高凝原油穩(wěn)定工藝的優(yōu)選與設計

楊博強，林名楨

（1.森諾科技有限公司，山東 東營 257099；2. 山東石油化工學院油氣工程學院，山東 東營 257061）

原油在開采過程中常會含有大量的溶解氣，溶解氣的成分主要為C1～C4，它的存在使得原油在儲運過程中散發(fā)出大量的油蒸氣。存在于大氣中的油蒸氣會對環(huán)境造成污染，而且浪費能源，所以各國對商品原油的蒸氣壓均有嚴格的規(guī)定。要降低原油的蒸氣壓，就必須脫除原油內蒸氣壓較高的溶解氣組分，這一脫除過程被稱為原油穩(wěn)定。原油穩(wěn)定已成為原油處理過程中的一個必需的環(huán)節(jié)，基于此，本文以某特定高凝原油為研究對象，對原油穩(wěn)定工藝進行了優(yōu)選，設計了工藝流程，確定了合適的工藝操作條件，并進行了原油穩(wěn)定工藝的設備選型與計算，以期為后續(xù)工藝的設計提供依據。

1 基礎數據及設計要求

1.1 基礎數據

進入原油穩(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，組分如表1所示。

表1 進入原油穩(wěn)定裝置的物料組分表 /wt%

1.2 設計要求

根據現場的實際情況，穩(wěn)定原油的產品指標需滿足表2的要求。從表2可知，該設計條件對輕組分的拔出率要求較高。

表2 穩(wěn)定原油產品的指標要求

2 工藝優(yōu)選及流程描述

幾種原油穩(wěn)定工藝的介紹如下[1]。

2.1 負壓閃蒸穩(wěn)定工藝

負壓閃蒸穩(wěn)定工藝[2]的優(yōu)點是能耗、閃蒸壓力和溫度相對較低，且操作簡單。缺點是負壓壓縮機的故障率很高，這會影響運行效率和過程質量。

原油負壓閃蒸流程如圖1所示。依靠位差將塔底的穩(wěn)定原油輸送至穩(wěn)定油罐或通過泵外輸。穩(wěn)定塔的頂部使用真空壓縮機，其吸氣狀態(tài)可達到負壓。氣相壓縮后，壓縮氣體的壓力上升到0.2～0.3MPa（絕對壓力），溫度上升。當溫度降到40℃左右，再從三相分離器中除去烴類液體等。分離得到的輕烴被泵送到儲罐，不凝氣體進入低壓管網，污水進入含油污水系統(tǒng)。

圖1 原油負壓閃蒸流程

負壓閃蒸的應用條件[3]：1）原油中輕組分C1～C4含量在2.5%（重）以下；2）只限制穩(wěn)定深度，不要求輕組分收率；原油的脫水溫度略高于儲存溫度；3）對穩(wěn)定凝析油飽和蒸氣壓的要求不高。

負壓閃蒸穩(wěn)定法的主要設計參數[4]是三相分離器的操作壓力和操作溫度，其確定方法如下：

1）三相分離器的操作壓力就是閃蒸壓力，應根據工藝計算結果、凝析油進料壓力和閃蒸氣進入燃料氣系統(tǒng)的壓力要求來確定。

2）三相分離器的操作溫度應與凝析油的外輸溫度結合后確定，取兩者的最大值。

3）負壓閃蒸穩(wěn)定的操作溫度應結合原油脫水或外輸溫度確定[5]，宜為50～80℃；不宜專為負壓閃蒸穩(wěn)定進行加熱。

2.2 正壓閃蒸穩(wěn)定工藝

相比負壓閃蒸工藝，正壓閃蒸穩(wěn)定工藝不使用壓縮機，但需提高溫度以實現其工藝。原油正壓閃蒸流程如圖2所示。正壓閃蒸穩(wěn)定的操作壓力需調整并達到下列要求：1）輕組分含量較低的原油，操作壓力宜為0.02～0.1MPa；2）輕組分含量較高的原油，操作壓力宜為0.1～0.3MPa[6]。

圖2 原油正壓閃蒸流程

正壓閃蒸的應用條件：1）原油中的輕組分含量大于2.5%（重）。2）當原油中輕組分的含量低于2.5%（重）時，在有余熱可利用的前提下，也可以考慮采用正壓閃蒸穩(wěn)定工藝。3）只限制穩(wěn)定深度，不要求輕組分收率。4）對穩(wěn)定凝析油飽和蒸氣壓的要求不高。

