XX职业技术学院
天然气CIMS系统设计
专业：控制技术
班级：一班
姓名： XXXXXX
学号： 14 号
指导教师： XXXXXX
年月日
中文摘要
随着社会的进步、经济科技的发展，人们生活、工作和生产水平有了很大的提高。人们生活、生产的能源剧增。由于天然气在燃烧过程中产生的影响人类呼吸系统健康的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少，燃烧后无废渣、废水产生，相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势受到人们的青睐。但是天然气在使用不当会造成泄漏容易出现危险，且天然气使用点较为分散困难。于是在这种背景下，通过CIMS网络实现远程监控天然气的系统应运而生。
研究监控系统在CIMS系统中的地位与作用，探讨利用组态软件开发的高效监控系统应用软件必须具备的功能；同时结合监控系统“组态王”开发的具体实践，阐述工业监控系统的硬件组态和软件组态的实现过程
关键字：天然气自动化组态软件数据通信
目录
第一章绪论 (1)
1.1适用范围 (1)
1.2系统组成 (1)
1.3系统功能特点 (2)
第二章天然气基本知识 (2)
2.1天然气的组成 (2)
2.2天然气的分类 (3)
2.3天然气全组分分析 (3)
2.31含硫化合物的分析 (4)
2.32总硫及有机硫含量的测定 (4)
2.33.硫化氢的分析 (4)
2.34硫醚及残余硫的分 (4)
2.35二氧化碳、水分及其它组分的分析 (5)
第三章天然气的物理化学性质 (6)
3.1天然气有关组分的物理化学常数 (6)
3.11天然气有关组分的主要物理化学常数 (6)
3.12天然气中有机硫化合物的主要性质 (6)
3.13天然气中主要组分的蒸汽压 (7)
3.14天然气中主要组分的汽化热 (8)
3.2天然气的物理性质 (9)
3.21气体状态方程式 (9)
3.22气体混合物的视分子量和比重 (10)
3.23天然气的PVT计算 (11)
3.24含有显著量H2S和/或CO2的酸性天然气的PVT关系的计算.. 13
3.3天然气的势力学性质 (14)
3.31比热和热容 (14)
3.32天然气的热焓和熵 (25)
3.33天然气的热值 (25)
3.34可燃性极限 (36)
3.35粘度 (36)
3.36热导率 (37)
3.37天然气的含水量和露点 (47)
第四章天然气计量 (19)
4.1压降法测流量 (19)
4.11理论方程式 (19)
4.13取压方式 (19)
4.2标准孔板测流量中各参数的确定 (19)
4.21流量系数α (19)
4.22膨胀系数ε (20)
4.23孔板内孔直径d (20)
4.24气体的比重修正系数、压缩修正系数、温度修正系数 (20)
4.25波动情况下的流量计算 (20)
4.3双波纹管压差计和流量积算器 (21)
4.31CW型双波纹管差压计 (22)
4.32 QJS-1型气体流量积算器 (22)
4.4超声波流量计 (22)
4.41超声波流量计的特点 (22)
4.42超声波流量计的测量原理 (22)
4.43影响超声波流量测量准确性的因素 (22)
4.44超声波流量计在天然气流量计量上的应用 (22)
4.45丹尼尔高级超声波气体流量计 (23)
第五章9FA机组气体燃料及系统 (24)
5.1气体燃料 (24)
5.11气体燃料规范 (24)
5.12气体燃料供给压力和温度 (27)
5.13天然气气源及其主要运行参数 (29)
5.2天然气调压站 (32)
5.21调压站的组成 (32)
5.22计量系统 (32)
5.23过滤系统 (32)
5.24调压系统 (33)
5.3燃机电厂气体燃料前置系统 (33)
5.31系统介绍 (33)
5.32气体燃料前置系统流程和功能阐述 (34)
5.33气体燃料前置系统的运行 (35)
第六章MCGS组态天然气CIMS系统 (36)
6.1设计要求 (36)
6.2组态要求 (36)
6.3系统运行按题目要求进行系统仿真运行 (40)
6.31系统要求 (40)
6.32天然气CIMS系统 (41)
6.33系统结构 (41)
第七章结束语 (43)
参考文献 (42)
致谢 (45)
第一章绪论
第一章绪论
1.1适用范围
城市燃气管网压力、流量监测
燃气公司抄表
1.2系统组成
