联合站工艺设计.doc

HSZ联合站工艺设计1.1课题的目的和意义联合站是转油站的一种。站内涉及有原油解决系统，转油系统，原油稳定系统，污水解决系统，注水系统，天然气解决系统等它是油气集中解决联合作业站的简称。重要涉及油气集中解决（原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收等）、油田注水、污水解决、供变电和辅助生产设施等部分。联合站（库）是油田原油集输和解决的中枢。联合站（库）设有输油，脱水，污水解决，注水，化验，变电，锅炉等生产装置，重要作用是通过对原油的解决，达成三脱（原油脱水，脱盐，脱硫；天然气脱水，脱油；污水脱油）三回收（回收污油，污水，轻烃），出四种合格产品（天然气，净化油，净化污水，轻烃）以及进行商品原油的外输。联合站是油田油气集输过程中的重要生产环节，是集油气分离、原油脱水、原油计量、稳定外输、油田注水、污水解决、消防即热力系统等为一体的综合生产过程。目前我国大多数联合站的原油计量自动化水平还很低，还停留在人工手动状态，对物为、液量、压力和温度的过程参数都需要靠人工检测，人为误差大，严重影响生产效率及产品质量。针对联合站实际状况，以满足联合站原油外输计量生产规定，开发一套原油外输计量系统，能对生产现场实现原油计量高精度的远程集中化科学管理和实时在线监控、实现流程操作全自动化。 联合站的研究具有重大的意义和前景。根据联合站的功能和规模，搞好优化设计，不断提高联合站设计水平、争取达成开发方案的优化、油田总体布局优化、工艺流程优化、自动控制系统优化、联合站总图优化、配套系统优化，以合理有效的运用石油能源，提高能源的开发率和运用率，使联合站可以安全高效的生产。 1.2国内外研究现状目前，我国各种规模的联合站中油水分离的控制过程大多数还采用手动或半自动控制防水。即一次仪表加手操器方式或根据经验来控制手动阀门的启动度。在这个环节上自动化限度很低，急待解决。而在发达国家，基本上实现了全自动控制，即脱水、加药、污水解决、平稳外输过程的全自动调节及控制。在这方面，我国处在落后状态的重要因素是传感器及调节仪表的性能质量均达不到规定，过去开发的一类型的自动控制系统无法使用等。近年来，随着各类先进控制产品的引入及操作人员的素质不断提高，采用先进的全自动控制系统来控制脱水过程已经实现，并在不断推广。 我国大部分的油田采油厂联合站是在20世纪70年代建立起来的，在当时的生产水平下是可以担负起诸如测量、手工操作的具体任务的。但是，随着油田的大规模开发，生产规模的日益扩大，原有的生产系统暴露出来的问题也日益突出，如，人工监控的误差大、人工操作的不及时、动态解决过程不实时等。另一方面，系统没有实现自动控制，耗能大、效率低、能量浪费比较严重。因此，这就迫切规定对联合站进行自动化改造，实行计算机系统的监控与管理。从而可以自动采集并监测生产过程的各个参数，并进行优化解决，实现节能降耗。联合站计算机控制系统，大都采用的是单回路给定点的PID控制算法PID控制是最早发展起来的控制策略之一，按偏差的比例积分和微分进行控制的调节器称为PID控制器，它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种调节器但是在实际的工业生产过程中，往往具有非线性，时变不拟定性，难以建立精确数字模型，应用常规PID控制器不能达成抱负的控制效果。因此，运用神经网络的自学习能力和逼近任意函数的能力，把神经网络与传统的PID控制有机结合寻找一个最佳的PID非线性组合控制规律，将在一定限度上解决传统PID调节器不易在线实时整定参数，难于对一些复杂过程和参数慢时变系统进行有效控制的局限性，从而提高控制器对系统与环境的适应能力和控制效果。 美国海湾石油公司于1954年10月，建成世界上第一套自动监控输送系统(简称LACT)装置，解决了原油的自动收集、解决、计量和输送问题，到1967年终，美国陆地石油公司己有75%的原油采用LACT装置。在LACT应用的同时，一些原油解决站出现了以闭环控制为特点的就地自动化控制系统。