凝析油穩(wěn)定裝置模擬與優(yōu)化

田文爽，白朋翔，李欣，孟碩

（中國海洋石油集團有限公司節(jié)能減排監(jiān)測中心，天津 300457）

天然氣中部分較重的烴類在油層的高溫、高壓條件下呈氣體狀態(tài)，由于采氣時其壓力和溫度降低到與地面相同，這些較重的烴類從天然氣中凝析而出，成為凝析油[1]。凝析油在儲存和運輸過程中，容易產(chǎn)生油氣揮發(fā)損失，不僅危害環(huán)境，也是能源的極大浪費，因此對于凝析油的穩(wěn)定處理不論對于環(huán)境保護還是對于油氣資源回收利用都具有極其重要的意義，也是凝析油在運輸和儲存過程中的安全保障[2]。

隨著油氣田勘探開發(fā)的不斷深入和擴展，氣田集中處理系統(tǒng)的設計條件與實際運行工況往往存在一定差距。因此，需對裝置運行情況進行全面分析研究，準確把握裝置的運行現(xiàn)狀，優(yōu)化操作參數(shù)，避免各種事故發(fā)生及能源浪費。通過對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的分析，建立工藝計算模型，探討處理廠重要裝置的適應性，并對關鍵工藝環(huán)節(jié)、關鍵點參數(shù)進行優(yōu)化，可為處理廠平穩(wěn)高效運行提供重要依據(jù)[3]。

1 運行現(xiàn)狀及問題

1.1 流程簡介

某氣田終端處理廠凝析油穩(wěn)定單元采用提餾工藝對凝析油進行處理，為回收利用閃蒸氣，在凝析油穩(wěn)定單元設置一臺閃蒸氣壓縮機。上岸預處理單元分離的凝液經(jīng)調(diào)壓后進凝析油一級閃蒸分離器（V-1201）進行分離，氣相進閃蒸氣壓縮機（C-1201）三級入口，液相節(jié)流到1.15 MPa，經(jīng)凝析油進料換熱器（E-1201）換熱升溫到55℃后進凝析油二級閃蒸分離器（V-1202）進一步氣液分離，其中氣相進入閃蒸氣壓縮機二級入口。

二級閃蒸分離器分離出的液相分為兩部分，一部分節(jié)流至0.45 MPa，52.55℃后，在進塔換熱器（E-1202）與穩(wěn)定塔底重沸器（E-1203）來的凝析油換熱升溫至129℃后進入凝析油穩(wěn)定塔（T-1201）中部；另一部分節(jié)流至0.4 MPa，直接進入穩(wěn)定塔頂部。塔頂氣進入閃蒸氣壓縮機一級入口。凝析油穩(wěn)定塔底的穩(wěn)定凝析油，經(jīng)進塔換熱器、進料換熱器及凝析油冷卻器（E-1204）冷卻后進穩(wěn)定凝析油儲罐儲存。裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 凝析油穩(wěn)定裝置工藝流程

1.2 運行現(xiàn)狀

終端處理廠投入運營后，裝置進料流量、組成等與設計數(shù)據(jù)相比均發(fā)生了變化，凝析油穩(wěn)定單元處理規(guī)模為145 m3/h，實際單元進料流量約82 m3/h，負荷約為設計值的57%。但實際操作過程中，部分設備已達到滿負荷，裝置運行有待優(yōu)化。

為對比裝置實際運行參數(shù)與設計值的偏差，分析裝置運行問題，對凝析油穩(wěn)定單元進料取樣化驗，設計及實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 凝析油穩(wěn)定單元進料組分對比

