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

出站压力：6MP a

C 1—90.30 C 2—8.02 C 3—0.88 C 4—0.43 C 5—0.3 CO 2气体组成（%V）：

—0.07 凝析油含量：20g /Nm 3

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

'= 4.633MP a 临界温度T c '=200.7K 压缩系数Z=0.78 天然气临界值：临界压力p c

凝析油含量：20g /Nm 3=22.6m 3/Mm 3 凝析油密度885K g /m 3

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H 2S ，凝析油含量也不高，进站压力较高，出站压力6MP a ，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（GB ）和石油行业标准（SY ） 石油天然气工程制图标准 SY/T0003-2003 《油气田常用阀门选用手册》 ANSIB31.8标准计算管子厚度 GB8163-87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H 2S ，集气站出站压力6MP a ，进站压力都高于10MP a ，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：6MP a ， 操作温度：200C , 长径比：4：1， 气体进入分离器速度：15m /s

5号井 ： 250mm ⨯1m 的分离器 计量分离器： 250mm ⨯1m 的分离器 生产分离器： 250mm ⨯1m 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：40mm (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：40mm ，25mm 和20mm 结构形式：角式 连接方式：法兰连接

公称压力：16MP a

阀体材料：1Cr18Ni9Ti

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：16MP a

类型代号：A41Y —160, 公称直径：15mm, 开启压力：13～16MP a (2) 中压放空阀 设计压力：13MP a

类型代号：A41Y —160, 公称直径：15mm, 开启压力：10～13MP a (3) 低压放空阀 设计压力：10MP a

类型代号：A41H —64, 公称直径： 25mm, 开启压力：

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：WZP 分度号：BA1 测量范围 ：-200～6500C

5，压力表:弹簧式压力计 6，管线

材料API 5LX X60等级无缝钢管

尺寸： 站场内管线分别有：Φ50⨯4mm, Φ57⨯3mm , Φ70⨯3mm , Φ

83⨯3.5mm , Φ89⨯3.5mm 汇管:127⨯3.5mm

八：参考文献

SYJ3-91 《 石油工程制图标准》

SY/T 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

密度的比。

Δ＝

ρt M = t ρk M k

式中 M t —— 天然气的分子质量； M k —— 空气的分子质量。M k ＝28.97

M t =

∑y M

i

i

=0.9030⨯16+ 0.0802⨯30+0.0088⨯44+0.0043⨯58+

0.003⨯72+0.0007⨯44=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（P r ，T r ）

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：P c ' =4.885-0.363△

Pc ' =4.633 Mpa 临界温度：T c ' =93+176△ Tc ' =200.7K

二， 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： dL eff =1.414 ⨯10-4 [ 液体负荷： d2L eff =1765tr Q L

TZQ g

P

]K'

式中 d — 分离器的内径，mm ； T — 分离器的操作温度，K ；

P — 分离器的操作压力，Mp a （绝） Z — 气体压缩系数； Q g —气体流量，m 3/d；

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；

L eff —分离器内产生分离作用的有效长度，mm ；

t r — 期望的液体停留时间，min ； Q L — 液体流量，m 3/d。

五口井操作压力和操作温度都相等，其中：P= 6Mpa ，T=288K

液体流量Q L =20g/ Nm3=500g/d=5.64 m3/d 凝析油密度 ρ 计算K ' ：

油

=885kg/m3 相对密度 S.G=0.885

P △6⨯0. 612

==0.01275

288T

查图： SL =0.876 K' =0.265 SL =0.934 K' =0.255 插值法求得 K' =0.263

5号井： 气体流量Q g 1=11×104 Nm3/d

气体负荷约束：d L eff =1.414 ⨯10 [

288⨯0.78⨯11⨯104

=1.414 ⨯10××0.263

6

-4

-4

TZQ g

P

]K'

dL eff =152.7mm 对于气体负荷约束直径与长度的关系

液体负荷约束：d L eff =1765tr Q L 估算分离器筒体长度：

d

Lss = L eff +

1000

式中L ss -分离器筒体长度，m ，其余符号同前。

对于不同的停留时间t r ，计算d 和L eff 的组合：

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5号井 ： 250mm ⨯1m 的分离器 计量分离器： 250mm ⨯1m 的分离器 生产分离器： 250mm ⨯1m 的分离器 三， 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6 Mpa 的要求。 第一次节流降压：

