用動態(tài)模擬技術(shù)進(jìn)行油氣田工藝處理系統(tǒng)開停工方案的研究

郭洲

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

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用動態(tài)模擬技術(shù)進(jìn)行油氣田工藝處理系統(tǒng)開停工方案的研究

郭洲

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300451)

摘要：石油天然氣開采過程中油氣處理系統(tǒng)投產(chǎn)運(yùn)行和系統(tǒng)關(guān)停過程的研究是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要組成部分。針對非穩(wěn)態(tài)工藝過程，如系統(tǒng)的開停工等，則必須借助動態(tài)模擬軟件、仿真模擬技術(shù)來進(jìn)行研究。通過采用Hysys軟件的動態(tài)模擬系統(tǒng)對油氣田處理工藝系統(tǒng)的開停工過程進(jìn)行動態(tài)研究分析，確定了一種系統(tǒng)開停工的方案，對現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：開停工動態(tài)模擬油氣田工藝

本文針對海上某生產(chǎn)平臺原油處理系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行開停工的操作過程研究，該系統(tǒng)主要流程： 來自不同油井的原油混合后首先進(jìn)入進(jìn)口換熱器進(jìn)行加熱，隨后進(jìn)入一級分離器進(jìn)行初步油氣水分離，分離出的含水原油經(jīng)下一級加熱器繼續(xù)加熱后進(jìn)入二級分離器進(jìn)行進(jìn)一步的脫水和脫氣穩(wěn)定處理，最后通過進(jìn)口的換熱器被原料冷卻后進(jìn)行外輸。

1研究意義和目的

裝置開停工過程研究是設(shè)計(jì)過程的重要組成部分，直接影響裝置的生產(chǎn)安全和開停工運(yùn)行周期，新工藝、新流程的開停工方案的合理與否，直接影響裝置能否一次開車成功。因而通過使用動態(tài)模擬仿真技術(shù)軟件，開展對開停工方案的研究，可以解決穩(wěn)態(tài)模擬軟件不可能解決的問題： 研究和掌握生產(chǎn)裝置的操作特性，尤其是開停工的操作特性；控制方案的評估和控制閥尺寸的校驗(yàn)；開停工方案的制訂和評估。

更重要的是： 通過使用動態(tài)模擬軟件，可以使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段就能了解和掌握該工藝流程裝置的設(shè)計(jì)合理性以及操作性能，完成開停工方案的制訂和研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決流程在控制方案、閥門尺寸及開停工方案方面的問題，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，縮短開停工運(yùn)行周期，進(jìn)而對現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)起到有效的指導(dǎo)作用[1-2]。

2工藝處理系統(tǒng)動態(tài)建模和調(diào)整

2.1動態(tài)模型的建立

動態(tài)模型建立的主要步驟： 穩(wěn)態(tài)模型的建立、設(shè)備和閥門的設(shè)定、安裝PID控制單元以及邊界條件的處理等。設(shè)備的初始化完成后即可進(jìn)入動態(tài)模擬環(huán)境，將穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)化為動態(tài)模型進(jìn)行動態(tài)研究分析。

圖1　油處理系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型示意

某油田建立的穩(wěn)態(tài)工藝處理系統(tǒng)模型如圖1所示。待穩(wěn)態(tài)模型收斂后，進(jìn)入動態(tài)模擬環(huán)境，Hysys軟件將其自動轉(zhuǎn)化為動態(tài)模型。

2.2動態(tài)模型的調(diào)整

動態(tài)模型的調(diào)整主要指： 根據(jù)流程需要對整個(gè)系統(tǒng)的主要工藝變量進(jìn)行控制方案的研究、PID控制器的整定、設(shè)備和閥門尺寸的動態(tài)評估等。調(diào)整后的該油田動態(tài)模型如圖2所示。調(diào)整的步驟和方法如下：

1) 對PID控制器參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定。

2) 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)條件安裝干擾源，模擬實(shí)際生產(chǎn)條件。

