常溫集氣站工藝設(shè)計

西南石油學(xué)院2006屆畢業(yè)設(shè)計（論文）福竹常溫集氣站工藝設(shè)計PAGE34PAGE35摘要從井中出采天然氣，常帶有一部分液體和固體雜質(zhì)，如凝析油，游離水域地層水，巖屑粉塵等。這些機械雜質(zhì)具有很大的危害性，不僅腐蝕設(shè)備，儀表，管道，而且還可以堵塞閥門，管線，影響正常生產(chǎn)；也可能造成油氣處理廠的塔器化學(xué)溶液的污染和液泛等麻煩。所以，從井場來的流體，首先在集氣站進行脫除機械雜質(zhì)的操作，然后再進入輸氣干線。集氣站是天然氣集輸系統(tǒng)中重要的一個環(huán)節(jié)，它對各氣井輸送來的天氣分別進行節(jié)流，分離，計量，然后集中輸入集氣管線。本設(shè)計中將有五口井進入該集氣站，進口壓力都較高，經(jīng)過節(jié)流調(diào)壓，將壓力降低，再經(jīng)過分離器脫出天然氣中含有的水滴。然后計量后進入配氣站。關(guān)鍵詞：天然氣換熱器分離器管徑SummaryTheAdoptthenaturalthegasthefromtheinwell,theoftentaketheathemiscellaneousthequalitytheoftheparttheoftheliquidstheandsolid,thesuchtheastheoiltheofthecoagulation,thevisitthetotheleavethewaterthegeologicthestratawater,rockscrapsdustetc…Themiscellaneousqualityofthesemachineshastheverybigbane,notonlydecayingtheequipments,appearance,piping,endingcanningbutalsostoppingthevalvedoor,pipeline,affectthenormalproduction;Alsomayresultintheoilspirithandlethepollutionandliquidsofthetowermachinechemistryaquaofthefactorytobesuffusedwithtowaitthetrouble.So,fromafluidforcomeofwell,firstatgatherthespiritstationtocarryontakeoffinadditiontothemiscellaneousqualityofmachineofoperation,thenentertolosetoannoythetrunkline.Gatheringtoannoystationisalinkthatthenaturalgaslosesthesystematgatherintheimportance,itcarriesonreduceexpensestotheweatherthateachspiritwelltransportrespectively,separate,calculate,thenconcentratetheimportationtogatherthewindpipeline.Thisdesignlieutenantgeneralhasthefivepeoplewellintoandshouldgathertoannoythestation,importingthepressuresallhigher,passbytoreduceexpensestoadjusttopress,lowerpressure,thenhasbeenseparatedthemachinetotakeoffthedropofwaterimplyinanaturalgas.Thencalculatethejuniorstogointogotogetherwiththespiritstation.Keyword:NaturalgasChangethehotmachineSeparatethemachineTakecareofthepath目錄緒論 5Chap1工藝設(shè)計說明書 61.1概述 61.2分離器的選用 71.2.1選用說明 71.2.2分離器的設(shè)計說明： 71.3關(guān)于換熱器的設(shè)計說明 81.3.1換熱器的作用 81.3.2換熱器中流體的流動形式 81.3.3換熱器設(shè)計計算 91.4裝置平面布置圖設(shè)計說明 91.4.1設(shè)計原則 9Chap2工藝計算書 102.1節(jié)流前后是否形成水化物判斷 102.1.1天然氣的有關(guān)參數(shù)： 102.1.2一級節(jié)流 112.1.3二級節(jié)流 122.2換熱器的設(shè)計計算 122.2.1計算所需參數(shù) 