原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵機(jī)組選型

劉向東，郭 欣，張 倩，周 偉，劉人瑋，胡 冬

(中海油研究總院，北京 100028)

原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵機(jī)組選型

劉向東，郭 欣，張 倩，周 偉，劉人瑋，胡 冬

(中海油研究總院，北京 100028)

通過對比工藝模擬原油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為采用PRO/ⅡV9.4軟件API2B7.1(2007)方法模擬原油閃點(diǎn)誤差更小。結(jié)合工藝模擬數(shù)據(jù)，對南海某油田原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵機(jī)組進(jìn)行選型。通過分析真空泵的運(yùn)行參數(shù)，確定真空泵機(jī)組采用1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵能滿足工況要求。

原油；閃點(diǎn)；工藝模擬；真空泵；負(fù)壓閃蒸

0 引 言

海洋平臺遠(yuǎn)離海岸，絕大多數(shù)平臺均采用自備電站提供平臺用電。在海上平臺常用的主電站類型中，原油發(fā)電機(jī)的應(yīng)用僅次于渦輪發(fā)電機(jī)，已經(jīng)成為海上油田開發(fā)最常用的主電站類型之一。中海油在海上已成功應(yīng)用數(shù)十臺原油發(fā)電機(jī)作為主電站[1]。目前中海油多個(gè)海上油田均出現(xiàn)自產(chǎn)原油閃點(diǎn)低于60℃的情況，這些油田伴生氣產(chǎn)量極低，用電負(fù)荷較高，油田壽命較長，燃用柴油極不經(jīng)濟(jì)時(shí)，采用原油發(fā)電機(jī)作為主電站，顯然經(jīng)濟(jì)效益更好[2]。發(fā)電機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度通常為45℃，在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境下，低閃點(diǎn)原油若發(fā)生揮發(fā)泄漏將極易發(fā)生閃爆，存在非常大的安全隱患，因此原油低閃點(diǎn)已成為影響主電站安全性的重要因素[2—6]。海上多個(gè)油田的實(shí)際應(yīng)用表明，利用原油負(fù)壓閃蒸裝置提高低閃點(diǎn)原油的閃點(diǎn)是可行的[7]。本文采用工藝模擬軟件，確定原油負(fù)壓閃蒸裝置工藝參數(shù)，并基于模擬工藝參數(shù)，對真空泵機(jī)組進(jìn)行選型。

1 原油發(fā)電機(jī)對燃油閃點(diǎn)的要求

第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)如中國船級社(CCS)、挪威船級社(DNV)等頒布的規(guī)范中，均對發(fā)電機(jī)所用燃料的閃點(diǎn)溫度有所規(guī)定和限制。《海上固定平臺安全規(guī)則》也明確規(guī)定： 內(nèi)燃機(jī)所使用柴油的閃點(diǎn)(閉口閃點(diǎn))一般不低于60℃[8]。CCS頒布的《海上移動(dòng)平臺入級與建造規(guī)范》規(guī)定發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)用的燃油閃點(diǎn)(閉口閃點(diǎn))一般應(yīng)不低于60℃，如有專門措施，其燃油的貯藏或使用處所環(huán)境溫度能限制在低于該燃油閃點(diǎn)10℃以下范圍內(nèi)時(shí)，可允許使用閃點(diǎn)低于60℃但不低于43℃的燃油[9]。

因此，海上平臺采用原油發(fā)電機(jī)作為主電站時(shí)，通常要求原油閃點(diǎn)不低于60℃。若原油閃點(diǎn)低于60℃，則需對原油進(jìn)一步處理，以提高原油閃點(diǎn)。

2 原油閃點(diǎn)工藝模擬

采用HYSYS V8.6和PRO/Ⅱ V9.4兩種工藝模擬軟件，對不同工況下原油負(fù)壓閃蒸裝置負(fù)壓閃蒸前后的原油閃點(diǎn)進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測原油閃點(diǎn)數(shù)值對照，其結(jié)果如表1所示。

表1 原油負(fù)壓閃蒸前后閃點(diǎn)模擬值和實(shí)測值對比Table 1 Comparison of the flash point between simulationand experimental results

