凝析油處理系統(tǒng)能量利用方案優(yōu)化研究

周軍 何能家 梁光川 文韻豪 黃文 侯洋

1.西南石油大學(xué) 2.中國石油規(guī)劃總院 3.西南管道重慶輸油氣分公司4.廣州石油培訓(xùn)中心安全工程教學(xué)部

20世紀90年代以來，塔里木盆地相繼探明牙哈、吉拉克、英買力、迪那等13個高壓凝析氣田，累計探明凝析油地質(zhì)儲量7 054.6×104t[1]，凝析油資源有可觀的開采價值。凝析氣藏具有較高的經(jīng)濟價值，具有油藏和氣藏的雙重特性，是一種比較特殊和復(fù)雜的氣藏，其油氣體系一般具有高溫高壓的特點，其中所含凝析油一般為輕質(zhì)油[2-7]。2013年,李昱江[8]對英買和迪那的油氣處理廠單位綜合能耗進行了計算，分別為4 178.75 MJ/104m3和1 030.8 MJ/104m3。同時，對英買天然氣的處理工藝進行了改進，提出了分子篩再生氣的預(yù)熱方案，降低了英買處理廠的單位綜合能耗。同年，馬國光等[9-10]的研究結(jié)果表明，由于中后期凝析氣田壓力遞減，不能滿足外輸氣烴露點的要求，提出了天然氣工藝“JT閥前增壓+丙烷制冷脫水脫烴工藝”的改進方案。2015年，吳云海等[11]對南八仙凝析氣田的原有天然氣工藝流程進行了優(yōu)化。從已有的文獻可以看出，國內(nèi)大多數(shù)研究都對天然氣處理工藝進行了改進或者優(yōu)化，而對凝析油處理部分研究較少。

以典型的YM凝析氣田的凝析油處理系統(tǒng)為例，對YM凝析油處理系統(tǒng)能流進行分析，可知凝析油處理系統(tǒng)能量有較大的優(yōu)化空間。YM處理廠的單位綜合能耗較高，能耗較大，其中凝析油處理系統(tǒng)在處理廠能耗中占比較大，是處理廠重要的用能單元。因此，對凝析油處理系統(tǒng)能量利用方案進行優(yōu)化研究，提出可行的優(yōu)化或者改造方案，對YM處理廠節(jié)能降耗具有重要意義，同時也對其他凝析氣田的凝析油處理系統(tǒng)的改造具有重要的借鑒意義。

1 凝析油處理系統(tǒng)用能分析

YM油氣處理廠從2007年開始投產(chǎn)使用，兩套凝析油裝置總設(shè)計處理量為1500 t/d[12]。目前，凝析油處理量為1081 t/d，凝析油進站溫度37.5 ℃，進站壓力10.6 MPa，進站凝析油組成見表1，具有輕質(zhì)組分含量高、重質(zhì)組分含量低的特點。根據(jù)已有凝析油組分，建立HYSYS模型，為凝析油處理系統(tǒng)的換熱計算提供依據(jù)。

凝析油處理系統(tǒng)的主要用能形式為燃料氣和電。其中，燃料氣消耗占比最大，主要用于導(dǎo)熱油爐供熱。電耗主要用于空冷器、洗鹽泵和凝析油塔底泵。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研得到的負荷參數(shù)，凝析油主要用能設(shè)施和用能負荷如表2所列。其中，電負荷為93.5 kW，熱負荷為1749 kW。

表1 凝析油進站組成Table 1 Condensate oil inlet components%組分摩爾分數(shù)組分摩爾分數(shù)C133.77C78.08C27.51C87.57C31.89C95.32n-C40.99C104.82i-C40.78C11+21.27n-C51.09N20.47i-C50.81CO21.99C62.95H2O0.69

表2 凝析油處理系統(tǒng)的主要用能情況Table 2 Main energy utilization of condensate treatment system主要用能形式用途用能設(shè)備單臺負荷/kW運行臺數(shù)/臺總負荷/kW電動力驅(qū)動、冷卻空冷器A-2030112.8225.6一級洗鹽泵P-2030122.3122.3二級洗鹽泵P-2030211.2222.4凝析油塔底泵P-2030311.6223.2氣供熱重沸器E-20303874.521 749.0合計91 842.5

