輕質(zhì)原油脫水加熱工藝優(yōu)化研究

郭長會(huì) 辛迎春 （中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司）

隨著油田開發(fā)，采出液原油含水率增加，采出液產(chǎn)量不斷上升，油田地面系統(tǒng)普遍存在著脫水能力不足、原油集輸與處理系統(tǒng)運(yùn)行效率下降以及處理成本增加等問題。

原油脫水是聯(lián)合站原油處理中的重要工藝環(huán)節(jié)，工藝的合理性直接影響到運(yùn)行成本和能耗的高低，以及給管理是否帶來方便[1-2]。重力沉降脫水是目前應(yīng)用最為廣泛的脫水工藝，三相分離器和沉降罐是重要的脫水設(shè)備。重力沉降利用油水密度的差異，實(shí)現(xiàn)油水分離，受到原油密度、黏度、脫水溫度、脫水藥劑以及沉降脫水時(shí)間等的影響[3-4]。為了達(dá)到較好的重力沉降效果，對含水原油進(jìn)行加熱升溫，增大油水的密度差，可以提高原油的沉降脫水效率；此外，需要在三相分離器入口添加破乳劑，降低原油的乳化程度，提高原油的沉降脫水效率。

含水原油加熱升溫能耗是油田生產(chǎn)中的主要能耗之一[5]。加熱過程消耗了大量的燃油和伴生氣，同時(shí)，排放了大量的硫化物和氮氧化物，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[6-7]。而增熱型熱泵能夠利用少量的高溫?zé)崮馨训蜏責(zé)嵩吹臒崮芴嵘娇梢岳玫臏囟龋岣邿崮艿睦眯省Ｔ鰺嵝蜔岜梅譃殡婒?qū)壓縮式熱泵和燃驅(qū)直熱式熱泵[8-9]。電驅(qū)壓縮式熱泵以R134A等作為制冷劑，利用電能為動(dòng)力，制冷劑在低壓下蒸發(fā)，吸收空氣、水等低溫?zé)嵩吹臒崃浚粔嚎s機(jī)吸入并壓縮為高壓蒸汽后排至換熱器，實(shí)現(xiàn)熱能的利用。燃驅(qū)直熱式熱泵多為溴化鋰直燃吸收式熱泵，是以溴化鋰為吸收劑，以燃?xì)鉃閯?dòng)力源，以水為低溫?zé)嵩矗ㄟ^水在低壓下蒸發(fā)吸熱而進(jìn)行制熱。電驅(qū)壓縮式熱泵無煙氣排放，但是以電為動(dòng)力，運(yùn)行費(fèi)用較高；溴化鋰直燃吸收式熱泵需要有足夠的伴生氣為熱泵提供動(dòng)力，有足夠的污水作為低溫?zé)嵩矗\(yùn)行費(fèi)用較低、效益較好，但是運(yùn)行中有煙氣排放[10]。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

某油田聯(lián)合站原油密度為850 kg/m3（20 ℃），黏度為29.4 mPa·s（50 ℃），為輕質(zhì)原油，天然氣密度為0.72 kg/m3。原油處理負(fù)荷447 t/d，來液含水率為87 %，來液溫度為40℃左右。目前采用預(yù)分水器分水、三相分離器脫水和儲(chǔ)罐貯存的工藝，原油處理系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 原油處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process of crude oil treatment system

預(yù)分水器將來液綜合含水率降低到78.3 %，三相分離器進(jìn)行油氣水的分離，將原油含水率降低到3 %左右后，在油罐內(nèi)沉降和儲(chǔ)存，含水率降低到1 %后通過船舶定期外輸，裝船周期一般為6～8 d。三相分離器和油罐內(nèi)部設(shè)有加熱盤管，利用站內(nèi)鍋爐蒸汽加熱來液。三相分離器的運(yùn)行溫度為50 ～52 ℃。 油氣處理和儲(chǔ)存設(shè)備主要有2臺(tái)? 3 000 mm×10 200 mm 預(yù)分水器、 4 臺(tái)? 3 000 mm×10 200 mm 三相分離器、2 座5 000 m3外浮頂罐、1 座5 000 m3拱頂罐、3 座3 000 m3拱頂罐。2 臺(tái)預(yù)分水器并聯(lián)運(yùn)行，4 臺(tái)三相分離器并聯(lián)運(yùn)行，2 座外浮頂罐和4 座拱頂罐采用進(jìn)罐—沉降—外輸?shù)倪\(yùn)行模式。