122.2.2計算熱負荷 142.2.3計算平均溫差△t 152.2.4計算總傳熱系數(shù) 152.2.5所需換熱面積的計算 192.2.6外殼直徑的選擇 192.2.7換熱器內(nèi)壓降的計算 202.3節(jié)流閥的選擇計算 222.3.1一級節(jié)流 222.3.2二級節(jié)流 232.4分離器的設(shè)計計算 242.4.1各井來氣在分離器處的壓縮系數(shù)： 242.4.2計算K值 242.4.3氣體負荷約束 242.4.4液體負荷約束 252.4.5計算長徑比 252.4.6分離器壁厚計算 262.4.7分離器進出口管徑 272.5管徑的選擇與壁厚的校核 272.5.1井口到一次換熱器前，一次換熱后到一次節(jié)流前 282.5.2一次節(jié)流后到二次換熱前和換熱后到二次節(jié)流前 302.5.3二次節(jié)流后 302.6閥門的選擇 312.6.1安全發(fā)的選擇計算： 312.6.2截止閥、閘閥的選擇： 342.7匯管的選擇設(shè)計計算 34謝辭 35主要參考資料 36緒論二十一世紀為天然氣的世紀，天然氣是優(yōu)質(zhì)的燃料和化工原料。作為燃料，它燃燒完全，單位發(fā)熱量大，燃燒后產(chǎn)物對環(huán)境影響?。蛔鳛榛ぴ?，它潔凈，質(zhì)優(yōu)，成本低，可用它生產(chǎn)多種精細化工產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品，天然氣的以上特性是它深受用戶青睞的原因。天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不斷上升，據(jù)統(tǒng)計1970年為17.7%，1980年為18.8%，1990年為21.5%，2000年為22.3%，預(yù)計2010年為24.3%。我國是天然氣資源豐富的國家之一，天然氣遠景儲量約達38萬億立方米，其中陸上占79%，海上占21%。雖然我國有豐富的天然氣資源，天然氣的利用卻嚴重滯后，在能源結(jié)構(gòu)中僅占約2%，而工業(yè)發(fā)達國家一般為30-40%。我國仍然處于以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，TOC\o"1-2"\h\z\u隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，己帶來一系列嚴重問題，如環(huán)境惡化，交通運輸不堪重負，人民生活質(zhì)量不高,等。由于我國油資源己不能滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，我國己成為油品進口國，并且進口比重在不斷上升。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已迫在眉睫，國家確定能源結(jié)構(gòu)將進行戰(zhàn)略性調(diào)整，使煤、油、氣的應(yīng)用比例趨于合理。目前啟動的西氣東輸工程就是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的序幕，今后幾十年內(nèi)天然氣的使用百分比將持續(xù)快速地上升，在2015年前后，預(yù)計將達到10%以上。天然氣采出后，首先要經(jīng)過礦場處理，處理后脫去其中的水份以及一些雜質(zhì)成份。然后將處理后的純凈天然氣輸進管線運送到各個城市。在城市里再將它分別輸往各個私營公司，工廠及居民家中。集氣站是天然氣集輸系統(tǒng)中重要的一個環(huán)節(jié)，它對各氣井輸送來的天氣分別進行節(jié)流，分離，計量，然后集中輸入集氣管線。從井中出采燃氣，常帶有一部分液體和固體雜質(zhì)，如凝析油，游離水或地層水，巖屑粉塵等。這些機械雜質(zhì)具有很大的危害性，不僅腐蝕設(shè)備，儀表，管道，而且還可以堵塞閥門，管線，影響正常生產(chǎn)；也可能造成油氣處理廠的塔器化學(xué)溶液的污染和液泛等麻煩。所以，從井場來的流體，首先在集氣站進行脫除機械雜質(zhì)的操作，然后再進入輸氣干線。本設(shè)計內(nèi)容包括換熱器，分離器，節(jié)流閥等的設(shè)計選擇計算。所設(shè)計的流程屬三口井集氣流程，如不是三口井，只需改變匯管個數(shù)和規(guī)格就可以了。Chap1工藝設(shè)計說明書1.1概述根據(jù)原始數(shù)據(jù),將會有三口井的來氣進入該集氣站。三口井的來氣都比較高，要經(jīng)過節(jié)流閥來降壓，設(shè)計要求出站壓力不低于6MPa，我們可以把出站壓力定為6MPa。三口井的來氣壓力分別為15.0MPa，14.0MPa，11.0MPa,前面兩口井的壓力都在14MPa以上，第三口井的壓力為11.0MPa。