基于HYSYS模擬的原油正壓閃蒸穩定工藝研究

林名楨，楊博強，范文斌，劉 坤，張 銳，劉海燕

（1.山東石油化工學院油氣工程學院，山東 東營 257061；2.中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

原油在開采過程中常會含有大量溶解氣，溶解氣會使原油在儲運過程中散發大量的油蒸氣，不僅造成能源的浪費，還污染了環境，因此各國對商品原油的蒸氣壓均有嚴格的規定。要降低原油的蒸氣壓就必須脫除原油內蒸氣壓較高的溶解氣組分，這一脫除過程被稱為原油穩定[1]。

目前工業生產中常用的原油穩定方法有多級分離穩定、負壓閃蒸穩定、正壓穩定和分餾穩定工藝等[2-5]。在這些工藝中，正壓閃蒸工藝的流程簡單，不含壓縮機，施工周期短，在我國的應用較為廣泛。但該工藝存在的顯著缺點是分離效果差，能耗較高。為了進一步了解原油正壓閃蒸工藝的特點，本文以某特定原油為例，利用HYSYS仿真模擬軟件，對原油正壓閃蒸工藝進行了模擬研究，并分別研究了原油蒸氣壓、C4及C4以下組分含量（%wt）及單位產品能耗隨加熱溫度的變化關系，以期對后續的科學研究和工程設計提供一定的參考。

1 基礎數據

進入原油穩定裝置的原油溫度為70℃，含水率為0.5%vol，原油蒸氣壓為543.1kPa。進入穩定裝置的原油組分如表1所示，表中組分的組成為質量比。

2 流程描述

正壓閃蒸穩定工藝的原理是通過提高溫度來降低原油的蒸氣壓，原油的壓力和性質，是確定正壓閃蒸穩定工藝中的加熱溫度的關鍵因素。具體流程如下：脫水后的凈化原油先與穩定后的原油換熱，再經加熱爐加熱至穩定溫度后，進入原油穩定塔上部，在穩定塔內進行閃蒸。塔底部的穩定原油直接用外輸原油泵抽出，與未穩定原油換熱后外輸。穩定塔頂部的閃蒸氣經冷凝器降溫后，進入三相分離器，進行輕油、不凝氣和含油污水的三相分離。分離后得到的氣體輸至集氣管網，輕烴經輕烴泵加壓后輸至輕烴儲罐，水排放至污水排放系統。

3 仿真模型的建立

Aspen HYSYS是面向油氣生產、氣體處理和煉油工業的模擬、設計、性能檢測的過程模擬軟件[7]，該軟件的功能強大，在世界范圍內的石油化工模擬、仿真技術領域占主導地位。

3.1 狀態方程的選取

在模擬計算過程中，狀態方程的選擇至關重要。HYSYS數據庫中狀態方程的種類較多，在石油煉制、氣體加工和石油化工的計算過程中，通常推薦采用PR狀態方程，因此本次模擬計算選擇PR狀態方程。

3.2 模型的建立

利用Aspen HYSYS仿真模擬軟件建立的原油正壓閃蒸穩定工藝的流程圖如圖1所示。

圖1 原油正壓閃蒸穩定工藝模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of crude oil positive pressure flash stabilization process

4 模擬參數分析

4.1 穩定原油的飽和蒸氣壓

穩定原油的飽和蒸氣壓是衡量原油穩定深度的最主要指標。GB 50350-2015《油田油氣集輸設計規范》中規定[8]：穩定原油在最高儲存溫度下的飽和蒸氣壓的設計值，不宜超過當地大氣壓的0.7倍。為此，我們研究了穩定原油飽和蒸氣壓隨加熱溫度的變化關系（圖2）。由圖2可知，隨著加熱溫度升高，穩定原油的飽和蒸氣壓呈下降趨勢，當溫度由95℃升高到110℃時，飽和蒸氣壓的下降趨勢較為明顯，當溫度高于110℃時，穩定原油的飽和蒸氣壓隨溫度升高而下降的趨勢變得較為緩慢。我國的大氣壓基本在65～101kPa之間變化，故原油的飽和蒸氣壓的最低指標應為45.5～70.7kPa，加熱溫度范圍宜為100～120℃。

圖2 原油穩定后飽和蒸氣壓隨加熱溫度的變化關系Fig.2 Relationship between saturated vapor pressure and heating temperature after crude oil stabilization

4.2 穩定原油中C4及C4以下組分含量

C4及C4以下組分含量（%wt）是衡量原油穩定深度的另一個指標。圖3是穩定原油中C4及C4以下組分含量隨加熱溫度的變化情況。由圖可知，隨著加熱溫度升高，穩定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）的變化相對緩慢，當加熱溫度從95℃升高到220℃，穩定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）的數值僅從0.95降低到0.142。根據以往的工程經驗，正壓閃蒸溫度一般不高于130℃，由此可知，當對C4及C4以下組分含量（%wt）的要求低于0.48時，采用正壓穩定閃蒸工藝顯然是不合適的。

圖3 穩定原油中C4及C4以下組分含量（%wt）隨加熱溫度的變化關系Fig.3 Relationship between the content of C4 and below in stable crude oil and heating temperature

4.3 單位產品能耗

在我國，通常用單位產品能耗這一指標來評價產品生產過程中的能源利用水平。該指標具有計算簡單、直觀性強、使用方便等優點，相比其它考核指標，更適合我國現有的能源管理水平。為此我們分別研究了穩定原油的單位能耗和輕烴產品的單位能耗隨加熱溫度的變化情況，結果見圖4。由圖4可知，隨著加熱溫度升高，穩定原油和輕烴產品的單位能耗有明顯的上升趨勢，當加熱溫度從95℃升高到220℃時，穩定原油的單位能耗由12.14 kW·t-1增加到73.30 kW·t-1；輕烴產品的單位能耗增加得更為明顯，由919.21 kW·t-1增加到5564.45 kW·t-1。因此從能耗利用水平考慮，在其它指標滿足要求的情況下，應盡量降低加熱溫度。

圖4 單位產品能耗隨加熱溫度的變化關系Fig.4 Relationship between unit energy consumption and heating temperature

5 結論

1）利用HYSYS仿真模擬軟件對原油正壓閃蒸工藝進行了模擬研究，并研究了穩定原油的蒸氣壓、C4及C4以下組分含量（%wt）及單位產品能耗隨加熱溫度的變化情況。

2）在我國的產油區，原油的加熱溫度范圍宜為100～120℃。

3）若設計要求C4及C4以下組分含量低于0.48%wt時，采用正壓閃蒸穩定工藝時顯然是不合適的。

4）從能耗利用水平考慮，在其它指標滿足要求的情況下，采用正壓閃蒸穩定工藝時，應盡量降低加熱溫度。