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节流阀的选型1

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重庆科技学院

《油气集输工程》
课程设计报告

学院: 石油与天然气工程学院 专业班级: 油储2012-2
学生姓名: 郑丽颖 学 号: 2012443158
设计地点（单位） K802
设计题目: 某低温集气站的工艺设计——节流阀选型
完成日期： 2014 年 6 月 26日

指导教师评语:

成绩（五级记分制）:
指导教师（签字）:________________

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摘要

节流阀又叫膨胀阀，是一种十分简单的制冷元件，其工作原理是气流产生了焦耳—汤姆逊（J—T）效应。
通过改变节流面积或节流长度以控制流体流量的阀门。由于节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关，阀的刚度小，且没有压力补偿措施，故只适用于执行元件负载变化很小且速度稳定性要求不高的场合。在天然气矿场，节流阀被广发用来节流调压和作为经常开关的截止阀门。
本文主要讲述了某低温集气站的工艺设计——节流阀设计选型。通过提供的天然气井产量、进站压力及进站温度等基本物性资料计算求得节流阀的通径，然后查表选出适合的节流阀用于设计中的节流降温，同时能够防止水合物的生成，达到生产要求。
关键字：节流阀 设计 计算 选型

目录

摘要 I
1 绪论 1
2 设计范围 2
3 设计参数、工艺流程图的简析 3
3.1基本数据 3
3.2天然气相对分子质量 4
3.3空气相对分子质量 4
3.4 工艺流程简析 4
4 节流阀公称压力、公称直径计算 6
4.1 天然气的相对密度 6
4.2 求压力以及温度 7
4.3 节流阀直径的计算 9
5 节流阀选型 13
6 总结 16
参考文献 17

1 绪论

节流阀的工作原理是气流产生了焦耳—汤姆逊（J—T）效应，即在节流膨胀时，随压力的变化，为维持焓值不变，其温度也要变化。节流阀只适用于执行元件负载变化很小且速度稳定性要求不高的场合，因为节流阀的刚度小，节流阀通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门，节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关。对于执行元件负载变化大及对速度稳定性要求高的节流调速系统，必须对节流阀进行压力补偿来保持节流阀前后压差不变，从而达到流量稳定。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。节流阀的外形结构与截止阀并无区别，只是它们启闭件的形状有所不同。节流阀的启闭件大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流量和压力。节流阀供在压力降极大的情况下作降低介质压力之用。
节流阀有以下特点：1、构造较简单，便于制造和维修，成本低2、调节精度不高，不能作调节使用。3、密封面易冲蚀，不能作切断介质用。4、密封性较差。
在天然气矿场，节流阀被广发用来节流调压以达到处理所需要的压力范围。本次设计的课题是某低温集气站工艺设计，我们小组主要负责节流阀的设计计算及选型。节流阀在本次设计中主要起节流降压的作用，以保证降低到分离器所能承受压力范围，以及保证天然气出站压力在6MPa。

2 设计范围

首先根据课设设计任务书确定我们本次的任务为某低温集气站工艺流程，根据各小组的任务，确定我们本次工艺流程中需要出现节流阀、流量计、抑制剂注入器、分离器以及凝析油的回收工艺。
全组人员一起讨论低温集气工艺流程，根据选题要求确定该流程需要二级节流、二级分离以及凝析油的回收、稳定，画出流程图，节流阀在图上共有六处，分别有五处一级节流和一处二级节流，我选择的是4、5、6井经过高压分离器前的一级节流阀。
首先根据给出的进站压力、进站温度，以及所要求的出站压力，通过查图得到天然气在不形成水合物条件允许下达到的膨胀程度，确定一级节流计算后的压力，然后通过水合物的压力和温度曲线，计算出一级节流后的压力和温度，再计算天然气的压缩因子，由产量、压力、温度以及压缩因子计算出节流阀的直径，通过这些对节流阀进行型号的挑选。

