气提负压闪蒸稳定工艺模拟研究与效益分析

丁凯 邓道明 何卓 黄璞 赵天葳

1中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室

2石油工程教育部重点实验室

3城市油气输配技术北京市重点实验室

4中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司

脱水处理后的净化原油中含有大量轻组分C1～C4，在原油集输过程中，这部分轻组分大量挥发，使原油蒸汽压变高，既造成能源浪费和环境污染，同时还存在一定的安全隐患[1]。一个有效的方法就是将原油中这部分挥发性强的轻组分比较完全地脱出，从而降低原油的蒸汽压，以利于常温常压下储存，这就是原油稳定[2]。

原油稳定的目的主要有4个方面：①降低原油蒸汽压，满足安全输送及储存要求；②降低原油蒸发损耗，满足环保要求；③从原油中分离出有毒有害的溶解性气体；④回收轻烃，追求最大利润[3]。

常见原油稳定方法包括多级分离、闪蒸稳定（加热闪蒸、微正压闪蒸、负压闪蒸）和分馏稳定[4-6]。分馏稳定分离效果好，精度高，但设备流程复杂，对操作条件的控制要求比较严格，而且能耗高，投资费用高。闪蒸稳定分离效果比分馏稳定差，但是流程简单，便于操作，且投资与能耗较低[7]。目前，由于国内的各大油田的原油物性、集输系统、站场工艺、产品标准、能耗和集输经济效益等条件的不同所采用的原油稳定方法也各不相同[8-9]。

据统计，国内近100套原油稳定装置中，80%以负压闪蒸为主，分馏稳定装置约占15%，正压闪蒸装置较少，只占5%[10]。但是常规的负压闪蒸稳定工艺问题较多，轻烃回收量小，原油稳定效果较差，经济效益也不高。为了提高原油稳定深度、轻烃回收量以及总收益，本文对原油稳定工艺进行了优化，提出了气提负压闪蒸稳定技术。利用HYSYS软件对常规负压闪蒸稳定流程与气提负压闪蒸稳定流程进行模拟，同时建立了经济模型，并结合HYSYS模拟结果对稳定塔操作温度、操作压力、气提气组分、气提气流量等操作参数进行了分析、优化与适应性分析。

1 经济模型建立

确定原油稳定方法好坏的一个最重要的因素就是经济效益，为了比较常规负压闪蒸稳定流程与气提负压闪蒸稳定流程带来的经济效益以及不同操作温度、操作压力、气提气组分、气提气流量等操作参数带来的收益，建立了以下经济模型

式中：S为原油稳定总利润，万元/a；S1为销售稳定原油产品总收益，万元/a；S2为成本费用，万元/a；eq为轻烃销售价格，元/t；en为不凝气销售价格，元/m3；eo为稳定原油销售价格，元/t；Qq为轻烃产量，t/a；Qn为不凝气产量，m3/a；Qo为稳定原油产量，t/a；SC为成本费用中的材料费，即未稳定原油的费用，万元/a；SP为成本费用中的外购动力费，即装置运行消耗的电力支出，万元/a；SE为成本费用中的外购燃料费，即加热未稳定原油的费用，万元/a；eo1为未稳定原油价格，元/t；Qo1为未稳定原油产量，t/a；eP为电力价格，万元/kWh；W1、W2分别为装置运行时泵和压缩机的功率，1年按8 000 h运行，kW；c1为未稳定原油的热值，J/（kg·℃）；ρ1为未稳定原油的密度，kg/m3；ΔT为未稳定原油的温度变化，℃；Bn为天然气的热值，J/m3；η为加热炉的效率，%。

2 常规负压闪蒸稳定工艺模拟

2.1 工艺参数与模型建立

常规负压闪蒸稳定工艺流程就是原油从分离器脱水后经加热器加热进入原油负压稳定装置，进行闪蒸脱除挥发轻烃，以达到原油稳定降低损耗的目的。以某联合站的常规负压闪蒸稳定工艺为例，利用HYSYS软件对其进行模拟计算。未稳定原油经全烃色谱法对其组分进行测试，结果见表1。该联合站的未稳定原油量为250 t/h，稳定塔操作温度为70℃，稳定塔的操作压力为-30 kPa（表压，以下类同），年操作时间为8 000 h，空冷器的压降均为10 kPa，压缩机出口压力（塔顶气3）为200 kPa，分离器的操作温度为40℃，泵1的出口压力为400 kPa，泵2的出口压力为1 400 kPa。利用HY‐SYS建立工艺模型，具体流程见图1。

表1 未稳定原油组分Tab.1 Components of unstable crude oil 质量分数/%

图1 常规负压闪蒸稳定工艺流程Fig.1 General negative pressure flash stabilization process flow

利用HYSYS软件对上述流程进行模拟，稳定原油、轻烃和不凝气的产量分别为247 800 kg/h、685.1 kg/h和2.813 m3/h。模拟后的稳定原油中C2～C5的含量与未稳定原油中的含量对比见表2。

