原油負壓閃蒸裝置真空泵機組選型

劉向東，郭 欣，張 倩，周 偉，劉人瑋，胡 冬

(中海油研究總院，北京 100028)

原油負壓閃蒸裝置真空泵機組選型

劉向東，郭 欣，張 倩，周 偉，劉人瑋，胡 冬

(中海油研究總院，北京 100028)

通過對比工藝模擬原油閃點數據和實驗室實測數據，認為采用PRO/ⅡV9.4軟件API2B7.1(2007)方法模擬原油閃點誤差更小。結合工藝模擬數據，對南海某油田原油負壓閃蒸裝置真空泵機組進行選型。通過分析真空泵的運行參數，確定真空泵機組采用1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵能滿足工況要求。

原油；閃點；工藝模擬；真空泵；負壓閃蒸

0 引 言

海洋平臺遠離海岸，絕大多數平臺均采用自備電站提供平臺用電。在海上平臺常用的主電站類型中，原油發電機的應用僅次于渦輪發電機，已經成為海上油田開發最常用的主電站類型之一。中海油在海上已成功應用數十臺原油發電機作為主電站[1]。目前中海油多個海上油田均出現自產原油閃點低于60℃的情況，這些油田伴生氣產量極低，用電負荷較高，油田壽命較長，燃用柴油極不經濟時，采用原油發電機作為主電站，顯然經濟效益更好[2]。發電機房內環境溫度通常為45℃，在高溫運轉環境下，低閃點原油若發生揮發泄漏將極易發生閃爆，存在非常大的安全隱患，因此原油低閃點已成為影響主電站安全性的重要因素[2—6]。海上多個油田的實際應用表明，利用原油負壓閃蒸裝置提高低閃點原油的閃點是可行的[7]。本文采用工藝模擬軟件，確定原油負壓閃蒸裝置工藝參數，并基于模擬工藝參數，對真空泵機組進行選型。

1 原油發電機對燃油閃點的要求

第三方檢驗機構如中國船級社(CCS)、挪威船級社(DNV)等頒布的規范中，均對發電機所用燃料的閃點溫度有所規定和限制?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_安全規則》也明確規定： 內燃機所使用柴油的閃點(閉口閃點)一般不低于60℃[8]。CCS頒布的《海上移動平臺入級與建造規范》規定發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境溫度能限制在低于該燃油閃點10℃以下范圍內時，可允許使用閃點低于60℃但不低于43℃的燃油[9]。

因此，海上平臺采用原油發電機作為主電站時，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

采用HYSYS V8.6和PRO/Ⅱ V9.4兩種工藝模擬軟件，對不同工況下原油負壓閃蒸裝置負壓閃蒸前后的原油閃點進行模擬，并與實驗室實測原油閃點數值對照，其結果如表1所示。

表1 原油負壓閃蒸前后閃點模擬值和實測值對比Table 1 Comparison of the flash point between simulationand experimental results

注： (1)工況1為閃蒸壓力為600PaA，閃蒸溫度55℃；工況2閃蒸壓力為900PaA，閃蒸溫度為58℃；工況3閃蒸壓力為1200PaA，閃蒸溫度為58℃。(2)模擬誤差=∣模擬值-實測值∣/實測值×100%。

通過分析發現，HYSYS V8.6模擬原油閃點采用的是美國石油學會(API)2B7.1(1987)方法，而PRO/Ⅱ V9.4模擬原油閃點采用的是API 2B7.1(2007)方法，兩相比較，PRO/Ⅱ V9.4模擬原油閃點數值時模擬誤差更小，因此本文工藝參數優化模擬軟件采用PRO/Ⅱ V9.4。

3 南海某油田原油負壓閃蒸裝置設計

原油負壓閃蒸技術在海上平臺及浮式生產儲卸裝置(FPSO)均有應用[10—11]。該技術主要是利用高溫、低壓條件下輕組分(C2～C4)易揮發的特點，對低閃點原油進行脫氣拔烴處理，以便提高原油閃點。通過在閃蒸塔頂部設置真空泵抽吸減壓、在閃蒸塔底設置加熱器加熱的方式，可使低閃點原油中的輕質組分迅速氣化濃集于氣相，重組分濃集于液相，進而進行分離。原油負壓閃蒸裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 原油負壓閃蒸裝置工藝流程圖Fig.1 Process diagram of crude vacuum flash evaporation

