下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
天然气所处的状态，是通过压力、温度和体积等物理量来反映的，这些物理量之间彼此有一定的内在联系，称为状态参数。
压力是一物体垂直均匀地作用于另一物体壁面单位面积上力的量度。物理上用物体单位面积上受到的垂直压力来表示，称为压强，用符号p表示。
式中 p——压强，Pa；
F——均匀垂直作用在容器壁面的力，N；
A——容器壁面的总面积，m 2 。
由于在工程实际中习惯地将压强称作压力，因此，本书中后面提到的压力，即指压强。
测量压力有两种标准方法：一种是以压力等于零作为测量起点，称为绝对压力，用符号“p 绝 ”表示；另一种是以当时当地的大气压力作为测量起点，也就是压力表测量出来的数值，称为表压力，或称相对压力，用符号“p 表 ”表示。天然气储运过程中所讲的压力都是指表压力。
绝对压力与表压力之间的关系为：
绝对压力=表压力+当时当地大气压力
（1）压力的单位
我国现行的法定压力计量单位是国际单位制导出的压力单位，即：帕斯卡（Pa），1Pa=1N/m 2 。由于帕斯卡的单位太小（如：一粒西瓜子平放时对桌面的压力约为20Pa），在实际中常使用兆帕斯卡（MPa）、千帕斯卡（kPa）。其关系为
1MPa=10 3 kPa=10 6 Pa
（2）压力单位的换算
在采取国际单位制以前，我国惯用的压力单位有标准大气压、工程大气压、毫米汞柱、毫米水柱及英制压力单位等，其与法定单位的换算关系见表1-11。
表1-11 压力单位换算
温度是物质分子进行热运动的宏观表现，它是对物体冷热程度的量度。测量温度的标尺称为温标。温标的规定是选取某物质两个恒定的温度为基准点，在此两点之间加以等分，来确定温度单位尺度，称为度。
由于对两个基准点之间所作的等分不同，因此出现了不同的温度单位。常用的有以下几种。
① 摄氏温标（℃）。摄氏温标又称百度温标，是瑞典人摄尔休斯最先提出来的。
② 华氏温标（℉）。华氏温标是德国人华伦海特最早提出来的。
③ 开氏温标（K）。开氏温度又称热力学温度，是英国人开尔文最先提出来的。
上述三种温标的相互关系如图1-1所示。
体积是指一定数量的物质占据空间位置的大小。由于气体总是要充满所盛装的容器，所以气体的体积由盛装容器的容积来决定。
图1-1 三种温标的关系
常用的体积单位是m 3 （立方米）和L（升）。
1m 3 =1000L
天然气中常见烃类的基本性质如表1-12所示。天然气中常见气体的基本性质如表1-13所示。
表1-12 天然气中常见烃类的基本性质（101.325kPa，0℃）
表1-13 天然气中常见气体的基本性质（101.325kPa，0℃）
天然气是多种气体组成的混合气体，且组成与组分无定值，工程上为了计算方便，把0℃、101.325kPa时体积为22.4L天然气所具有的质量定义为天然气的视相对分子质量或平均相对分子质量。其计算方法为：
式中 M——天然气的相对分子质量；
y i ——组分i的摩尔分数；
M i ——组分i的相对分子质量。
天然气的密度定义为单位体积天然气的质量，用符号ρ表示。
式中 m——天然气的质量，kg；
V——天然气的体积，m 3 。
因为在101.325kPa、0℃下，1kmol任何气体的体积都等于22.4m 3 ，所以任何气体在此标准状态下的密度为：
气体的密度与压力、温度有关，在低温、高压下同时与气体的压缩因子有关。气体在某压力、温度下的密度为：
式中 ρ——气体在任意压力、温度下的密度，kg/m 3 ；
p——天然气的压力，kPa（绝）；
M——天然气的相对分子质量；
Z——天然气压缩系数；
T——天然气的热力学温度，K。
天然气的相对密度是在相同压力和温度下天然气的密度与空气密度之比，即ρ 天 /ρ 空 ，这是一个量纲为1的量。
天然气的相对密度用符号S表示，则
式中 ρ 天 ，M 天 ——天然气的密度和相对分子质量；
ρ 空 ，M 空 ——空气的密度和相对分子质量。
空气的密度：
由式（1-13）可求得天然气的相对密度，也常用在已知天然气的相对密度时，求天然气的分子量或密度等。
气井气的相对密度一般在0.58～0.62之间，凝析气田气和石油伴生气的相对密度在0.7～0.85之间，个别含重烃多的油田气也有大于1的。
① 临界压力：纯物质在临界温度T c 下能液化的最低压力，符号p c ，单位kPa。
② 临界温度：纯物质能液化的最高温度，符号T c ，单位K。
③ 临界体积：1mol纯物质在p c 、T c 状态下的体积，符号V c ，单位dm 3 /mol。
④ 对比温度T r ：实际温度T对临界温度T c 的比值。
⑤ 对比压力p r ：实际压力p对临界压力p c 的比值。
⑥ 对比体积V r ：比容对临界体积V c 的比值。
⑦ 对比密度ρ r ：密度对临界密度ρ c 的比值。
理想气体是指这样一种流体，即相对于总的体积，其分子体积可以忽略不计，分子之间及分子与容器壁之间没有吸引力与排斥力，分子完全是弹性碰撞，即碰撞中没有内能损失。所有低压的大部分气体的行为与理想气体相似，在正常配气压力下，天然气也密切遵循理想气体定律。