表2 未稳定原油与稳定原油中C2～C5的含量Tab.2 Contents of C2～C5in unstable crude oil and stabilized crude oil 质量分数/%

从表2可以看出，常规负压闪蒸稳定工艺流程的分离效果较差，稳定深度不高，并且轻烃的产量不高。

2.2 稳定塔操作压力对工艺的影响

负压闪蒸稳定塔的操作压力一般为50～70 kPa，改变稳定塔的操作压力，使其在50～70 kPa变化，变化幅度为5 kPa，其他操作参数不变，模拟结果见表3。

表3 常规负压闪蒸稳定结果随稳定塔操作压力变化Tab.3 Variation of stability of conventional negative pressure flash with operation pressure of stabilizer

根据已建的经济模型，决定原油稳定总利润的主要参数是原油价格、轻烃价格和不凝气价格[11]。根据当前世界石油价格行情，国际油价按$68/bbl，1 t≈7.3 bbl，$1=6.286 5元计算，即稳定原油约为3 120元/t，轻烃价格为3 538元/t，不凝气按0.863元/m3，工业用电平均电价按0.85元/kWh计算，带入建立的经济模型，得出原油稳定不同压力下的总利润，见图2。

图2 常规负压闪蒸总收益随稳定塔操作压力的变化Fig.2 Variation of total negative pressure flash total pressure with stable tower operation pressure

由表3可知，随着稳定塔的操作压力逐渐降低，轻烃及不凝气的产量上升，稳定深度效果提高，但是稳定原油产量逐渐减少，并且电力能耗也随之增加。从图2来看，随着稳定塔操作压力的下降，原油稳定总利润下降。由于稳定塔的操作压力受压缩机入口真空度的限制，故单纯地通过降低稳定塔操作压力来提高原油稳定深度与轻烃回收量不可行。

2.3 稳定塔操作温度对工艺的影响

负压闪蒸稳定塔的操作温度一般为50～80℃，改变稳定塔的操作温度，使其在50～80℃变化，变化幅度为5℃，其他操作参数不变，模拟结果见表4。将模拟结果带入经济模型，得出原油稳定在不同温度下的总利润，见图3。

表4 常规负压闪蒸稳定结果随稳定塔操作温度变化Tab.4 Variation of stability of conventional negative pressure flash with operation temperature of stabilizer

图3 常规负压闪蒸总收益随稳定塔操作温度的变化Fig.3 Variation of total negative pressure flash evaporation with operation temperature of stabilizer

由表4可知，随着稳定塔的操作温度逐渐升高，轻烃及不凝气的产量上升，稳定深度效果提高；但是稳定原油产量逐渐减少，电力能耗也随之增加，并且随着未稳定原油温度升高，所需的外购燃料费也随之增加，甚至造成稳定塔的“黑烃”事故[12]，还会降低产品质量。从图3来看，随着稳定塔操作温度的升高，原油稳定总利润下降。故单纯地靠提升稳定塔操作温度来提高原油稳定深度与轻烃回收量是不经济的。

综上，无论是通过降低稳定塔操作压力还是通过提升稳定塔操作温度来提高原油稳定深度与轻烃回收量，从实际情况与经济的角度来说都是不可取的。

3 气提负压闪蒸稳定工艺模拟

3.1 工艺简介与模型建立

在实际生产过程中，随着油田不断的开采，原油产量逐年递减，原油稳定装置实际处理量远远小于设计处理量。随之而来的就是负压闪蒸稳定工艺暴露出的问题：一方面是随着原油处理量减少，闪蒸出的轻组分气体随之减少，负压螺杆压缩机超负压运行，影响设备的使用寿命；另一方面，因处理量下降，使得稳定塔稳定效率降低，稳定效果一般，轻烃回收量小，经济效益也随之下降[13]。为了提高原油稳定深度、轻烃的回收量以及原油稳定的经济收益，提出气提负压闪蒸稳定工艺，以提升原油稳定的深度和轻烃回收量。其工作原理就是相平衡汽化的原理[14]，即通过向原油稳定塔内通入一定量的不凝气，从而减少塔内原油轻组分的分压，使原油中的轻组分更易汽化，从重组分中分离出来[15]。通入的不凝气在稳定塔内自下而上运动，增加了油气分离的界面面积[16]，对已经分离出的轻组分有一定的携带作用，从而达到更好的稳定效果[17]。

利用HYSYS软件，以气提量5 000 m3/d（0℃，1个标准大气压，以下类同）进行建模计算，气提气的组分见表5，其余参数与上文相同，建立模型如图4所示。

图4 气提负压闪蒸稳定工艺流程Fig.4 Flow of gas stripping negative pressure flash stabilization process