在設(shè)計是考慮到管徑,壁厚不能太大,從經(jīng)濟上出發(fā),可以定為前面兩口井經(jīng)一級節(jié)流降壓到10MPa,再經(jīng)二級節(jié)流降壓至5MPa。經(jīng)過初步計算，前兩口井一級節(jié)流，二級節(jié)流前后都要產(chǎn)生水化物，第三口井一級節(jié)流后要形成水化物，有水化物就要用換熱器進行加熱。在換熱器的選擇設(shè)計中，本設(shè)計全部選用套管式換熱器。根據(jù)節(jié)流后水化物形成溫度，壓降產(chǎn)生的溫降，確定換熱器換熱后的終溫，然后進行管程內(nèi)徑和長度等計算。盡管天然氣中飽和著水，但是由于經(jīng)過換熱器加熱后提高了天然氣的溫度，所以節(jié)流后不會形成水化物而影響生產(chǎn)。節(jié)流調(diào)壓后的天然氣，再經(jīng)過分離器，脫出天然氣中的所含水滴，孔板流量計測得流量，匯管集中，最后送入輸氣管線。設(shè)計中分離器選擇臥式重力分離器。1.2分離器的選用1.2.1選用說明從井口出來的天然氣，常含有凝析油和水等，如果不經(jīng)分離器的話，將會影響正常生產(chǎn)。所以從井場中出來的天然氣要在集氣站內(nèi)進行分離，才能進入輸氣管線。在本設(shè)計中，考慮到旋風(fēng)式分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，在重力式分離器能達到要求的分離效果的情況下，選擇重力式分離器不僅經(jīng)濟，而且合理。又由于在處理大量產(chǎn)量的氣體時，臥式分離器通常效果更大些。在分離器的重力沉降段，液滴垂直于氣流方向向下沉降，液滴就更容易從氣體連續(xù)相中沉降出來。在臥式分離器中，氣液面比立式分離器的氣液面要大些，液體趨于平衡時，從容液中出來的氣泡就比較容易達到氣體空間。從純氣體或液體的分離過程來看，臥式分離器將會是優(yōu)先選用的。所以本設(shè)計選用臥式分離器。1.2.2分離器的設(shè)計說明：(1)選擇一個(tr)0和(tr)w；(2)計算(h0)max,如果沒有其他可利用的資料，采用500μm的液滴，即由方程，令其中Dm＝500μm,得到：；(3)計算，；(4)由Z—關(guān)系圖，確定系數(shù)Z，()；(5)計算，；注意：取決于；(6)在滿足氣體負荷約束的條件下，計算小于的d和的組合。如果沒有其他可利用的資料，使用100μm的微滴，，或者；(7)在滿足油和水的停留時間約束的條件下，計算小于的d和Leff的組合：；(8)估算筒體長度Lss：（對氣體負荷）（對液體負荷）；(9)選擇合理的直徑和長度，長徑比（）通常在3～4之間。1.3關(guān)于換熱器的設(shè)計說明1.3.1換熱器的作用在節(jié)流時候微小的壓力變化將會引起溫度的變化，節(jié)流效應(yīng)一般是冷效應(yīng)，它將使天然氣溫度降低。為了避免生成水化物，利用熱介質(zhì)（水蒸氣）在換熱器內(nèi)把天然氣預(yù)熱，以免節(jié)流后形成水化物而影響生產(chǎn)。1.3.2換熱器中流體的流動形式本設(shè)計采用套管式換熱器，以飽和水蒸汽作為熱流體，為易于排出冷凝液，加之它沒有清洗和流速的要求，故飽和水蒸汽宜走殼程，天然氣走管程。按照冷熱流體的流動方向，換熱器中流體流動形式可分為順流式和逆流式。當(dāng)順流時，冷流體被加熱到溫度不可能高于熱流體的最終溫度，也絕不可能把熱流體冷到冷流體的最終溫度以下。而當(dāng)逆流時，冷流體被加熱到的最高溫度由熱流體的最初溫度決定，熱流體被冷卻的最終溫度由冷流體的最初溫度決定。因此，逆流時，冷流體的溫度變化可能比在順流時要大些，這樣可以充分利用能源，較為經(jīng)濟。在各自的入口和出口溫度保持不變的條件下，逆流時的平均溫度比順流時要大，所以逆流比順流合適一些。該設(shè)計中選用逆流式套管換熱器。1.3.3換熱器設(shè)計計算(1)確定基本參數(shù)；(2)計算熱負荷；(3)計算平均溫差；(4)計算(總)傳熱系數(shù)；(5)所需管子傳熱面積的計算；(6)外殼直徑的選擇；(7)換熱器內(nèi)壓力的計算；1.4裝置平面布置圖設(shè)計說明1.4.1設(shè)計原則(1)占地面積少；(2)設(shè)備布置規(guī)范；(3)設(shè)備與設(shè)備間的距離，要符合安全要求（防火、防暴）和操作要求；(4)考慮環(huán)境衛(wèi)生。2.設(shè)計內(nèi)容本集氣站主要裝置均露天安裝，按照流程走向順序布置。泵和儀表置于室內(nèi)。Chap2工藝計算書2.1節(jié)流前后是否形成水化物判斷2.1.1天然氣的有關(guān)參數(shù)：(1)天然氣的分子量：據(jù)參（二）式中M—天然氣的分子量；—組分的摩爾或體積組分；—組分的分子量。