某常温集气站的工艺设计——安全阀的选型

1、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: 谭兴理 学 号: 2012440417 设计地点（单位） K804 设计题目: 某常温集气站的工艺设计安全阀的选型 完成日期： 2015 年 6 月 26日 指导教师评语: 成绩（五级记分制）: 指导教师（签字）:_摘要安全阀在系统中起安全保护作用，当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生安全事故。安全阀的选用是一个较复杂的问题，它的工作压力取决于公称压力，它的工作温度取决于温度范围，这是一般

2、的选用常识。首先，根据工况条件决定安全阀材质和结构形式。在通过计算，计算出安全阀定压值，决定弹簧或杠杆调压的范围，通过计算确定安全阀排泄所需的喷嘴直径，最终确定该常温集气站所需的安全阀的型号及其安装个数。本文主要根据常温集气站的实际情况，针对分离器，计算出安全阀的开启压力、关闭压力、公称压力、安全阀喷嘴面积等工艺参数，从而确定安全阀的型号及其安装个数。关键词： 分离器 安全阀 保护 计算目录1绪论32 常温分离集气站工艺方案的选择42.1常温分离集气站分类42.2 选择合适的常温分离集气站类型63 对安全阀的简单介绍73.1 安全阀的作用及其分类73.2 安全阀选用步骤84 集气站流程中安全阀

3、类型的确定94.1 安全阀的选用标准94.2 安全阀基本类型的确定95 安全阀参数的计算105.1 天然气物性基础的计算105.2 安全阀工艺参数的计算116 安全阀的选型167总结17参考文献181绪论 安全阀作为承压特种设备关键的泄压保护装置，在现代工业中应用非常广泛。因生产需求、设备性质和工艺要求等不同，采用的安全阀技术标准也不一样。常用的国内标准有国家标准（GB）和机械行业标准（JB）等，常用的国际标准有美国机械工程师协会标准（ASME）、美国石油协会标准（API）、国际标准（ISO）、日本标准（JIS）、德国标准（DIN）和英国标准（BS）等，各标准对安全法的规定有一定的区别。只有理

4、解各个标准的内容，根据各标准的设计要求，确定验收、安装和检验要求，确保设备的安全可靠运行。安全阀相关标准是安全阀设计的基本依据。随着经济发展和全球化合作需求，我国大量引进国外大型成套石油化工装置，国内许多安全阀制造企业和使用单位主要采用API或ASME标准进行安全阀的设计、制造、选型和使用。2010年，全国阀门标准化技术委员会参照API标准，将安全阀的设计、制造、选型和使用等标准标准国际化，有效推进国内安全阀标准与国际接轨。 国外安全阀的标准已形成体系。如API标准对安全阀的结构设计、排量计算、规格、压力级、材料、制造、试验、运输、安装、使用、检验和维修等都有全面而完整的要求国内安全阀标准则是

5、参照国外标准修订的。由于国内外各个标准体系之间差异要求较大，在执行过程中应合理选择。否则，容易出现结构设计不合理，选型不当，材料不适应、排量和压力不符合要求等问题。只有安全阀设计、制造、使用及检验等单位完整和全面地掌握各标准内容和要求，深入研究，才能显示各标准的先进性和设计、选型、使用及维护的一致性，确保安全阀的正常运行，起到超压保护及低压密封的作用。2 常温分离集气站工艺方案的选择安全阀的选型应当满足实际工艺的要求。不同类型的常温集气站，安全阀的工艺参数计算要求有所不同，安全阀应当根据集气站实际要求来进行选型，不能盲目的选用安全阀，避免因设备的选用不当，而造成集气站安全事故。2.1常温分离集

6、气站分类a. 常温分离单井集气站流程在这种流程中，所有用来调节气井工作、分离气体中杂质、测量气量和凝析油、防止水合物形成等的设备和仪表都直接布置和安装在距井口装置不远的地方。在这种情况下，每口井一般都有工人进行管理图1.1 加热防冻的井场装置原理流程图图1.2 注入抑制剂的防冻井场装置原理流程图b. 常温分离多井集气站流程常温分离多井集气站一般有两种类型：一种集气站的分离设备是三相分离器，适用于天然气中油和水的含量都较高的气田；另一种集气站的分离设备是气液两相分离器，适用于天然气中只有较多的水或较多的液烃的气田。图1.3 常温分离多井集气站原理图c. 常温分离多井轮换计量流程该流程适用于单井产