續(xù)表

通過進料組分化驗結(jié)果計算得到實際進料的餾程，并與凝析油單元設計進料餾程進行對比，如圖2所示。

受裝置進料組成、溫度、壓力變化影響，裝置主要操作參數(shù)設計值與實際值存在一定差異，對比如表2所示。

圖2 凝析油進料設計與實測組分餾程曲線（D86）

1.3 存在問題及分析

由于進料組分及溫度的變化，各級分離出的氣相流量相對于設計值均產(chǎn)生了一定偏差。由圖2進料餾程曲線可知，裝置實際進料輕端組分相對于設計值偏重，理論上一級、二級閃蒸出的輕組分量相對于設計條件將會降低。同時，受上岸氣條件影響，一級、二級分離器進料溫度均低于設計值，進一步降低了閃蒸氣流量，導致閃蒸氣壓縮機二級、三級負荷不滿，在低溫工況下尤其嚴重，與閃蒸氣壓縮機三級、二級負荷偏低的實際情況相匹配；在40%餾程處，設計條件和實際值接近，即輕組分大量在凝析油穩(wěn)定塔餾出，因此穩(wěn)定塔實際負荷高于設計值，壓縮機一級進氣量顯著增大，率先達到滿負荷（如表2所示），與閃蒸氣壓縮機一級負荷偏高、多次造成閃蒸氣放空的實際情況相符。

表2 裝置主要操作參數(shù)設計值與實際值對比

此外，裝置部分操作參數(shù)未根據(jù)進料情況及時調(diào)整，仍采用設計工況設定值，比較典型的是在當前裝置進料未達到滿負荷的情況下，穩(wěn)定塔頂進料與滿負荷工況設定值一致，控制在46.9 m3/h（約340 kmol/h）。由于塔頂進料為冷進料，進料量偏大變相增大了回流比，導致穩(wěn)定塔底再沸器負荷相應提高，產(chǎn)品質(zhì)量過剩。

為適應上述新工況，應重新平衡壓縮機三級負荷，提高一級、二級閃蒸分離器閃蒸出的組分，同時減少產(chǎn)品指標過剩程度，降低凝析油穩(wěn)定塔頂氣相負荷。凝析油穩(wěn)定單元一級、二級閃蒸分離器的進料溫度、壓力控制對于調(diào)節(jié)閃蒸氣壓縮機三級負荷分配有重要作用。在閃蒸分離器操作方面，可以適當提高操作溫度或降低操作壓力，為了避免對閃蒸氣壓縮機的影響，優(yōu)先對溫度進行調(diào)整。從換熱網(wǎng)絡優(yōu)化的角度，可在裝置內(nèi)尋找熱源對進料進行加熱。在凝析油穩(wěn)定塔操作方面，塔頂和塔中間冷、熱兩股進料合理分配對塔底再沸器負荷及塔頂氣相流量起重要作用，應對不同進料比例進行工況分析，以選擇適宜的操作參數(shù)。

2 流程模擬及優(yōu)化

2.1 模型建立

Aspen HYSYS是廣泛應用于油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)等領域的過程模擬軟件，提供了功能強大的物性計算包。數(shù)據(jù)計算的準確度取決于物性方程的選取是否合適，從而影響到工藝計算的精準度。對于石油煉制、氣體加工和石油化工過程，PR狀態(tài)方程是通常推薦的物性方法，HYSYS軟件對該方程進行了強化，可嚴格處理大多數(shù)單相、兩相和三相體系，且處理效率高，計算結(jié)果可靠[4]。采用該物性方法，結(jié)合表2中裝置的實際操作參數(shù)建立凝析油穩(wěn)定單元模型。

2.2 換熱流程優(yōu)化

在當前換熱流程下，凝析油穩(wěn)定塔底產(chǎn)品經(jīng)兩級換熱后溫度為88℃，直接被循環(huán)水冷卻后進入儲罐，仍有一定量的低品位熱能未回收，存在一定的能量浪費?？梢酝ㄟ^增加一級閃蒸分離器前預熱器EN-01（BES-800-0.8/3.6-160-4/19-2 II），利用凝析油穩(wěn)定塔底產(chǎn)品經(jīng)兩級換熱后的余熱對一級閃蒸分離器進料進行預熱，回收低溫熱的同時可以提高一級閃蒸分離器氣相流量，對平衡閃蒸氣壓縮機負荷起到積極作用；另外，可以提高凝析油穩(wěn)定塔進料溫度，降低凝析油穩(wěn)定塔底再沸器負荷及凝析油冷卻器冷卻負荷。調(diào)整換熱后裝置流程如圖3所示，凝析油進一級、二級閃蒸分離器、凝析油穩(wěn)定塔溫度有所提高，優(yōu)化后裝置主要操作參數(shù)如表3所示。