M=16×91.2%+30×1.01%+44×0.5%+58×0.27%+72×6.975%+44×0.01%+28×0.47%+4×0.035%=20.431(2)計算天然氣的相對密度：式中—天然氣分子量；─空氣分子量，為28.97；計算得2.1.2二級節(jié)流共有三口井，以1號井為例來計算，設(shè)計中一級節(jié)流的最終壓力是10MPa。P=14MPa(1)計算節(jié)流后的溫度降：根據(jù)參（二）圖2-16查得節(jié)流后的溫降圖上查出的溫降是在液烴含量在11.3m3(液烴)/Mm3(氣)（GPA標準）條件下，氣體中，液態(tài)烴含量愈高，則溫度降愈小。每增加5.6m3（液烴）/Mm3（氣）（GPA標準），就有的溫度修正值。如果沒有液態(tài)烴，則溫度降將比圖2-16所求的要多。最后的溫度降應(yīng)為(2)計算節(jié)流厚的溫度(3)計算形成水化物的溫度節(jié)流前：，水化物形成溫度：節(jié)流后：，水化物形成溫度：(4)計算判斷是否形成水化物：節(jié)流前：，，<,節(jié)流前形成水化物；節(jié)流后：，，<節(jié)流后形成水化物。從上面的計算可知，一號井一級節(jié)流前后都要形成水化物。同理，可以判斷其余各口井是否會形成水化物，現(xiàn)將計算結(jié)果列于下表：表2.1井號節(jié)流前節(jié)流后節(jié)流前節(jié)流后215.5101419.6200.42119.8要要314.91011.516.9203.120.919.8要要2.1.3二級節(jié)流設(shè)計中是由10MPa降為5MPa，計算同前?，F(xiàn)將計算結(jié)果列表如下：表2.2井號節(jié)流前節(jié)流后節(jié)流前節(jié)流后11052025.62.9-22.719.216.5要要21052025.63.1-22.519.216.5要要31052025.620-5.619.216.5否要由以上結(jié)果可知，前面兩口井一、二級節(jié)流前后都要形成水化物，第三口井只是一級節(jié)流后形成水化物。2.2換熱器的設(shè)計計算前面已經(jīng)判斷出前兩口井，一級節(jié)流和二級節(jié)流前后都要形成水化物，第三口井只是一級節(jié)流后形成水化物，故在一級節(jié)流前和二級節(jié)流前設(shè)置換熱器。本設(shè)計采用套管式換熱器，以1號井為例，具體計算一級節(jié)流前的換熱器的管程內(nèi)徑、長度等。2.2.1計算所需參數(shù)(1)經(jīng)過一次換熱器后天然氣的出口溫度據(jù)查參(二)圖2-16,節(jié)流后的溫度降,一級節(jié)流后終溫,節(jié)流前的,節(jié)流前后形成水化物的溫度為,。所以節(jié)流前后都要形成水化物，在節(jié)流前提高天然氣的溫度由下式來計算天然氣應(yīng)該加熱到的溫度：式中—節(jié)流后壓力所對應(yīng)的水化物形成溫度；—節(jié)流降壓對應(yīng)的溫降。所以取(2)天然氣的定壓質(zhì)量比Cp1根據(jù)壓力和天然氣平均溫度tf1＝先求得對比壓力和對比溫度：Pr＝3.3Tr＝1.4參（二），式中Cp—天然氣的定壓質(zhì)量比熱，；Cp0—大氣壓力下天然氣定壓質(zhì)量比熱，；△Cp—修正值，。根據(jù)參（二）圖1-10Tr＝1.4時，Pr＝3，則△Cp＝29.3076Pr＝4，則△Cp＝33.4944當(dāng)Pr＝3.3時，在兩者間進行線性插值得△Cp＝30.9823把它換成以為單位，則△Cp＝1.526根據(jù)參（二）查圖1-9T=297.9K時，查得Cp0＝2.01所以Cp1＝Cp0＋△Cp＝2.01+1.526=3.536(3)天然氣的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)上面計算對比壓力，對比溫度，查參（二）圖1-3Tr＝1.4時，Pr＝3則λ/λ0=1.8Pr=4則λ/λ0=2.4在兩者間查值得：μ由氣體分子量M＝20.431,查圖1-12得時，λ0=0.0287時，λ0=0.0302時，λ0＝0.0296式中λ—所求壓力、溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，；λ0—常壓下的導(dǎo)熱系數(shù)，查參（二）圖1-12；λ/λ0—導(dǎo)熱系數(shù)比，查參（二）圖1-13。所以λ＝0.02960×2.0=0.0592(4)天然氣的粘度μ1：根據(jù)參（二）式中μ1—所求壓力、溫度下的粘度，毫帕·秒；μ0—常壓的粘度，查參（二）圖1-4,μ/μ0—粘度比，查參圖1-4。