常温集气站工艺设计.docx
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常温集气站工艺设计
西南石油大学
《油气集输》课程设计
常温集气站工艺设计
设计说明书
一．设计依据在学习了课程《油气集输》后，为了对课程有更深入全面的认识，综合利用所学知识进行工艺设计，深入理解天然气矿场集输，掌握常温集气站的工艺计算和工艺流程的设计思路和方法。
根据给定的五口井的天然气的流动参数，设计天然气常温集气工艺流程，并
进行相关工艺计算，选择合理工艺设备及管道管件的计算和选择，
井号
产量（104Nm3）
进站压力（MPa）
进站温度OC
1
25
15.5
31
2
30
15.0
29
3
20
14.5
20
4
17
14.9
30
5
11
10.5
25
出站压力：
6MPa
气体组成（）：
C1—90.30C2—8.02C3—0.88C4—0.43C5—0.3CO2—
0.07凝析油含量：
20g/Nm3
二．主要设计参数
干燥空气分子质量M空=28.97天然气分子质量M天=17..73，相对密度Δ=0.612
天然气临界值：
临界压力pc=4.633MPa临界温度Tc=200.7K压缩系数0.78凝析油含量：
20gNm322.6m3/Mm3凝析油密度885gm3
三．设计内容
（1）确定集气站的工艺流程；
（2）完成绘制常温集气站工艺流程图；
（3）确定主要工艺参数（压力。
温度）；
（4）计算分离器的尺寸，并确定主要管线的规格（材质，壁厚，直径）
四．设计原则
五口井来气都不含有H2S，凝析油含量也不高，进站压力较高，出站压力6MPa，因此采用常温集气的设计原则，在常温下加热防冻，调压分离计量。
回击后外输至用户。
五.遵循的主要标准规范
国家标准（）和石油行业标准（）
石油天然气工程制图标准0003-2003
《油气田常用阀门选用手册》
31.8标准计算管子厚度
8163-87管子系列标准
六.常温集气站工艺流程
该常温集气站工艺流程可以简单的概括为：
天然气进站，节流降压加热提高天然气温度防止水合物形成，分离，计量后汇集外输。
五口单井来气中都不含H2S，集气站出站压力6MPa，进站压力都高于10MPa，凝析油含量不高，可采用以下两种流程：
1，由于1—4井来气进站压力相差不大，5井来气压力教低。
可采用1—4井轮换集气计量，5井单独集气计量，之后5口井汇集后外输。
2，每口井单独集气计量，之后汇集外输除此之外还有其他集气计量流程。
在该设计中采用第一种流程。
为了使天然气满足外输，通过计算，每口井需要两次节流调压，才能满足压力要求和防止形成水合物。
第一次节流膨胀降压，在不生成水合物的条件下尽可能的膨胀降压，以减轻加热炉的的热负荷并使气流流动平稳，减少压力波动。
第一次节流后要校核是否在节流阀和管线中生成水合物。
第一次节流后气流压力降低，根据T—J效应天然气的温度也随之降低，不能直接进行第二次节流膨胀，否则生成水合物堵塞节流阀和管线。
因此在进行第二次节流降压之前必须经过加热炉加热。
七.主要设备，仪表的选择和参数
1，分离器
操作压力：
6MPa，操作温度：
200C,长径比：
4：
1，气体进入分离器速度：
15m
5号井：
2501m的分离器计量分离器：
2501m的分离器
生产分离器：
2501m的分离器
2，阀门
（1）闸阀：
用于截断和导通介质流，通常是全直径通道类型代号：
Z11H（Y）—25（V）型闸阀公称直径：
40
（2）节流阀：
角式节流阀
类型代号：
J44W—16P型角式节流阀公称直径：
40，25mm和20结构形式：
角式连接方式：
法兰连接公称压力：
16MPa
阀体材料：
1189由阀体直接加工的阀座封面材料
（3）安全阀：
选用外螺纹弹簧封闭微启式安全阀
（1）高压放空阀设计压力：
16MPa
类型代号：
A41Y—160,公称直径：
15,开启压力：
13～16MPa
（2）中压放空阀设计压力：
13MPa
类型代号：
A41Y—160,公称直径：
15,开启压力：
10～13MPa
（3）低压放空阀设计压力：
