郭洲

(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451)



用动态模拟技术进行油气田工艺处理系统开停工方案的研究

郭洲

(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451)

摘要：石油天然气开采过程中油气处理系统投产运行和系统关停过程的研究是系统设计过程中的重要组成部分。针对非稳态工艺过程，如系统的开停工等，则必须借助动态模拟软件、仿真模拟技术来进行研究。通过采用Hysys软件的动态模拟系统对油气田处理工艺系统的开停工过程进行动态研究分析，确定了一种系统开停工的方案，对现场的实际生产起到一定的指导作用。

关键词：开停工动态模拟油气田工艺

本文针对海上某生产平台原油处理系统的工艺流程进行开停工的操作过程研究，该系统主要流程： 来自不同油井的原油混合后首先进入进口换热器进行加热，随后进入一级分离器进行初步油气水分离，分离出的含水原油经下一级加热器继续加热后进入二级分离器进行进一步的脱水和脱气稳定处理，最后通过进口的换热器被原料冷却后进行外输。

1研究意义和目的

装置开停工过程研究是设计过程的重要组成部分，直接影响装置的生产安全和开停工运行周期，新工艺、新流程的开停工方案的合理与否，直接影响装置能否一次开车成功。因而通过使用动态模拟仿真技术软件，开展对开停工方案的研究，可以解决稳态模拟软件不可能解决的问题： 研究和掌握生产装置的操作特性，尤其是开停工的操作特性；控制方案的评估和控制阀尺寸的校验；开停工方案的制订和评估。

更重要的是： 通过使用动态模拟软件，可以使设计者在设计阶段就能了解和掌握该工艺流程装置的设计合理性以及操作性能，完成开停工方案的制订和研究，及时发现和解决流程在控制方案、阀门尺寸及开停工方案方面的问题，保障系统安全运行，缩短开停工运行周期，进而对现场的实际生产起到有效的指导作用[1-2]。

2工艺处理系统动态建模和调整

2.1动态模型的建立

动态模型建立的主要步骤： 稳态模型的建立、设备和阀门的设定、安装PID控制单元以及边界条件的处理等。设备的初始化完成后即可进入动态模拟环境，将稳态模型转化为动态模型进行动态研究分析。

图1　油处理系统稳态模型示意

某油田建立的稳态工艺处理系统模型如图1所示。待稳态模型收敛后，进入动态模拟环境，Hysys软件将其自动转化为动态模型。

2.2动态模型的调整

动态模型的调整主要指： 根据流程需要对整个系统的主要工艺变量进行控制方案的研究、PID控制器的整定、设备和阀门尺寸的动态评估等。调整后的该油田动态模型如图2所示。调整的步骤和方法如下：

1) 对PID控制器参数进行初步设定。

2) 根据现场实际生产条件安装干扰源，模拟实际生产条件。

图2　油处理系统动态模型示意

3) 运行动态模型，启动干扰，研究控制方案是否合理、控制阀尺寸的选择是否正确，根据研究结果对控制方案进行调整。

3系统开工停工过程分析

3.1系统开工过程分析

3.1.1开工过程

动态模型调整完毕后，首先利用事件管理器按开工方案建立开工时序，按照实际需求找出关键运行变量，制订观察模型运行的趋势图，启动动态模型。待模型运行平稳后，通过事件管理器启动装置开工顺序。开工的初始状态： 系统为常压、常温；介质为氮气。装置开工顺序设定如下：

1) 将各分离器的压力控制器、油位控制器、水位控制器置为自动，逐渐打开进料阀门至开度到达生产位置(即开井)。

2) 启动外输油泵P-100，将温度控制器TIC-2置为自动。

以上两个步骤的时间间隔应通过开工过程研究来确定。

3.1.2外输油泵启动时间的确定

装置开工时，由于系统充满氮气，需要留有一定的排气时间，通过动态模型可以准确计算出这段时间。外输油泵入口气体气化率逐渐降为0的趋势如图3所示。

图3　外输泵入口气化率为0的时间变化

由图3可以看出，在6144min时，原料阀门打开，在6182min时，泵入口气化率变为0，因而外输油泵需在装置启动38min后开启。但外输油泵又不能启动过迟，装置开车52min后启动，否则造成二级分离器冒顶，开车失败。

根据动态模拟结果，外输油泵应在装置开车后38～52min启动。当外输油泵在装置开车44min后启动，装置开车成功，开车过程运行趋势如图4所示。

图4　开车44min后启动油泵的模拟效果

3.1.3进料流量控制器的设定

进料流量控制器的设定主要是控制进料流量的开启速度，流量增加太快，容易造成二级分离器油位冒顶，流量增加过慢，会延长开工时间。

进料控制器设定为KP=1,TI=20min时，进料开启过快，造成二级分离器V-2002油相液位冒顶，气相出口跑油，开车失败。经过动态模型调试，最后确定正确的开工方案：