據(jù)M＝20.3043,t=24.75°C,查圖１－４，得μ0值20°C時，μ0=0.01230°C時，μ0=0.015所以ｔ＝24.75μ0=0.0135毫帕·秒據(jù)對比溫度，對比壓力，查參（二）圖１－５圖Tr＝1.4時，Pr＝3,μ/μ0=1.59Pr＝4,μ/μ0=1.96Pr=3.3時，得μ/μ0=1.68所以μ1＝0.0135×1.68=0.02268毫帕·秒(5)水蒸氣的飽和溫度ts和汽化潛熱r現(xiàn)場上常采用飽和水蒸氣作為熱流體。其優(yōu)點是單位質(zhì)量的水蒸氣在冷凝時所放出的熱量（汽化潛熱）大大超過相同質(zhì)量的過熱水蒸汽或熱水所出來熱量，同時生產(chǎn)飽和水蒸汽的鍋爐設(shè)備也簡單便宜。水蒸氣在冷凝時溫度保持不變。現(xiàn)場上常采用2.7013bar的飽和水蒸氣，查得水蒸汽飽和溫度ts=130°C,汽化潛熱r＝2173.82.2.2計算熱負荷據(jù)參（二）式中—熱流體進出口溫度，；—冷立體進出口溫度，；Cp1,Cp2—冷熱流體的定壓質(zhì)量比熱，；—冷熱流體質(zhì)量流量，Kg/s。所以Q＝3.9051×3.536×(29.5-20)=131.18KW考慮到熱損失，則所需熱負荷為Q’=Ηq=1.1×131.18=144.298KW2.2.3計算平均溫差△t根據(jù)參（二），逆流時，其對數(shù)平均溫差可由公式式中θmax—冷熱流體最大溫度，；θmin—冷熱流體最小溫度，。飽和水蒸汽：天然氣：所以θmax＝110θmin＝100.5△tc＝105.2072.2.4計算總傳熱系數(shù)主要根據(jù)壓力，天然氣走管程，飽和水蒸汽走殼程，必須首先計算天然氣在管程的對流換熱系數(shù)和水蒸汽在殼程的對流換熱系數(shù)。(1)天然氣在管程內(nèi)流動的放熱系數(shù)h1a．計算雷諾數(shù)根據(jù)參（二），式中μ—流體粘度，；u—流體流速，m/s；d—換熱器換熱面積的特性幾何尺寸，m。據(jù)參（二），氣體速度通常保持在18～24m/s以下，以盡量減少噪聲的影響和對侵蝕的控制。本設(shè)計假定氣體流速為16m/s。式中 Qg—氣體流量，Nm3/d；T—氣體溫度，K；P—氣體壓力，MPa；d—管子內(nèi)徑，mm；V—氣體速度，m/s；Z—氣體壓縮系數(shù)。由上式可得代入數(shù)據(jù)得d≈53.78mm，取d＝80mm，內(nèi)管選Ф89×4.5的熱扎無縫鋼管。代入數(shù)據(jù)Re＝6.854105>104b.根據(jù)參（二）選用公式（5-8）來計算式中Nuf—流體的努塞爾特維數(shù)；Ref—流體的普蘭特準數(shù)；n—指數(shù)，因為是流體被加熱，取n＝0.4；—溫度校正系數(shù)，?。?.0；—入口效應(yīng)修正系數(shù)，取＝1.0；—彎管修正系數(shù)，＝1.0。代入前面的Nuf計算及參數(shù)值，得h1=896.367(2)飽和水蒸汽在環(huán)形空間流動時的放熱系數(shù)h2采用修正后的努塞爾特方程來計算飽和水蒸汽在管外的放熱系數(shù)h2。式中分別為冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，密度和粘度；L—特征尺寸，對橫管為管外徑，m；r—水蒸汽的汽化潛熱；g—重力加速度，9.8千克/秒2；ts—水蒸汽的飽和溫度；tw—管外壁溫度。定性溫度從上式可看出，要計算h2必須首先知道水蒸汽一側(cè)的管壁溫度，但要知道又必須知道h2。另外，冷凝液的物性參數(shù)又與定性溫度有關(guān)。為解決此問題，宜采用逐次近似法進行計算。天然氣一側(cè)（管內(nèi)）的換熱系數(shù)已知，h1=896.367。下面用逐次近似法求h2:a．參照參（二）圖5-23（忽略污垢層，高低溫流體的位置互換）列出傳熱方程式：對于管外水蒸汽一側(cè)：①式中t2—飽和水蒸汽溫度，，；—管外壁溫，；d0—管外徑，m。對管壁：②式中—管內(nèi)壁溫度，；—管內(nèi)徑，m；—金屬傳熱系數(shù)，一般為碳鋼，?。?5；—管壁厚，m；其余符號意義同前。對管內(nèi)天然氣一側(cè)：③式中t1—天然氣平均溫度，；其余符號意義同前。所以管子熱流密度為：由②，③得：④將已知數(shù)據(jù)代入④可得q1的函數(shù)關(guān)系式：⑤為便于計算，將公式（h2的計算式）改寫為下面的形式：⑥①可寫⑦b．由上面三式⑤，⑥，⑦給與不同的管壁溫度，依序求出相的值。計算結(jié)果匯于下表：表2.3序號要計算的量的取值80100120128<ts155040.975988.996936.9105316.12冷凝液膜層溫度105115125129350301024公式中值12.5012.5012.5212.505公式中0.37600.42730.56200.84106公式中181.17184.69188.07189.397殼程對流換熱系數(shù)1092.471265.651695.102554.41854623.537969.516951.05108.82表中，，c．