根據(jù)SY/T 0605-2016《凝析氣田地面工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，凝析氣田的生產(chǎn)時間按350天計，燃料氣低位發(fā)熱量按氣田生產(chǎn)的天然氣36.03 MJ/m3計，得到凝析油處理系統(tǒng)的能耗占比如表3所列，重沸器能耗占凝析油處理系統(tǒng)能耗的94.93%，是主要的用能設(shè)施，也是節(jié)能降耗的主要目標，有必要對凝析油處理系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析。

表3 凝析油處理系統(tǒng)的能耗占比Table 3 Energy consumption ratio of condensate treatment system項目換算能耗/(104 MJ·a-1)比例/%能耗費用/(萬元·a-1)電282.75.0739.27燃料氣5 289.094.93150.07 注:電費按0.5元/(kW·h)計,氣費按0.79元/m3計,加熱爐效率0.85,管線熱損失0.1。

2 穩(wěn)定系統(tǒng)工藝能流分析

根據(jù)現(xiàn)場的工藝參數(shù)，對凝析油處理系統(tǒng)的工藝流程進行模擬，選擇油氣水三相閃蒸計算精確性較好的Peng-Robinson方程[6]，得到其能流分布流程圖，如圖1所示。

由圖1可知，凝析油處理系統(tǒng)換熱形式較為簡單，工藝間換熱較少，主要有：

(1) 未穩(wěn)定凝析油與穩(wěn)定凝析油通過凝析油一級換熱器和凝析油二級換熱器進行兩次換熱。

(2) 導(dǎo)熱油與塔底凝析油通過凝析油穩(wěn)定塔塔底重沸器換熱。

(3) 二次換熱后的穩(wěn)定凝析油通過凝析油外輸冷卻器冷卻。

導(dǎo)熱油與塔底凝析油的換熱負荷由進料溫度及穩(wěn)定凝析油質(zhì)量標準決定。因此，在一定的組分和進料溫度下，不能減少換熱器熱負荷，但可更換為高效換熱器，提高換熱效率。在凝析油處理系統(tǒng)中,空冷器是必不可少的，且空冷器屬于冷公用工程負荷，減小二次換熱后的穩(wěn)定凝析油與空氣換熱溫差，就能降低冷公用工程負荷。因此，降低進入空冷器的溫度，就能減少冷公用工程負荷的消耗，也能降低凝析油余熱量。

降低進入空冷器溫度的主要途徑是提高換熱器的換熱效率，一方面是更換高效換熱器，另一方面可減小冷熱端溫差。凝析油處理系統(tǒng)采用了管殼式換熱器，換熱后凝析油溫度約為98 ℃，余熱量資源豐富，余熱資源量為1 059.0 kW。經(jīng)計算：一級換熱器的換熱效率為11.6%，冷/熱端溫差為61.71 ℃/72.54 ℃；二級換熱器的換熱效率為14.5%，冷/熱端溫差為52.09 ℃/64.60 ℃，換熱效率很低，冷熱流體溫差較大，在不改變流程的基礎(chǔ)上可以換高效換熱器回收余熱，提高系統(tǒng)的能量利用率。但僅換高效換熱器回收余熱，不能從根本上解決換熱效率低的問題。因此,需尋求更優(yōu)化的工藝。

3 凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)工藝方案優(yōu)化

根據(jù)凝析油處理系統(tǒng)能流分布流程圖(見圖1)可知，在原有凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)中穩(wěn)后高溫凝析油的換熱設(shè)計流程中，高溫位熱流分別與高溫位冷流和低溫位冷流換熱，違背了順序換熱的原理，有效能損失增大，并且分股的比例不容易控制，當(dāng)凝析油流量發(fā)生變化時，會使得凝析油穩(wěn)定裝置在實際運行過程中的參數(shù)不穩(wěn)定。因此需采用先進、高效的工藝，并合理改進流程，盡可能減少處理廠余熱的產(chǎn)生，合理回收余熱資源，提高能量利用率，減少運行費用。

對凝析油處理系統(tǒng)開展穩(wěn)定凝析油與未穩(wěn)定凝析油的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究，為使換熱網(wǎng)絡(luò)符合高溫位熱流與高溫位冷流、低溫位熱流與低溫位冷流換熱的原則，需增加系統(tǒng)的換熱次數(shù)。穩(wěn)定系統(tǒng)中凝析油穩(wěn)定塔為SPI(順排)型條形浮閥塔盤，實際塔板數(shù)為20，經(jīng)調(diào)研，其操作溫度應(yīng)小于125.4 ℃。改造后，凝析油穩(wěn)定塔進料分為兩股，第1股直接從塔頂進料，第2股進料和穩(wěn)定凝析油換熱后從第15塊塔板進料。

