凝析油穩(wěn)定裝置模擬與優(yōu)化

田文爽，白朋翔，李欣，孟碩

（中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心，天津 300457）

天然氣中部分較重的烴類在油層的高溫、高壓條件下呈氣體狀態(tài)，由于采氣時(shí)其壓力和溫度降低到與地面相同，這些較重的烴類從天然氣中凝析而出，成為凝析油[1]。凝析油在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中，容易產(chǎn)生油氣揮發(fā)損失，不僅危害環(huán)境，也是能源的極大浪費(fèi)，因此對(duì)于凝析油的穩(wěn)定處理不論對(duì)于環(huán)境保護(hù)還是對(duì)于油氣資源回收利用都具有極其重要的意義，也是凝析油在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中的安全保障[2]。

隨著油氣田勘探開發(fā)的不斷深入和擴(kuò)展，氣田集中處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件與實(shí)際運(yùn)行工況往往存在一定差距。因此，需對(duì)裝置運(yùn)行情況進(jìn)行全面分析研究，準(zhǔn)確把握裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀，優(yōu)化操作參數(shù)，避免各種事故發(fā)生及能源浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，建立工藝計(jì)算模型，探討處理廠重要裝置的適應(yīng)性，并對(duì)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)、關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可為處理廠平穩(wěn)高效運(yùn)行提供重要依據(jù)[3]。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.1 流程簡(jiǎn)介

某氣田終端處理廠凝析油穩(wěn)定單元采用提餾工藝對(duì)凝析油進(jìn)行處理，為回收利用閃蒸氣，在凝析油穩(wěn)定單元設(shè)置一臺(tái)閃蒸氣壓縮機(jī)。上岸預(yù)處理單元分離的凝液經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)凝析油一級(jí)閃蒸分離器（V-1201）進(jìn)行分離，氣相進(jìn)閃蒸氣壓縮機(jī)（C-1201）三級(jí)入口，液相節(jié)流到1.15 MPa，經(jīng)凝析油進(jìn)料換熱器（E-1201）換熱升溫到55℃后進(jìn)凝析油二級(jí)閃蒸分離器（V-1202）進(jìn)一步氣液分離，其中氣相進(jìn)入閃蒸氣壓縮機(jī)二級(jí)入口。

二級(jí)閃蒸分離器分離出的液相分為兩部分，一部分節(jié)流至0.45 MPa，52.55℃后，在進(jìn)塔換熱器（E-1202）與穩(wěn)定塔底重沸器（E-1203）來(lái)的凝析油換熱升溫至129℃后進(jìn)入凝析油穩(wěn)定塔（T-1201）中部；另一部分節(jié)流至0.4 MPa，直接進(jìn)入穩(wěn)定塔頂部。塔頂氣進(jìn)入閃蒸氣壓縮機(jī)一級(jí)入口。凝析油穩(wěn)定塔底的穩(wěn)定凝析油，經(jīng)進(jìn)塔換熱器、進(jìn)料換熱器及凝析油冷卻器（E-1204）冷卻后進(jìn)穩(wěn)定凝析油儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 凝析油穩(wěn)定裝置工藝流程

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀

終端處理廠投入運(yùn)營(yíng)后，裝置進(jìn)料流量、組成等與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比均發(fā)生了變化，凝析油穩(wěn)定單元處理規(guī)模為145 m3/h，實(shí)際單元進(jìn)料流量約82 m3/h，負(fù)荷約為設(shè)計(jì)值的57%。但實(shí)際操作過(guò)程中，部分設(shè)備已達(dá)到滿負(fù)荷，裝置運(yùn)行有待優(yōu)化。

為對(duì)比裝置實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值的偏差，分析裝置運(yùn)行問(wèn)題，對(duì)凝析油穩(wěn)定單元進(jìn)料取樣化驗(yàn)，設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 凝析油穩(wěn)定單元進(jìn)料組分對(duì)比

續(xù)表

通過(guò)進(jìn)料組分化驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到實(shí)際進(jìn)料的餾程，并與凝析油單元設(shè)計(jì)進(jìn)料餾程進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

受裝置進(jìn)料組成、溫度、壓力變化影響，裝置主要操作參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值存在一定差異，對(duì)比如表2所示。

圖2 凝析油進(jìn)料設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)組分餾程曲線（D86）

1.3 存在問(wèn)題及分析

由于進(jìn)料組分及溫度的變化，各級(jí)分離出的氣相流量相對(duì)于設(shè)計(jì)值均產(chǎn)生了一定偏差。由圖2進(jìn)料餾程曲線可知，裝置實(shí)際進(jìn)料輕端組分相對(duì)于設(shè)計(jì)值偏重，理論上一級(jí)、二級(jí)閃蒸出的輕組分量相對(duì)于設(shè)計(jì)條件將會(huì)降低。同時(shí)，受上岸氣條件影響，一級(jí)、二級(jí)分離器進(jìn)料溫度均低于設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步降低了閃蒸氣流量，導(dǎo)致閃蒸氣壓縮機(jī)二級(jí)、三級(jí)負(fù)荷不滿，在低溫工況下尤其嚴(yán)重，與閃蒸氣壓縮機(jī)三級(jí)、二級(jí)負(fù)荷偏低的實(shí)際情況相匹配；在40%餾程處，設(shè)計(jì)條件和實(shí)際值接近，即輕組分大量在凝析油穩(wěn)定塔餾出，因此穩(wěn)定塔實(shí)際負(fù)荷高于設(shè)計(jì)值，壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣量顯著增大，率先達(dá)到滿負(fù)荷（如表2所示），與閃蒸氣壓縮機(jī)一級(jí)負(fù)荷偏高、多次造成閃蒸氣放空的實(shí)際情況相符。

