送、船舶运输、槽车运输。液化天然气主要靠船舶运输、槽车运输，然后进行

燃气基础知识

一 、燃气概述
燃气是现代化城市建设不可缺少的一项基础设施，燃气可以用人工方法制取，也可以从天然资源中获得。只有符合一定要求的可燃气体才能作为城市燃气使用，各种不同类型的城市燃气的主要成分是有很大的不同的，但其主要化学成分可分为可燃与不可燃两个部分。可燃部分主要有氢（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）等，不可燃部分主要有氮（N2）、氧（O2）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）和水蒸气等。上述的各种成分的含量的比例的不同而组成了不同的燃气类型。
二、燃气的种类
     燃气的种类，习惯上分为天燃气、人工煤气和液化石油气三大类。
1.天燃气
天然气是指直接从自然界开采和收集的燃气，按天燃气获得
的途径的不同可分为如下3种：
⑴ 纯天燃气
    从气井开采出来的气田气称为纯天燃气，它是埋藏在地下深处的气态燃料，它的主要成分为甲烷，约占体积的95%左右。
⑵ 油田伴生气
    油田伴生气是伴随石油一起开采出来的石油气，通过一定处理后得到的气体，它的主要成分为甲烷，约占体积的80%左右，另外还含有一些其他的烃类。
⑶ 矿井气
   矿井气指从井下煤层抽出的燃气，矿井气中甲烷的含量约占一半，其他的主
要成分为空气和氮。
2.人工煤气
人工煤气是指从固体燃料（主要为煤）或液体燃料加工中获取的可燃气体，按照制气原料或制气方法的不同，可分为如下几种：
  ⑴ 炼焦煤气
炼焦煤气是煤在隔绝空气的条件下加热而分解出来的可燃性气体。它的主要成分是氢和甲烷，为一种无色无味的气体，由于氢含量较高，因而燃烧速度很高。
  ⑵ 高炉煤气
高炉煤气是炼铁高炉在生产过程中的一种副产品，可燃的主要成分为一氧化碳。它为一种无色、无味、无臭的气体，但毒性极强。
  ⑶ 发生炉煤气
     发生炉煤气是在发生炉内对燃烧着的底层煤或焦炭鼓入空气，依靠上面的还原层和干馏层中生成一氧化碳和氢等可燃成分。它的含氮量很大，约占总体积的一半以上。
⑷ 水煤气
    水煤气的生产与发生炉煤气相似，是对热的煤鼓入蒸汽，生成一氧化碳和氢等可燃成分。它的含氮量较小，燃烧速度较快。
  ⑸ 高压气化气
     高压气化气是以煤为原料，以氧和蒸汽为气化剂在高压下进行完全气化而产生的燃气，主要的成分是氢、一氧化碳和甲烷。
⑹ 油煤气
     油煤气是指石油类原料经过热裂化而制成的燃气，这种煤气实际使用中与其
他煤气掺混使用。
3.液化石油气
      液化石油气是自在开采和炼制石油的过程中，作为副产品而获得的一部分碳氢化合物，在常温下加压0.7-0.8Mpa就能液化；液化石油气的主要成分是丙烷C3H8）、丙烯（C3H6）、正（异）丁烷（C4H10）和正（异）丁烯、反（顺）丁烯（C4H8）。习惯上称为C3、C4，即只用烃的碳原子数（C）表示。这些碳氢化合物在常温、常压下呈气态，当压力升高或温度降低时，很容易转变为气态。从气态转变为液态，其体积可缩小250倍。
三、燃气成分
我国幅员辽阔，燃气资源丰富，各地使用燃气的成分及特性相互差别很大，如下列出几种常用的燃气的成分，仅供参考：  
一  般  组  分    （体积%）
  CH4 C3H6 C4H10 CnHm CO H2 CO2 O2 N2
1 纯天然气 98 0.3 0.3 0.4 - - - - 1.0
2 油田伴生气 81.7 6.2 4.86 4.94 - - 0.3 0.2 1.8
3 矿井气 52.4 - - - - - 4.6 7.0 36.0
4 炼焦煤气 27.0 - - 2.0 6.0 56.0 3.0 1.0 5.0
5 发生炉煤气 1.8 - 0.4 - 30.4 8.4 2.2 0.4 56.4
6 高压气化煤气 18.0 - - 0.7 18.0 56.0 3.0 0.3 4.0
7 水煤气 5.8 - - 1.6 30.9 42.2 9.6 0.6 9.3
8 油煤气 19.6 - - 6.6 13.0 45.5 7.0 1.0 6.7
9 高炉煤气 0.3  - - 28.0 2.7 10.5 - 58.5

