原油负压闪蒸装置真空泵机组选型

刘向东，郭 欣，张 倩，周 伟，刘人玮，胡 冬

(中海油研究总院，北京 100028)

原油负压闪蒸装置真空泵机组选型

刘向东，郭 欣，张 倩，周 伟，刘人玮，胡 冬

(中海油研究总院，北京 100028)

通过对比工艺模拟原油闪点数据和实验室实测数据，认为采用PRO/ⅡV9.4软件API2B7.1(2007)方法模拟原油闪点误差更小。结合工艺模拟数据，对南海某油田原油负压闪蒸装置真空泵机组进行选型。通过分析真空泵的运行参数，确定真空泵机组采用1台NC-0630B干式螺杆真空泵+2台ZJY-1200A罗茨泵+2台ZJY-2500A罗茨泵能满足工况要求。

原油；闪点；工艺模拟；真空泵；负压闪蒸

0 引 言

海洋平台远离海岸，绝大多数平台均采用自备电站提供平台用电。在海上平台常用的主电站类型中，原油发电机的应用仅次于涡轮发电机，已经成为海上油田开发最常用的主电站类型之一。中海油在海上已成功应用数十台原油发电机作为主电站[1]。目前中海油多个海上油田均出现自产原油闪点低于60℃的情况，这些油田伴生气产量极低，用电负荷较高，油田寿命较长，燃用柴油极不经济时，采用原油发电机作为主电站，显然经济效益更好[2]。发电机房内环境温度通常为45℃，在高温运转环境下，低闪点原油若发生挥发泄漏将极易发生闪爆，存在非常大的安全隐患，因此原油低闪点已成为影响主电站安全性的重要因素[2—6]。海上多个油田的实际应用表明，利用原油负压闪蒸装置提高低闪点原油的闪点是可行的[7]。本文采用工艺模拟软件，确定原油负压闪蒸装置工艺参数，并基于模拟工艺参数，对真空泵机组进行选型。

1 原油发电机对燃油闪点的要求

第三方检验机构如中国船级社(CCS)、挪威船级社(DNV)等颁布的规范中，均对发电机所用燃料的闪点温度有所规定和限制。《海上固定平台安全规则》也明确规定： 内燃机所使用柴油的闪点(闭口闪点)一般不低于60℃[8]。CCS颁布的《海上移动平台入级与建造规范》规定发电机原动机用的燃油闪点(闭口闪点)一般应不低于60℃，如有专门措施，其燃油的贮藏或使用处所环境温度能限制在低于该燃油闪点10℃以下范围内时，可允许使用闪点低于60℃但不低于43℃的燃油[9]。

因此，海上平台采用原油发电机作为主电站时，通常要求原油闪点不低于60℃。若原油闪点低于60℃，则需对原油进一步处理，以提高原油闪点。

2 原油闪点工艺模拟

采用HYSYS V8.6和PRO/Ⅱ V9.4两种工艺模拟软件，对不同工况下原油负压闪蒸装置负压闪蒸前后的原油闪点进行模拟，并与实验室实测原油闪点数值对照，其结果如表1所示。

表1 原油负压闪蒸前后闪点模拟值和实测值对比Table 1 Comparison of the flash point between simulationand experimental results

注： (1)工况1为闪蒸压力为600PaA，闪蒸温度55℃；工况2闪蒸压力为900PaA，闪蒸温度为58℃；工况3闪蒸压力为1200PaA，闪蒸温度为58℃。(2)模拟误差=∣模拟值-实测值∣/实测值×100%。

通过分析发现，HYSYS V8.6模拟原油闪点采用的是美国石油学会(API)2B7.1(1987)方法，而PRO/Ⅱ V9.4模拟原油闪点采用的是API 2B7.1(2007)方法，两相比较，PRO/Ⅱ V9.4模拟原油闪点数值时模拟误差更小，因此本文工艺参数优化模拟软件采用PRO/Ⅱ V9.4。

3 南海某油田原油负压闪蒸装置设计

原油负压闪蒸技术在海上平台及浮式生产储卸装置(FPSO)均有应用[10—11]。该技术主要是利用高温、低压条件下轻组分(C2～C4)易挥发的特点，对低闪点原油进行脱气拔烃处理，以便提高原油闪点。通过在闪蒸塔顶部设置真空泵抽吸减压、在闪蒸塔底设置加热器加热的方式，可使低闪点原油中的轻质组分迅速气化浓集于气相，重组分浓集于液相，进而进行分离。原油负压闪蒸装置工艺流程如图1所示。