由于來液溫度為40 ℃左右，蘊(yùn)含較為豐富的熱能資源；同時(shí)，污水站采用微生物處理技術(shù)，需要將污水溫度降低到35 ℃以下。為了節(jié)能降耗，擬采用熱泵產(chǎn)生的熱水作為供熱介質(zhì)代替鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，為三相分離器和儲(chǔ)罐供熱。現(xiàn)有供熱系統(tǒng)最大供熱負(fù)荷為1.77 MW 左右，熱泵供熱能力按照1.80 MW 選取。站場有足夠的伴生天然氣，而且有充足的污水熱源，因此采用溴化鋰直燃吸收式熱泵，低溫?zé)嵩礊槲鬯邷責(zé)嵩礊樘烊粴馊紵蟮臒煔猓诟邷責(zé)嵩吹尿?qū)動(dòng)下，溴化鋰溶液通過低溫?fù)Q熱器吸收污水的熱能，然后通過高溫?fù)Q熱器將熱能傳遞給高溫循環(huán)水。高溫循環(huán)水進(jìn)入原油換熱器，與原油換熱，實(shí)現(xiàn)對原油的加熱。為了降低腐蝕性，循環(huán)水采用去離子水。污水在換熱降溫后，進(jìn)入污水處理站進(jìn)一步處理。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，熱泵COP（能效比）取1.6。

由于制熱效率和工作原理的限制，熱泵供熱溫度較低。根據(jù)測算，供水溫度為85 ℃，回水溫度為70 ℃。由于供熱介質(zhì)溫度低于目前120 ℃蒸汽的溫度，因此三相分離器的升溫能力降低，需要對油氣處理流程進(jìn)行改造，增加換熱器及其配套流程。

2 改造方案

為了滿足原油脫水要求，并且借鑒類似工藝流程和設(shè)備運(yùn)行情況[11]，按照新增換熱器的安裝位置，有三相分離器前換熱工藝和儲(chǔ)油罐前換熱工藝兩種工藝可供選擇。

2.1 三相分離器前換熱工藝

三相分離器前換熱工藝，熱器布置在三相分離器前，將來液加熱到50 ℃，然后進(jìn)入三相分離器，三相分離器原有的加熱盤管繼續(xù)加熱原油到52 ℃。該工藝與目前的生產(chǎn)工藝類似，不改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.2 儲(chǔ)油罐前換熱工藝

在三相分離器前換熱工藝中，換熱器處的原油含水率較高，造成熱負(fù)荷大，消耗的熱能多，為了降低能耗還可選擇儲(chǔ)油罐前換熱工藝。將換熱器安裝在三相分離器后、儲(chǔ)油罐前，對經(jīng)過三相分離器進(jìn)一步分離的低含水原油進(jìn)行加熱。加熱后的含水原油在儲(chǔ)油罐內(nèi)貯存，同時(shí)在貯存過程中脫除剩余的含水率。加熱具有兩方面的作用，一方面提高脫水的效果，保證外輸原油含水率達(dá)標(biāo)；另一方面，保證在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中原油的流動(dòng)性。

3 方案比選

按照常規(guī)脫水理論，游離水容易脫除，能夠快速地從高含水率降到較低含水率；但是含水率降低到轉(zhuǎn)折點(diǎn)（例如10 %～20 %）后，原油中乳化水或者小粒徑游離水的脫除速度降低，需要較長時(shí)間才能降低原油含水率。為了提高分離效率，可以采取提高原油溫度、加入化學(xué)藥劑等措施來降低原油含水率。

在50 ℃溫度下，開展了含水原油的沉降脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見原油含水率與沉降時(shí)間的關(guān)系曲線（圖2）。從圖2 可以看出，20 h 后原油含水率可以降低到1%以下，24 h 后原油含水率可以達(dá)到0.5%。三相分離器沉降時(shí)間較短（多為0.5～1.0 h），需要提高脫水溫度才能實(shí)現(xiàn)含水率達(dá)標(biāo)；沉降罐容積較大，沉降時(shí)間較長，通過大罐沉降可以實(shí)現(xiàn)原油脫水達(dá)標(biāo)。

