原油正壓閃蒸工藝與分餾穩(wěn)定工藝對(duì)比研究

林名楨 范文彬 劉 坤 何 蔓 馬業(yè)超 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. 中工國(guó)際工程股份有限公司, 北京 100031;3. 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司, 山東 東營(yíng) 257026

0 前言

原油在開(kāi)采過(guò)程中含有大量溶解氣,溶解氣的存在會(huì)使原油在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中散發(fā)大量油蒸汽,油蒸汽排入大氣不僅會(huì)造成能源浪費(fèi),還會(huì)污染環(huán)境[1],因而各國(guó)對(duì)商品原油的蒸氣壓均有嚴(yán)格規(guī)定。降低原油蒸氣壓就必須脫除原油中蒸氣壓較高的溶解氣組分,這一脫除過(guò)程即被稱為原油穩(wěn)定[2-5]。

目前常用原油穩(wěn)定工藝主要有負(fù)壓閃蒸工藝、正壓閃蒸工藝和分餾穩(wěn)定工藝[6-13]。而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)原油中輕組分C1～C4質(zhì)量含量大于2.5%時(shí),可采取正壓閃蒸工藝或分餾穩(wěn)定工藝，但如何對(duì)這兩種工藝進(jìn)行選擇尚無(wú)詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)?；诖?本文以某特定工程為例,利用HYSYS模擬軟件對(duì)兩種工藝進(jìn)行了研究,并分別從穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓、穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量、單位產(chǎn)品能耗等幾方面進(jìn)行了對(duì)比,以期對(duì)后續(xù)的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)。

1 工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某特定工程位于熱帶地區(qū),最高月平均溫度為32.7 ℃,最低月平均溫度為28.1 ℃,原油凝點(diǎn)為48 ℃,進(jìn)入穩(wěn)定裝置的原油溫度為70 ℃,含水率體積含量為0.5%,原油飽和蒸氣壓為543.1 kPa。進(jìn)入原油穩(wěn)定裝置的原油組成見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)入原油穩(wěn)定裝置的原油組分表

2 流程描述及仿真模型的建立

2.1 流程描述

2.1.1 正壓閃蒸工藝流程

常規(guī)正壓閃蒸工藝流程[14]:脫水后的凈化原油首先進(jìn)入換熱器與穩(wěn)定原油進(jìn)行換熱,再經(jīng)加熱爐加溫至穩(wěn)定溫度進(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分離。

2.1.2 分餾穩(wěn)定工藝流程

常規(guī)分餾穩(wěn)定工藝流程[15-17]:脫水后的凈化原油首先進(jìn)入換熱器與穩(wěn)定原油換熱,然后進(jìn)入穩(wěn)定塔中部進(jìn)料段,塔底部分原油用泵抽出經(jīng)重沸加熱爐加熱后回到塔底液面上部,給穩(wěn)定塔提供熱量;另一部分原油作為塔底產(chǎn)品用泵抽出經(jīng)換熱回收熱量后外輸或進(jìn)入穩(wěn)定原油儲(chǔ)罐。塔頂氣體先經(jīng)冷凝器降溫后進(jìn)入三相分離器,氣液分離后,部分液相產(chǎn)品作為塔頂回流，另一部分作為塔頂液相產(chǎn)品。

2.2 仿真模型的建立

2.2.1 HYSYS軟件簡(jiǎn)介

HYSYS軟件[18]是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的過(guò)程模擬軟件，其功能強(qiáng)大,用戶已遍布80多個(gè)國(guó)家,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。

2.2.2 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軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中狀態(tài)方程種類較多,但在石油化工的計(jì)算過(guò)程中,通常推薦采用Peng-Robinson狀態(tài)方程。本研究選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，見(jiàn)式(1)～(6)。

(1)

式(1)中方程參數(shù):

④在同一條河上，上游水庫(kù)先蓄水，下游水庫(kù)后蓄水；在干支流之間，支流水庫(kù)先蓄，干流水庫(kù)后蓄。對(duì)于長(zhǎng)江干流，應(yīng)該是金沙江等上游的水庫(kù)先蓄，而三峽水庫(kù)后蓄。同樣，支流上的水庫(kù)影響是局部的，干流的影響是全局的，支流水庫(kù)應(yīng)該考慮先蓄。

(2)

bc=b=ΩbRTc/pc

(3)

(4)

k=0.374 64+1.542 26ω-0.269 92ω2

(5)

式中:p為壓力,Pa;T為塔底加熱溫度,K;v為摩爾體積,m3;R為氣體常數(shù),J/(mol·K);a為能量常數(shù);b為協(xié)體積常數(shù);Tc為臨界溫度,K;pc為臨界壓力,Pa;Tr為對(duì)比溫度,K;k為偏心因子ω的函數(shù);ω為偏心因子Ωa=0.457 24;Ωb=0.077 9。

