Оборудование нефтегазовых производств

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. В. Бирюков, А. А. Штанг 
 
 
 
 
 
 
ОБОРУДОВАНИЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.644:665.7 
ББК 33.36 
Б64 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор кафедры электроники и электротехники Новосибирского  
государственного технического университета (НГТУ) Калужский Д. Л.; 
д. т. н., профессор кафедры электротехнических комплексов Новосибирского  
государственного технического университета (НГТУ) Порсев Е. Г.; 
д. т. н., профессор кафедры электропривода и автоматизации промышленных 
установок Новосибирского государственного технического университета 
(НГТУ) Аносов В. Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бирюков, В. В. 
Б64  
 
Оборудование нефтегазовых производств : учебник / В. В. Бирюков,  
А. А. Штанг. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 448 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1817-1 
 
Излагаются общие вопросы подготовки, транспортировки и хранения нефтепродуктов и газа. Рассматриваются схемы технологических установок по сбору и подготовке к транспортировке нефти и газа, излагаются принципы расчёта параметров используемого для этих целей оборудования. Приводятся примеры расчётов по выбору 
оборудования трубопроводов для транспортировки нефти и газа. 
Для студентов бакалавриата по направлению 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также инженерно-технических работников, занимающихся проектированием трубопроводов для транспортировки нефти и газа.    
 
УДК 621.644:665.7 
ББК 33.36 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1817-1 
© Бирюков В. В., Штанг А. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  
....................................................................................................... 5 
ВВЕДЕНИЕ  ............................................................................................................... 6 
РАЗДЕЛ 1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ 
НЕФТИ  .................................................................................................................... 10 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ  
............................................. 10 
1.1. Краткая историческая справка о развитии и современном  
состоянии насосо-, вентиляторо- и компрессоростроения ................................. 10 
1.2. Основные понятия и определения .................................................................. 13 
1.3. Гидроаэродинамика нагнетателей. Уравнение Л. Эйлера  .......................... 29 
1.4. Влияние конечного количества лопастей и величины их  
выходного угла на напор ........................................................................................ 34 
1.5. Характеристики нагнетателей: индивидуальные, универсальные,  
совмещённые и т. д. 
................................................................................................. 40 
ГЛАВА 2. НАСОСЫ ............................................................................................... 49 
2.1. Классификация насосов 
................................................................................... 49 
2.2. Центробежный насос  ...................................................................................... 49 
2.3. Характеристики центробежных насосов  ...................................................... 63 
2.4. Последовательная и параллельная работа центробежных насосов ............ 70 
2.5. Подобие насосов  
.............................................................................................. 75 
2.6. Кавитация: сущность явления, причины и признаки возникновения ........ 81 
2.7. Регулирование производительности центробежных насосов  .................... 88 
2.8. Определение основных параметров центробежного насоса  ...................... 97 
ГЛАВА 3. ОСЕВЫЕ, РОТОРНЫЕ И ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ  
.................... 108 
3.1. Устройство и область применения осевых насосов  .................................. 108 
3.2. Основы проектирования осевых насосов  ................................................... 111 
3.3. Устройство и область применения роторных насосов  
.............................. 127 
3.4. Устройство и область применения вихревых насосов ............................... 136 
3.5. Принцип действия и характеристики поршневых насосов  
....................... 144 
ГЛАВА 4. ВЕНТИЛЯТОРЫ  
................................................................................ 155 
4.1. Принцип действия и характеристики центробежных вентиляторов ........ 155 
4.2. Типы и конструктивное исполнение центробежных вентиляторов  ........ 162 
4.3. Влияние механических примесей на работу вентилятора  ........................ 164 
ГЛАВА 5. СРЕДСТВА ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ  
И НЕФТЕПРОДУКТОВ  ...................................................................................... 166 
5.1. Общая характеристика средств транспортировки нефти  
и нефтепродуктов  ................................................................................................. 166 
5.2. Трубопроводный транспорт: классификация, схемы перекачки, трассы  
и профили трубопроводов, характеристики  ...................................................... 167 
5.3. Сортамент и элементы трубопроводных коммуникаций; арматура  
трубопроводов  ...................................................................................................... 175 
5.4. Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов ................................... 190 
5.5. Технологический расчёт трубопроводов  .................................................... 193 
 
