原油穩定工藝模擬與參數優化技術研究

黃純金 楊筱珊 孟飛 朱樂 黃蕊紅 黃晶晶

長慶油田分公司第十采油廠

原油開采與處理主要通過管道輸送至下游處理廠及煉化企業，輸送過程中涉及大量常壓儲罐，由于壓力、溫度等條件發生變化，原油中C1～C4組分攜帶大量C5 以上組分通過呼吸閥揮發至大氣中[1-2]，帶來了一系列的安全隱患及環境污染問題，并造成較大的經濟損失。根據2006 年出版圖書《油氣集輸與礦場加工》的相關內容，經流程密閉、原油穩定后，油田的油氣蒸發損耗可由1.5%降低為0.29%以下。為解決原油中輕質組分揮發帶來的問題，原油穩定被普遍運用于原油集輸過程中輕質組分的回收，以減少集輸系統損耗、消減安全隱患及環境問題。原油穩定的效果主要取決于處理工藝及技術參數的選擇，不同的閃蒸工藝流程運行參數差距較大，在確保穩定原油飽和蒸汽壓達標的情況下，結合生產實際，開展工藝優選、流程優化、提質增效、節能降耗等研究是不斷提高效果及經濟性的重要研究方向[3]。

1 研究現狀

近年國家對環境治理提出了新要求，發布的《中華人民共和國大氣污染防治法》（主席令第31號）、GB 31571—2015《石油化工工業污染物排放標準》、《石化行業揮發性有機物綜合整治方案》環發〔2014〕177 號、GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》等法律、法規、規范都明確要求：嚴格控制工藝廢氣排放、生產設備密封點泄漏、儲罐和裝卸過程揮發損失、廢水廢液廢渣系統逸散等環節及非正常工況排污[4-5]。按照《石油天然氣開采業污染防治技術政策》公告2012 年第18 號要求，新建、改擴建油氣田油氣集輸損耗不高于0.5%。因此，原油穩定是原油集輸過程中的環保需求[6]。

長慶油田原油屬于輕質油，輕質組分含量高，且油藏地層原始壓力大于原油飽和壓力，開發過程中伴有大量伴生氣體，原始溶解氣油比達50～200 m3/t[7-8]。脫水處理后的凈化原油內，含有大量在常溫常壓下為氣態的溶解氣，使原油飽和蒸汽壓較高，在儲運過程中產生大量油蒸汽排入大氣，既浪費能源又污染環境。根據華慶油田多個區塊油樣進行測試，C1～C4 組分含量約為10%（體積分數，下同），遠大于C1～C4 潛含量0.5%的界限值，在儲運過程中，原油內揮發性強的組分大量汽化，并由于“攜帶效應”將原油內較重組分帶入氣相，當原油溫度由5 ℃上升至40 ℃時約有1.5%原油損耗率，按此損耗率折算每年華慶油田儲運過程中損耗原油約2.0×104t。因此，原油穩定也是油田高質量發展的效益需求[8-9]。

2 閃蒸工藝

原油穩定工藝方法可以分為閃蒸法（正壓閃蒸、微正壓閃蒸、負壓閃蒸）和分餾法2 類。分餾穩定適用于輕質原油（如凝析油、天然氣凝液等），或者要求輕烴組分切割比較徹底而又限制C6拔除率的情況，流程和工藝控制復雜、投資和熱耗較大，油田伴生氣回收工程不推薦采用[10]。閃蒸法中正壓閃蒸按照集團公司相關管理要求，油田輕烴終餾點不得超過180 ℃，當采用正壓閃蒸原油拔出率高，穩定輕烴終餾點＞180 ℃，因此不建議采用正壓閃蒸。本文主要對目前應用范圍較廣的微正壓閃蒸、負壓閃蒸2種工藝進行對比分析[11]。

2.1 負壓閃蒸

負壓閃蒸穩定主要是利用抽氣壓縮機形成負壓抽吸，降低原油的飽和蒸氣壓，該工藝具有工藝流程簡單、換熱設備少、能量利用率高、裝置投資少等特點[12]。主要工藝流程：從三相分離器來的未穩定原油進入原油穩定塔，閃蒸溫度50～80 ℃，塔頂部與抽氣壓縮機相連，將塔抽至真空度在20～75 kPa，氣化后塔頂氣經壓縮機增壓至300～400 kPa 后經冷卻器冷卻至50 ℃后進入三相分離器，分離的不凝氣至伴生氣處理系統，穩定原油至聯合站，工藝流程如圖1所示。

2.2 微正壓閃蒸

微正壓閃蒸穩定是通過加熱將原油中輕質組分揮發，再通過降低塔頂壓力，對揮發氣進行回收，最終達到原油飽和蒸氣壓達標的目的，該工藝對比負壓閃蒸具有穩定深度大、穩定溫度高等特點，但存在設備腐蝕、加熱負荷大、加熱器結垢等問題[13]。主要工藝流程：從三相分離器來的未穩定原油經換熱、加熱后進入原油穩定塔，閃蒸溫度為60～110 ℃，閃蒸壓力為100～200 kPa，氣化后塔頂氣經冷卻器冷卻至50℃左右后進入三相分離器，分離出的不凝氣經增壓至300～400 kPa 后去伴生氣處理系統，穩定原油與未穩定原油換熱、冷卻后至聯合站，工藝流程如圖2所示。

圖2 微正壓閃蒸工藝流程Fig.2 Micro-positive pressure flash evaporation process flow

2.3 原油穩定閃蒸工藝對比

基于HYSYS 軟件進行數據模擬對比，以慶三聯輕烴廠30×104t/a 原油穩定為基礎，對微正壓閃蒸與負壓閃蒸2 種工藝操作條件、熱負荷、電機功耗、產品產量及整體工藝進行對比評價（表1、表2）。

表1 原油穩定閃蒸工藝對比Tab.1 Comparison of flash evaporation processes for crude oil stabilization

表2 原油穩定閃蒸工藝產品產量對比Tab.2 Production comparison of crude oil stabilization flash evaporation process products

根據SY/T 0069—2008《原油穩定設計規范》與GB 50350—2015《油田油氣集輸設計規范》中的規定：穩定原油在最高儲存溫度下的飽和蒸汽壓的設計值不宜超過當地大氣壓的0.7 倍。長慶油田當地大氣壓在85～90 kPa 之間，儲存最高溫度為45 ℃時，穩定原油的飽和蒸汽壓為59.5～63.0 kPa[14]，對比以上2 種工藝，穩定后原油均滿足現場生產需求。

根據現場使用情況對2 種工藝綜合對比，微正壓閃蒸具有穩定氣產量相對高、穩定氣重組分含量高、常規壓縮機運行穩定、管理方便等特點，但微正壓穩定需單獨設計冷卻循環系統，投資相對較高、加熱及冷卻能耗較高、流程相對復雜、原油拔出率相對高，影響原油密度及產量。負壓閃蒸工藝具有加熱能耗低、無需冷卻、節約能耗、流程簡單、投資低、原油拔出率相對低、原油密度及產量影響小、穩定氣產品質量好、C6+含量低等特點。在穩定原油飽和蒸氣壓達標的情況下，使用負壓閃蒸工藝可有效降低加熱、降溫負荷，有效降低投資成本及運行成本，綜合考慮原油及輕烴效益，推薦使用負壓閃蒸工藝。

3 負壓閃蒸工藝優化

3.1 參數優化

根據現場數據建立HYSYS 模型，對原油穩定溫度、操作壓力進行對比研究，通過對比總結不同的穩定參數與產量及主要能耗的變化規律，調整優化原油穩定參數，最終實現提質增效的目的，HYSYS模型及詳細數據如圖3、表3所示。

表3 調整參數與產出對比Tab.3 Comparison between adjusted parameters and output

圖3 HYSYS模型流程Fig.3 Flow of HYSYS model

由表3可知，參數組合1、8穩定原油飽和蒸氣壓不滿足設計要求，參數組合2～7 穩定原油飽和蒸氣壓、穩定輕烴終餾點符合相關規范要求。

3.1.1 穩定壓力優化

根據表3 數據繪制穩定壓力與產量及電功率對比圖（圖4），穩定氣隨原油穩定壓力變化較小，隨穩定壓力下降，略微有所提升；穩定輕烴產量變化較為明顯，當穩定壓力下降時，穩定輕烴產量快速上升；用電設備電功率隨著穩定壓力下降，電功率呈加速上升趨勢，因此在合理的安全系數、設備運行狀態電耗的情況下，抽氣壓力越低，輕烴產量越高。

圖4 原油穩定壓力與產量變化曲線Fig.4 Changing curve of stable pressure and output of crude oil

3.1.2 穩定溫度優化

原油穩定溫度由導熱油爐加熱器控制，在生產過程中，可以通過提高原油穩定溫度提高輕烴產量，但加熱爐溫度過高會使燃料消耗較多、穩定輕烴終餾點上升，不僅綜合效益差，還會降低產品質量，影響下游站庫的穩定運行。因此，原油穩定溫度的確定主要考慮能耗、油品要求、產品質量等方面，根據表3 數據繪制穩定溫度與產量及熱功率對比圖，由圖5 可知塔頂出料、熱功率均與穩定溫度成正比，根據穩定原油飽和蒸汽壓相關規范，應將原油穩定溫度控制在60 ℃以上。

圖5 穩定溫度與能耗變化曲線Fig.5 Changing curve of stable temperature and energy consumption

3.2 優選參數

根據穩定溫度、穩定壓力與穩定原油飽和蒸氣壓、穩定輕烴終餾點、電功率、熱功率等參數的規律及設計規范、設備能力等邊界條件限制，總結出合理的參數范圍，具體情況見表4。

表4 原油穩定參數限制計算Tab.4 Calculation for limits of crude oil stabilization parameters

結合現場設備限制及規范要求，原油穩定溫度應控制在55～85 ℃之間，穩定壓力應控制在55～75 kPa 之間，根據溫度、壓力與產量的變化規律，按照20%冗余量進行計算，穩定溫度調整至68 ℃、穩定壓力調整至66 kPa。通過驗證，塔頂出料為665.6 kg/h、穩定原油飽和蒸氣壓56.81 kPa、穩定輕烴終餾點為95.68 ℃，加熱功率631.4 kW，各項參數均滿足相關要求。

4 推廣應用及經濟效益

4.1 能耗評價

使用HYSYS 對參數調整前后輸入功率、輸入熱負荷、輸入冷負荷等參數進行對比，具體情況如表5，參數調整后電加熱負荷下降133.8 kW，冷卻負荷上升8.6 kW，熱負荷整體下降125.2 kW；抽氣壓縮機功率上升6.9 kW，其他功率基本保持不變，整體電功率約上升6.69 kW，參數調整后設備運轉效率提升，整體節能效果明顯。

表5 參數調整前后能耗對比數據Tab.5 Comparison data of energy consumption before and after parameter adjustment

4.2 效益評價

按照慶三聯原油穩定裝置調整前后進行對比，其中，天然氣燃料1.0 元/m3，熱值3.6×104kJ/m3，熱能利用率50%，電費0.62 元/kWh，穩定輕烴4 000 元/t，液化石油氣4 500 元/t，原油3 500 元/t。調整前，穩定輕烴產量219.2 kg/h，穩定氣量259.4 kg/h；調整后，穩定輕烴產量245.2 kg/h，穩定氣量270.5 kg/h。調整后穩定輕烴產量上升26 kg/h，折合每天0.624 t；液化石油氣產量上升11.1 kg/h，折合每天0.266 4 t；輸入電功率上升6.69 kW，折合每天160.6 kWh；輸入熱負荷下降133.8 kW，折合每天11.56×106kJ；輸入冷負荷上升8.6 kW，成本可忽略不計。由表6 對項目優化后經濟效益計算，調整后輕烴產品產量上升明顯，熱負荷下降效益突出，電負荷增加主要原因為增加了設備運轉負荷，整體指標全面提升，年經濟效益達154.67萬元。

表6 經濟效益對比Tab.6 Comparison of economic benefits

5 結論及建議

（1）原油穩定工藝的主要目的是減少原油集輸過程中的蒸發損失，穩定原油的飽和蒸氣壓是判斷穩定原油是否合格的主要參數，原油穩定拔出率不足，會導致蒸發損失，原油穩定拔出率超標，會導致能量浪費及產品質量問題，因此在穩定原油的飽和蒸氣壓達標的前提下，負壓閃蒸工藝低能耗、高效率具有明顯的工藝優勢。

（2）原油穩定是一個動態平衡的過程，隨著穩定溫度的上升，熱功率、塔頂出料均大幅上升，穩定原油飽和蒸氣壓持續下降；隨著穩定壓力的下降，抽氣壓縮機功率上升明顯，塔頂出料上升較為平緩，因此，在產品質量達標的邊界條件下，平衡穩定溫度與穩定壓力的關系是降低綜合能耗的關鍵，根據HYSYS 模擬及現場實踐，穩定壓力為66 kPa、穩定溫度為68 ℃時，原油穩定效果最好，穩定原油飽和蒸氣壓達到56.81 kPa，熱功率僅為631.4 kW，年經濟效益可達154.67萬元。

（3）能耗指標是原油穩定工藝的重要評價指標，在兼顧工藝安全的前提下，如何應用新技術、新工藝、新材料、新設備，提高能源利用率，降低生產損耗，延長設備使用周期，利用清潔能源等技術仍是今后的研究方向。