圖2 原油含水率與沉降時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between crude oil water cut rate and settling time

分離溫度影響油水分離的速度和效率。改變加熱盤管的供熱量，試驗(yàn)測試了不同溫度條件下，三相分離器分出原油含水率與溫度的變化關(guān)系（圖3）。利用指數(shù)函數(shù)擬合原油含水率與溫度的關(guān)系式為：

圖3 三相分離器分出原油含水率與溫度的變化關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of the change between water content of crude oil separated by three-phase separator and temperature

式中：η為原油含水率，%；t為原油溫度，℃。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，原油溫度在44 ℃左右時(shí)，含水率降低到4.5%左右；原油溫度在53 ℃左右時(shí)，含水率降低到3%左右。含水原油溫度升高10 ℃左右，含水率僅降低2 個(gè)百分點(diǎn)左右，不能達(dá)到外輸指標(biāo)。原油在三相分離器有限的停留時(shí)間內(nèi)，利用提高來液溫度達(dá)到原油脫水目的受到限制。系統(tǒng)中儲(chǔ)罐有充足的停留時(shí)間，在整個(gè)試驗(yàn)測試過程中，儲(chǔ)罐不但起到了儲(chǔ)存的作用，而且通過切除底水，保證了外輸含水率達(dá)標(biāo)，表現(xiàn)出強(qiáng)大的脫水能力。充分利用整個(gè)系統(tǒng)而不局限于三相分離器的脫水能力，能夠節(jié)約能源，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

利用三相分離器分出的原油含水率與溫度的關(guān)系，可以定量計(jì)算不同溫度條件下三相分離器的分離效果。在來液溫度為40 ℃條件下，三相分離器分出原油含水率為6%左右。按照進(jìn)儲(chǔ)油罐脫水溫度（52 ℃） 考慮，三相分離器前換熱工藝需要將含水率為78.3%的原油溫度升高12 ℃，其熱負(fù)荷為1 071.2 kW。儲(chǔ)油罐前換熱工藝中三相分離器的分離效果雖然有所降低（達(dá)到6%左右），但通過換熱提高進(jìn)入儲(chǔ)油罐原油的溫度，利用儲(chǔ)罐脫水能力可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)脫水，脫水加熱能耗僅為三相分離器前換熱工藝的13.7% （147.0 kW），加熱能耗節(jié)約86.3%，節(jié)能效果非常顯著。不同方案加熱負(fù)荷對比情況見表1。此外，儲(chǔ)油罐前換熱工藝中換熱器內(nèi)原油含水率低，不易產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢，運(yùn)行較為可靠；雖然儲(chǔ)罐來液含水量增加，由三相分離器前換熱工藝的18 m3/d 增加到39 m3/d，但是增加數(shù)量有限，現(xiàn)有底水提升泵能夠適應(yīng)這一變化。綜合考慮，推薦儲(chǔ)油罐前換熱工藝，該工藝既降低了原油的加熱負(fù)荷，還能降低污水溫度，減少污水站降溫負(fù)荷。

表1 不同方案加熱負(fù)荷對比情況Tab.1 Comparison situation of heating loads in different schemes

4 結(jié)論

1） 利用儲(chǔ)油罐實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)原油低溫沉降脫水，可以降低對供熱介質(zhì)溫度的要求，使熱泵的供熱介質(zhì)能夠滿足輕質(zhì)原油脫水加熱需要。

2）充分利用儲(chǔ)油罐的脫水能力，加熱三相分離器分出的較低含水原油，可以實(shí)現(xiàn)原油脫水并能夠降低脫水工藝的加熱能耗。加熱工藝中原油含水率對脫水能耗的影響非常顯著，應(yīng)盡量避免對高含水原油加熱。

3）利用三相分離器分出原油含水率與溫度的關(guān)系，建立三相分離器分離性能的數(shù)學(xué)模型，可以開展分離溫度對系統(tǒng)用能的定量分析與優(yōu)化。