3 

РАЗДЕЛ 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОБЫЧИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ  
ПРИРОДНОГО ГАЗА  .......................................................................................... 204 
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ  ............................ 204 
1.1. Классификация и характеристика составляющих газового топлива  
....... 204 
1.2. Параметры состояния газа  
............................................................................ 210 
1.3. Основные законы идеальных и реальных газов и их смесей .................... 215 
ГЛАВА 2. ГАЗОВЫЕ ПРОМЫСЛЫ И ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА  
.......... 221 
2.1. Схема сборки и транспортировки природного газа  
................................... 228 
2.2. Магистральные газопроводы  ....................................................................... 236 
2.3. Компрессорные станции  
............................................................................... 242 
2.4. Газораспределительные станции и газораспределительные пункты ....... 252 
2.5. Сооружения для хранения газа  .................................................................... 254 
ГЛАВА 3. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОМПРЕССОРНЫХ  
СТАНЦИЙ  
............................................................................................................. 260 
3.1. Газоперекачивающие агрегаты  .................................................................... 260 
3.2. Нагнетатели газоперекачивающих агрегатов  
............................................. 299 
3.3. Системы очистки технологического газа на компрессорной станции ..... 307 
3.4. Системы охлаждения транспортируемого газа на компрессорных  
станциях  
................................................................................................................. 312 
ГЛАВА 4. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ  ....................................................................... 316 
4.1. Вспомогательные системы и оборудование компрессорного цеха .......... 317 
4.2. Конструктивное исполнение запорной арматуры ...................................... 329 
ГЛАВА 5. СЖИЖЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ  
................................................. 338 
5.1. Становление и развитие производства сжиженного природного газа  .... 339 
5.2. Технологии получения сжиженных углеводородов  
.................................. 341 
5.3. Получение сжиженных газов из нефти  
....................................................... 361 
5.4. Способы транспортировки сжиженных углеводородов  ........................... 365 
5.5. Сооружения для хранения сжиженных углеводородов  ............................ 367 
5.6. Газораздаточные станции и газораспределительные пункты  .................. 376 
5.7. Сланцевый газ  
................................................................................................ 386 
 