7、量较低而井数较多的气田。全站按井数多少设置一个或数个计量分离器供各井轮换计量；再按集气量多少设置一个或数个生产分离器，分离器供多井共同使用。图1.4 常温分离多井轮换计量集气站流程图2.2 选择合适的常温分离集气站类型表1.1 常温集气站的参数井号（）产量（）井站压力（）井站温度（）12315272201427317132742215275181527气体组成（）：C1-94.2 C2-2.6 C3-0.9 C4-0.5 H2-0.8 H2S-0.4 CO2-0.6凝析油含量：20 SL=0.75根据上面数据进行分析，对于硫化氢含量低（约在0.5以下）和凝析油含量不多的天然气，只需在矿场集气站

8、内进行节流阀调压和分离器计量等操作，就可以输往用户。在这种情况下，我们小组采用常温分离多井轮换计量集气站流程工艺。3 对安全阀的简单介绍3.1 安全阀的作用及其分类安全阀在系统中起安全保护作用，当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生安全事故。安全阀可根据驱动模式不同分为直接作用式和先导式。直接式为由阀门进口的系统压力直接驱动，此时，它由弹簧或重锤提供的机械载荷克服作用在阀瓣下方的介质压力。先导式它是由一个机构来先导驱动，利用机构释放或施加一个关闭力使安全阀开启或关闭。安全阀按结构形式不同可分为：弹簧

9、式安全阀。用压缩弹簧的力来平衡阀瓣压力，使安全阀密封。其优点是安全阀的灵敏度高轻便安装位置不限，此种安全阀较常用。缺点是弹簧的压缩力随弹簧变形而变化，温度较高时，弹簧存在隔热和散热的问题。杠杆重锤式安全阀。重锤的作用力通过杠杆放大后加载于阀瓣。优点是阀门开启和关闭过程中加载于阀瓣上的力不变。缺点是对振动较敏感，回座性能差。常用于固定设备上。脉冲式安全阀。把主阀和辅阀设计在一起，通过辅阀的脉冲作用带动主阀动作。常用于大口径大排量及高压系统。全启式安全阀。开启高度较大，借助气体介质的冲力，使阀瓣开启到足够高度排放多余杂质。微启式安全阀。开启高度不大，适用于液体介质和排量不大场合。全封闭式安全阀。安

10、全阀开启排放介质密闭，通过排放管排掉，常用于易燃易爆有毒或特殊介质场合。敞开式安全阀。开启时排泄介质排入大气中，适用于无污染的介质。半封闭式安全阀。安全阀开启排放时，部分介质从排放管排出，部分介质从阀座阀杆间隙中排入大气。先导式安全阀。由主阀和一个先导阀组成，先导阀的作用是承受系统压力后使主阀开启或关闭。另外，从安全阀外部结构上，还可以分为扳手和无扳手有波纹管和无波纹管有散热片和无散热片等。有波纹管的安全阀适用于腐蚀性介质或背压波动较大场合；有扳手的安全阀可在紧急情况下，由人工操作泄压；有散热片的安全阀适用于介质温度大于300摄氏度的场合。3.2 安全阀选用步骤选用阀门时的步骤和依据大体如下：

11、明确阀门在设备或装置中的用途，确定阀门的工作条件：适用介质工作压力工作温度。确定与阀门连接管道的公称通径和连接方式：法兰螺纹焊接等。确定操作阀门的方式：手动电动电磁气动或液动电气联动或电液联动等。根据管线输送的介质工作压力工作温度确定所选阀门的壳体和内件的材料；灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁碳素钢合金钢不锈耐酸钢铜合金等。选择阀门的种类：闭路阀门调节阀门安全阀门等。确定阀门的型式：闸阀截止阀球阀蝶阀节流阀安全阀减压阀蒸汽疏水阀等。确定阀门的参数：对于自动阀门，根据不同需要先确定允许流阻排放能力背压力等。确定所先用阀门的几何参数：结构长度法兰连接形式及尺寸开启和关闭后阀门高度方向的尺寸连接的螺栓孔尺寸和

