天然气集气站设计计算书

天然气集气站设计计算书（含节流工艺计算）工程名称××气田××集气站工程文件编号JQZ-SJ-2026-001设计阶段初步设计文件类型工艺设计计算书编制×××校核×××审核×××批准×××设计单位××石油工程设计有限公司日期2026年9月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述与设计依据 概述与设计依据1.1设计概述本计算书为××气田××集气站工程初步设计阶段的工艺设计计算文件。集气站主要承担井口天然气的汇集、节流降压、气液分离、计量、加热（必要时）及外输任务。本计算书重点对节流工艺（含焦耳—汤姆逊效应温降计算、节流阀流通能力计算）进行多维度核算，并同步完成工艺管道、分离设备、安全泄放及安全设施的配套计算与核验，作为设备选型、管道选材及安全设施设计的依据。本计算书所列工况为典型设计工况。实际工程设计时，应以各井口实测组分、温度、压力及流量数据为输入条件，采用与本计算书相同的方法逐井校核，并以最不利工况作为最终设计依据。1.2设计依据本设计计算书遵循下列现行国家标准、行业标准及规范性文件：表1-1主要设计依据标准一览表序号标准名称标准编号1《气田集输设计规范》GB50349—20152《输气管道工程设计规范》GB50251—20153《石油天然气工程设计防火规范》GB50183—20154《压力容器第1部分：通用要求》GB150.1—20115《安全阀一般要求》GB/T12241—20216《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》GB/T50493—20197《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058—20148《用标准孔板流量计测量天然气流量》GB/T21446—20259《天然气压缩因子的计算第1部分：建模和物性计算》GB/T17747.1—201110《天然气计量系统技术要求》GB/T18603—2014上述标准均为现行有效版本。当标准修订时，应以最新版本为准，并在施工图设计阶段对本计算书相关参数进行复核。2设计基础参数2.1气象与地基础参数表2-1站场气象与地基础参数表项目符号数值单位备注站场所在地区极端最低气温—-18.0℃按当地气象资料站场土壤最大冻结深度—0.80m设计地震动峰值加速度—0.10g对应抗震设防烈度7度设计风速（10m高，50年一遇）v₀28.0m/s土壤导热系数λₛ1.5W/(m·K)2.2天然气基础物性参数本设计按典型干气组成进行计算。天然气摩尔组成见表2-2。表2-2天然气摩尔组成与临界参数表组分摩尔分数yᵢ摩尔质量Mᵢ(g/mol)临界温度T_cᵢ(K)临界压力P_cᵢ(MPa)CH₄0.925016.04190.64.60C₂H₆0.038030.07305.34.88C₃H₈0.012044.10369.84.25i-C₄H₁₀0.003058.12408.13.65n-C₄H₁₀0.003058.12425.23.80N₂0.012028.01126.23.39CO₂0.007044.01304.27.38合计1.0000———由表2-2计算天然气摩尔质量：MgMg计算得天然气摩尔质量M_g=18.46g/mol。取空气摩尔质量M_a=28.96g/mol，则天然气相对密度：γg2.3设计操作条件表2-3设计操作条件一览表项目符号数值单位备注集气站设计处理量Q₀100.0×10⁴m³/d标况101.325kPa，20℃进站（阀前）压力P₁8.0MPa（表压）典型工况节流后（阀后）压力P₂4.0MPa（表压）一级节流进站（阀前）温度T₁40.0℃外输压力P_out4.0MPa（表压）进站温度（最低）T₁,min25.0℃校核工况操作温度范围—-20～50℃管材选型依据天然气绝热指数k1.30—进阀条件下天然气压缩因子Z0.92—进阀条件水合物形成温度T_h18.0℃P₂=4.0MPa条件下3工艺流程简述本集气站采用“单井节流—集中加热—分离—计量—外输”工艺流程。