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(中海油研究总院，北京 100028)

海上FPSO原油负压闪蒸装置设计

刘向东，朱海山，周晓红，刘云，郭欣，张倩

(中海油研究总院，北京 100028)

基于原油沸点实验数据，采用常用工艺模拟软件不同计算方法模拟原油闪点，与实验室实测原油闪点对比发现，PRO/Ⅱ V9.4软件采用API 2B7.1(2007)计算方法模拟原油闪点数据误差最小，采用该软件模拟原油负压闪蒸工艺，误差在10%范围之内，针对南海某FPSO，采用该工艺模拟软件，并基于模拟参数对原油负压闪蒸装置进行设计，可满足工艺要求。

原油；闪点；工艺模拟；计算方法；负压闪蒸

原油发电机是海上油田开发常用的主电站类型之一，中海油在海上固定平台及FPSO上已采用数十台原油发电机作为主电站[1]。中国南海油田多为轻质原油，现已开发和正在开发的多个南海油田中，均出现自产原油闪点低于60 ℃的情况，如陆丰7-2、陆丰13-2、恩平24-2、惠州25-8、西江24-3、流花16-2等。这些油田因本油田伴生气量不足，采用原油发电机作为主电站，经济效益更好[4]。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露极易发生闪爆，存在安全隐患，因此原油低闪点已成为主电站影响安全性的重要因素[2-6]。如何提高原油闪点已经成为影响这些油田开发的关键因素。考虑采用工艺模拟软件，对原油闪点及原油负压闪蒸工艺进行模拟，并基于模拟数据对原油负压闪蒸装置真空泵机组进行设计。

1 原油发电机对燃油闪点的要求

CCS、DNV等船级社颁布的规范均对发电机所用燃料的闪点温度有规定和限制。如CCS颁布《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，允许使用闪点低于60 ℃但不低于43 ℃的燃油[7]。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]。

因此海上平台采用原油发电机作为主电站，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

根据原油实沸点实验数据模拟原油闪点，常用的工艺模拟软件主要有HYSYS和PRO/Ⅱ。采用HYSYS软件模拟原油闪点，需用调用Cold Properties公用模块，计算方法选择HYSYS API 1987；采用PRO/Ⅱ软件模拟原油闪点，在物性计算方法中特性Flash Point Tem.(Closed Cup)对应的计算方法选择API 2B7.1(1987)或者API 2B7.1(2007)。这2个模拟软件模拟对比见表1。

根据以上对比发现，无论是HYSYS V8.6还是PRO/Ⅱ V9.4，模拟原油闪点采用方法API 2B7.1(1987)，模拟值与油品实验测试值相比，误差均较大，但PRO/Ⅱ V9.4模拟原油闪点若采用方法API 2B7.1(2007)，模拟值和实测值相比，误差较小。

计算原油闪点，API 2B7.1(1987)公式如下。

1/T(FP)=-0.014 568+2.849 47/T1+

1.903×10-3×lnT1

式中：T(FP)为原油闪点温度；T1为ASTM D86 10%对应温度R。

计算原油闪点，API 2B7.1(2007)公式如下。

T(FP)= 0.357 7×(Tibt+T0.5%)- 119.1

式中：T(FP)为原油闪点温度；Tibt为ASTM D86初镏点温度；T0.5%为ASTM D86 5%对应温度。

表1 原油负压闪蒸前后闪点模拟值和实测值对比

注：(1)工况1为闪蒸压力为600 Pa，闪蒸温度55 ℃；工况2闪蒸压力度为900 Pa，闪蒸温度为58 ℃；工况3闪蒸压力为1 200 Pa，闪蒸温度58 ℃；
(2)模拟误差=[|模拟值-实测值|/实测值]×100%；
(3)软件HYSYS V8.6，模拟原油闪点采用方法API 2B7.1(1987)；
(4)软件PRO/Ⅱ V9.4计算方法1，模拟原油闪点采用方法API 2B7.1(1987)；
(5)软件PRO/Ⅱ V9.4计算方法2，模拟原油闪点采用方法API 2B7.1(2007)。

API 2B7.1(2007)也提出，计算原油闪点关系式与ASTM D86 5%关联，计算结果准确度更高。考虑到目前HYSYS软件最新版本计算原油闪点仍采用API 2B7.1(1987)，计算原油闪点与实际值误差较大，因此建议通过原油实沸点实验数据模拟原油闪点值采用PRO/Ⅱ V9.4软件，且计算方法采用API 2B7.1(2007)。

3 南海某油田原油负压闪蒸装置设计

理论分析、室内中试试验以及海上多个油田的实际应用表明，原油负压闪蒸工艺是一种提高原油闪点的可行性方案[9]。另外真空技术在海上平台及FPSO均有应用[10-11]。负压闪蒸技术主要是利用真空及高温下，轻组分(C2～C4)易挥发的特点，对低闪点原油进行真空脱气处理，提高原油闪点。通过减压和加热的手段，使低闪点原油中的轻质组分迅速气化，轻组分浓集于气相，重组分浓集于液相，然后进行分离。

原油负压闪蒸装置工艺流程如图1所示，在脱气塔内设置有加热器，对低闪点原油进行加热，并在脱气塔气相出口采用罗茨泵真空机组抽气，使脱气塔形成一定的真空度，低闪点原油中的轻组分在高温和真空度的双重作用下，从原油中挥发出来，并从脱气塔顶拔出，处理后的原油则从脱气塔底流出，经冷却后进入燃料油储罐。在两级罗茨泵之后设置真空冷凝撬，将增压后的气体冷凝至15 ℃后，再经前级真空泵增压后去往火炬系统。