12、数量整个阀门外型尺寸等。利用现有的资料：阀门产品目录阀门产品样本等选择适当的阀门产品。此外，还应检查所选用的阀门的参数是否符合所给定的工作条件。4 集气站流程中安全阀类型的确定4.1 安全阀的选用标准 以下标准选自李莲明老师和洪鸿老师编写的天然气开发常用阀门手册。该手册可供天然气开采中相关技术人员及现场操作人员使用或参考，对如何正确操作维护保养现场阀门具有一定的指导意义。因此，这本手册可以作为该常温集气站安全阀的选用依据。蒸汽锅炉安全阀，一般选用全启式弹簧安全阀。液体介质用安全阀，一般选用微启式弹簧安全阀。气田生产常用安全阀，一般选用全启式弹簧安全阀。液化石油气汽车槽或液化石油气铁路罐车用安全

13、阀，一般选用全启式内装安全阀。蒸汽发电设备的高压旁路安全阀，一般选用具有安全和控制双重功能的先导式安全阀。4.2 安全阀基本类型的确定常温集气站安全阀的选用符合天然气开发常用阀门手册中安全阀选用标准的第三条，即气田生产常用安全阀，一般选用全启式弹簧安全阀。因此，该常温多井轮换计量集气站应当选用全启式弹簧安全阀。而安全阀的连接方式，本文采用法兰连接。法兰链接在天然气输送过程中应用最为广泛，一般集气站安全阀均采用法兰连接形式。法兰连接具有如下优点：法兰连接使用广泛，耐高温，耐高压。规格齐全，适用于高压中压和低压的连接环境密封性能好，适用于高压力管道。可用于各种管材连接安全阀的公称直径由本小组设计管

14、道的同学得到：DN80和DN100；安全阀阀座密封材料为硬质合金。综上，该集气站采用阀门的基本类型为：A44Y ，公称直径DN80和DN100（方框内为阀门的公称压力，本文接下来将给予讨论）5 安全阀参数的计算5.1 天然气物性基础的计算1 计算平均相对分子质量以及相对密度根据天然气组分比例计算平均相对分子质量= (2.1)式中天然气的相对分子质量组分i的摩尔分数组分i相对分子质量= 16×94.2+30×2.6+44×0.9+58×0.5+2×0.8+34×0.4+44×0.6 =16.95 相对密度：=/=0.59 (2

15、.2)计算节流后天然气的压缩因子Z 记第一次节流后压力为Pj1（含计量分离器与生产分离器），天然气压缩因子为Z1；第二次节流后压力为Pj2，天然气压缩因子为Z 2。对于干燥天然气，Z可由经验公式得出： (2.3)第一次节流后天然气的压缩因子Z1 Z1=0.65 (2.4)第二次节流后天然气的压缩因子Z 2Z 2=0.80 (2.5)节流后天然气重度的计算记第一次节流后，天然气的重度为y1；第二次节流后，天然气的重度为y2天然气重度的计算公式为： (2.6)式中： y - 天然气的重度， P - 天然气的操作压力，kpa M - 天然气的相对分子质量 Z - 天然气的在操作压力下得压缩因子 T

16、- 天然气的操作温度，K第一次节流后的天然气重度y1y1= (2.7)第二次节流后的天然气重度y2y2= (2.8)绝热指数k的计算天然气的绝热指数k计算较为复杂。首先，需要计算出气体的临界压力Pr和临界温度Tr，查图得到CpCv的差值。然后，由天气的温度T和相对密度，查表得到和Cp的值。最后，由公式，计算k值。但为了简化计算过程，由天然气矿场集输得到：天然气绝热指数k可取值1.3。5.2 安全阀工艺参数的计算计算安全阀的泄放压力记第一次节流后操作压力为Pc1，泄放压力为Po1；第二次节流后操作压力为Pc2，泄放压力为P02。分离器操作压力与节流后管道的关系为：Pc1=Pj1；Pc2=Pj2第

