海洋石油工艺设计手册3-工艺流程模拟计算

第三章油气处理工艺设计

工艺流程模拟计算

当工艺过程确定后，就需要通过工艺模拟来对其进行解析计算，以便改进工艺流程,

完善工艺方案。通常在工艺设计、开发中所说的工艺模拟是指利用专业软件，在输

入所需的数据后，对工艺流程进行模拟演算，通过对演算结果的分析和研究，适当

调整输入数据或流程参数，使得演算结果满足工艺流程设计的要求。

常用工艺流程模拟软件介绍

目前，国内石庙化工领域进行工程设计时常用的工艺流程模拟软件主要有

HYSYS.PROCESS和PRO/H。

1.HYSYS.PR0CESS

HYSYS.PROCESS软件是力口拿大HYPROTECH公司研缶的仿真模拟软件HYSYS的

子软件包。HYPROTECH公司是一家从事计算机仿真技术开发的世界级专业技术公

司，其软件产品现已遍布80多个国家，有17000多家用户，涉及化工、石油炼制、制

药、矿冶工业等多个领域。据2000年统计，全球50%的石油炼制企业、90%的天然

气加工企业使用HYPROTECH公司开发的仿真技术。目前，HYPROTECH公司已被

美国ASPENTECH公司兼并。

HYSYS软件由一系列具有专门功能的子软件包组成，包括HYSYS.PROCESS、

HYSYS.PLANT,HYSYS.CONCEPT、HYSYS.OTS+和HYSYS.RTO+等。这些子软

件包既可单独使用，又可在同一平台上联合使用；既适应于新的石油化工过程的设

计与开发，又可用于对已有过程和装置的改善；与工厂的控制硬件相连，还可对全

厂生产实行在线优化操作；它还具有设计、优化新过程，模拟工厂的生产过程和预

测工厂可能发生的问题等功能。它既可缩短小试、中试等研究时间，又可节省研究

成本，为工艺的直接放大与提升起到决定性作用。其中的HYSYS.PROCESS子软件

包主要用于石油化工领域的工艺设计与开发。

2.PRO/II

PRO/II是美国SIMSCI(SIMULATIONSCIENCESINC.)公司在结合了其前身

PROCESS软件和ASPEN软件技术的基础上于1988年推向市场的该公司第三代流程

模拟软件。该软件是一个综合系统，现已广泛用于石油/天然气加工、炼油、化学、

化工、聚合物、精细化工和制药等领域。

该软件由流程模拟程序、大型纯组分物性数据库、应用广泛的热力学性质推算包、

先进且适用性强的单元过程模块所组成，以序贯模块法模拟策略，为工程师提供了

一个易于掌握、能灵活运用的有效的设计工具。从基本的闪蒸到复杂的反应精镭，

从石油炼制中的原有的初始预热到后续的乙烯工业、聚合物的生产，PRO/II都提供

了有效的模拟方式。PRO/II可以用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、装置

改造、优化和改进装置产量和效益、费用估算/经济评价、环保评测以及其他工程计

算。软件能提供多种模型如：一般化闪蒸、精储、换热器、反应器、聚合物、固体

和多种热力学模型等以供用户选择。用户界面直观简便，适用于PC电脑和各种工作

站平面。

二、模拟前的基础数据准备

在进行工艺模拟计算之前，首先要做好基础数据的准备工作。一般说来，基础数据

准备得越充分，所得到的模拟结果也就越准确。下面分别介绍油田、凝析气田、气

藏气田在工艺模拟前应准备的基础数据。

油田

1)地面原油基础物性

在工艺模拟时，原油下列6个基础物性中最少需要知道前4个基础物性中的2个，后2

个基础物性为参考值。

(1)分子量

作为一种确定组成(已知混合物的分子、重量或摩尔组成)的混合物，原油的

分子量可以通过下列公式获得：

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

(2-3-1)