1号井：P 初始=15.5 Mpa 降至P=10.5 Mpa △p=5000 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=16.2℃

又由于天然气中的液态烃的含量为22.6m 3（液烃）/Mm3（气）（GPA

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5.6 m 3（液烃）/Mm3（气）（GPA 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△t ' =16.2-5.6=10.6℃ 节流后的最终温度t 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10.5 Mp a 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。

2号井：P 初始=15 Mpa 降至P=10.5 Mpa △p=4500 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=15.5℃ 实际的温度降 △t ' =15.5-5.6=9.6℃ 节流后的最终温度t 终=26-9.6=19.4℃ t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物。

3号井：P 初始=14.5Mpa 降至P=10.5 Mpa △p=4000 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=12℃ 实际的温度降 △t ' =12-5.6=6.4℃ 节流后的最终温度t 终=27-6.4=20.6℃ t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物。

4号井：P 初始=14.9 Mpa 降至P=10.5 Mpa △p=4900 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=16℃ 实际的温度降 △t ' =16-5.6=10.4℃

节流后的最终温度t 终=30-10.4=19.6℃ t终〉18.9℃，则节流后不会生成水合物。

5号井：P 初始=10.5 Mpa 降至P=8 Mpa △p=2500 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=10℃ 实际的温度降 △t ' =10-5.6=4.4℃ 节流后的最终温度t 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6Mp a 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6Mp a ，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：p=10.5 Mpa 降至p=6 Mpa △p=4500 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=18℃ 实际的温度降 △t ' =18-5.6=12.4℃

节流前的初始温度 t初始=12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。 2号井：p=10.5 Mpa 降至p=6 Mpa △p=4500 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=18℃ 实际的温度降 △t ' =18-5.6=12.4℃

节流前的初始温度 t初始=12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。

3号井：p=10.5 Mpa 降至p=6 Mpa △p=4500 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=18℃ 实际的温度降 △t ' =18-5.6=12.4℃

节流前的初始温度 t初始=12.4+20=32.4℃，也既是加热炉的加热终温。 4号井：p=10Mpa 降至p=6 Mpa △p=4000 Kpa

由于压降带来的温度降 △t=14.8℃ 实际的温度降 △t ' =14.8-5.6=9.2℃

节流前的初始温度 t初始=9.2+20=29.2℃，也既是加热炉的加热终温。 5号井：p=8 Mpa 降至p=6 Mpa △p=2000 Kpa 由于压降带来的温度降 △t=8℃ 实际的温度降 △t ' =8-5.6=2.4℃

节流前的初始温度 t初始=2.4+20=22.4℃，也既是加热炉的加热终温。 因此，五口井来气的气体状态变化如下： （压力Mp a ，温度℃）

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：

（1） 当p 1/p2〉0.53，属于非临界流动，用下面公式计算节流阀的

通过直径：

⎛Q ⎫d 计= O ⎪

⎝3304⎭

0. 476

0. 238

⎛⎫SZT

⎪× p （p -p ）⎪2⎭⎝21

（2） 当p 1/p2〈 0.53，属于临界流动，用下面公式计算节流阀的通

过直径：

⎛Q ⎫

d 计= O ⎪

⎝1591⎭

0. 476

×(SZT )

0. 238

式中 d计—节流阀的计算直径，mm ；

Q 0— 流过节流阀的气体流量，m 3/d；

p 1、p 2— 分别为阀前、阀后的压力，Mp 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 d=

5#：一次节流：p 1/p2=10.5/15.0=0.7〉0.53，属于非临界流动

⎛Q ⎫ d计= O ⎪⎝3304⎭0. 476d 计1-Φ ⎛⎫SZT ⎪× p （p -p ）⎪2⎭⎝210. 238 ⎛11⨯104

= 3304⎝⎫⎪⎪⎭0. 478⎛0. 612⨯0. 78⨯298⎫0. 238× ⎪8⨯（10. 5-8）⎝⎭

=8.99mm

d=2d计=17.98mm

二次节流：p 1/p2=6/8=0.75〉0.53，属于非临界流动

⎛Q ⎫ d计= O ⎪⎝3304⎭0. 476⎛⎫SZT ⎪× p （p -p ）⎪2⎭⎝210. 238 ⎛11⨯104

= 3304⎝⎫⎪⎪⎭0. 4780.238⎛0.612⨯0.78⨯295.4⎫× ⎪ ⎪6⨯8-6⎝⎭ = 9.60mm

d=2d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 =23.6mm ,二次节流 d = 25.68mm

