原油闪蒸系统稳定工艺参数优化

渤海某油田闪蒸系统于2013年开始投用，主要功能是为主发电机提供高闪点燃料油，因此其运行的稳定性对于发电系统有着重要意义。在投用的6年时间内，该系统运行效果良好，但近期由于原油组分发生变化等原因，真空系统运行平稳性变差，压力变送器所检测压力周期性大幅波动，导致闪蒸设备频繁由于真空系统压力高高报警停机，处理量也难以满足燃料油供给要求。分析问题原因，认为：在闪蒸设备运行过程中，当真空系统启动时，气流中的轻烃蒸汽流过冷凝器的换热腔时被冷凝下来[1]，流到集液腔中并定期进行排液工作，在排液开启瞬间，由于打破了原有的压力平衡状态，会瞬间造成真空系统压力波动，当参数设定不合理时就会造成压力高高报警引起设备停机[2-3]。为了解决闪蒸设备运行过程中频繁停机的问题，需要对影响设备工作的相关参数进行优化调节，并确定其最佳运行工况，从而减少设备运行时的压力波动，保证闪蒸设备的平稳运行。

1 闪蒸系统运行分析

1.1 运行过程

闪蒸系统组成见图1[4]。

图1 闪蒸系统组成

其运行过程为：操作人员将各参数设定值确定好后点击启动按钮，闪蒸系统会首先进行自检过程，如果自检过程发现问题则自动停机并提示相应故障报警；自检过程通过后，首先启动前级泵，前级泵正常启动后，通过泵的抽吸作用会使闪蒸塔真空度增高，闪蒸塔出口真空管线上设置一压力变送器PIC-01，当压力变送器PIC-01检测到压力达到2 500 Pa后，会给闪蒸系统一反馈信号控制真空泵启动，真空泵的启动会进一步降低闪蒸塔内的压力，当压力变送器PIC-01检测到压力达到设定压力1 800 Pa后，输油系统逐步启动；在设备运行过程中冷凝系统一直处于启动状态，闪蒸系统保持稳定运行。

冷凝系统主要包括以下组件：①氮气补压相关组件，用于破除冷凝器积液腔室内真空度，并通过提升积液腔室内压力实现腔室内液体的排放，主要包括氮气气源、调节进气压力的PCV-01以及控制进气与否的SDV-03；②冷凝器上部换热腔室及积液管线，用于冷凝轻烃组分并通过SDV-02控制冷凝液是否进入积液腔室；③冷凝器下部积液腔室及排液管线，主要用于收集从换热腔室流下来的冷凝液，并通过SDV-04控制是否向下游排液；④冷凝器压力缓冲管线，包括气动高真空挡板阀SDV-01及其下游球阀[5]，用于平衡冷凝器上部换热腔室与下部积液腔室压力，其中气动高真空挡板阀SDV-01开启时间及球阀开度可手动调整。

冷凝系统工作过程为：当真空系统启动时，闪蒸塔内由于真空度的存在会促使原油中的轻组分气化并经真空泵处排至下游；当这部分轻组分到达冷凝器处后，由于冷凝器上部换热腔室始终保持冷水循环具有较低的温度，这就使得大部分轻烃蒸汽能够冷凝液化；液化后的轻烃组分将会流到冷凝器下部积液腔室中，并且会越积越多，在此过程中SDV-02处于打开状态。集液腔室中的液体越积越多时，当冷凝器内液位计检测到信号或冷凝器达到设定排液时间间隔后(出厂设定时间为30 min)，冷凝器开始执行排液操作，先关闭SDV-02，然后打开破真空阀门SDV-03向冷凝器内补充氮气破除积液腔室内的真空，延时2 min后打开排液阀SDV-04，2 min后关闭阀门SDV-03及SDV-04，打开气动高真空挡板阀SDV-01，延时4 min后SDV-01关闭，打开集液阀SDV-02，如此循环执行冷凝-集液-排液工作。

1.2 存在问题

在冷凝器工作过程中，阀门SDV-01的开启目的是利用其小管径来平衡冷凝器上下压力，避免集液阀SDV-02打开时对真空系统真空度造成较大波动。但在运行过程中，由于原油物性发生变化，每当排液过程结束，SDV-02开启时引起PIC-01压力剧烈波动，引起设备停机。分析冷凝器运行过程发现，为了最大程度降低SDV-02开启时对真空系统的影响，可以从SDV-01开启的持续时间、SDV-01下游球阀的开度，以及冷凝器破真空的氮气压力3方面着手进行调整。当时三者状态为：SDV-01开启的持续时间240 s、SDV-01下游球阀的开度60%、冷凝器破真空的氮气压力50 kPa。