各井来气经井口节流阀（或站上场节流阀）一级节流至4.0MPa后，进入水套加热炉加热至防止水合物形成的温度，再进入三相分离器进行气液分离；分离后的天然气经计量后外输至集气干线，分离出的地层水及凝析油分别进站内储罐集中外运。节流系统设置一级节流（阀前8.0MPa→阀后4.0MPa）。当单井压力衰减至低于6.0MPa时，可越过节流流程直接进站。节流阀选用角式节流阀（CageChoke），并配置备用通道。4节流工艺计算4.1节流过程热力学分析天然气通过节流阀的小孔或阀芯—阀座间隙时，因流速高、热交换量小，可近似视为绝热等焓过程。压力降低的同时，因气体膨胀做功与分子间引力效应共同作用，气体温度发生变化，即焦耳—汤姆逊（Joule-Thomson,J-T）效应。J-T系数定义为：μJ对于高压天然气节流（P₁>5MPa），在工程近似范围内可将μ_J视为常数，则节流温降为：ΔT=T2式中：μ_J——焦耳—汤姆逊系数，℃/MPa；T₁、T₂——节流前、后温度，℃；P₁、P₂——节流前、后绝对压力，MPa。4.2节流后温度计算根据本气田天然气组成（γ_g=0.637，P₁=8.1MPa绝压，T₁=313.15K），按GB/T17747.1—2011状态方程计算或查天然气物性图版，取μ_J≈3.8℃/MPa（已考虑CO₂与C₂+组分影响）。则：ΔT=3.8×(8.1-4.1)=15.2℃ (4-3)T2即在设计工况下，节流后温度约为24.8℃。4.2.1最不利工况校核取进站最低温度T₁,min=25.0℃校核：T2,min该温度9.8℃已低于P₂=4.0MPa条件下的水合物形成温度T_h=18.0℃，存在水合物生成风险。因此必须在节流阀前设置水套加热炉（或换热器），将进阀气体预热至T₁≥33.2℃，以保证节流后温度T₂≥18.0℃。计算所需预热温度：T1,req取设计预热温度为35℃（留1.8℃裕量），对应水套加热炉热负荷见4.5节。4.3节流状态判别（临界流/亚临界流）天然气为可压缩气体，当节流后压力P₂与节流前压力P₁之比小于或等于临界压比ε_c时，阀口气流达到声速（临界流），此时进一步降低P₂不再增大流量。临界压比由绝热指数k决定：εc代入k=1.30：εc实际压比：P2故节流阀口处于临界（音速）流动状态，节流阀流通能力仅与阀前压力P₁有关，与阀后压力P₂无关。4.4节流阀流通能力与孔径计算对于临界流动状态下的天然气节流阀，采用API14.8/GB50349推荐的临界流孔板流量公式：qsc式中：q_sc——标况体积流量，m³/d；C——临界流系数（与阀结构有关，本设计取C=2.25×10⁶，对应单位制为P:MPa、d:mm、T:K）；P₁——阀前绝对压力，MPa；d——节流孔直径，mm；γ_g——天然气相对密度；T₁——阀前绝对温度，K。将式(4-10)反算所需孔径：d=q代入设计工况：q_sc=100×10⁴m³/d，P₁=8.1MPa，T₁=308.15K（预热至35℃），γ_g=0.637：γgd=100×10取孔径计算值d=8.77mm，考虑20%裕量及系列化规格，选用节流阀额定孔径d=10.0mm。该阀在额定孔径下可通过最大流量约：qmax额定孔径下通过能力为130×10⁴m³/d，为设计处理量100×10⁴m³/d的1.30倍，满足调节裕量要求。表4-1多工况节流温降核算表工况P₁(MPa)P₂(MPa)T₁(℃)μ_J(℃/MPa)ΔT(℃)T₂(℃)是否生成水合物设计工况8.14.135.03.815.219.8否（裕量1.8℃）进站最低温8.14.125.03.815.29.8是（需加热）后期低压6.14.130.03.57.023.0否最恶劣低温8.14.120.04.016.04.0是（必须加热+注醇）4.5水套加热炉热负荷计算为防止节流后水合物生成，需将进站天然气由25.0℃预热至35.0℃。