生产分离器：一次节流d =37.28mm , 二次节流 d = 42.60mm

根据《油气田常用阀门选用手册》选择合适的节流阀：

选用J44W-16P 型角式节流阀：

公称直径：20mm , 25mm ,40mm

接连方式：法兰连接

结构形式：角式

公称压力：16 Mpa

阀体材料：1Cr18Ni9Ti

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/s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/s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，CO 2含量为7%，管线内气体速度应该限制在15m/s

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：

⎡T ⎤ ve =0.021⎢⎥⎣SP ⎦0. 5

式中 ve — 侵蚀速度，m/s；

C — 侵蚀流动的常数，对于连续工作，C=100；

T — 气体温度，K ；

P — 气体压力，Mp 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：

TZ v=5.1×10-3Q g 2Pd

式中 Qg — 气体流量，m 3/d；

T — 气体温度，K ；

P — 气体压力，Mp a （绝）

Z —气体的压缩系数；

d — 管子内径，mm ；

v — 气体速度，m/s。

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ANSI B31.8标准计算管子厚度。 t=pd 0 2(FETS )

式中 t — 需要的壁厚 ，mm ，按管子系列来规定 ；

p — 管内压力 ，Mp a （N/mm2）；

d0 — 管子外径 ，mm ；

S — 管子的最低屈服极限，Mp a （N/mm2）；

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，

E=1.0；对于炉热塔接焊和电弧熔焊管子，E=0.80；对

于炉热对焊管子，E=0.60；

F — 结构类型设计因子，结构类型： A ，F=0.72。

（1） 气体进站管线

⎡T ⎤ 侵蚀速度： ve =0.021⎢⎥⎣SP ⎦0. 5

C=100；S=0.612

气体管线的内径d ：

TZ d2=5.1×10

-3Q g 1，2，3口井合流通往生产分离器的气体流量75Nm 3/d

计算管内径为75.4mm

计量分离器之前的管径以2号井数据为依据。

根据GB8163-87 选用Φ50×4mm 和Φ83×3.5mm 的管子。

选用API 5LX X60等级无缝钢管，最低屈服极限S=415Mpa。

对于选定的管子 再在ANSI B31.8计算壁厚：

t=pd 016⨯50==1.3mm 2(FETS ) 2⨯0.72⨯1⨯1⨯415

t=pd 016⨯83= = 2.22mm 2(FETS ) 2⨯0.72⨯1⨯1⨯415

因此，对于选定的管子是合理的。

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Φ50×4mm 管子

一次节流后 速度v=8.95m/s

加热后，速度v=9.01m/s

二次节流后，速度v=11.9m/s

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Φ57×3mm 速度v=12.8m/s，满足工艺要求。

加热后选用Φ57×3mm 速度v=13.13m/s，满足工艺要求。 二次节流后选用Φ70×3mm 速度v=13.99m/s，满足工艺要求。 生产分离器：

一次节流后选用Φ83×3.5mm 速度v=14.4m/s，满足工艺要求。 加热后选用Φ83×3.5mm 速度v=14.78m/s，满足工艺要求。 二次节流后选用Φ89×3.5mm 速度v=13.51m/s，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：

Qg =Qg 1+ Qg 2 +Qg 3 +Qg 4 +Qg 5=103×104 Nm3/d

⎡T ⎤ 侵蚀速度v e =0.021⎢⎥⎣SP ⎦0. 5=18.6m/s

由于CO 2的存在，控制气体流速为15m/s，并由此计算管径：

由公式： d2=5.1×10-3TZ Q g Pv

得： d=114.9mm

根据GB8163-87 选用Φ127×3.5mm 的管子。

选用API 5LX X60等级无缝钢管，最低屈服极限S=415Mpa。

计算壁厚：

由公式： t=pd 06⨯127= =1.27mm 2(FETS ) 2⨯0.72⨯415

因此，选用的管子Φ127×3.5mm 满足工艺要求。

综上：该常温集气站所选用的管子

材料：API 5LX X60等级无缝钢管

尺寸：站场内管线分别有：

Φ50×4mm ，Φ57×3mm ，Φ70×3mm

Φ83×3.5mm ，Φ89×33.5mm ，

汇管：Φ127×3.5mm

参考文献：

SYJ3-91 《 石油工程制图标准》

SY/T 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