表5 气提气组分Tab.5 Components of gas stripping质量分数/%

利用HYSYS对上述流程进行模拟，将模拟后的稳定原油中的C2～C5的含量，稳定原油、轻烃和不凝气的产量与常规负压闪蒸稳定模拟结果进行对比，见表6。

表6 气提负压闪蒸稳定模拟结果与常规稳定对比Tab.6 Comparison of simulation results of gas stripping negative pressure flash and conventional steady results

从表6可以看出，常规负压闪蒸稳定工艺流程的分离效果较差，稳定深度不高，而气提技术提高了C2～C5的拔出率，稳定原油中C2～C5的质量分数由7.38%下降至0.67%，拔出率提高了近11倍，使原油达到了更深度的稳定状态。气提技术还大幅度地提高了轻烃与不凝气的产量，其中轻烃的回收量由每天的16.44 t变为67.54 t，提高了4.1倍，不凝气的产量提升了近82倍。从建立的经济模型来看，轻烃的产量是影响原油稳定收益的主要因素，气提技术提高了轻烃的产量，并且气提技术后的轻烃价格更高，其高出的价格远远高于原料气提气的价格，所以综合比较气提技术提高了经济收益。

综上，气提负压稳定工艺无论从稳定深度、分离效果、轻烃回收量、经济效益都优于常规负压闪蒸稳定工艺。

3.2 气提工艺的影响分析

稳定塔操作温度与压力对气提工艺的影响与常规负压闪蒸稳定工艺相同，这里不再一一赘述。

3.2.1 气提气流量对气提工艺的影响

改变气提气的流量，使其在4 000～7 000 m3/d变化，变化幅度为1 000 m3/d，其他操作参数不变，模拟结果见表7。将模拟结果带入经济模型，在计算总收益时综合考虑了气提气的成本费用，以及气提技术后稳定原油与轻烃价格的增长，得出原油稳定在不同气提气流量时的总利润，见图5。

由表7可知，随着气提气量逐渐升高，轻烃及不凝气的产量上升，原油稳定深度效果变化不大，稳定原油产量逐渐减少，电力能耗随之增加。并且随着气提气量逐渐升高，所需的成本费用也随之增加，从图5可以看出，气提技术的总收益均高于常规闪蒸的总收益，但是气提气量的增加并不能带来更好的经济效果。

表7 气提负压闪蒸稳定结果随气提气流量变化Tab.7 Variation of steady results of gas stripping negative pres‐sure flash with variation of gas stripping flow rate

图5 气提负压闪蒸总收益随气提气流量的变化Fig.5 Total yield of gas stripping and negative pressure flashing with the variation of gas stripping flow rate.

3.2.2 不同气提气组分对气提工艺的影响

改变气提气的组分，其中气提气1～气提气3逐渐由富变贫，气提气2、4、5、6只改变气提气中的N2和CO2的含量，其中气提气5中N2的含量为0，气提气6中CO2的含量为0，其余不变，具体见表8，其他操作参数不变，模拟结果见表9。将模拟结果带入经济模型，得出原油稳定在不同气提气组分时的总利润，见表10。

表8 不同气提气组分Tab.8 Components of gas stripping 质量分数/%

表9 气提负压闪蒸稳定结果随不同气提气组分的变化Tab.9 Variation of stability of gas stripping and negative pres‐sure flash with gas composition

表10 气提负压闪蒸总收益随不同气提气组分的变化Tab.10 Variation of total yield of gas stripping and negative pressure flash with the composition of gas stripping万元/a

由表9可知，气提气3与气提气1相比，稳定原油中C2～C5的质量分数由0.85%下降至0.59%，拔出率提高。气提气在由富变贫的过程中，气提效果越来越好。对比气提气2、4、5、6可知，即使除去气提气中的N2和CO2，稳定原油的组分也没有变化，即气提气中N2和CO2的含量对气提效果几乎没有影响。

综上，气提气组分越贫，气提效果越明显，影响气提效果的主要是气提气中的C1～C5的含量，气提气中N2和CO2的含量对气提效果几乎没有任何影响。

4 结论

（1）常规负压闪蒸稳定工艺流程的稳定效率低，稳定效果一般，轻烃的回收量小，经济效益也不高。

（2）无论是通过降低稳定塔操作压力还是通过提升稳定塔操作温度来提高原油稳定深度与轻烃回收量，从实际情况与经济的角度来说都是不可取的。

（3）气提负压稳定工艺无论从稳定深度、分离效果、轻烃回收量、经济效益都优于常规负压闪蒸稳定工艺。

（4）随着气提气量逐渐升高，轻烃及不凝气的产量上升，原油稳定深度效果变化不大，稳定原油产量逐渐减少，电力能耗也随之增加。并且随着气提气量逐渐升高，所需的成本费用也随之增加，气提气量的增加并不能带来更好的经济效果。

（5）气提气组分越贫，气提效果越明显，影响气提效果的主要是气提气中的C1～C5的含量，气提气中N2和CO2的含量对气提效果几乎没有任何影响。