原油閃蒸系統穩定工藝參數優化

梁波,于清遠

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

渤海某油田閃蒸系統于2013年開始投用，主要功能是為主發電機提供高閃點燃料油，因此其運行的穩定性對于發電系統有著重要意義。在投用的6年時間內，該系統運行效果良好，但近期由于原油組分發生變化等原因，真空系統運行平穩性變差，壓力變送器所檢測壓力周期性大幅波動，導致閃蒸設備頻繁由于真空系統壓力高高報警停機，處理量也難以滿足燃料油供給要求。分析問題原因，認為：在閃蒸設備運行過程中，當真空系統啟動時，氣流中的輕烴蒸汽流過冷凝器的換熱腔時被冷凝下來[1]，流到集液腔中并定期進行排液工作，在排液開啟瞬間，由于打破了原有的壓力平衡狀態，會瞬間造成真空系統壓力波動，當參數設定不合理時就會造成壓力高高報警引起設備停機[2-3]。為了解決閃蒸設備運行過程中頻繁停機的問題，需要對影響設備工作的相關參數進行優化調節，并確定其最佳運行工況，從而減少設備運行時的壓力波動，保證閃蒸設備的平穩運行。

1 閃蒸系統運行分析

1.1 運行過程

閃蒸系統組成見圖1[4]。

圖1 閃蒸系統組成

其運行過程為：操作人員將各參數設定值確定好后點擊啟動按鈕，閃蒸系統會首先進行自檢過程，如果自檢過程發現問題則自動停機并提示相應故障報警；自檢過程通過后，首先啟動前級泵，前級泵正常啟動后，通過泵的抽吸作用會使閃蒸塔真空度增高，閃蒸塔出口真空管線上設置一壓力變送器PIC-01，當壓力變送器PIC-01檢測到壓力達到2 500 Pa后，會給閃蒸系統一反饋信號控制真空泵啟動，真空泵的啟動會進一步降低閃蒸塔內的壓力，當壓力變送器PIC-01檢測到壓力達到設定壓力1 800 Pa后，輸油系統逐步啟動；在設備運行過程中冷凝系統一直處于啟動狀態，閃蒸系統保持穩定運行。

冷凝系統主要包括以下組件：①氮氣補壓相關組件，用于破除冷凝器積液腔室內真空度，并通過提升積液腔室內壓力實現腔室內液體的排放，主要包括氮氣氣源、調節進氣壓力的PCV-01以及控制進氣與否的SDV-03；②冷凝器上部換熱腔室及積液管線，用于冷凝輕烴組分并通過SDV-02控制冷凝液是否進入積液腔室；③冷凝器下部積液腔室及排液管線，主要用于收集從換熱腔室流下來的冷凝液，并通過SDV-04控制是否向下游排液；④冷凝器壓力緩沖管線，包括氣動高真空擋板閥SDV-01及其下游球閥[5]，用于平衡冷凝器上部換熱腔室與下部積液腔室壓力，其中氣動高真空擋板閥SDV-01開啟時間及球閥開度可手動調整。

冷凝系統工作過程為：當真空系統啟動時，閃蒸塔內由于真空度的存在會促使原油中的輕組分氣化并經真空泵處排至下游；當這部分輕組分到達冷凝器處后，由于冷凝器上部換熱腔室始終保持冷水循環具有較低的溫度，這就使得大部分輕烴蒸汽能夠冷凝液化；液化后的輕烴組分將會流到冷凝器下部積液腔室中，并且會越積越多，在此過程中SDV-02處于打開狀態。集液腔室中的液體越積越多時，當冷凝器內液位計檢測到信號或冷凝器達到設定排液時間間隔后(出廠設定時間為30 min)，冷凝器開始執行排液操作，先關閉SDV-02，然后打開破真空閥門SDV-03向冷凝器內補充氮氣破除積液腔室內的真空，延時2 min后打開排液閥SDV-04，2 min后關閉閥門SDV-03及SDV-04，打開氣動高真空擋板閥SDV-01，延時4 min后SDV-01關閉，打開集液閥SDV-02，如此循環執行冷凝-集液-排液工作。

1.2 存在問題

在冷凝器工作過程中，閥門SDV-01的開啟目的是利用其小管徑來平衡冷凝器上下壓力，避免集液閥SDV-02打開時對真空系統真空度造成較大波動。但在運行過程中，由于原油物性發生變化，每當排液過程結束，SDV-02開啟時引起PIC-01壓力劇烈波動，引起設備停機。分析冷凝器運行過程發現，為了最大程度降低SDV-02開啟時對真空系統的影響，可以從SDV-01開啟的持續時間、SDV-01下游球閥的開度，以及冷凝器破真空的氮氣壓力3方面著手進行調整。當時三者狀態為：SDV-01開啟的持續時間240 s、SDV-01下游球閥的開度60%、冷凝器破真空的氮氣壓力50 kPa。

