第一章 燃气基础

燃气企业处于一个特殊的行业。它的特殊性与其经营的产品——燃气有关。燃气是一种易燃、易爆和有毒的气体，如何将燃气按时按量并安全地送至用户消费，决定了燃气企业与普通商贸流通企业在生产经营内容上的重大区别。为正确反映和满足生产经营内容的需求，燃气企业在经营管理方面也要有自己的特色。只有了解燃气企业，才能更好地理解对燃气企业的管理，而欲了解燃气企业，须从了解燃气基础知识开始。

第一节 燃气基础知识

燃气是人类使用能源的一个重要部分。本节的论述从能源开始，再扩展到燃气及其相关方面的知识。

一、能源的概念及其分类

能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质。也就是说，凡是能直接或者经过转换而获取某种能量的自然资源都称为能源。能源是人类赖以生存和发展工业、农业、国防、科学技术，改善人们生活所必需的燃料和动力来源。

能源是人类社会发展和经济增长的最基本的驱动力。自从人类告别了渔猎进入农业社会以来，从刀耕火种开始，人类先后经历了薪柴时代、薪炭时代和石油时代。人类社会的每一次大的进步，一直依赖于能源这个物质基础，依赖对能源的发现和利用。特别是以蒸汽机的发明和使用为代表的工业革命以来，能源技术推动了经济和社会的高速发展，也推动了生产关系的变革。它无时无刻不在改变着我们的生活，人们的生活已经离不开能源。当今世界各国都十分重视能源的开发、利用，以及对环境的影响。从某种意义上讲，能源消费结构、开发利用水平和人均能源消费量标志着一个国家的技术水平和生活水平。

目前，已经进入人类视野的能源形式多样，如石油、天然气、煤、沼气、柴薪、生物能源，以及太阳能、核能、风能、水能、电能等，数不胜数，我们只有用分类的方法，才能对它们有一个比较清楚的认识。

（一）一次能源和二次能源

按能源产生的方式，可分为一次能源和二次能源。

一次能源也称“天然能源”，是指自然界中以天然形式存在，并没有经过加工或转换的能量资源。自然界中以原有形式存在的、未经任何加工转换的能量资源，可分为三类。

（1）地球本身蕴藏的能源，如原煤、原油、天然气、核能、地热，等等。

（2）来自地球外天体的能源，如宇宙射线、太阳能，以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能和以植物光合作用为基础的生物质能，等等。

（3）地球与其他天体相互作用的能源，如潮汐能、重物势能，等等。

二次能源是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，如电力、蒸汽、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、焦炭、激光、氢能，等等。

（二）再生能源和非再生能源

按能源是否可再生，可分为可再生能源和非可再生能源。

可再生能源是指能够重复生产的天然能源，即不会随它本身的转化或人类的利用而日益减少的能源，如太阳能、水能、风能、海洋能、潮汐能、生物质能等。

非再生能源是指不能重复产生的天然能源，它随着人类的利用而越来越少，如石油、天然气、油页岩、可燃冰（天然气水合物）、核能等。

（三）合能体能源和过程能源

按能源是否本身含有能源可分为合能体能源和过程能源。

合能体能源，也称“含能体能源”，是指包含能量的物质，如煤、石油、天然气、石化燃料、草木燃料等，它们的特点是可以直接存储的能源。

过程能源是指能量比较集中在物质的运动过程，是物质在流动过程产生的能量资源，如水能、风能、潮汐能、太阳辐射能、电能等。它们的缺点是无法直接存储。

（四）常规能源和新能源

按被利用的程度，可分为常规能源和新能源。

常规能源也称传统能源，是指已经大规模生产和广泛利用的能源，如煤、石油、天然气、柴薪燃料、水能等。常规能源是促进人类社会进步和文明的主要能源。在讨论能源问题时，主要是指常规能源。

新能源是指在新技术基础上系统地开发利用的能源，如可燃冰、太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、核能等。与常规能源相比，新能源生产规模较少，使用范围窄。