將q1和q2與的數(shù)量關(guān)系，即上表中序號1和和序號8的q1和q2值與其相對應(yīng)的的關(guān)系繪成曲線可以看出，q＝q1=q2＝44100W/m2，根據(jù)所求得的和q2,由上面式子⑦可以得到管外的換熱系數(shù)：(3)總傳熱系數(shù)K的計算由于管外部（殼程）的對流換熱系數(shù)h2小于管程內(nèi)的對流換熱系數(shù)h1,故以管子外表面積作為計算總傳熱系數(shù)的基準，由參（二）中的公式（5-70）式中d2—內(nèi)管外徑，m；d1—內(nèi)管內(nèi)徑，m；—分別為內(nèi)，外管徑層之垢層厚，m；—分別為內(nèi)，外管層垢層的傳熱系數(shù)，—管子金屬的傳熱系數(shù)，取值同前；本設(shè)計不考慮垢層，故均為0，上式可變?yōu)椋河汕懊嬗嬎阒?，?nèi)管已選了Ф89×4.5的管子，代入其它數(shù)據(jù)，可以得到：2.2.5所需換熱面積的計算根據(jù)參（二）傳熱方程（5-62）：式中Q—傳熱過程的熱流量，W；F—傳熱面積，m2；K—總傳熱系數(shù)，；，為冷熱流體之間的傳熱溫度，。設(shè)計中以平均溫差進行計算。上式變形為：代入數(shù)據(jù)得F≈3.47m2所需管子長度考慮到管子太長，易發(fā)生彎曲變化，影響傳熱等原因，可以設(shè)計成兩個6.0～6.5m長的套管換熱器串聯(lián)使用。2.2.6外殼直徑的選擇由于內(nèi)管已選用Ф89×4.5的管子，為保持環(huán)形通道有足夠大的容量，使傳熱穩(wěn)定，因此外殼可以選用Ф159×4.5的無縫鋼管。同時為盡量減少散熱損失，對外殼必須包扎適當(dāng)厚度的絕熱層。2.2.7換熱器內(nèi)壓降的計算(1)管程內(nèi)的壓降主要是計算沿程的摩阻損失，可根據(jù)參（二）公式（5-81a）來計算：式中—管程質(zhì)量流速，；—管程流體在定性溫度下的質(zhì)量密度，L—每程管長，m；—管程數(shù)；—管子內(nèi)徑，m；—管程流體粘度修正系數(shù)；—圓管摩擦系數(shù)，查參（二）圖5-34；式中u—流速，。式中Q—體積流量，；d0—管內(nèi)徑，m；代入數(shù)據(jù)得到：Wi＝332.43式中△—相對密度；P—天然氣壓力，MPa；Z—壓縮系數(shù)；T—天然氣溫度，K；代入數(shù)據(jù)得＝172.98的查取因為Re＝6.854×105，查參（二）圖5-34知＝0.0157取1.0代入△Pt，最后得到：△Pt＝777.33Pa壓降很小，不到0.1個大氣壓，故較為合理。(2)殼程的壓降由于殼程內(nèi)走的是飽和水蒸汽，為使其充分發(fā)揮作用，又不造成浪費，要求殼程的出口管及排凝結(jié)水管線的直徑盡可能大一些，以保證傳熱不被環(huán)形空間的凝結(jié)水淹沒，可以預(yù)計殼程內(nèi)要降將大大小于管程內(nèi)的壓降。以上計算為1號井一次換熱器的設(shè)計計算，其余各口井的一次換熱器計算同理，現(xiàn)將計算結(jié)果列于下表：表2.41號井2號井3號井29.529.529.53.5363.5383.5300.05920.05940.05870.022680.022700.02268Z0.710.710.71144.29865.7330.81105.207102.130105.070896.371608.311761.20848.077937.5001032.332K395.25478.1531.3內(nèi)管選擇Ф89×4.5Ф45×3.5Ф32×3.5L(m)12.48.23.5△Pt（Pa）777.331051.271031.53各井二次換熱器的計算結(jié)果列表如下：表2.51號井2號井3號井28.328.328.34.2014.2054.1700.05030.05050.05010.01620.01620.0164Z0.7460.7460.746162.3558.7329.35101.7595.9199.633013.725278.516730.221132.41137.51276.3K701.1897.3986.5內(nèi)管選擇Ф89×4.5Ф45×3.5Ф32×3.5L(m)9.25.53.0△Pt（Pa）632.51052.51050.3各口井的換熱器殼程內(nèi)飽和水蒸汽的壓力，飽和溫度及汽化潛熱均相同，即：壓力為0.27013MPa，ts＝130，然2173.8KJ/kg，同時，各換熱器的外殼直徑均選為Ф159×4.5的無縫鋼管。從表上可以看出，換熱器的長度，管程壓降都教合理。2.3節(jié)流閥的選擇計算首先確定選角式節(jié)流閥（針形閥）進行節(jié)流。