表2 裝置主要操作參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值對(duì)比

此外，裝置部分操作參數(shù)未根據(jù)進(jìn)料情況及時(shí)調(diào)整，仍采用設(shè)計(jì)工況設(shè)定值，比較典型的是在當(dāng)前裝置進(jìn)料未達(dá)到滿負(fù)荷的情況下，穩(wěn)定塔頂進(jìn)料與滿負(fù)荷工況設(shè)定值一致，控制在46.9 m3/h（約340 kmol/h）。由于塔頂進(jìn)料為冷進(jìn)料，進(jìn)料量偏大變相增大了回流比，導(dǎo)致穩(wěn)定塔底再沸器負(fù)荷相應(yīng)提高，產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)剩。

為適應(yīng)上述新工況，應(yīng)重新平衡壓縮機(jī)三級(jí)負(fù)荷，提高一級(jí)、二級(jí)閃蒸分離器閃蒸出的組分，同時(shí)減少產(chǎn)品指標(biāo)過(guò)剩程度，降低凝析油穩(wěn)定塔頂氣相負(fù)荷。凝析油穩(wěn)定單元一級(jí)、二級(jí)閃蒸分離器的進(jìn)料溫度、壓力控制對(duì)于調(diào)節(jié)閃蒸氣壓縮機(jī)三級(jí)負(fù)荷分配有重要作用。在閃蒸分離器操作方面，可以適當(dāng)提高操作溫度或降低操作壓力，為了避免對(duì)閃蒸氣壓縮機(jī)的影響，優(yōu)先對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整。從換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度，可在裝置內(nèi)尋找熱源對(duì)進(jìn)料進(jìn)行加熱。在凝析油穩(wěn)定塔操作方面，塔頂和塔中間冷、熱兩股進(jìn)料合理分配對(duì)塔底再沸器負(fù)荷及塔頂氣相流量起重要作用，應(yīng)對(duì)不同進(jìn)料比例進(jìn)行工況分析，以選擇適宜的操作參數(shù)。

2 流程模擬及優(yōu)化

2.1 模型建立

Aspen HYSYS是廣泛應(yīng)用于油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)等領(lǐng)域的過(guò)程模擬軟件，提供了功能強(qiáng)大的物性計(jì)算包。數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確度取決于物性方程的選取是否合適，從而影響到工藝計(jì)算的精準(zhǔn)度。對(duì)于石油煉制、氣體加工和石油化工過(guò)程，PR狀態(tài)方程是通常推薦的物性方法，HYSYS軟件對(duì)該方程進(jìn)行了強(qiáng)化，可嚴(yán)格處理大多數(shù)單相、兩相和三相體系，且處理效率高，計(jì)算結(jié)果可靠[4]。采用該物性方法，結(jié)合表2中裝置的實(shí)際操作參數(shù)建立凝析油穩(wěn)定單元模型。

2.2 換熱流程優(yōu)化

在當(dāng)前換熱流程下，凝析油穩(wěn)定塔底產(chǎn)品經(jīng)兩級(jí)換熱后溫度為88℃，直接被循環(huán)水冷卻后進(jìn)入儲(chǔ)罐，仍有一定量的低品位熱能未回收，存在一定的能量浪費(fèi)。可以通過(guò)增加一級(jí)閃蒸分離器前預(yù)熱器EN-01（BES-800-0.8/3.6-160-4/19-2 II），利用凝析油穩(wěn)定塔底產(chǎn)品經(jīng)兩級(jí)換熱后的余熱對(duì)一級(jí)閃蒸分離器進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，回收低溫?zé)岬耐瑫r(shí)可以提高一級(jí)閃蒸分離器氣相流量，對(duì)平衡閃蒸氣壓縮機(jī)負(fù)荷起到積極作用；另外，可以提高凝析油穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度，降低凝析油穩(wěn)定塔底再沸器負(fù)荷及凝析油冷卻器冷卻負(fù)荷。調(diào)整換熱后裝置流程如圖3所示，凝析油進(jìn)一級(jí)、二級(jí)閃蒸分離器、凝析油穩(wěn)定塔溫度有所提高，優(yōu)化后裝置主要操作參數(shù)如表3所示。

圖3 優(yōu)化換熱后流程

表3 調(diào)整換熱后裝置主要操作參數(shù)