3 设计参数、工艺流程图的简析

3.1基本数据
根据任务书要求基本数据如下：
表3.1基本数据
井号
产量（104m3/d）
进站压力（MPa）
进站温度（0C）
1
39
17
32
2
29
17
32
3
26
17
32
4
13
12
32
5
9
12
30
6
12
12
31

气体组分
C1
C2
C3
C4
C5
C6
H2S
CO2
比例（%）
85.33
2.2
2.0
1.8
1.5
0.9
7.1
2.2
表3.2天然气气体组成

经天然气集气处理后的天然气出站压力最终降低到6Mpa，给定天然气露点小于-5℃。该天然气中凝析油的含量为20g/m3，凝析油的相对密度SL=0.78。下面根据以上数据对天然气相对分子质量进行计算。

3.2天然气相对分子质量
根据课程设计任务书中气体组成（%）：
-85.33，-2.2，-2.0，-1.8，-1.5，-0.9，-7.1，-2.2
由气体的相对分子质量公式（引用课本2-1）：
（3-1）
式中 M——天然气的相对分子质量
Yi——组分i的摩尔分数
Mi——组分i的相对分子质量
即
M=16×82.3%+30×2.2%+44×2.0%+58×1.8%+7.2×1.5%+86×0.9%+34×7.1%
+44×2.2%
=13.6258+0.66+0.748+0.9048+0.8856+0.774+2.142+0.3432
=20.016
3.3空气相对分子质量
气体平均相对分子质量（M）=各种气体的相对分子质量×各自的体积分数
空气中的主要成分为氮气占4/5，氧气占1/5。
空气平均相对分子质量 = = 29
3.4 工艺流程简析
首先根据课程设计任务书要求，我们的工艺流程需要是低温集气工艺，在工艺流程中需要出现节流阀、流量计、抑制剂注入器、分离器以及凝析油的回收工艺。
井站来气后，1、2、3井由于产量过高，作为主要生产井，因此单独分离计量，4、5、6井产量较低，因此采用轮换计量的工艺流程。4、5、6井轮换计量有两条管线，与1、2、3井三条管线分别进入各自的节流阀，经过一级节流降压到高压分离器允许的入口压力范围后，进入高压分离器进行一级分离，然后对气、液两项分别进行计量，之后天然气加入抑制剂，防止二级节流生成水合物，液烃进入闪蒸分离器稳定。天然气加入抑制剂后进行预冷、二级节流，进入低温分离器。液烃在闪蒸稳定后也进入低温分离器，进行二级分离后，对输出的冷天然气能量回收，作为上述预冷装置中的冷气，最终天然气去天然气集气管线，液烃进入稳定装置。

根据任务书要求，我们对该低温集气站工艺流程进行了讨论制定，最终确定了流程图如下：

图3.1 工艺流程图
1—采气管线；2—进站截断阀；3—节流阀；4—高压分离器；5—孔板流量计；6—装置截断阀；7—乙二醇注入器；8—换热器；9—低温分离器；10—液位控制阀；11—闪蒸分离器；12—液体流量计；13—压力调节阀；14—液位控制阀

4 节流阀公称压力、公称直径计算

本次设计主要根据课程设计任务书的数据要求，对节流阀的公称压力以及公称直径进行计算，然后以得到的公称直径和公称压力为依据，选择所合适的节流阀。具体数据如下：
表4.1基本数据
井号
产量（104m3/d）
进站压力（MPa）
进站温度（0C）
1
39
17
32
2
29
17
32
3
26
17
32
4
13
12
32
5
9
12
30
6
12
12
31
气体组分