為了提高換熱效率，建議凝析油穩(wěn)定塔采用寬通道板式換熱器進行換熱，凝析油的溫度、壓力、黏度和換熱介質(zhì)均在寬通道板式換熱器的承受范圍內(nèi)。寬通道板式換熱器如圖2所示。

改造流程中，凝析油一、二級換熱器(E-20401A、E-20402A)采用寬通道板式換熱器。同時,改變原有換熱順序和換熱位置，將新的凝析油一級換熱器(E-20301A)和凝析油二級換熱器(E-20302A)分別置于凝析油三級閃蒸罐(D-20303A)前后，利用出穩(wěn)定塔后的高溫穩(wěn)定凝析油先后通過凝析油二級換熱器(E-20302A)、凝析油一級換熱器(E-20301A)。第1股進料(塔頂)溫度低，在塔頂能起回流作用；第2股進料溫度高，第2進料位置約為凝析油穩(wěn)定塔(T-20301A)的第15塊(共20塊)塔板，其功能相當(dāng)于穩(wěn)定塔增設(shè)了1個側(cè)線重沸器，大幅降低了凝析油穩(wěn)定塔(T-20301A)的熱負荷。

4 凝析油穩(wěn)定塔進料比例優(yōu)化

凝析油三級閃蒸罐的溫度會影響穩(wěn)定凝析油的產(chǎn)量，溫度越高，三級閃蒸氣越多，進入穩(wěn)定塔的質(zhì)量流量變少。因此，為了控制產(chǎn)量，控制三級閃蒸罐進料溫度約55 ℃，使凝析油一級換熱器(E-20301A)的換熱負荷穩(wěn)定在271.5 kW，不會因進料比例而發(fā)生變化；而凝析油二級換熱器(E-20302A)的換熱負荷會受到第2股進料流量的影響。

根據(jù)以上分析，空冷器進口溫度和穩(wěn)定塔重沸器負荷是決定穩(wěn)定系統(tǒng)用能的關(guān)鍵因素，而重沸器操作溫度是控制安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。為保證換熱后余熱量較小，同時起到給未穩(wěn)定凝析油加熱的作用，對凝析油穩(wěn)定塔兩股進料流量進行分股優(yōu)化，以確定精確的比例。

通過HYSYS的案例分析模塊控制分流器的比例，得到在第2股進料物流(即從第15塊塔板位置的進料)不同比例下進入空冷器溫度、重沸器負荷、凝析油質(zhì)量合格下的操作溫度、凝析油產(chǎn)量情況，以及不同比例下的凝析油二級換熱器換熱負荷，如圖3所示。

由圖3可知：

(1) 凝析油穩(wěn)定塔第2股進料比例越大，在滿足凝析油質(zhì)量標準的前提下，重沸器負荷越小，能耗越低。因此，第2股進料比例較大為好。

(2) 凝析油穩(wěn)定塔第2股進料比例越小，重沸器的操作溫度就越低，且在比例較小時，溫度幾乎無變化，但當(dāng)進料比例超過0.7時，變化明顯。當(dāng)?shù)?股進料比例為0.85時，重沸器操作溫度至少達到126 ℃才能滿足凝析油的質(zhì)量要求，此時超過溫度操作范圍，從安全的角度考慮，重沸器操作溫度不應(yīng)高于125.4 ℃，即第2股進料比例不宜超過0.85。

(3) 一級換熱器出口的穩(wěn)定凝析油進入空冷器的溫度越低，余熱量就越小。因此，第2股進料比例較大為好。

(4) 隨著第2股進料比例的增大，凝析油產(chǎn)量在較小比例下變化不明顯(當(dāng)?shù)?股進料比例為0.1時，產(chǎn)量為960.2 t/d)；當(dāng)進料比例大于0.45時，凝析油產(chǎn)量下降明顯，但整體幅度不大(當(dāng)?shù)?股進料比例為0.9時，產(chǎn)量為953.12 t/d)。因此，第2股進料比例對凝析油產(chǎn)量的影響較小。