由于原有換熱器換熱溫差產(chǎn)生變化，換熱器負(fù)荷及閃蒸氣壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)氣量均有所變化，如表4所示。

2.3 進(jìn)料操作優(yōu)化

進(jìn)料調(diào)整對(duì)穩(wěn)定凝析油飽和蒸汽壓及塔底再沸器負(fù)荷均會(huì)產(chǎn)生影響，穩(wěn)定塔頂和穩(wěn)定塔中間進(jìn)料合理分配有利于裝置適應(yīng)現(xiàn)有工況，調(diào)整塔頂氣相流量的同時(shí)降低能耗。保持進(jìn)料溫度不變，調(diào)整塔頂、塔中進(jìn)料比例，利用Aspen HYSYS進(jìn)行工況分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。塔頂冷進(jìn)料流量越大，塔底穩(wěn)定凝析油飽和蒸汽壓越低，產(chǎn)品穩(wěn)定性越高，但再沸器負(fù)荷同時(shí)上升。隨著塔頂進(jìn)料流量增大，產(chǎn)品飽和蒸汽壓下降速度變慢，再沸器負(fù)荷則呈線性增長(zhǎng)。

結(jié)合圖4曲線，可知隨塔頂進(jìn)料量增加，產(chǎn)品穩(wěn)定性提高速度遠(yuǎn)小于再沸器負(fù)荷增加速度，提高塔頂進(jìn)料量以提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的經(jīng)濟(jì)效益變得越來(lái)越差。因此，在保證產(chǎn)品指標(biāo)（50℃儲(chǔ)存溫度下飽和蒸汽壓不高于69 kPa）前提下適當(dāng)降低塔頂進(jìn)料流量對(duì)降低塔頂氣相流量及再沸器負(fù)荷有明顯效果。

表4 調(diào)整換熱后裝置主要設(shè)備負(fù)荷變化

2.4 優(yōu)化效果

新增換熱器對(duì)進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱后，增加了對(duì)進(jìn)料溫度的控制手段，優(yōu)化換熱后閃蒸氣壓縮機(jī)各級(jí)負(fù)荷分配趨于合理，運(yùn)行更加平穩(wěn)，延長(zhǎng)了裝置穩(wěn)定運(yùn)行周期。換熱流程調(diào)整后回收了裝置余熱，提高了一級(jí)、二級(jí)閃蒸分離器分離出的氣相流量和穩(wěn)定塔進(jìn)料溫度，降低了塔底再沸器負(fù)荷，數(shù)據(jù)見表4。

控制穩(wěn)定塔頂、塔中段進(jìn)料比例，當(dāng)塔頂進(jìn)料流量降低至250 kmol/h（約34.5 m3/h）時(shí)，能夠進(jìn)一步降低塔頂氣相流量，避免閃蒸氣壓縮機(jī)放空。此時(shí)塔底產(chǎn)品在50℃儲(chǔ)存溫度下飽和蒸氣壓約為65.6 kPa，仍能滿足穩(wěn)定塔底凝析油產(chǎn)品指標(biāo)，且有一定余量。

穩(wěn)定塔底再沸器熱源為導(dǎo)熱油爐，按年運(yùn)行8 400 h計(jì)算，換熱流程優(yōu)化預(yù)計(jì)每年可降低導(dǎo)熱油爐燃料氣消耗32.5萬(wàn)m3。進(jìn)料操作優(yōu)化預(yù)計(jì)每年可降低導(dǎo)熱油爐燃料氣消耗21.3萬(wàn)m3。可節(jié)能653.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤，經(jīng)濟(jì)效益約151萬(wàn)元。

3 結(jié)論

采用流程模擬技術(shù)建立了凝析油穩(wěn)定單元工藝模型，預(yù)測(cè)操作參數(shù)改變產(chǎn)生的效果，將計(jì)算結(jié)果作為裝置操作參數(shù)調(diào)整的參考，優(yōu)化操作參數(shù)后使裝置操作更加適應(yīng)實(shí)際工況，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)換熱流程優(yōu)化和進(jìn)料操作優(yōu)化，避免了凝析油穩(wěn)定單元閃蒸氣放空，使閃蒸氣壓縮機(jī)三級(jí)負(fù)荷分配更加合理。在保證產(chǎn)品指標(biāo)的前提下，回收了裝置內(nèi)的工藝余熱，降低了裝置能耗和排放。

考慮到模擬計(jì)算過(guò)程中模型誤差的存在以及實(shí)際工況的變化，如上岸氣、液相組分波動(dòng)、天氣變化、處理規(guī)模等因素的影響，最佳操作參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生變化。該次優(yōu)化給出當(dāng)前工況下較優(yōu)的操作參數(shù)，實(shí)際操作中應(yīng)當(dāng)以模型計(jì)算所得的工況分析趨勢(shì)為指導(dǎo)，結(jié)合化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)逐步調(diào)整操作參數(shù)，同時(shí)產(chǎn)品控制指標(biāo)應(yīng)留有適當(dāng)余量。