（五）清洁能源和非清洁能源

按对环境的污染情况，可分为清洁能源和非清洁能源。

清洁能源是指不排放污染物的能源，它们对环境无污染或污染很少，如太阳能、地热能、海洋能、生物能、水力发电及风力发电等。从传统意义上讲，清洁能源是对环境友好的能源。

非清洁能源是与传统清洁能源相对的概念，是对环境不友好、对环境污染较大的能源，如煤、石油等。

二、燃气的概念及其分类

燃气，即可燃性气体，英文是flammable gas，即“易燃烧气体”，是指在空气或氧气的存在条件下可以燃烧并释放大量热量的气体，如煤制气、油制气、天然气、液化石油气、沼气等低分子烃类气体。

按照燃气的来源，通常可以把燃气分为天然气、人工煤气、液化石油气和生物质气体等。

（一）天然气

天然气的英文名称是natural gas。是指在地表以下、孔隙性地层中天然存在的烃类和非烃类混合物，而且主要由低分子的碳氢化合物组成。根据其来源，天然气一般可分为气田气（也称纯天然气）、石油伴生气、凝析气田气、煤层气、页岩气和可燃冰。

（1）气田气。气田气是从气井直接开采出来的燃气。气田气的成分以甲烷（CH4）为主，甲烷含量在90％以上，还含有少量的二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、氮气（N2）和微量的氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）等气体。

（2）石油伴生气。石油伴生气亦称“伴生天然气”“油田气”，是指与石油共生的天然气。包括气项气和溶解气。气顶气是不溶于石油的气体，为保持石油开采过程中必要的压力，一般不随便采出；溶解气是溶解在石油中，伴随石油开采而得到的气体。

（3）凝析气田气。在深达3000～4000m或更深的气藏所产生出的气相中，含有大量戊烷和戊烷以上的轻质烃类的天然气。凝析气田气除含有大量甲烷外，还含有2％～5％的戊烷及其他碳氢化合物。

（4）煤层气。煤层气亦称“煤层甲烷气”，俗称“瓦斯”。是在成煤过程中生成的，并以吸附或游离状态赋存于煤层及周围岩石上的一种可燃气体。煤层气的主要成分是甲烷（通常在90％以上），还有少量的一氧化碳、氮、氢及烃类化合物。

（5）页岩气。页岩气是指一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩中的非常规天然气。页岩亦属致密岩，故页岩气也可归入致密气层气。页岩气的形成和富集有自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。与常规天然气气相比较，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，能够长期以稳定的速率产气。

（6）可燃冰。可燃冰又称为天然气水合物，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰，而且遇火即可燃烧，所以又被称作“固体瓦斯”或“气冰”。天然气水合物甲烷含量占80％～99.9％，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用1000年，因而被各国视为未来石油、天然气的替代能源。

（二）人工煤气

人工煤气是指以固体、液体，包括煤、重油、轻油等为原料经过转化制得的可燃气体。根据制气原料和加工方式的不同，可以生产多种类型的人工煤气。

（1）干馏煤气。利用焦炉、连续式直立炭化炉等对煤进行干馏所获得的煤气称为干馏煤气。干馏煤气的主要成分是氢、甲烷、一氧化碳等。每吨煤可制煤气300～400m3。干馏煤气的生产历史最长，目前我国还有少部分地方以干馏气作为燃料来源之一。

（2）气化煤气。将原料煤或焦炭放入工业炉、发生炉、水煤气炉里燃烧，并充入空气、水蒸气，使之生成以一氧化碳和氢为主的可燃气体。气化煤气，根据生产方法不同，又可分为发生炉煤气、水煤气和压力气化煤气三种。

（3）油制气。油制气是指利用重油（炼油厂提取汽油、煤油和柴油等之后剩余的油品）为原料，经过高温裂解制成可燃气体。其主要成分是烷烃、烯烃等碳氢化合物，以及少量的一氧化碳。石脑油（粗汽油）也可作为制气原料。与重油相比，石脑油含硫少，不生成焦油、烟类及污水等，气化效率高。

