王婭婷　李 佳　王 琳　曹 杰

1.中國石油大學(xué)(華東)　2.勝利油田河口采油廠油氣集輸大隊(duì)　3.中國石油西部管道公司

負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定工藝的模擬與運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

王婭婷1李 佳2王 琳1曹 杰3

1.中國石油大學(xué)(華東)2.勝利油田河口采油廠油氣集輸大隊(duì)3.中國石油西部管道公司

摘要采用原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾-天然氣組分混合模型對(duì)油氣混合物進(jìn)行表征，利用流程模擬軟件對(duì)聯(lián)合站的負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定工藝進(jìn)行模擬，對(duì)不同運(yùn)行參數(shù)下的綜合效益進(jìn)行預(yù)測及分析，確定優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。流程模擬中，采用原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和天然氣組分測試數(shù)據(jù)對(duì)穩(wěn)定塔進(jìn)料進(jìn)行表征，利用Aspen HYSYS對(duì)實(shí)際流程進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)不同穩(wěn)定塔操作壓力、壓縮機(jī)出口壓力、氣提氣流量、進(jìn)料溫度條件下的工藝流程進(jìn)行了模擬，并對(duì)不同條件下的產(chǎn)品產(chǎn)量和能耗進(jìn)行綜合分析，優(yōu)化分析結(jié)果表明：①當(dāng)穩(wěn)定塔操作壓力為-0.065~-0.06 MPa時(shí)，輕烴產(chǎn)量較高；②氣提氣工藝可有效提高輕烴回收率；③當(dāng)穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度為75~90 ℃時(shí)，綜合效益較高。

關(guān)鍵詞負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定實(shí)沸點(diǎn)蒸餾模擬運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

20世紀(jì)70年代以來，我國油田集輸系統(tǒng)陸續(xù)改造為閉式流程，并于80年代相繼建設(shè)了一批原油穩(wěn)定裝置，從凈化原油中分出揮發(fā)性強(qiáng)的天然氣組分C1~C4，使原油蒸汽壓降低，減少蒸發(fā)損耗。原油穩(wěn)定的目的可概括為：①降低原油蒸氣壓，滿足原油儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全、環(huán)保要求；②脫除原油內(nèi)的H2S等有害雜質(zhì)氣體；③回收輕烴，使利潤最大化[1]。

目前，我國各大油田采用的原油穩(wěn)定工藝因原油物性、集輸模式等條件的差異而有所不同，常見的原油穩(wěn)定方法可分為閃蒸法和分餾法。國內(nèi)近100套原油穩(wěn)定裝置中負(fù)壓閃蒸裝置約占80%，正壓閃蒸裝置約占5%，分餾裝置約占15%[2]。

以某聯(lián)合站的負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定工藝為例，對(duì)原油樣本進(jìn)行實(shí)沸點(diǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)與黏溫曲線測試，對(duì)天然氣進(jìn)行分子組分測試，采用“原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾-天然氣組分混合模型”對(duì)油氣混合物進(jìn)行表征；利用Aspen HYSYS軟件對(duì)現(xiàn)場的原油穩(wěn)定與輕烴回收流程進(jìn)行模擬，并對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)不同進(jìn)料溫度、操作壓力、壓縮機(jī)壓力、氣提氣流量下的工況進(jìn)行模擬，分析不同操作參數(shù)對(duì)原油穩(wěn)定工藝的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗的影響，找出各操作參數(shù)的優(yōu)化值，規(guī)范現(xiàn)場操作，指導(dǎo)生產(chǎn)優(yōu)化運(yùn)行。

1油氣混合物的表征

采用“原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾(TBP)-天然氣組分混合模型”[3]進(jìn)行油氣混合物的表征，物料中的原油利用實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)進(jìn)行表征，氣體組分通過分子組分進(jìn)行表征。原油和天然氣樣本分別從聯(lián)合站三相分離器的油、氣出口采集。對(duì)原油進(jìn)行實(shí)沸點(diǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)與黏溫曲線測試，測得其實(shí)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)和黏溫特性，見圖1～圖2。采用氣相色譜法對(duì)天然氣組分進(jìn)行分子組分測試，結(jié)果見表1。

