（油气储运工程专业论文）集油站优化设计智能化研究.pdf

i n t e l l i g e n tr e s e a r c ho fd e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o r c e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o n l iy i n g c u n ( o i la n dg a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rk o uj i e a b s t r a c t t h ec e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o na sap a r to fo i la n dg a sg a t h e r i n gs y s t e m ，i st h ei n t e g r a lp a r t o fo i lf i e l dp r o d u c t i o n w h o s et e c h n i q u ep r o c e s sa n de n e r g yc o n s u m p t i o np l a ya ni m p o r t a n t p a r ti nt h eo p e r a t i n gc o s to fw h o l eo i l f i e l d w i t he n t e r i n gt h em i d d l ea n dl a t e rs t a g eo fo u r c o u n t r ym a j o r i t yo fo i l f i e l de x p l o i t a t i o nt h a ti sr i c hi nw a t e r , t h eo p e r a t i n gc o s to fc e n t r a l g a t h e r i n gs t a t i o ns y s t e mi si n c r e a s i n gc o n t i n u a l l y o p t i m i z a t i o no p e r a t i o na n dd e s i g nf o r c e n t r a lg a t h e r i n gs y s t e mi so fg r e a te c o n o m yv a l u e o nt h es y s t e ma n a l y s i sf o u n d a t i o n ，t h eo p t i m i z e dm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt h a t t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sy e a rl o w e s te x p e n s eo ft h ec e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o ns y s t e m ，a n dt h e o p t i m i z e dv a r i a b l e sa r ec h e m i c a lf e e dd o s a g e ，t h ew a t e r - o i li n t e r f a c eh i g h l y a n dt h e t e m p e r a t u r e ，a n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o na r eo i lc o n t e n to fo u t l e tw a t e r , m o i s t u r ec o n t e n to f o u t l e to i la n dm o n o m e re q u i p m e n ts a f eo p e r a t i o na n ds oo n i nc + + b u i l d e r6 0e n v i r o n m e n t ， t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e dt os o l v et h em o d e l ，s i m u l t a n e o u s l y , c a l c u l a t i n ga n dc h o o s i n g e q u i p m e n t sa n do p e r a t i n go p t i m i z a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e df o rc e n t r a lg a t h e r i n g s y s t e m t h ec