10MPa
类型代号：
A41H—64,公称直径：
25,开启压力：
<10MPa
3，流量计
天然气流量计量:
标准孔板节流装置差压式流量计。
4，温度计：
选用热电阻温度计
代号：
分度号：
1测量范围：
-200～6500C
5，压力表:
弹簧式压力计
6，管线
材料5X60等级无缝钢管
尺寸：
站场内管线分别有：
Φ504,Φ573,Φ703,Φ833.5
Φ893.5mm
汇管:
1273.5
八：
参考文献
3-91《石油工程制图标准》
0076-93《天然气脱水设计规范》林存瑛主编，天然气矿场集输，石油工业出版社；曾自强、张育芳主编，天然气集输工程，石油工业出版社，2001；油田油气集输设计技术手册，石油工业出版社；中国石油天然气集团公司规划设计总圆编，油气田常用阀门选用手册，石油工业出版社，2000
蔡尔辅编，石油化工管线设计，化学工业出版社，1986
《阀门产品样本》第一机械工业部编辑，机械工业出版社
《安装工程概算使用数据手册》中国石化出版社《化工仪表及自动化》化学工业出版社
《工艺管道安装设计手册》石油化学工业出版社
设计计算书
一，天然气的相对密度：
天然气的相对密度是在相同压力和温度条件下天然气的密度与空气
Mt
Mk
密度的比
Δ＝
式中Mt——天然气的分子质量；
Mk——空气的分子质量。
Mk＝28.97
Mt=yiMi=0.903016+0.080230+0.008844+0.004358+
0.00372+0.000744=17.73
Δ=0.612
天然气压缩系数Z：
Z代表实际天然气与理想气体偏离的程度。
根据研究气体的压缩系数与对比压力，对比温度有一定的函数关系：
Z=Φ（Pr，Tr）
天然气相对密度Δ=0.612在0.5～0.9范围内，由经验公式确
定天然气的临界参数：
临界压力：
c'4.885-0.363△
4.633
临界温度：
c'93+176△
200.7K
井号
实际压力
实际温度
对比压力
对比温度
1
15.5
304K
3.346
1.515
2
15.0
302K
3.238
1.505
3
14.5
300K
3.130
1.495
4
14.9
303K
3.216
1.510
5
10.5
298K
2.226
1.485
查图可得：
0.78
，卧式两相分离器的尺寸设计
在卧式分离器中，必须保持让一个小直径的液滴从垂直运动的气流中分离出来。
液体停留时间的要求，规定了直径和分离器有效长度的组合。
设计使经过分离器之后最不易分离的那口井或合流的几口井的设备符合要求则其他井亦符合要求。
气体负荷：
4TZQg
Leff1.414104[g]K
effP
液体负荷：
2Leff1765rL
式中dT
—分离器的内径，；
—分离器的操作温度，K；
P
—分离器的操作压力，a（绝）
Z
—气体压缩系数；
Q
g—气体流量，3；
K'—常数，它取决于气体和液体的性质和从气体中分离出来的颗粒大小；
Leff—分离器内产生分离作用的有效长度，；
tr—期望的液体停留时间，；
QL—液体流量，3。
五口井操作压力和操作温度都相等，其中：
6a，288K
液体流量L20g3500g5.64m3
凝析油密度
ρ油8853相对密度0.885
计算K'：
P△60.612
0.01275
T288
查图：
L0.876'0.265
L0.934'0.255
插值法求得'0.263
5号井：
气体流量g111×1043
气体负荷约束：
Leff1.414104[TZQg]KeffP
=1.414
42880.7811104
104××0.263
6
d
Leff=152.7
对于气体负荷约束直径与长度的关系
Leff,m
Lss,m
103ss
ss
300
0.51
0.81
2.7
250
0.61
0.86
3.4
200
0.76
0.96
4.8
液体负荷约束：
Leff1765rL
估算分离器筒体长度：
LdssLeff+sseff1000
式中ss分离器筒体长度，m，其余符号同前。
对于不同的停留时间tr，计算d和Leff的组合：
tr，
d,
Leff,m
