海上FPSO原油負壓閃蒸裝置設計

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(中海油研究總院，北京 100028)

海上FPSO原油負壓閃蒸裝置設計

劉向東，朱海山，周曉紅，劉云，郭欣，張倩

(中海油研究總院，北京 100028)

基于原油沸點實驗數(shù)據(jù)，采用常用工藝模擬軟件不同計算方法模擬原油閃點，與實驗室實測原油閃點對比發(fā)現(xiàn)，PRO/Ⅱ V9.4軟件采用API 2B7.1(2007)計算方法模擬原油閃點數(shù)據(jù)誤差最小，采用該軟件模擬原油負壓閃蒸工藝，誤差在10%范圍之內(nèi)，針對南海某FPSO，采用該工藝模擬軟件，并基于模擬參數(shù)對原油負壓閃蒸裝置進行設計，可滿足工藝要求。

原油；閃點；工藝模擬；計算方法；負壓閃蒸

原油發(fā)電機是海上油田開發(fā)常用的主電站類型之一，中海油在海上固定平臺及FPSO上已采用數(shù)十臺原油發(fā)電機作為主電站[1]。中國南海油田多為輕質原油，現(xiàn)已開發(fā)和正在開發(fā)的多個南海油田中，均出現(xiàn)自產(chǎn)原油閃點低于60 ℃的情況，如陸豐7-2、陸豐13-2、恩平24-2、惠州25-8、西江24-3、流花16-2等。這些油田因本油田伴生氣量不足，采用原油發(fā)電機作為主電站，經(jīng)濟效益更好[4]。發(fā)電機房內(nèi)環(huán)境溫度通常為45 ℃，在高溫運轉環(huán)境下，低閃點原油若發(fā)生揮發(fā)泄露極易發(fā)生閃爆，存在安全隱患，因此原油低閃點已成為主電站影響安全性的重要因素[2-6]。如何提高原油閃點已經(jīng)成為影響這些油田開發(fā)的關鍵因素。考慮采用工藝模擬軟件，對原油閃點及原油負壓閃蒸工藝進行模擬，并基于模擬數(shù)據(jù)對原油負壓閃蒸裝置真空泵機組進行設計。

1 原油發(fā)電機對燃油閃點的要求

CCS、DNV等船級社頒布的規(guī)范均對發(fā)電機所用燃料的閃點溫度有規(guī)定和限制。如CCS頒布《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》規(guī)定發(fā)電機原動機用的燃油閃點(閉口閃點)一般應不低于60 ℃，如有專門措施，其燃油的貯藏或使用處所環(huán)境溫度能限制在低于該燃油閃點10 ℃以下范圍內(nèi)時，允許使用閃點低于60 ℃但不低于43 ℃的燃油[7]。海上固定平臺安全規(guī)則也明確規(guī)定：內(nèi)燃機所使用柴油的閃點(閉口閃點)一般不低于60 ℃[8]。

因此海上平臺采用原油發(fā)電機作為主電站，通常要求原油閃點不低于60 ℃，若原油閃點低于60 ℃，則需對原油進一步處理，以提高原油閃點。

2 原油閃點工藝模擬

根據(jù)原油實沸點實驗數(shù)據(jù)模擬原油閃點，常用的工藝模擬軟件主要有HYSYS和PRO/Ⅱ。采用HYSYS軟件模擬原油閃點，需用調用Cold Properties公用模塊，計算方法選擇HYSYS API 1987；采用PRO/Ⅱ軟件模擬原油閃點，在物性計算方法中特性Flash Point Tem.(Closed Cup)對應的計算方法選擇API 2B7.1(1987)或者API 2B7.1(2007)。這2個模擬軟件模擬對比見表1。

根據(jù)以上對比發(fā)現(xiàn)，無論是HYSYS V8.6還是PRO/Ⅱ V9.4，模擬原油閃點采用方法API 2B7.1(1987)，模擬值與油品實驗測試值相比，誤差均較大，但PRO/Ⅱ V9.4模擬原油閃點若采用方法API 2B7.1(2007)，模擬值和實測值相比，誤差較小。