表1 天然氣組分測試結(jié)果 Table1 Testresultsofnaturalgascomposition(y/%)CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10i-C5H12n-C5H12C+6CO2N285.035.702.810.851.110.420.280.241.282.28

從實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)中選取具有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)(至少5個(gè)點(diǎn))，利用HYSYS軟件的油品管理器進(jìn)行虛擬組分切割計(jì)算，形成一系列的原油虛擬組分，得到更為詳細(xì)的切割虛擬組分及各虛擬組分的物性參數(shù)。

圖3為輸入的實(shí)沸點(diǎn)蒸餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的對(duì)比，可見輸入的蒸餾數(shù)據(jù)與計(jì)算生成的完整蒸餾曲線非常吻合。此外，從圖2的黏溫特性曲線中選取具有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)(40 ℃和50 ℃的黏度)，以原油整體物性的方式輸入油品管理器，以保證原油黏度模擬的準(zhǔn)確性。

最終，將以TBP虛擬組分表征的原油、分子組分表征的天然氣和水按各自的實(shí)際流量進(jìn)行混合，以表征進(jìn)入聯(lián)合站分離器的油氣水混合物，分離后的油經(jīng)加熱、脫水等工藝后進(jìn)入原油穩(wěn)定工藝流程。以下重點(diǎn)討論原油穩(wěn)定工藝，其他油氣處理流程不再贅述。

2負(fù)壓閃蒸流程的模擬

圖4為模擬的負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定工藝流程，現(xiàn)場實(shí)際流程中無氣提氣流程。脫水后的原油經(jīng)節(jié)流減壓后進(jìn)入穩(wěn)定塔，塔頂與壓縮機(jī)入口相連，由于進(jìn)口節(jié)流和壓縮機(jī)的抽吸，使塔的操作壓力形成負(fù)壓；原油在塔內(nèi)閃蒸，易揮發(fā)組分在負(fù)壓下析出進(jìn)入氣相，并從塔頂流出，氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓及兩級(jí)冷凝后在分離器內(nèi)分出不凝氣和凝析油(輕烴)；塔底流出的穩(wěn)定原油增壓輸送至油庫。

為使現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)更具代表性，測得連續(xù)7天的參數(shù)，取平均值代表現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)：進(jìn)料溫度80.2 ℃，壓縮機(jī)出口壓力0.26 MPa，1號(hào)冷凝器出口溫度為58.0 ℃，2號(hào)冷凝器出口溫度為40.0 ℃；原油穩(wěn)定塔進(jìn)料流量為901 t/d，穩(wěn)定原油產(chǎn)量890 t/d，輕烴產(chǎn)量8.5 t/d。

利用HYSYS軟件對(duì)負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定流程進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，見表2。由表2可知，軟件模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)較吻合，說明物性表征方法與工藝模擬方法是準(zhǔn)確的。

原油穩(wěn)定的主要產(chǎn)品為穩(wěn)定原油、不凝氣和輕烴，而主要的能耗為壓縮機(jī)能耗及穩(wěn)定塔進(jìn)料的加熱能耗。通過對(duì)不同進(jìn)料溫度、操作壓力、壓縮機(jī)壓力、氣提氣流量下的工況進(jìn)行模擬，分析不同操作參數(shù)對(duì)原油穩(wěn)定工藝的產(chǎn)品產(chǎn)量和能耗的影響，找出各操作參數(shù)的優(yōu)化值，指導(dǎo)現(xiàn)場優(yōu)化運(yùn)行，從而達(dá)到能耗與產(chǎn)品產(chǎn)量綜合效益最優(yōu)的目的。

表2 模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對(duì)比Table2 Comparisonofsimulationresultsandfielddata計(jì)算方法原油產(chǎn)量/(t·d-1)輕烴產(chǎn)量/(t·d-1)不凝氣產(chǎn)量/(t·d-1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)890.08.5模擬結(jié)果887.88.74.48

3運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

3.1穩(wěn)定塔操作壓力

穩(wěn)定塔塔頂與壓縮機(jī)入口相連，壓縮機(jī)的抽吸使穩(wěn)定塔的操作壓力為負(fù)壓。在其他操作參數(shù)與現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)相同的條件下，通過流程模擬計(jì)算，得到不同操作壓力下穩(wěn)定塔的產(chǎn)品產(chǎn)量，見圖5。

