海洋工程设计 基础知识（机械）

1. 海洋工程设计 基础知识（机械）

2. 海洋工程设计基础知识（机械） • 第一章 海洋工程机械设备简介 • 第一节 海洋工程机械设备特点 • 第二节 海洋工程机械设备主要类别（按照设备类型划分） • 第三节 海洋工程机械设备主要类别（按照系统划分） • 第二章 海洋工程机械专业设计流程简介

3. 海洋工程机械设备特点 1、海上生产设施应适应恶劣的海况和海洋环境的要求 2、海上生产设施满足安全生产的要求 3、海上生产设施应满足海洋环境保护的要求 4、海上生产设施更紧凑、自动化程度更高 5、能够保证海上生产生活的自持能力

4. 主要机械设备类别（按类型） 1、热工机械 2、换热器 3、流体机械 4、储存装置 5、物料搬运设备

5. 热工机械 1、工业锅炉 1）管式加热炉 2）电加热炉（器） 2、热力发动机 1)内燃机 2）透平

6. 工业锅炉 工业锅炉指用于生产工业用汽、采暖和生活供热的热工设备。 1、管式加热炉 管式加热炉常用于需要换热大的场合。常用的管式加热炉有：间接火焰加热炉和直接火焰加热炉。在管式加热炉中，辐射换热是主要的换热方式，起到决定作用。 常用的间接火焰加热炉是通过火管加热中间热介质，然后通过中间热介质加热盘管中的工艺流体。对于中间热介质，其性质在大气中必须稳定，而且要求在工艺要求的最大温度范围内必须稳定存在。常用的热介质有：水、甘醇、热油或可溶性盐等。对于热介质的选择主要决定于生产工艺所要求的温度的高低。间接火焰加热炉给我们提供了一个安全的、可靠的和方便的操作环境。在间接火焰加热炉中，主要用到了辐射和对流的传热方式。

7. 间接火焰加热炉结构简图

8. 电加热炉（器） 2、 电加热炉（器） 电加热炉（器）是将换热器或加热炉中的加热元件换成电加热元件。电加热炉可分为管壳式和蓄热式等。电加热炉具有结构紧凑，控制简单，便于操作等特点。电加热炉是依靠改变输入加热元件的电功率来调节加热炉的加热量，具有加热迅速和控制简单等特点。

9. 热力发动机 将热能转变为机械能的发动机称为热力发动机。热力发动机包括内燃机和透平机。

10. 内燃机 内燃机是将燃料和空气的混合物在其内部燃烧并放出热能而做功的原动机，我们常用的是往复活塞式内燃机。内燃机的结构和品种繁多，用途广泛。按冲程数可分为二冲程和四冲程机，按充量着火方式分点燃式和压燃式，按照所用燃料又可分为汽油机、柴油机、气体燃料机和多种燃料内燃机，按照转速分低速机、中速机和高速机。按照进气方式分非增压和增压及增压中冷机，按照气缸排列分直列机、V型机等。内燃机是一部复杂机械，它有许多机构和系统组成，依靠它们之间的有机配合和协调动作完成热功转换，并保证连续可靠工作。其基本结构有：固定件、曲柄连杆机构、配气机构和进排气系统、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统等。内燃机的主要技术参数包括动力性指标（功率）、经济性指标（燃料消耗率、机油消耗率）、可靠性和耐久性指标（大修期）、环境保护指标（排气和噪声）、强化指标、质量和尺寸指标、起动性能等。

11. 透平 燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成，如图所示。此外为了保证机组的正常运转，机组还配有必要的辅助系统，包括：空气系统、启动系统、润滑系统、燃料系统和控制系统等。下面以SOLAR的CENTAUR TYPE H型机组为例进行介绍。 外界空气进入压气机压缩，压力升高后进入燃烧室，专门的燃料系统向燃烧室喷入燃料，空气和燃料充分混合燃烧，产生高温、高压的燃气进入透平部分，在这里膨胀做功，驱动透平转动，透平带动压缩机转子旋转后尚有剩余扭矩输出带动发电机旋转发电，这就是燃气轮机发电机组的工作原理。

12. 透平图例

13. 换热器 热交换器简称换热器，在油气生产中得到广泛的应用，在节能降耗及降低生产成本中显示了其重要性，在实际生产中充分利用了生产过程中的能量，从而达到节能降耗的目的。 根据不同的工艺要求，换热器的种类千差万别，按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、再沸器等；按冷热流体的接触方式区分，可分为间壁式、直接混合式及蓄热式三种。间壁式换热器在天然气生产中应用得最广泛。