e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o ns y s t e mi st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h es o f t w a r e o n t h eo n eh a n d ，m o n o m e re q u i p m e n ti sc a l c u l a t e da n dc h o s e nf o rt h ec e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o n s y s t e m ，h a sr e a l i z e de q u i p m e n tc a l c u l a t e da n dc h o s e nc o m p u t e r i z i n g ，g r e a t l ys a v e dt h ed e s i g n t i m e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed o m e s t i cm a j o r i t yo fo i lf i e l d sm a i nf l o w sh a v eb e e na n a l y z e d a n ds e v e r a lk i n d so ft y p i c a lf l o w sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d i nm a yc h o o s eu n d e rt h et e c h n i c a l p r o c e s s ，r e s e a r c ht h ee f f e c t so fk e yo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fc e n t r a lg a t h e r i n gs y s t e mt o s y s t e me n e r g yc o s ta n do p t i m i z et h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sc o n s i d e r i n gs a v i n ge n e r g ya n dc o s t t oa c h i e v er e d u c i n gc o s ta n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yg o a lo fc e n t r a lg a t h e r i n gs y s t e m t h e e x a m p l ec o m p u t a t i o ni n d i c a t e dt h a t ，t h es o f t w a r eh a sab e t t e ra s t r i n g e n c ya n dt h es t a b i l i t y , w h i c hi so p e r a t e df r i e n d l ya n dc o n v e n i e n t l ya n dh a st h ec e r t a i nf i e l da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：c e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，v i s u a l i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：2 , o 。7 年月了。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名垄墓盗 指导教师签名： 如 如 u ，五y 年 年 叩7 期 期 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 油气集输系统是由集输管线以及相关站场组成的油气水收集、处理的综合系统。它 是将分散在油田各处的油井产物加以收集，分离成原油、伴生天然气和采出水，并进行 必要的净化、加工处理使之成为油田商品( 原油、天然气、液化石油气和天然汽油) 以 及这些商品的储存和外输。集油站【l 】是该系统中最重要的组成部分。集油站对各计量站、 转油站来流进行集中处理，其功能主要有：油气水分离、原油脱水、原油稳定、天然气 净化、轻烃回收以及采出水处理和回注等。 长期以来，油田在制定地面工程规划方案时，分工协作；在设计方案及方案对比时， 由人工进行。各种设备和运行方案经常根据经验、手工计算进行选择，不仅工作量较大， 而且很难达到节能降耗和最优的设计方案【2 】。另外，陆上大多数主力油田，如大庆、胜 利、中原、辽河等，已全面进入“双高 ( 高采出程度、高含水率) 和产量总递减阶段， 油田的产液、产油结构发生了较大变化。