从六十年代末期以后，计算机及PLC技术已开始应用于油田联合站内的部分生产系统中，但此时联合站集输系统还是处在简朴常规仪表控制时期。随着集输工艺上计量站的形成和中心解决站(简称联合站)的产生，集散控制系统(简称DCS)开始应用于联合站集输系统中代替常规仪表。进入九十年代，DCS的功能越来越强，工作也越来越可靠。如HONEYWELL公司的TDC3000系统、FISHER-ROSEMOUNT公司的PROVOX系统等数十个厂商的DCS都在油气解决站有所应用。随着通信技术的发展，SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition)即监控与数据采集系统越来越多地应用于油田生产控制与管理中。1.3研究目的研究目的是拟建于陕西省吴起槐树庄地区的联合站。可在一块大约是600m500m的区域上优先征用。站址周边无大型企事业单位及大型建（构）筑物，距离矿场油库32公里。该地区地势较平坦开阔，土质为黄土。1.4研究的内容1. 计算及说明书部分内容 （1）该联合站原油解决能力计算，原油、天然气物性计算； （2）方案设计（拟定解决工艺和方框流程）； （3）重要设备选型计算： a. 分离器的台数、尺寸； b. 缓冲罐的大小、台数； c. 脱水器的台数、尺寸； d. 加热炉的台数、热负荷、热效率； e. 泵的规格、型号、类型、功能、台数； f. 储油罐的个数、容量、防火堤等。 （4）根据地形测图拟定总平面布置；一般应提出2个以上的布置方案，选优拟定。应考虑的因素涉及：平面、竖向、分区、道路、防火间距、消防、风向、周边环境、绿化、油气流向、管线布置等；（5）撰写该联合站总平面布置说明书，完毕工程说明书的编制；（6）根据平面布置图和方框流程图拟定联合站的工艺流程，撰写流程说明，涉及正常操作时的油气水流向、事故（停电）、站内循环时油气流向；（7）进行站内水力、热力计算和设备（如分离器、电脱水器、缓冲罐、加热炉、泵等）的选型计算及数量的拟定，完毕工艺计算 2设计说明书2.1设计资料2.1.1设计规模： 原油解决能力：240万吨年（纯油）（综合含水按75计）预留原油接转能力60万吨年天然气净化能力30万m3/d 系统配套工程：变电所一座，设立双路电源供电；加热设施，消防泵房一座，通讯装置一套，道路。2.1.2设计基础数据 （1）原油物性： 密度：865.8kg/m3(20) 粘度：（50）22.8mPas 原油初馏点：87 凝固点：28 原油含蜡：38.9 含胶质：22.5 含沥青质：11.7 含硫：1.9% 平均气油比：32Nm3 /t 气液进站温度：38 气液进站压力：0.56MPa （2）天然气物性 伴气愤组分CH4：86.71 C2H6：4.77C3H8：4.39 C4H10：1.37C5H12：1.12 C6H14：0.19C7H16：0.18 C8H18：0.04CO2：0.19 N2：1.04 （3）气象、工程地质及水文资料 地震等级：按6级烈度设防 地耐力：7t/m2 月平均最高温度：30.2，月平均最低温度：15 最小频率风向冬季S，风频5；夏季W，风频4。月平均风速：5.2m/s 最大冻土深度：1.3m （4）参考设计参数 三相分离器进口温度：55 三相分离器出口温度：55 三相分离器控制压力：0.5MPa 三相分离器出口原油含水：30 原油缓冲罐控制压力：0.15MPa 电脱水器控制压力：0.3MPa 电脱水器脱水温度：55 电脱水器入口原油含水应 10min检修时一台停用，min，满足沉降时间5-30分钟的规定。2、校核气体解决量、计算天然气的压缩因子标准状况下天然气的密度为0.8633天然气的相对密度为由油气集输P140式(4-69)，求天然气的临界参数。