17、一次节流后的泄放压力Pc1=Pj1=10MPa=100，且当80 < Pc < 160 时Po1=1.05 Pc1=1.05×100=105 (5.1)因此，第一次节流后安全阀的公称压力为10MPa第二次节流后的泄放压力Pc2=Pj2=6MPa=60，且当18 < Pc < 80时P02=1.1 Pc2=1.1×60=66 (5.2)因此，第二次节流后安全阀的公称压力为6.4MPa确定安全阀在最大泄放压力下的进口压力P1根据油田油气集输的设计技术手册，泄放压力的计算式为：P1=Po+Pa=1.2Po (5.3)式中： P1 - 安全阀最大泄放量时的进

18、口压力， Po - 安全阀泄放压力，第一次节流后的进口压力P11P11=1.2 ×Po1=1.2×105=126 (5.4)第二次节流后的进口压力P12P12=1.2 ×P02=1.2×66=79.2 (5.5)表5.1 气体管路安全阀的回座压力开启压力和排放压力管路工作压力（表压），MPa回座压力Pr，MPa开启压力Pk，MPa泄放压力Pdr，MPa0.25一般型P 0.03P + 0.03P + 0.045高灵敏度型P 0.025P + 0.025P + 0.040.25一般型0.90P1.10P1.15P高灵敏度型0.95P1.05P1.10P确定

19、安全阀的最大泄放量 矿场集输中，安全阀作为泄放及警报用，最大泄放量一般按超压输量考虑。 安全阀的最大泄放量可用如下经验公式计算： (5.6)式中： G - 安全阀的最大泄放量， V - 容积，分离器的容积 P - 等于P1Pc Y - 天然气在操作条件下的重度，计算分离器体积各分离器尺寸由本小组设计分离器的同学得到：计量分离器尺寸：D1=0.55m L1=1.65m生产分离器尺寸：D2=0.9 m L2=3.51第二次节流后的分离器尺寸D3=0.75 L3=2.35本设计中，可以近似把分离器两头看成半球，从而方便计算。计量分离器的体积V1：， 带入数据得：V1=0.8 (5.7)生产分离器的体

20、积V2：，带入数据得：V2=2.86 (5.8)第二次节流后分离器体积V3：，带入数据得：V3=1.61 (5.9)确定P记P1和P2分别为第一次节流后与第二次节流后的压差。P1=P11-Pc1=126-100=26 (5.10)P2=P12-Pc2=79.2-60=19.2 (5.11)安全阀最大泄放量的计算记G1为计量分离器上安全阀的最大泄放量，G2为生产分离器上安全阀的最大泄放量，G3为第二次节流后分离器上安全阀的最大泄放量。 ，带入数据得：G1= (5.12)，带入数据得：G2= (5.13)，带入数据得：G3= (5.14)确定安全阀的通道截面积A根据油田油气集输手册 ，其通道截面积

21、的计算公式如下： (5.15)式中 A - 喷嘴截面积， G - 最大泄放量， C - 系数，查图5-2得到 H - 流量系数，一般H=0.90.97 M - 气体分子量 T1 - 进口处介质温度，K 图 5.2 C值的计算图计算C值记C1，C2分别为第一次节流和第二次节流后的值。通过计算得到的k1= 1.3 与 k2= 1.3 查图得： C1=260 C2=260计算安全阀的通道截面积A记A1 ，A2，A3分别表示计量分离器的安全阀通道截面积，生产分离器的安全阀通道截面积，第二次节流后分离器的安全阀通道截面积。，带入数据得：A1=15.1 (5.16)，带入数据得：A2=53.9 (5.17)， 带入数据得：A3=19.3 (5.18)6 安全阀的选型根据以上所计算得到的数据，该常温分离多井轮换计量集气站的安全阀阀型号及设计参数如下：1 计量分离器选用的安全阀：A44Y100型，DN80公称直径对应的弹簧式安全阀，其通道截面积A1为15.1。2 生产分离器选用的安全阀：A44Y100型，DN80公称直径对应的弹簧式安全阀，其通道截面积A2为53.9。3 第二次节流后分离器选用的安全阀：A44Y64型，DN100公称直径对应的弹簧式安全阀，其通道截面积A3为19.3。7总结在油气集输课程设计中，我们小组的任务是常温分离集气站的工艺设计，而本人的任务