Автоматизация процессов обезвоживания и обессоливания нефти на установках ЭЛОУ-АТ и ЭЛОУ-АВТ

Автоматизация процессов первичной переработки нефти

В этой и следующих главах приведено описание схем автоматизации некоторых основных технологических процессов без учета систем противоаварийной защиты процессов, защиты отдельных видов оборудования и оснащения технологических процессов в соответствии с требованиями действующих технических регламентов, норм и правил. В описании приведены основные типовые контуры регулирования, которые для лицензионных процессов могут быть дополнены контурами, требуемыми Лицензиарами.

Автоматизация процессов обезвоживания и обессоливания нефти на установках ЭЛОУ-АТ и ЭЛОУ-АВТ

Поступающая с промыслов нефть в зависимости от группы содержит хлористые соли (в количестве 100-900 мг/дм3), включая до 10 мг/дм3 хлоридов во фракции, выкипающей до 204 °С, пластовые воды (до 1 %масс.) и механические примеси (до 0,05 %масс.). Данные параметры регламентируется ГОСТ Р 51858- 2002 «Нефть. Общие технические условия».

При этом нефть и вода образуют трудноразделимые эмульсии (в основном эмульсию воды в нефти). Для дальнейшей переработки нефти требуется снизить содержание солей до 0,1 %масс. и менее, а воды — до 3...5 мг/л.

Требования к ограничению содержания солей и воды в нефти обусловлены необходимостью увеличения межремонтного пробега атмосферных и атмосферно-вакуумных установок, уменьшения коррозии оборудования и аппаратуры, а также улучшения качества котельных топлив, коксов и битумов. Кроме того, на установках переработки нефтяных фракций повышенное содержание воды и солей приводит к повышенному расходу топлива и катализаторов.

Большая часть воды в нефти находится в виде эмульсий. На поверхности капелек воды адсорбируются смолистые вещества, асфальтены, водорастворимые органические кислоты и высокодисперсные частицы твердых парафинов. Для разрушения поверхностной адсорбционной пленки, а также для улучшения условий коагуляции в нефть добавляют деэмульгаторы. Для ускорения данный процесс обычно проводят при повышенных температурах (100-120 °С). Наиболее стойкие мелкодисперсные нефтяные эмульсии разрушаются под действием электрического поля. Таким образом, процессу электрообезвоживания способствуют как деэмульгаторы, так и повышенная температура. Для снижения испарения нефти процесс электрообессоливания проводят при повышенном давлении.

Процесс глубокого обезвоживания и обессоливания осуществляется на электрообессоливающих установках (ЭЛОУ), которые входят в состав ЭЛОУ-АТ (атмосферно-трубчатой установки) или ЭЛОУ-АВТ (атмосферновакуумной трубчатой установки перегонки нефти).

На практике зачастую применяют двухступенчатые схемы электро-обессоливания с использованием переменного электрического тока с напряжением 22-44 кВ. При этом на I ступени в электродегидраторах удаляется 75-80 %масс. воды и 95-98 %масс. солей, а на II ступени удаляется 60-65 %масс. оставшейся эмульсионной воды и 89-93 %масс. оставшихся солей.

Процесс обессоливания нефти связан с промывкой ее свежей водой, при этом для снижения расхода воды в качестве свежей воды используют обратную (рециркуляционную) воду, конденсат, очищенную воду технологических процессов и дренажную воду. Процессы обезвоживания нефти осуществляются в электродегидраторах I и II ступеней. Для разрушения эмульсии (деэмульгации) в сырую нефть вводят деэмульгатор (20...25 г/т), а для снижения кислотности воды до значений, близких к нейтральным, после теплообменников вводят щелочь.

Электродегидратор представляет собой горизонтальный аппарат для обезвоживания и обессоливания нефти в электрическом поле высокого напряжения (20...44 кВ). Расстояние между двумя горизонтальными электродами, расположенными в средней части по всей длине аппарата, составляет 200...400 мм. Обезвоженная нефть выводится через верхний
коллектор, а выделившаяся из нефти вода — с низа аппарата. Нефть в электродегидраторе движется вверх, проходя через слой воды со скоростью 5...7 м/ч, и далее через зону слабого электрического поля, расположенную между уровнем воды и нижним электродом. Затем нефть поступает в зону сильного электрического поля между двумя электродами, в которой происходит процесс интенсивного обезвоживания, и далее через верхний коллектор отводится в электродегидратор II ступени. Устройство оризонтального электродегидратора представлено на рис. 8.1. Перед электродегидратором второй ступени нефть смешивается с подогретой до 60...70 °С водой и с выхода электродегидратора после дополнительного подогрева поступает в ректификационную колонну атмосферного блока АТ или АВТ.