РАЗДЕЛ 3. ЗАДАЧИ  ............................................................................................ 392 
ГЛАВА 1. НЕФТЬ И НЕФТЕПРОДУКТЫ  
........................................................ 392 
1.1. Определение физических характеристик нефтепродуктов  
....................... 392 
1.2. Расчёт резервуарных парков нефтепродуктов  ........................................... 393 
1.3. Расчёт параметров и выбор типа насоса  ..................................................... 399 
1.4. Расчёт трубопровода  ..................................................................................... 417 
ГЛАВА 2. ГАЗООБРАЗНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ  ............................................ 420 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................. 436 
ПРИЛОЖЕНИЕ ..................................................................................................... 437 
 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Углеводородные сырьевые ресурсы являются в настоящее время одним из 
основных источников получения тепловой и электрической энергии, а также 
исходным продуктом для химической промышленности. Несмотря на ограниченные запасы нефти и газа объёмы добычи их ежегодно возрастают. 
Технологическая цепочка использования нефти и газа включает в себя 
извлечение их из недр, транспортировку и переработку. Предлагаемая книга 
содержит сведения по двум первым составляющим процесса потребления сырья. 
Структурно учебник состоит из трёх разделов. В первом разделе, состоящем из пяти глав, излагаются сведения, относящиеся к добыче и транспортировке нефти. В первой главе приводятся основные положения из теории, в 
остальных – характеристики, конструктивное исполнение и размещение оборудования, используемого для подготовки нефти к транспортировке. Завершают 
раздел краткие сведения по расчёту основных параметров оборудования. 
Во втором разделе, построенном аналогично первому, приводятся сведения по добыче и транспортировке газообразных углеводородов. 
В третьем разделе приводятся примеры решения ряда задач, возникающих при проектировании трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных углеводородов. 
Автор выражает признательность рецензентам докторам технических 
наук, профессорам Д. Л. Калужскому, Е. Г. Порсеву и В. Н. Аносову, сделавшим при прочтении рукописи ряд ценных замечаний, которые были учтены авторами при подготовке учебника к изданию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Нефть известна человечеству с древнейших времён. Раскопками на берегу 
Евфрата установлено существование нефтяного промысла за 6000–4000 лет  
до н. э. В то время её применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы – в 
строительном и дорожном деле. Нефть известна была и Древнему Египту, где 
она использовалась для бальзамирования покойников. Плутарх и Диоскорид 
упоминают о нефти, как о топливе, применявшемся в Древней Греции. Около  
2000 лет назад было известно о её залежах в Сураханах около Баку (Азербайджан). Нефте- и газопроявления были зафиксированы в Баку, на западном берегу Каспийского моря арабским путешественником и историком еще в десятом 
веке. Марко Поло позднее описывал, как люди в Баку использовали нефть в 
медицинских целях и для проведения богослужений. С четырнадцатого века 
нефть, собираемая в Баку, экспортировалась в другие страны Среднего Востока.  
К XVI веку относится сообщение о «горючей воде – густе», привезённой 
с Ухты в Москву в 1597 году. В 1745 году Федор Прядунов получил разрешение начать добычу нефти со дна реки Ухта. Прядунов также построил примитивный нефтеперегонный завод и поставлял некоторые продукты в Москву и 
Санкт-Петербург. 
Несмотря на то, что с XVIII века предпринимались отдельные попытки 
очищать нефть, она всё же использовалась почти до 2-й половины XIX в. в основном в натуральном виде. На нефть было обращено большое внимание только после того, как было доказано в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823 г.), а в Америке химиком Б. Силлиманом (1855 г.), что из неё 
можно выделить керосин – осветительное масло, подобное фотогену, получившему уже широкое распространение и вырабатывавшемуся из некоторых видов 
каменных углей и сланцев. Этому способствовал возникший в середине XIX в. 
способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев. 
Первая (разведочная) скважина на нефть была пробурена промышленным 
способом на Апшеронском полуострове (Биби-Айбатское месторождение) 
вблизи Баку в 1846 году, более чем на десятилетие раньше, чем была пробурена 
первая скважина в США. Первая эксплуатационная скважина пробурена на  
р. Кудако на Кубани в 1864 году.  
Большинство нефтепромыслов находится далеко от мест переработки или 
сбыта нефти, поэтому быстрая и экономичная доставка «черного золота» жизненно важна для процветания отрасли. Самым дешевым и экологически безопасным способом транспортировки нефти являются нефтепроводы. 
Идею использования трубопроводов для перекачки нефти и нефтепродуктов предложил великий русский ученый Д. И. Менделеев. Он объяснил основные принципы строительства и привел аргументы в пользу этого вида транспорта. 
До появления трубопроводов нефть разливали в бурдюки и бочки и везли 
на лошадях. Этот способ был очень дорог. Так, в 1877 году пуд (около 16 кг) 
нефти на апшеронских промыслах стоил 3 копейки, а доставка на расстояние  
12 км к нефтеперерабатывающим заводам обходилась в 20 копеек. 
6 

