题目三-某轮换计量集输站场施工图设计.doc
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题目三某轮换计量集输站场施工图设计
1.设计资料和原始数据
1）每口井的井口压力及气量数据：
井号
气量（×104m3/d）
井口压力（MPa）
1井
2
6
2井
3
7
3井
5
10
2）天然气气质参数：
（%V）
CH4
93.81
C2H6
4.48
C3H8
0.74
C4H10
0.358
C6+
0.107
N2
0.47
He
0.035
3）该集输站场要求出站压力为3MPa。
2.工程设计要求
1）要求该站具有调压、集气、分离、轮换计量、加热防水合物生成以及清管的功能，确定站场工艺流程。
2）进行站场工艺计算（站场设备计算并进行设备选型）。
3）绘制工艺流程图。
4）进行站场工艺装置区的设备布置，绘制工艺安装图。
3.提交设计成果
1）工艺流程图和工艺安装图；
2）设计说明书、计算书。
4.设计步骤
4.1技术路线及方案比较
对于硫化氢含量低（约在0.5％以下）和凝析油含量不多的天然气，只需在矿场集气站内进行节流调压和分离计量等操作，就可以输住用户。
在这种情况下，可以采用常温分离的集气站流程。
1）常温分离单井集气站流程
在这种流程中，所有用来调节气井工作、分离气体中杂质、测量气量和凝析液、防止水化物形成等的设备和仪表都直接布置和安装在距井口装置不远的地方。
在这种情况下，每口井一般都有工人进行管理。
2）常温分离多井集气站流程
常温分离多井集气站流程也可分为两种型式．
A型流程，它的特点是三相分离；B型流程，它的特点是气液分离。
这两种常温分离多井集气站流程，其井数可以根据集输系统流程图设计，所辖井数不受限制。
3）常温分离多井轮换计量流程
该流程适用于单井产量较低而井数较多的气田。
全站按井数多少设置一个或数个计量分离器供各井轮换计量；再按集气量多少设置一个或数个生产分离器，分离器供多井共用。
需要选型计算的设备有：
分离器、水套加热炉、安全阀、调压阀、节流阀和站内管线。
4.2各设备选型的比较和计算公式
4.2.1分离器的选型比较
卧式分离器与立式分离器的比较和选择：
对于正常的油气分离，特别是出现乳化、泡沫或高气油比的场合，卧式分离器可能是最经济的。
在低气油比的场合，立式分离器工作得最有效；在非常高的气油比场合（比如在从气体中仅仅需要脱除液体雾沫所使用的气体洗涤器），也可以使用立式分离器。
综合考虑，本设计采用卧式气液两相分离器。
出站压力P=3MPa，相对密度0.595查图2-12
取水合物形成温度8℃
1.计算视临界压力Pc'、Tc'
虚拟临界温度和虚拟临界压力计算
（2-7-1）
（2-7-2）
式中Tc——气体混合物的虚拟临界温度，K；
Pc——气体混合物的虚拟临界压力，kPa（绝）；
Tci——组分i的临界温度，K；
Pci——组分i的临界压力，kPa（绝）；
xi——组分i的分子分率。
Pc'=4.60MPa
Tc'=197.8K
2.计算视对比压力Pr'、Tr'
对比温度和对比压力计算
（2-7-3）
（2-7-4）
式中Tr——气体混合物的对比温度，K；
Pr——气体混合物的对比压力，kPa（绝）；
T——气体混合物的操作温度，K；
P——气体混合物的操作压力，kPa（绝）；
Tc——气体混合物的虚拟临界温度，K；
Pc——气体混合物的虚拟临界压力，kPa（绝）。
Pr'=P/Pc'=0.65
Tr'=T/Tc'=1.42
查图P371-18
取压缩因子Z=0.92
3.操作条件下混合气体的密度
（2-7-7）
式中ρGO——气体混合物在标准状况下的密度，kg/m3；
ρGP——气体混合物在操作条件下的密度，kg/m3；
MG——气体混合物的虚拟分子量；
VG——气体混合物的分子体积，VG=22.4；
T0——标准状况温度，T0=273K；
P0——标准状况压力，P0=101.325kPa；
T——操作条件温度，K；
P——操作条件压力，kPa（绝）；
z——气体混合物的压缩因子。
ρG=24kg/m³
4.气体混合物相对密度Δ=0.595，已知。
5.根据低压气体粘度P18公式（1-32）图1-3