14. 流体机械 • 1、泵与泵装置 • 2、压缩机

15. 泵与泵装置 • 输送液体或使液体增压的机械通称泵。泵将原动机的机械能或其它外部能量输送给液体，使液体能量增加。泵按照工作原理可分为动力式泵（离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵）、容积式泵（往复泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵）、回转泵（齿轮泵、螺杆泵、叶型泵等）、其它类型泵（射流泵、气体生液泵）。 • 动力式泵是依靠快速旋转的叶轮对液体的作用力将机械能传给流体，使动力能和压力能增加，再通过泵壳将大部分动能转变为压力能而实现输送。 • 容积式泵是依靠工作元件在泵缸内做往复或回转运动，使容积交替增大和缩小，实现流体的吸入和排出。工作元件作往复运动的容积式泵称往复泵，其吸入和排出过程在同一泵缸内，并由吸入阀和排出阀配合完成。工作元件作回转运动的称回转泵，主要通过齿轮、螺杆、滑片等工作元件的旋转运动迫使液体从吸入侧转移到排出侧。

16. 泵与泵装置 • 泵的特性包括特性曲线形状、性能稳定性、自吸能力、起动与调节、介质粘度适用范围等。用户对泵最基本的要求是一定的流量和必须达到的扬程（对于容积式泵是必须达到的压力）。此外还有其它使用要求，如泵的气蚀余量、抽送介质性质、工作温度、工作压力、安装条件等。 • 泵的主要特征参数包括流量、进出口压力、扬程、转速、功率、效率、气蚀余量等。

17. 压缩机 • 压缩机就是利用原动机的机械能将气体压力提高的机械。 • 压缩机按照结构上来讲分为透平式压缩机（离心式压缩机和轴流式压缩机）、容积式压缩机（往复式和回转式（螺杆式、滑片式、罗茨式）。 • 透平式压缩机主要由定子和转子两部分组成。机械能就是通过转子的叶轮传递给气体的。 • 容积式压缩机是利用机械能使气体容积缩小而提高气体压力。 • 离心式压缩机为透平式压缩机中的一种。在压缩机内旋转叶片把气体加速后，根据伯努里定理把动能转化为压能。用于压缩天然气的离心压缩机一般为多级离心式压缩机。这些压缩机由电机或透平机驱动。

18. 压缩机图例

19. 储存装置 • 储存装置根据其所储存的介质是否带压分为常压容器和压力容器，具体内容请参考李君华所作的橇块基础讲座。

20. 机械设备主要类别（按系统） • 海上油气集输系统机械设备（工艺处理设备） • 海上油气田生产辅助系统机械设备（公用设备）

21. 海上油气集输系统机械设备（工艺处理设备） • 原油处理系统机械设备 • 天然气处理系统机械设备 • 水处理设备 • 闭排系统设备 • 开排系统

22. 海上油气田生产辅助系统机械设备（公用设备）海上油气田生产辅助系统机械设备（公用设备） • 动力电站设备 • 仪表气和公用气设备 • 柴油系统设备 • 海水提升和供给设备 • 淡水系统设备 • 供热设备 • 起重设备 • 生活污水处理设备 • 安全设备

23. 原油处理系统机械设备 • 原油处理的主要流程就是将开采出的原油在海上采油平台或生产油轮进行油、气、水的分离、净化、计量和外输；伴生气经除液后利用或送到火炬系统烧掉；污水进污水处理系统处理符合排放标准后排放入海；原油进一步处理后得到合格的商品油存储或外输。 • 1）原油汇集 • 2）原油处理 • 3）原油外输

24. 原油汇集 • 从地下油藏中采出的井液经采油树输送到管汇中，管汇分为生产管汇和测试管汇。 • 测试管汇分别将每口井的产出井液输送到计量分离器中进行分离并计量。 • 一般情况下，在计量分离器中进行气液两相分离，分出的天然气和液体分别进行计量。液相采用油水分析仪测量含水率，从而测算出单井油气水产量。 • 生产管汇是将每口油井的液体汇集起来，并输送到油气分离系统中去。

25. 原油处理 • 原油处理主要设施有分离器、加热器、测试设备、泵类设备、仪电设备、检测和安全保护设备等。 • 1）油、气、水分离 • 2）脱水脱盐 • 3）伴生气处理