使得系统的设计条件在很大范围内变化。原油 集输工艺已不能满足现有生产的需要，主要表现为系统效率低、原油处理成本高等【3 】【4 】。 因此，应调整与改造现有的原油集输系统，大力推行节能降耗技术。原油集输系统效率 计算4 胴涉及参数多，计算繁琐。对如此庞杂系统使用人工方法很难做出最佳的设计方 案，因此开发出智能化的优化设计软件【6 】，可减轻管理及技术人员的工作量，提高工作 效率，实现集输系统设计及能耗分析的科学化与智能化，以达到整体的最优化设计方案。 集油站系统在进行油气处理过程中，包含着多种不同的工艺流程，有时不同的流程 都可以完成同一处理任务；有时根据生产实际，还需要对流程进行部分调整以适合不同 任务的需要。对于不同流程的选择或流程的改动，可以通过优化设计软件进行预测，以 判断是否合理和科学。 集油站处理系统是油田生产的重要组成环节，它的技术工艺水平、能量消耗的多少 对整个油田的运行成本起着重要的作用。随着油田进入高含水开发后期，油气处理的难 度和成本都将急剧增加。在受资金限制，而不能对油气集输系统进行技术改造的状况下， 可以对集油站的运行参数进行优化调整，也可以实现节能降耗的目的。这种优化方法主 要是着眼于现有的运行系统，其特点是投资少、成本低、见效快。 通过运行参数的优化，可以提高生产运行效率，极大地降低油田运营费用。国内各 油田都认识到开发规划设计优化软件和生产运行优化软件的重要意义及其带来的广阔 前景1 7 l 。都在积极地开发研制作为规划设计优化软件基础的油田地理信息系统，但都处 1 第一章绪论 在对地理信息系统的启动和实施阶段。而针对集油站内的优化设计和运行软件不但能在 短期内体现出较好的经济效益，还可作为油田地理信息系统的子系统，最终实现地面工 程系统整体最优的设计和运行方案。 软件的智能化设计是一种使软件具有近似人类智能的设计。1 9 9 7 年，美国斯坦福大 学教授c 1 i f o r dn a s s 和b y r o nr e e v e s 对人与电脑交互的行为方式进行充分调查后认为 “人对电脑的反应与人对其他人的反应是一样的 。人在使用电脑过程中，潜意识地把 电脑当作人来交流。人们希望电脑像人一样与自己交流。人的一个最主要特征是具有很 高的智能。但纵观现在的软硬件驱动下的电脑，可以发现它远不如人们期望的那样聪明。 就软件而言，它目前只能被称作人类的工具，还不能胜任人类助手的角色。正是对电脑 人性化、智能化的追求，使得软件业在向多媒体、网络化发展的同时，也在向智能化、 人性化方向加速发展。 微软公司目前在5 个大的计算机科学领域进行的基础研究工作图形、“智能 环境、用户界面和智能系统、多媒体及协作能力以及虚拟互动操作。从掌握着世界软件 设计大部分先进技术的微软公司的研发动向中，可以发现软件设计的智能化、人性化将 成为未来软件研发的趋势之一。 因此，对集油站设备选型及工艺优化进行研究，开发智能化的设计软件不但具有重 要的理论价值，还具有重要的现场工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 油气集输系统是油田地面生产系统的核心，长期以来，国内外学者对油气集输系统 布局的优化作了大量的研究工作。国外主要是对管道系统的最优设计及其子问题进行研 究，始于六十年代：哈克斯( 美，1 9 6 7 ) 用库恩一塔克定理来确定管道系统的最优条件； 冯和拉尔森( 美，1 9 7 2 ) 用动态规划方法对一个已知管段长度、直径和压缩站数目且没有 分支的天然气管道的进出站压力进行了优化；埃得加( 美，1 9 7 8 ) 等人用广义简约梯度法 对天然气管道系统的设计进行了优化，使得对管径、压缩机站数及位置、进出站压力等 设计变量同时进行最优化第一次成为可能；b h a d u r 和t a l a c h i ( 美，1 9 8 8 ) 用大量的非线 性约束条件表征天然气管道系统的运行，并用非线性算法优化设计天然气管线的变量参 数，以获得最小的投资和运行费用。 国内在油气集输系统优化设计方面的研究起步较晚。朱崎于1 9 8 5 年曾提出经济管 径的概念l 鼬，用总折合费用最小来确定经济管径，并给出了数学模型，但其优化仅限于 管径；1 9 8 6 年，杨廷觉1 9 】以管道年成本费用为目标函数建立管道的经济模型，用二维坐 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 标轮换法求解；1 9 9 0 年，郑清高1 1o 】对管道外径、设计工作压力和压缩比进行了优化， 采用网格法求解；1 9 9 8 年，赵洪激、刘扬【1 1 】对油气集输系统站内设备进行优选研究； 2 0 0 0 年，赵洪激、刘扬【1 2 】研制了“油气集输系统优化设计软件 。 从大量的文献资料来看，对油气集输系统的软件【l3 】开发研究大都集中在站外管网的 优化设计与运行方面，对集油站内系统优化的研究，主要是考虑了集油站的优化布局方 面，而对集油站系统的流程、设备选型及运行参数优化研究的则较少。 