但是，当气体压力上升，尤其当气体接近临界温度时，其真实体积和理想气体之间就产生了很大的偏离，文献中用偏离因子或压缩因子表示，符号Z。即气体在压力p和温度T时nmol气体的实际体积除以在相同压力p和温度T时nmol气体的理想（计算）体积之商，即为该气体的压缩因子。
用公式表示如式（1-18）
式（1-18）中的气体体积可分别由式（1-19）、式（1-20）得到。
按理想气体状态方程
式中 p——绝对压力，Pa；
V——体积，m 3 ；
n——物质的量，mol；
R——8.314J/（mol·K）；
T——热力学温度，K。
按真实气体状态方程式
式中 Z——气体的压缩因子，量纲为1的量；
p，V，T，n与式（1-19）中符号意义相同。
对于某一定量的气体，存在下述关系：
式中，下标1代表状态1，下标2代表状态2；p，V，T，Z含义与式（1-19）相同。
物质的物性参数受任意状态点到临界点的相对接近程度的控制。假如两种物质，其对比压力、对比温度分别相同，则认为该两种物质处于对应状态，对应状态下两种物质的其他物性参数，例如对比密度也是相同的。这就是对应状态定律或法则，换言之，不同的气体，在相同的对比温度与对比压力下，真实气体与理想气体定律的偏离是相同的。对应状态定律，对于广泛存在的不相似型物质，其准确性约可达到几个百分点以内，对于有限的物理化学相似型的物质，准确性更佳。
对应状态定律，有很广泛的实用价值。一般用于评价真实气体与理想气体的偏离程度，也可用于其他热力学性质与理想气体间相互关系的评价。
气体的发热量可分为高（位）发热量和低（位）发热量。
在恒定压力101.325kPa和恒定温度T条件下，单位体积气体与空气完全燃烧所放出的热量；燃烧反应生成的水，在温度T下全部冷凝为液体。符号H s 。
在恒定压力101.325kPa和恒定温度T条件下，单位体积气体与空气完全燃烧所放出的热量；燃烧反应生成的水，在温度T下始终保持为气相。符号H i 。
燃气的热负荷指数，等于燃气高位发热量H s 与相对密度d开方的比值，代表燃气性质对热负荷的综合影响。符号W s （kJ/m 3 ），用下式表示。
假设两种燃气的热值和相对密度均不相同，但只要它们的沃泊指数相等，就能在同一燃气压力下和在同一燃具或燃烧设备上获得同一热负荷。换句话说，沃泊指数是燃气互换性的一个判定指数。只要一种燃气与另一种燃气的沃泊指数相同，则此燃气对另一种燃气具有互换性。各国一般规定，在两种燃气互换时沃泊指数的允许变化不大于±5%～±10%。
天然气的黏度可以理解为天然气运动时气体分子间的内摩擦力，当气体内部有相对运动时，都会因气体分子的内摩擦力而产生内部阻力。黏度愈大，阻力就愈大，气体流动就困难。黏度有两种表示方法，即动力黏度和运动黏度。
在物理单位制中，动力黏度的单位是g/（cm·s）。这个单位又称为“泊”，“泊”作单位过大，应用不方便，常用“泊”的百分之一来表示的黏度叫做厘泊。
在工程单位制中，动力黏度的单位是kgf·s/m 2 。
1kgf·s/m 2 =98.1P（泊）=9810cP（厘泊）
在国际单位制中，动力黏度的单位为帕斯卡·秒（Pa·s），即千克/（米·秒）［kg/（m·s）］。
1Pa·s=10P=1000cP
用符号ν表示。它等于天然气的动力黏度除以其密度，即
在国际单位制中，运动黏度的单位是m 2 ·s。
运用式（1-23）由动力黏度换算为运动黏度时，要应用天然气所处温度和压力下的密度ρ。
各种气体组分的黏度可由图1-2查出，坐标见表1-14。
表1-14 各种气体在图1-2中的坐标
图1-2 101.325kPa下各种气体的黏度
低压下，天然气的黏度可根据各组成组分的黏度，按式（1-24）进行计算：
式中 μ——所求天然气的黏度，Pa·s；
μ i ——天然气中组分i的黏度，Pa·s；
y i ——天然气中组分i的摩尔分数；
M i ——天然气中组分i的相对分子质量。
式（1-24）的平均误差1.5%，最大误差5%，对富含氢的气体，其误差达10%。
可燃气体和空气的混合物中，可燃性气体的浓度在一定范围时，如遇明火，就会发生燃烧和爆炸。
可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。
爆炸下限是指可能引起燃烧（或爆炸）的可燃气体组分的最低浓度，%。
爆炸上限是指可能引起燃烧的可燃气体组分的最高浓度，%。因此，当可燃气体浓度低于下限或高于上限时，则混合物是安全的。
图1-3 在低于101.325kPa时压力对天然气-空气混合物可燃性极限的影响（1mmHg=133.322Pa）
图1-4 在高于101.325kPa时压力对天然气-空气混合物可燃性极限的影响
压力和爆炸极限的关系见图1-3和图1-4，由图1-3可见，压力低于6.65kPa（50mmHg）时，天然气与空气的混合物不可燃；由图1-4可见，压力高于101.325kPa时，随着压力的增加，爆炸上限也显著增加。