μG——气体在操作条件下的动力粘度0.065*10-3Pa·s
6.气体混合物导热系数计算
烷烃气体混合物在较高压力条件下的导热系热，可通过常压条件下的导热系数和压力校正计算求得。
图2-8-43为常压下不同分子量烷烃气体混合物的导热系数曲线图。
操作条件下的导热系数需进行压力校正，可按下列公式计算求得。
（2-7-17）
式中K——操作条件下的导热系数，W/（m·K）；
——导热系数比，可由图2-8-44查得；书P31查得1.1
KA——常压条件的导热系数，W/（m·K），可由图2-8-43查得。
0.02
K=1.1*0.02=0.022，W/（m·K）
7.气体混合物导热系数计算
烷烃气体混合物在较高压力条件下的导热系热，可通过常压条件下的导热系数和压力校正计算求得。
图2-8-43为常压下不同分子量烷烃气体混合物的导热系数曲线图。
操作条件下的导热系数需进行压力校正，可按下列公式计算求得。
（2-7-17）
式中K——操作条件下的导热系数，W/（m·K）；
——导热系数比，可由图2-8-44查得；书P31查得1.1
KA——常压条件的导热系数，W/（m·K），可由图2-8-43查得。
0.02
K=1.1*0.02=0.022，W/（m·K
8.气体混合物的比热计算
天然气为多组分气体，需按气体混合物计算比热，可用下列公式进行计算。
（2-7-18）
式中——气体混合物的定压比热，kJ（kgmol·℃）；
xwi——组分i物质量分率；
Cpi——组分i的定压比热，kJ（kgol·℃）。
气体的定压比热与压力有关。
当压力大于4.59×102kPa时，应进行压力校正。
根据气体混合物组成，可由图2-8-45查得，并按公式（2-7-18）计算理想气体混合物的定压比热。
Cp=2.1kJ（kg·℃）
工艺才场站计算：
1.计算液体沉降速度w0
1）液滴在分离器中的沉降速度计算：
（2-7-100）
=0.067m/s
式中W0——液滴在分离器中的沉降速度，m/s；
dL——液滴直径m，取得60×10-6～100×10-6m；
ρL——液体密度，kg/m3；1000kg/m³
ρG——气体在操作条件下的密度，kg/m3；24kg/m³
g——重力加速度，m/s；9.8m/s
f——阻力系数。
用下式（2-7-101）计算f.（Re2）,再查图2-7-5得出f值（需要补GB50350-2005附录B的图B）。
（2-7-101）
f（Re2）=4*9.8*（1/10000）^3*（1000-24）*24/3/（0.065/1000）^2
=72.4
f=12
μG——气体在操作条件下的动力粘度，Pa·s。
0.065*10-3Pa·s
（2）分离器内丝网捕雾器计算：
（2-7-102）
=0.68m/s
式中——气体通过丝网最大允许速度，m/s；
KSB——桑得-布朗（Souders-Brown）系数，KSB取0.107m/s。
3.节流前后温度
一号井节流初始压力6MPa节流后压力3MPa反查图2-13P52《天然气集输工程》
得在不形成水合物的条件下允许达到的膨胀程度始点温度应为22℃
温度富裕量取5℃则节流降压前的操作温度应为27℃
二号井节流初始压力7MPa节流后压力3MPa反查图2-13P52《天然气集输工程》
得在不形成水合物的条件下允许达到的膨胀程度始点温度应为26℃
温度富裕量取5℃则节流降压前的操作温度应为31℃
三号井节流初始压力10MPa节流后压力3MPa反查图2-13P52《天然气集输工程》
得在不形成水合物的条件下允许达到的膨胀程度始点温度应为33℃
温度富裕量取5℃，则节流降压前的操作温度应为38℃。
a）分离器的直径
《气田地面工程设计》77页
式中：
qv—气体流量，m3/h（P0=0.101325MPaT0=293K条件下）；
K2—气体空间占有的面积分率K2取0.63
K3—气体空间占有的高度分率，K3取0.6
K4—分离器长径比，K4=L/D；
P≤1.8MPa时：
K4=3.0;
1.8＜P≤3.5MPa时：
K4=4.0;
P＞3.5MPa时：
K4=5.0
Z—气体压缩系数（压缩因子）；0.92
T—操作温度，K；281K
P—操作压力（绝压），MPa；3MPa
D—分离器内径，m；