油田地面工程非常复杂，油气集输系统设备多、参数多、工艺流程变化大，进行生 产运行优化软件的研制具有许多现实困难，如油田生产自动化程度不高，参数控制不准 确等。对工艺流程的设计和改进一直是根据经验进行人工计算和选择；对生产运行参数 优化的研究还处于初级阶段；对各系统的生产运行优化规律的认识还很肤浅，因而通过 改进流程和优化参数来降低生产成本的工作目前做得还不够。但是，随着油田生产自动 化程度的不断提高和人们开展该项研究的不断深入，研制生产运行优化软件己具备了一 定的物质与技术条件。 近年来随着人工智能技术的发展，油气工业对未来智能系统可能提供的巨大潜能已 有了清晰的认识。石油工业内的日常活动总是要不断解决错综复杂、变化莫测的难题， 做出高风险的决策。对我国石油天然气行业现有工业化智能软件工具搜索研究后发现， 尽管已有些软件在应用，但这些软件仅涉及到智能系统功能的表层，事实上油气行业还 未有进入工业化市场能够有效履行综合智能系统功能的软件工具。综合智能软件工具必 须具备几项重要的功能，例如能够进行软( 智能式) 、硬( 统计式) 综合计算；能够综合利 用几项人工智能技术( 如模糊聚类分析、神经网络计算、基因优化及模糊推理) 。我国石 油天然气工业智能化的软件应用已经落后于欧美发达国家。本文在集油站内运行参数优 化研究的同时，致力于智能化的软件开发。开发智能化的软件，实现一体化的智能系统， 如同其他技术一样，不可能一蹴而就，需要广大科研人员的不断努力来不断发展完善。 本文对集油站内优化软件的智能化进行了初步探讨，并期待着软件智能系统成为油气行 业的主流产业。 1 3 本论文的研究内容 综上所述，对集油站内设备进行选择，对工艺流程进行确定，对系统的运行参数进 行优化，以达到减少油田开发的投资、节能降耗的目的，是工业界和学术界非常关注的 课题。同时，对于具有人工智能系统的研究，开发出具有人工智能的优化软件，也是未 来石油工业的巨大潜能所在。但由于问题本身非常复杂，仍有很多研究工作有待深入。 3 第一章绪论 基于此本文主要进行了如下工作： 1 、对集油站内设备选型研究： 2 、对国内集油站的主要工艺流程研究，并分析综合出典型流程； 3 、建立工艺优化模型，并对模型进行求解； 4 、用c + + b u i l d e r 6 0 开发了出基于w i n d o w s 的应用程序。 5 、集成复杂的程序，开发出可以人机交互智能化的优化软件，使其具有集油站设 备选型和典型流程工艺优化等功能。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章集油站设备选型研究 2 1 集油站设备选型的一般原则和考虑的主要问题 1 、集油站设备选型的原则【1 4 1 所谓设备选型即是从多种可以满足相同需要的不同型号、规格的设备中，经过技术 经济的分析评价，选择最佳方案以做出购买决策。合理选择设备，可使有限的资金发挥 最大的经济效益。 设备选型应遵循的原则如下。 生产上适用一所选购的设备应与集油站实际生产能力相符并具有一定的适应性。 技术上先进一在满足生产需要的前提下，要求其性能指标保持先进水平，以利提 高产品质量和延长其技术寿命。 经济上合理一即要求设备价格合理，在使用过程中能耗、维护费用低，并且投资 回收期较短。 设备选型首先应考虑的是生产上适用，只有生产上适用的设备才能发挥其投资效 果；其次是技术上先进，技术上先进必须以生产适用为前提，以获得最大经济效益为目 的；最后，把生产上适用、技术上先进与经济上合理统一起来。 2 、集油站设备选型考虑的主要问题【1 5 】 ( 1 ) 工艺性 生产设备最基本的一条是要符合产品工艺的技术要求，把设备满足生产工艺要求的 能力叫工艺性。设备操作控制的要求也很重要，一般要求设备操作轻便，控制灵活。产 量大的设备自动化程度应高，进行有害有毒作业的设备则要求能自动控制或远距离监督 控制等。 ( 2 ) 设备的经济性 设备选型时要考虑的经济性影响因素主要有：初期投资；对产品的适应性； 生产效率；耐久性：能源与原材料消耗；维护修理费用等。 设备的初期投资主要指购置费、运输与保险费、安装费、辅助设施费、培训费、关 税费等。在选购设备时不能简单寻求价格便宜而降低其他影响因素的评价标准，尤其要 充分考虑停机损失、维修、备件和能源消耗等项费用，以及各项管理费。总之，以设备 寿命周期费用为依据衡量设备的经济性，在寿命周期费用合理的基础上追求设备投资的 经济效益最高。 第二章集油站设备选型研究 ( 3 ) 其他特性 此外集油站设备还必须满足设备的可靠性、维修性、安全性和操作性以及环保等特 性。 可靠性是保持和提高设备生产率的前提条件。人们投资购置设备都希望设备能无故 障地工作，以期达到预期的目的，这就是设备可靠性的概念。同样，人们希望投资购置 的设备一旦发生故障后能方便地进行维修，即设备的维修性要好。安全性是设备对生产 安全的保障性能，即设备应具有必要的安全防护设计与装置，以避免带来人、机事故和 经济损失。在设备选型中，若遇有新投入使用的安全防护性元部件，必须要求其提供实 验和使用情况报告等资料。设备的操作性属人机工程学范畴内容，总的要求是方便、可 靠、安全，符合人机工程学原理。设备的环保性通常是指其噪声振动和有害物质排放等 对周围环境的影响程度。