2.2.3 模型的構(gòu)建

利用HYSYS軟件建立的原油正壓閃蒸工藝模型和分餾穩(wěn)定工藝模型，見(jiàn)圖1～2。

圖1 正壓閃蒸工藝模型圖Fig.1 Model of flashing under pressure process

圖2 分餾穩(wěn)定工藝模型圖Fig.2 Model of fractionation stabilization process

3 模擬參數(shù)分析

3.1 穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓

穩(wěn)定原油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[19]:穩(wěn)定原油在最高儲(chǔ)存溫度下飽和蒸氣壓的設(shè)計(jì)值不宜超過(guò)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱?.7倍。為此,研究了穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓隨穩(wěn)定塔塔底加熱溫度的變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 兩種工藝條件下,穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓隨塔底加熱溫度的變化關(guān)系圖Fig.3 The relationship between saturated vapor pressure ofstabilised crude oil and heating temperature at the bottomof the tower under two process conditions

由圖3可知,隨著塔底加熱溫度的升高,穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓均降低,相對(duì)而言分餾穩(wěn)定工藝條件下的數(shù)值降低趨勢(shì)更明顯。對(duì)于正壓閃蒸工藝而言,當(dāng)加熱溫度從95 ℃升高至110 ℃時(shí),原油飽和蒸氣壓數(shù)值急劇下降,當(dāng)溫度高于110 ℃時(shí),原油飽和蒸氣壓隨溫度升高而降低的趨勢(shì)明顯變緩；而對(duì)于分餾穩(wěn)定工藝而言,隨著塔底加熱溫度的升高,其飽和蒸氣壓下降的趨勢(shì)較為明顯。同時(shí)與正壓閃蒸工藝相比,當(dāng)塔底加熱溫度低于150 ℃時(shí),分餾工藝原油飽和蒸氣壓較高,而當(dāng)塔底加熱溫度高于150 ℃時(shí),分餾工藝原油飽和蒸氣壓偏低。中國(guó)大氣壓基本數(shù)值為65～101 kPa,故原油飽和蒸氣壓的最低指標(biāo)應(yīng)為45.5～70.7 kPa,對(duì)于正壓閃蒸穩(wěn)定工藝,塔底加熱溫度100～120 ℃即可滿足要求,而對(duì)分餾穩(wěn)定工藝而言,則塔底加熱溫度應(yīng)為115～140 ℃。

3.2 穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量

穩(wěn)定原油C4及C4以下組分含量是衡量原油穩(wěn)定深度的另一個(gè)指標(biāo)。雖然中國(guó)目前大部分地區(qū)對(duì)該指標(biāo)不做特殊要求,但是對(duì)于某些有特殊需要的原油,也會(huì)有相應(yīng)的考慮。兩種工藝條件下,穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量隨原油穩(wěn)定塔塔底加熱溫度的變化關(guān)系,見(jiàn)圖4。

圖4 兩種工藝條件下,穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量隨塔底加熱溫度的變化關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the quality content of C4 and thecomponents below C4 in the stabilized crude oil and theheating temperature at the bottom of the tower was studied

由圖4可知,在同樣的加熱溫度下,與分餾穩(wěn)定工藝相比,正壓閃蒸工藝條件下得到的C4及C4以下組分含量更高,且變化幅度相對(duì)緩慢,當(dāng)塔底加熱溫度從95 ℃升高到220 ℃時(shí),其數(shù)值僅由 0.009 504 降至 0.001 42;而分餾穩(wěn)定工藝條件下,不僅穩(wěn)定原油C4及C4以下組分質(zhì)量含量相對(duì)偏低,且變化趨勢(shì)相對(duì)明顯。從該角度分析,若穩(wěn)定原油中要求C4及C4以下組分質(zhì)量含量低于0.001時(shí),利用正壓閃蒸工藝無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,只能選擇分餾穩(wěn)定工藝。

3.3 單位產(chǎn)品能耗

在中國(guó),通常用單位產(chǎn)品能耗來(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),比其他考核指標(biāo)更適合中國(guó)現(xiàn)有的能源管理水平[20]。為此，分別研究了兩種工藝條件下穩(wěn)定原油單位產(chǎn)品能耗和輕烴單位產(chǎn)品能耗隨塔底加熱溫度的變化關(guān)系,見(jiàn)圖5。由圖5-a)可知,隨著塔底加熱溫度的升高,兩種工藝條件下穩(wěn)定原油單位產(chǎn)品能耗基本呈直線規(guī)律增加,并且兩種工藝條件下的數(shù)值相差不明顯。由圖5-b)可知,隨著塔底加熱溫度的升高,兩種工藝條件下的輕烴單位產(chǎn)品能耗降低。相同溫度條件下,正壓閃蒸工藝條件下的輕烴單位產(chǎn)品能耗低,同時(shí)在塔底加熱溫度由95 ℃升高到 130 ℃時(shí),輕烴單位產(chǎn)品能耗急劇下降,此后當(dāng)塔底加熱溫度進(jìn)一步增加時(shí),其能耗數(shù)值則下降緩慢；而對(duì)于分餾穩(wěn)定工藝而言,加熱溫度由95 ℃增加到110 ℃時(shí),其數(shù)值變化下降明顯,而當(dāng)塔底加熱溫度高于110 ℃時(shí)，隨著溫度進(jìn)一步升高,其輕烴產(chǎn)品能耗數(shù)值下降不明顯。綜合考慮單位產(chǎn)品能耗因素時(shí),正壓閃蒸工藝要優(yōu)于分餾穩(wěn)定工藝。

