原油热化学脱水工艺参数优化方法研究

郭长会,辛迎春

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

0 前言

油田生产中，需要对油井产出物进行收集和处理，分离出其中的原油和天然气等作为产品。在油井产出物收集、加热等方面开展了很多优化分析[1-2]。原油需要经过脱水处理，将含水降低到成品原油要求的指标。原油脱水的能源、资源消耗和成本在油田生产中占有较大的比例，优化脱水工艺的节能降本意义重大。影响原油脱水能耗的因素主要是来液特性、脱水工艺、脱水设备、脱水药剂和工艺参数等[3-5]。在集输系统节能潜力和节能措施方面已经开展了很多研究[6-8]。在已经建成的处理站中，由于来液特性、处理量和工艺流程及设备已经确定，能够被优化的是脱水温度、药剂品种和加药浓度及加药位置等。药剂品种和加药位置等确定后，日常生产中主要对脱水温度、加药浓度进行优化。在确保处理效果达标的条件下，降低处理站的能耗和运行成本，是原油脱水工艺优化的主要目标。

进行科学高效的参数优化，需要提高理论认识，在脱水优化数学模型方面已经进行了一些探索。以与油气处理直接相关的药剂消耗、燃料消耗、电费等三方面的运行费用总和为目标函数，以外输油含水率为约束条件，把加药量和加热炉出口温度作为优化变量，建立了处理站参数优化数学模型，但是没有给出优化变量约束条件的计算方法[9]。在稠油处理工艺优化中，细化了药剂费、燃料费、电费等目标函数的数学表示方法，提出了油中含水等约束条件，但是约束条件仍为定性描述[10]。目前，处理成本计算方法已经成熟，建立可以计算的数学模型的难点是原油含水等约束条件的数学描述。

郭长会等分析了温度、药剂和沉降时间等参数对原油沉降脱水的作用[11]。分析了含水指标对脱水能耗的影响，指标越低(需要达到的含水越高)，所需要的沉降温度、药剂量和沉降时间条件越低，含水等值面高度越低[12]。利用沉降脱水效果与脱水温度、药剂浓度的关系，探索含水指标与脱水温度、药剂浓度等优化变量之间的数学表达式，可以建立定量化的约束条件，从而形成完备的原油热化学脱水工艺参数优化数学模型。

1 目标函数简化

目前，原油脱水工艺应用比较广泛的是热化学脱水工艺。热化学脱水的直接运行成本主要为加热燃料费用和药剂费用。加热燃料费用主要由脱水温度、热能利用效率、燃料种类和价格等决定。药剂费用由药剂种类、加药浓度和药剂价格决定。假定燃料种类、药剂种类已经开展过优选，不作为优化对象。热能利用效率由设备的结构和运行情况决定，需要通过优化管理来提高和保持，也不作为优化的对象。燃料和药剂价格由市场决定，无法改变，只作为影响参数。因此，优化参数为脱水温度和加药浓度。

单位原油脱水的加热燃料费用为[3,10]

(1)

式中Cr——单位原油加热费用/元·t-1；

T0——原油加热前温度/℃；

T——脱水工作温度/℃；

Co——原油的比热容/kJ·(kg·℃)-1,取2.1；

Cw——水的比热容/kJ·(kg·℃)-1，取4.2；

ω——原油含水率/%；

q——燃料热值/MJ·m-3；

cr——燃料单价/元·m-3；

η——热能利用效率，无量纲。

单位原油药剂费用为

(2)

式中Cy——单位原油药剂费用/元·t-1；

D——加药浓度/mg·L-1；

ρ——原油相对密度，无量纲；

cy——药剂单位费用/元·t-1。

沉降脱水的运行费用为

C=Cr+Cy。

(3)

为了提高经济效益，降低运行成本，热化学脱水优化的目标函数简化如下

(4)

优化的目标是运行费用最低，优化参数为脱水温度T和加药浓度D。优化目标(运行成本)是脱水温度和加药浓度的二元一次函数。

2 约束条件量化

在工艺设备给定的条件下，优化脱水温度和药剂浓度，降低原油含水，满足原油含水指标要求，运行参数优化的约束条件数学表达式如下

W(T,D)≤Wc

(5)