2.3.1一級節(jié)流以1號井為例進行選擇計算節(jié)流前：p1＝14MPa，節(jié)流后：p2＝10MPa，節(jié)流前：t＝20根據(jù)參（二），應(yīng)選公式（6-63）：式中d計—節(jié)流閥的計算直徑，mm；Q0—流過節(jié)流閥的氣體流量，m3/d；p1,p2—分別為閥前，閥后的壓力，MPa；S—氣體的相對密度；T—閥前的氣體溫度，K；Z—氣體的壓縮系數(shù)。節(jié)流前：Pr＝3.3Tr＝1.4說明：，,其中Pc和Tc由相對密度參（二）圖1-1,得出。根據(jù)參（二）圖1-18,Pr＝3.3,Tr＝1.4,查得Z＝0.71將數(shù)據(jù)代入計算得：為滿足調(diào)節(jié)要求，針形閥之開度處于半開狀態(tài)，故在選用針形閥時應(yīng)把計算值乘以2再根據(jù)壓力等進行選擇。d＝2×13.09=26.18mm故選∠44H-160型Dg32由于調(diào)節(jié)時針形閥的開度可調(diào)，而且選型時以其處于半開狀態(tài)時選的，故其他各井的一級節(jié)流均可選∠44H-160型Dg32的針形閥，具體使用時只要調(diào)節(jié)其開度即可。2.3.2二級節(jié)流同樣以1號井為例進行計算節(jié)流前：P1=10MPa，t＝29.5，節(jié)流后：P2=5MPa根據(jù)參（二）選公式：式中各符號意義同前。經(jīng)計算，此時的Pr，Tr均等于換熱器時的Pr，Tr，即Pr＝3.3,Tr＝1.4，故Z=0.71,將已知數(shù)值代入式中，得到：為滿足開度要求，針形閥的開度處于半開狀態(tài)，所以d＝2×14.73=19.46mm故選∠44H-160型Dg32同理，其余各井的二級節(jié)流也均可選∠44H-160型Dg32針形閥，具體開度使用時自行調(diào)節(jié)。2.4分離器的設(shè)計計算先計算分離器內(nèi)徑和筒體長度，壁厚計算在選定分離器直徑及長度后進行計算。先以1號井為例計算。2.4.1各井來氣在分離器處的壓縮系數(shù)：△＝0.7,參（二）圖1-1,知Pc＝46.8kgf/cm2,Tc=216.7K所以，Pr＝1.2～2.8,Tr＝1.2～1.4有Z＝Pr（0.1717Tr－0.3232）＋0.5869Tr＋0.1229代數(shù)據(jù)進行計算得：Z≈0.81982.4.2計算K值根據(jù)參（二），查圖4-11,得到K≈0.2932.4.3氣體負荷約束根據(jù)參（二）代入數(shù)據(jù)，得對不同的d，由計算筒體長度，即表2.5d，mmLeff，mLss，m4001.692.095001.351.856001.131.732.4.4液體負荷約束參（二）（4-11）：,不同的，計算d和Leff的組合表2.6，min36005.886.4810.87503.774.526.09002.613.513.910501.922.972.82.56004.905.509.27003.604.306.18002.763.564.59002.183.083.426003.924.527.57502.513.264.310501.282.332.215002.823.326.66001.962.564.32.4.5計算長徑比通常在3～4的范圍內(nèi)選擇長徑比經(jīng)計算三口井選擇分離器尺寸如下：表2.7井號分離器直徑（mm）分離器長度（m）19003．5127502.3535500.872.4.6分離器壁厚計算(1)圓管部分壁厚計算：式中—分離器圓管部分壁厚，mm；P—分離器工作壓力，公斤/厘米2；D—分離器內(nèi)徑，mm；—鋼材在工作溫度下的許用壓力，公斤/厘米2；—焊縫系數(shù)，一般取0.85；C1—腐蝕裕量，mm，輸送脫硫脫水天然氣，C1＝0；C2—壁厚負偏差，取容器壁厚的10~15%。將各井參數(shù)代入上式，選20號的鋼，其許用應(yīng)力為25公斤/厘米2，經(jīng)計算各井分離器壁厚如下：表2.81號井2號井3號井15.511.28.5(2)橢圓形封頭壁厚計算公式：式中D—封頭直邊部分內(nèi)徑，mm；H—封頭突出部分內(nèi)邊高度，mm；C3—封頭因沖壓時拉伸的減薄量，一般情況下取計算厚度的10%，并不大于4mm；其余各符號意義同前。1號井～4號井取H＝150,5號井取H＝100現(xiàn)將計算結(jié)果列于下表：表2.91號井2號井3號井39.323.020.22.4.7分離器進出口管徑不考慮分離器的壓力損失，其進出口壓力均為6MPa，考慮管子噪聲影響和侵蝕的控制，取氣體流速為16m/s。根據(jù)參（二），各符號代表的意義同前。代入數(shù)據(jù)進行計算，以1號井為例：Qg＝40×104Nm3/d，Z=0.8198,T=302.65K,V=16m/s,P=6MPa,所以，d＝72.6mm可以選取Ф89×5的無縫鋼管，其他各分離器進出口管徑進算同前，現(xiàn)將結(jié)果列于下表：表2.10井號d，（mm）管徑選擇172.6Ф89×5247.5Ф54×3.5332.1Ф40×3.5為統(tǒng)一起見，分離器進出口管徑均選為Ф89×5的管子。