生产油制气的装置简单，投资少，建设速度快，管理人员少，生产启动、停炉灵活，既可作城镇燃气的基本气源，又可作调度气源。

（4）高炉煤气。高炉煤气是钢铁企业在炼铁过程中由高炉排放出来的气体，是钢铁冶炼的副产品。其主要成分是一氧化碳。高炉煤气可用作炼焦炉的加热煤气，以使更多的焦炉气供应城镇用户。高炉气也常用作锅炉的燃料或与焦炉煤气掺混用于工业气源，如陶瓷烧制等。

（三）液化石油气

液化石油气，英文名称是liquefied petroleum gas，缩写为LPG。液化石油气是石油开采、加工过程中的副产品，通常来自炼油厂。液化石油气的主要成分是丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。液化石油气作为一种烃类混合物，具有常温加压或常压降温即可变成液态，以方便储存和运输，升温或减压即可气化使用的显著特性，因而成为一种广泛使用的燃气。液化石油气的来源有两种：一种是在油田或气田开采过程中获得的，称为天然石油气；另一种是在石油炼制加工过程中获得的副产品，称为炼油厂石油气。

（四）生物质气

生物质气是指以生物质为原料通过发酵、干馏或直接气化等方法产生的可燃气体。各种有机物质，如纤维素、脂肪、蛋白质、淀粉等，在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物（主要是甲烷菌）作用下产生可燃气体，又称沼气。用作发酵的原料有粪便、垃圾、杂草、酒糟、落叶等有机物质。用于干馏和气化的秸秆、稻壳、树枝、木屑也是农业和林业的废弃物。因此，生物质气属于可再生资源。生物质气中的甲烷含量约为60％。

除了上述介绍的天然气、人工燃气、液化石油气和生物质气等燃气之外，还有一些待开发和利用的非常规燃气，如天然气水合物，俗称可燃冰，是天然气与水在一定条件下形成的类似冰的笼型结晶化合物。

对城镇燃气企业而言，通常使用的燃气为天然气（含液体天然气和压缩天然气）、石油气（液化石油气）及人工煤气几种。从使用发展趋势来看，将以天然气为主。

三、燃气的基本性质

气体是指无形状、无体积的可变可流动的流体。气体是物质的一种形态。气体与液体一样是流体，它可以流动，可以变形。与液体不同的是气体可以扩散，其体积不受限制。气态物质的原子或分子相互之间可以自由运动。气态物质的原子或分子的动能比较高。气体形态可通过其体积、温度和其压强所改变。

（一）燃气的组成成分

燃气是由多种可燃与不可燃成分组成的混合物，主要包括以下成分。

（1）碳氢化合物，如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯等。其中，甲烷在常温下为气体，无色无味，比空气轻，可燃易爆，烷烃和烯烃在空气中能完全燃烧，生成二氧化碳和水。

（2）氢气。氢气无色无味，密度很小，可燃烧，易爆炸，燃烧产物为水。

（3）一氧化碳。一氧化碳无色无味，有剧毒，比空气轻，可燃，燃烧产物为二氧化碳。

（4）少量二氧化碳、氮气等不可燃成分。

（二）燃气的性质

燃气具有普通气体的一般性质，又具有自己的特殊性，是气体普遍性与特殊性的统一。燃气的性质归纳起来，有如下六个。

（1）可燃性。从上述燃气的组成成分可以看出，燃气的主要成分是可燃的碳氢化合物，如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、一氧化碳等，都是易燃物质。它们与氧气接触燃烧，生成二氧化碳和水，并释放出大量的热和光。例如，甲烷燃烧的化学反应式为

又如，乙烯在氧气充分的条件下燃烧，生成二氧化碳和水，并释放大量的热：

燃气之所以有巨大的经济作用，不在于它燃烧生成的二氧化碳和水，而在于它燃烧产生大量的热，也就是热能。以甲烷为例，每千克甲烷燃烧产生55900k J热量，相当于10kg煤燃烧所产生的热量。当然，燃气的经济价值不仅仅在于燃烧取能，还在于相应化工产品的价值。但就目前来看，主要功能还是燃烧取能，供工商业和民用。