由圖5可知，當(dāng)操作壓力小于-0.060 MPa時(shí)，操作壓力越低，輕烴產(chǎn)量越高，相應(yīng)原油與不凝氣產(chǎn)量降低；當(dāng)操作壓力大于-0.060 MPa時(shí)，操作壓力對(duì)3種產(chǎn)品的產(chǎn)量影響不大?？紤]到壓縮機(jī)功率與設(shè)備承壓的限制，建議塔頂壓力不低于-0.065 MPa。

3.2壓縮機(jī)出口壓力

塔頂氣體通過壓縮機(jī)增壓，經(jīng)兩級(jí)冷凝后在分離器內(nèi)分出不凝氣和輕烴。在其他操作參數(shù)與現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)相同的條件下，通過流程模擬計(jì)算得到不同壓縮機(jī)出口壓力下的輕烴產(chǎn)量，見圖6。

由圖6可知，壓縮機(jī)出口壓力越大，輕烴產(chǎn)量越多?？紤]到壓縮機(jī)功率的限制，推薦將壓力控制在0.26 MPa。

3.3氣提氣流量

由于現(xiàn)場流程中無氣提氣工藝，因此，在流程模擬中保持其他運(yùn)行參數(shù)不變，增加氣提氣流程，通過模擬計(jì)算得到不同氣提氣流量下的產(chǎn)品產(chǎn)量，見圖7。

從圖7可以看出，若增大氣提氣流量，不凝氣產(chǎn)量與天然氣產(chǎn)量增大，原油產(chǎn)量減小?？梢?，增大氣提氣流量是提高輕烴產(chǎn)量的有效方法，建議在現(xiàn)場增加此流程。

3.4穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度

穩(wěn)定塔的進(jìn)料溫度由脫水器之前的脫水加熱爐控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過提高加熱爐的加熱溫度以提高穩(wěn)定塔的輕烴產(chǎn)量，但加熱爐溫度過高會(huì)使燃料消耗較多，甚至造成穩(wěn)定塔的“黑烴事故”，不僅綜合效益差，還會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，影響聯(lián)合站的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在保持其他參數(shù)與現(xiàn)場相同的情況下，對(duì)不同進(jìn)料溫度下的產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)產(chǎn)品的綜合效益進(jìn)行評(píng)測。分析進(jìn)料溫度對(duì)各參數(shù)的影響，給出合理的穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，規(guī)范現(xiàn)場操作。

圖8為不同進(jìn)料溫度下穩(wěn)定塔的不凝氣、輕烴和穩(wěn)定原油產(chǎn)量。從圖中可以看出，穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度越高，輕烴產(chǎn)量越高，而外輸氣和原油的產(chǎn)量相應(yīng)減少。

分析不同穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度下的產(chǎn)品產(chǎn)量與消耗燃料量的綜合效益，以確定最優(yōu)進(jìn)料溫度。在綜合效益核算中，考慮不同進(jìn)料溫度下穩(wěn)定塔3種產(chǎn)品與消耗燃料的綜合效益，即綜合效益等于產(chǎn)品價(jià)格減去燃料價(jià)格。其中，燃料氣為天然氣，價(jià)格為4.9元/m3，熱值38 000 kJ/m3，熱能利用率50%，原油比熱容為2 kJ/(kg·℃)，不凝氣密度為2.3 kg/m3(280 kPa下)，輕油價(jià)值6 800元/t，原油價(jià)格為4 000 元/t。

圖9為不同進(jìn)料溫度下的綜合效益測算對(duì)比。從圖中可以看出，在原油穩(wěn)定環(huán)節(jié)，穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度在75～90 ℃時(shí)綜合效益較高，此溫度區(qū)間內(nèi)輕烴產(chǎn)量為

6.4～14.4 t/d。因此，可在75~90 ℃的范圍內(nèi)適當(dāng)提高進(jìn)料溫度，以提高輕烴產(chǎn)量，但最高不超過90 ℃，推薦進(jìn)料溫度為80~85 ℃。