图1 原油负压闪蒸装置工艺流程图Fig.1 Process diagram of crude vacuum flash evaporation

南海某油田原油闪点18.2℃，考虑到本油田自产伴生气量极少，且二氧化碳和氮气含量较高，不宜作为涡轮燃料，该油田推荐采用原油发电机作为主电站。根据该油田总用电需求，共需设置3台原油电站，2用1备，总耗油量约8m3/h。为满足原油发电机对原油闪点的要求，拟设置两套原油负压闪蒸装置，对低闪点原油进行负压闪蒸处理，原油闪点合格后作为原油发电机燃料。单套原油负压闪蒸装置处理量为4m3/h。

影响原油负压闪蒸装置的主要工艺参数有进料状态(温度、压力、原油真实饱和蒸气压等)、闪蒸塔真空度和闪蒸塔塔底重沸器加热温度。采用PRO/Ⅱ V9.4软件模拟分析不同工艺参数的影响。以下工艺参数分析采用同一模拟基准： 合格原油量为8m3/h，合格原油闪点为65℃(原油负压闪蒸装置的设计通常考虑5℃余量)。

首先，分析进料原油状态对原油闪蒸装置的影响。进原油负压闪蒸装置之前的原油通常会进行脱水、稳定处理。前序流程的处理温度和处理压力一定时，进料原油真实饱和蒸气压就一定，因此对于进料原油状态的分析选取原油真实饱和蒸气压这一指标。不同进料原油真实饱和蒸气压对原油负压闪蒸装置的影响如表2所示。

表2 进料原油不同真实饱和蒸汽压对应工艺参数对比Table 2 Comparison of process parameters for differenttrue vapor pressures of inlet crude

注： (1)前序分离器操作压力为130kPaA。(2)闪蒸塔操作压力为2.1kPaA。(3)进料原油真实饱和蒸气压对应温度为40℃。

由表2可知，不同的进料原油真实饱和蒸气压对应的闪蒸塔塔底温度几乎相同。这可说明，原油闪点处理指标确定后，闪蒸塔需拔出的轻烃量及组分是一定的，则闪蒸塔压力与闪蒸塔的操作温度一一对应。进料原油真实饱和蒸气压越高，则负压闪蒸塔需拔出的轻烃量越多，将增加真空泵机组的排量。

其次，分析闪蒸塔真空度和塔底温度对原油闪蒸装置的影响。不同闪蒸塔真空度和塔底温度对原油负压闪蒸装置的影响如表3所示。

表3 不同闪蒸塔真空度和塔底温度对应工艺参数对比Table 3 Comparison of process parameters for differentpressures and temperatures of vacuum flash tower

注： 前序分离器操作压力为130kPaA，操作温度为100℃。

由表3可知，随着闪蒸塔的操作压力降低，塔底操作温度和塔底重沸器热负荷均降低，但闪蒸塔塔底实际抽气量却大幅上升，将增加真空泵机组的排量。

综合以上分析可知，适当降低进料原油真实饱和蒸气压，提高闪蒸塔操作温度，可减小闪蒸塔塔顶实际抽气量。基于以上分析，初步选定进料原油真实饱和蒸气压73.3kPa，闪蒸塔操作压力为2100Pa，操作温度91℃，闪蒸塔塔底实际抽气量为31140m3/h。

4 原油负压闪蒸装置真空泵配置

常用真空泵组一般由罗茨泵和前级泵(干式螺杆真空泵)组成，罗茨泵可在较高真空度环境下运行，干式螺杆真空泵在低真空度环境下运行。ZJY序列的罗茨泵是通过一对相互作用的反向旋转的8字型转子实现抽气功能，工作时需要工作油，罗茨泵对运行参数要求较严格，操作温度不能超过100℃，不能承受较高压差(一般不超过5kPa)，泵吸入口的压力也不能高于限定值，因此罗茨泵应用在真空泵机组中，必须配备前级泵才可使用[12]，在真空泵机组中，罗茨泵主要用作提高真空度和抽气量的辅助泵。干式螺杆真空泵可承受较大压差和相对较高的温度(压差最大可达100kPa，进口压力小于5kPa时温度可达200℃)，可以在常压下直接起动，但干式螺杆真空泵的抽气量较小，因此干式螺杆真空泵作为前级泵较合适。