（2）易爆性。燃气与空气以一定比例混合后，可形成一种能燃烧或能爆炸的混合气体，一遇火源就能发生燃烧，在有限的空间内也能发生爆炸。这种遇火源能发生燃烧或爆炸的浓度范围，称为“爆炸极限”。能发生燃烧或爆炸的燃气最低浓度称为“爆炸下限”；能发生燃烧或爆炸的燃气最高浓度称为“爆炸上限”。爆炸上限或下限，一般以燃气在空气中的体积百分比来表示。例如，甲烷的爆炸下限为5.0％，爆炸上限为15.0％；乙烷相应的极限为3.0％和12.5％。当容器或管道中的燃气泄漏在大气中，其浓度达到爆炸极限范围时，遇火源将发生燃烧和爆炸。当燃气浓度低于下限时，遇火源既不燃烧也不发生爆炸；当燃气浓度高于上限时，遇火源发生燃烧但不发生爆炸。

在容器或管道中，如果燃气与空气形成混合气体，当其浓度在爆炸极限范围内时，遇火源即发生燃烧或爆炸，这种爆炸危险性更大。当燃气与空气的混合是在燃烧过程中形成的，则为扩散现象的结果，形成平稳的扩散式燃烧，又叫稳定式燃烧，如燃气烧火炒菜等；如果燃气在燃烧前已经与空气均匀混合形成，达到爆炸极限范围，遇火则发生爆炸或燃烧，这种现象也叫“动力燃烧”。如果管道破损漏气，或燃气其他设施、阀门等损坏漏气，燃气扩散到空间，与空气形成爆炸极限混合气体，遇火源立即以爆炸形式向返回方向燃烧，直至漏气处为止，转为稳定式燃烧。

（3）腐蚀、毒害和窒息性。燃气中的某些成分，如H2S、CO、CO2等，不仅腐蚀设备，降低设备耐压强度，严重者可导致设备裂隙、潮气，遇火引起爆炸事故，而且对人体极为有害。当大量燃气或其生成物扩散到空气或空间里，达到一定浓度，会使含氧量减少，严重时可使人窒息死亡。

（4）可流动性。像其他流体一样，燃气在一定的方向压力作用下，可以沿容器或管道引导的方向流动。这种物理性质是燃气管道输送的前提。

（5）可压缩性。由于气态燃气分子间的距离空间非常广阔，遇到一定压力，分子间的距离变小，从而一定量的燃气的体积就缩小。例如，将天然气常温下压缩至20MPa（相当于200kg/cm2）时，天然气体积缩小200倍，储存于容器中，便于运输或储存。

（6）可液化性。可液化性是指在常压下，将气体燃料降温至-161.5℃以下，气态燃气即变成液态。例如，天然气降温液化后，其体积缩小为原来的1/625。液化天然气是经压缩、冷却至其沸点（-161.5℃）后变成液体，存储在0.1MPa左右的低温储罐内，运输用专用油罐车（俗称“槽车”）或专用船，使用时重新气化。

在上述6个主要特性中，可燃烧性（放出热量）与燃气的经济性有关，爆炸性和腐蚀毒害窒息性与安全性有关；可流动性、可压缩性和可液化性与燃气的使用方便性有关。

四、燃气经营管理中的常识性概念和数据

在燃气企业经营管理领域，我们经常碰到一些与燃气有关的专业概念和数据，理解和掌握这些概念和数据，对于我们学习、理解燃气企业管理颇有裨益。

（一）压强

压强表示单位面积上所受到的压力。压强单位通常用“Pa”表示，全称为帕斯卡。帕斯卡是法国著名数学家、物理学家、哲学家和散文家。1662年8月19日帕斯卡逝世，终年39岁，后人为纪念帕斯卡，用他的名字命名压强单位。

Pa或帕就是1牛顿（N）的力均匀地压在1m2面积上所产生的压强。1Pa是一个很小的压强，实际工作中用较大的单位来表示，如k Pa（1000帕），MPa（兆帕，即1000000帕）。日常用的“1个大气压”约等于1公斤力作用在1cm2面积上的压强，即相当于76mm汞柱产生的压强。