圖2　油處理系統(tǒng)動態(tài)模型示意

3) 運(yùn)行動態(tài)模型，啟動干擾，研究控制方案是否合理、控制閥尺寸的選擇是否正確，根據(jù)研究結(jié)果對控制方案進(jìn)行調(diào)整。

3系統(tǒng)開工停工過程分析

3.1系統(tǒng)開工過程分析

3.1.1開工過程

動態(tài)模型調(diào)整完畢后，首先利用事件管理器按開工方案建立開工時(shí)序，按照實(shí)際需求找出關(guān)鍵運(yùn)行變量，制訂觀察模型運(yùn)行的趨勢圖，啟動動態(tài)模型。待模型運(yùn)行平穩(wěn)后，通過事件管理器啟動裝置開工順序。開工的初始狀態(tài)： 系統(tǒng)為常壓、常溫；介質(zhì)為氮?dú)狻Ｑb置開工順序設(shè)定如下：

1) 將各分離器的壓力控制器、油位控制器、水位控制器置為自動，逐漸打開進(jìn)料閥門至開度到達(dá)生產(chǎn)位置(即開井)。

2) 啟動外輸油泵P-100，將溫度控制器TIC-2置為自動。

以上兩個(gè)步驟的時(shí)間間隔應(yīng)通過開工過程研究來確定。

3.1.2外輸油泵啟動時(shí)間的確定

裝置開工時(shí)，由于系統(tǒng)充滿氮?dú)猓枰粲幸欢ǖ呐艢鈺r(shí)間，通過動態(tài)模型可以準(zhǔn)確計(jì)算出這段時(shí)間。外輸油泵入口氣體氣化率逐漸降為0的趨勢如圖3所示。

圖3　外輸泵入口氣化率為0的時(shí)間變化

由圖3可以看出，在6144min時(shí)，原料閥門打開，在6182min時(shí)，泵入口氣化率變?yōu)?，因而外輸油泵需在裝置啟動38min后開啟。但外輸油泵又不能啟動過遲，裝置開車52min后啟動，否則造成二級分離器冒頂，開車失敗。

根據(jù)動態(tài)模擬結(jié)果，外輸油泵應(yīng)在裝置開車后38～52min啟動。當(dāng)外輸油泵在裝置開車44min后啟動，裝置開車成功，開車過程運(yùn)行趨勢如圖4所示。

圖4　開車44min后啟動油泵的模擬效果

3.1.3進(jìn)料流量控制器的設(shè)定

進(jìn)料流量控制器的設(shè)定主要是控制進(jìn)料流量的開啟速度，流量增加太快，容易造成二級分離器油位冒頂，流量增加過慢，會延長開工時(shí)間。

進(jìn)料控制器設(shè)定為KP=1,TI=20min時(shí)，進(jìn)料開啟過快，造成二級分離器V-2002油相液位冒頂，氣相出口跑油，開車失敗。經(jīng)過動態(tài)模型調(diào)試，最后確定正確的開工方案：

1) 將各分離器的壓力控制器、油位控制器、水位控制器置為自動，將油井來料流量PID控制器設(shè)為KP=0.5,TI=30min。

2) 和步驟1)間隔44min后啟動油泵P-100，然后將溫度控制器TIC-2置為自動。

3.1.4開工過程分析及結(jié)論

1) 系統(tǒng)壓力穩(wěn)定時(shí)間。一級分離器(V-2001)需60min，二級分離器(V-2002)需40min。

2) 液位穩(wěn)定時(shí)間。V-2001油相需3h，水相需4h；V-2002油相需2h，水相需4h。

3) 流量穩(wěn)定時(shí)間。總進(jìn)料(3號物流)需380min；V-2002氣相需170min；V-2002油相需480min。

3.2系統(tǒng)停車過程分析

3.2.1裝置停車過程序列

1) 打開氮?dú)忾y門，關(guān)閉進(jìn)料閥。

2) 關(guān)斷V-2002進(jìn)料加熱器，將V-2001，V-2002油、水出口閥置為全開，關(guān)斷油泵，V-2002 油出口轉(zhuǎn)為放空油槽。