W0—液滴沉降速度，（m/s）0.067m/s
b）分离器进出口直径计算
式中—标况下气体的流量，m3/s
d—进口、出口管直径，m；
u—进口、出口管内气体流速，经济流速取15m/s
c）分离器进出口管壁厚
式中：
δ—钢管壁厚，mm；
p—设计压力，MPa；
D—钢管外径，mm；
σS—钢管最低屈服强度，MPa，取245MPa
F—设计系数（站场内部管线，穿越河流，铁路及公路管段，F=0.5；野外地区敷设的管线，F=0.6），取0.5
φ—焊缝系数（对于符合现行的国家标准《输送流体无缝钢管》规定的钢管，φ值取1.0）；
C—腐蚀裕量附加值，mm（当钢管不刷内涂层或不注缓蚀剂时，中等腐蚀，C值取1；强腐蚀，C值取2），取2
节流前温度，K
节流温度降
节流后温度，K
标况下气量m³/h
分离器直径
分离器进出口直径d（m）
一号井
300
18.7
281.3
833.3
0.1771
0.0242
二号井
304
22
282
1250
0.2169
0.0296
三号井
311
28
283
2083.3
0.2800
0.0383
4.2.2水套加热炉的计算
水套加热炉是一种间接明火式加热器，在天然气和石油矿场上用得非常普遍。
它是一个内部盛满加热流体（通常是水）的卧式圆筒形大容器。
管和火管就沉浸在加热流体中。
在水套加热炉内，燃料燃烧所产生的热量通过火管传给（加热）流体，然后再传给盘管内所需加热的冷流体。
盛满水的大容器通常在大气压力下工作。
而盘管则必须承受比较高的流体压力。
水套加热炉所需热负荷
Q=1.1qvρgCp（t1-t0）
式中：
Q—水套炉所需热负荷，KJ/h;
qv—天然气标况下流量，m3/h;
ρg—天然气标况下密度，kg/m3;
Cp—天然气在Pcp和tcp条件下的定压比热，KJ/（kg,0C）;P26
取2.1
t1—天然气加热后温度，0C;
t0—天然气加热前温度，0C
钢管壁厚δ（mm）
t1,℃
t2，℃
Q，KJ/h
一号井
2.2969034031
27
25
66248.49
二号井
2.3636309203
31
25
299376
三号井
2.4694454995
38
25
1081080
4.2.3安全阀的计算
安全阀计算公式
《气田地面工程设计》46页
式中：
A—安全阀通道截面积，cm2；
G—安全阀最大泄放量，kg/h；
R—安全阀在最大泄放量时的进口压力，MPa（绝）；
K—流量系数，取0.9；
C—f（k）与气体的绝热指数k有关；
M—气体千克分子量，取17.2338；
T1—安全阀进口处绝对温度，K；
Z—气体压缩系数
4.2.4调压阀的计算
调压阀计算公式
《气田地面工程设计》47页
式中：
qv—标准状态下气体流量，m3/d
d—流通直径,mm
P1—阀前压力（绝）,3.101325MPa;
P2—阀后压力（绝）,1.561325MPa;
Δ—气体相对密度;取0.595
Z—阀前气体压缩系数;
T—阀前气体绝对温度,K，取288K。
4.2.5节流阀的计算
节流阀计算公式
（1）当时，属于非临界流动，用下面公式来计算节流阀的通过直径：
《天然气集输工程》265页
（2）当时，属于临界流动，用下面公式来计算节流阀的通过直径：
《天然气集输工程》265页
式中：
d—节流阀的计算直径，mm；
qV—流过节流阀的气体流量，m3/d；
p1—阀前的压力，MPa（绝）；
p2—阀后的压力，MPa（绝）；
Δ—气体的相对密度；
T—阀前的气体温度，K；
Z—气体压缩系数。
钢管壁厚δ（mm）
节流阀直径，mm
调压阀直径，mm
安全阀面积，cm2
一号井
2.2969034031
11.234834308
9.6849908008
100.60344342
二号井
2.3636309203
13.669579823
11.746775043
129.3472844
三号井
2.4694454995
17.527025959
14.980236046
150.90516513
4.2.6站内管线的选型
a）站内管线管径计算公式
式中：
d1—管子内径，m；
u1—管内气体流速，取12m/s；
q—操作条件下的气体流量，m3/d，