注： (1)工況1為閃蒸壓力為600PaA，閃蒸溫度55℃；工況2閃蒸壓力為900PaA，閃蒸溫度為58℃；工況3閃蒸壓力為1200PaA，閃蒸溫度為58℃。(2)模擬誤差=∣模擬值-實(shí)測值∣/實(shí)測值×100%。

通過分析發(fā)現(xiàn)，HYSYS V8.6模擬原油閃點(diǎn)采用的是美國石油學(xué)會(huì)(API)2B7.1(1987)方法，而PRO/Ⅱ V9.4模擬原油閃點(diǎn)采用的是API 2B7.1(2007)方法，兩相比較，PRO/Ⅱ V9.4模擬原油閃點(diǎn)數(shù)值時(shí)模擬誤差更小，因此本文工藝參數(shù)優(yōu)化模擬軟件采用PRO/Ⅱ V9.4。

3 南海某油田原油負(fù)壓閃蒸裝置設(shè)計(jì)

原油負(fù)壓閃蒸技術(shù)在海上平臺及浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)均有應(yīng)用[10—11]。該技術(shù)主要是利用高溫、低壓條件下輕組分(C2～C4)易揮發(fā)的特點(diǎn)，對低閃點(diǎn)原油進(jìn)行脫氣拔烴處理，以便提高原油閃點(diǎn)。通過在閃蒸塔頂部設(shè)置真空泵抽吸減壓、在閃蒸塔底設(shè)置加熱器加熱的方式，可使低閃點(diǎn)原油中的輕質(zhì)組分迅速氣化濃集于氣相，重組分濃集于液相，進(jìn)而進(jìn)行分離。原油負(fù)壓閃蒸裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 原油負(fù)壓閃蒸裝置工藝流程圖Fig.1 Process diagram of crude vacuum flash evaporation

南海某油田原油閃點(diǎn)18.2℃，考慮到本油田自產(chǎn)伴生氣量極少，且二氧化碳和氮?dú)夂枯^高，不宜作為渦輪燃料，該油田推薦采用原油發(fā)電機(jī)作為主電站。根據(jù)該油田總用電需求，共需設(shè)置3臺原油電站，2用1備，總耗油量約8m3/h。為滿足原油發(fā)電機(jī)對原油閃點(diǎn)的要求，擬設(shè)置兩套原油負(fù)壓閃蒸裝置，對低閃點(diǎn)原油進(jìn)行負(fù)壓閃蒸處理，原油閃點(diǎn)合格后作為原油發(fā)電機(jī)燃料。單套原油負(fù)壓閃蒸裝置處理量為4m3/h。

影響原油負(fù)壓閃蒸裝置的主要工藝參數(shù)有進(jìn)料狀態(tài)(溫度、壓力、原油真實(shí)飽和蒸氣壓等)、閃蒸塔真空度和閃蒸塔塔底重沸器加熱溫度。采用PRO/Ⅱ V9.4軟件模擬分析不同工藝參數(shù)的影響。以下工藝參數(shù)分析采用同一模擬基準(zhǔn)： 合格原油量為8m3/h，合格原油閃點(diǎn)為65℃(原油負(fù)壓閃蒸裝置的設(shè)計(jì)通?？紤]5℃余量)。

首先，分析進(jìn)料原油狀態(tài)對原油閃蒸裝置的影響。進(jìn)原油負(fù)壓閃蒸裝置之前的原油通常會(huì)進(jìn)行脫水、穩(wěn)定處理。前序流程的處理溫度和處理壓力一定時(shí)，進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓就一定，因此對于進(jìn)料原油狀態(tài)的分析選取原油真實(shí)飽和蒸氣壓這一指標(biāo)。不同進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓對原油負(fù)壓閃蒸裝置的影響如表2所示。

表2 進(jìn)料原油不同真實(shí)飽和蒸汽壓對應(yīng)工藝參數(shù)對比Table 2 Comparison of process parameters for differenttrue vapor pressures of inlet crude

注： (1)前序分離器操作壓力為130kPaA。(2)閃蒸塔操作壓力為2.1kPaA。(3)進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓對應(yīng)溫度為40℃。