2.5管徑的選擇與壁厚的校核管徑的選擇同樣考慮盡量減小噪聲的影響和對侵蝕的抑制，取氣體流速為16m/s。以1號井流線為例進行計算2.5.1井口到一次換熱器前，一次換熱后到一次節(jié)流前(1)井口到一次換熱器前a．內(nèi)徑的計算參（二），式中V—氣體流速，m/s，取16m/s；Q—氣體流量，Nm3/d；P—氣體壓力，MPa；Z—壓縮系數(shù)；d—管子內(nèi)徑，mm。節(jié)流前：t＝20，P＝15MPa由前面計算知，Pc＝46.8kg/cm2,Tc=216.7K所以，Pr≈3.27Tr≈1.35Z=Pr（－0.25Tr＋0.3871）＋1.6087Tr－1.6635=0.6612由V的計算式可得：代入數(shù)據(jù)，得d＝40.921mm取標準，外徑57mm，內(nèi)徑45mm，公稱直徑Dg50。b．壁厚校核選20＃鋼，根據(jù)參（二），ANSIB31.3公式：式中t—需要的管子壁厚，mm；—腐蝕裕量，mm，（通常為1.3或2）；P—管內(nèi)壓力，MPa；d0—管子外徑，mm；tth—螺紋或溝槽深度，mm；—管子材料的許用應(yīng)力，MPa；E—縱向焊接系數(shù)，對無縫鋼管，E＝1.0；r—因子，對于鋼鐵材料，溫度低于482時，r＝0.4；TOL—制造廠家允許的裕量，對于API與L標準，直徑小于500mm管子，TOL=12.5%；對Dg50的管子，參（二）表6-4,tth＝2.1mm，將已知數(shù)據(jù)代入上式中得：t＝5.8mm在前面的計算結(jié)果所選擇的壁厚中，t＝6mm所選管子壁厚滿足強度要求，故選為Ф57×6，同理，可以計算其他各口井在節(jié)流前的管徑，其結(jié)果列于下表：表2.11井號123內(nèi)徑40.9227.6121.37選標準Ф57×6Ф40×5.5Ф40×5.5(2)一次換熱器到一級節(jié)流a．管徑：P＝15MPa，t＝29.5，Z=0.71將已知數(shù)據(jù)代入，得d＝42.74mm選Ф57×6b．校核壁厚代入數(shù)據(jù)，得t＝5.79mm取t＝6mm所選管子壁厚滿足強度要求，故選管子為Ф57×6。為使整個集氣站安裝及購買材料方便，可使管線統(tǒng)一選為Ф57×6的熱扎無縫鋼管。2.5.2一次節(jié)流后到二次換熱前和換熱后到二次節(jié)流前(1)一次節(jié)流后到二次換熱器換熱前a．管徑：式中P＝11MPa，t＝24.75，Z=0.71代入數(shù)據(jù)計算得：d＝49.5mm選Ф60×5.5的管子b．校核壁厚算得：t＝5.37mm，取t＝5.5mm所選管子壁厚滿足強度要求，故選Ф60×5.5的管子。(2)二次換熱后到二級節(jié)流前a．管徑：式中P＝11MPa，t＝29.5，Z=0.71經(jīng)計算，得：d＝49.91mm，選Ф73×6的管子。b．校核壁厚：將已知數(shù)據(jù)代入中，得t＝5.69mm，取t＝6mm所以選取管子壁厚滿足強度要求，故選管子為Ф73×6。為使一次節(jié)流后到二次節(jié)流前管子不使用大小頭，故選管徑均為Ф73×6的管子，能滿足要求。同理，其余各口井的管徑計算均可得，為了滿足統(tǒng)一性，現(xiàn)選一次節(jié)流后到二次節(jié)流前管子均為Ф73×6的熱扎無縫鋼管。2.5.3二次節(jié)流后(1)管徑：其中，P＝6MPa，t＝27.5，Z＝0.8198將數(shù)據(jù)代入上式計算得：d＝72.6mm，選Ф89×5的管子。(2)壁厚校核：代入數(shù)據(jù)，得t＝5.09mm，取t＝5mm所選管子壁厚滿足強度要求，選Ф89×5的管子。為使集氣站內(nèi)管線的統(tǒng)一性，其余各井的二次節(jié)流后管線均選為Ф89×5的熱扎無縫鋼管。現(xiàn)將集氣站內(nèi)所需管線尺寸列于下表：表2.12一級節(jié)流前一級節(jié)流前，二級節(jié)流后二級節(jié)流后管徑Ф57×6Ф73×6Ф89×52.6閥門的選擇2.6.1安全發(fā)的選擇計算：選彈簧式安全閥，同時選全啟式安全閥，因其泄放量大，回座性能好，適用于氣體。為了確保整條管線的安全，本設(shè)計在單井流程中設(shè)有兩個安全閥：集氣站進口處，保護整條管線的安全，設(shè)有一安全閥；分離器前，設(shè)有一安全閥以保證分離器的正常運行。同樣以1號井為例，進行如下計算：(1)確定泄放壓力：a．入口處，＝15MPa＝150kg/cm2，當(dāng)80<<160時，P0=1.05式中P0—泄放壓力，kg/cm2，—操作壓力，kg/cm2，P0＝1.05×150=