原油熱化學(xué)脫水工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究

郭長(zhǎng)會(huì),辛迎春

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026)

0 前言

油田生產(chǎn)中，需要對(duì)油井產(chǎn)出物進(jìn)行收集和處理，分離出其中的原油和天然氣等作為產(chǎn)品。在油井產(chǎn)出物收集、加熱等方面開展了很多優(yōu)化分析[1-2]。原油需要經(jīng)過脫水處理，將含水降低到成品原油要求的指標(biāo)。原油脫水的能源、資源消耗和成本在油田生產(chǎn)中占有較大的比例，優(yōu)化脫水工藝的節(jié)能降本意義重大。影響原油脫水能耗的因素主要是來液特性、脫水工藝、脫水設(shè)備、脫水藥劑和工藝參數(shù)等[3-5]。在集輸系統(tǒng)節(jié)能潛力和節(jié)能措施方面已經(jīng)開展了很多研究[6-8]。在已經(jīng)建成的處理站中，由于來液特性、處理量和工藝流程及設(shè)備已經(jīng)確定，能夠被優(yōu)化的是脫水溫度、藥劑品種和加藥濃度及加藥位置等。藥劑品種和加藥位置等確定后，日常生產(chǎn)中主要對(duì)脫水溫度、加藥濃度進(jìn)行優(yōu)化。在確保處理效果達(dá)標(biāo)的條件下，降低處理站的能耗和運(yùn)行成本，是原油脫水工藝優(yōu)化的主要目標(biāo)。

進(jìn)行科學(xué)高效的參數(shù)優(yōu)化，需要提高理論認(rèn)識(shí)，在脫水優(yōu)化數(shù)學(xué)模型方面已經(jīng)進(jìn)行了一些探索。以與油氣處理直接相關(guān)的藥劑消耗、燃料消耗、電費(fèi)等三方面的運(yùn)行費(fèi)用總和為目標(biāo)函數(shù)，以外輸油含水率為約束條件，把加藥量和加熱爐出口溫度作為優(yōu)化變量，建立了處理站參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，但是沒有給出優(yōu)化變量約束條件的計(jì)算方法[9]。在稠油處理工藝優(yōu)化中，細(xì)化了藥劑費(fèi)、燃料費(fèi)、電費(fèi)等目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表示方法，提出了油中含水等約束條件，但是約束條件仍為定性描述[10]。目前，處理成本計(jì)算方法已經(jīng)成熟，建立可以計(jì)算的數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)是原油含水等約束條件的數(shù)學(xué)描述。

郭長(zhǎng)會(huì)等分析了溫度、藥劑和沉降時(shí)間等參數(shù)對(duì)原油沉降脫水的作用[11]。分析了含水指標(biāo)對(duì)脫水能耗的影響，指標(biāo)越低(需要達(dá)到的含水越高)，所需要的沉降溫度、藥劑量和沉降時(shí)間條件越低，含水等值面高度越低[12]。利用沉降脫水效果與脫水溫度、藥劑濃度的關(guān)系，探索含水指標(biāo)與脫水溫度、藥劑濃度等優(yōu)化變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以建立定量化的約束條件，從而形成完備的原油熱化學(xué)脫水工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

1 目標(biāo)函數(shù)簡(jiǎn)化

目前，原油脫水工藝應(yīng)用比較廣泛的是熱化學(xué)脫水工藝。熱化學(xué)脫水的直接運(yùn)行成本主要為加熱燃料費(fèi)用和藥劑費(fèi)用。加熱燃料費(fèi)用主要由脫水溫度、熱能利用效率、燃料種類和價(jià)格等決定。藥劑費(fèi)用由藥劑種類、加藥濃度和藥劑價(jià)格決定。假定燃料種類、藥劑種類已經(jīng)開展過優(yōu)選，不作為優(yōu)化對(duì)象。熱能利用效率由設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況決定，需要通過優(yōu)化管理來提高和保持，也不作為優(yōu)化的對(duì)象。燃料和藥劑價(jià)格由市場(chǎng)決定，無法改變，只作為影響參數(shù)。因此，優(yōu)化參數(shù)為脫水溫度和加藥濃度。