26. 油气水分离 • 油井产出液中含有原油、凝析油、天然气（包括自由气、溶解气、凝析蒸气）、水、杂质和外来物质。从生产管汇汇集的井液输送至三相分离器中，三相分离器将油、气、水进行初步分离。 • 油气水地面处理设备主要是分离器。分离器按形状分一般有三种，即立式、卧式及球形。根据各形状分离器在分离效率、分离后流体的稳定性、变化条件的适应性、操作的灵活性、处理能力、处理起泡原油和安装所需空间等方面的优缺点比较，作为海上处理设备的分离器，首选的是卧式三相分离器，其次是立式两相，球形基本上不采用。 • 分离设备的种类繁多，为了便于归纳和举例进行典型说明，下面就分离设备的工作原理、适用条件和优缺点分成六类进行简述，六类分离设备的对比情况如表所示。

27. 油气水分离设备对比表

28. 油气水分离 • 挡板卧式三相分离器，油气水混合物进入分离器后，进口分流器把混合物大致分成气液两相。液相由导管引至油水界面以下进入集液部分，集液部分应有足够的体积使自由水沉降至底部形成水层，其上是原油和含有较小水滴的乳状油层，油和乳状油从挡板上面溢出。油水界面和油面由控制阀控制于恒定的高度。气体水平地通过重力沉降部分，经除雾器后由气出口流出。分离器的压力由设在气管上的阀门控制。

29. 分离器简图

30. 脱水脱盐 • 分离出的原油因还含有乳化水，往往需要进入电脱水器进一步破乳、脱水，才能使处理后的原油达到合格的外输要求。 • 分离出的原油如果含盐量比较高，会对炼厂加工带来危害，影响原油的售价，因此有些油田还要增加脱盐设备进行脱盐处理。 • 电脱水器和电脱盐器都是油气水处理系统中的重要设备，在常规工艺中，它们是两个独立的处理装置，分别完成各自的电脱水和脱盐任务。 • 电脱水和脱盐所使用的电场包括交流电场、直流电场和交直流电场。在电场中利用聚结（电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结）的方式对油中所含的水、盐和杂质进行脱离。 • 电脱盐工艺要增加一套原油与淡水混合设备，该设备的作用是加入淡水去“冲洗”原油，便于淡水吸收原油中的盐。

31. 电脱盐设备简图

32. 伴生气处理 • 分离器分离出的天然气进入燃料气系统中，燃料气系统将天然气脱水后分配到各个用户。平台上的用户一般为：燃气透平发电机、热介质加热炉、蒸气炉等。对于某些油田来说，天然气经压缩可供注气或气举使用。低压天然气可以作为密封气使用，也可以用做仪表气。多余的天然气可通过火炬臂上的火炬头烧掉。

33. 原油计量外输 • 经处理后的合格原油，将进储油舱储存，或经原油外输泵增压、计量装置计量后通过海底管线外输至储油终端。

34. 天然气处理系统机械设备 • 天然气处理中常用的主要设备包括：井口装置、测试分离器、生产分离器、接触塔、低温分离器、热交换器、加热器、压缩机、集输管道、计量装置等 • 井口装置、分离器、换热器、加热器等与油田原理相同，在此不予赘述。

35. 酸性气体处理 • 天然气中经常含有一定数量的H2S，CO2等酸性组分，其遇水后呈酸性，因此，人们称其为酸性气体。天然气中酸性气体的存在会增加对管道和设备的腐蚀而影响其使用寿命。此外，在天然气低温分离过程中，CO2有可能形成干冰而堵塞管道和设备；含H2S较多的天然气燃烧时会出现异味，燃烧所生成的SO2等化合物会污染环境；在催化加工中，含硫的烃类化合物会使催化剂中毒。因此，酸性气体的脱除是天然气净化的主要任务之一。 • 天然气脱除酸性气体的工艺方法可分为：化学吸收法和物理吸收法。 • 对于海上天然气生产平台，由于空间的限制，宜采用占地少，便于操作的整装型脱硫装置。如采用分子筛，碳酸脂半透膜，氧化铁法等方法进行酸性气体的脱除。 • 氧化铁法是将含硫天然气通过海绵状的水合氧化铁床层，使H2S与床层中的氧化铁充分接触，发生化学反应，从而将H2S从天然气中脱除。当氧化铁被转化接近完成时，向反应塔中吹入空气，在氧的氧化作用下，反应物被氧化又转变成氧化铁，并释放出硫，从而达到氧化铁的再生和循环使用。