图1 原油负压闪蒸装置工艺流程

南海某油田负压闪蒸前原油闪点18.2 ℃，因本油田自产伴生气量较少，且二氧化碳和氮气含量较高，不宜作为透平燃料，经过经济比选，该油田FPSO采用原油发电机作为主电站。该油田共设置3台原油电站，2用1备，耗油量约8 m3/h。为满足原油发电机对原油闪点的要求，需设置2套原油负压闪蒸装置，对该油田原油进行负压闪蒸处理，原油闪点合格后才可作为原油发电机燃料。单套原油负压闪蒸装置处理量为4 m3/h。

通过PRO/Ⅱ V9.4软件模拟，该油田原油在不同真空度下负压闪蒸，主要工艺参数见表2。

表2 不同真空度下原油负压闪蒸装置操作参数

注：各种工况下均按照合格原油8 m3/h，负压闪蒸后合格原油闪点为65 ℃进行模拟；脱气塔抽气量为实际操作条件下气量。

由表2可知，为满足负压闪蒸后原油闪点达到65 ℃的要求，随着脱气塔压力降低，脱气塔的抽气量增加，但脱气塔底加热器功率降低，塔底出口合格原油温度和脱气塔气相温度也相应降低。

结合表2数据，进行真空泵组选型，常见的真空机组为罗茨真空机组，即采用罗茨泵和前级泵串联组成真空机组。初步选取目前市场上应用较为成熟的ZJY-2500序列罗茨泵(抽速2 500 L/s)作为真空机组的大泵，每个序列配置1套真空机组，每套真空机组由1台NC-630干式螺杆真空泵+2台ZJY-1200A罗茨泵+2台ZJY-2500A罗茨泵组成，单序列最大抽速可达5 000 L/s，其中ZJY-2500A大罗茨泵配备变频器，可通过变频改变实际抽速，从而控制脱气塔内的真空度。

ZJY序列罗茨泵是通过一对相互作同步反向旋转的8字形转子实现抽气功能，在工作时需要工作油，因此罗茨泵工作温度不能太高，通常罗茨泵操作温度不能超过100 ℃。ZJY-2500A和ZJY-1200A均属于中真空泵，不能承受高压差，必须配备螺杆泵才可使用[12]，只能作为提高真空度和抽气量的辅助泵。压差过大会导致电机损坏，为防止罗茨泵进出口压差过大，罗茨泵一般均安装有溢流阀， ZJY-2500A和ZJY-1200A罗茨泵的阀控压差均为2 700 Pa。

干式螺杆真空泵可承受大压差，能耐受相对较高的温度，但不宜超过150 ℃，尽管干式螺杆泵可承受大压差，相对较高温度，但是实际抽气量较小，对于抽气量较大的真空机组，通常需要和大抽气量罗茨泵组合使用。

结合该油田原油负压闪蒸装置，针对脱气塔压力为2.1 kPa工况分析真空机组各真空泵运行参数,见表3。

表3 真空机组运行参数

由表3可知，罗茨泵前后压差控制在2 kPa，操作温度控制在低于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 原油负压闪蒸中试试验

利用该油田原油，在室内中试装置进行中试试验，并通过PRO/Ⅱ V9.4软件模拟原油负压闪蒸这一过程，中试试验测试结果和原油负压闪蒸软件模拟结果对比见表4。

表4 中试试验装置和软件模拟结果对比

由表4可见，在同样的参数条件下，中试试验装置实测原油闪点数据和软件模拟原油闪点数据非常接近，误差在10%之内，充分表明模拟软件PRO/Ⅱ V9.4软件在模拟原油负压闪蒸过程精度较高，能满足工程设计的要求。

5 结论

1)通过对比实测数据，相比HYSYS模拟软件，采用PRO/Ⅱ V9.4软件(API 2B7.1(2007)计算方法)模拟原油闪点及原油负压闪蒸工艺过程，其误差更小(小于10%)。推荐采用PRO/Ⅱ V9.4软件(API 2B7.1(2007)计算方法)模拟原油闪点及原油负压闪蒸工艺过程。

2)针对南海某油田原油负压闪蒸装置，真空机组选择1台NC-630干式螺杆真空泵+2台ZJY-1200A罗茨泵+2台ZJY-2500A罗茨泵的真空机组，可满足工艺要求。

3)建议结合工艺模拟软件模拟结果，进一步优化原油负压闪蒸工艺参数。

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Design of Offshore Crude Oil Vacuum Flash Evaporation Process for FPSO

LIUXiang-dong,ZHUHai-shan,ZHOUXiao-hong,LIUYun,GUOXin,ZHANGQian

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Based on the experimental data of crude oil TBP, different method of process simulation software was used to simulate the crude oil flash point. Comparing to the experimental data, it was shown that PRO/ II V9.4 software by API 2B7.1 (2007) calculation method has minimum calculated deviation within 10%. Based on the above simulation process, the process of a Nanhai FPSO crude oil vacuum flash evaporation was simulated to designe the flash equipment based on the simulation parameters, which can meet the requirements of process.

crude oil; flash point; process simulation; calculation method; vacuum flash evaporation

U674.38;TE868

A

1671-7953(2017)05-0102-04

2017-01-17

修回日期：2017-02-20

刘向东(1985—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋石油工程工艺设计