当时：临界压力：（55.310.4）4.6802临界温度：12238122380.79780.5=206.4767K对比压力： 对比温度： 由油气集输，满足0，1.25时，天然气的压缩因子可用下述简便方法计算： (3-7) = =0.9935、气体允许流速计算分离条件下气体密度由油气集输P143式（4-80）计算分离条件下的气体粘度： 所以 =0.0117mPas=1.1710-5Pas已知油水的体积比，则液相密度取油、水两相密度近似值为 由于液相为复杂的油水乳状液，在管子中还也许存在游离水，油水混合物的粘度很难拟定，查油气集输取油水混合物的粘度近似为纯油的5倍。 阿基米德准数 (3-8) 式中 油滴直径，取10-4 原油解决密度 =214.2387查油气集输表(3-11)知，油滴沉降流态处在过渡流，则雷诺数由油气集输P89式(3-46)知：，则油滴均匀沉降速度对卧式分离器，由油气集输式(3-61)知，取允许气体流速为、理论气体解决能力计算 由油气集输P93式(3-68)计算，取载荷波动系数 (3-9)=5.2128105Nm3/d77720.5483Nm3/d综上所得，选用5台卧式三相分离器，完全可以满足生产规定。3.3.2 缓冲罐的选取与计算从三相分离器出来的油水混合物含水30%，出口温度55，由于管线较短并且外包有保温层，所以温降忽略，进缓冲罐的温度为55。由 可得所以根据油田油气集输手册P47表2-1-6，选取分离缓冲罐规格为，停留时间为15分钟，其解决量为。所以缓冲罐台数为台拟定缓冲罐台数为n =1台，其停留有效容积为175m3。由于罐内压力超过控制压力时，控制阀会自动打开，所以缓冲罐的罐压力可保持在0.15。3.3.3 电脱水器的选取与校核 操作条件电脱水器脱水温度：55 操作压力：0.3MPa进口原油含水：30%出口原油含水：0.5%出口污油含水：0.5%由油田油气集输手册P63表2-3-1，欲选300017000的电脱水器，其空罐容积为127.8m3，由于电脱水器的停留时间一般为40min60min之间，现取为40min。1、拟定电脱水器台数由油田油气集输手册式（2-3-1）得 (3-10)式中 V 单台电脱水器解决的含水原油体积流量，m/(h台); Vi 电脱水器空罐容积，m3/台; t 含水原油在电脱水器中的停留时间，h。则 拟定电脱水器的台数： 取n =3台。式中 n电脱水器台数，台； 脱水站经电脱水器解决的含水原油体积流量，m3/h； V单台电脱水器解决的含水原油体积流量，m/(h台)。2、电脱水器的校核单台电脱水器的实际体积流量：实际的停留时间：40min满足电脱水器停留时间的规定。当其中一台电脱水器检修时，n=2台，单台电脱水器的体积流量为： 且120%V =1.2191.7=230.04m3/h271.9297m3/h即,所以应选取4台300017000mm的电脱水器满足生产。3.3.4 加热炉的选取与计算站内油品需要三次经加热炉加热：（1）从进站阀组出来的含水油到三相分离器要加热a、含水原油进入三相分离器所需加热炉原油进入三相分离器前温度为38，三相分离器的操作温度为55，因此取加热炉加热到55，此时油水两相共存，所需热量按两部分计算。原油含水为75，则：=/=9244.76385.20 b、加热纯原油时的所需热量由油田油气集输设计技术手册式(7-1-1)，计算加热炉的热负荷： (3-11)式中 被加热介质所需热负荷，计算值应圆整至系列值，KW；被加热介质的质量流量，t/h；被加热介质的定压比热容，KJ/(Kg) ；被加热介质的入炉温度，；被加热介质的出炉温度，。据油库设计与管理计算油品的比热：平均温度 ：=7890.411/241.845(55-38) / 3.6=2864.40 kw c、计算加热原油中所含水所需的热量 (3-12)=1155.64.217/3.6=22119.4 kw加热含水75的原油共需热量为： kw 查油田油气集输设计技术手册上册P605，选用6台微正压式水套加热炉，型号为HJ4000-H/2.5-Q。（2）停电流程加热炉的校核停电流程：原油罐经加热炉至循环泵再到电脱水器。油品温度为4550。