10 液化石油气 - 50 50 - - - - - -
四、燃气相关的基本概念
1. 燃气的互换性　
互换性是燃气的重要指标
具有多种气源的城市，常常遇到以下两种情况：一种是，随着城市燃气供应规模的发展和制气方式的改变，某地区原来使用的燃气可能由其他一种性质不同的燃气所代替；另一种是，基本气源产生紧急事故，或在高峰负荷时，需要在供气系统中掺入性质与原有燃气不同的其他燃气。当燃气成分变化不大时，燃烧器燃烧工况虽有改变，但尚能满足燃具的原有设计要求；当燃气成分变化过大时，燃烧工况的改变不能满足燃具的原有设计要求。
任何燃具，都是按照一定的燃气成分设计的。设某一燃具是以a燃气为基准进行设计和调整，如以b燃气来置换a燃气，如果燃具此时不加任何调整而能保证正常工作，则表示b燃气可以置换a燃气，或称b燃气对a燃气具有互换性。反之，如果燃具不能正常工作，则称b燃气对a燃气不具有互换性。
２.燃气的燃烧特性指标
决定燃气的互换性的条件是燃气的燃烧特性指标：华白数（或称发热指数）和燃烧势（或称燃烧速度指数）。当燃气的成分改变时，华白数和燃烧势同时改变。
① 华白数
华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数
在b燃气和a燃气化学及物理性质相差不大时，燃烧特性比较接近时，可以用华白数指标来控制燃气的互换性。各国一般规定在两种燃气互换时华白数的变化不大于+5～10%。华白数是一项控制燃具热负荷衡定状况的指标。

② 燃烧势
随着气源种类的增多，出现了燃烧特性差别较大的两种煤气的互换性问题，除了华白数以外，还必须引入燃烧势因素。燃烧势是反映煤气燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的状态的一项反映燃具煤气燃烧稳定状况的综合指标。
3.相关术语
热值：标准状态下（0℃、1大气压）1m3的燃气完全燃烧时产生的热量。
高热值：完全燃烧时产生的热量中包括燃烧产物中水蒸汽冷凝后释放出的热量。
低热值：完全燃烧时产生的热量中不包括燃烧产物中水蒸汽冷凝后释放出的热量。
燃气的相对密度：指相等体积的燃气与空气的质量之比（0℃、1大气压）。
离焰：火焰从燃烧器孔全部或部分离开的现象。
回火：火焰在燃烧器内部燃烧的现象。
黄焰：由于一次空气不足，燃烧时产生的黄色火焰，该火焰与冷表面接触产生黑烟。
火焰稳定性：在燃烧器火孔处火焰既不离焰，也不回火，稳定燃烧的状态。
爆燃：燃气与空气混合后急剧燃烧的现象，噪音很大。
燃气的供气压力：在锅炉的燃气入口连接处，锅炉运行时测得的相对静压力