所需加热炉热负荷：Qh式中：q_m——质量流量，kg/h；c_p——天然气定压比热，取2.30kJ/(kg·K)；ΔT_h——加热温升，10.0K。qmQh考虑20%热损失裕量及备用，选用水套加热炉额定热负荷315kW（1台，100%备用），满足加热要求。5工艺管道计算5.1操作条件下体积流量标况流量换算至操作条件（P、T）下体积流量：Q=Q0式中：Q₀——标况体积流量，m³/s；P₀=0.101325MPa（绝压）；T₀=293.15K；P——操作绝对压力，MPa；T——操作温度，K；Z——压缩因子。阀后管段（P=4.1MPa绝压，T=293K，Z=0.90）：Q0Q=11.57×0.10135.2管径计算取天然气管道经济流速v=12m/s（阀后低压侧），则：d=4Q选用无缝钢管φ168×8（外径168mm，壁厚8mm），实际内径d_i=152mm，实际流速：v=4×0.257实际流速14.1m/s，处于GB50251—2015推荐的天然气管道流速范围（≤20m/s）内，满足要求。5.3管道壁厚计算按GB50251—2015第4.2节，钢管壁厚按下式计算：δ=P·D式中：δ——计算壁厚，mm；P——设计压力，取8.0MPa；D——钢管外径，168mm；[σ]——管材许用应力，选L245N钢，取137MPa；φ——焊缝系数，无缝钢管取1.0；F——设计系数，站场工艺管道按GB50251取0.72。δ=8.0×168考虑钢管壁厚负偏差12.5%及腐蚀裕量1mm：δ设计选用壁厚δ=8mm接近计算值，偏于安全。但考虑到本工况存在低温（最低-20℃），应选用低温冲击韧性合格的L245N或L290无缝钢管，并按GB50251—2015第4.4节进行夏比V型缺口冲击试验。6气液分离器工艺计算进站分离采用卧式三相分离器。按重力沉降原理，气体在分离器内的轴向流速应满足液滴沉降要求：vg式中：K_g——分离器气体流速系数，卧式分离器取0.20；ρ_L——液体密度，取800kg/m³；ρ_g——操作条件下气体密度：ρgvg气体所需分离截面积：A=Q选用φ1200×6000卧式分离器（内径1.2m，切向入口），气体净截面积A=π/4×1.2²=1.13m²，实际气体流速v=0.257/1.13=0.23m/s，远低于允许值0.94m/s，满足≥120s停留时间要求。分离器设计压力6.3MPa，设计温度-20～80℃。7安全泄放计算7.1安全阀定压按GB150.1—2011附录B及GB/T12241—2021，压力容器安全阀整定压力P_z取：Pz式中P_w为容器最大工作压力。分离器P_w=4.0MPa，则P_z=1.05×4.0=4.2MPa。容器设计压力取P=4.4MPa（≥P_z）。最大泄放压力按GB150.1取P_d=1.10P_z+0.1=4.72MPa。7.2安全阀泄放面积计算气体介质安全阀最小泄放面积按GB/T12241—2021式：A=W式中：A——最小泄放面积，mm²；W——容器安全泄放量，kg/h；C——气体特性系数；K_d——额定排量系数，取0.62；P₀——安全阀出口侧压力，取大气压0.1013MPa。气体特性系数C：C=520·k·代入k=1.30：C=520×1.30×容器火灾工况安全泄放量W（按外部火灾加热容器内气体计算）：W=0.038·A式中A——容器润湿表面积，m²，取A=22m²；ρ_g——泄放条件下气体密度，kg/m³，取25kg/m³。W=0.038×22最小泄放面积：A=1030选用弹簧全启式安全阀，流道直径d₀=40mm，实际泄放面积：A实际选用A42Y-40CDN50/40弹簧全启式安全阀，整定压力4.2MPa，泄放能力满足要求。8安全核验8.1防火间距核验按GB50183—2015《石油天然气工程设计防火规范》，本集气站属于五级站场（单体设计）。