南海某油田原油閃點18.2℃，考慮到本油田自產伴生氣量極少，且二氧化碳和氮氣含量較高，不宜作為渦輪燃料，該油田推薦采用原油發電機作為主電站。根據該油田總用電需求，共需設置3臺原油電站，2用1備，總耗油量約8m3/h。為滿足原油發電機對原油閃點的要求，擬設置兩套原油負壓閃蒸裝置，對低閃點原油進行負壓閃蒸處理，原油閃點合格后作為原油發電機燃料。單套原油負壓閃蒸裝置處理量為4m3/h。

影響原油負壓閃蒸裝置的主要工藝參數有進料狀態(溫度、壓力、原油真實飽和蒸氣壓等)、閃蒸塔真空度和閃蒸塔塔底重沸器加熱溫度。采用PRO/Ⅱ V9.4軟件模擬分析不同工藝參數的影響。以下工藝參數分析采用同一模擬基準： 合格原油量為8m3/h，合格原油閃點為65℃(原油負壓閃蒸裝置的設計通?？紤]5℃余量)。

首先，分析進料原油狀態對原油閃蒸裝置的影響。進原油負壓閃蒸裝置之前的原油通常會進行脫水、穩定處理。前序流程的處理溫度和處理壓力一定時，進料原油真實飽和蒸氣壓就一定，因此對于進料原油狀態的分析選取原油真實飽和蒸氣壓這一指標。不同進料原油真實飽和蒸氣壓對原油負壓閃蒸裝置的影響如表2所示。

表2 進料原油不同真實飽和蒸汽壓對應工藝參數對比Table 2 Comparison of process parameters for differenttrue vapor pressures of inlet crude

注： (1)前序分離器操作壓力為130kPaA。(2)閃蒸塔操作壓力為2.1kPaA。(3)進料原油真實飽和蒸氣壓對應溫度為40℃。

由表2可知，不同的進料原油真實飽和蒸氣壓對應的閃蒸塔塔底溫度幾乎相同。這可說明，原油閃點處理指標確定后，閃蒸塔需拔出的輕烴量及組分是一定的，則閃蒸塔壓力與閃蒸塔的操作溫度一一對應。進料原油真實飽和蒸氣壓越高，則負壓閃蒸塔需拔出的輕烴量越多，將增加真空泵機組的排量。

其次，分析閃蒸塔真空度和塔底溫度對原油閃蒸裝置的影響。不同閃蒸塔真空度和塔底溫度對原油負壓閃蒸裝置的影響如表3所示。

表3 不同閃蒸塔真空度和塔底溫度對應工藝參數對比Table 3 Comparison of process parameters for differentpressures and temperatures of vacuum flash tower

注： 前序分離器操作壓力為130kPaA，操作溫度為100℃。

由表3可知，隨著閃蒸塔的操作壓力降低，塔底操作溫度和塔底重沸器熱負荷均降低，但閃蒸塔塔底實際抽氣量卻大幅上升，將增加真空泵機組的排量。

綜合以上分析可知，適當降低進料原油真實飽和蒸氣壓，提高閃蒸塔操作溫度，可減小閃蒸塔塔頂實際抽氣量?；谝陨戏治?，初步選定進料原油真實飽和蒸氣壓73.3kPa，閃蒸塔操作壓力為2100Pa，操作溫度91℃，閃蒸塔塔底實際抽氣量為31140m3/h。

4 原油負壓閃蒸裝置真空泵配置

常用真空泵組一般由羅茨泵和前級泵(干式螺桿真空泵)組成，羅茨泵可在較高真空度環境下運行，干式螺桿真空泵在低真空度環境下運行。ZJY序列的羅茨泵是通過一對相互作用的反向旋轉的8字型轉子實現抽氣功能，工作時需要工作油，羅茨泵對運行參數要求較嚴格，操作溫度不能超過100℃，不能承受較高壓差(一般不超過5kPa)，泵吸入口的壓力也不能高于限定值，因此羅茨泵應用在真空泵機組中，必須配備前級泵才可使用[12]，在真空泵機組中，羅茨泵主要用作提高真空度和抽氣量的輔助泵。干式螺桿真空泵可承受較大壓差和相對較高的溫度(壓差最大可達100kPa，進口壓力小于5kPa時溫度可達200℃)，可以在常壓下直接起動，但干式螺桿真空泵的抽氣量較小，因此干式螺桿真空泵作為前級泵較合適。