2 调整过程

2.1 参数选取

采用现场试验加数据分析的方法分别对不同SDV-01开启的持续时间、SDV-01下游球阀的开度及冷凝器破真空的氮气压力情况下PIC-01压力变化情况进行记录分析。

冷凝器破真空的氮气压力在影响真空系统的同时，还会对其自身排液造成影响，试验表明，当氮气设定压力降到38 kPa时，冷凝系统排液受阻，无法维持闪蒸系统正常运行，因此在参数优化过程中选取氮气压力40、42、44、46、48、50 kPa这6个数据点。在SDV-01开启时间上选取240、270、300、330、360 s这5个数据点；在SDV-01下游球阀开度上选取60%、65%、70%、75%、80%这5种开度。

2.2 数据记录

试验中，通过调节上述选取参数，依次得到SDV-02开启后PIC-01压力，为了便于数据分析，将SDV-02开启后PIC-01压力折算成变化率，汇总见图2～4。

图2 PIC-01压力随PCV-01设定压力的变化

2.3 数据分析

2.3.1 PCV-01设定压力对真空系统影响

由图2可见，随着PCV-01设定压力的增加，虽然在同一PCV-01设定压力下SDV-01下游球阀开度也会对真空系统造成一定影响，但其整体PIC-01压力平均变化率由91%上升到了190%。这是因为随着PCV-01设定压力的增加，会导致冷凝器内下部排油腔室压力升高，在将平衡阀SDV-01打开后虽然可以一定程度上将这部分压力泄放，但其原始压力高，势必会导致泄放后剩余压力依旧偏高，当SDV-02打开后也就会对真空系统造成更大的影响。因此，在满足冷凝系统工作压力要求的同时，需要将PCV-01设定压力尽可能降低，控制在44 kPa以下为宜。

2.3.2 SDV-01开启时间对真空系统影响

通过图3可得到PIC-01压力随着SDV-01开启时间增加的变化规律。虽然在同一SDV-01开启时间下SDV-01下游球阀开度也会对真空系统造成一定影响，但其整体PIC-01压力平均变化率由234%下降到了106%。这是因为随着SDV-01开启时间的增加，冷凝器内下部排油腔室压力能够得到充分泄放，其腔室内剩余压力势必逐渐降低，当SDV-02打开后也就会对真空系统造成的影响越来越小。因此SDV-01开启时间设定值可以适当延长，控制在300S以上为宜。

图3 PIC-01压力随SDV-01开启时间的变化

2.3.3 SDV-01下游球阀开度对真空系统影响

为了便于观察SDV-01下游球阀开度对真空系统影响，特选出图4中几种工况进行分析。通过图4可以看出，随着SDV-01下游球阀开度的增加，PIC-01压力变化率在不同PCV-01设定压力及SDV-01开启时间下变化规律并不一致，即在40 kPa-240 s、44 kPa-300 s、44 kPa-360 s条件下其变化规律接近正相关；在48 kPa-240 s、44 kPa-240 s条件下其变化规律接近负相关；其他条件下则无明显变化规律。出现这种现象一方面是因为该球阀过气量受气动高真空挡板阀SDV-01的限制影响，另一方面是因为球阀的开度也会受人为操作误差的影响，因此还需针对具体工况确定SDV-01下游球阀开度最佳开度。

图4 PIC-01压力随SDV-01下游球阀开度的变化

2.3.4 确定最终调整方案

通过上述分析可知，当PCV-01设定压力在44 kPa以下、SDV-01开启时间设定值在300 s以上条件下可最大程度降低PIC-01压力变化率。因此选出特定PCV-01设定压力-SDV-01开启时间工况对比得出最优结果。

对比图5中4种特定工况下PIC-01压力变化率可知：在42 kPa、330 s条件下PIC-01压力变化率最为平稳，变化在4%以内；在40 kPa、330 s条件下PIC-01压力变化率最低，平均平均变化率为59%；考虑到SDV-01下游球阀开度对系统的影响，当SDV-01下游球阀开度为70%左右时PIC-01压力变化率最低，为55%。

图5 PIC-01压力随SDV-01下游球阀开度的变化

3 结论

随着PCV-01设定压力的增加，相应的PIC-01压力变化率增加，随着气动高真空挡板阀SDV-01开启时间的增加，相应的PIC-01压力变化率降低。同时通过试验数据的对比，结合对系统内各参数运行规律的分析，得出最佳运行方案：SDV-01开启的持续时间330 s、SDV-01下游球阀的开度70%、冷凝器破真空的氮气压力40 kPa。该工况参数应用后，闪蒸设备再未发生因压力波动停机的问题，保证了闪蒸设备的平稳运行。由于闪蒸系统运行受原油油品组分影响较大，当原油组份发生变化时，可能会再次出现真空系统压力大幅波动的问题，届时可参考此次试验过程，通过运行参数优化降低或消除油品组分对闪蒸系统的影响。