第五屆中國石油工程設(shè)計大賽-地面工程-獲獎作品

作品簡介作品簡介團隊編號：15125005中國石油工程設(shè)計大賽

方案設(shè)計類作品比賽類別地面工程單項組完成日期2015年4月14日中國石油工程設(shè)計大賽組織委員會制作品簡介根據(jù)第五屆中國石油工程設(shè)計大賽方案設(shè)計類賽題基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及此次大賽的要求，秉承著“經(jīng)濟、高效、節(jié)能、環(huán)?！钡脑O(shè)計理念，對頁巖I區(qū)塊的5口在產(chǎn)頁巖氣井及38口新井的地面集輸工程進行了設(shè)計?？傮w方案主要由頁巖氣地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)、頁巖氣集輸增壓及處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。鑒于我國目前在頁巖氣開發(fā)仍處于起步階段，本組在編寫過程中查閱了大量頁巖氣、煤層氣、常規(guī)氣地面集輸工程的文獻，結(jié)合頁巖氣自身特點進行對比，并借鑒美國在頁巖氣開發(fā)中的成功經(jīng)驗，為了提高經(jīng)濟效益，走低成本之路，本設(shè)計積極采用新技術(shù)，新工藝和新設(shè)備。根據(jù)實際情況采用了如下新技術(shù)：（1）針對設(shè)計區(qū)塊頁巖氣開采初期壓力、產(chǎn)量大，之后衰減較快的特點，采用井口兩級節(jié)流至7MPa，高壓氣體經(jīng)閥組進中央處理廠，廠內(nèi)無需再增壓的集輸工藝。（2）井間串接方式簡化了采氣管網(wǎng)，增加了處理廠轄井?dāng)?shù)量，既降低了采氣管網(wǎng)的投資，也有利于生產(chǎn)運行管理。（3）采用“枝上枝”集輸管網(wǎng)系統(tǒng)，簡化集輸管網(wǎng)，節(jié)省投資。（4）為適宜氣田滾動開發(fā)方案，單井、集氣閥組、中央處理廠關(guān)鍵設(shè)備采用撬裝化，一體化，減少施工工程量。（5）為適應(yīng)氣井壓力衰減，采用高壓天然氣進處理廠的工藝，提高進廠壓力，提高裝置運行壓力，降低設(shè)備尺寸，同時在不增壓的情況下滿足外輸壓力需要。(6)采用壓裂返排液就地簡易處理，用于下次壓裂酸化，氣井采出水在中央處理廠集中處理，補充生活用水的污水處理工藝，達到節(jié)約水資源，保護環(huán)境，節(jié)省投資的目的。(7)中央處理廠至外輸點管線大型河流段采用定向鉆穿越方案，在安全可靠的基礎(chǔ)上節(jié)省投資，保護環(huán)境。本設(shè)計方案通過計算，確定了采氣井口流體的溫度；通過HYSYS軟件模擬計算，確定了輸氣管線管徑，根據(jù)實際情況選擇管材，確定了管道壁厚；利用HYSYS軟件預(yù)測采氣管線沿途水合物生成條件，確定是否采取水合物防止措施用HYSYS軟件模擬醇氨法脫除硫化氫流程，確定最佳MDEA濃度，模擬三甘醇脫水流程，確定最佳TEG循環(huán)量，并根據(jù)管輸水露點要求，確定吸收塔塔板數(shù)，通過運行結(jié)果得到工藝中其他設(shè)備的工藝參數(shù)，根據(jù)上述計算模擬結(jié)果作出適合本地面工程設(shè)計的工藝流程圖。通過集輸流程方案對比，優(yōu)選了集輸方案，選用了適宜、安全的通信、自控、給排水、供電等公共工程，提出了一系列氣田地面工程建設(shè)方案設(shè)計建議。根據(jù)行業(yè)有關(guān)健康、安全與環(huán)境的法律、法規(guī)，提出了地面工程HSE要求。目錄目錄#表D1脫硫單元物料平衡表物流編號S1S2S6S7S4S5S9S10S12S14S13物流名稱原料氣吸收塔下部進料分離器進料甜氣MDEA貧液MDEA富液閃蒸罐進料閃蒸氣再生塔進料酸氣再生后MDEA相態(tài)氣相氣相氣相氣相液相液相液相氣相液相氣相液相溫度，℃40.0040.0042.0542.0541.4450.8450.8350.83105.0040.11120.00壓力，kPa(絕)6400.006400.006380.006380.006400.006350.00600.00600.00560.00130.00180.00摩爾分率(%)N20.850.850.860.860.000.000.000.460.000.000.00CO20.460.430.480.480.330.4816.250.02H2s00.000.032.1877.630.01C197.0097.0098.3098.300.000.070.0795.500.010.370.00C20.370.370.380.380.000.000.000.320.000.000.00C30.010.010.010.010.000.000.000.010.000.000.00iC40.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00nC40.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00H2O30.2355.6986.8286.821.9486.875.7489.20MDEA0.000.000.000.0044.2610.4510.450.0010.460.0010.76密度，kg/m342.3442.3426.4726.471029.061051.17959.243.72988.391.75963.26流率，kmol/h4925.404925.404858.414858.412600.002666.992666.991.602665.3974.442590.95平均分子量16.5416.5416.2716.2728.8729.0629.0616.5429.0734.7028.91附錄附錄88表D2脫水單元物料平衡表物流編號123422589物流名稱原料氣吸收塔下部進料吸收塔上部出料干氣三甘醇貧液三甘醇富液閃蒸罐進料閃蒸氣相態(tài)氣相氣相氣相氣相液相液相液相氣相溫度，℃41.9641.9643.5443.9537.0042.76185.59185.59壓力，kPa（絕）6380.006380.006373.006323.004550.006380.00550.00550.00H20.030.030.030.030.000.000.000.01He0.000.000.000.000.000.000.000.00摩N20.840.840.840.840.000.070.070.54H2s0.000.000.000.000.000.000.000.00爾CO30.230.000.050.050.38Ci98.2898.3498.5098.500.131.281.2810.60分C20.380.380.380.380.000.010.010.09C30.010.010.010.010.000.000.000.00率iC40.000.000.000.000.000.000.000.00nC40.000.000.000.000.000.000.000.00(%)iC50.000.000.000.000.000.000.000.00nC50.000.000.000.000.000.000.000.00H2O10.010.6549.5349.5387.56TEG0.000.000.000.0099.2149.0649.060.81摩爾流率，kmol/h3980.003977.613970.973970.976.5013.1413.141.53