由表2可知，不同的進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓對應(yīng)的閃蒸塔塔底溫度幾乎相同。這可說明，原油閃點(diǎn)處理指標(biāo)確定后，閃蒸塔需拔出的輕烴量及組分是一定的，則閃蒸塔壓力與閃蒸塔的操作溫度一一對應(yīng)。進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓越高，則負(fù)壓閃蒸塔需拔出的輕烴量越多，將增加真空泵機(jī)組的排量。

其次，分析閃蒸塔真空度和塔底溫度對原油閃蒸裝置的影響。不同閃蒸塔真空度和塔底溫度對原油負(fù)壓閃蒸裝置的影響如表3所示。

表3 不同閃蒸塔真空度和塔底溫度對應(yīng)工藝參數(shù)對比Table 3 Comparison of process parameters for differentpressures and temperatures of vacuum flash tower

注： 前序分離器操作壓力為130kPaA，操作溫度為100℃。

由表3可知，隨著閃蒸塔的操作壓力降低，塔底操作溫度和塔底重沸器熱負(fù)荷均降低，但閃蒸塔塔底實(shí)際抽氣量卻大幅上升，將增加真空泵機(jī)組的排量。

綜合以上分析可知，適當(dāng)降低進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓，提高閃蒸塔操作溫度，可減小閃蒸塔塔頂實(shí)際抽氣量。基于以上分析，初步選定進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓73.3kPa，閃蒸塔操作壓力為2100Pa，操作溫度91℃，閃蒸塔塔底實(shí)際抽氣量為31140m3/h。

4 原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵配置

常用真空泵組一般由羅茨泵和前級泵(干式螺桿真空泵)組成，羅茨泵可在較高真空度環(huán)境下運(yùn)行，干式螺桿真空泵在低真空度環(huán)境下運(yùn)行。ZJY序列的羅茨泵是通過一對相互作用的反向旋轉(zhuǎn)的8字型轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)抽氣功能，工作時(shí)需要工作油，羅茨泵對運(yùn)行參數(shù)要求較嚴(yán)格，操作溫度不能超過100℃，不能承受較高壓差(一般不超過5kPa)，泵吸入口的壓力也不能高于限定值，因此羅茨泵應(yīng)用在真空泵機(jī)組中，必須配備前級泵才可使用[12]，在真空泵機(jī)組中，羅茨泵主要用作提高真空度和抽氣量的輔助泵。干式螺桿真空泵可承受較大壓差和相對較高的溫度(壓差最大可達(dá)100kPa，進(jìn)口壓力小于5kPa時(shí)溫度可達(dá)200℃)，可以在常壓下直接起動(dòng)，但干式螺桿真空泵的抽氣量較小，因此干式螺桿真空泵作為前級泵較合適。

羅茨泵前后壓差過大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞，通常運(yùn)行時(shí)，在常壓條件下先啟動(dòng)前級泵，羅茨泵處于空載狀態(tài)，氣體通過羅茨泵，但不做功，只有待前級泵將系統(tǒng)壓力抽至羅茨泵允許的入口壓力之后，才能起動(dòng)羅茨泵，若有多臺羅茨泵串聯(lián)，則根據(jù)系統(tǒng)壓力的變化，自后向前依次起動(dòng)羅茨泵。為防止羅茨泵前后壓差過大，羅茨泵一般都自帶溢流閥，當(dāng)羅茨泵前后壓差達(dá)到閥控壓差時(shí)，溢流閥自動(dòng)打開，起到保護(hù)泵本身的作用。常見的羅茨泵主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 羅茨泵技術(shù)參數(shù)表Table 4 Technical parameters of Roots pump

由表4可知，羅茨泵的抽速較大，但是可承受的泵前后壓差較小，且不能在常壓下起動(dòng)。

干式螺桿真空泵通常排量較小，但可承受較大的壓差，且可以在常壓下直接起動(dòng)。干式螺桿真空泵NC-0630B抽氣速率隨入口壓力的變化如圖2所示。

注： (1)實(shí)線為50Hz對應(yīng)抽氣速率曲線，虛線為60Hz對應(yīng)抽氣速率曲線；(2)抽氣速率曲線摘自廠家完工文件。圖2 干式螺桿真空泵NC-0630B抽氣速率曲線Fig.2 Pump rate curve of dry screw vacuum pump NC-0630B