圖3 優(yōu)化換熱后流程

表3 調(diào)整換熱后裝置主要操作參數(shù)

由于原有換熱器換熱溫差產(chǎn)生變化，換熱器負荷及閃蒸氣壓縮機各級進氣量均有所變化，如表4所示。

2.3 進料操作優(yōu)化

進料調(diào)整對穩(wěn)定凝析油飽和蒸汽壓及塔底再沸器負荷均會產(chǎn)生影響，穩(wěn)定塔頂和穩(wěn)定塔中間進料合理分配有利于裝置適應現(xiàn)有工況，調(diào)整塔頂氣相流量的同時降低能耗。保持進料溫度不變，調(diào)整塔頂、塔中進料比例，利用Aspen HYSYS進行工況分析，計算結(jié)果如圖4所示。塔頂冷進料流量越大，塔底穩(wěn)定凝析油飽和蒸汽壓越低，產(chǎn)品穩(wěn)定性越高，但再沸器負荷同時上升。隨著塔頂進料流量增大，產(chǎn)品飽和蒸汽壓下降速度變慢，再沸器負荷則呈線性增長。

結(jié)合圖4曲線，可知隨塔頂進料量增加，產(chǎn)品穩(wěn)定性提高速度遠小于再沸器負荷增加速度，提高塔頂進料量以提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的經(jīng)濟效益變得越來越差。因此，在保證產(chǎn)品指標（50℃儲存溫度下飽和蒸汽壓不高于69 kPa）前提下適當降低塔頂進料流量對降低塔頂氣相流量及再沸器負荷有明顯效果。

表4 調(diào)整換熱后裝置主要設備負荷變化

2.4 優(yōu)化效果

新增換熱器對進料進行預熱后，增加了對進料溫度的控制手段，優(yōu)化換熱后閃蒸氣壓縮機各級負荷分配趨于合理，運行更加平穩(wěn)，延長了裝置穩(wěn)定運行周期。換熱流程調(diào)整后回收了裝置余熱，提高了一級、二級閃蒸分離器分離出的氣相流量和穩(wěn)定塔進料溫度，降低了塔底再沸器負荷，數(shù)據(jù)見表4。

控制穩(wěn)定塔頂、塔中段進料比例，當塔頂進料流量降低至250 kmol/h（約34.5 m3/h）時，能夠進一步降低塔頂氣相流量，避免閃蒸氣壓縮機放空。此時塔底產(chǎn)品在50℃儲存溫度下飽和蒸氣壓約為65.6 kPa，仍能滿足穩(wěn)定塔底凝析油產(chǎn)品指標，且有一定余量。

穩(wěn)定塔底再沸器熱源為導熱油爐，按年運行8 400 h計算，換熱流程優(yōu)化預計每年可降低導熱油爐燃料氣消耗32.5萬m3。進料操作優(yōu)化預計每年可降低導熱油爐燃料氣消耗21.3萬m3?？晒?jié)能653.8噸標準煤，經(jīng)濟效益約151萬元。

3 結(jié)論

采用流程模擬技術建立了凝析油穩(wěn)定單元工藝模型，預測操作參數(shù)改變產(chǎn)生的效果，將計算結(jié)果作為裝置操作參數(shù)調(diào)整的參考，優(yōu)化操作參數(shù)后使裝置操作更加適應實際工況，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性。

通過換熱流程優(yōu)化和進料操作優(yōu)化，避免了凝析油穩(wěn)定單元閃蒸氣放空，使閃蒸氣壓縮機三級負荷分配更加合理。在保證產(chǎn)品指標的前提下，回收了裝置內(nèi)的工藝余熱，降低了裝置能耗和排放。

考慮到模擬計算過程中模型誤差的存在以及實際工況的變化，如上岸氣、液相組分波動、天氣變化、處理規(guī)模等因素的影響，最佳操作參數(shù)也會產(chǎn)生變化。該次優(yōu)化給出當前工況下較優(yōu)的操作參數(shù)，實際操作中應當以模型計算所得的工況分析趨勢為指導，結(jié)合化驗分析數(shù)據(jù)逐步調(diào)整操作參數(shù)，同時產(chǎn)品控制指標應留有適當余量。