第五章 天然气输配管网
第一节燃气输配管网形式
一、 流体输配管网形式
燃气供应需要将流体输送并分配到各相关设备，或且从各接受点将流体收集起来输送到指定点。承担这一切功能的管网系统称为流体输配管网，它包括管道系统、动力系统、调节装置、末端装置及保证正常工作的其他附属装置。
燃气是现代城市生活和生产的一种主要能源。燃气输配管网是城市燃气工程的主要组成部分。
1.燃气输配管网组成
由分配管道、用户引入管和室内管道三部分。分配管道包括街区和庭院分配管道，其功能是在供区域内将燃气分配给各部门用户。用户引入管将燃气从分配管引到入口处的总阀门。室内燃气管道由总阀门处将燃气引向并分配到各燃气用具。
2.燃气管道分级：
漏气可能导致火灾、爆炸、中毒等事故，所以燃气管道的气密性特别严格。管道中压力越高，管道接头脱开或管道本身裂缝的可能性和危险性也越大。因此，燃气管道需按输气压力分级。各级对管道材质、安装质量、检测标准和运行管理的要求不同。
我国城市燃气管道按《城镇燃气设计规范》（GB50028-93）规定的压力分级如下：
1）高压管道：压力为0.3-0.8MPa（3.0-8.0kgf/cm2）
2）次高压管道：压力为0.15-0.3MPa（1.5-3.0kgf/cm2）
3）中压管道：为5kPa-0.15MPa（0.05-1.5kgf/cm2）
4）低压管道：小于5kPa（500mmH2O）
居民和小型公共建筑用户一般直接由低压管道供气。中压和次高压管道必须通过区域调压室或用户专用调压室才能给城市分配管网中的低压和中压管道供气，或给工厂、大型公共建筑用户及锅炉房
供气。
一般由城市高压管道构成大城市燃气输配管网的外环环网。高压燃气必须通过调压后才能送入次高压或中压管道，送入高压贮气罐以及工艺需要高压燃气的大型工厂。
为保证供气的稳定性和可靠性，各级压力管网的干管，特别是中压以上管道，均应连成环状管网。分期建设的，初建时也可以是半环形或枝状管网，但应逐步构成环状管网。
3. 城市燃气输配管网形式
城市燃气输配管网根据所采用的压力级制不同，可分为：
a.一级系统 仅由低压或中压或次高压一个等级的管网。
b.二级系统 由低、中压两级或低、次高压两级管网组成。
c.三级系统 由低、中（次高）、高三级压力管网组成。
d）多级系统 由低中、次高和高压，甚至更高压力的多级压力管网组成。
1）低压一级管网系统：
气源送出的燃气先进入储气罐，然后经稳压器进入低压管网（图）。
适用于气量较小，供气范围为2~3km的城镇和地区。

2）中压或次高压一级管网系统：

燃气自气源厂（或天燃气长输管线）送入城市燃气储配站（或天燃气门站、配气象站），经加压（或调压）送入中压或次高压输气干管，再由输气干管送入配气管，最后经箱式调压器调至低压后送入用户内管道。
由于中压或次高压一级系统的供气安全性较二级或三级系统差，对于街道狭窄、房屋密度大的老城区和安全距离不足的地区不宜采用。新城区和安全距离可以保证的地区应优先采用。
3）二级管网系统：
二级管网系统一般均有一级是低压管网，另一级是管网可以是
中压、次高压或高压。

（注：气源厂→储配站的低压储气罐→压缩机加压→中压管网→调压器将压力降至低压→低压管网）
天燃气中（次高）、低压二级管网系统如下图所示。

（注：长输气管线®入门站或配气站®调压、计量®城市中压管网®
中、低调压站调压后®低压管网）
4）三级系统：
通常含有中、低压两级管网，另外一级是次高压管网或高压管网，通常称高、中、低压三级管网系统。（见下图）

自长输气管线来的天然气 (或加压气化煤气）先进入门站或配气站，经调压、计量后进入城市高压（或次高压）管网，然后经高、中压调压站调压后送入中压管网，最后经中、低调压站调压后送入低压管网。三级管网投资大，通常只在特大城市，并要求供气有充分保证时才考虑选用。

第二节 燃气输配管网设施

一、储配站
储配站是城市燃气输配管网的一个重要设施。储配站具有三个功能：
a.储存必要的燃气量用以调峰；
b.使多种燃气进行混合；
c.将燃气加压以保证每个燃气用具前具有足够的压力。
低压储存、中压输送储配站工艺流程见下图。