正壓閃蒸穩(wěn)定法的主要設計參數[7]有加熱爐的加熱溫度、三相分離器的操作壓力及操作溫度。確定原則如下：1）三相分離器的操作壓力應滿足閃蒸氣進入燃料氣系統(tǒng)的要求。2）加熱爐和三相分離器的操作溫度由凝析油的進料溫度和組成確定。

2.3 微正壓閃蒸穩(wěn)定工藝

微正壓閃蒸穩(wěn)定工藝的原理與負壓閃蒸工藝相同[8-9]，只是原油穩(wěn)定的溫度升高后，閃蒸壓力也相應地高一些，成為微正壓，因此2種工藝方法的適用條件也相同。微正壓閃蒸的閃蒸壓力一般為0.1～0.2MPa（絕），溫度在60～90℃就可達到穩(wěn)定的目的。從節(jié)能角度考慮，升高溫度后輸送和處理的高黏原油，采用微正壓閃蒸工藝是合理的。原油穩(wěn)定的溫度應高于最高儲存溫度20℃或更高。原油的微正壓閃蒸流程如圖3所示。

圖3 原油微正壓閃蒸流程

2.4 分餾穩(wěn)定工藝

分餾穩(wěn)定工藝的主要原理是精餾，它主要取決于原油中輕重組分的特性和揮發(fā)性。輕烴組分的蒸氣壓大于重烴組分的蒸氣壓，沸點小于重烴組分的沸點，并且揮發(fā)性較高。精餾操作去除了原油中的輕質烴類物質，以確保原油的穩(wěn)定性。與其他工藝相比，加熱分餾工藝可以確保原油具有更好的穩(wěn)定性。全塔分餾法穩(wěn)定流程如圖4所示。

圖4 全塔分餾法穩(wěn)定流程

全塔分餾法可以較完美地分離輕組分和重組分，以確保穩(wěn)定的原油和塔頂產品的質量，缺點是成本較高，資源消耗較大，操作難度系數高。為了克服以上缺點，當分離效果沒有嚴格要求時，可以使用僅具有提餾部而沒有精餾部的提餾法，或者僅具有精餾部而沒有提餾部的精餾法。提餾法穩(wěn)定流程如圖5所示，精餾法穩(wěn)定流程如圖6所示。

圖5 提餾法穩(wěn)定流程

圖6 精餾法穩(wěn)定流程

2.5 原油穩(wěn)定工藝方法的優(yōu)選

表3是3種原油穩(wěn)定工藝方法的比較。要根據原油的物理性質和組成，同時綜合考慮相關過程，來最終確定使用哪一種原油穩(wěn)定工藝。

表3 3種原油穩(wěn)定工藝方法的比較

1）當原油中輕質組分C1～C4的含量低于2.5wt%，且原油脫水或外輸溫度能滿足負壓閃蒸的需要時，可采用負壓閃蒸穩(wěn)定工藝[10]。

2）當原油中輕組分C1～C4的含量高于2.5%（wt）時，可采用正壓閃蒸穩(wěn)定化工藝；當原油中的輕組分含量低于2.5wt%，且有剩余熱量可用時，也可以考慮采用正壓閃蒸穩(wěn)定化工藝或分餾穩(wěn)定工藝。

從裝置提供的相關數據可知，原油中C1～C4含量大于2.5wt%，故可選用正壓閃蒸穩(wěn)定工藝或分餾穩(wěn)定工藝[11]。同時通過模擬計算得出，只有分餾穩(wěn)定工藝才能滿足設計要求。因此本次設計優(yōu)選分餾穩(wěn)定工藝。

3 工藝設計

3.1 工藝流程

根據實際情況設計的分餾穩(wěn)定工藝流程圖如圖7所示。從脫水器脫水后的原油（0.25MPa、70℃），經原油穩(wěn)定塔的進料熱交換器，與原油穩(wěn)定塔底穩(wěn)定的原油進行換熱，達到130℃后，在原油穩(wěn)定塔進行穩(wěn)定處理。

圖7 分餾穩(wěn)定工藝流程圖

塔底的換熱泵將穩(wěn)定塔底部的穩(wěn)定原油（210℃）抽出，熱量在脫水系統(tǒng)的熱交換器中實現回收。在這之前，要在穩(wěn)定塔的進料熱交換器內與進料原油換熱到142℃。穩(wěn)定原油冷卻至67～72℃后，儲存在凈化油罐中。其中一部分由塔底的加熱泵抽出，在再沸加熱爐中加熱到210℃，返回穩(wěn)定塔底，作為塔底再沸。