天然气远程监控系统主要由调度中心、天然气监控中心、通信平台、天然气过程测控终端计量测量(流量计、压力传感器等)设备、通风设备等组成。1.3系统功能特点
天然气管理人员可以在天然气监控中心远程监测站内燃气浓度、进站压力、燃气组工作状态、出站流量、出站压力支持天然气启动设备手动控制、自动控制、远程控制泵组的启停，实现泵站无人值守。
第二章天然气基本知识
2.1天然气的组成
1．链烷烃类
它是已发现的大部分天然气的主要成分，它是饱和脂肪族类烃，化学通式CnH2n+2，常用P作代号。天然气中可能存在的链烷烃有甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、2.2二甲基丙烷、2一甲基丁烷、正戊烷、2一甲基戊烷、3一甲基戊烷、2，2一二甲基丁烷、2，3一二甲基丁烷、正己烷等组分。在常压，20℃时，甲烷，乙烷，丙烷，丁烷为气态烃，戊烷及以上至十七烷烃为液态烃。从丁烷开始，就存在同分异构物，随着碳数的增多，同分异构物也增多，尽管链烷烃中庚烷以上组分含量极低，但同分异构物的个数却很多，例如，戊烷有3个，己烷有5个，庚烷有9个，辛烷有18个，壬烷有35个，癸烷有75个异构物。因此，若将天然气深度分析至C10，可能存在的链烷烃组分就可达到150个。
2．环烷烃类
它是大部分天然气中仅可能以极少量存在的饱和环构状烃类，其化学通式是CnH2n。常用N作代号。
3．芳香烃类
它是大部分天然气中含量甚少的一类不饱和环构状烃类，天然气中可能存在的芳香烃有苯，甲苯，邻，对、间位二甲苯，三甲苯，在天然气中极少发现乙苯，乙基甲苯或丙苯。常用A作代号。
4．非烃类化合物
它是一类视气田不同，存在的种类与含量高低悬殊甚大的组分，已发现的天然气中曾发现含有氮、二氧化碳、硫化氢、氢、氦、氖、水汽，还有硫醇类、硫醚类、硫氧化碳、二硫化碳等有机化合物，近年的资料中还报导了天然气中含有汞、氨一222，天然气凝液中含有汞和钋。
5．其它成分
（1）多硫化氢（H2Sx）存在于某些含硫天然气藏中，当气藏的温度、压力降低时，有时会分解为硫化氢和硫磺。这些硫磺，当达到一定高温时，会变成硫蒸气，当温度降至硫磺的凝固点以下时，呈硫磺晶体析出，造成构造或管
道阀门的堵塞。
（2）沥青质以胶溶态粒子的形态存在于气相中，这些胶粒有一个带有
芳香烃性质的、高分子质量的核，其外围包裹着较轻的、较少芳香烃性质
的组分，到最外层，主要是脂肪族性质的化合物。分离这些沥青质，用一
般重力分离器是困难的。
2.2天然气的分类
1.天然气按矿藏特点分类
1）纯气藏天然气
不论开采的任何阶段，矿藏流体在地层中均呈气态，但随成分的不同，采出到地面后，在分离器或管系中可能有部分液态烃析出。
2）凝析气藏天然气
矿藏流体在地层原始状态下呈气态，但开采到一定阶段，随着地层压力下降，流体状态跨过露点线进入相态反凝析区，部分烃类在地层中即呈液态析出。
3）油田伴生天然气
在地层中与原油共存，在采油过程中与原油同时被采出，经油、气分离后所得的天然气。
2.按烃类组分关系分类
1）干气
在地层中呈气态，采出后在一般地面设备和管线中也不析出液态烃的天然气。
2）湿气
在地层中呈气态，采出后在一般地面设备的温度、压力下即有液态烃类析出的天然气。
3）贫气
丙烷及以上烃类含量少于100mL／m3的天然气。
4）富气
丙烷及以上烃类含量大于100mL／m3的天然气。
2.3天然气全组分分析
表2-1天然气全组分分析
化学吸收－体积色层法C1，C2，C3，C4 ；
不饱和烃总量；
O2，N2，H2，He；
CO，CO2，H2S等
主要成分分析；
微量组分不适用
仪器简单；
容易掌握；
操作程序较繁
色相色谱法C1，C2，C3，i-C4，
n-C4，i-C5，n-C5，i-C6，
n-C6，C7，C8，C9＋；
C2=，C3=，i-C4=，反
-C4－2=，顺-C4－2=，
O2，N2，Ar，He，H2，
CO，CO2，H2S，H2O，
RSH，RSR，RSSR，
COS，CS2
全组分分析；
常量及微量均适
用
简便、快速、
准确、仪器易
得
质谱法及质谱－色谱法同气相色谱法
全组分分析，
国内尚未推广
快速、准确、
仪器昂贵
2.31含硫化合物的分析
天然气中的无机硫化合物，只有硫化氢。有机硫化合物主要是低级的硫醇（RSH）和硫醚（RSR）。
2.32总硫及有机硫含量的测定
当H2S含量比有机硫含量高得多时，可以将H2S的含量视为天然气的总硫含量。
氧化－比色法、氧化－库仑法、铂还原法、火焰光度计法、荧光光度计法、色谱法
2.3
3.硫化氢的分析