在设备选型时必须要求其噪声、振动频率和有害物排放等控制 在国家和地区标准的规定范围内。 2 2 集油站设备选型研究 l 、游离水脱水器【l 】【1 6 】 当高含水原油流进入游离水脱水器。在层流状态下迅速分为上下两层，上层为油包 水型乳状液，下层为水包油型乳状液。在重力作用下，分散相液滴向上浮升或向下沉降 至油水界面，完成油水分离过程。随着沉降分离的进行，大部分的游离水沉降下来，但 水中携带了一些油滴。游离水脱水器的处理关键在于污水的含油指标，一般低于0 3 。 研究水中的油滴上浮过程，在有效分离时间内，达到一定的质量指标，就能使水层达到 指标要求。游离水脱除器的大小由油水混合物内的水量而定。游离水脱除器工艺计算需 作如下假设：过水面积上各处的水流流速相同；油滴在水内的浮升遵循斯托克斯 定律。 匕= 掣 式中 _ i ，。油的上浮终速，m s ； g 重力加速度，m s 2 ： p 。、成分离条件下水滴和油滴的密度，k g m 3 ； 。分离条件下水的粘度，p a s 游离水脱除器的平均水平流速为： 6 ( 2 - 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 ，= 甏 沿2 ) 式中吃、y 。油的上浮终速和水的平均流速，m s ： d 脱除器内径，m ： 三。脱除器有效重力分离段长度，m ； 无量纲油水界面高度，h d = h 。d ； 日。油水界面高度，m 。 脱除器水处理量 q i = a w h , = m a 驴型掣 协3 ， 式中 q w 脱除器水处理量，m 3 d ； 彳。、彳过水截面面积和脱除器截面面积，m 2 ； 肌过水截面无量纲截面积，肌= a 。, 4 。 由于没有考虑水在脱除器内的真实流动，以及容器内流动存在湍流、漩涡等情况， 因而在式( 2 3 ) 中需要引进大于1 的设计系数f ，对水处理量进行修正。 f 的设计系数可采用下式计算 f = 1 2 2 4 + 0 0 2 2 ( l 。d h d ) ( 2 4 ) 2 、卧式分离器1 1 7 , 1 8 , 1 9 ( 1 ) 处理能力的计算 分离器主要工作原理是沉降分离原理，沉降分离不但要满足一定的停留时间，而且 应选取适宜的气流速度。分离器处理能力决定于它的外形尺寸。油气分离器既要从气流 分出液滴，又要从液体中逸出气泡，所以计算分离器处理能力时，应对油气分离器处理 气体和液体能力分别计算。 气体的处理能力。在卧式分离器中，气体主流方向和油滴沉降方向互相垂直，要 使气流中的油滴在气体通过分离器的过程中能沉降下来的必要条件是：油滴沉降至集液 部分液面所需的时间应小于油滴随气体流过重力沉降部分所需的时间，即 去或 w g ( 2 1 4 ) 而设计分离器时，要求在重力沉降部分能分离出直径为1 0 0 微米以上的液滴，就可 以使气体进入捕集油雾的捕雾器中去，以捕集更小直径的油滴，满足气体含液率的指标。 通常重力沉降段液滴沉降速度是指直径为1 0 0 微米液滴的沉降速度。可以按以下 各式计算： 层流区： w o2 掣 陪 过渡区： w o = 坐一 亿1 6 ， w o2 页西1 高f _ = l 【2 6 ) 紊流区： 4 掣r 亿，7 ， 在计算分离器时，考虑到油滴沉降速度计算的假设条件与实际情况有出入，以及气 流在分离器沉降部分的不均匀性，故在取允许气流速度时应为 = 0 7 w o ( 2 1 8 ) 2 万( 2 - 1 9 ) 4 v 式中 允许气体流速，l n s ； 9 第二章集油站设各选型研究 v 分离器操作条件下气体流量，m 3 s ； d 分离器直径，m 。 气体处理量通常以工程标准状态下气体量表示，见下式 7 5 i l 瓦p 了l 矿 ( 2 - 2 。) 式中以工程标准状态下气体流量，m 3 s ； z 气体压缩系数； p 操作压力( 绝对) ，m p a ； p ，工程标准状态时压力( 绝对) ，m p a ； 丁操作温度，k ； 疋工程标准状态温度，2 9 3 k 。 因此， _ = 孚等等 弘2 ， 液体处理的能力。油气分离器液体处理能力，受液体性质和操作条件影响较大， 从理论上计算分离器处理液体的能力比计算处理气体的能力更困难。因此在计算液体处 理能力时，要满足液体在分离器中有足够的停留时间。油田常用数据为：一般原油1 3 m i n ，起泡原油5 2 0 m i n 。 ( 2 ) 直径的计算 计算时先根据分离器需要处理气量计算分离器的直径，然后再按液体在分离器中停 留时间来校核所确定的分离器直径，最后取计算结果的最大值。 根据分离器的气体处理量计算分离器直径。在确定分离器直径时，考虑进入分离 器的油气两相比例随时间不断变化这一实际情况，引入载荷波动系数1 3 ，一般1 3 取1 2 1 5 由下式得出 d = ( 2 2 2 ) 液体在分离器中停留时间校核分离器的直径。立式分离器一般液面保持在油出口 上面1 3 倍容器直径，计算分离器液体停留时间为 =竺坠4qoflt 型 ( 2 一一2 3 ) = i 上 i 一2 3 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中q 0 液体通过量，m 3 m i n ； 载荷波动系数，取1 2 1 5 。 