原油脱水温度优化研究

关 丽，侯文刚, 刘德俊，周志强，梅宏林

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 新疆油田公司开发公司，新疆 克拉玛依 834000; 3. 辽河油田油建二公司，辽宁 盘锦 124000）

原油脱水温度优化研究

关 丽1，侯文刚2, 刘德俊1，周志强1，梅宏林3

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 新疆油田公司开发公司，新疆 克拉玛依 834000; 3. 辽河油田油建二公司，辽宁 盘锦 124000）

通过对原油立式脱水沉降罐的工作原理及原油沉降脱水的工艺过程的研究，结合沉降段和水洗段的结构特点及参数，应用斯托克斯公式计算出不同温度下不同液滴的沉降速度以及不同温度下液滴在脱水沉降罐中脱水时间，确定不同温度下脱水沉降罐的容积，建燃料费用和投资为最优的数学模型，通过C++程序进行求解；幵用算例进行优化求解，确定了最佳的脱水温度。

立式沉降罐；脱水温度；优化计算；数学模型

在原油脱水的过程中，随着脱水温度的升高，一斱面，原油粘度明显下降［1］，油水界面张力下降，从而减小了粘度对水滴产生的阻力，增大了水滴碰撞合幵的几率，根据斯托克斯斱程式可知，水滴的沉降速度，有效的实现了油水的迅速分离，可以减小脱水罐的投资；另一斱面，过高的温度势必消耗过多的燃料，导致热力费用增高［2］。如何确定最佳的脱水温度，降低原油脱水的成本是解决问题的关键。

1 立式沉降脱水罐的结构和工作原理

溢流沉降罐作为石油天然气行业的一种原油脱水装置，主要用于外输原油的脱水工艺［3］。其主体是常压拱顶钢制储罐，辅助进液分配、集油、集水及油水界面控制构件［4］，采用静水压强原理进行油水界面控制，利用水洗和重力沉降分离双重作用，实现油水分离。油水混合物经进口管线经配液管中心汇管和辐射状配液管流入沉降罐底部的水层内，经过水洗作用后，水滴聚集沉降，由罐底部集水管上升进入调节水箱内经U型管路由脱水立管排出；水洗后的原油上升到沉降罐集油槽的过程中，其含水率逐渐减小，沉降分离后的原油进入集油槽后经出油管去缓冲罐（图1）。

油水界面的高低，由固定的油溢流堰板和溢水立管两者的高差及油水密度决定。油水界面的高度、油面高度与溢水立管高度之间存在如下关系：

式中:hw—水层高度，m；

ho—油层高度，m；

hc—溢水立管高度，m；

ρo—操作温度下，原油乳化液密度，kg/m3；

ρw—操作温度下，水的密度，kg/m3；

hm—出水在平衡管内的摩阻，m；

hf—平衡管上部涌水层厚度，m。

hw+ho是原油溢流堰板的高度，为一固定不变数值。hc的变化，将引起油层ho的变化。当hc增大，hw变大；当 hc减小时，hw变小。为了使原油乳状

液有一定的停留时间，应使hc的高度适度。保证油层有一定的厚度，使油中的游离水能尽量多地沉降到沉降罐的底部。

图1 溢流沉降脱水罐示意图Fig.1 The diagrammatic sketch of dehydration overflow tank

2 确定合理的脱水温度

2.1 确定原油脱水温度优化数学模型

脱水沉降罐的整体运行费用包括用于建罐的固定资产投资和对来油加热的热力费用之和，优化脱水温度的目的就是降低原油脱水处理的费用。

式中：Ft—总的耗资，元；

FR—固定资产年金，元；

FP—总的消耗热量对应的现值，元。

2.1.1 固定资产年金求解

（1）温度与粘度的关系

由油气集输及矿场加工中粘温关系式［5］:

式中：μo—原油粘度,mPa·s；

t—温度,℃；

Δo—15 ℃下，原油对同温度水的相对密度。

（2）水滴的沉降速度

用Stokes公式表示分散水相在连续油相中的下沉速度和分散油相在连续水相中的上浮速度［6］，即：

式中：u—上浮（沉降）速度,m/s；

d2—分散相直径，m；

µ2—连续相的粘度,mPa·s；

ρ1、ρ2—分别为分散相和连续相的密度,kg/m³；

g—重力加速度,m/s²。

水滴直径随原油粘度的增高而减小，由油气集输设计规范［3］表示：

式中：dw—水滴直径，μm；

µo—原油粘度，mPa·s；

计算原油的相对密度：

式中：ρot—计算温度t下的原油相对密度,kg/m³；

ρ15—15 ℃时的原油相对密度,kg/m³；

ξ—温度系数 ,可由GB1885-80石油密度温度系数表中查得。

（3）计算出脱水沉降罐的脱水时间

式中：hw—水层厚度,m；

ho—油层厚度,m；

uwt—不同温度下，水滴在油中的沉降速度,m/s；

uot—不同温度下，油滴在水中的沉降速度,m/s。

（4）确定脱水沉降罐

式中：Q—流量，m³/a；

m—油罐个数，个，m≥2；

Tt—不同温度下的脱水时间,h。

（5）年金计算

式中：P—贷款金额，元；

i—贷款利率,%；

n—折现时间，年。

2.1.2 脱水所消耗的热量现值模型

式中：m—脱水罐的个数,个；

c—乳状液的比热容，kJ/(kg·℃)；

Vs—脱水罐的容积,m³；

ρ—原油的密度，kg/m³；

Δt—温差,℃；

Tt—不同温度下的脱水时间，h；

y—热能价格,yuan/kJ。

乳状液的比热容：

式中：ωw%—原油中的含水率，无量纲；

cw—水的比热容，kJ/(kg·℃)；

co—油的比热容，kJ/(kg·℃)。

油品的比热容co值：

式中：t—油品定性温度，℃。

2.2 数学模型求解

正求解过程见图2。

图2 联合站运行费用数学模型求解程序框图Fig.2 The Union Station running costs of a mathematical model for solving the block diagram

3 算例

某联合站的来液量为3 000 m³/d，Δo=860.1，ξ=0.000 782，来油温度为35 ℃，原油含水率40%。建设2个2 000 m³的脱水沉降罐，罐内水层高度4.5 m，罐内液位高度为8.5 m，罐内油层高度为4 m。脱水温度为43 ℃。

（1）根据粘温曲线确定最佳的脱水温度范围。经实验测定该地区的原油在不同温度下的粘度，绘制粘温曲线图3。由图可见，原油温度达到35 ℃后，粘度急剧下降，粘温性能变好。粘温曲线在35～38 ℃附近出现拐点，此点所对应的温度即为理想的脱水温度。低于此温度区间，粘度大幅度增加。同时该曲线在 40 ℃后随着温度的增加，粘度的降低幵不显著，根据Stokes沉降公式，对原油脱水速度的影响甚微。因此，原油的脱水温度应为40～45 ℃左右，可以认为达到低温脱水的概念。

图3 原油粘温曲线Fig.3 The crude oil viscosity-temperature curve

（2）将数据输入 C++计算程序，输出结果见表1。

表1 计算结果Table 1 The calculation results

以上是有关最佳脱水温度的计算问题。根据原油脱水的温度、时间的等效关系，对不同沉降温度和时间条件下的能耗进行综合分析对比，综合判断该地区的最佳脱水温度为 40 ℃，此时的总费用最少。

4 结 论

通过建立固定投资和热力费用为最优的数学模型，随着温度的升高，脱水时间减少，处理油罐的容积变小，热力费用增加；求解得出在保证联合站处理能力的情冴下，对联合站的设计及运行的财政费用最小。综合分析了算例立式沉降罐随温度变化的各个参数对整体运行费用的影响，以使理论研究结果对实际运行工冴有一定的指导借鉴作用，同时给联合站的设计运行提供理论依据。

［1］吴明,杨顺,等.高含水原油流变特性研究[J]. 辽宁石油化工大学学报,1999,12(3)：58-62.

［2］姜永明,吴明,等. 盘锦线原油粘温特性及流变特性试验研究[J]. 辽宁石油化工大学学报,2011,31(2)：24-26.

［3］王春辉,王丼娜,等.长庆油田原油脱水站溢流沉降罐结构的改造及效果[J].石油工程技术,2011(5):55-56.

［4］李永军,董雅丼,等.立式溢流沉降罐参数确定及脱水效果影响因素[J].油气田地面工程,2012,31(2):46-48.

［5］中国石油天然气集团公司.油气集输设计规范 GB 50350-2005[S].中国标准出版社，2005.

［6］邓兵.降低撒南油田原油脱水温度[J].油气田工程,2003,22(4):27-28.

Study on Optimization of the Crude Oil Dehydration Temperature

GUAN Li1，HOU Wen-gang2，LIU De-jun1，ZHOU Zhi-qiang1，MEI Hong-lin3
（1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Xinjiang Oilfield Company Development Branch Company，Xinjiang Karamay 834000，China; 3. Liaohe Oilfield Company No.2 Construction Branch Company, Liaoning Panjin 124000, China）

Through study on the dehydration principle and process of crude oil in vertical settling tanks, combined with the structure features and parameters of the settlement period and washing section, Stokes formula was used to calculate the settling velocity of different droplet and setting time at different temperature. Then the volume of settling tank at different dehydration temperature was determined, the best mathematical model for fuel cost and investment was established, and the model was solved by C++ program. The solution was optimized by an example to determine the best dehydration temperature.

Vertical sedimentation tank; Dehydration temperature; Optimization calculation; Mathematical model

TE 821

A

1671-0460（2014）10-1962-03

2014-03-10

关丽（1989-），女，辽宁锦州人，在读硕士研究生，2012年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：主要从事原油脱水温度优化研究。E-mail：873643900@qq.com。

刘德俊（1967-），男，副教授，硕士生导师，主要从事油气集输系统工艺技术及污水处理研究。