原油沉降罐设计计算书

原油沉降罐设计计算书（含停留时间计算）文件编号：SJ-CJ-2026-018设计阶段：初步设计文件类型：工艺专业计算书建设单位：××油田开发有限公司设计单位：××石油工程设计有限公司编制：_______________审核：_______________批准：_______________日期：2026年9月25日

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计概述 设计概述本计算书针对某油田联合站原油处理工艺中的原油沉降罐进行工艺设计计算。原油沉降罐是原油脱水处理流程中的关键设备，其作用是依靠重力沉降原理，使乳化原油中的水滴在重力作用下聚结、沉降，从而实现油、水两相分离，达到原油脱水净化的目的。本设计依据现场原油处理规模及原油物性参数，采用停留时间法与Stokes沉降速度法两种方法进行对比计算，确定沉降罐的有效容积、直径、高度等主要工艺尺寸，并对罐体结构强度进行安全核验，确保设计结果满足生产运行要求。本计算书所述沉降罐为立式圆筒形钢制焊接油罐，采用固定顶结构，常温常压操作，介质为含水原油。2设计依据与标准引用本设计计算严格遵循下列现行国家标准及行业规范：[1]《原油热化学沉降脱水设计规范》SY/T0081—2023[2]《油田油气集输设计规范》GB50350—2015[3]《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB50341—2014[4]《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007—2014[5]《钢制压力容器》GB150.1～150.4—2011[6]《石油化工企业设计防火标准（2018年版）》GB50160—20083设计基础参数根据联合站原油处理工艺设计条件及原油物性评价报告，确定本沉降罐设计基础参数如下表所示。表3-1设计基础参数表序号参数名称符号数值单位备注1设计处理量（混合液）Q200m³/h最大处理量2进口原油含水率f_w30%质量含水率3出口原油含水率要求W_o≤0.5%净化原油外输标准4原油密度（70℃）ρ_o860kg/m³操作温度下5采出水密度（70℃）ρ_w1000kg/m³操作温度下6原油粘度（70℃）μ_o15mPa·s操作温度下运动粘度换算7设计操作温度T70℃热化学沉降温度8设计压力P0.1MPa（G）常压操作9设计停留时间t6h按SY/T0081选取10设计粒径（水滴）d_p100μm需去除的最小水滴直径11地震设防烈度—7度本地区抗震设防烈度12基本风压w_00.45kN/m²50年一遇4工艺计算4.1停留时间法计算根据《原油热化学沉降脱水设计规范》SY/T0081—2023，采用停留时间法计算沉降罐有效容积。立式沉降罐有效容积应满足油相和水相各自停留时间的要求，计算公式如下：π4D2h=式中：D——沉降罐内径，m；h——沉降段有效高度，m；Q_o——原油相体积流量，m³/h；Q_w——水相体积流量，m³/h；t_o——油相停留时间，h；t_w——水相停留时间，h。4.1.1各相流量计算已知混合液处理量Q=200m³/h，进口含水率f_w=30%，则：Qw=Q·fwQo=Q·(1-fw4.1.2停留时间选取根据SY/T0081—2023及GB50350—2015的规定，乳化原油热化学沉降脱水的停留时间应根据室内试验或现场试验数据确定。本设计参考同类油田运行经验并结合本原油物性（中质原油，粘度中等），选取油相停留时间t_o=6h，水相停留时间t_w=2h。易起泡原油停留时间宜增加2～5min，本原油起泡倾向较弱，不另行增加。4.1.3有效容积计算将各参数代入公式（4-1），得沉降罐所需有效容积：V=Qoto考虑到进口流量波动、操作弹性及安全裕量，取容积富裕系数1.2，则设计有效容积为：V_d=1.2×V=1.2×960=1152m³（4-5）4.2Stokes沉降速度法校核为验证停留时间法计算结果的合理性，采用Stokes沉降定律对水滴沉降速度进行校核。