高凝原油稳定工艺的优选与设计

杨博强，林名桢

（1.森诺科技有限公司，山东 东营 257099；
2. 山东石油化工学院油气工程学院，山东 东营 257061）

原油在开采过程中常会含有大量的溶解气，溶解气的成分主要为C1～C4，它的存在使得原油在储运过程中散发出大量的油蒸气。存在于大气中的油蒸气会对环境造成污染，而且浪费能源，所以各国对商品原油的蒸气压均有严格的规定。要降低原油的蒸气压，就必须脱除原油内蒸气压较高的溶解气组分，这一脱除过程被称为原油稳定。原油稳定已成为原油处理过程中的一个必需的环节，基于此，本文以某特定高凝原油为研究对象，对原油稳定工艺进行了优选，设计了工艺流程，确定了合适的工艺操作条件，并进行了原油稳定工艺的设备选型与计算，以期为后续工艺的设计提供依据。

1.1 基础数据

进入原油稳定装置的原油温度为70℃，含水率为0.5%vol，原油蒸气压为543.1kPa，组分如表1所示。

表1 进入原油稳定装置的物料组分表 /wt%

1.2 设计要求

根据现场的实际情况，稳定原油的产品指标需满足表2的要求。从表2可知，该设计条件对轻组分的拔出率要求较高。

表2 稳定原油产品的指标要求

几种原油稳定工艺的介绍如下[1]。

2.1 负压闪蒸稳定工艺

负压闪蒸稳定工艺[2]的优点是能耗、闪蒸压力和温度相对较低，且操作简单。缺点是负压压缩机的故障率很高，这会影响运行效率和过程质量。

原油负压闪蒸流程如图1所示。依靠位差将塔底的稳定原油输送至稳定油罐或通过泵外输。稳定塔的顶部使用真空压缩机，其吸气状态可达到负压。气相压缩后，压缩气体的压力上升到0.2～0.3MPa（绝对压力），温度上升。当温度降到40℃左右，再从三相分离器中除去烃类液体等。分离得到的轻烃被泵送到储罐，不凝气体进入低压管网，污水进入含油污水系统。

图1 原油负压闪蒸流程

负压闪蒸的应用条件[3]：1）原油中轻组分C1～C4含量在2.5%（重）以下；
2）只限制稳定深度，不要求轻组分收率；
原油的脱水温度略高于储存温度；
3）对稳定凝析油饱和蒸气压的要求不高。

负压闪蒸稳定法的主要设计参数[4]是三相分离器的操作压力和操作温度，其确定方法如下：

1）三相分离器的操作压力就是闪蒸压力，应根据工艺计算结果、凝析油进料压力和闪蒸气进入燃料气系统的压力要求来确定。

2）三相分离器的操作温度应与凝析油的外输温度结合后确定，取两者的最大值。

3）负压闪蒸稳定的操作温度应结合原油脱水或外输温度确定[5]，宜为50～80℃；
不宜专为负压闪蒸稳定进行加热。

2.2 正压闪蒸稳定工艺

相比负压闪蒸工艺，正压闪蒸稳定工艺不使用压缩机，但需提高温度以实现其工艺。原油正压闪蒸流程如图2所示。正压闪蒸稳定的操作压力需调整并达到下列要求：1）轻组分含量较低的原油，操作压力宜为0.02～0.1MPa；
2）轻组分含量较高的原油，操作压力宜为0.1～0.3MPa[6]。

图2 原油正压闪蒸流程

正压闪蒸的应用条件：1）原油中的轻组分含量大于2.5%（重）。2）当原油中轻组分的含量低于2.5%（重）时，在有余热可利用的前提下，也可以考虑采用正压闪蒸稳定工艺。3）只限制稳定深度，不要求轻组分收率。4）对稳定凝析油饱和蒸气压的要求不高。

正压闪蒸稳定法的主要设计参数[7]有加热炉的加热温度、三相分离器的操作压力及操作温度。确定原则如下：1）三相分离器的操作压力应满足闪蒸气进入燃料气系统的要求。2）加热炉和三相分离器的操作温度由凝析油的进料温度和组成确定。

2.3 微正压闪蒸稳定工艺

微正压闪蒸稳定工艺的原理与负压闪蒸工艺相同[8-9]，只是原油稳定的温度升高后，闪蒸压力也相应地高一些，成为微正压，因此2种工艺方法的适用条件也相同。微正压闪蒸的闪蒸压力一般为0.1～0.2MPa（绝），温度在60～90℃就可达到稳定的目的。从节能角度考虑，升高温度后输送和处理的高黏原油，采用微正压闪蒸工艺是合理的。原油稳定的温度应高于最高储存温度20℃或更高。原油的微正压闪蒸流程如图3所示。

图3 原油微正压闪蒸流程

2.4 分馏稳定工艺

分馏稳定工艺的主要原理是精馏，它主要取决于原油中轻重组分的特性和挥发性。轻烃组分的蒸气压大于重烃组分的蒸气压，沸点小于重烃组分的沸点，并且挥发性较高。精馏操作去除了原油中的轻质烃类物质，以确保原油的稳定性。与其他工艺相比，加热分馏工艺可以确保原油具有更好的稳定性。全塔分馏法稳定流程如图4所示。

图4 全塔分馏法稳定流程

全塔分馏法可以较完美地分离轻组分和重组分，以确保稳定的原油和塔顶产品的质量，缺点是成本较高，资源消耗较大，操作难度系数高。为了克服以上缺点，当分离效果没有严格要求时，可以使用仅具有提馏部而没有精馏部的提馏法，或者仅具有精馏部而没有提馏部的精馏法。提馏法稳定流程如图5所示，精馏法稳定流程如图6所示。