图中，送入储配站的燃气→低压储气罐→压缩机加压至中压→流量计→城市中压管网。
二、调压站
1.调压站功能
调压站是城市的燃气输配管网的另一个重要设施。调压站有两个功能：
a.将输气管网的压力调节到下一级管网或用户需要的压力；
b.保持调节后的压力稳定。
2. 调压站分类
调压站按用途分为三种：
a.区域调压站---用于区域性用气调压；
b.专用调压站---工业、公用事业用户专用调压；
c.箱式调压装置---居民用户，小型工业、公用事业用户调压（楼栋调压）。
3.调压站组成
调压站的主要有调压器、阀门、过滤器、安全装置、旁通管及测量仪表等设备仪器。
（1）调压器
燃气输配管网的压力工况是利用调压器来控制的。所有调压器均是将较高的压力降至较低压力。调压器是一个降压稳压装置，是调压站的核心设备。
若调压器后的燃气压力为被调参数，则这种调压器为后压调压器。若调压器前的压力为被调参数，则这种调压器为前压调压器。城市燃气输配管网通常多用后压调压器调节燃气压力。
（2）阀门
调压室进口及出口处设置的阀门，主要作用是当调压器、过滤器检修或发生事故时切断燃气。在调压室之外的进出口管道上也应设置切断阀门，此阀门是常开的（但要求它必须随时可以关断），并和调压室相隔一定的距离，以便当调压室发生事故时，不必靠近调压室即可关闭阀门，避免事故蕞延和扩大。燃气输配管网常用的阀门有闸阀、旋塞、截止阀、球阀、蝶阀等。
（3）过滤器
在燃气中含有固体悬浮物很容易存在调压器和安全阀内，破坏调压器和安全阀的正常工作。因此，有必要在调压器入口如处安装过滤器，以清除燃气中的固体悬浮物。过滤器前后应设置压差器，根据测得的压降可以判断过滤的工作情况，在正常工作情况下，燃气通过过滤器的压降不得超过10kPa，压降过大时应清洗。
（4）安全装置
当负荷为零而调器阀口关闭不严，以及调压器中薄膜破裂或调压器系统失灵时，调压站压力会突然升高，它会危及设备的正常工作，甚至会对公共安全造成危害。因此，调压器必须设安全装置。防止出口压力过高的安全装置有安全阀、监视器装置和调压器并联装置。
（5）旁通管
为了保证在调压站维修时不间断供气，故在调室内旁通管。燃气通过旁通管供给用户时，管网的压力和流量由调节旁通管上的阀门来实现。对于高压调压装置，为便于调节，通常在旁通管上设置两个阀门。选择旁通管的管径时，要根据燃气最低压力和需要的出口压力以及管 网最大负荷进行计算。旁通管的管径通常比调压器的出口管的管径小2～3号。
（6）测量仪表
通常调压器的入口安装指示式压力计，出口安装自记式压力计，自动记录调压器出口瞬时压力，以便监视调压器的工作状况。用户调压室及专用调压室通常还安装流量计。为了改善管网水力工况，随着燃气管网用气量改变应使调压室出口压力相应变化，可在调压室内设置孔板或凸轮装置。当调压室产生较大的噪声时，必须有消声装置。

调压站、调压箱系统原理图

三、燃气输送管道
燃气输送管道一般分为高压管道、次高压管道、中压管道、低压管道。城市管网以高、中压管道为主；小区管网以低压管道为主，也有部分中压管道。民用天然气基本上是低压天然气，如灶具、燃气采暖壁挂炉等用气。目前，小区内的天然气管道有中压天然气管道和低压天然气管道两种，中压天然气管道主要是从市政中压管网引入到小区内调压站、调压箱的天然气管道；从调压站、调压箱出来的管道为低压天然气管道，将低压天然气送往用户。民用灶具、热水器、壁挂炉等的用气压力约在200mmH2O,因此，调压站、调压箱中调压器的出口压力约为220～250 mmH2O左右。

调压站
调压箱

居民小区天然气供应系统图