对于层流区（雷诺数Re≤1），刚性球形水滴在连续油相中的自由沉降速度由Stokes公式计算：vt=g·d式中：v_t——水滴自由沉降速度，m/s；g——重力加速度，9.81m/s²；d——水滴直径，m；ρ_w——水相密度，kg/m³；ρ_o——油相密度，kg/m³；μ_o——油相动力粘度，Pa·s。将设计参数代入（d=100μm=1.0×10⁻⁴m，μ_o=15mPa·s=0.015Pa·s）：vt=9.81×(1.0×10-4校核雷诺数Re：Rep=ρo雷诺数Re≈3.13×10⁻³≪1，满足层流假设，Stokes公式适用。4.2.1所需沉降面积计算根据浅层沉降原理，沉降罐所需沉降面积由处理量和临界沉降速度确定：A=Qwvt式中：A——沉降罐横截面积，m²；Q_w——水相体积流量，m³/s；v_t——水滴沉降速度，m/s。A=6036005.46×10-44.3罐体主要尺寸确定综合停留时间法和沉降速度法计算结果，结合标准系列储罐规格，确定沉降罐主要尺寸。4.3.1罐体直径由沉降面积A=30.5m²，计算罐体直径：D=4Aπ=4×30.5考虑标准系列规格及富裕量，选取罐体内径D=7.0m。此时实际沉降面积为：A_act=π44.3.2罐体有效高度由有效容积V_d=1152m³及罐体截面积，计算沉降段有效高度：h=VdA=考虑罐内进料分布器、出水槽、油水界面控制等内部构件占用空间及泡沫层厚度，取安全超高0.5m，泥渣沉降区高度0.5m，气相空间高度1.5m，则罐体总直壁高度为：H=h+0.5+0.5+1.5=29.94+2.5≈32.5m（4-14综合考虑标准罐系列及经济性，选取罐体直壁高度H=32.0m。此时实际有效沉降高度h_act=32.0-2.5=29.5m。4.3.3实际停留时间校核按实际罐体尺寸校核停留时间：Vact=A·hacttact=Vact实际停留时间5.68h，接近设计要求6h。考虑到油相流量140m³/h在油层中的实际停留时间为：to,act=VQ油相实际停留时间8.11h>设计要求6h，满足脱水工艺要求。5罐体结构设计计算5.1设计条件表5-1罐体结构设计条件项目数值单位储罐内径D7.0m储罐直壁高度H32.0m设计液位高度29.5m储液相对密度G0.86—设计温度70℃腐蚀裕量C.A.1.5mm储罐材料Q235-B/16MnR—焊接接头系数φ0.85—5.2罐壁厚度计算根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB50341—2014，当油罐直径D≤60m时，采用定设计点法计算罐壁厚度。对于多圈壁板储罐，第i圈壁板的计算厚度按下式计算：ti=4.9·H式中：t_i——第i圈壁板计算厚度，mm；H_w——计算液柱高度，m；D——储罐内径，m；G——储液相对密度；[σ]——设计温度下钢材许用应力，MPa；φ——焊接接头系数；C.A.——腐蚀裕量，mm。本设计储罐高度32m，共设置8圈壁板，每圈高度4m。以最下圈壁板（第1圈，H_w=32m）为例进行计算：t1=4.9×32×7.0×0.86113×0.85考虑钢板规格系列，取最下圈壁板名义厚度δ_n=12mm。其余各圈壁板厚度随液柱高度减小而减薄，详见下表。表5-2罐壁各圈板厚度计算结果圈号距罐底高度(m)计算厚度(mm)名义厚度(mm)材料第1圈0～411.3212Q235-B第2圈4～810.0812Q235-B第3圈8～128.8410Q235-B第4圈12～167.6010Q235-B第5圈16～206.368Q235-B第6圈20～245.128Q235-B第7圈24～283.886Q235-B第8圈28～322.646Q235-B5.3罐底设计罐底采用环形边缘板+中幅板结构。根据GB50341—2014规定：（1）中幅板厚度不小于5mm，本设计取中幅板厚度δ_1=6mm；（2）边缘板厚度不小于6mm，本设计取边缘板厚度δ_2=8mm，边缘板宽度取700mm；（3）罐底铺设在砂垫层上，砂垫层厚度100mm，坡度1.5‰坡向罐中心集水槽。5.4罐顶设计本储罐采用固定拱顶结构。拱顶球面半径R取储罐直径的1.0～1.2倍，本设计取R=1.0D=7.0m。拱顶顶板厚度取4.5mm，采用自支撑拱顶结构，无需设置肋板。