（續(xù)表）物流編號1012131425232415物流名稱閃蒸罐下部出料三甘醇精餾塔放空氣汽提塔進料汽提塔上部出料精餾塔進料汽提氣三甘醇貧液相態(tài)液相液相氣相液相氣相氣相氣相液相溫度，℃185.59149.0096.47195.00188.11188.10180.00183.59壓力，kPa(絕)550.00240.00111.30126.30126.30126.30145.00126.30H20.000.000.000.000.000.000.000.00He0.000.000.000.000.000.000.000.00摩N20.010.010.210.000.450.450.580.00H2s0.000.000.000.000.000.000.000.00爾CO20.010.010.250.000.530.530.690.00Ci0.050.0534.150.0375.8575.8198.130.13分C20.000.000.190.000.410.410.530.00C30.000.000.010.000.030.030.040.00率iC40.000.000.000.000.010.010.010.00nC40.000.000.000.000.010.010.010.00(%)iC50.000.000.000.000.000.000.000.00nC50.000.000.000.000.000.000.000.00H2O44.5444.5465.029.0717.4117.450.010.65TEG55.3955.390.1790.905.315.300.0099.22流率，kmol/h11.6211.627.907.273.553.552.756.47附錄附錄88附錄附錄88附錄E中央處理廠設(shè)備選型E1分離器E1.1重力式分離器E1.1重力式分離器（1）液滴在分離器中的沉降速度（E1）4gd(Pl-Pg)