Lss,m
103ss
ss
3
300
0.416
0.195
0.644
250
0.210
0.280
1.11
200
0.328
0.438
2.18
2
200
0.219
0.292
1.45
150
0.389
0.519
3.54
对于计量分离器和生产分离器可以用同样的方法计算：
计量分离器以2号井为设计依据，生产分离器以1，2，3口井合流数据为依据。
液体负荷不起支配作用。
分离器
气体流量（3）
d，
103ss
ss
计量分离器
30×104
400
3.6
生产分离器
75×104
650
3.5
由以上数据可以选择所用分离器的尺寸：
5号井：
250mm1m的分离器
计量分离器：
2501m的分离器
生产分离器：
2501m的分离器
，节流阀
天然气经过节流阀，发生△P的压降的同时也相应的发生△T的温降，天然气温度降低会导致生成水合物，堵塞阀门管线等，影响正常平稳供气因此，必须适当控制节流阀的开启度，即达到调压的目的，又可以防止水合物的生成。
设计使经过节流之后最易形成水合物的那口井或合流的几口井的设备符合要求则其他井亦符合要求。
井中来气要经过两次节流降压，才能达到出站6a的要求。
第一次节流降压：
1号井：
初始15.5a降至10.5a△5000a
由于压降带来的温度降△16.2℃又由于天然气中的液态烃的含量为22.6m3（液烃）3（气）（标准），液态烃含量越高则温度降越小，也就是说计算出来的最终温度就越高；每增加5.6m3（液烃）3（气）（标准），就有2.8℃的温度降。
则最终的温度降比查图所得的温度降要少5.6℃。
则最终的温度降△'16.2-5.6=10.6℃
节流后的最终温度终31-10.6=20.4℃
校核在该温度下是否会生成水合物：
在终点压力10.5a下生成的水合物的临界温度为18.9℃。
t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物。
由于压降带来的温度降△15.5℃实际的温度降△'15.5-5.6=9.6℃节流后的最终温度终26-9.6=19.4℃
t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物
3号井：
初始14.5a降至10.5a△4000
由于压降带来的温度降△12℃实际的温度降△'12-5.6=6.4℃节流后的最终温度终27-6.4=20.6℃
t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物
4号井：
初始14.9a降至10.5a△4900
由于压降带来的温度降△16℃实际的温度降△'16-5.6=10.4℃
节流后的最终温度终30-10.4=19.6℃
t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物
5号井：
初始10.5a降至8a△2500
由于压降带来的温度降△10℃实际的温度降△'10-5.6=4.4℃节流后的最终温度终25-4.4=21.6℃终点压力下生成的水合物的临界温度为16.78℃t终〉16.78℃，则节流后不会生成水合物。
为了达到出站压力为6a的要求，天然气应进行第二次节流降压，但是如果直接节流会导致水合物的生成，因此节流前应经过加热炉加热。
经过加热炉后二次节流降压：
进入分离器的压力为6a，该压力下不生成水合物的临界温度是14.46℃。
因此，取气体进入分离器的温度为15+5℃，即200C
1号井：
10.5a降至6a△4500a
由于压降带来的温度降△18℃实际的温度降△'18-5.6=12.4℃节流前的初始温度初始12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。
2号井：
10.5a降至6a△4500a由于压降带来的温度降△18℃实际的温度降△'18-5.6=12.4℃节流前的初始温度初始12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。
3号井：