若按气体处理量计算的分离器直径不能满足液体停留时间，可考虑加大直径。 4 、电脱水器【1 7 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】 电脱水器的设计技术参数由以下各条确定： 原油电脱水工艺适宜于处理含水小于3 0 的原油。 电脱水操作温度应根据原油的粘温特性确定，宜使原油的运动粘度在低子 5 0 m m 2 s 的条件下进行脱水。 确定电脱水操作压力时，其压力应比操作温度下的原油饱和蒸汽压高o 1 5 m p a 。 电脱水器的处理能力，应根据原油乳状液处理的难易程度确定其在电脱水器内的 停留时间，停留时间一般为4 0 m i n ，稠油一般不超过6 0 m i n 。电脱水器的处理能力按下 式计算： 矿 v = ( 2 2 4 ) j 式中y 单台电脱水器处理的含水原油体积流量，m 3 ( h 台) ； 电脱水器空罐容积，m 3 台； f 选定的含水原油在电脱水器内的停留时间，h 。 电脱水器的台数应按下列原则确定： a 运行台数按下式计算： yy 甩2 争 ( 2 - 2 5 ) 式中刀电脱水器台数，台； 矿脱水站经电脱水器处理的含水原油体积流量，m 3 m ； v 单台电脱水器处理的含水原油体积流量，m 3 ( h 台) 。 b 当一台电脱水器检修，其余电脱水器负荷不大于设计处理能力( 额定处理能力) 的1 2 0 时，可不另设备用；若大于1 2 0 时，可增加一台电脱水器。 c 电脱水器台数的设置一般不少于2 台，不多于6 台。 5 、泵f 2 2 】 ( 1 ) 根据经济流速，计算管径 第二章集油站设备选型研究 式中d 管径，m ； q 流量，m 3 ； 1 ，经济流速，m s 。 ( 2 ) 由管线系列选取管径规格 ( 3 ) 计算雷诺数r e d = 躁 ( 2 2 6 ) r e = 一v d ( 2 2 7 ) d ( 4 ) 计算水力摩阻系数 当流态为层流，1 口r e 2 0 0 0 ，名= 鲁； 当流态为光滑黼且02 0 0 0 r e 舅时，五= 紫； 当流态为湍流过渡棚舅妣 5 9 7 ( 詈) 引8 时，五= 2 l g ( 3 7 詈) ； ( 5 ) 计算泵需要克服的摩阻损失 拈a 吉丢 p 2 8 ， 式中五泵需要克服的摩阻损失，m 5 z 管长，m 。 ( 6 ) 根据泵的扬程和排量选泵。 6 、加热炉1 1 7 , 1 9 , 2 3 】 加热炉热负荷的计算参见换热器，然后根据计算的加热炉的热负荷选择加热炉的型 号。 加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高的种加热设备。 在集油站中，它可将原油加热至工艺要求的温度，以便进行输送、沉降，分离、脱水等。 集油站中应用的加热炉与其它行业的加热炉相比，有其特别之处，在设计与选用时应予 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 集油站所用的加热炉主要特点如下： 单台热负荷小，一般不超过4 0 0 0 k w ；被加热介质流量大，要求压力降小； 被加热介质温升小，一般为3 0 c 左右；介质在炉内不产生相变；操作条件不稳定， 热负荷波动较大；连续运行、操作及检修条件差；同一型号加热炉使用数量多； 燃料为原油或天然气 ( 1 ) 加热炉的主要技术参数 热负荷单位时间炉内介质吸收有效热量的能力叫热负荷，其单位为k w 。加热 炉设计图纸或铭牌上标注的热负荷为额定热负荷。它是根据设计参数计算热负荷向上圆 整至某一系列值。根据实际运行计算参数用热平衡计算公式计算求得的热负荷叫运行热 负荷。运行热负荷一般不应大于额定热负荷。对于某台尺寸结构已经确定的加热炉，若 被加热介质为原油、天然气或其混合物时，运行参数若与设计参数不一致时，运行负荷 将变化。 加热炉额定热负荷值见下表 表2 - 1 加热炉额定热负荷系列( k w ) r a b l e 2 1r a t e ds e r i e so ff u m a c eh e a tl o a d 热效率加热炉输出有效热量与供给热量之比的百分数叫热效率。它是热量被利 用的有效程度的一个重要参数。在额定热负荷时按设计参数计算求得的热效率叫设计热 效率。而在加热炉运行条件下测试求得的热效率叫运行热效率。 加热炉热效率应保持在一个恰当的数值，热效率低时燃料消耗大，热效率太高一般 则投资较高。排烟温度低，可能造成低温腐蚀。应予以综合考虑，使加热炉效率保持在 一个合理数值。一般要求额定热负荷5 8 0 k w 以下的加热炉热效率应大于7 5 ， 5 8 0 k w , - 4 0 0 0 k w 应为8 2 0 0 , - 8 5 ，而4 0 0 0 k w 以上的加热炉热效率应大于8 8 。 流量单位时间内通过加热炉内被加热介质的量叫流量。在正常运行条件下，通 过加热炉内的量叫额定流量。而加热炉能安全可靠地运行的最小量叫最小流量。若加热 炉流量大于额定流量，会使压力降增加；如果流量小于最小流量，则会影响传热效果， 或对加热炉造成损害。