36. 天然气脱水及水露点控制 • 天然气脱水，就是脱除天然气中的水分，降低水露点的工艺。将天然气脱水至所要求露点以下的的温度，就可以避免水化物的形成及冷凝水的酸腐蚀。 • 脱除天然气水分的方法有：液体（甘醇）吸收法；固体吸附法（干燥法）；降温冷凝法。 • 用溶剂来吸收天然气中水分的方法是建立于不同气体在液体中溶解度不同的基础上，在天然气脱水工艺中，最常用的液体吸收剂是三甘醇。 • 甘醇脱水过程就是吸收过程。这个过程在接触（吸收）塔内进行。气流从塔底进入，而贫三甘醇溶液从塔顶流入，以逆流方式流动，通过各级塔盘气体与三甘醇的充分接触，气流里的水蒸气被吸收到贫三甘醇溶液中。最后，富三甘醇从塔底流回再生（浓缩）系统。三甘醇再生系统主要以加热的办法把水从三甘醇中脱出，还可以借助汽提（解吸）气或溶剂提高三甘醇的纯度。再生的三甘醇就可以重新用来脱水。

37. 三甘醇脱水系统简图

38. 天然气脱烃及烃露点控制 • 脱除天然气中液烃成分（NGL）以气体方式存在于气流中，有4个原因要脱除它： • 液态的碳氢化合物要比气态的更有价值； • 在输入管线的气的规格对干气中的NGL含量有要求。如用于透平机发电等，烃露点过高会影响透平机的寿命； • 随温度的变化，重质的NGL会在输送管道中形成； • NGL可以重新注入油藏来提高采收率。 • 脱除NGL有多种方法，常见的有贫油吸收和低温分离。 • 低温分离是目前工业上使用的最常用的方法。在低温分离的流程中，天然气流被冷却到极低的 • 温度,乙烷和乙烷以上的成分冷凝成液体然后脱除。低温分离通常分三步：脱水、制冷和分馏。在一些深冷工艺中由于低温分离流程的温度很低，气流中的水分必须几乎全部脱除。在这种流程中的脱水通常使用分子筛。中冷的低温分离工艺一般用三甘醇脱水即可达到要求。制冷一般有三种方法：即制冷剂制冷、JT阀降压制冷和膨胀机降压制冷。

39. 天然气压缩及外输 • 天然气压缩机在油气田中主要用于三个目的：低压气的回收和天然气的中间过程的加压和外输气的输送。用于低压气回收的压缩机往往是低压缩量、高压缩比的单级或多级活塞式压缩机，压缩比从5到20不等；而用于中间过程加压和外输的压缩机则往往是高压缩量、低压缩比的单级或多级离心式压缩机。

40. 水处理设备 • 分离器分离出的含油污水进入含油污水处理系统中进行处理。 • 水处理系统包括含油污水处理系统和注水系统。常规的含油污水处理流程为：从分离器分离出来的含油污水首先进入斜板隔油器中进行油水分离，然后进入气浮选器进行分离，如果二级处理后仍达不到规定的含油指标时，可增设砂滤器进行三级处理，处理合格后的污水排海。 • 近年来发展了水力旋流器处理含油污水。水力旋流器处理量大，占地面积小而得到广泛使用，但对于高密度稠油油田的含油污水处理效果不好。 • 注水系统从注水的来源不同而分为三类：注海水、注地层水和污水回注。注水系统就是将不同水源处理合格后经增压泵，注水泵注入到地层中去。 • 含油污水处理方法有物理方法和化学方法，但在生产实践过程中两种方法往往结合应用。归纳目前海上主要应用的含油污水处理方法如表所示。

41. 目前海上油田含油污水处理的处理方法

42. 水处理设备 • 由于海上油气田的处理量大小不同，原油及伴生水性质不同，处理后的污水要求标准不同，还有海域、经济效益等等因素不同，所选择的处理设施不可能相同。举例说明如下： • 埕北油田污水流程所设置的污水处理装置，包括聚结器、浮选器、砂滤器和缓冲罐。来自原油处理系统的含油污水，首先经聚结器，在聚结器入口前加入絮凝剂，在聚结器中，通过絮凝和重力分离。较大颗粒原油及悬浮固体上浮并被撇入导油槽。 • 处理后的污水靠位差进入浮选器，设计为加气浮选，由底部加入少量天然气，作为附着小油滴载体与油珠一起上浮到顶部，上部撇油装置将油撇出。处理后的污水由下部出口流出。 • 来自浮选器的污水由泵加压输送到过滤器，由上至下通过过滤层，处理后污水进入缓冲罐。此时的污水应是处理后的合格水，可用做注入水或动力液，剩余部分排海。