3pGf（E1）式中w0一液滴在分離器中的沉降速度，m/s；g一重力加速度，g=9.81m/s2；式中dL—液滴直徑，取60x10-6~100x10-6m；pL—液體的密度，kg/m3；pg一氣體在操作條件下的密度，kg/m3；f—阻力系數(shù)。f(Re2)f(Re2)=4gd；(pL-Pg)XPg3〃G（E2）1.0 1.0 0.8 ^二二二二二^:三二二二二二=二二二二二0.62^二一 —— 二二=一W三二三三三二=三三二二二%一氣體在操作壓力下的動力粘度，Pa?s。式中猾卜iM叫U川H”川川IH川口十件冊■1023456781022345678103234567810423456781052345678106尸（氏馬圖E1液滴在氣體中的阻力系數(shù)計算列線圖（2）臥式重力分離器0.350x10-3 卜AT(E3)kk2k4(E3)式中，qv一標(biāo)準狀態(tài)下氣體流量，m3/h；K2一氣體空間占有的面積分率，K2取0.63；K3一氣體空間占有的高度分率，K3取0.6；K一長徑比，K=L/D（p<1.8MPa時，K=3.0； 1.8<p<3.5MPa時，K4=4.0；p>3.5MPa時，K4=5.0）；Z—氣體壓縮系數(shù)（壓縮因子）；T一操作溫度，K；p一操作壓力（絕壓），MPa；D一分離器內(nèi)徑，m；W0—液滴沉降速度，m/s。D=0.350x10-3 qvTZPW0KKi （E4）式中，D一分離器內(nèi)徑，m；qv一標(biāo)準狀態(tài)下氣體流量，m3/h；T一操作溫度，K；Z—氣體壓縮系數(shù)（壓縮因子）；p一操作壓力（絕壓），MPa；W0—液滴沉降速度，m/s。Ki一立式分離器修正系數(shù)，一般取K1=0.8。（3）分離器內(nèi)絲網(wǎng)捕霧器v1mx=K ^L-^g- （E5）\ Pg式中，曦x—氣體通過絲網(wǎng)捕霧器的最大允許速度，m/s；maxKs——桑得-布朗（Souders-Brown）系數(shù)，Ks取0.107m/s。A=Q （E6）匕式中，A一捕霧器的表面積，m2；Q—氣體實際流量，m3/s；匕一絲網(wǎng)捕霧器設(shè)計流速，m/s。取通過絲網(wǎng)捕霧器的最大允許速度的75%。E1.2過濾分離器過濾分離器直徑根據(jù)公式C2計算。（1）過濾元件的流通面積F：F=變2n （E7）4式中，F(xiàn)一過濾元件的流通面積，m2；D一過濾元件慮管開孔直徑，m；N一過濾元件慮管開孔數(shù)量，個。（2）過濾元件數(shù)量：N=Q- （E8）Fv式中，N一過濾元件的數(shù)量，根；Q一操作條件下過濾除塵器的處理量，m3/s；v一氣體通過過濾元件的流速，m/s。E2塔器E2.1塔器結(jié)構(gòu)塔的型式種類繁多，通常按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔和填料塔的簡要對比見表E2。表E2板式塔和填料塔簡要對比對比條件塔型板式塔填料塔壓力降一般比填料塔大較小空塔氣速大小塔效率較穩(wěn)定，大塔板效率較小塔板高塔徑1.5m以下時易保證效率，塔徑較大，效率不易保證液氣比適應(yīng)范圍大對液體噴淋有一定要求持液量較大較小材質(zhì)要求一般用金屬材料制作可用非金屬耐腐蝕材料附錄附錄99安裝維修較容易大直徑塔安裝維修困難（續(xù)表）對比條件塔型板式塔填料塔造價直徑大時一般較填料塔造價低塔徑在0.8m以下時造價比板式塔低，直徑增大，造價顯著增加。重量較輕較重對于脫硫單元，溶液循環(huán)量較大，吸收塔和再生塔均采用板式塔。板式塔有泡罩塔和浮閥塔板兩種，由于浮閥塔盤操作彈性大，效率高，處理能力比泡罩塔高，因此脫硫吸收塔和醇胺富液再生塔均采用浮閥塔。對于三甘醇脫水單元，脫水吸收塔選用泡罩塔，這是由于氣體處理量較大，而三甘醇循環(huán)量較小，吸收塔內(nèi)氣/液比值高，泡罩塔塔盤漏液甚少，有一定液封，能保證氣液良好接觸并具有較大的操作彈性。三甘醇再生塔尺寸較小，應(yīng)選用填料塔。填料塔內(nèi)的填料又分為規(guī)整填料和散裝填料兩大類。散裝填料結(jié)垢后易于清洗，但由于頁巖氣氣質(zhì)較好，進再生塔富液僅含凝析水，電解質(zhì)含量低，再生塔不易結(jié)垢，可采用經(jīng)濟性更好的規(guī)整填料。E2.2填料塔尺寸計算（1）塔徑（E9）D（E9）Vmt式中，D—塔徑，m；VS—氣體體積流量，m3/s；U—空塔氣速，m/s。一般取為最大孔塔氣速（泛點氣速）的0.6~0.8倍。填料塔泛點氣速按下式計算：一2 /八、 "I /r、0.25/c>0.125吸廿｝=175[g] ￡]Lg°<Pl7 」 'G）IPl7 （E10）式中，a/&3—干填料因子，m-1，其中a，°分別為填料比表面（m2/m3）和空隙（m3/m3）；Pg、PL一分別為氣、液相的密度，kg/m3；Hl一液相粘度，cP；G、L一氣液相流體的質(zhì)量流量，kg/h；