在选用加热炉时，应使流量的变化控制在额定流量和最小流量之 间。 第二章集油站设备选型研究 压力加热炉只有炉管承受设计内压力，一般指管程压力；加热炉管程压力要求 满足工艺要求即可。 压力降压力降是被加热介质通过加热炉所造成的压力损失。压力降的大小与炉 管内径、介质流量、炉管当量长度以及被加热介质粘度有关。加热炉铭牌或设计图纸上 标注的压力降数值是指在该炉在设计条件下通过额定流量时的压力降。当运行条件变化 时压力降数值应重新核算。 温度加热炉的温度指标主要有被加热介质进出口温度、炉膛温度和排烟温度。 加热原油时一般由4 0 加热到7 0 左右。加热炉炉膛温度一般为7 5 0 8 5 0 ；而排烟温 度则为1 6 0 2 5 0 。 ( 2 ) 工艺计算 工艺计算的目的是确定管式加热炉主要尺寸。计算内容一般包括燃烧计算、传热计 算、空气动力计算和水力计算。其中计算所需的原始数据即为前文所述的主要技术参数 数据以及燃料的种类、物性和组分，加热炉使用地区的基本风压、气压、气温、雪载荷 及地震设防烈度等其他辅助参数。 详尽的加热炉工艺计算方法应根据具体的加热炉设计技术规定计算，而简单的工艺 计算可根据下述方法进行。 加热炉热负荷计算： q = a c 。( ，2 - t 1 ) 3 6 ( 2 - 2 9 ) 式中q 被加热介质所需热负荷，计算值应圆整至系列值，k w ； g 。被加热介质质量流量，t h ； c 。被加热介质定压比热容，k j ( k g ) ； f ，被加热介质入炉温度，； f ：被加热介质出炉温度，。 燃料用量的计算： b ：3 6 0 o q ( 2 3 0 ) 必。r 式中曰燃料用量，k g h ( m 3 1 1 ) ； 9 燃料低位发热量，k j k g ( k j m 3 ) ； 刁加热炉热效率，对于管式加热炉r = 8 2 8 8 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 炉管直径的计算： d i - = - 丽1 压 ( 2 - 3 1 ) 式中d e 炉管内直径，m ； g 。被加热介质体积流量，m 3 l l ； 管程数，根； 甜炉管内被加热介质流速，m s 。 辐射炉管表面积的计算： a r ：( 0 6 5 0 7 ) 旦( 2 3 2 ) g r 式中a 只辐射炉管外表面积，m 2 ； g 尺辐射对流管平均表面热流密度，k w m 2 。 对流炉管表面积： 彳。：q - q r ( 2 - 3 3 )o， 式中a 对流炉管外表面积，m 2 ； q c 对流炉管平均表面热流密度，k w m 2 。 炉管压力降计算，先计算出炉管的当量长度，再按相应的水力学计算公式求出炉 管压力降。集油站常用的管式加热炉设计参数如下表所示 表2 - 2 集油站管式加热炉参数 t a b l e 2 2t u b u l a r - f u m a c ep a r a m e t e ri no i ig a t h e r i n gs t a t i o n 型号 项目 被加热介质原油 原油原油 相对密度0 8 6 1 0 8 7 60 8 5 3 额定流量 6 6 61 0 01 8 5 最小流量 4 06 51 1 7 粘度5 0 时， 2 03 5 14 3 2 5 设计压力6 4 6 46 4 压力降017 0 1 60 1 3 3 进出口温度4 0 7 5 3 0 7 0 4 0 7 0 加热炉效率8 5 8 9 8 7 4 系统效率 8 48 8 8 6 燃料种类原油原油 原油 燃烧器型号z k - 1 5 0 g p s az k 一3 0 0 g p s az k 一3 0 0 g p s a 风j l 犁号4 7 2 - 1 2 n 。4 a4 7 2 1 2 n 。4 a 4 7 2 1 2 n 。4 a 一 茎三兰叁塑塑堡鱼垄型竺壅 单位面积传递的热量q a 与传热温差丁成正比与各项热阻之和r 成反比。 署2 长2 譬= 尬乙 p 3 4 ， k q = k a a r ( 2 3 5 ) k 是各项热阻的倒数，即： 趾瓢一1 q 。3 6 式中q 一热负荷，l d h 或w ； k 总传热系数，w ( m 2 ) ： a t 传热温差，； a 。管外表面积，c m 2 ； a f 管内表面积，c m 2 ； 口，管内流体的对流传热系数，w ( m e ) ： 管内流体的结垢热阻，( m 2 v ) w ； 管壁材料的热阻，( m 2 c ) w ； 口。管外流体的对流传热系数，w ( m 2 ) ； 厂d 管外流体结垢热阻。 如果口。及厂d 以管外表面为基准可省略么。4 ，项。设计计算一个换热器，必须有上述 数值。方能算出传热面积彳。 ( 1 ) 热负荷计算 流体被加热或冷却，都要吸收或放出热量，没有相态变化时，以下式表示 q = g c p o ，一f 2 ) ( 2 3 7 ) 式中 g 流体的流量，k g h ： c p 流体的定压比热，k j k g ； f l 、f 2 流体进出v i 温度，。 