C1
C2
C3
C4
C5
C6
H2S
CO2
比例（%）
85.33
2.2
2.0
1.8
1.5
0.9
7.1
2.2

表4.2天然气气体组成
经天然气集气处理后的天然气出站压力最终降低到6Mpa，给定天然气露点小于-5℃。该天然气中凝析油的含量为20g/m3，凝析油的相对密度SL=0.78
4.1 天然气的相对密度
在天然气的集输中，当气体流经节流阀时产生急剧的压降和膨胀，温度也就骤然降低，这就有可能在节流处生成水合物阻塞阀门或管道，影响生产的正常进行。如果适当控制节流阀的开启度，就可以达到调压的目的，而又不生成水化物。
计算天然气相对密度（引用课本公式2-4）：
（4-1）
式中 S——天然气相对密度
M天——天然气的相对分子质量
M空——空气的相对分子质量
求得天然气的相对密度约为0.7。
查相应的图4.1，相对密度为0.7的天然气在不形成水合物的条件允许达到的膨胀程度，查的天然气的最终压力，以此求的天然气出节流阀后的温度值。在天然气的集输中，当气体流经节流阀时产生急剧的压降和膨胀，温度也就骤然降低，这就有可能在节流处生成水合物阻塞阀门或管道，影响生产的正常进行。如果适当控制节流阀的开启度，就可以达到调压的目的，而又不生成水化物。
4.2 求压力以及温度

图4.1 相对密度为0.7的天然气在不形成水合物
的条件允许达到的膨胀程度
由于4、5、6井分别经过一次高压分离后，需要与1、2、3井汇合后进行低温分离，因此一级节流后需要保证6口井压力相同，为了工艺考虑，在一级节流前不加抑制剂，因此需要保证一级节流后不形成水合物，而4、5、6井的进站压力低于1、2、3井，温度相差不大，因此保证1、2、3井不形成水合物即可保证4、5、6井不形成水合物。
井口1的进站压力为17MPa；进站温度T32℃。查上图4.1，相对密度为0.7的天然气在不形成水合物的天然气允许达到的膨胀程度，得到该状态下天然气不形成水合物的最低温度约为10MPa，因此一级节流的输出压力需要高于10MPa，以保证节流后不会形成水合物，即天然气经节流阀第一次节流后的出口压力为P2=10MPa。

图4.2 给定压力降所引起的温度降

修正：凝析油20g/m3 SL=0.78
凝析油密度：ρ = SL×ρ水 = 0.78×1000 = 780kg/m3
单位换算：20g/m3=20×10-3÷780×106=25.6m3/Mm3
从上图呀查的凝析油含量为25.6前后的温度修正值：
凝析油含量为22.6时，t=+5.6℃
凝析油含量为28.3时，t=+8.3℃
用线性内插法求算凝析油含量为25.6m3/Mm3时对温度的修正值：
t = ℃
设生产分离器前的节流阀为1，节流前的温度为T1、压力为P1，节流后的温度为T2、压力为P2。计量分离器前的节流阀为2，4、5、6井轮换计量时，节流前温度分别为T4,1、T5,1、T6,1，压力分别为P4,1、P5,1、P6,1，节流后温度分别为T4,2、T5,2、T6,2，压力分别为P4,,2、P5,2、P6,2。
节流阀1：
压力降：ΔP = P1–P2 = 12MPa - 10MPa = 2MPa
再查图4.2，由给定的压力降得温度降ΔT=7℃，T1选择4、5、6井中温度最低的，以确保三口井降温后都高于水合物形成温度，保证不生成水合物。
ΔT=T1 –T2
T2= T1–ΔT=30－7 = 23℃
修正后节流阀1的出口温度：T2= 23+6.9 = 29.9℃
天然气经过节流阀1后的压力和温度为P2=10MPa；T2=29.9℃。经查图验证经过节流阀1后不会形成水合物，因此在节流阀1前不需要加抑制剂。
节流阀2：
压力降：ΔP = P4，1–P4,2= 12MPa - 10MPa = 2MPa
P4,1=P5,1=P6,1=12MPa
P4,,2=P5,2=P6,2=10MPa
再查图4.2，由给定的压力降得温度降ΔT=7℃，该流程为轮换计量，因此分别算出4、5、6井分别计量时经过节流阀2后的温度：
T4,2=T4,1－ΔT=32－7=25℃
T5,2=T5,1－ΔT=30－7=23℃
T6,2=T6,1－ΔT=31－7=24℃
修正后节流阀2的出口温度：
T4,2=25+6.9=31.9℃
T5,2=23+6.9=29.9℃
T6,2=24+6.9=30.9℃
天然气经过节流阀2后的压力和最低温度为P4,,2=P5,2=P6,2=10MPa；T5,2=29.9℃，经查图验证经过节流阀2后不会形成水合物，因此在节流阀2前不需要加抑制剂。
4.3 节流阀直径的计算
4、5、6井汇管后，通过节流阀1，经一次节流后
有，属于非临界流动。
计算节流阀直径（引用网上公式）：
（4-2）
式中 d计——节流阀的计算直径，mm；