Схема автоматизации вухступенчатой установки ЭЛОУ, выполненная в стандарте ISA 55.1-84 (92), приведена на рис. 8.2. В некоторых контурах в схемах автоматизации технологических процессов (см. последующие главы) обозначения преобразователей опущены.

Автоматизация процесса обезвоживания и обессоливания нефти на установках ЭЛОУ-АТ и ЭЛОУ-АВТ, а также автоматизация других технологических процессов, описываемых в данном пособии, предполагает определение показателей эффективности процесса (ПЭ), цели и критериев управления процессом (ЦУ и КУ соответственно). Ограничения переменных состояния (температуры, давления, уровня и т. п.) обусловлены требованиями пожаровзрывобезопасности процессов, а также требованиями к показателям качества целевого продукта. К ограничениям относят также содержание примесей в сырье и целевом продукте.

Под эффективностью технологического процесса понимают технологическую и экономическую эффективность. Технологическая эффективность подразумевает зависимость между затраченными ресурсами и полученной продукцией и оценивается критериями min затрат на единицу продукции и max полученной продукции при минимуме затраченных ресурсов на ее производство.

Экономическая эффективность процесса означает стоимостную зависимость между расходами на производство и доходами от реализации продукции. Критерием экономической эффективности является получение максимальной (max) прибыли на единицу затрат на производство. Интегральным критерием экономической эффективности может служить себестоимость продукции, учитывающая затраты на единицу продукции.

Для большинства процессов показатель эффективности может быть представлен как состав целевого продукта (например, дистиллята или кубового остатка при ректификации) или содержание выходного компонента (например, выход ацетилена в процессе пиролиза или концентрация извлекаемого компонента в процессе абсорбции), полученные при минимизации затрат на единицу продукции.

Целью управления процессом при этом является поддержание заданного состава или выходного компонента на определенном значении — например, поддержание заданного состава целевого продукта в процессе ректификации или поддержание выхода ацетилена на заданном значении в процессе пиролиза. Для многих процессов целью управления является стабилизация основных регулируемых параметров — температуры, давления, уровня, расхода, концентрации, pH раствора и т. д. Критерии оптимизации процесса имеют минимаксные значения и определяются технологическими или экономическими требованиями. К технологическим критериям управления (КУ) относят min CKO (среднеквадратичного отклонения) или дисперсии регулируемых параметров, максимум быстродействия переходных процессов и т. д. Экономические критерии оптимизации предполагают min себестоимости, min приведенных затрат на единицу продукции, min содержания примесей, max прибыли от реализации продукции и т. п.

Основными технологическими параметрами, подлежащими контролю, регулированию и оптимизации, являются температура, давление, расход промывной воды и ее распределение между различным числом ступеней электрообессоливания, расход деэмульгатора, уровень воды и другие параметры.

Сырая нефть смешивается с циркулирующим солевым раствором и свежей водой и с добавлением деэмульгатора подается насосом Н-1 двумя параллельными потоками через систему теплообменников Т-1 + Т-6, в которых нагревается до температуры 100... 120 °С за счет тепла нефтепродуктов блока АТ. Далее сырая нефть поступает к инжекторному смесителю, где смешивается с раствором щелочи и солевым раствором со II ступени обессоливания. Далее смесь подается в коллектор нижней части горизонтальных электродегидраторов I ступени ЭД-1-нЭД-З, работающих параллельно.

Количество электродегидраторов определяется общим солесодержанием перерабатываемой нефти, производительностью установки и выбранным типоразмером электродегидраторов.

Для определения качества сырой нефти на вводе в установку проводится контроль качества нефти на содержание в ней воды и солей и определение плотности (контуры 1-3).

Распределение на два потока обеспечивается двумя контурами регулирования расхода с коррекцией по уровню в отбензинивающей колонне К-1 (контуры 4 и 5) блока АТ. Осуществляется также контроль температуры нефти после теплообменников на входе и выходе из электродегидраторов ЭД-1-ЭД-3 (контуры 6 и 7).

Для нагрева сырой нефти в теплообменниках Т- 1...Т-4 используется циркуляционное орошение (ЦО) от блока АТ, которое через теплообменники возвращается в колонну АТ. Регулирование температуры на выходе из теплообменников осуществляется изменением расхода клапанами на линиях байпаса (контуры 8 и 9).

Частично обессоленная и обезвоженная нефть из электродегидраторов I ступени поступает в общий коллектор и затем в электродегидраторы II ступени ЭД-4-ЭД-6, работающие параллельно.