图5 提馏法稳定流程

图6 精馏法稳定流程

2.5 原油稳定工艺方法的优选

表3是3种原油稳定工艺方法的比较。要根据原油的物理性质和组成，同时综合考虑相关过程，来最终确定使用哪一种原油稳定工艺。

表3 3种原油稳定工艺方法的比较

1）当原油中轻质组分C1～C4的含量低于2.5wt%，且原油脱水或外输温度能满足负压闪蒸的需要时，可采用负压闪蒸稳定工艺[10]。

2）当原油中轻组分C1～C4的含量高于2.5%（wt）时，可采用正压闪蒸稳定化工艺；
当原油中的轻组分含量低于2.5wt%，且有剩余热量可用时，也可以考虑采用正压闪蒸稳定化工艺或分馏稳定工艺。

从装置提供的相关数据可知，原油中C1～C4含量大于2.5wt%，故可选用正压闪蒸稳定工艺或分馏稳定工艺[11]。同时通过模拟计算得出，只有分馏稳定工艺才能满足设计要求。因此本次设计优选分馏稳定工艺。

3.1 工艺流程

根据实际情况设计的分馏稳定工艺流程图如图7所示。从脱水器脱水后的原油（0.25MPa、70℃），经原油稳定塔的进料热交换器，与原油稳定塔底稳定的原油进行换热，达到130℃后，在原油稳定塔进行稳定处理。

图7 分馏稳定工艺流程图

塔底的换热泵将稳定塔底部的稳定原油（210℃）抽出，热量在脱水系统的热交换器中实现回收。在这之前，要在稳定塔的进料热交换器内与进料原油换热到142℃。稳定原油冷却至67～72℃后，储存在净化油罐中。其中一部分由塔底的加热泵抽出，在再沸加热炉中加热到210℃，返回稳定塔底，作为塔底再沸。

稳定塔顶出来的气体（0.2MPa，87～118℃）冷却至45℃后的气液混合物，在稳定塔顶的回流罐内进行气液水三相分离。分离出来的未冷凝气体作为稳定气（0.2MPa，32～45℃）送至已建的压缩系统处理。罐中冷凝分离下来的液烃一部分作为塔顶回流打回稳定塔顶部，另一部分送往轻烃储罐。分离出的污水进入站内已建的排污系统。

3.2 主要操作条件

经模拟计算，确定原油稳定部分各设备的主要参数见表4。

表4 原油稳定工艺操作条件表

3.3 设备选型与计算

本装置的主要设备为原油稳定塔，另外还有稳定原油泵、塔底加热泵、凝液泵、塔顶回流泵、塔顶回流罐、管壳式换热器等。

3.3.1 原油稳定塔

原油稳定塔主要分为填料塔和板式塔，具体的选择原则如下：

1）当所需的传质单元或理论塔板数很大且塔很高时，最好使用板式塔[12]。因为填料塔必须分成许多部分，且液体要进行多次分配，否则液体分配会不均匀，从而影响传质效率[13]。

2）当有侧回流或侧再沸器时，用板式塔。

3）当液气比非常小时，可以使用板式塔。如果使用填料，则润湿速率会很低且效率会下降很多。

4）填料塔的压降比板式塔小。

5）容易发泡的液体也可以被填料塔进行适当处理。

针对本工程，稳定塔内的物料是原油，为不宜发泡物料，同时塔径较大（Φ=2600mm），因此选用板式塔。根据装置的特点，塔板结构为浮阀。

3.3.2 稳定原油泵和塔底加热泵

离心泵具有结构简单、价格低、流量较大、流量脉动小等优点。装置的稳定原油量为594.6m3·h-1，因此采用离心泵。设置2台稳定原油泵，2台塔底加热泵，均为1用1备，泵流量为600 m3·h-1，扬程为100m，电机功率为220kW。

3.3.3 凝液泵、塔顶回流泵

屏蔽泵可实现零泄漏，安全可靠性高。装置的凝液量为9.70m3·h-1，且为间歇运行，因此凝液泵采用屏蔽泵。设置1台凝液泵，泵扬程流量为10m3·h-1，扬程为140m，电机功率为3.0kW。

3.3.4 塔顶回流罐

选用卧式三相分离器，操作压力为0.1MPa，尺寸：Φ=2400mm，L=9600mm。

3.3.5 冷换设备

由于装置的换热介质为原油、稳定油、循环水等，均是易结垢介质，因此冷换设备选用管壳式换热器。

3.3.6 设备一览表

原油稳定部分的设备如表5所示。

表5 分馏稳定工艺设备一览表

1）分别从工作原理、工艺流程和工艺优缺点方面，对目前常用的负压闪蒸稳定工艺、正压闪蒸稳定工艺、分馏稳定工艺进行了对比，并根据设计要求确定了分馏稳定工艺。

2）根据工艺流程和控制要求进行了工艺设计，确定了分馏稳定工艺的流程图。

3）确定了各关键点和相关设备的主要参数，其中原油稳定塔塔顶的运行温度为118.8℃，运行压力为0.2MPa；
塔底换热器的温度区间为138～210℃；
塔顶回流罐温度为40℃，压力为0.17MPa；
原油换热器中的原油温度为70～130℃，稳定油温度为210～142℃。

4）对流程中的设备进行了详细的选型和计算。原油稳定塔选用板式塔，直径为2600mm；
塔顶回流罐选用卧式三相分离器，直径为2400mm，操作压力0.1MPa；
冷换设备中的换热器选用管壳式换热器，热量为3500kW；
塔顶冷凝器热量为2260kW，塔底再沸器热量为2454kW。

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