Теоретические и практические основы строительства нефтепроводов разработал знаменитый инженер В. Г. Шухов, автор проекта телевизионной башни 
на Шаболовке. Под его руководством в 1879 году на Апшеронском полуострове 
создали первый в Российской империи промысловый нефтепровод для доставки нефти с Балаханского месторождения на нефтеперерабатывающие заводы 
Баку. Его длина составила 12 километров. А в 1907 году также по проекту  
В. Г. Шухова построили первый магистральный нефтепровод длиной 813 километров, соединивший Баку и Батуми. Он эксплуатируется и по сей день. 
В Америке в 1860-х годах был создан трубопровод, соединяющий нефтепромысел Ойл-Крик в Пенсильвании с железнодорожной станцией Миллер 
Фарм Стэйшн. Его длина составляла около 8 километров. 
Сегодня общая протяженность магистральных нефтепроводов в нашей 
стране составляет около 50 тысяч километров. 
Поскольку применение трубопроводов экономически выгодно, а работают они в любую погоду и в любое время года, это средство транспортировки 
нефти действительно незаменимо – особенно для России, с ее огромными территориями и сезонными ограничениями на использование водного транспорта. 
Тем не менее, основной объем международных перевозок нефти осуществляют 
танкеры. Малотоннажные танкеры используются для специальных целей – в том 
числе для перевозок битумов; танкеры общего назначения, обладающие дедвейтом (общим весом грузов, которые принимает судно) в 16500–24999 тонн,  
применяются для перевозки нефтепродуктов; среднетоннажные танкеры 
(25000–44999 тонн) – для доставки, как нефтепродуктов, так и нефти. Крупнотоннажными считаются танкеры дедвейтом более 45000 тонн, и на них приходится основная нагрузка по транспортировке нефти морским путем. Для  
транспортировки нефти по речным артериям используют баржи дедвейтом 
2000…5000 тонн. 
Первый в мире танкер, «наливной пароход» под именем «Зороастр», был 
построен в 1877 году по заказу «Товарищества братьев Нобель» на верфях 
шведского города Мотала. Пароход грузоподъемностью 15 тысяч пудов (около 
250 тонн) использовался для доставки керосина наливом из Баку в Царицын 
(ныне Волгоград) и Астрахань. 
Еще один вид транспортировки нефти – по железной дороге. Это быстрый всесезонный способ. В нашей стране его используют, чтобы доставить 
нефть из Западной Сибири на Дальний Восток, Южный Урал и в страны Центральной Азии. Из Урала нефть везут на Запад, на Северный Кавказ и в Новороссийск. Однако для доставки «черного золота» по железной дороге требуется 
в 10 раз больше трудозатрат, чем для ее транспортировки по нефтепроводам. 
Поэтому даже в странах с разветвленной железнодорожной сетью этот способ 
перевозки нефти является второстепенным. 
Широко используемый в настоящее время такой источник энергии, как 
газ, в отличие от других энергетических ресурсов получил распространение в 
России относительно недавно. Причём применявшийся газ был не природного, 
а искусственного происхождения. Началом использования газа обычно счита7 

П. Г. Соболевский 
ется дата практического внедрения установок для получения искусственного 
газа для освещения жилых помещений и улиц. 
В России установка по производству газа, 
названная автором «термоламп», была разработана в 
октябре 1811 года. Изобретателем её являлся Петр Григорьевич Соболевский. В 1816 г. П. Г. Соболевский 
применил усовершенствованный «термоламп» для 
освещения мастерских на Пожевском заводе, расположенном в 150 верстах от Перми, осенью 1819 г. –  
в уличном освещении Санкт-Петербурга.  
В 1835 г. наступил новый важный этап в истории 
газовой промышленности России: был осуществлен переход от освещения помещений с помощью индивидуальных установок к организации централизованного 
газового П. Г. Соболевский  освещения с созданием необходимой городской инфраструктуры – в районе Обводного канала в Санкт-Петербурге был построен первый газовый завод. 
В 1865 г. в Москве за Садовым кольцом, в Нижне-Сусальном тупике был 
построен завод по производству светильного газа, и первые 500 газовых фонарей зажглись на улицах Москвы. В 1867 г. в Москве уже насчитывалось около  
6 тысяч газовых фонарей. К концу 1868 г. в Российской империи действовало 
310 газовых заводов, четыре из них находились в столице, на берегах Невы. 
Дальнейшая газификация городов и предприятий в России происходила в 
европейской части и к 1910 году из 1082 городов Российской империи уличное 
освещение имели 886, электрическое было в 74, а газовое – в 35 городах. Многие из городов сочетали разные типы освещения. 
Первые упоминания о природном газе в России относятся к середине  
XIX века и связаны с чрезвычайным происшествием: в Саратовской губернии 
некий мещанин Поздников спустился в свой погреб в Глебучевом овраге с зажженной свечой, скопившийся там газ взорвался и разметал строение. Подобный случай произошел в 1867 г. в селе Елшанка (в 18 км от Саратова). Пострадавшие крестьяне представить себе, конечно, не могли, что попали на крупное 
газовое месторождение, которое будет открыто только в середине следующего 
века. Позднее, в 1906 г., углеводородное сырье (газ) обнаружили в 40 км к северу от поселка Дергачи, когда бурили артезианский колодец. Но только в 1932 г. 
профессора Можарский и Елизаров приступили к разработке саратовских недр 
и в районе Елшанки в октябре 1941 г. с глубины 307 м ударил фонтан первого в 
области богатейшего по тем временам месторождения природного газа. 
Отсутствие крупных потребителей газа в районе и острая необходимость 
в топливе для предприятий энергетики способствовали появлению первого газопровода Елшанка–СарГРЭС в 1942 г., а затем (1944 г.) – началось строительство первого дальнего газопровода. Он должен был поставлять газ из Елшанки 
в Москву.  
8 