1个大气压≈100k Pa

在实际工作中，“1个大气压”“1个工程大气压”或“1公斤压力”，表示的都是一个概念。工作中谈到压力多少，实际是指压强多少，很多时候都说“多少公斤压力”。记住：

1公斤压力=100千帕=0.1兆帕

或1千帕=0.01公斤压力

（二）城镇燃气管道压力分类

我国国家标准规定，城镇燃气管道压力分4大类别，共7个压力等级。其中高压燃气管道和次高压燃气管道主要用于干线或次干线管道气输送，中压和低压燃气管道主要用于连接燃气用户。部分特殊用户，如燃气发电厂，通常用高压或次高压输送燃气，而普通居民用户，通常用低压输送燃气。我国城镇燃气管道压力级别，详见表01-01-01。

（三）燃气计量单位

与燃气的经济性有关的计量单位有3种，即体积（容积）、质量和热值（焦耳）。

（1）体积。通常用立方米（m3）来表示。指的是在标准状态下一定质量燃气的体积。当燃气压力为101.325k Pa（1个大气压）和温度0℃时，一般称为标准气体，用Nm3表示。标准状态体积不是我国燃气交易计量标准。平时燃气公司向用户收取气费的计量体积是20℃时，常压（1个大气压）下的燃气体积用量。

（2）质量。地球上任何物质都有质量。用质量为单位计量一定量的燃气，也是一种常用的方法，其计量单位通常用吨（t）、千克（kg）或公斤。

对于同一种燃气，它的质量和其标准状态下的体积是可以换算的，关系是：

1吨液化天然气≈1350 Nm3

1吨液化石油气≈420 Nm3

（3）热值。热值又称热卡或发热量，计量单位为卡（或千卡）。由于热的本质是功，所以，热值与功的表示单位，如焦耳（或千焦）、千瓦·时、英热单位等可以互相换算。在燃气行业，燃气热值的实用单位为“英热单位”，或“百万英热单位”。

英热单位，英文是British thermal unit，简记为Btu，是英、美等国采用的一种计量热量的单位。它等于1磅纯水升高1°F（华氏）所需要的热量。其标准定义为：在1个大气压的特定压力条件下，1磅纯水的温度由59.5°F上升到60.5°F所需的热量。由于1英热单位太小，实际工作中通常用“百万英热单位”来计量燃气质量。

1百万英热单位=1000000英热单位=1055000千焦（k J）=1055兆焦（MJ）

燃气的热值与相应的燃气存在对应的当量换算关系。所谓当量，是指与特定或俗成的数值相当的量。例如，1公斤标准煤的热值相当于0.637公斤汽油的热值，简单地说，1公斤标准煤相当于0.637公斤汽油。

表01-01-02表示几种常用能源与1标准立方米天然气的当量换算值。例如，1标准立方米天然气的热值是34.6MJ，相当于1.18公斤标准煤（热值是1.18×29.3=34.6MJ）。又如，1标准立方米的天然气相当于9.61度电。

在国际贸易中，液化天然气（LNG）和液化石油气（LPG）价格通常以每百万英热单位多少美元作为结算价格，而不是以每立方米或每千克（公斤）多少美元为结算价格。例如，2015年2月中旬，亚洲LNG现货市场价格已经跌破7美元/百万英热单位。“百万英热单位”的英文缩写是mm Btu。

（四）常见燃气压力容器压力

压力容器，英文是pressure vessels，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。

（1）煤气罐。煤气罐是钢制的移动压力容器。内部压力（压强）为0.5～1.2MPa，合5～12kg/cm2。

（2）槽车。槽车储罐内设计压力为0.8MPa，运行压力为0.3MPa。

压力容器的设计压力等级，划分为低压（L）、中压（M）、高压（H）和超高压（U）四个。

低压L：0.1MPa≤P＜1.6MPa；

中压M：1.6 MPa≤P＜10.0MPa；

高压H：10.0MPa≤P＜100.0MPa；

超高压U：P≥100.0MPa。