Для подавления хлористоводородной коррозии в коллекторы перед электродегидраторами ЭД-1...ЭД-3 и ЭД-4...ЭД-6 подается 1ч-2%-ный раствор щелочи. Расход раствора щелочи, подаваемой на входы электродегидраторов, стабилизируется (контуры 10 и 11).

На прием насосов подачи нефти Н-1 и в смесительные клапаны перед электродегидраторами ЭД-4-ЭД-6 подается свежая вода, расход которой стабилизируется (контуры 12 и 13).

Нефть в электродегидраторы поступает снизу через маточники, создающие равномерный поток нефти снизу вверх в электрическом поле переменного тока и высокого напряжения по всему сечению аппарата. Обезвоженная и обессоленная нефть выводится из электродегидраторов ЭД-4...ЭД-6 и направляется в блок АТ.

Солевой раствор с низа электродегидраторов автоматически сбрасывается: из ЭД-1-ЭД-3 — в емкость-отстойник Е-1, а из ЭД-4-ЭД-6 — в емкость-отстойник Е-2. Уровень раздела фаз в электродегидраторах ЭД-1-ЭД-3 и ЭД-4-ЭД-6 поддерживается изменением расхода выводимого из электродегидраторов солевого раствора (контуры 14 и 15).

Солевой раствор из емкости-отстойника Е-1 охлаждается в воздушном холодильнике Хв-1 и направляется на очистные сооружения завода. Уровень в емкости Е-1 поддерживается изменением расхода солевого раствора, поступающего на очистные сооружения (контур 16). Часть солевого раствора из емкости-отстойника Е-1 возвращается в сырую нефть. Расход солевого раствора поддерживается постоянным (контур 17). Расход солевого раствора, выводимого из отстойника Е-1 в очистные сооружения, контролируется (контур 24).

Температура солевого раствора на выходе из холодильника Хв-1 регулируется изменением частоты вращения электродвигателя вентиляторов воздушных холодильников с помощью преобразователя частоты (контур 18).

Солевой раствор из емкости-отстойника Е-2 насосами Н-2 подается на промывку нефти на входе в каждый электродегидратор I и II ступени. Расход солевого раствора, подаваемого в каждый электродегидратор, стабилизируется (контуры 19 и 20). Вместе с солевым раствором в емкости-отстойники может частично увлекаться эмульсия нефти. По мере накопления отстоявшаяся нефть выводится из емкостей-отстойников через холодильник Х-1 на прием сырьевых насосов Н-1.

Для определения эффективности работы блока обессоливания на выходе с блока ЭЛОУ (контуры 21 и 23) проводится контроль обессоленной и обезвоженной нефти на содержание воды и солей с учетом температуры нефти, выводимой из электродегидратора (контур 22).

В последнее время при строительстве новых и реконструкции действующих производств находят применение и инновационные технологии, позволяющие обрабатывать большие объемы сырья в аппаратах с высокой удельной производительностью и совмещать две ступени обессоливания в одном аппарате. Такая технология разработана компанией Natco Group (США) и называется технологией EDD®(«Технология двойной полярности»®).

Термин «Двойная полярность»® относится к эксклюзивной электростатической системе, разработанной компанией Natco Group, которая вместо традиционной электрической системы с использованием переменного тока использует для более эффективного извлечения воды как поле переменного, так и поле постоянного тока.

Применение электродинамических обессоливателей EDD® позволяет довести удельную производительность электродегидраторов до 3 м³/ч на 1 м-электродегидратора и добиваться требуемого качества обессоленной нефти (не более 2 мг солей/л в одном аппарате).

Совмещение двух ступеней электрообессоливания в одном аппарате позволяет также исключить из схемы насосы рециркуляции промывной воды.

Схема автоматизации блока электрообессоливания с использованием технологии двойной полярности, выполненная упрощенным способом по ГОСТ 21.404-85 и ГОСТ 21.408-93, приведена на рис. 8.3. Средства автоматизации для данной технологической схемы аналогичны средствам автоматизации по рис. 8.2.

Сырая нефть насосами Н-1 подается через теплообменники Т-1 и Т-2, нагреваясь за счет тепла конденсации верхних потоков отбензинивающей колонны К-1 и фракционирующей колонны К-2. Распределение по потокам

осуществляется регулированием расхода с коррекцией по уровню в отбензинивающей колонне К-1 блока АТ (контуры 1 и 2).

Сырая нефть после теплообменников Т-1 и Т-2 нагревается в теплообменнике Т-3 верхним циркуляционным орошением колонны К-1. Температура нагрева нефти поддерживается изменением расхода потока циркуляционного орошения колонны К-1 через соответствующий теплообменник Т-3 с помощью клапана, установленного на байпасе охлаждающего потока (контур 8).

В приемный трубопровод сырьевых насосов Н-1 подается нефтерастворимый деэмульгатор.