qv—标准状况下（P0=0.101325MPa，T0=293K）的气体
P—操作条件下气体的绝对压力，MPa；
P0—标准状况下气体的绝对压力，MPa
T—操作条件下气体的绝对温度，K；
T0—标准状况下气体的绝对温度，K；
Z—气体压缩系数。
b）站内管线壁厚计算公式选择Q345钢材
《气田地面工程设计》75页
式中：
δ—钢管壁厚，mm
P—设计压力MPa
D—钢管外径，mm
σS—钢管最低屈服强度，MPa，325MPa
F—设计系数，站场内部管线取F=0.5
φ—焊缝系数，无缝钢管φ=1.0
C—腐蚀裕量附加值，中等腐蚀，C=1m
c）站内管线实际流速
式中：
d—管线内径，m
管径，m
管线壁厚，mm
站内管线实际流速，m/s
一号井
0.0271
1.2502
0.5
二号井
0.0332
1.3064
0.5
三号井
0.0428
1.3956
0.5
4.3设计设备平面布置图、工艺管道平面安装图和工艺管道竖面安装图
4.3.1设备平面布置图
1）工艺流程制定后应对工艺设备进行计算。
非标准设备：
水套加热炉，分离器，清管器收、发筒，污水罐，储罐，过滤器，换热器等，经计算后提交设备专业设计。
2）汇气管的直径，一般应等于或大于最大径向开口的2倍。
汇气管的排污口≧DN50。
输送含硫干气的汇气管应设注水口。
3）设备的布置应符合GB50183-93《原油和天然工程设计防火规范》的规定。
设备的布置应尽量整齐美观，有多台相同设备（如分离器）应布置成一排，并留有足够的检修管道。
集气装置及配气站的卧式分离器-头端部应开手孔，便于清渣。
集气装置的汇气管及配气站进分离器前的汇气管应在一端开手孔，便于清渣。
多管干式除尘器应设注水口，一般采用DN25的开口。
排污口应≧DN80。
4.3.2工艺管道平面安装图和工艺管道竖面安装图
A.管道安装设计
1）站内各种规格的管子，根据不同压力的气质条件计算并选取各种规格的管子的壁厚。
2）应对全部工艺、热力、供排水、仪表等管线及电缆线，进行全面规划同意布置。
3）管线安装一般应横平竖直，并应尽量减少转弯，以减少阻力降。
4）主要工艺、仪表及热力管线应尽量采取架空布置，必要时，部分管线可管沟或埋地敷设。
5）架空管线分高架敷设（管底标高≧2.2米）和低架敷设（管底标高＜2.2米＝。
一般的集输站场多采用低架敷设，低温分离集气站等较复杂的站场多采用高架敷设。
6）成排布置的管线之间净空不小于100毫米。
7）成排布置的分离器及计量管段之间净空，应便于检修人员通行，不得小于600毫米。
8）站内工艺管线一般不考虑坡度，排污管线如仪表引压管线要有坡度。
排污管线坡度宜为0.3%~0.5%。
9）平面和竖面管道安装，不允许出现锐角。
10）过滤器、流量计、调压阀应设置旁通。
11）为了吹扫、试压的排气、排液，在管线的高处设放空口，在管线的低处设排液口。
12）计量管管径按照SY/T6143-2003《天然气流量的标准孔板计量方法》选用。
B．阀门安装设计
集输站场常用的阀门有平板闸阀，截止阀，节流阀，止回阀，球阀，旋塞阀，清管阀，安全阀，井口安全紧急截断阀，调节阀，阀式孔板节流装置等。
1）平板闸阀：
用于在全开全关的管段，具有调节流量，压力的地方不能采用。
2）截止阀：
有节流截止放空阀，排污阀。
可用于全开全关及流量，压力调节不严格的地方及用于放空，排污。
3）节流阀：
有针型结构和笼套式结构，用于调节流量和节流调压。
有角式和直通式。
4）止回阀：
用于防止管路介质倒流。
有梭式、升降式和旋转式等。
5）球阀：
与平板闸阀的功能一样。
多用于线路截断阀、站场截断阀。
6）安全阀：
用于当管路、设备和容器内的介质压力超过规定值时，自动开启排除增高压力的介质，以保证管路、设备和容器的安全，防止事故发生。
7）井口安全紧急调节阀：
用于介质压力超过规定的高压值和低压值时，自动紧急切断，保护井口设备的安全及避免因事故天然气的大量泄放。
8）调节阀：
用于自动调节天然气的压力或流量。
9）孔板阀：
用于管道流体的流量计量。
分高级、普通、简易式。
高级式实现不停气更换孔板，普通式和简易式需设旁路。
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