單位原油脫水的加熱燃料費(fèi)用為[3,10]

(1)

式中Cr——單位原油加熱費(fèi)用/元·t-1；

T0——原油加熱前溫度/℃；

T——脫水工作溫度/℃；

Co——原油的比熱容/kJ·(kg·℃)-1,取2.1；

Cw——水的比熱容/kJ·(kg·℃)-1，取4.2；

ω——原油含水率/%；

q——燃料熱值/MJ·m-3；

cr——燃料單價(jià)/元·m-3；

η——熱能利用效率，無量綱。

單位原油藥劑費(fèi)用為

(2)

式中Cy——單位原油藥劑費(fèi)用/元·t-1；

D——加藥濃度/mg·L-1；

ρ——原油相對(duì)密度，無量綱；

cy——藥劑單位費(fèi)用/元·t-1。

沉降脫水的運(yùn)行費(fèi)用為

C=Cr+Cy。

(3)

為了提高經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)行成本，熱化學(xué)脫水優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)簡(jiǎn)化如下

(4)

優(yōu)化的目標(biāo)是運(yùn)行費(fèi)用最低，優(yōu)化參數(shù)為脫水溫度T和加藥濃度D。優(yōu)化目標(biāo)(運(yùn)行成本)是脫水溫度和加藥濃度的二元一次函數(shù)。

2 約束條件量化

在工藝設(shè)備給定的條件下，優(yōu)化脫水溫度和藥劑濃度，降低原油含水，滿足原油含水指標(biāo)要求，運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的約束條件數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

W(T,D)≤Wc

(5)

式中W(T，D)——工作溫度為T、加藥濃度為D的工況下原油含水/%；

Wc——要求達(dá)到的原油含水/%。

滿足式(5)的工藝條件的集合可以看作是工作溫度T、加藥濃度D為坐標(biāo)軸的平面上的部分區(qū)域，區(qū)域的邊界是含水量為Wc的含水等值線，該含水等值線以上區(qū)域所代表的工藝條件(脫水溫度和加藥濃度)能夠?qū)⒃秃档偷揭蟮暮笜?biāo)以下?？梢圆捎矛F(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工作參數(shù)的方式探索滿足約束條件的參數(shù)區(qū)域。要獲得準(zhǔn)確、完整W(T,D)≤Wc或者W(T,D)=Wc的難度和工作量較大。為了減少工作量，可以采用插值、擬合等方法進(jìn)行計(jì)算，也可以開展不同加藥濃度條件下的原油沉降試驗(yàn)，分析得出含水為Wc時(shí)含水等值線上脫水溫度和加藥濃度的關(guān)系式[11]

(6)

式中a、b、c、d——與油品性質(zhì)、脫水溫度等有關(guān)的系數(shù)。

該關(guān)系式為滿足含水約束條件的邊界線，可優(yōu)化區(qū)域在關(guān)系式代表曲線的上部。那么，約束條件W(T,D)≤Wc可以表示為

(7)

實(shí)際上，加藥濃度的取值應(yīng)在一定范圍內(nèi)取值。擬合得出的脫水溫度和加藥濃度的關(guān)系曲線，在加藥濃度較低和較高時(shí)，有可能存在較大的偏差。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，按照加藥量不小于零進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解。

3 數(shù)學(xué)模型求解

將目標(biāo)函數(shù)和約束條件結(jié)合起來，脫水運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

T≥T0，

D≥0。

4 計(jì)算示例

勝利油田某原油相對(duì)密度0.96、粘度1 215 mPa·s，沉降時(shí)間按照18.0 h考慮，通過分析獲得的不同含水指標(biāo)等值曲線參數(shù)如表1所示[11]，含水等值曲線如圖1所示。根據(jù)上述分析，滿足所要求含水指標(biāo)的脫水溫度、加藥濃度的取值區(qū)域?yàn)榈戎登€的右上方。含水要求越高，取值區(qū)域越高。含水等值曲線上各運(yùn)行工況所達(dá)到的脫水效果相同。