На входе в установку производится контроль качества сырой нефти на содержание в ней воды и солей, а также контроль плотности (контуры 5, 6 и 7).

После теплообменника Т-3 нагретая до 115-125 °С нефть разделяется на два параллельных потока и поступает в электродегидраторы ЭД-1 и ЭД-2. Распределение по потокам осуществляется регулированием давления в каждом потоке с помощью регуляторов перепада давления (контуры 9 и 10).

Перед электродегидраторами в каждый поток нефти вводится промывная вода (контуры 11 и 12), а другая часть промывной воды подается непосредственно внутрь электродегидраторов через специально разработанные распределители, расположенные над электродами в верхней части электродегидраторов (контуры 13 и 14).

Нефть в электродегидраторы поступает снизу через маточники, создающие равномерный поток нефти сниз> вверх в низкоградиентном поле переменного тока, где коалесцируется большая часть воды. Эмульсия с мелкими каплями воды поднимается вверх в высокоградиентное поле постоянного тока, которое способствует коалес- цированию и отделению мельчайших капель воды.

Солевой раствор с содержанием нефтепродукта до 500 мг/л выводится из нижней части электродегидраторов ЭД-1 и ЭД-2, охлаждается в воздушных холодильниках Хв-1 и выводится с установки.

Поддержание уровня солевого раствора в электродегидраторах ЭД-1 и ЭД-2 осуществляется изменением расхода выводимого солевого раствора (контуры 15 и 16).

Температура солевого потока на выходе из воздушного холодильника регулируется изменением частоты вращения электродвигателя вентилятора с помощью преобразователя частоты (контур 17).

Для определения эффективности процесса обессоливания и обезвоживания производится контроль качества обессоленной и обезвоженной нефти на выходе электродегидраторов по содержанию в ней воды и солей и определению плотности (контуры 18, 19 и 20).

Таким образом, показателем эффективности процесса является степень обезвоживания и обессоливания сырой нефти. Цель управления установкой ЭЛОУ — поддержание заданного значения содержания в нефти водь и соли. Критерий управления — min среднего квадратичного отклонения (СКО) этих параметров от заданны> значений.

Целью управления установкой ЭЛОУ является поддержание заданного значения содержания в нефти водь и соли, а критерием управления или целевой функцией — минимизация этих параметров.

В качестве примера рассмотрим средства автоматизации двухступенчатой установки ЭЛОУ (рис. 8.2) с ис пользованием применяемых на нефтеперерабатывающих заводах приборов и регуляторов компаний Emerson Siemens и др.

В схеме автоматизации использованы следующие средства автоматизации:

• на полевом уровне — преобразователи расхода 3051 SFC и диафрагмы камерные стандартные ДКС 10—20С компании Emerson; преобразователи избыточного давления 30515 с мембранным разделителем 1199 компаниг Emerson; измерители уровня раздела фаз KSR компании KSR KUEBLER или ID 201 компании AGAR Согр.; термо пары ТХКУ 205 Ехіа НПП компании «Элемер»; анализатор плотности проточного типа MicroMotion 7835 ком пании Emerson; анализатор содержания соли типа 44561 группы компаний РАС; поточный анализатор содержа ния воды типа ВТН-1; пневматические регулирующие клапаны easy-e в комплекте с электроiuiевматически\ позиционером серии DVC6000 компании Emerson; станция распределенного ввода-вывода и управления Simatu ЕТ 200М или Simatic ЕТ2005 компании Siemens;

• на контроллерном уровне — модульный программируемый логический контроллер Simatic 57-300 или Si matic 57-400;

• на диспетчерском уровне — промышленные 19-дюймовые ПК стоечного исполнения Simatic Rack PC (ин терфейсы Ethernet, Profibus DP, PROFINET) c ZCD-монитором серии SCD и SCAD А-система Simatic WinCC V7.0.

В примере автоматизации двухступенчатого блока ЭЛОУ выбраны преобразователи с выходным сигналоь 4...20 мА и исполнительные устройства (регулирующие клапаны с позиционером) с входным сигналом 4...20 мА Сигналы от первичных преобразователей и сигналы на исполнительные устройства обрабатываются станцией распределенного ввода-вывода Simatic ЕТ 200М, связанной по локальной сети PROFINET с модульным ПЛК Si matic 57-300.

Станция ЕТ-200М включает до 8-12 сигнальных, функциональных и коммуникационных модулей ПЛБ 57-300. Интерфейсный модуль IM 153-4 PN10 предназначен для подключения станции ЕТ-200М к сети PROFI NET и имеет встроенный двухканальный коммутатор Industrial Ethernet РВ и два гнезда /(/45 для расширения то пологий сети.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: