原油脫水溫度優(yōu)化研究

關(guān) 麗，侯文剛, 劉德俊，周志強(qiáng)，梅宏林

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 新疆油田公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000; 3. 遼河油田油建二公司，遼寧 盤錦 124000）

原油脫水溫度優(yōu)化研究

關(guān) 麗1，侯文剛2, 劉德俊1，周志強(qiáng)1，梅宏林3

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2. 新疆油田公司開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000; 3. 遼河油田油建二公司，遼寧 盤錦 124000）

通過對原油立式脫水沉降罐的工作原理及原油沉降脫水的工藝過程的研究，結(jié)合沉降段和水洗段的結(jié)構(gòu)特點及參數(shù)，應(yīng)用斯托克斯公式計算出不同溫度下不同液滴的沉降速度以及不同溫度下液滴在脫水沉降罐中脫水時間，確定不同溫度下脫水沉降罐的容積，建燃料費用和投資為最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型，通過C++程序進(jìn)行求解；幵用算例進(jìn)行優(yōu)化求解，確定了最佳的脫水溫度。

立式沉降罐；脫水溫度；優(yōu)化計算；數(shù)學(xué)模型

在原油脫水的過程中，隨著脫水溫度的升高，一斱面，原油粘度明顯下降［1］，油水界面張力下降，從而減小了粘度對水滴產(chǎn)生的阻力，增大了水滴碰撞合幵的幾率，根據(jù)斯托克斯斱程式可知，水滴的沉降速度，有效的實現(xiàn)了油水的迅速分離，可以減小脫水罐的投資；另一斱面，過高的溫度勢必消耗過多的燃料，導(dǎo)致熱力費用增高［2］。如何確定最佳的脫水溫度，降低原油脫水的成本是解決問題的關(guān)鍵。

1 立式沉降脫水罐的結(jié)構(gòu)和工作原理

溢流沉降罐作為石油天然氣行業(yè)的一種原油脫水裝置，主要用于外輸原油的脫水工藝［3］。其主體是常壓拱頂鋼制儲罐，輔助進(jìn)液分配、集油、集水及油水界面控制構(gòu)件［4］，采用靜水壓強(qiáng)原理進(jìn)行油水界面控制，利用水洗和重力沉降分離雙重作用，實現(xiàn)油水分離。油水混合物經(jīng)進(jìn)口管線經(jīng)配液管中心匯管和輻射狀配液管流入沉降罐底部的水層內(nèi)，經(jīng)過水洗作用后，水滴聚集沉降，由罐底部集水管上升進(jìn)入調(diào)節(jié)水箱內(nèi)經(jīng)U型管路由脫水立管排出；水洗后的原油上升到沉降罐集油槽的過程中，其含水率逐漸減小，沉降分離后的原油進(jìn)入集油槽后經(jīng)出油管去緩沖罐（圖1）。

油水界面的高低，由固定的油溢流堰板和溢水立管兩者的高差及油水密度決定。油水界面的高度、油面高度與溢水立管高度之間存在如下關(guān)系：

式中:hw—水層高度，m；

ho—油層高度，m；

hc—溢水立管高度，m；

ρo—操作溫度下，原油乳化液密度，kg/m3；

ρw—操作溫度下，水的密度，kg/m3；

hm—出水在平衡管內(nèi)的摩阻，m；

hf—平衡管上部涌水層厚度，m。

hw+ho是原油溢流堰板的高度，為一固定不變數(shù)值。hc的變化，將引起油層ho的變化。當(dāng)hc增大，hw變大；當(dāng) hc減小時，hw變小。為了使原油乳狀

液有一定的停留時間，應(yīng)使hc的高度適度。保證油層有一定的厚度，使油中的游離水能盡量多地沉降到沉降罐的底部。

圖1 溢流沉降脫水罐示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of dehydration overflow tank

2 確定合理的脫水溫度

2.1 確定原油脫水溫度優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

脫水沉降罐的整體運行費用包括用于建罐的固定資產(chǎn)投資和對來油加熱的熱力費用之和，優(yōu)化脫水溫度的目的就是降低原油脫水處理的費用。

式中：Ft—總的耗資，元；

FR—固定資產(chǎn)年金，元；

FP—總的消耗熱量對應(yīng)的現(xiàn)值，元。

2.1.1 固定資產(chǎn)年金求解

（1）溫度與粘度的關(guān)系

由油氣集輸及礦場加工中粘溫關(guān)系式［5］:

式中：μo—原油粘度,mPa·s；

t—溫度,℃；

Δo—15 ℃下，原油對同溫度水的相對密度。

（2）水滴的沉降速度

用Stokes公式表示分散水相在連續(xù)油相中的下沉速度和分散油相在連續(xù)水相中的上浮速度［6］，即：

式中：u—上浮（沉降）速度,m/s；

d2—分散相直徑，m；

μ2—連續(xù)相的粘度,mPa·s；

ρ1、ρ2—分別為分散相和連續(xù)相的密度,kg/m3；

g—重力加速度,m/s2。

水滴直徑隨原油粘度的增高而減小，由油氣集輸設(shè)計規(guī)范［3］表示：

式中：dw—水滴直徑，μm；

μo—原油粘度，mPa·s；

計算原油的相對密度：

式中：ρot—計算溫度t下的原油相對密度,kg/m3；

ρ15—15 ℃時的原油相對密度,kg/m3；

ξ—溫度系數(shù) ,可由GB1885-80石油密度溫度系數(shù)表中查得。

（3）計算出脫水沉降罐的脫水時間

式中：hw—水層厚度,m；

ho—油層厚度,m；

uwt—不同溫度下，水滴在油中的沉降速度,m/s；

uot—不同溫度下，油滴在水中的沉降速度,m/s。

（4）確定脫水沉降罐

式中：Q—流量，m3/a；

m—油罐個數(shù)，個，m≥2；

Tt—不同溫度下的脫水時間,h。

（5）年金計算

式中：P—貸款金額，元；

i—貸款利率,%；

n—折現(xiàn)時間，年。

2.1.2 脫水所消耗的熱量現(xiàn)值模型

式中：m—脫水罐的個數(shù),個；

c—乳狀液的比熱容，kJ/(kg·℃)；

Vs—脫水罐的容積,m3；

ρ—原油的密度，kg/m3；

Δt—溫差,℃；

Tt—不同溫度下的脫水時間，h；

y—熱能價格,yuan/kJ。

乳狀液的比熱容：

式中：ωw%—原油中的含水率，無量綱；

cw—水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

co—油的比熱容，kJ/(kg·℃)。

油品的比熱容co值：

式中：t—油品定性溫度，℃。

2.2 數(shù)學(xué)模型求解

正求解過程見圖2。

圖2 聯(lián)合站運行費用數(shù)學(xué)模型求解程序框圖Fig.2 The Union Station running costs of a mathematical model for solving the block diagram

3 算例

某聯(lián)合站的來液量為3 000 m3/d，Δo=860.1，ξ=0.000 782，來油溫度為35 ℃，原油含水率40%。建設(shè)2個2 000 m3的脫水沉降罐，罐內(nèi)水層高度4.5 m，罐內(nèi)液位高度為8.5 m，罐內(nèi)油層高度為4 m。脫水溫度為43 ℃。

（1）根據(jù)粘溫曲線確定最佳的脫水溫度范圍。經(jīng)實驗測定該地區(qū)的原油在不同溫度下的粘度，繪制粘溫曲線圖3。由圖可見，原油溫度達(dá)到35 ℃后，粘度急劇下降，粘溫性能變好。粘溫曲線在35～38 ℃附近出現(xiàn)拐點，此點所對應(yīng)的溫度即為理想的脫水溫度。低于此溫度區(qū)間，粘度大幅度增加。同時該曲線在 40 ℃后隨著溫度的增加，粘度的降低幵不顯著，根據(jù)Stokes沉降公式，對原油脫水速度的影響甚微。因此，原油的脫水溫度應(yīng)為40～45 ℃左右，可以認(rèn)為達(dá)到低溫脫水的概念。

圖3 原油粘溫曲線Fig.3 The crude oil viscosity-temperature curve

（2）將數(shù)據(jù)輸入 C++計算程序，輸出結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果Table 1 The calculation results

以上是有關(guān)最佳脫水溫度的計算問題。根據(jù)原油脫水的溫度、時間的等效關(guān)系，對不同沉降溫度和時間條件下的能耗進(jìn)行綜合分析對比，綜合判斷該地區(qū)的最佳脫水溫度為 40 ℃，此時的總費用最少。

4 結(jié) 論

通過建立固定投資和熱力費用為最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型，隨著溫度的升高，脫水時間減少，處理油罐的容積變小，熱力費用增加；求解得出在保證聯(lián)合站處理能力的情冴下，對聯(lián)合站的設(shè)計及運行的財政費用最小。綜合分析了算例立式沉降罐隨溫度變化的各個參數(shù)對整體運行費用的影響，以使理論研究結(jié)果對實際運行工冴有一定的指導(dǎo)借鑒作用，同時給聯(lián)合站的設(shè)計運行提供理論依據(jù)。

［1］吳明,楊順,等.高含水原油流變特性研究[J]. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,1999,12(3)：58-62.

［2］姜永明,吳明,等. 盤錦線原油粘溫特性及流變特性試驗研究[J]. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2011,31(2)：24-26.

［3］王春輝,王丼娜,等.長慶油田原油脫水站溢流沉降罐結(jié)構(gòu)的改造及效果[J].石油工程技術(shù),2011(5):55-56.

［4］李永軍,董雅丼,等.立式溢流沉降罐參數(shù)確定及脫水效果影響因素[J].油氣田地面工程,2012,31(2):46-48.

［5］中國石油天然氣集團(tuán)公司.油氣集輸設(shè)計規(guī)范 GB 50350-2005[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［6］鄧兵.降低撒南油田原油脫水溫度[J].油氣田工程,2003,22(4):27-28.

Study on Optimization of the Crude Oil Dehydration Temperature

GUAN Li1，HOU Wen-gang2，LIU De-jun1，ZHOU Zhi-qiang1，MEI Hong-lin3
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Xinjiang Oilfield Company Development Branch Company，Xinjiang Karamay 834000，China; 3. Liaohe Oilfield Company No.2 Construction Branch Company, Liaoning Panjin 124000, China）

Through study on the dehydration principle and process of crude oil in vertical settling tanks, combined with the structure features and parameters of the settlement period and washing section, Stokes formula was used to calculate the settling velocity of different droplet and setting time at different temperature. Then the volume of settling tank at different dehydration temperature was determined, the best mathematical model for fuel cost and investment was established, and the model was solved by C++ program. The solution was optimized by an example to determine the best dehydration temperature.

Vertical sedimentation tank; Dehydration temperature; Optimization calculation; Mathematical model

TE 821

A

1671-0460（2014）10-1962-03

2014-03-10

關(guān)麗（1989-），女，遼寧錦州人，在讀碩士研究生，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運專業(yè)，研究方向：主要從事原油脫水溫度優(yōu)化研究。E-mail：873643900@qq.com。

劉德俊（1967-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣集輸系統(tǒng)工藝技術(shù)及污水處理研究。