В довоенный период чисто газовые месторождения (то есть не попутного 
газа) разрабатывались в основном в Дагестане, на Приазовском месторождении, 
близ Мелитополя, но все эти месторождения были очень небольшими.  
В 1940 году большая часть добываемого в СССР газа приходилась на газ 
попутный, полученный на нефтяных месторождениях. Самая большая добыча 
газа была в Азербайджане – 77,6 % общесоюзной добычи. На втором месте стояла Украина – 15,4 %. В России тогда было добыто всего 210 млн куб. м –  
6,5 % общесоюзной добычи.  
Доля природного газа (включая попутный) в общесоюзной добыче топлива в 1940 году составляла всего около 2 %. 
В 1943 г. введен в эксплуатацию первый магистральный газопровод  
Бугуруслан-Похвистнево-Куйбышев. 
1950 г. стал началом газовой «революции», радикально изменившей топливно-энергетический баланс нашей страны: были открыты уникальное по запасам газа Северо-Ставропольско-Пелажадинское месторождение, на Украине 
разведали крупное газовое месторождение – Шебелинское, в Ставропольском 
крае разведали Северно-Ставропольско-Пелагнадинское месторождение газа. 
В 1960–1970 гг. российский газ начинает свою международную историю. 
Соглашение «Газ – трубы» положило начало газовой эры в международной 
экономике. На Тюменском севере открыто около 20 газовых месторождений с 
суммарным запасом в несколько триллионов кубометров. 
В 1970–1990 гг. начались работы по обустройству месторождения Медвежье на Урале. Открыто Штокмановское газоконденсатное месторождение. 
В 1990–2010 гг. введены в эксплуатацию газопроводы Ямал–Европа, газопровод Россия – Турция («Голубой поток»), «Газпром» впервые поставляет 
сжиженный природный газ (СПГ) за границу, введено в эксплуатацию ЮжноРусское месторождение, «Газпром» вошел в проект «Сахалин-2», «Газпром» и 
итальянский концерн ENI подписали Меморандум о взаимопонимании и о реализации проекта «Южный поток». 
В 2012 г. между Россией и Германией введён в строй магистральный газопровод «Северный поток», проходящий по дну Балтийского моря. Газопровод «Северный поток» – самый длинный подводный маршрут экспорта газа в 
мире. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

РАЗДЕЛ 1 
 
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОБЫЧИ  
И ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ 
 
 
Глава 1 
 
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ 
 
1.1. Краткая историческая справка о развитии  
и современном состоянии насосо-, вентиляторо-  
и компрессоростроения 
 
История создания первых насосов уходит в далекое прошлое. Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во времена 
Аристотеля (IV в. до н. э.). Водоподъемные машины, приводившиеся в действие силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысячелетий до нашей эры. 
Насос как машина впервые был описан Героном Старшим из Александрии (около 120-х гг. до н. э.). Это был двухцилиндровый поршневой насос, построенный греком Ктезибием. 
Как следует из сочинений итальянского зодчего Витрувия, водяные 
поршневые насосы широко применялись в Римской империи еще в царствование Цезаря Августа (I в. до н. э.). 
Можно предположить, что первые поршневые насосы появились еще в 
глубокой древности, когда человек научился сверлить или выжигать стволы деревьев. Они просуществовали столетия. 
Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позднее. Изобретение воздушного поршневого насоса связано с именем германского физика Отто Герике (1640 г.). 
Изобретателем центробежного насоса является, по-видимому, итальянец 
Джиованни Жордан, давший первый рисунок такого насоса; изготовление первого простейшего центробежного насоса приписывается Дени Папину (1703 г.). 
Внедрение насосов в промышленность России было непосредственно связано с горнорудным делом. Уже в ХVIII в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для целей водоотлива 
из шахт и промывания россыпей. Источником двигательной силы здесь обычно 
являлась энергия воды, использовавшаяся при помощи водяных колес. 
Расширение производства, рост его специализации приводят к совершенствованию орудий труда. В ХIХ в. появляются паровые машины, паровые турбины, в конце века – электрические машины, а с ними и электропривод, который дал толчок совершенствованию насосов и компрессорных машин. Важную 
10