罗茨泵前后压差过大，会导致电机损坏，通常运行时，在常压条件下先启动前级泵，罗茨泵处于空载状态，气体通过罗茨泵，但不做功，只有待前级泵将系统压力抽至罗茨泵允许的入口压力之后，才能起动罗茨泵，若有多台罗茨泵串联，则根据系统压力的变化，自后向前依次起动罗茨泵。为防止罗茨泵前后压差过大，罗茨泵一般都自带溢流阀，当罗茨泵前后压差达到阀控压差时，溢流阀自动打开，起到保护泵本身的作用。常见的罗茨泵主要技术参数如表4所示。

表4 罗茨泵技术参数表Table 4 Technical parameters of Roots pump

由表4可知，罗茨泵的抽速较大，但是可承受的泵前后压差较小，且不能在常压下起动。

干式螺杆真空泵通常排量较小，但可承受较大的压差，且可以在常压下直接起动。干式螺杆真空泵NC-0630B抽气速率随入口压力的变化如图2所示。

注： (1)实线为50Hz对应抽气速率曲线，虚线为60Hz对应抽气速率曲线；(2)抽气速率曲线摘自厂家完工文件。图2 干式螺杆真空泵NC-0630B抽气速率曲线Fig.2 Pump rate curve of dry screw vacuum pump NC-0630B

由图2可知，干式螺杆真空泵可承受的前后压差较大，适用压力范围广，但是单台泵的排量非常小。

干式螺杆真空泵的单台价格远高于罗茨泵(高出5～10倍)，因此真空泵机组的配置通常选用干式螺杆泵作为前级泵，在常压下起动，然后配置多台罗茨泵串联，以提高抽速，降低真空度。

根据工艺模拟数据，初步选的闪蒸塔塔顶实际抽气量为31140m3/h，对应闪蒸塔操作压力为2100Pa。

本油田原油负压闪蒸装置真空泵若只选择干式螺杆真空泵，也可满足要求抽气量和真空度的要求，但需配置近50台泵，代价太高。

因此考虑选择罗茨泵+干式螺杆真空泵组合方案，更加经济。初步选择两个序列，每个序列真空泵机组配置为： 1台NC-0630B干式螺杆真空泵+2台ZJY-1200A罗茨泵+2台ZJY-2500A罗茨泵。其中ZJY-1200A罗茨泵前后压差为4000Pa， ZJY-2500A罗茨泵前后压差为2500Pa。

通过工艺模拟得到真空泵机组运行参数，如表5所示。塔顶拔出的轻烃先经两级罗茨泵增压后，进真空冷凝橇冷凝至15℃，分出部分液烃后，再经干式螺杆泵真空泵增压。

表5 真空机组运行参数Table 5 Operational parameters of vacuum uint

由表5可知，罗茨泵前后压差控制在阀控压差范围之内，操作温度控制低于100℃，各级罗茨真空泵的抽气量均低于名义抽气量；干式螺杆泵最高温度低于150℃，真空机组选型能满足该工况要求。

4 结 语

通过对比软件模拟原油闪点数据和实验室实测数据，发现相比HYSYS V8.6软件API 2B7.1(1987)方法，采用PRO/Ⅱ V9.4软件API 2B7.1(2007)方法模拟原油闪点数值，其误差更小。采用该方法分析影响原油负压闪蒸装置的主要工艺参数，包括进料状态(温度、压力、原油真实饱和蒸气压等)、闪蒸塔真空度和闪蒸塔塔底重沸器加热温度，发现降低进料原油真实饱和蒸气压、升高闪蒸塔操作温度，可大大降低闪蒸塔顶实际抽气量。通过工艺模拟参数对真空泵机组进行选型，南海某油田原油负压闪蒸装置真空泵机组采用1台NC-0630B干式螺杆真空泵+2台ZJY-1200A罗茨泵+2台ZJY-2500A罗茨泵能满足工况要求。

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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

刘向东，男(1985—)，硕士，工程师，主要从事海洋石油工程工艺设计工作。