848.677kg/，328.9t/h328.9/848.677387.5873含水按30（体积）计，则：387.58730.31/0.7166.1057t/h加热纯油所需热量：=2554.7945 kw加热原油中所含水所需的热量：166.10574.2（55-45）/3.61937.9 kw加热含水的原油共需热量为： kw应据停电流程选用6台微正压式水套加热炉型号为HJ4000-H/2.5-Q，用于含水原油的加热, 这样以上所选的加热炉满足规定。（3）、净化原油外输前加热净化罐储油温度：4550，净化原油外输温度：60；因此取加热炉加热到60，此时为含水0.5%的净化油，可忽略含水，以纯油对待。油品的比热 由油田油气集输设计技术手册知，此过程亦需选用型号为HJ1250-H/2.5-Q的微正压燃烧水套加热炉。所需的台数为：，取n=2台所以，选用6台HJ4000H/2.5Q和2台HJ1250H/2.5Q水套加热炉满足设计规定。3.3.5 罐的选取与计算本联合站设计中需要两种油罐：净化油罐和停电流程中的储油罐，这两种罐可以互为备用。下面对这两种罐进行计算：1、净化油罐站内所需净化油罐的总容量由油库设计和管理式(1-3) (3-13)式中 Vs油田油库设计总容积，； G油田预计全年输往该油库的原油量，； 储存温度下的原油密度，；油罐运用系数，取0.85； N油田储油罐的储备天数，N 取3天。已知储罐储存原油的温度为4550，取其平均温度t =47.5。计算出此温度下原油的密度油田预计全年输往该油库的原油量所以 根据油库设计管理选取规格为10000的金属浮顶罐，其台数为：所以需10000的净化金属浮顶罐的台数为 n =4台。2、停电流程时的储罐取停电时间为1天，经三相分离器后，原油含水为30%，则停电一天进入事故罐的原油及水的总体积为根据油库设计管理选取10000的金属浮顶罐，其台数为：因此在停电情况下，需10000的事故罐的台数为n =2台。每台解决量所以此联合站共需10000的金属浮顶罐的台数为：台，其中备用油罐2台。3.4 站内工艺管线的选取及水力、热力的计算为满足工艺和油田生产规定，本联合站的设计过程中采用：有泵密闭流程以及事故停电流程。管路的工艺计算与设备校核也应针对这两种流程分别进行，并根据实际的生产工况及油罐参数的拟定，来进行相关的工艺计算，以选取管路的型号、长度，和进行压降、温降的计算，从而满足设备的工作性能。3.4.1 进站阀到加热炉到三相分离器汇管计算与选取该段管路属于气液两相混输管路，原油和天然气在一定压力下可以互溶；部分天然气溶于原油，使原油的密度、粘度等物性发生改变，但影响不大。而同时天然气自身也会发生变化，这在计算时应予以考虑。考虑到三相分离器和管路的有效运用问题，从进站阀组到油、气、水三相分离器选用6条管线，分别进入6个三相分离器中，这样可以减小气液分派不均的缺陷。1、管线管径的拟定、液相流量计算已知G =7890.411t/d，原油流量为 原油含水率为75%，所以进站的液相流量为、气相流量计算天然气的解决能力进站条件下，气体流量由气体状态方程可得： 式中，Ps,、Ts,工程标准状态下的压力、温度，则、拟定管径油气液混合物的流量每根管的流量近似取由于38时，原油粘度v=4.310-5m2/s，取吸入管路的经济流速为。管径由下式拟定 (3-14)式中 所以 根据油田油气集输设计技术手册P697表8-1-1选用的管线管径4267，公称直径DN=400的无缝钢管。则混合物的实际流速为2、管路压降的计算用均相型模型计算水平气液两相管路压降，假设气液两相在管路中混合均匀，采用杜克勒I法计算。由油气集输P154式（4-111）得 (3-15)其中，为气液混合物的水利摩阻系数，可由公式得出 所以流体处在层流区。 则管线安装时所选用的弯头、闸阀查油田油气集输设计手册。此段管路上的阀件见表3-4-1(A)。表3-4-1(A) 管路阀件名 称 个 数Ld/d当 量 长 度总计(m)90弯头 3303300.412074.5720闸 阀4184180.4120通过三通24.524.50.4120转弯三通140400.4120该管段管路的当量长度为 所以水平管路的压降2.