穩(wěn)定塔頂出來的氣體（0.2MPa，87～118℃）冷卻至45℃后的氣液混合物，在穩(wěn)定塔頂的回流罐內進行氣液水三相分離。分離出來的未冷凝氣體作為穩(wěn)定氣（0.2MPa，32～45℃）送至已建的壓縮系統(tǒng)處理。罐中冷凝分離下來的液烴一部分作為塔頂回流打回穩(wěn)定塔頂部，另一部分送往輕烴儲罐。分離出的污水進入站內已建的排污系統(tǒng)。

3.2 主要操作條件

經模擬計算，確定原油穩(wěn)定部分各設備的主要參數見表4。

表4 原油穩(wěn)定工藝操作條件表

3.3 設備選型與計算

本裝置的主要設備為原油穩(wěn)定塔，另外還有穩(wěn)定原油泵、塔底加熱泵、凝液泵、塔頂回流泵、塔頂回流罐、管殼式換熱器等。

3.3.1 原油穩(wěn)定塔

原油穩(wěn)定塔主要分為填料塔和板式塔，具體的選擇原則如下：

1）當所需的傳質單元或理論塔板數很大且塔很高時，最好使用板式塔[12]。因為填料塔必須分成許多部分，且液體要進行多次分配，否則液體分配會不均勻，從而影響傳質效率[13]。

2）當有側回流或側再沸器時，用板式塔。

3）當液氣比非常小時，可以使用板式塔。如果使用填料，則潤濕速率會很低且效率會下降很多。

4）填料塔的壓降比板式塔小。

5）容易發(fā)泡的液體也可以被填料塔進行適當處理。

針對本工程，穩(wěn)定塔內的物料是原油，為不宜發(fā)泡物料，同時塔徑較大（Φ=2600mm），因此選用板式塔。根據裝置的特點，塔板結構為浮閥。

3.3.2 穩(wěn)定原油泵和塔底加熱泵

離心泵具有結構簡單、價格低、流量較大、流量脈動小等優(yōu)點。裝置的穩(wěn)定原油量為594.6m3·h-1，因此采用離心泵。設置2臺穩(wěn)定原油泵，2臺塔底加熱泵，均為1用1備，泵流量為600 m3·h-1，揚程為100m，電機功率為220kW。

3.3.3 凝液泵、塔頂回流泵

屏蔽泵可實現零泄漏，安全可靠性高。裝置的凝液量為9.70m3·h-1，且為間歇運行，因此凝液泵采用屏蔽泵。設置1臺凝液泵，泵揚程流量為10m3·h-1，揚程為140m，電機功率為3.0kW。

3.3.4 塔頂回流罐

選用臥式三相分離器，操作壓力為0.1MPa，尺寸：Φ=2400mm，L=9600mm。

3.3.5 冷換設備

由于裝置的換熱介質為原油、穩(wěn)定油、循環(huán)水等，均是易結垢介質，因此冷換設備選用管殼式換熱器。

3.3.6 設備一覽表

原油穩(wěn)定部分的設備如表5所示。

表5 分餾穩(wěn)定工藝設備一覽表

4 結論

1）分別從工作原理、工藝流程和工藝優(yōu)缺點方面，對目前常用的負壓閃蒸穩(wěn)定工藝、正壓閃蒸穩(wěn)定工藝、分餾穩(wěn)定工藝進行了對比，并根據設計要求確定了分餾穩(wěn)定工藝。

2）根據工藝流程和控制要求進行了工藝設計，確定了分餾穩(wěn)定工藝的流程圖。

3）確定了各關鍵點和相關設備的主要參數，其中原油穩(wěn)定塔塔頂的運行溫度為118.8℃，運行壓力為0.2MPa；塔底換熱器的溫度區(qū)間為138～210℃；塔頂回流罐溫度為40℃，壓力為0.17MPa；原油換熱器中的原油溫度為70～130℃，穩(wěn)定油溫度為210～142℃。

4）對流程中的設備進行了詳細的選型和計算。原油穩(wěn)定塔選用板式塔，直徑為2600mm；塔頂回流罐選用臥式三相分離器，直徑為2400mm，操作壓力0.1MPa；冷換設備中的換熱器選用管殼式換熱器，熱量為3500kW；塔頂冷凝器熱量為2260kW，塔底再沸器熱量為2454kW。