計算原油閃點，API 2B7.1(1987)公式如下。

1/T(FP)=-0.014 568+2.849 47/T1+

1.903×10-3×lnT1

式中：T(FP)為原油閃點溫度；T1為ASTM D86 10%對應溫度R。

計算原油閃點，API 2B7.1(2007)公式如下。

T(FP)= 0.357 7×(Tibt+T0.5%)- 119.1

式中：T(FP)為原油閃點溫度；Tibt為ASTM D86初鎦點溫度；T0.5%為ASTM D86 5%對應溫度。

表1 原油負壓閃蒸前后閃點模擬值和實測值對比

注：(1)工況1為閃蒸壓力為600 Pa，閃蒸溫度55 ℃；工況2閃蒸壓力度為900 Pa，閃蒸溫度為58 ℃；工況3閃蒸壓力為1 200 Pa，閃蒸溫度58 ℃；
(2)模擬誤差=[|模擬值-實測值|/實測值]×100%；
(3)軟件HYSYS V8.6，模擬原油閃點采用方法API 2B7.1(1987)；
(4)軟件PRO/Ⅱ V9.4計算方法1，模擬原油閃點采用方法API 2B7.1(1987)；
(5)軟件PRO/Ⅱ V9.4計算方法2，模擬原油閃點采用方法API 2B7.1(2007)。

API 2B7.1(2007)也提出，計算原油閃點關系式與ASTM D86 5%關聯(lián)，計算結果準確度更高。考慮到目前HYSYS軟件最新版本計算原油閃點仍采用API 2B7.1(1987)，計算原油閃點與實際值誤差較大，因此建議通過原油實沸點實驗數(shù)據(jù)模擬原油閃點值采用PRO/Ⅱ V9.4軟件，且計算方法采用API 2B7.1(2007)。

3 南海某油田原油負壓閃蒸裝置設計

理論分析、室內(nèi)中試試驗以及海上多個油田的實際應用表明，原油負壓閃蒸工藝是一種提高原油閃點的可行性方案[9]。另外真空技術在海上平臺及FPSO均有應用[10-11]。負壓閃蒸技術主要是利用真空及高溫下，輕組分(C2～C4)易揮發(fā)的特點，對低閃點原油進行真空脫氣處理，提高原油閃點。通過減壓和加熱的手段，使低閃點原油中的輕質組分迅速氣化，輕組分濃集于氣相，重組分濃集于液相，然后進行分離。

原油負壓閃蒸裝置工藝流程如圖1所示，在脫氣塔內(nèi)設置有加熱器，對低閃點原油進行加熱，并在脫氣塔氣相出口采用羅茨泵真空機組抽氣，使脫氣塔形成一定的真空度，低閃點原油中的輕組分在高溫和真空度的雙重作用下，從原油中揮發(fā)出來，并從脫氣塔頂拔出，處理后的原油則從脫氣塔底流出，經(jīng)冷卻后進入燃料油儲罐。在兩級羅茨泵之后設置真空冷凝撬，將增壓后的氣體冷凝至15 ℃后，再經(jīng)前級真空泵增壓后去往火炬系統(tǒng)。

圖1 原油負壓閃蒸裝置工藝流程

南海某油田負壓閃蒸前原油閃點18.2 ℃，因本油田自產(chǎn)伴生氣量較少，且二氧化碳和氮氣含量較高，不宜作為透平燃料，經(jīng)過經(jīng)濟比選，該油田FPSO采用原油發(fā)電機作為主電站。該油田共設置3臺原油電站，2用1備，耗油量約8 m3/h。為滿足原油發(fā)電機對原油閃點的要求，需設置2套原油負壓閃蒸裝置，對該油田原油進行負壓閃蒸處理，原油閃點合格后才可作為原油發(fā)電機燃料。單套原油負壓閃蒸裝置處理量為4 m3/h。

通過PRO/Ⅱ V9.4軟件模擬，該油田原油在不同真空度下負壓閃蒸，主要工藝參數(shù)見表2。

表2 不同真空度下原油負壓閃蒸裝置操作參數(shù)

注：各種工況下均按照合格原油8 m3/h，負壓閃蒸后合格原油閃點為65 ℃進行模擬；脫氣塔抽氣量為實際操作條件下氣量。

由表2可知，為滿足負壓閃蒸后原油閃點達到65 ℃的要求，隨著脫氣塔壓力降低，脫氣塔的抽氣量增加，但脫氣塔底加熱器功率降低，塔底出口合格原油溫度和脫氣塔氣相溫度也相應降低。