10.5a降至6a△4500a
由于压降带来的温度降△18℃实际的温度降△'18-5.6=12.4℃节流前的初始温度初始12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。
由于压降带来的温度降△14.8℃
实际的温度降△'14.8-5.6=9.2℃
节流前的初始温度初始9.2+20=29.2℃，也既是加热炉的加热终温。
由于压降带来的温度降△8℃实际的温度降△'8-5.6=2.4℃
节流前的初始温度初始2.4+20=22.4℃，也既是加热炉的加热终温。
径：
1#：
（15.5，
31）一次节流（
10.5，20.4）
加热炉加热（
10.5，
32.4）二次节流（
6，
20）
2#：
（15.0，
29）
一次节流（
10.5，
19.6）
加热炉加热（
10.5，
32.4）
二次节流（
6，
20）
3#：
（14.5，
31）
一次节流（
10.5，
20.6）
加热炉加热（
10.5，
32.4）
二次节流（
6，
20）
4#：
（14.9，
31）
一次节流（
10.0，
19.6）
加热炉加热（
10.0，
29.2）
二次节流（
6，
20）
5#：
（10.5，
25）
一次节流（
8.0，
15.6）
加热炉加热（
8.0，
22.4）
二次节流（
6，
20）
根据节流前后的压降，选择节流阀：
根据阀前和阀后的压力比值范围，分为两种情况：
压力a
Q0—流过节流阀的气体流量，3；
p1、p2—分别为阀前、阀后的压力，a（绝）；
S—气体的相对密度；
T—阀前的气体温度，K；
Z—气体的压缩系数。
为了满足调节的要求，节流阀的开启度宜处于半开状态，所以应将
d计除以（1-Φ）并令Φ=0.5（Φ为阀门的开启度）这样，节流阀的通过直径
5#：
一次节流：
1210.5/15.0=0.7〉0.53，属于非临界流动
d计
1Φ
0.476
0.238
SZT
=8.99
2计17.98
二次节流：
126/8=0.75〉0.53，属于非临界流动
=9.60mm
计19.20mm
计量分离器与各井之间的节流阀以2号井数据为依据生产分离器与各井之间的节流阀以1，2，3，号井合流数据为依据。
计量分离器：
一次节流d=23.6,二次节流d=25.68生产分离器：
一次节流d=37.28,二次节流d=42.60根据《油气田常用阀门选用手册》选择合适的节流阀：
选用J4416P型角式节流阀：
公称直径：
20,25,40接连方式：
法兰连接结构形式：
角式公称压力：
16a阀体材料：
1189由阀体直接加工的阀座封面材料四，管道确定管线尺寸和壁厚，必须考虑压力降和流动速度两个因素。
管线
需要有足够大的直径以便有效的压力能驱动流体通过管线。
在该问题
中压力降不是起支配作用的，因为压力降大部分发生在通过控制阀门的地方。
管线直径必须依据最大速度和最小速度来估算其尺寸。
气体必须保持某个低于最大速度的速度以防止诸如侵蚀、噪音和水击等问题。
同时，流体也必须有高于某个最小速度的速度，以减小波动，能携走砂子和其他固体。
气体管线中，推荐最小速度为3～4.5m之间，以便尽量减少液体在低的地点沉降。
同时，气体速度通常保持在18～24m以下，以便尽量减少噪音的影响和对侵蚀的抑制。
在本课题中，2含量为7%，管线内气体速度应该限制在15m以下。
气体中由于少量液体存在而导致侵蚀的速度，可以如下来计算：
式中ve—侵蚀速度，；
C—侵蚀流动的常数，对于连续工作，100；
T—气体温度，K；
P—气体压力，a
S—气体的相对密度。
表示为矿场实用单位的气体实际速度，可由下式来确定：
5.1
3TZ
×103TZ2Qg
Pd2g
式中
Qg—气体流量，3；
T
—气体温度，K；
P
—气体压力，a（
Z
—气体的压缩系数；
d
—管子内径，；
v
—气体速度，。
绝）
在选定了适宜的管径之后，就要选择具有足够的厚度的管子以承受
内压力，在该气体管线的设计中，采用B31.8标准计算管子厚度
pd0
2（FETS）
式中t—需要的壁厚，，按管子系列来规定；p—管内压力，a
（2）；