表1 不同含水等值曲線參數(shù)

圖1 含水指標(biāo)約束曲線

假設(shè)來液含水30%，溫度50 ℃；燃料(天然氣)熱值36 MJ/m3，熱能利用效率為90%，天然氣價(jià)格為2.5元/m3，藥劑價(jià)格為2.0 萬元/t，不同含水指標(biāo)約束曲線上各點(diǎn)的運(yùn)行成本如圖2所示。從圖2可以看出。

圖2 不同含水指標(biāo)約束曲線上的運(yùn)行成本(天然氣2.5元/m3、藥劑2.0萬元/t)

(1)不同含水指標(biāo)約束曲線上運(yùn)行成本具有類似的曲線形狀，隨著加藥濃度的增加和脫水溫度的降低，運(yùn)行成本先減少后增加。因?yàn)殡S著加藥濃度的增加，脫水溫度得以降低，加熱的燃料費(fèi)用降低，而藥劑費(fèi)用增加，兩者成本之和存在最低值。

(2)最優(yōu)加藥濃度隨含水指標(biāo)的提高而降低。要求的含水指標(biāo)較低時(shí)，可以采用較低的脫水溫度、較高的加藥濃度實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的脫水。但是，在含水指標(biāo)提高，要求的含水量降低的情況下，必須要升高脫水溫度。因?yàn)樗巹┻_(dá)到一定濃度以后，對(duì)脫水效果增加不再顯著，所以不能單純依靠增加加藥濃度實(shí)現(xiàn)深度脫水。

為了提高系統(tǒng)的抗沖擊能力，提高脫水效果，進(jìn)一步降低含水的最優(yōu)措施并非簡(jiǎn)單的增加藥量或者提高脫水溫度，通過上述分析可以知道提高脫水溫度有可能是更為經(jīng)濟(jì)的方法。

(3)脫水指標(biāo)對(duì)脫水成本的影響大，要求達(dá)到的含水越低，成本越高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，密度低、粘度低的原油脫水容易，脫水成本低；密度大、粘度高的原油脫水困難，成本較高。綜合考慮生產(chǎn)需要和外輸要求，合理地確定不同區(qū)塊來液或者設(shè)備的脫水指標(biāo)，是降低脫水能耗最有效的手段之一。

當(dāng)天然氣價(jià)格分別為3.0元/m3、2.5元/m3、2.0元/m3，藥劑單價(jià)25 000元/t、20 000元/t、15 000元/t，不同含水指標(biāo)最優(yōu)脫水參數(shù)及最低脫水成本如表2所示。

表2 不同含水指標(biāo)最優(yōu)脫水參數(shù)及最低脫水成本

由表2可以看出，在燃料和藥劑價(jià)格變化時(shí)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)也發(fā)生變化。燃料價(jià)格下降、藥劑價(jià)格升高，最優(yōu)脫水溫度升高、加藥濃度降低；反之，燃料價(jià)格上升、藥劑價(jià)格降低，最優(yōu)脫水溫度降低、加藥濃度增加。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)需要根據(jù)燃料和藥劑的價(jià)格進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)論

(1)利用沉降脫水效果與脫水溫度、藥劑濃度的關(guān)系，探索原油含水指標(biāo)等約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以建立定量化的約束條件，從而形成完整的原油熱化學(xué)脫水工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

(2)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最優(yōu)點(diǎn)在含水指標(biāo)約束曲線(含水等值線)上，并且受到燃料和脫水藥劑價(jià)格的影響。

(3)脫水指標(biāo)是影響脫水成本的重要因素。合理地確定脫水指標(biāo)，可以降低脫水成本。