主要防火间距核验见表8-1。表8-1主要防火间距核验表序号建（构）筑物名称规范最小间距(m)本设计取值(m)结论1集气装置（敞开）vs站外明火地点22.525.0满足2分离器vs站内值班室（防爆）9.012.0满足3节流阀组vs分离器4.06.0满足4加热炉vs分离器9.012.0满足5放空立管vs站内建筑物22.530.0满足6站场围墙vs站内工艺装置5.06.0满足8.2爆炸危险区域划分按GB50058—2014，集气站天然气泄漏可能形成爆炸性气体混合物的区域划分如下：（1）1区：节流阀组、分离器就地取样口、安全阀放空口周围4.5m范围内及阀井内部；（2）2区：1区外水平延伸3m、至屋顶以上3m范围；敞开式装置框内除1区外的区域；（3）非危险区：值班室、配电室、控制室（正压通风）。区内电气设备防爆等级不低于ExdⅡBT4，防护等级不低于IP54。8.3低温韧性与材料核验根据4.2节计算，最恶劣工况下节流后温度可低至4.0℃（不加热时）。即使投用加热炉，站场极端最低环境温度-18℃。因此：（1）与节流后天然气接触的管道及设备材料最低设计金属温度取-20℃；（2）选用L245N/Q345R(R-HIC)低温钢管钢板，夏比V型缺口冲击试验温度-20℃，三个试样平均冲击功不小于27J；（3）法兰、螺栓、垫片均选用PN63、Class400及以上压力等级，金属缠绕垫片带内外环；（4）安全阀、压力表、温度测量元件均选用耐低温型，最低适用温度-40℃。8.4可燃气体检测报警按GB/T50493—2019，在节流阀组、分离器区、加热炉区、压缩机区（如有）等可能泄漏天然气的场所设置固定式可燃气体检测探测器，检测一级报警值25%LEL，二级报警值50%LEL。探测器布置在释放源水平距离不大于5m、距地坪0.3～0.6m处（天然气比空气轻，应布置在可能泄漏点上方0.5～2.0m处）。9结果分析与工程指导意义9.1计算结果汇总表9-1主要计算结果与设备选型汇总表序号计算项目计算结果选型/取值裕量/结论1节流后温度（设计）24.8℃预热至35℃后T₂=19.8℃高于T_h=18℃，安全2节流状态临界流—压比0.506<ε_c=0.5453节流阀孔径8.77mmDN25角式节流阀，d=10mm裕量30%4加热炉热负荷22.3kW315kW水套炉（1用1备）裕量14倍（含备用）5阀后管道流速14.1m/sφ168×8L245N<20m/s，合格6管道计算壁厚8.49mmδ=8mm（无缝管）接近，偏安全7分离器尺寸A≥0.273m²φ1200×6000卧式实际v=0.23m/s，合格8安全阀泄放面积≥620mm²DN50/40弹簧全启式实际1257mm²，合格9安全阀整定压力4.2MPaP_z=4.2MPa，P_design=4.4MPa符合GB150.19.2结果分析（1）节流温降是本集气站工艺设计的核心控制点。在8.0→4.0MPa一级节流条件下，J-T温降约15.2℃。若不采取加热措施，在进站温度较低时阀后温度将低于水合物形成温度，造成节流阀及下游管道冰堵。本设计通过水套加热炉将进阀气体预热至35℃，保证阀后温度高于水合物形成温度1.8℃，从根本上消除水合物风险。（2）节流阀口处于临界流动状态，这意味着阀后压力波动不会反馈到阀前，有利于进站压力稳定；同时流量只与阀前压力和孔径有关，便于节流阀的流量调节与选型。（3）管道壁厚计算值8.49mm与选用值8mm接近，在裕量上偏紧。施工图阶段应根据实测管材负偏差及现场腐蚀数据复核；若实测负偏差超过10%，建议升级至δ=10mm钢管。（4）安全阀泄放面积选型裕量约2.0倍，满足火灾工况下全量泄放要求；但应注意安全阀出口应接入放空立管，放空管口应高出4.5m范围内建（构）筑物2m以上。9.3工程指导意义（1）本计算书确立了“先加热后节流”的工艺路线，避免了高压气直接节流导致的低温冰堵与材料脆断风险，适用于类似中高压、低—中含凝析油的干气集气站设计。（2）