43. 水处理设备系统简图

44. 注水设备系统简图 • 污水处理流程来水首先进入净化水缓冲罐，缓冲罐上部有天然气注入口，设计注入天然气，这是为了防止氧气进入；顶部设有呼吸阀；增压泵将污水提取供给注水、动力液用水系统及排海，来自注水的污水经注水泵增压通过注水管汇分至各注水井。与之配套的净化水罐液位控制仪表及泵的压力控制系统不再详细叙述。

45. 闭排系统设备 • 闭式排放系统是平台油气生产系统的一个辅助系统，其作用如下： • 1）接收生产管线、容器等设备在异常状态下安全卸压排出的原油或混合物； • 2）接收油气生产设备停运后在压力下排放油气混合物； • 3）将接收的混合液进行气液分离，气送至火炬烧掉，油回收至原油处理系统重新处理。 • 闭式排放系统主要由闭式排放罐和闭式排放泵组成，罐内液位的高低控制泵的停启，因此，闭式排放泵为间歇运行。

46. 闭排系统设备 • 图为涠11-4油田上的闭式排放系统流程图，其它各海上油田的闭式排放系统与此类似。 • 闭式排放罐为一卧式两相分离器，外部主要有：液位计、压力表、液位开关、排污口、放空口、冲砂口；内部主要有：油液进口分流器、油液出口防涡板、气体出口捕雾器、冲砂器、排污砂槽、热介质盘管等。 • 闭式排放系统是间歇操作的系统，各处排放的混合液经管汇汇集，然后从罐顶的入口进入罐体，顶部有一气体的排放口，油气分离出来的气体从罐顶气管排出到火炬系统，分离出来的混合液从罐底部的出口由回收泵打回处理流程。正常运行时，当液位升到设定的高液位值时，泵自动开启，将罐内混合液泵出，当液位降到设定的低液位值时，自动停泵。罐内正常的操作温度为50℃，用热介质加热盘管加热维持正常的操作温度。当罐内温度低于50℃时，热介质加热管温度控制阀自动打开，热介质的热量传给罐内混合液，给罐内混合液加热，罐内混合液温度逐渐升高。当罐内温度高于50℃时，热介质加热管温度控制阀自动关闭，即温度过高，控制热介质流量减小，反之则加大热介质流量，从而自动控制罐内温度，将罐内的温度控制在设定的范围内。

47. 闭排系统设备简图

48. 开排系统设备 • 开式排放系统主要是收集平台各处敞开于大气的水、污水和污油，并进行处理。有的平台的开式排放系统又可以分为非含油污水排放系统和含油污水排放系统。非含油污水排放系统由于收集和排放的是不含油和对海洋不会造成污染的水，因此该系统不采用任何处理设备，只是用管子将各排放口连接，最后汇集到一根总管直接排入大海。含油污水排放系统的作用是将生产、公用系统中的含油污水进行收集和处理，达到排放标准后排入海中。该系统主要设备有开式排放罐、污水泵等。

49. 海上油气田生产辅助系统机械设备（公用设备）海上油气田生产辅助系统机械设备（公用设备） • 海上油气田生产辅助设施有别于陆上油田，考虑到海上设施远离陆地，海上运输的困难，需要设置相应生产辅助系统。公用系统是平台生产和生活的保障系统，该系统所提供的设施为平台维持正常的生产活动和人员生存所必须，并且为平台其它设备所共用，所以称其为公用系统。 • 公用系统一般可以概括为以下几个主要部分：发电和配电；仪表气和公用气；柴油、海水、淡水；供热；空调和通风系统；起重设备；生活污水及垃圾处理；安全设备。

50. 动力电站设备 • 海上生活设施的电气系统不同于陆上油田所采用的电网供电方式，海上油田一般采用平台自发电集中供电的形式。 • 电力系统是海洋石油平台的心脏，它发出的电能供全船用电设备使用，是平台安全和正常生产的前提和基础。 • 一般情况下，海上采油平台都配备有主电源和应急电源，以满足不同用电设备对电源在供电时间上的不同要求。主电源在正常生产时为平台所有用电设备提供电能，而应急电源只是在平台黑启动时为主发电机组的附机提供电源和应急状态下为一些安全设备提供电源，因此主电站的发电机组一般选用功率较大的燃气轮机发电机组或往复式发电机组，而应急电源一般都选用启动迅速的柴油发电机组。