常量H2S分析，越来越多地采用色谱法和库仑滴定法。现场分析中仍硫醇的分析
色相色谱法用火焰光度计鉴定器，可以测定天然气中硫醇的总含量，也可以测定甲硫醇和乙硫醇的分别含量。用90～95℃NaOH溶液或酸性
2.34硫醚及残余硫的分
天然气中硫醚可用紫外分光光度计法测定。H2S及RSH用NaOH溶液同时吸收后，RSR用碘-正庚烷溶液吸收，形成的络合物（RSR·I2）用紫外分光光度计于300毫微米波长光谱测定其光密度，从而测得硫醚含量。其它硫化物不干扰。
2.35二氧化碳、水分及其它组分的分析
CO2、H2、He、Ar、N2、O2等组分，用气相色谱法作全分析时，可以获得它们的完整数据。根据组分和含量的不同，色谱条件可以适当调整。水分也可用色谱分析，只是柱温应提高一些。在120℃用30％聚乙二醇柱，用热导鉴定器，可测定1到几千ppm水分。
现场分析中，仍然采用化学分析法（氢氧化钠法、氢氧化钡法和硫酸解析法）分析天然气中CO2。天然气中水分的测定，常用重量法和目视露点法，也可用干湿球法。
第三章天然气的物理化学性质3.1天然气有关组分的物理化学常数
3.11天然气有关组分的主要物理化学常数
表3-1天然气有关组分的主要物理化学常数
3.12天然气中有机硫化合物的主要性质
表3-2天然气中有机硫化合物的主要性质
3.13天然气中主要组分的蒸汽压
3.14天然气中主要组分的汽化热
3.2天然气的物理性质
3.21气体状态方程式 1).理想气体状态方程式
当气体压力低于0.4-0.5MPa 时，温度为10-20时，工程计算时，可以近似按理想气体对待。理想气体状态方程式有以下几种形式：
理想气体在0℃，101.325kPa 标准状态下，千摩尔体积为22.4138，在20℃，101.325 kPa 标准状态下，千摩尔体积为24.055。
2).真实气体状态方程
当压力高于0.5 MPa 以上，按理想气体状态方程进行计算将带来较大误差，此时必须引入压缩因子对其进行修正，以使符合实际状态。真实气体状态方程有如下形式：
m 01kg p =RT Gkg pV=GRT 1kmol pV R T
v =时，时，时，m 0 p =ZRT pV=ZGRT pV R T
v Z =
压缩系数是对理想气体状态方程引入的一个修正系数，用z 来表示，它表示实际气体与理想气体的偏离程度。对于理想气体，在所有状态下，其z 值都为1，对于实际气体，z 是状态的函数,它的定义是：
根据对应状态理论，在相同的对应状态下的气体，对理想气体状态方程式的偏差相同，即具有相等的Z 值，处于相同对应状态，即气体具有相等的对比温度Tr 和对比压力Pr ；Tr 和Pr 的定义如下：
3.22气体混合物的视分子量和比重
1) 气体混合物的结合率
在进行气体混合物的PVT 计算时，必须知道此混合气体的分子量、临界温度和临界压力。用于计算气体混合物的分子量和临界参数的公式都叫结合率。
值得特别注意的是，通过结合率计算的气体混合物的分子量和临界参数，不是真正分子量和临界参数，我们称为视分子量和视临界参数。
2) 视分子量M ˊ的计算
气体混合物的视分子量M ˊ，一般是用分子加合法求得。即混合气体的视分子量M 等于各组分的分子量M 与混合气体中该组分的分子百分数yi 乘积的总和：
对于真实气体：
在1大气压，0℃时一般气体的压缩系数都几乎等于1，即Zi ≈1，则：
3) 气体比重（或相对密度的计算）
单位体积气体的比重与在同一条件下同体积空气比重之比称做气体的比重或相对密度，通常用S 表示:
PV Z nRT
=
r c
T T T =
r c
P P P =
i i
M y M '=∑//i i i i i
V Z y V Z =
∑i i i i V y U V ==∑Z
Zi
Mair M Dair D S =
=
一般计算气体比重时所用的气体密度均指常温常压下气体的密度，故Z ≈1，即：
天然气的比重系指1大气压，20℃下1单位体积天然气的重量与同样条件下相同体积干空气（CO2含量0.03％）的重量之比。在此条件下Zair ≈1，Z ≈1，Mair ＝28.964，故天然气的比重为：
3.23天然气的PVT 计算
1).天然气压缩系数图和凯氏律（Kay’s Rule）
这是计算天然气Z 值最简便的方法，使用天然气压缩系数图时，天然气的视对比压力Pr ˊ和视对比温度Tr ˊ值由凯氏律计算，即：
对于主要由甲烷组成的洁气，含氮量不超过5％，视分子量不超过40时，用上面的方法进行计算，误差一般不超过3％。当CO2或者H2S 含量超过2％时，则应考虑这些组分对Z 值的影响。