1) 将各分离器的压力控制器、油位控制器、水位控制器置为自动，将油井来料流量PID控制器设为KP=0.5,TI=30min。

2) 和步骤1)间隔44min后启动油泵P-100，然后将温度控制器TIC-2置为自动。

3.1.4开工过程分析及结论

1) 系统压力稳定时间。一级分离器(V-2001)需60min，二级分离器(V-2002)需40min。

2) 液位稳定时间。V-2001油相需3h，水相需4h；V-2002油相需2h，水相需4h。

3) 流量稳定时间。总进料(3号物流)需380min；V-2002气相需170min；V-2002油相需480min。

3.2系统停车过程分析

3.2.1装置停车过程序列

1) 打开氮气阀门，关闭进料阀。

2) 关断V-2002进料加热器，将V-2001，V-2002油、水出口阀置为全开，关断油泵，V-2002 油出口转为放空油槽。

3) 关闭氮气，V-2001气相出口转为系统放空。

4) 关闭装置所有阀门，使装置处于封闭状态。

3.2.2分离器液体排放控制阀的确定

各级分离器的液体排放控制阀的选择除了考虑正常生产工况外，还要考虑系统停车排放的要求，本文只以V-2001生产水排放阀的选择为例进行说明。只考虑正常生产工况，V-2001生产水排放阀VLV-101的CV取25即可满足要求，正常生产时阀门开度为50%。通过动态模拟停车过程可计算出V-2001的液体排放时间为103min。将VLV-101的口径增大，CV改为100，V-2001的液体排放时间缩短到38min。由此可知，正确选择放空阀的口径，可以缩短系统停车操作时间，降低氮气的消耗。

3.2.3氮气关断时间的确定

装置停车过程需要大量的氮气，如果氮气关断过早，装置各容器内的液体就不能排放干净；如果氮气关断过晚，就会造成不必要的氮气浪费。通过动态模拟停车过程，可以找出系统内液体排放最慢的设备，当该设备排放干净时，氮气即可关断。装置内液体排放最慢的设备是V-2001，其油位排放完毕的时间是38min，因而氮气在装置停车操作后40min时关断。

4结论

1) 通过动态研究可以定量分析系统开停工过程的操作规律，研究和确定开、停工操作时序，准确定义每个过程的操作时间，最终制订高效、安全的开停工方案。

2) 通过系统开停工过程及动态研究分析，可以研究开停工过程中主要工艺变量(温度、压力、液位及流量)随着时间的变化趋势。根据这些工艺变量的变化趋势，可以确定合理的工艺参数，为相关仪表阀门的选型奠定良好的基础，可以避免今后根据经验来确定某些变量的高低报警值等。

3) 通过动态模型研究装置的开停工方案可大幅提高设计质量，缩短开停工周期，提高操作安全可靠性，从而产生经济效益。

参考文献：

[1]诸林.天然气加工工程.北京： 石油工业出版社，2008： 77.

[2]严大凡.油气储运工程．北京： 中国石化出版社，2003： 116.

[3]朱明善.能量系统的分析.北京： 清华大学出版社，1985： 103.

[4]陈敏恒，方图南，齐鸣斋．化工原理．北京： 化学工业出版社，2010： 56.

[5]陈宏方．高等工程热力学．北京： 高等教育出版社，2003： 89.

[6]姚玉英．化工原理．天津： 天津大学出版社，1999： 101.

稿件收到日期： 2014-12-04。

Scheme Study of Start-up &Shutdown of Oil & Gas Oilfield Processing System

with Dynamic Simulation Technology

Guo Zhou

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China)

Abstract：The research on initial start-up and shutdown of oil and gas treatment processing system is one very important part in system design in petroleum natural gas exploitation process. The research has to be conducted under the support of dynamic simulation software and analogue simulation technology for non-steady process as process system initial start-up and shutdown. The initial start-up and shutdown process in oil and gas treatment processing system is analyzed with dynamic function of Hysys software. One scheme for system start-up and shutdown is finalized. It provides effective guidance to on-site actual production.

Key words：start-up&shutdown; dynamic simulation; oil and gas treatment process

作者简介：郭洲(1980—)，男，湖北荆州人，2004年毕业于石油大学(华东)油气储运专业，获学士学位，现就职于海洋石油股份有限公司设计公司，从事海洋平台油气处理工艺设计工作，任工程师。

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0028-03