2 調整過程

2.1 參數選取

采用現場試驗加數據分析的方法分別對不同SDV-01開啟的持續時間、SDV-01下游球閥的開度及冷凝器破真空的氮氣壓力情況下PIC-01壓力變化情況進行記錄分析。

冷凝器破真空的氮氣壓力在影響真空系統的同時，還會對其自身排液造成影響，試驗表明，當氮氣設定壓力降到38 kPa時，冷凝系統排液受阻，無法維持閃蒸系統正常運行，因此在參數優化過程中選取氮氣壓力40、42、44、46、48、50 kPa這6個數據點。在SDV-01開啟時間上選取240、270、300、330、360 s這5個數據點；在SDV-01下游球閥開度上選取60%、65%、70%、75%、80%這5種開度。

2.2 數據記錄

試驗中，通過調節上述選取參數，依次得到SDV-02開啟后PIC-01壓力，為了便于數據分析，將SDV-02開啟后PIC-01壓力折算成變化率，匯總見圖2～4。

圖2 PIC-01壓力隨PCV-01設定壓力的變化

2.3 數據分析

2.3.1 PCV-01設定壓力對真空系統影響

由圖2可見，隨著PCV-01設定壓力的增加，雖然在同一PCV-01設定壓力下SDV-01下游球閥開度也會對真空系統造成一定影響，但其整體PIC-01壓力平均變化率由91%上升到了190%。這是因為隨著PCV-01設定壓力的增加，會導致冷凝器內下部排油腔室壓力升高，在將平衡閥SDV-01打開后雖然可以一定程度上將這部分壓力泄放，但其原始壓力高，勢必會導致泄放后剩余壓力依舊偏高，當SDV-02打開后也就會對真空系統造成更大的影響。因此，在滿足冷凝系統工作壓力要求的同時，需要將PCV-01設定壓力盡可能降低，控制在44 kPa以下為宜。

2.3.2 SDV-01開啟時間對真空系統影響

通過圖3可得到PIC-01壓力隨著SDV-01開啟時間增加的變化規律。雖然在同一SDV-01開啟時間下SDV-01下游球閥開度也會對真空系統造成一定影響，但其整體PIC-01壓力平均變化率由234%下降到了106%。這是因為隨著SDV-01開啟時間的增加，冷凝器內下部排油腔室壓力能夠得到充分泄放，其腔室內剩余壓力勢必逐漸降低，當SDV-02打開后也就會對真空系統造成的影響越來越小。因此SDV-01開啟時間設定值可以適當延長，控制在300S以上為宜。

圖3 PIC-01壓力隨SDV-01開啟時間的變化

2.3.3 SDV-01下游球閥開度對真空系統影響

為了便于觀察SDV-01下游球閥開度對真空系統影響，特選出圖4中幾種工況進行分析。通過圖4可以看出，隨著SDV-01下游球閥開度的增加，PIC-01壓力變化率在不同PCV-01設定壓力及SDV-01開啟時間下變化規律并不一致，即在40 kPa-240 s、44 kPa-300 s、44 kPa-360 s條件下其變化規律接近正相關；在48 kPa-240 s、44 kPa-240 s條件下其變化規律接近負相關；其他條件下則無明顯變化規律。出現這種現象一方面是因為該球閥過氣量受氣動高真空擋板閥SDV-01的限制影響，另一方面是因為球閥的開度也會受人為操作誤差的影響，因此還需針對具體工況確定SDV-01下游球閥開度最佳開度。

圖4 PIC-01壓力隨SDV-01下游球閥開度的變化

2.3.4 確定最終調整方案

通過上述分析可知，當PCV-01設定壓力在44 kPa以下、SDV-01開啟時間設定值在300 s以上條件下可最大程度降低PIC-01壓力變化率。因此選出特定PCV-01設定壓力-SDV-01開啟時間工況對比得出最優結果。

對比圖5中4種特定工況下PIC-01壓力變化率可知：在42 kPa、330 s條件下PIC-01壓力變化率最為平穩，變化在4%以內；在40 kPa、330 s條件下PIC-01壓力變化率最低，平均平均變化率為59%；考慮到SDV-01下游球閥開度對系統的影響，當SDV-01下游球閥開度為70%左右時PIC-01壓力變化率最低，為55%。

圖5 PIC-01壓力隨SDV-01下游球閥開度的變化

3 結論

隨著PCV-01設定壓力的增加，相應的PIC-01壓力變化率增加，隨著氣動高真空擋板閥SDV-01開啟時間的增加，相應的PIC-01壓力變化率降低。同時通過試驗數據的對比，結合對系統內各參數運行規律的分析，得出最佳運行方案：SDV-01開啟的持續時間330 s、SDV-01下游球閥的開度70%、冷凝器破真空的氮氣壓力40 kPa。該工況參數應用后，閃蒸設備再未發生因壓力波動停機的問題，保證了閃蒸設備的平穩運行。由于閃蒸系統運行受原油油品組分影響較大，當原油組份發生變化時，可能會再次出現真空系統壓力大幅波動的問題，屆時可參考此次試驗過程，通過運行參數優化降低或消除油品組分對閃蒸系統的影響。