結合表2數(shù)據(jù)，進行真空泵組選型，常見的真空機組為羅茨真空機組，即采用羅茨泵和前級泵串聯(lián)組成真空機組。初步選取目前市場上應用較為成熟的ZJY-2500序列羅茨泵(抽速2 500 L/s)作為真空機組的大泵，每個序列配置1套真空機組，每套真空機組由1臺NC-630干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵組成，單序列最大抽速可達5 000 L/s，其中ZJY-2500A大羅茨泵配備變頻器，可通過變頻改變實際抽速，從而控制脫氣塔內(nèi)的真空度。

ZJY序列羅茨泵是通過一對相互作同步反向旋轉的8字形轉子實現(xiàn)抽氣功能，在工作時需要工作油，因此羅茨泵工作溫度不能太高，通常羅茨泵操作溫度不能超過100 ℃。ZJY-2500A和ZJY-1200A均屬于中真空泵，不能承受高壓差，必須配備螺桿泵才可使用[12]，只能作為提高真空度和抽氣量的輔助泵。壓差過大會導致電機損壞，為防止羅茨泵進出口壓差過大，羅茨泵一般均安裝有溢流閥， ZJY-2500A和ZJY-1200A羅茨泵的閥控壓差均為2 700 Pa。

干式螺桿真空泵可承受大壓差，能耐受相對較高的溫度，但不宜超過150 ℃，盡管干式螺桿泵可承受大壓差，相對較高溫度，但是實際抽氣量較小，對于抽氣量較大的真空機組，通常需要和大抽氣量羅茨泵組合使用。

結合該油田原油負壓閃蒸裝置，針對脫氣塔壓力為2.1 kPa工況分析真空機組各真空泵運行參數(shù),見表3。

表3 真空機組運行參數(shù)

由表3可知，羅茨泵前后壓差控制在2 kPa，操作溫度控制在低于100 ℃，各級羅茨真空泵的抽氣量均低于名義抽氣量；干式螺桿泵最高溫度低于150 ℃，真空機組選型能滿足該工況要求。

4 原油負壓閃蒸中試試驗

利用該油田原油，在室內(nèi)中試裝置進行中試試驗，并通過PRO/Ⅱ V9.4軟件模擬原油負壓閃蒸這一過程，中試試驗測試結果和原油負壓閃蒸軟件模擬結果對比見表4。

表4 中試試驗裝置和軟件模擬結果對比

由表4可見，在同樣的參數(shù)條件下，中試試驗裝置實測原油閃點數(shù)據(jù)和軟件模擬原油閃點數(shù)據(jù)非常接近，誤差在10%之內(nèi)，充分表明模擬軟件PRO/Ⅱ V9.4軟件在模擬原油負壓閃蒸過程精度較高，能滿足工程設計的要求。

5 結論

1)通過對比實測數(shù)據(jù)，相比HYSYS模擬軟件，采用PRO/Ⅱ V9.4軟件(API 2B7.1(2007)計算方法)模擬原油閃點及原油負壓閃蒸工藝過程，其誤差更小(小于10%)。推薦采用PRO/Ⅱ V9.4軟件(API 2B7.1(2007)計算方法)模擬原油閃點及原油負壓閃蒸工藝過程。

2)針對南海某油田原油負壓閃蒸裝置，真空機組選擇1臺NC-630干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵的真空機組，可滿足工藝要求。

3)建議結合工藝模擬軟件模擬結果，進一步優(yōu)化原油負壓閃蒸工藝參數(shù)。

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Design of Offshore Crude Oil Vacuum Flash Evaporation Process for FPSO

LIUXiang-dong,ZHUHai-shan,ZHOUXiao-hong,LIUYun,GUOXin,ZHANGQian

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Based on the experimental data of crude oil TBP, different method of process simulation software was used to simulate the crude oil flash point. Comparing to the experimental data, it was shown that PRO/ II V9.4 software by API 2B7.1 (2007) calculation method has minimum calculated deviation within 10%. Based on the above simulation process, the process of a Nanhai FPSO crude oil vacuum flash evaporation was simulated to designe the flash equipment based on the simulation parameters, which can meet the requirements of process.

crude oil; flash point; process simulation; calculation method; vacuum flash evaporation

U674.38;TE868

A

1671-7953(2017)05-0102-04

2017-01-17

修回日期：2017-02-20

劉向東(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋石油工程工藝設計