不同原油穩(wěn)定工藝模擬對比與分析

解靜

中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項目部（陜西西安 710016）

為滿足工藝要求，原油在油氣集輸?shù)倪^程中，需進(jìn)行加熱、降壓、分離、轉(zhuǎn)輸和儲存等操作，這就為原油中的溶解氣揮發(fā)提供了便利條件。從近幾年儲罐無組織排放的監(jiān)測情況看，具有源強(qiáng)排放量大、持續(xù)時間長、排放烴類濃度大等特點(diǎn)，因此進(jìn)行原油穩(wěn)定處理顯得尤為重要[1-2]。原油穩(wěn)定不僅可以降低其飽和蒸汽壓，滿足安全、環(huán)保的相關(guān)要求，同時還能分離出不凝氣和穩(wěn)定輕油，提高原油產(chǎn)品的附加值。目前，常用的原油穩(wěn)定方式有負(fù)壓閃蒸、微正壓閃蒸和提餾穩(wěn)定工藝等[3-5]。其中，負(fù)壓閃蒸工藝適用于輕組分含量較少的原油，但隨著某些區(qū)塊的伴生氣量越來越大，原油中的溶解氣也越來越多，另外兩種工藝適合輕組分C1～C4含量大于2.5%的情況，但如何在不同工況條件下優(yōu)選工藝卻鮮有報道。基于此，以某油田聯(lián)合站的微正壓閃蒸工藝和提餾穩(wěn)定工藝為例，考察不同塔底溫度下飽和蒸氣壓、C1～C4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，考察不同工藝對各項產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的影響情況，通過經(jīng)濟(jì)分析確定不同輕烴價格下的優(yōu)選工藝。研究結(jié)果可為原油穩(wěn)定工藝的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某油田聯(lián)合站處理能力200×104t/a，年運(yùn)行時間8 000 h，未穩(wěn)定的原油溫度35 ℃，壓力200 kPa，含水率0.5%，密度890 kg/m3。對未穩(wěn)定原油進(jìn)行全烴氣相色譜實驗，確定組分，具體組成見表1。

表1 未穩(wěn)定原油組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 仿真模型建立

2.1 微正壓閃蒸工藝

脫水后的原油進(jìn)入換熱器與穩(wěn)定原油換熱后，加熱至一定溫度，隨后進(jìn)入原油穩(wěn)定塔上部，將C4及以下的組分拔出，塔底流出穩(wěn)定原油，塔頂流出的閃蒸氣經(jīng)空冷器冷卻后，進(jìn)入分離器分離出不凝氣和穩(wěn)定輕烴。在HYSYS 中建立流程模擬，如圖1所示，圖中數(shù)字代表能量流股（紅色）或物料流股（藍(lán)色）。

圖1 微正壓閃蒸工藝流程圖

2.2 提餾穩(wěn)定工藝

脫水后的原油先進(jìn)入換熱器與穩(wěn)定原油換熱，隨后進(jìn)入提餾塔加熱分離原油中的輕組分，閃蒸氣從塔頂流出后經(jīng)空冷器冷卻進(jìn)入回流罐，回流罐分離出污水、不凝氣和穩(wěn)定輕烴，穩(wěn)定輕烴通過分流器抽出一部分回流至提餾塔，將C6及以上重組分壓回塔內(nèi)，從塔底流出的穩(wěn)定原油換熱降溫后外輸。在HYSYS 中建立流程模擬，如圖2 所示，圖中數(shù)字代表能量流股（紅色）或物料流股（藍(lán)色）。

圖2 提餾穩(wěn)定工藝流程圖

2.3 狀態(tài)方程選取

工藝流程的模擬離不開熱力學(xué)性質(zhì)的計算，狀態(tài)方程的使用涉及原始數(shù)據(jù)的選取、模型參數(shù)的估計、混合物混合規(guī)則的選擇等諸多問題，因此需要合理選取狀態(tài)方程。HYSYS軟件對PR狀態(tài)方程的二元交互參數(shù)進(jìn)行了大量擴(kuò)充，擴(kuò)展了其適用范圍，對油氣處理過程、石油化工過程的模擬效果較好，故采用該方程[6-8]。公式如下：

式中：p為壓力，Pa；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；a、b分別為考慮分子間引力和分子體積的經(jīng)驗參數(shù)；v為介質(zhì)摩爾體積，L/mol；T為加熱溫度，K。