"F一泛點氣速，m/s；A一常數(shù)，與填料形狀和材質(zhì)有關(guān)。多種不同材料的A值如表C3所示。表E3多種不同填料的A值填料類型常用A值填料類型常用A值瓷拉西環(huán)0.022金屬鮑爾環(huán)0.942瓷弧鞍0.26金屬階梯環(huán)0.106瓷矩鞍0.176金屬環(huán)矩鞍0.06225瓷階梯環(huán)0.2973金屬板波紋0.291壓延孔板波紋0.35壓延孔板波紋6.30.49表E4金屬板波紋填料的特性數(shù)據(jù)填料型號理論板數(shù)(1/m)比表面積(m2/m3壓力降(MPa/m)空隙率(%)最大動能因子密度(kg/m3)液體負荷m3/(m2?h)SM-125Y1~1.21252X10-498.53.085~1000.2~100SM-250Y2~32503X10-4972.6170~2000.2~100SM-350Y3.5~43502X10-4952.0240~2800.2~100SM-500Y4~4.55003X10-4931.8170~2000.2~100SM-125X0.8~0.91251.4X10-498.53.585~1000.2~100SM250X1.6~22501.8X10-4972.8170~2000.2~100SM-350X2.3~2.83501.3X10-4952.2240~2800.2~100SM-500X2.8~3.25001.8X10-4932.0170~2000.2~100注：最大動能因子的單位為m/[s?(kg/m3)0.5]板式塔最大空塔氣速：(E11)式中，錯誤!未找到引用源。一液相密度，kg/m3；錯誤!未找到引用源。一氣相密度，kg/m3；C一負荷因子，m/s。負荷因子可按下式計算：

(E12)式中，錯誤!未找到引用源。一操作物系的液體表面張力，mN/m；〃）力廣Q75m0.080.10圖E2史密斯關(guān)聯(lián)圖Vh，VL—塔內(nèi)氣、液兩相的體積流量，m3〃）力廣Q75m0.080.10圖E2史密斯關(guān)聯(lián)圖Vh，VL—塔內(nèi)氣、液兩相的體積流量，m3/h；圖。錯誤!未找到引用源。pv,Ph—塔內(nèi)氣、液兩相的密度，kg/m3；錯誤!未找到引用源。一塔板間距，m；錯誤!未找到引用源。一塔上液層高度，m（常壓塔取0.05~0.08m，減壓塔取0.025~0.03m）。（2）塔高板式塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度，可按下式計算:（E13）式中，Z一板式塔的有效高度，m；Nt—塔內(nèi)所需的理論板層數(shù);Et一總板效率;Ht—塔板間距，m。根據(jù)塔徑，按標(biāo)準系列選取。填料塔高度通常使用理論板數(shù)法或傳質(zhì)單元法計算，理論上，傳質(zhì)單元法較為準確，而在實際計算時，常使用理論板數(shù)法。用理論板數(shù)法計算填料層高度的計算