式中W(T，D)——工作温度为T、加药浓度为D的工况下原油含水/%；

Wc——要求达到的原油含水/%。

满足式(5)的工艺条件的集合可以看作是工作温度T、加药浓度D为坐标轴的平面上的部分区域，区域的边界是含水量为Wc的含水等值线，该含水等值线以上区域所代表的工艺条件(脱水温度和加药浓度)能够将原油含水降低到要求的含水指标以下。可以采用现场调整工作参数的方式探索满足约束条件的参数区域。要获得准确、完整W(T,D)≤Wc或者W(T,D)=Wc的难度和工作量较大。为了减少工作量，可以采用插值、拟合等方法进行计算，也可以开展不同加药浓度条件下的原油沉降试验，分析得出含水为Wc时含水等值线上脱水温度和加药浓度的关系式[11]

(6)

式中a、b、c、d——与油品性质、脱水温度等有关的系数。

该关系式为满足含水约束条件的边界线，可优化区域在关系式代表曲线的上部。那么，约束条件W(T,D)≤Wc可以表示为

(7)

实际上，加药浓度的取值应在一定范围内取值。拟合得出的脱水温度和加药浓度的关系曲线，在加药浓度较低和较高时，有可能存在较大的偏差。为了简化计算，按照加药量不小于零进行数学模型的求解。

3 数学模型求解

将目标函数和约束条件结合起来，脱水运行参数优化的数学模型为

T≥T0，

D≥0。

4 计算示例

胜利油田某原油相对密度0.96、粘度1 215 mPa·s，沉降时间按照18.0 h考虑，通过分析获得的不同含水指标等值曲线参数如表1所示[11]，含水等值曲线如图1所示。根据上述分析，满足所要求含水指标的脱水温度、加药浓度的取值区域为等值曲线的右上方。含水要求越高，取值区域越高。含水等值曲线上各运行工况所达到的脱水效果相同。

表1 不同含水等值曲线参数

图1 含水指标约束曲线

假设来液含水30%，温度50 ℃；燃料(天然气)热值36 MJ/m3，热能利用效率为90%，天然气价格为2.5元/m3，药剂价格为2.0 万元/t，不同含水指标约束曲线上各点的运行成本如图2所示。从图2可以看出。

图2 不同含水指标约束曲线上的运行成本(天然气2.5元/m3、药剂2.0万元/t)

(1)不同含水指标约束曲线上运行成本具有类似的曲线形状，随着加药浓度的增加和脱水温度的降低，运行成本先减少后增加。因为随着加药浓度的增加，脱水温度得以降低，加热的燃料费用降低，而药剂费用增加，两者成本之和存在最低值。

(2)最优加药浓度随含水指标的提高而降低。要求的含水指标较低时，可以采用较低的脱水温度、较高的加药浓度实现最经济的脱水。但是，在含水指标提高，要求的含水量降低的情况下，必须要升高脱水温度。因为药剂达到一定浓度以后，对脱水效果增加不再显著，所以不能单纯依靠增加加药浓度实现深度脱水。

为了提高系统的抗冲击能力，提高脱水效果，进一步降低含水的最优措施并非简单的增加药量或者提高脱水温度，通过上述分析可以知道提高脱水温度有可能是更为经济的方法。

(3)脱水指标对脱水成本的影响大，要求达到的含水越低，成本越高。根据经验，密度低、粘度低的原油脱水容易，脱水成本低；密度大、粘度高的原油脱水困难，成本较高。综合考虑生产需要和外输要求，合理地确定不同区块来液或者设备的脱水指标，是降低脱水能耗最有效的手段之一。

当天然气价格分别为3.0元/m3、2.5元/m3、2.0元/m3，药剂单价25 000元/t、20 000元/t、15 000元/t，不同含水指标最优脱水参数及最低脱水成本如表2所示。

表2 不同含水指标最优脱水参数及最低脱水成本

由表2可以看出，在燃料和药剂价格变化时，经济运行参数也发生变化。燃料价格下降、药剂价格升高，最优脱水温度升高、加药浓度降低；反之，燃料价格上升、药剂价格降低，最优脱水温度降低、加药浓度增加。经济运行参数需要根据燃料和药剂的价格进行调整。

5 结论

(1)利用沉降脱水效果与脱水温度、药剂浓度的关系，探索原油含水指标等约束条件的数学表达式，可以建立定量化的约束条件，从而形成完整的原油热化学脱水工艺参数优化数学模型。

(2)经济运行的最优点在含水指标约束曲线(含水等值线)上，并且受到燃料和脱水药剂价格的影响。

(3)脱水指标是影响脱水成本的重要因素。合理地确定脱水指标，可以降低脱水成本。