3 結(jié)果與討論

3.1 飽和蒸氣壓分析

飽和蒸氣壓是衡量原油穩(wěn)定深度的重要參數(shù)，穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓（37.8 ℃）要求低于當(dāng)?shù)卮髿鈮旱?.7 倍，穩(wěn)定輕烴的飽和蒸氣壓（37.8 ℃）需滿足GB 9053—2013《穩(wěn)定輕烴》中關(guān)于1 號輕烴的要求為74～200 kPa?？疾觳煌に囍蟹€(wěn)定塔（提餾塔）塔底溫度對產(chǎn)品飽和蒸汽的影響，如圖3所示。隨著塔底溫度的增加，兩種工藝穩(wěn)定輕烴的飽和蒸氣壓基本不變，其中微正壓工藝的輕烴質(zhì)量明顯優(yōu)于提餾穩(wěn)定工藝；穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓均下降，但下降的幅度有所不同，在80～140 ℃時，微正壓工藝的效果較好，在140 ℃以上時，提餾穩(wěn)定工藝的效果較好。該聯(lián)合站所在地區(qū)的大氣壓約為89.5 kPa，因此穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓應(yīng)小于62.6 kPa 才能滿足穩(wěn)定深度。同時考慮能耗對工藝的影響，對于微正壓閃蒸工藝，應(yīng)保證塔底溫度在90～120 ℃；對于提餾穩(wěn)定工藝，應(yīng)保證塔底溫度在110～140 ℃。

圖3 飽和蒸氣壓隨塔底溫度的變化情況

3.2 穩(wěn)定原油中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

雖然穩(wěn)定原油中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未在規(guī)范中有所要求，但這與原油中重組分的脫出量相關(guān)，也與穩(wěn)定輕烴餾程控制指標(biāo)中的終餾點(diǎn)相關(guān)，考察不同工藝中穩(wěn)定塔（提餾塔）塔底溫度對穩(wěn)定原油中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，如圖4 所示。隨著塔底溫度的升高，經(jīng)過雙向傳質(zhì)和氣液平衡，塔頂閃蒸氣中的輕組分越來越多，塔底穩(wěn)定原油中的輕組分越來越少，穩(wěn)定深度均有所加強(qiáng)；但提餾穩(wěn)定工藝中的塔器沒有精餾段，受塔頂回流量的影響，其流程的復(fù)雜程度和控制要求較為嚴(yán)格，導(dǎo)致C2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度有所提升。當(dāng)要求穩(wěn)定原油中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%時，需保證微正壓閃蒸工藝的塔底溫度在130 ℃以上；而提餾穩(wěn)定工藝中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體變化較小，在0.24%～0.30%，對塔底溫度不敏感，因此如對穩(wěn)定原油中C1～C4的拔出率有所要求，可優(yōu)先采用提餾穩(wěn)定工藝。

圖4 穩(wěn)定原油中C1～C4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨塔底溫度的變化情況

3.3 單位產(chǎn)品能耗分析

微正壓閃蒸工藝的能耗以加熱器和循環(huán)泵為主，提餾穩(wěn)定工藝的能耗以重沸器和循環(huán)泵為主，考慮到不同品質(zhì)的能耗種類有所不同，將熱能和動能按照GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。兩種工藝均以200×104t/a的進(jìn)料量，考察穩(wěn)定塔（提餾塔）塔底溫度對單位產(chǎn)品能耗的影響，如圖5所示。由圖5（a）可知，隨著塔底溫度的升高，兩種工藝穩(wěn)定原油的單位產(chǎn)品能耗均呈直線增加，除塔底溫度為200 ℃時，其余兩種工藝穩(wěn)定原油的能耗差距均在3～4 kW/t。由圖5（b）可知，隨著塔底溫度的升高，微正壓閃蒸工藝在80～110 ℃時，單位產(chǎn)品能耗快速下降，隨后進(jìn)一步增加塔底溫度，能耗幾乎保持不變；提餾穩(wěn)定工藝在80～130 ℃時，單位產(chǎn)品能耗快速下降，隨后能耗隨塔底溫度的變化幾乎保持不變，但總體上在穩(wěn)定輕烴的生產(chǎn)上，微正壓閃蒸工藝優(yōu)于提餾穩(wěn)定工藝。由圖（c）可知，隨著塔底溫度的升高，微正壓閃蒸工藝的不凝氣單位產(chǎn)品能耗逐漸上升，提餾穩(wěn)定工藝的不凝氣單位產(chǎn)品能耗逐漸下降，在130 ℃時為分界點(diǎn)。綜合考慮能耗方面影響，微正壓閃蒸工藝要優(yōu)于提餾穩(wěn)定工藝。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在保持穩(wěn)定原油和穩(wěn)定輕烴深度的前提下，設(shè)置穩(wěn)定原油價格4 000元/t、不凝氣價格0.865元/m3，控制穩(wěn)定塔底溫度為100 ℃，提餾塔塔底溫度為120 ℃時，分析不同穩(wěn)定輕烴價格對總收益的影響，如圖6 所示。當(dāng)穩(wěn)定輕烴價格低于2 000 元/t 時，微正壓閃蒸工藝的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)；當(dāng)穩(wěn)定輕烴價格高于2 000元/t時，提餾穩(wěn)定工藝的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。