4結(jié) 論

進(jìn)行了原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾和天然氣組分測試，采用原油實(shí)沸點(diǎn)-天然氣組分混合模型對(duì)穩(wěn)定塔進(jìn)料進(jìn)行了表征，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的負(fù)壓閃蒸原油穩(wěn)定工藝進(jìn)行了模擬與準(zhǔn)確性驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)不同的穩(wěn)定塔操作壓力、壓縮機(jī)出口壓力、氣提氣流量、進(jìn)料溫度等條件下的產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)其綜合效益進(jìn)行了評(píng)測，結(jié)論如下：

(1) 原油穩(wěn)定流程的模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場參數(shù)相符，表明所選用的數(shù)學(xué)模型和模擬方法合理，用“原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾-天然氣組分混合模型”表征油氣混合物的方法在原油穩(wěn)定工藝的流程模擬中有很好的適用性。

(2) 當(dāng)負(fù)壓閃蒸穩(wěn)定塔操作壓力大于-0.06 MPa時(shí)，產(chǎn)品產(chǎn)量隨操作壓力變化不大；操作壓力小于-0.06 MPa時(shí)，壓力越低，輕烴產(chǎn)量越大。但考慮到壓縮機(jī)功率與設(shè)備承壓的限制，塔頂壓力不應(yīng)低于-0.065 MPa。

(3) 提升壓縮機(jī)出口壓力可提高輕烴回收率，但設(shè)備能耗增加；氣提氣工藝可有效提高輕烴回收率，建議現(xiàn)場實(shí)施。

(4) 進(jìn)料溫度在75~90 ℃時(shí)，產(chǎn)品和能耗的綜合效益較高，輕烴產(chǎn)量為6.4～14.4 t/d。推薦的操作溫度為80~85 ℃。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] MANNING F S, THOMPSON R E. Oilfield processing volume two: crude oil [M]. Tulsa：Penn-Well Publishing Co.， 1995.

[2] 王念兵, 宋丹. 氣提工藝在原油穩(wěn)定裝置中的應(yīng)用研究[J]. 中國勘察設(shè)計(jì)， 2009(3): 49-52.

[3] 王琳. 油氣集輸系統(tǒng)能量分析與優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 青島: 中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 2012.

Simulation and operating parameters optimization of minus pressure flash technology for crude stabilization process

Wang Yating1, Li Jia2, Wang Lin1, Cao Jie3

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao266580,China； 2.Oil&GasGatheringUnitof

HekouOilProductionPlant,ShengliOilfield,Dongying257000,China; 3.PetroChinaWest

PipelineCompany,Jiayuguan735100,China)

Abstract:The minus pressure flash technology of crude stabilization was simulated by using process simulation software with TBP-NG component model and the comprehensive benefits under different operating parameters were predicted and analyzed to determine the optimal operating parameters. In process simulation, the TBP distillation data of crude oil and test data of natural gas components were adopted to characterize the feed of stabilizer, and the simulation of actual process was created by Aspen HYSYS, and the simulation results were compared with the actual operating parameters to verify the accuracy of simulation calculation. The processes under various stabilizer operating pressure, compressor outlet pressure, stripping gas flow and feed temperature were simulated and the corresponding product yield and energy consumption were analyzed comprehensively to determine the optimal operating parameters. The analysis result showed that the light hydrocarbon yield is higher when the operating pressure ranges from -0.065 MPa to -0.06 MPa; the stripping gas technology is effective to increase the light hydrocarbon yield; and the comprehensive benefit is higher when the inlet temperature ranges from 75 ℃ to 90 ℃.

Key words:minus pressure flash, crude stabilization, true boiling point distillation, simulation, optimization of operating parameters

收稿日期：2014-09-11；編輯：溫冬云

中圖分類號(hào)：TE86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.004

作者簡介：王婭婷(1989-)，在讀碩士研究生，主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)的研究工作。E-mail：84199224@qq.com

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“基于流程模擬的集輸系統(tǒng)優(yōu)化算法與動(dòng)態(tài)并行計(jì)算技術(shù)研究”(13CX06064A)。