此外，以下两图分别是低对比压力下天然气的压缩系数图和接近常压时天然气的压缩系数图，用于低对比压力下烃类气体的计算具有更高的精度，利用纯烃和混合气体接近常压下的密度制作的压缩系数图，在大多数情况下由它得到的Z 值准确性可达到0.001。
air
M S M =
28.964
N SN π'=
C
r P P
P '=
'C
r T T
T '=
'Ci C yiP P ∑='Ci C
yiT T ∑='
低对比压力下天然气的压缩系数 接近常压时天然气的压缩系数
2) 由天然气的比重求视临界参数
对非烃含量不高的天然气，在缺乏气体分析数据时，可根据气体比重S ，按下面等式估算出Pc ˊ和Tc ˊ:
天然气的视临界参数也可根据比重由天然气的视临界性质图直接读出。必须注意的是用比重计算视临界参数与凯氏律的计算值有相当的不同，得到的Z 值约高3％，
在非烃含量高时，偏差更大。故在有分析数据资料时，最好不要用比重计算公式或图表求天然气的视临界参数。
()171(0.5)182C T K S '=-+()[46.7 3.21(0.5)]0.9869C
P S '=--?大气压
3.24含有显著量H2S 和/或CO2的酸性天然气的PVT 关系的计算
酸性天然气的压缩系数和洁气有所不同，魏切特（Wichert ）和埃则茨（Aziz ）提出了简单易行的校正方法，这个方法仍使用标准天然气压缩系数图 。通过此法校正，即使天然气中酸气总含量达到80％，也可给出精确的 天然气压缩系数。
魏切特和埃则茨使用了一个“视临界温度调整系数ε”，用于按下式调整凯氏结合律计算的酸性天然气的视临界参数：
视临界温度调整系数ε是酸性天然气中CO2和H2S 浓度的函数，可由视临界温度的校正值图查出。 用调整后的视临界温度Tc"和视临界压力Pc"计算对比温度和对比压力，再由标准天然气压缩系数图查出相应的压缩系数。
视临界温度的校正值（oK ）
0.556C C T T ε
'''=-ε)1(556.0B B T T P P C
C C
C
-+''''=''
3.3天然气的势力学性质
3.31比热和热容
发生相变化和化学变化的条件下，加热单位重量的物质时，温度升高1℃
所吸收的热量，称为此物质的比热，单位为千卡/公斤?℃。在上述条件下加热单位体积或衡分子物质时，温度升高一度所吸收的热量，称为此物质的热容，单位是千卡/米3?℃或千卡/公斤分子?℃。比热和热容代表相同类型的量，
只是单位不同，比较容易互相换算。 比热分为真比热和平均比热。
真比热： 平均比热：
气体的比热还可以分为定容比热和定压比热。 定容比热 ：
定压比热：
dQ C dT
=
21
m Q C T T =
-V
V
V T U dT Q C ??? ????==
δP
P P T H dT Q C ???
????==
δ
3.32天然气的热焓和熵
热焓H 简称焓，是热力学状态函数，定义如下：
一个体系在不做非体积功的恒压可逆过程中吸入的热量等于该体系热焓的增量，即
对于理想气体的等温、可逆膨胀或压缩过程，熵的增量ΔS 按下式计算：
在非等温条件下，若初始温度为T1，则最终温度为T2时，可把非等温过程划分成许多无限小的等温过程，按下式计算熵增量：
天然气在透平膨胀机和压缩机中膨胀和压缩，可近似地看做绝热过程δQ ＝0，因而ΔS ＝0，可按等熵过程进行计算。 3.33天然气的热值
每立方米或每公斤天然气燃烧所发出的热量称为天然气的燃烧热值，简称热值，单位是千卡/米3或千卡/公斤。天然气的热值有两种。计算热值时，天然气、空气和燃烧产品处于相同的基准温度和压力下，燃烧生成的水全部冷凝为液体，此时测定的热值为高热值（HHV ），或称总比能。如果燃烧产品中的水保持汽相，这是测定的热值为低热值（LHV ），或称净热值。
天然气的体积热值可根据其组分热值计算。先计算出理想气体状态下的热值HON ，然后再利用气体存在状态下的压缩系数校正，计算出真实天然气的热值HrN 。
ZrN 根据天然气组成按下式计算:
101202ON N ON
H y H y H y H =+++ ON
rN
rN
H H Z =
)0005.0)(2()(12
22211H H n n rN y y b y b y b y Z -+++-= rN
P rN P T H P
Z H 7.288=
H U PV
=+21P
H H H Q ?=-=Q S T
?=
?
?==?2
1
21T T T T T
Q
ds S δ