圖6 經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果

3.5 工藝分析

工藝?可以綜合反映能量數(shù)量和品質(zhì)的差異，分析能量在過程或設(shè)備中轉(zhuǎn)化和損失情況，為系統(tǒng)工藝流程的優(yōu)化和節(jié)能提供方向[9-11]。選擇灰箱模型對兩種工藝進(jìn)行分析，得到微正壓閃蒸工藝的總輸入?為52.16×104kJ/h，總輸出?為26.35×104kJ/h；提餾穩(wěn)定工藝的總輸入?為65.03×104kJ/h，總輸出?為31.53×104kJ/h。兩種工藝的工藝?損值分別為25.81×104、33.50×104kJ/h，總?效率分別為50.51%、48.48%，總?效率較低，能量利用情況不理想，存在較大的優(yōu)化空間。

考察兩種工藝中不同設(shè)備的?損值，如圖7所示。微正壓閃蒸工藝的?損集中在換熱器、加熱器和原油穩(wěn)定塔，提餾穩(wěn)定工藝的?損集中在換熱器和提餾塔，其余設(shè)備的?損值較小，且提餾塔的?損值遠(yuǎn)大于原油穩(wěn)定塔，這是由于在達(dá)到相同穩(wěn)定深度時，塔底重沸器的溫度較高有關(guān)。因此，兩種工藝的重點(diǎn)優(yōu)化對象為換熱器、加熱器和塔器。因此，在進(jìn)行原油穩(wěn)定工藝設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定深度、C1～C4拔出率、單位產(chǎn)品能耗和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮優(yōu)選工藝。

圖7 兩種工藝中不同設(shè)備的損值

3.6 現(xiàn)場應(yīng)用效果

考慮到目前市場穩(wěn)定輕烴的價格為2 500元/t，故采用提餾穩(wěn)定工藝進(jìn)行原油穩(wěn)定。通過HYSYS中自帶的Original 優(yōu)化模式對現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行操作，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)為原油穩(wěn)定總利潤最大，考察不同參數(shù)下的優(yōu)化效果，見表2。通過參數(shù)優(yōu)化，原油穩(wěn)定后的年總利潤從53 685.56 萬元提至54 024.41萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，證明了本文模擬算法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

表2 提餾穩(wěn)定工藝優(yōu)化效果對比

4 結(jié)論

1）對于微正壓閃蒸工藝和提餾穩(wěn)定工藝，應(yīng)保證塔底溫度分別控制在90～120 ℃、110～140 ℃，以滿足原油穩(wěn)定深度的相關(guān)要求。

2）當(dāng)對穩(wěn)定原油中C1～C4的拔出率有所要求時，可優(yōu)先采用提餾穩(wěn)定工藝；塔底溫度對兩種工藝的穩(wěn)定原油單位產(chǎn)品能耗影響不大；與提餾穩(wěn)定工藝相比，微正壓閃蒸工藝在穩(wěn)定輕烴上的單位產(chǎn)品能耗更小。

3）從穩(wěn)定輕烴的價格上分析，2 000元/t可以作為經(jīng)濟(jì)上優(yōu)選工藝的分界點(diǎn)；從工藝上分析，兩種工藝的重點(diǎn)優(yōu)化對象為換熱器、加熱器和塔器。