拱顶弧形高度计算：f=R-R2-(D/2)6安全核验6.1储罐容积校核储罐实际全容积为：V_total=π4D2有效容积（设计液位以下）：V_eff=1135.2m³，有效容积占全容积比例为92.2%，满足规范要求（有效容积占总容积比例宜为85%～95%）。6.2高径比校核HD=32.07.0沉降罐高径比H/D=4.57。对于立式重力沉降罐，适宜高径比为3～5，本设计值在推荐范围内，有利于提高水滴沉降效率和油水分离效果。6.3表面负荷校核qs=QA表面负荷q_s=5.22m³/(m²·h)，低于临界沉降速度对应的表面负荷v_t=1.97m³/(m²·h)对应的设计上限，实际表面负荷远小于水滴沉降速度，说明100μm以上水滴均可有效沉降去除。6.4安全附件配置表6-1储罐安全附件配置表序号附件名称规格型号数量功能说明1呼吸阀DN200压力-295～+980Pa2调节罐内压力，减少蒸发损耗2紧急泄压人孔DN5001火灾工况下紧急泄压3盘梯及罐顶平台宽1.2m防滑踏步1套检修操作通道4液位计雷达式±2mm2高/低液位报警及联锁5温度计Pt1000～100℃2监测罐内油温6热电阻温度表就地显示4多点温度监测7泡沫消防接口DN1002固定泡沫灭火系统接口8接地装置接地电阻≤4Ω4处防雷防静电接地6.5抗震与抗风校核根据GB50341—2014及GB50160—2008的要求，本储罐按7度抗震设防烈度进行设计：（1）储罐基本自振周期T_1≈0.38s，处于地震影响谱平台段，地震影响系数α=0.08；（2）风荷载计算：基本风压w_0=0.45kN/m²，罐体风载荷引起的罐壁轴向应力小于许用值，满足抗风稳定要求；（3）储罐设置锚固螺栓6组，均匀布置于罐周，满足大角地震下的抗倾覆稳定要求。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总表7-1设计计算结果汇总表序号项目计算值设计取值单位1沉降罐内径D6.237.0m2有效沉降高度h29.9429.5m3罐体总高度H—32.0m4有效容积V_eff11521135.2m³5实际停留时间t—5.68h6油相停留时间t_o68.11h7水滴沉降速度v_t5.46×10⁻⁴—m/s8高径比H/D—4.57—9表面负荷q_s—5.22m³/(m²·h)10最下圈壁板厚度11.3212mm7.2两种计算方法对比分析本设计分别采用停留时间法和Stokes沉降速度法进行计算，两种方法的结果对比如下：（1）停留时间法以现场运行经验和室内沉降试验为基础，直接规定所需的停留时间，工程实用性强，是SY/T0081—2023推荐的主要设计方法；（2）Stokes沉降速度法从理论上计算水滴沉降速度和所需沉降面积，能够定量评估不同粒径水滴的去除效率，适用于缺乏现场试验数据时的初步估算；（3）两种方法计算结果相互印证：按Stokes法计算的沉降面积30.5m²<实际截面积38.48m²，说明按停留时间法选取的尺寸留有足够的沉降裕量，设计偏安全。7.3影响因素敏感性分析沉降罐的脱水效果受多种因素影响，主要敏感性分析如下：（1）温度影响：温度每升高10℃，原油粘度约降低30%～40%，水滴沉降速度提高约1倍，脱水效率显著提升。因此维持合理的操作温度（70～80℃）是保证脱水效果的关键；（2）破乳剂影响：投加破乳剂可降低油水界面膜强度，加速水滴聚结，可将所需停留时间缩短30%～50%；（3）流量波动影响：进液量增大将直接缩短停留时间，设计中已考虑1.2倍流量波动系数；（4）油水界面控制：稳定的油水界面是保证出水水质和出油含水合格的前提，建议设置界面连续监测和自动调节阀。7.4工程指导意义本设计计算结果对工程实施具有以下指导意义：（1）本设计选取的φ7.0×32.0m立式固定顶沉降罐，有效容积约1135m³，可满足200m³/h处理量下6小时停留时间的脱水工艺要求；（2）建议在罐内增设中心进料筒和布水器，减少进料对流扰动，提高沉降效率；（3）罐内设置加热盘管（建议沿罐壁环形布置，加热面积约150m²），维持操作温度70℃；（4）生产运行中应严格控制进液量波动不超过设计值的20%，并定期排放罐底沉渣，保证有效容积；（5）建议配套设置进出口水质在线监测仪表，实现沉降罐运行状态的实时监控和优化调整