(5) 第2股進料比例越大，凝析油二級換熱器負荷就越大，穩(wěn)后凝析油余熱量就越小。因此，第2股進料比例較大為好，余熱利用率更高。

表4 穩(wěn)定凝析油組成Table 4 Mole fraction of stable condensate%組分摩爾分數(shù)組分摩爾分數(shù)C10.07C714.97C20.58C814.19C30.70C910.01n-C41.11C109.09i-C40.66C11+40.17n-C51.79N20.00i-C51.28CO20.08C65.30H2O0.00

綜上，推薦第2股進料占比為0.8，第1股進料占比為0.2。此時不僅能使重沸器負荷較小、空冷器進口溫度低，達到節(jié)能降耗的目的，同時也達到了安全生產(chǎn)的要求。在此進料比例下，采用HYSYS模擬的穩(wěn)定凝析油組成見表4。

5 能量利用優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)濟分析

通過HYSYS模擬，在原有的進料組分、溫度和壓力下，改造后的換熱溫度分布如圖4所示，換熱后的凝析油穩(wěn)定塔第2股進料溫度為122.5 ℃，進入空冷器的溫度為42.05 ℃，此時可停用空冷器(A-20301A)，以減小電耗。

經(jīng)計算，改造后凝析油一級換熱器的換熱效率為74.6%，二級換熱器的換熱效率為97.5%，相比改造前一級換熱器的換熱效率11.6%和二級換熱器的換熱效率14.5%，均有很大提升。改造前后的凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)單套重沸器負荷從874.5 kW降至155.3 kW，兩套裝置共節(jié)省重沸器負荷1 438.4 kW，每年可節(jié)省燃料氣成本為95.4萬元，經(jīng)濟效益相當(dāng)明顯。同時凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)備改造費用約為90萬元，投資回收期為1年。因此，本研究結(jié)果經(jīng)濟效益明顯。凝析油穩(wěn)定單元余熱利用方案模擬結(jié)果見表5。由表5可知，優(yōu)化前后凝析油產(chǎn)量變化很小。

6 結(jié)論

(1) 凝析油處理系統(tǒng)的主要用能形式為燃料氣和電，其中燃料氣消耗占比最大。以YM凝析油處理系統(tǒng)為例，每年消耗的燃料氣約為150.07萬元。其中，重沸器能耗占凝析油處理系統(tǒng)能耗的94.93%，是主要的用能設(shè)施，也是節(jié)能降耗的主要目標。

(2) 在凝析油處理系統(tǒng)中，由于換熱網(wǎng)絡(luò)采用了高溫位熱流分別與高溫位冷流和低溫位冷流換熱的方式，違背了順序換熱的原理，熱損失較大。因此，對換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，符合順序換熱的原則，增加換熱次數(shù)，提高能量利用率。

(3) 凝析油處理系統(tǒng)現(xiàn)階段使用了換熱效率較低的管殼式換熱器，擬推薦使用高效寬通道板式換熱器。結(jié)果顯示：在順序換熱的基礎(chǔ)上使用寬通道板式換熱器，可使一級換熱器的換熱效率從11.6%提高至74.6%，二級換熱器的換熱效率從14.5%提高至97.5%，換熱效率提升明顯，值得在凝析氣田進行推廣應(yīng)用。

(4) 重沸器能耗受進料比例的影響很大，在不超過重沸器操作溫度且滿足凝析油質(zhì)量標準的前提下，凝析油穩(wěn)定塔第2股進料比例越大，重沸器負荷就越小。經(jīng)過優(yōu)化分析，當(dāng)?shù)?股進料比例為0.8時，凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)單套重沸器從原有負荷874.5 kW降至155.3 kW，兩套裝置的重沸器負荷共減小1 438.4 kW，每年可節(jié)省燃料氣成本95.4萬元，經(jīng)濟效益明顯，改造裝備的投資回收期為1年。

凝析油穩(wěn)定系統(tǒng)是凝析氣田處理系統(tǒng)的重要組成部分，同時也具有較高的能耗占比。雖已對天然氣處理系統(tǒng)進行了優(yōu)化或者改造，但忽略了凝析油處理系統(tǒng)。本研究通過對典型的YM凝析油處理系統(tǒng)進行調(diào)研分析，并對其換熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化，降低了裝置能耗水平，每年可節(jié)約燃料氣費用95.4萬元，可為其他凝析氣田凝析油處理系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。隨著凝析氣田的進一步增產(chǎn)，節(jié)能降耗效果會更為明顯。