a)穩(wěn)定原油單位產(chǎn)品能耗a)Energy consumption per unit product of crude oil

4 函數(shù)關(guān)系式的建立

以穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓隨加熱溫度的變化曲線為例,建立函數(shù)關(guān)系式,并利用origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,模擬數(shù)據(jù)與擬合曲線相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，擬合曲線與模擬得出的數(shù)據(jù)具有較高的吻合性。同樣，可以得出其他參數(shù)隨塔底加熱溫度變化的函數(shù)關(guān)系式,見(jiàn)表2。

圖6 穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓隨塔底加熱溫度的變化關(guān)系及擬合曲線圖Fig.6 Relationship between saturated vapor pressure of stabilisedcrude oil and tower bottom heating temperature and its fitting curve

表2 各參數(shù)隨塔底加熱溫度T變化關(guān)系的函數(shù)關(guān)系式表

5 原油穩(wěn)定深度指標(biāo)的影響因素分析

由于原油穩(wěn)定深度指標(biāo)關(guān)系著產(chǎn)品能否滿足生產(chǎn)要求,而且除上述塔底加熱溫度之外,還有其他影響因素。因此,研究了原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓和穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分含量分別隨穩(wěn)定塔壓力、原料油壓力以及原油含水率的變化關(guān)系,見(jiàn)圖7～9。

a)原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓a)Saturated vapor pressure of stabilised crude oil

a)原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓a)Saturated vapor pressure of stabilised crude oil

a)原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓a)Saturated vapor pressure of stabilised crude oil

由圖7可知,隨著穩(wěn)定塔壓力的提高,原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓和穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量均增加,分餾穩(wěn)定工藝條件下的增加趨勢(shì)更明顯;由圖8可知,隨著原料油壓力的提高,原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓和穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量雖然均增加,但變化趨勢(shì)不明顯;由圖9可知,隨著原油含水率的提高,分餾穩(wěn)定工藝條件下原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓和穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量均先降低后增加,但總體變化趨勢(shì)不明顯,對(duì)于正壓閃蒸工藝而言,原油穩(wěn)定后飽和蒸氣壓和穩(wěn)定原油中C4及C4以下組分質(zhì)量含量均呈明顯下降趨勢(shì)。

6 結(jié)論

1)經(jīng)HYSYS軟件模擬可知,與正壓閃蒸工藝相比，當(dāng)塔底加熱溫度低于150 ℃時(shí),分餾穩(wěn)定條件下得到的穩(wěn)定原油飽和蒸氣壓較高,而當(dāng)塔底加熱溫度高于150 ℃時(shí),其原油飽和蒸氣壓偏低。

2)在塔底加熱溫度相同時(shí),與分餾穩(wěn)定工藝相比,正壓閃蒸條件下穩(wěn)定原油中得到的C4及C4以下組分的質(zhì)量含量要高得多,且變化幅度相對(duì)緩慢,若該指標(biāo)要求低于0.001時(shí),只能選擇分餾穩(wěn)定工藝。

3)相同塔底加熱溫度時(shí),兩種工藝條件下穩(wěn)定原油單位產(chǎn)品能耗的數(shù)值相差不明顯。與分餾穩(wěn)定工藝相比,正壓閃蒸條件下的輕烴單位產(chǎn)品能耗更低,綜合考慮單位產(chǎn)品能耗,正壓閃蒸工藝要優(yōu)于分餾穩(wěn)定工藝。

4)提出了主要指標(biāo)參數(shù)隨塔底加熱溫度變化的函數(shù)關(guān)系式,同時(shí)詳細(xì)分析了原油穩(wěn)定深度指標(biāo)與穩(wěn)定塔壓力、原料油壓力以及原油含水率的關(guān)系。分析結(jié)果表明，原油穩(wěn)定深度指標(biāo)均隨穩(wěn)定塔壓力和原料油壓力的提高而增加;隨著原油含水率的提高,分餾穩(wěn)定工藝條件下原油穩(wěn)定深度指標(biāo)先降低后增加,正壓閃蒸工藝條件下,原油穩(wěn)定深度指標(biāo)數(shù)值呈明顯下降趨勢(shì)。