Q0——流过节流阀的气体流量,m3/d；
P1,P2——分别为阀前、后的压力，MPa(绝)；
T——阀前的气体温度，K；
Z——气体的压缩系数。
其中Q0 , P1 , P2 ,T 由前面得知，然后求气体压缩系数Z。
已知天然气的相对密度S=0.7，对于凝析气藏气（引用公式2-7）：
（4-3）
计算拟对比参数（引用课本公式2-11、2-12）：
拟对比压力： （4-4）
拟对比温度： （4-5）
当经过节流阀1，第一次节流时的拟对比压力和拟对比参数带入公式（4-4）、（4-5）进行计算：
；
由求得的Ppr=2.60，Tpr=1.42

图4.3 天然气压缩因子图版
从图4.3查得天然气在拟对比压力2.6时的压缩因子为：
拟对比温度为1.45时，Z=0.77
拟对比温度为1.40时，Z=0.73
用线性内插法求算拟比温度为1.42时的天然气压缩因子：

将已知条件都代入计算直径公式求节流阀1的直径：

因为通过直径为计算直径的1.5～2倍，所以取d 1=2d计 。
则井1经过的第一个节流阀阀1的通过直径d 1=10.72×2=21.44㎜。
同理求节流阀2的直径：

阀2的通过直径应取4、5、6中最大的直径数值，即d 2=9.44mm

5 节流阀选型

节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种；按启闭件的形状分，有针形、沟形和窗型。
表5.1设备型号
型 号
公称压力
PN/MPa
试验压力/MPa
工作温度/℃
适用介质
壳 体
密封（液体）
IA1H-64
6.4
9.6
7.04
≤350
水、蒸汽、油品等无腐蚀性介质
IA1W-64P
≤150
弱腐蚀性介质
IA1W-64H
腐蚀性介质
LA1H-100
10.0
15.0
11.0
≤350
水、蒸汽、油品等无腐蚀性介质

型号：J44Y-160、J44Y-220、L44Y-160、L44Y-220
公称直径DN/mm
尺寸/mm
重量(kg)
J型/L型
L
D
D1
M
D2
DN
b
Z-Φd
L0
H
H1
3
60
70
42
M14×1.5
10
3
15
3-16
110
90
100
2
6
60
70
42
M14×1.5
10
6
15
3-16
150
102
115
2
10
90
95
60
M24×2
18
11
20
3-18
250
207
217
5.74/5.75
15
105
95
60
M24×2
20
15
20
3-18
250
202
217
6.04/6.1
25
120
105
68
M33×2
28
23
20
3-18
300
235
255
9/9.1
32
135
115
80
M42×2
37
29
22
4-18
300
232
258
10.7/10.8
40
165
165
115
M52×2
47
39
28
6-26
350
275
310
19.8/20
50
190
165
115
M64×3
60
50
32
6-26
400
313
355
29.63/30.2
65
215
200
145
M80×3
73
65
40
6-29
650
430
490
77/78
80
260
225
170
M100×3
93
80
50
6-33
720
510
590
111/112
表5.2 截止（节流）阀的结构尺寸及质量

