基于HYSYS模擬的原油正壓閃蒸穩(wěn)定工藝研究

林名楨，楊博強(qiáng)，范文斌，劉 坤，張 銳，劉海燕

（1.山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

原油在開采過(guò)程中常會(huì)含有大量溶解氣，溶解氣會(huì)使原油在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中散發(fā)大量的油蒸氣，不僅造成能源的浪費(fèi)，還污染了環(huán)境，因此各國(guó)對(duì)商品原油的蒸氣壓均有嚴(yán)格的規(guī)定。要降低原油的蒸氣壓就必須脫除原油內(nèi)蒸氣壓較高的溶解氣組分，這一脫除過(guò)程被稱為原油穩(wěn)定[1]。

目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的原油穩(wěn)定方法有多級(jí)分離穩(wěn)定、負(fù)壓閃蒸穩(wěn)定、正壓穩(wěn)定和分餾穩(wěn)定工藝等[2-5]。在這些工藝中，正壓閃蒸工藝的流程簡(jiǎn)單，不含壓縮機(jī)，施工周期短，在我國(guó)的應(yīng)用較為廣泛。但該工藝存在的顯著缺點(diǎn)是分離效果差，能耗較高。為了進(jìn)一步了解原油正壓閃蒸工藝的特點(diǎn)，本文以某特定原油為例，利用HYSYS仿真模擬軟件，對(duì)原油正壓閃蒸工藝進(jìn)行了模擬研究，并分別研究了原油蒸氣壓、C4及C4以下組分含量（%wt）及單位產(chǎn)品能耗隨加熱溫度的變化關(guān)系，以期對(duì)后續(xù)的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

進(jìn)入原油穩(wěn)定裝置的原油溫度為70℃，含水率為0.5%vol，原油蒸氣壓為543.1kPa。進(jìn)入穩(wěn)定裝置的原油組分如表1所示，表中組分的組成為質(zhì)量比。

2 流程描述

正壓閃蒸穩(wěn)定工藝的原理是通過(guò)提高溫度來(lái)降低原油的蒸氣壓，原油的壓力和性質(zhì)，是確定正壓閃蒸穩(wěn)定工藝中的加熱溫度的關(guān)鍵因素。具體流程如下：脫水后的凈化原油先與穩(wěn)定后的原油換熱，再經(jīng)加熱爐加熱至穩(wěn)定溫度后，進(jìn)入原油穩(wěn)定塔上部，在穩(wěn)定塔內(nèi)進(jìn)行閃蒸。塔底部的穩(wěn)定原油直接用外輸原油泵抽出，與未穩(wěn)定原油換熱后外輸。穩(wěn)定塔頂部的閃蒸氣經(jīng)冷凝器降溫后，進(jìn)入三相分離器，進(jìn)行輕油、不凝氣和含油污水的三相分離。分離后得到的氣體輸至集氣管網(wǎng)，輕烴經(jīng)輕烴泵加壓后輸至輕烴儲(chǔ)罐，水排放至污水排放系統(tǒng)。

3 仿真模型的建立

Aspen HYSYS是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的模擬、設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)的過(guò)程模擬軟件[7]，該軟件的功能強(qiáng)大，在世界范圍內(nèi)的石油化工模擬、仿真技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

3.1 狀態(tài)方程的選取

在模擬計(jì)算過(guò)程中，狀態(tài)方程的選擇至關(guān)重要。HYSYS數(shù)據(jù)庫(kù)中狀態(tài)方程的種類較多，在石油煉制、氣體加工和石油化工的計(jì)算過(guò)程中，通常推薦采用PR狀態(tài)方程，因此本次模擬計(jì)算選擇PR狀態(tài)方程。

3.2 模型的建立

利用Aspen HYSYS仿真模擬軟件建立的原油正壓閃蒸穩(wěn)定工藝的流程圖如圖1所示。

圖1 原油正壓閃蒸穩(wěn)定工藝模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of crude oil positive pressure flash stabilization process

4 模擬參數(shù)分析

4.1 穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓

穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓是衡量原油穩(wěn)定深度的最主要指標(biāo)。GB 50350-2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定[8]：穩(wěn)定原油在最高儲(chǔ)存溫度下的飽和蒸氣壓的設(shè)計(jì)值，不宜超過(guò)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱?.7倍。為此，我們研究了穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓隨加熱溫度的變化關(guān)系（圖2）。由圖2可知，隨著加熱溫度升高，穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度由95℃升高到110℃時(shí)，飽和蒸氣壓的下降趨勢(shì)較為明顯，當(dāng)溫度高于110℃時(shí)，穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓隨溫度升高而下降的趨勢(shì)變得較為緩慢。我國(guó)的大氣壓基本在65～101kPa之間變化，故原油的飽和蒸氣壓的最低指標(biāo)應(yīng)為45.5～70.7kPa，加熱溫度范圍宜為100～120℃。

圖2 原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓隨加熱溫度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between saturated vapor pressure and heating temperature after crude oil stabilization

4.2 穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量

C4及C4以下組分含量（%wt）是衡量原油穩(wěn)定深度的另一個(gè)指標(biāo)。圖3是穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量隨加熱溫度的變化情況。由圖可知，隨著加熱溫度升高，穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）的變化相對(duì)緩慢，當(dāng)加熱溫度從95℃升高到220℃，穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）的數(shù)值僅從0.95降低到0.142。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，正壓閃蒸溫度一般不高于130℃，由此可知，當(dāng)對(duì)C4及C4以下組分含量（%wt）的要求低于0.48時(shí)，采用正壓穩(wěn)定閃蒸工藝顯然是不合適的。

圖3 穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）隨加熱溫度的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the content of C4 and below in stable crude oil and heating temperature

4.3 單位產(chǎn)品能耗

在我國(guó)，通常用單位產(chǎn)品能耗這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的能源利用水平。該指標(biāo)具有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，相比其它考核指標(biāo)，更適合我國(guó)現(xiàn)有的能源管理水平。為此我們分別研究了穩(wěn)定原油的單位能耗和輕烴產(chǎn)品的單位能耗隨加熱溫度的變化情況，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著加熱溫度升高，穩(wěn)定原油和輕烴產(chǎn)品的單位能耗有明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)加熱溫度從95℃升高到220℃時(shí)，穩(wěn)定原油的單位能耗由12.14 kW·t-1增加到73.30 kW·t-1；輕烴產(chǎn)品的單位能耗增加得更為明顯，由919.21 kW·t-1增加到5564.45 kW·t-1。因此從能耗利用水平考慮，在其它指標(biāo)滿足要求的情況下，應(yīng)盡量降低加熱溫度。

圖4 單位產(chǎn)品能耗隨加熱溫度的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between unit energy consumption and heating temperature

5 結(jié)論

1）利用HYSYS仿真模擬軟件對(duì)原油正壓閃蒸工藝進(jìn)行了模擬研究，并研究了穩(wěn)定原油的蒸氣壓、C4及C4以下組分含量（%wt）及單位產(chǎn)品能耗隨加熱溫度的變化情況。

2）在我國(guó)的產(chǎn)油區(qū)，原油的加熱溫度范圍宜為100～120℃。

3）若設(shè)計(jì)要求C4及C4以下組分含量低于0.48%wt時(shí)，采用正壓閃蒸穩(wěn)定工藝時(shí)顯然是不合適的。

4）從能耗利用水平考慮，在其它指標(biāo)滿足要求的情況下，采用正壓閃蒸穩(wěn)定工藝時(shí)，應(yīng)盡量降低加熱溫度。