羅茨泵前后壓差過大，會導致電機損壞，通常運行時，在常壓條件下先啟動前級泵，羅茨泵處于空載狀態，氣體通過羅茨泵，但不做功，只有待前級泵將系統壓力抽至羅茨泵允許的入口壓力之后，才能起動羅茨泵，若有多臺羅茨泵串聯，則根據系統壓力的變化，自后向前依次起動羅茨泵。為防止羅茨泵前后壓差過大，羅茨泵一般都自帶溢流閥，當羅茨泵前后壓差達到閥控壓差時，溢流閥自動打開，起到保護泵本身的作用。常見的羅茨泵主要技術參數如表4所示。

表4 羅茨泵技術參數表Table 4 Technical parameters of Roots pump

由表4可知，羅茨泵的抽速較大，但是可承受的泵前后壓差較小，且不能在常壓下起動。

干式螺桿真空泵通常排量較小，但可承受較大的壓差，且可以在常壓下直接起動。干式螺桿真空泵NC-0630B抽氣速率隨入口壓力的變化如圖2所示。

注： (1)實線為50Hz對應抽氣速率曲線，虛線為60Hz對應抽氣速率曲線；(2)抽氣速率曲線摘自廠家完工文件。圖2 干式螺桿真空泵NC-0630B抽氣速率曲線Fig.2 Pump rate curve of dry screw vacuum pump NC-0630B

由圖2可知，干式螺桿真空泵可承受的前后壓差較大，適用壓力范圍廣，但是單臺泵的排量非常小。

干式螺桿真空泵的單臺價格遠高于羅茨泵(高出5～10倍)，因此真空泵機組的配置通常選用干式螺桿泵作為前級泵，在常壓下起動，然后配置多臺羅茨泵串聯，以提高抽速，降低真空度。

根據工藝模擬數據，初步選的閃蒸塔塔頂實際抽氣量為31140m3/h，對應閃蒸塔操作壓力為2100Pa。

本油田原油負壓閃蒸裝置真空泵若只選擇干式螺桿真空泵，也可滿足要求抽氣量和真空度的要求，但需配置近50臺泵，代價太高。

因此考慮選擇羅茨泵+干式螺桿真空泵組合方案，更加經濟。初步選擇兩個序列，每個序列真空泵機組配置為： 1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵。其中ZJY-1200A羅茨泵前后壓差為4000Pa， ZJY-2500A羅茨泵前后壓差為2500Pa。

通過工藝模擬得到真空泵機組運行參數，如表5所示。塔頂拔出的輕烴先經兩級羅茨泵增壓后，進真空冷凝橇冷凝至15℃，分出部分液烴后，再經干式螺桿泵真空泵增壓。

表5 真空機組運行參數Table 5 Operational parameters of vacuum uint

由表5可知，羅茨泵前后壓差控制在閥控壓差范圍之內，操作溫度控制低于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 結 語

通過對比軟件模擬原油閃點數據和實驗室實測數據，發現相比HYSYS V8.6軟件API 2B7.1(1987)方法，采用PRO/Ⅱ V9.4軟件API 2B7.1(2007)方法模擬原油閃點數值，其誤差更小。采用該方法分析影響原油負壓閃蒸裝置的主要工藝參數，包括進料狀態(溫度、壓力、原油真實飽和蒸氣壓等)、閃蒸塔真空度和閃蒸塔塔底重沸器加熱溫度，發現降低進料原油真實飽和蒸氣壓、升高閃蒸塔操作溫度，可大大降低閃蒸塔頂實際抽氣量。通過工藝模擬參數對真空泵機組進行選型，南海某油田原油負壓閃蒸裝置真空泵機組采用1臺NC-0630B干式螺桿真空泵+2臺ZJY-1200A羅茨泵+2臺ZJY-2500A羅茨泵能滿足工況要求。

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SelectionofVacuumPumpUnitforCrudeVacuumFlashEvaporationEquipment

LIU Xiang-dong, GUO Xin, ZHANG Qian, ZHOU Wei, LIU Ren-wei, HU Dong

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

By comparing the process simulation data and experimental data of crude flash point, it is found that using PRO/II V9.4 software API 2B7.1 (2007) to simulate flash point of crude has the minimum simulation deviation. Based on the simulation results, the selection of vacuum pump unit of crude vacuum flash evaporation equipment is carried out for an oil field in the South China Sea. By analyzing the operating parameters of vacuum pump, the combination of an NC-0630B dry screw vacuum pump, two ZJY-1200A Roots pumps and two ZJY-2500A Roots pumps is selected, which can meet the requirements of process.

crude oil; flash point; process simulation; vacuum pump; vacuum flash evaporation

TE624.1；TB752

A

2095-7297(2017)02-0074-05

2017-03-06

劉向東，男(1985—)，碩士，工程師，主要從事海洋石油工程工藝設計工作。