由圖2可知，干式螺桿真空泵可承受的前后壓差較大，適用壓力范圍廣，但是單臺泵的排量非常小。

干式螺桿真空泵的單臺價(jià)格遠(yuǎn)高于羅茨泵(高出5～10倍)，因此真空泵機(jī)組的配置通常選用干式螺桿泵作為前級泵，在常壓下起動(dòng)，然后配置多臺羅茨泵串聯(lián)，以提高抽速，降低真空度。

根據(jù)工藝模擬數(shù)據(jù)，初步選的閃蒸塔塔頂實(shí)際抽氣量為31140m3/h，對應(yīng)閃蒸塔操作壓力為2100Pa。

本油田原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵若只選擇干式螺桿真空泵，也可滿足要求抽氣量和真空度的要求，但需配置近50臺泵，代價(jià)太高。

因此考慮選擇羅茨泵+干式螺桿真空泵組合方案，更加經(jīng)濟(jì)。初步選擇兩個(gè)序列，每個(gè)序列真空泵機(jī)組配置為： 1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵。其中ZJY-1200A羅茨泵前后壓差為4000Pa， ZJY-2500A羅茨泵前后壓差為2500Pa。

通過工藝模擬得到真空泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，如表5所示。塔頂拔出的輕烴先經(jīng)兩級羅茨泵增壓后，進(jìn)真空冷凝橇冷凝至15℃，分出部分液烴后，再經(jīng)干式螺桿泵真空泵增壓。

表5 真空機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 5 Operational parameters of vacuum uint

由表5可知，羅茨泵前后壓差控制在閥控壓差范圍之內(nèi)，操作溫度控制低于100℃，各級羅茨真空泵的抽氣量均低于名義抽氣量；干式螺桿泵最高溫度低于150℃，真空機(jī)組選型能滿足該工況要求。

4 結(jié) 語

通過對比軟件模擬原油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相比HYSYS V8.6軟件API 2B7.1(1987)方法，采用PRO/Ⅱ V9.4軟件API 2B7.1(2007)方法模擬原油閃點(diǎn)數(shù)值，其誤差更小。采用該方法分析影響原油負(fù)壓閃蒸裝置的主要工藝參數(shù)，包括進(jìn)料狀態(tài)(溫度、壓力、原油真實(shí)飽和蒸氣壓等)、閃蒸塔真空度和閃蒸塔塔底重沸器加熱溫度，發(fā)現(xiàn)降低進(jìn)料原油真實(shí)飽和蒸氣壓、升高閃蒸塔操作溫度，可大大降低閃蒸塔頂實(shí)際抽氣量。通過工藝模擬參數(shù)對真空泵機(jī)組進(jìn)行選型，南海某油田原油負(fù)壓閃蒸裝置真空泵機(jī)組采用1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵能滿足工況要求。

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SelectionofVacuumPumpUnitforCrudeVacuumFlashEvaporationEquipment

LIU Xiang-dong, GUO Xin, ZHANG Qian, ZHOU Wei, LIU Ren-wei, HU Dong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

By comparing the process simulation data and experimental data of crude flash point, it is found that using PRO/II V9.4 software API 2B7.1 (2007) to simulate flash point of crude has the minimum simulation deviation. Based on the simulation results, the selection of vacuum pump unit of crude vacuum flash evaporation equipment is carried out for an oil field in the South China Sea. By analyzing the operating parameters of vacuum pump, the combination of an NC-0630B dry screw vacuum pump, two ZJY-1200A Roots pumps and two ZJY-2500A Roots pumps is selected, which can meet the requirements of process.

crude oil; flash point; process simulation; vacuum pump; vacuum flash evaporation

TE624.1；TB752

A

2095-7297(2017)02-0074-05

2017-03-06

劉向東，男(1985—)，碩士，工程師，主要從事海洋石油工程工藝設(shè)計(jì)工作。