从加热炉到三项分离器： 由于温度对管线影响不大，所以选取管线尺寸一致。 从加热炉到三项分离器的阀件见表3-4-1（B） 表3-4-1（B） 管路阀件名 称数量Ld/d当 量 长 度总计(m)90弯头 4304300.36391.1130闸 阀6186180.363转弯三通1231230.363该管段管路的当量长度为 所以水平管路的压降Pa 进站压力0.56MPa 加热炉消耗的压力2.5Pa 三项分离器的进口压力0.5MPa 管线消耗压力 0.04MPa 满足管线压降3.4.2 三相分离器到缓冲罐管线计算与选取本设计中三相分离器的操作压力为0.5MPa。从6台三相分离器中分离出的含水原油的质量流量为 （3-16） 此时的密度为 流量为 取经济流速为，则管径 考虑到压降限制，故选择管径大一些的钢管，根据油田油气集输设计技术手册表8-1-1初选，公称直径DN=350mm的无缝钢管。 则混合物的实际流速为三相分离器出口原油含水率为30%计算，L=100 ，t=55。由油气集输P204式（5-3），Guth公式 (3-17)式中 原油的粘度，； 温度条件相同时原油粘度，； 含水体积分数。 运动粘度 雷诺数所以，流体处在水利光滑区。根据油田油气集输设计技术手册知，此时摩阻系数为 此段管路上的阀件见表3-4-2表3-4-2 管路阀件名 称数量Ld/d当 量 长 度总计(m)90弯头 4304300.36391.1130闸 阀6186180.363转弯三通1231230.363所以此段关系的当量长度为该段管路的沿程摩阻损失由达西公式得 （3-18）3.4.3 缓冲罐到中间增压泵到电脱水器间的管线计算与选取由于缓冲罐控制压力为0.15MPa，而电脱水器控制压力为0.3MPa，故要在中间设立增压泵，缓冲罐顶部设有抽气装置。在此段含水原油的含水率按30%计算。1、从缓冲罐到中间增压泵取流体的经济流速v=1.5m/s，管长L= 270 m。，则管径考虑到减少压降，故选择管径大一些的钢管，根据油田油气集输设计技术手册P697表8-1-1初选7mm，公称直径DN=350mm的无缝钢管。 则混合物的实际流速为：此段的操作条件与三相分离器到缓冲罐间的操作条件相近，故油水混合物的物性参数值与其一致。混合物的平均密度 运动粘度 雷诺数 所以，流体处在水利光滑区，根据油田油气集输设计技术手册知，此时摩阻系数为 此段管路上的阀组见表3-4-3（A）表3-4-3（A） 管路阀件名 称数量Ld/d当 量 长 度总计(m)90弯头 1301300.363270.7980过滤器410041000.363流量计4454450.363闸 阀5185180.363转弯三通2232230.363注：表中过滤器安装在泵入口油品在该段管道的摩阻损失为 (3-19) 2、从增压泵到电脱水器由于流体经增压泵后，粘度、密度等变化不大，故所有物性同上，油水混合物的物性计算（操作温度55）。取管长L= 270 m。混合物的平均密度 运动粘度 取流体的经济流速，则管径 考虑到压降限制，故选择管径大一些的钢管，根据油田油气集输设计技术手册表8-1-1初选，公称直径DN=350mm的无缝钢管。 则混合物的实际流速为 雷诺数 所以，流体处在水利光滑区，根据油田油气集输设计技术手册知，此时摩阻系数为 此段管路上的阀组见表3-4-3（B）表3-4-3（B） 管路阀件名 称数量Ld/d当 量 长 度总计(m)90弯头 3301300.363229.7790流量计6456450.363闸 阀6186180.363转弯三通5455450.363油品在该段管道的摩阻损失为 缓冲罐与电脱水之间的高差为零。所以，从缓冲罐中间增压泵电脱水器管路上的摩阻损失为3.4.4 电脱水器到原油稳定区之间管线的计算与选取从电脱水器出来的原油含水率0.5，（按0.5%计算），t =55。此条件下，。取此间管长。此时油品的密度：由Guth公式计算出其粘度 运动粘度 原油体积流量污水体积流量总流量取经济流速，则管径为根据油田油气集输设计技术手册表8-1-1初选