有相态变化时，应加入蒸发( 冷凝) 潜热k j k g ，或者用流体进出口的焓值h 卜h 2 表示。 o = g ( 一h 2 ) ( 2 - 3 8 ) ( 2 ) 传热平均温差 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 两股流体换热，一股温度从t l t 2 ，另一股温度从t 1 一t 2 。对数平均温差丁用下式 小穿 p 3 9 ) 上式适用于k 及c 。变化不大，基本上是常数的场合。如图2 - - 1 所示，两股流体的 q 图2 - 1 对数平均传热温差示意图 f i 9 2 1l o g a r i t h m i ca v e r a g ed i f f e r e n c eo fh e a tt r a n s f e r 积分平均温差 在传热情况比较复杂，c p 与k 值变化较大，不能用对数平均温差，而是用积分平 均温差，可用图解法求出，其步骤为： a 作出两股流体温度与传热量变化关系曲线q = f ( t ) 如图2 2 所示。纵坐标表 示传递的热量，横坐标表示流体的温度，两曲线之间的距离就是换热器中各个段( 截面) 上流体间的温差。 图2 - 2 积分平均传热温差示意图 f i 9 2 - 2i n t e g r a la v e r a g eh e a tt r a n s f e rd i f f e r e n c e b 将所传递的热量q 分成n 等份( 即将换热器换热段长度分成n 等份) 其中每一等 1 7 第二章集油站设备选型研究 份都传递相同的热量q = q n ，然后求出每一段的平均温差出，。 c 根据下式计算积分平均温差 乙= ( 2 4 0 ) y 二 怎& i 8 、缓冲分离器【1 7 1 9 】 油气分离缓冲罐正常工作时的液面一般控制在直径的1 2 2 3 处。 油气分离缓冲罐分离部分的工艺计算与卧式分离器的计算一样，缓冲部分按其液体 在容器内的停留时间而定，缓冲罐正常液面一般控制在容器直径的1 2 处，原油在分离 缓冲罐中的停留时间，一般为缓冲罐1 2 直径容积为停留有效容积。停留有效容积除以 液体通过量为分离缓冲罐的停留时间。停留时间一般推荐值为 v 5 0 5 0 m m 2 s 牛15 m i n 5 0 m m 2 s v 5 q 2 5 魄n 矗| s 二卜3 0 m i n 表2 - 3 常用缓冲分离器规格和停留时间 t a b 2 3s p e c i f i c a t i o na n dr e s i d e n c et i m eo fh a c k n e y e ds e p a r a t o rb u f f e r 分离缓冲罐不同停留时间处理量，m 3 d 规格直径长度，m i n停留有效容积m 31 5 m i n 3 0 m i n 2 2 0 0 8 2 0 01 31 2 4 86 2 4 2 4 0 0 1 1 4 0 02 22 11 21 0 5 6 中3 0 0 0 1 1 4 0 03 53 3 6 01 6 8 0 中3 0 0 0 1 4 6 0 04 54 0 3 22 0 1 6 3 0 0 0 1 7 6 0 05 65 2 8 02 6 4 0 4 0 0 0 1 7 6 0 01 0 09 6 0 04 8 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 01 7 51 6 8 0 08 4 0 0 2 2 0 0 8 2 0 01 31 2 4 86 2 4 9 、沉降罐1 7 , 1 9 2 6 , 2 7 】 沉降罐是脱水的主要设备之一，在油田生产中被广泛应用。卧式沉降罐工作的好坏 常以下述指标衡量： ( 1 ) 沉降时间，即油水混合液在沉降罐的停留时间，它表示沉降罐处理油水混合 液的能力。我国各油田采用的沉降时间一般为2 0 - - 一4 0 m i n 。 ( 2 ) 操作温度，即沉降温度，它与原油性质，加药条件有关，一般为4 5 - - - , 6 0 。c 。 ( 3 ) 原油中剩余含水率，一般小于1 0 0 0 m g l 。 根据沉降时间来确定沉降罐的容积。沉降时间按4 0 m i n 考虑，则沉降罐的有效容积 v 可按下式计算。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 肚薷( 2 - 4 1 ) 式中g 站内一天需要进行脱水的油水混合液量，t d ； p 油水混合液密度，t m 3 。 根据所确定的容积，查卧式压力沉降罐系列表，选用各种规格的沉降罐( 见表2 3 ) 。 卧式沉降罐台数控制在2 , - - - , 4 台左右，便于操作和停产维修。台数选择应考虑有一台停 产检修时，其余沉降罐应能满足全部生产负荷；当过剩生产负荷超过单台沉降罐生产能 力的2 0 时，则应增加一台。决定台数时，可不考虑备用。 表2 _ 3 卧式压力沉降罐规格系列及处理能力表 t a b l e 2 - 3s e r i e ss p e c i f i c a t i o n sa n dp r o c e s s i n gp o w