式為:Z=NtXHETP (E14)式中：z—填料層高度，m；Nt一理論板數(shù)；HETP一等板高度，指相當(dāng)于一塊理論板分離程度所需的填料高度，m。E2.3塔器設(shè)計基本參數(shù)及計算結(jié)果表E5其他設(shè)計基本參數(shù)及計算結(jié)果項目脫硫單元脫水單元吸收塔再生塔吸收塔再生塔汽提柱壓力/kPa60001806000126.3145溫度/℃4010542195180氣相質(zhì)量流量/(kg/h)814902646.46470084.545.1氣相密度/(kg/m3)42.341.16241.161.2860.6315氣相粘度/cP0.011730.01420.01320.01130.0159液相質(zhì)量流量/(kg/h)75067748969.310641005液相密度/(kg/m3)1029100611171005970.6液相粘度/cP3.6390.823719.771.2630.6623塔型浮閥塔浮閥塔泡罩塔填料塔填料塔理論板數(shù)43333塔徑計算值/m0.4800.2410.1320.1070.069塔徑圓整值/m0.10.1有效高度/m4.83.2E3換熱器E3.1換熱器結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外普遍采用管殼式換熱器作為貧富液換熱器，該類換熱器換熱效果一般，易結(jié)垢。套管式管熱器需強制冷料和熱料流動，需用泵提供對流動能。不利于流程的簡化。國外一般采用新型的板式換熱器，其體積小、換熱效率高且易于清洗除垢。目前國內(nèi)板式換熱器已應(yīng)用于部分氣田三甘醇脫水系統(tǒng)的貧富液換熱。板式換熱器是一種新型換熱器，由于制造原因，過去主要用在溫度壓力你不高的場合。隨著制造

工藝的改進，新型板式換熱器克服了板框式換熱器無法適用于高溫高壓場合的缺點，可應(yīng)用于氣田處理系統(tǒng)。通過對比分析，三甘醇和醇胺溶液再生系統(tǒng)貧富液換熱器選用波紋板式換熱器。波紋板式換熱器與管殼式換熱器相比，其傳熱系數(shù)高（為管殼式換熱器的3?5倍）、占地面積?。ㄔO(shè)備體積僅為管殼式換熱器的30%左右）、價格低（采用相同材料，在相同換熱面積下，板式換熱器價格比管殼式約低40%?60%）、重量輕、不易結(jié)垢且易于清洗。E3.2板式換熱器選型計算（1）求對數(shù)平均溫差已知換熱器冷、熱流體進出口溫度，可由下式計算對數(shù)平均溫差:（E15）式中，A4一對數(shù)平均溫差，℃；T，T2一分別為貧液進、出口溫度，℃；t1,12—分別為富液進、出口溫度，℃。（2）計算總傳熱系數(shù)假設(shè)富液流速Vc，由下式計算貧液流速：（E16）式中，vh，vc一分別為貧、富液流速，m/s；匕，V2-分別為富液進、出口溫度，℃。由下式計算貧、富液的雷諾數(shù)：（E17）式中，v一流體流速，m/s；錯誤!未找到引用源。一當(dāng)量直徑，0.0048m；Y一流體運動粘度，m2/s。計算貧、富液的怒謝爾特數(shù)和換熱系數(shù)：（E18）附錄附錄99附錄附錄(E19)式中，Nu一怒謝爾特數(shù)；a—換熱系數(shù)，W/(m2?C)；(E19)式中，Nu一怒謝爾特數(shù)；a—換熱系數(shù)，W/(m2?C)；C一比熱容，J/kg?℃不考慮污垢系數(shù)，由下式計算總傳熱系數(shù)K：(E20)式中：K—總傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；Rp一板片熱阻，Rp=8/入；5一板片厚度，m；A一板片材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)。(3)估算換熱面積和板片數(shù)AU-K(E21)式中，A一換熱面積，m2；Q一熱負荷，kW；然后由下式計算板片數(shù):(E22)式中：附一板片數(shù)；S一單片傳熱面積，(4)驗算傳熱系數(shù)實際流速由下式計算:廣瑞)?巴3600(E23)式中，匕一富液實際流速m/s；G—富液質(zhì)量流量，kg/h；f一流道截面積，m2；P2—富液密度，kg/m3；

n一串聯(lián)片數(shù)。2若實際流速與假設(shè)流速接近，則結(jié)束計算，將計算結(jié)