表5.3 截止（节流）阀的结构尺寸及质量
型号：J44Y-320、L44Y-320
公称直径DN/mm
尺寸/mm
重量(kg)
J型/L型
L
D
D1
M
D2
DN
b
Z-Φd
L0
H
H1
3
60
70
42
M14×1.5
10
3
15
3-16
110
90
100
2
6
60
70
42
M14×1.5
10
6
15
3-16
150
102
115
2
10
90
95
60
M24×2
18
11
20
3-18
250
207
217
5.74/5.75
15
105
102
68
M33×2
27
15
20
3-18
250
202
217
6.78/6.79
25
120
115
80
M42×2
35
23
22
4-18
300
235
255
10.1/10.11
32
135
135
95
M48×2
41
29
25
4-22
300
232
258
12.93/13.1
40
165
165
115
M64×2
58
39
32
6-26
350
275
310
22.8/23.1
50
190
200
145
M80×3
70
50
40
6-29
400
313
355
39.2/39.8
65
215
225
170
M100×3
90
68
50
6-33
650
430
490
90/91
80
260
260
195
M125×3
112
85
60
6-36
720
520
600
148/149

表5.4主要零件材料
零件名称
阀体、阀底座法兰
阀杆、阀瓣
密封面
填料
阀盖手柄
阀杆螺母
材料
碳素钢
不锈钢
硬质合金
氟塑料
碳钢
铸造铝黄铜

根据上述对节流阀的压力以及直径计算得到以下数据:
阀门1的进口压力和求的的通过直径为：12MPa，21.44㎜；
阀门2的进口压力和求得的通过直接为：12MPa，9.44㎜。

根据以上数据以及工艺的需要，同时考虑节流阀的功能材料等，对节流阀进行选择，选定设备如下：
表5.2选定的设备型号
阀门
型号

公称通径
DN/㎜
尺寸/㎜
重量/㎏
L
D
D1
M
D2
DN
b
Z-φd
L0
H
H1
阀1
L44Y-160
25
120
105
68

M33×2
28
23
20
3-18
300
235
255
9/9.1
阀2
L44Y-160
15
105
95
60
M24×2
20
15
20
3-18

250
202
217
6.04/6.1
型号解释：
L44Y-160：节流阀、手柄传动、法兰连接、角式、密封面材料为硬质合金、公称压力为16MPa、阀体材料为碳素钢。

6 结论

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
本次课程设计针对某低温集气站的工艺设计——节流阀的选型，在这次为期两周的课程设计中，我们首先通过小组讨论初步确定工艺流程，由负责画图的同学画出流程草图，得到老师审核通过后，小组对图中出现的节流阀分工，交流确定计算方法，再到最后自己完成课程设计的报告。我们的流程涉及面很广，几乎覆盖所有知识点，流程图略微复杂，因此我们的方案改了很多遍，但是在我们全组同学的共同努力下，以及老师的耐心指导最终我们还是完成了我们的工艺流程图。这次课程设计的每一个步骤，我都学到很多东西，使我基本掌握了各种流程图的设计，在什么样的条件下对流程中设备的选择，以及如何进行节流阀选型。
课程设计从理论到实际，不仅培养了我们的收集信息的能力，还锻炼了我们的团队精神和交流能力，使我们的自学能力得到提高，这些能力为我们以后的学习和工作打下了基础。也让我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有把理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中遇到很多问题，可以说困难重重，但可喜的是最终都得到了解决，把问题变成了知识的增长。
课程设计中也对团队精神进行了考查，让我们在合作中找到默契，在成功后一起体会喜悦的心情，果然团结就是力量，本次课程设计我们配合默契，希望最终能够取得好的结果。

参考文献

[1] 梁平，王天祥.天然气集输技术[M].北京：石油工业出版社,2008.
[2] 油田油气集输设计技术手册编写组.油田油气技术设计技术手册[M].北京：石油工业出版社，1995
[3]曾自强，张育芳.天然气集输工程[M].北京：石油工业出版社，1995