—管子外径
S—管子的最低屈服极限，a
（2）；
T—温度降级因子；
E—纵向焊缝系数；对于无缝管，电阻焊和闪光焊管子，1.0；
对于炉热塔接焊和电弧熔焊管子，0.80；对于炉热对焊管子，0.60；
F—结构类型设计因子，结构类型：
A，0.72。
1）气体进站管线
0.5
SP
100；0.612
由侵蚀速度的计算公式分别计算五口井气体流动的侵蚀速度：
井号
进站压力
流动温度℃
侵蚀速度，
1
15.5
304
11.89
2
15.0
302
12.04
3
14.5
300
12.21
4
14.9
303
12.10
5
10.5
298
14.30
所以，气体进站实际流动速度取为11m，并用矿场实用计算公式计算气体管线的内径d：
25.1×103TZQgPvg
井号
气体流量3
管内径d，
1
25×104
42.1
2
30×104
46.74
3
20×104
38.68
4
17×104
35.36
5
11×104
33.6
2，3口井合流通往生产分离器的气体流量753
1，
计算管内径为75.4计量分离器之前的管径以2号井数据为依据。
根据8163-87选用Φ50×4和Φ83×3.5的管子选用5X60等级无缝钢管，最低屈服极限415。
对于选定的管子再在B31.8计算壁厚：
pd0
2（FETS）
1650
20.7211415
pd0
2（FETS）
1683
20.7211415
=2.22mm
因此，对于选定的管子是合理的。
校核该管子是否能用于节流后和分离器之前：
管道
一次节流后v
加热后v
二次节流后v
5号井
Φ50×4
8.85
9.02
11.7
计量分离器
Φ50×4
18.5
19.3
32.5
生产分离器
Φ83×3.5
14.5
14.7
24.8
气流速度过大影响节流和分离的效果。
为了降低气体流速，可选用较大的管径以满足要求。
5#：
选用Φ50×4管子一次节流后速度8.95m加热后，速度9.01m二次节流后，速度11.9m可以不必更换管子就能达到工艺要求。
计量分离器：
一次节流后选用Φ57×3速度12.8m，满足工艺要求。
加热后选用Φ57×3速度13.13m，满足工艺要求。
二次节流后选用Φ70×3速度13.99m，满足工艺要求。
生产分离器：
一次节流后选用Φ83×3.5mm速度14.4m，满足工艺要求。
加热后选用Φ83×3.5mm速度14.78m，满足工艺要求。
二次节流后选用Φ89×3.5mm速度13.51m，满足工艺要求。
2）汇管汇管收集五口井来气经过分离器后的天然气，再外输至不同的用户。
气体流量：
Q
gg1Qg2g3g4
g5103×1043
侵蚀速度e0.021
0.5
T18.6m
SP
由于2的存在，控制气体流速为15m，并由此计算管径：
由公式：
25.1×103TZQg
Pvg
得：
114.9mm
根据8163-87选用Φ127×3.5的管子。
选用5X60等级无缝钢管，最低屈服极限415。
计算壁厚：
由公式：
pd06127=1.27mm
2（FETS）20.72415
因此，选用的管子Φ127×3.5满足工艺要求。
综上：
该常温集气站所选用的管子材料：
5X60等级无缝钢管尺寸：
站场内管线分别有：
Φ50×4，Φ57×3mm，Φ70×3Φ83×3.5mm，Φ89×33.5，汇管：
Φ127×3.5
参考文献：
3-91《石油工程制图标准》
0076-93《天然气脱水设计规范》林存瑛主编，天然气矿场集输，石油工业出版社；曾自强、张育芳主编，天然气集输工程，石油工业出版社，2001；油田油气集输设计技术手册，石油工业出版社；中国石油天然气集团公司规划设计总圆编，油气田常用阀门选用手册，石油工业出版社，2000
蔡尔辅编，石油化工管线设计，化学工业出版社，1986《阀门产品样本》第一机械工业部编辑，机械工业出版社《安装工程概算使用数据手册》中国石化出版社《化工仪表及自动化》化学工业出版社《工艺管道安装设计手册》石油化学工业出版社
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