3) 關(guān)閉氮?dú)猓琕-2001氣相出口轉(zhuǎn)為系統(tǒng)放空。

4) 關(guān)閉裝置所有閥門，使裝置處于封閉狀態(tài)。

3.2.2分離器液體排放控制閥的確定

各級分離器的液體排放控制閥的選擇除了考慮正常生產(chǎn)工況外，還要考慮系統(tǒng)停車排放的要求，本文只以V-2001生產(chǎn)水排放閥的選擇為例進(jìn)行說明。只考慮正常生產(chǎn)工況，V-2001生產(chǎn)水排放閥VLV-101的CV取25即可滿足要求，正常生產(chǎn)時(shí)閥門開度為50%。通過動態(tài)模擬停車過程可計(jì)算出V-2001的液體排放時(shí)間為103min。將VLV-101的口徑增大，CV改為100，V-2001的液體排放時(shí)間縮短到38min。由此可知，正確選擇放空閥的口徑，可以縮短系統(tǒng)停車操作時(shí)間，降低氮?dú)獾南摹?/p>

3.2.3氮?dú)怅P(guān)斷時(shí)間的確定

裝置停車過程需要大量的氮?dú)猓绻獨(dú)怅P(guān)斷過早，裝置各容器內(nèi)的液體就不能排放干凈；如果氮?dú)怅P(guān)斷過晚，就會造成不必要的氮?dú)饫速M(fèi)。通過動態(tài)模擬停車過程，可以找出系統(tǒng)內(nèi)液體排放最慢的設(shè)備，當(dāng)該設(shè)備排放干凈時(shí)，氮?dú)饧纯申P(guān)斷。裝置內(nèi)液體排放最慢的設(shè)備是V-2001，其油位排放完畢的時(shí)間是38min，因而氮?dú)庠谘b置停車操作后40min時(shí)關(guān)斷。

4結(jié)論

1) 通過動態(tài)研究可以定量分析系統(tǒng)開停工過程的操作規(guī)律，研究和確定開、停工操作時(shí)序，準(zhǔn)確定義每個(gè)過程的操作時(shí)間，最終制訂高效、安全的開停工方案。

2) 通過系統(tǒng)開停工過程及動態(tài)研究分析，可以研究開停工過程中主要工藝變量(溫度、壓力、液位及流量)隨著時(shí)間的變化趨勢。根據(jù)這些工藝變量的變化趨勢，可以確定合理的工藝參數(shù)，為相關(guān)儀表閥門的選型奠定良好的基礎(chǔ)，可以避免今后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定某些變量的高低報(bào)警值等。

3) 通過動態(tài)模型研究裝置的開停工方案可大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開停工周期，提高操作安全可靠性，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

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稿件收到日期： 2014-12-04。

Scheme Study of Start-up &Shutdown of Oil & Gas Oilfield Processing System

with Dynamic Simulation Technology

Guo Zhou

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China)

Abstract：The research on initial start-up and shutdown of oil and gas treatment processing system is one very important part in system design in petroleum natural gas exploitation process. The research has to be conducted under the support of dynamic simulation software and analogue simulation technology for non-steady process as process system initial start-up and shutdown. The initial start-up and shutdown process in oil and gas treatment processing system is analyzed with dynamic function of Hysys software. One scheme for system start-up and shutdown is finalized. It provides effective guidance to on-site actual production.

Key words：start-up&shutdown; dynamic simulation; oil and gas treatment process

作者簡介：郭洲(1980—)，男，湖北荊州人，2004年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)油氣儲運(yùn)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于海洋石油股份有限公司設(shè)計(jì)公司，從事海洋平臺油氣處理工藝設(shè)計(jì)工作，任工程師。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0028-03