式中：

弭业3EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

组分的摩尔分数；

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

组分的分子量。

但通常需要模拟的原油都不能确定组分，靠上述这种加和的方法来计算原油的分子

量是不可能的，需要通过专门的测定方法或经验公式得到。

(2)标准密度或比重

我国国标(GB/T1884-2000)规定的标准密度为常压(101.325kPa)下20℃时的密

度，国际标准(ISO)规定的标准密度为常压(101.325kPa)下15.56C(60°F)时

的密度。由于现在应用的大多数工艺模拟软件由国外开发，所以在输入标准密度值

时要注意换算。

比重也称相对密度，我国对比重定义为20℃时的原油密度与4c时纯水之比，欧美国

家规定原油的比重为15.56C(60T)时原油密度与相同温度下纯水之比。

(3)特性因数K

特性因数K可用来给原油分类，在一定程度上反映了原油的烧类分布情况，有时也

被近似看做是石蜡指数，一般在8〜15之间。

(4)粘度

一般提供两个不同温度下(通常为20℃和50C)的运动粘度或动力粘度值即可。

(5)凝固点

(6)蜡、胶质、沥青、硫等物质的含量

2)地面原油实验室蒸镭数据

实验室蒸储数据根据其类型主要分以下5种：

（1）实沸点（TBP）蒸储数据

TBP数据是用于表征原油及原油储分汽化性能的主要实验数据，TBP蒸储设备是一

种实验室间歇精储，也是一种规格化的蒸镭设备，规定其精微柱应相当于17块理论

板，且应在规定的试验条件下操作，所得数据通常以体积或重量分率和相应的沸点

用图或表格的形式表示。实沸点蒸镭实验由于是在常压下进行，为避免发生裂解，

原油实沸点蒸镭时通常只能蒸出约50%（重）的储分，其余残液可测定其相对密度

和分子量，用作进一步关联参数。在工艺模拟时\般最少要给出5个数据点。

（2）ASTMD86和ASTMD1160蒸储数据（单独或混合）

ASTMD86和ASTMD1160蒸锵数据都是美国材料试验协会规定的在常压下进行的

原油蒸储试验方法，它们都采用实验室间歇精储，但所进行的是无回流的恩氏闪蒸,

其中ASTMD86蒸储法用于轻质-中质原油，ASTMD1160蒸镭法用于重质原油。目

前的工艺模拟软件多数以实沸点（TBP）蒸储数据作为实验室分析数据的基础，在

得到ASTMD86和ASTMD1160蒸储数据后，会自动根据API数据书（APIDataBook）

中规定的标准方法（见5Al.13）将其转化为实沸点（TBP）蒸储数据。

（3）ASTMD2887模拟蒸镭数据

ASTMD2887为美国材料试验协会规定的在原油色谱分析数据基础上进行的模拟蒸

储，所得数据以重量分率用图或表格的形式表示。

（4）色谱分析数据

色谱分析是利用少量完全汽化的原油样品通过一个填充型的气体色谱塔进行的模拟

蒸储实验，主要分析石蜡组、芳香煌组和环烷妙组各自所含C6〜C30的分率。

（5）平衡闪蒸（EFV）数据

平衡闪蒸（EFV）是在定压下（latm）进行的一系列蒸镭实验，得到的是在气液完

全平衡状态下与温度相对应的储出液体的体积分率。同ASTMD86和ASTMD1160

蒸馀数据一样，在目前的工艺模拟软件多数以实沸点（TBP）蒸储数据作为实验室

分析数据基础的前提下，在得到平衡闪蒸（EFV）数据后，会自动根据API规定的标

准方法将其转化为实沸点（TBP）蒸储数据。

在没有办法得到上述任一种实验室蒸储数据的情况下，一般的工艺模拟软件会在你

所提供的原油基础物性（分子量、密度、粘度等）的基础上，自动生成一组平均实

沸点（TBP）蒸镭数据和相应的特性因数K。

3）地面原油轻质烽储分

原油的轻质烧微分是指那些沸点较低的纯组分，最常见的是C2〜nC5。实验室一般

在做前面所说的TBP蒸镭和ASTM蒸储实验时，时常会损失一些油样中的轻组分，

在这种情况下为了增加实验结果的准确性，有必要利用色谱分析技术提供单独的轻

质烧镭分分析，也就是说通常的实验室蒸播数据分为两种：一种是包括轻质燃微分

在内的全储分蒸储数据;一种是分别提供油样重质烽储分和轻质燃储分的蒸储数据,

前者油样的初储点要低于轻质微分中最重的纯组分所对应的沸点。

在做工艺模拟时，倘若手头有轻质烧微分的蒸储数据，就可以直接输入；倘若没有

轻质烧镭分的蒸储数据，同时通过判定认为手头的蒸储数据只是重质燃储分的蒸储

数据，在这种情况下，一般的工艺模拟软件会分两种情况进行处理：一是在你选择

忽略轻质煌储分的命令后，软件会自动忽略；一是在你选择让软件自行处理命令后,

软件会将蒸储数据中的低沸点镭分当作是轻质烧微分（也就是纯组分），并自动给

出其蒸储数据。

4）地面原油储分分子量

福分密度是指与储出分率相对应的微分的分子量，在工艺模拟时，•般最少要给出5

个数据点。

5）地面原油微分密度

微分密度是指与储出分率相对应的储分的密度值，在工艺模拟时，•般最少要给出5

个数据点。

6）地面原油储分粘度

镭分粘度是指某一温度下与镭出分率相对应的微分的粘度值，在工艺模拟时:一般

最少要给出5个数据点。

7）伴生气（或溶解气）组分

可以以摩尔分率、体积分率或重量分率的形式表示伴生气（或溶解气）的全组分。

需要注意的是，在提供组分时应标明测定或模拟该组分的分离条件（温度、压力）。

8）溶解气重组分性质

伴生气（或溶解气）全组分中，对于重组分通常以Ci+表示，即其为虚拟组分。工

艺模拟时，为了准确模拟这个虚拟组分的性质，还必须给出其基本性质，比如标准

沸点（NBP）、理想液体密度、分子量、临界温度、临界压力、临界比容、偏心因

子等，性质给得越多，模拟的虚拟组分就越准确。

9）井口压力

指油田在生产期内逐年各单井的井口压力（油嘴后）估算值。

10）井口温度

指油田在生产期内逐年各单井的井口温度（油嘴后）估算值。

11）原油、伴生气（或溶解气）、生产水产量

指油田在生产期内逐年各单井的原油、伴生气（或溶解气）、生产水各自的产量预

测值和全油田在生产期内逐年的原油、伴生气（或溶解气）、生产水产量预测值。

凝析气田

对于凝析气田来说，通常其基础数据分为三种，一种与油田的基础数据基本相同；

一种则直接给出凝析油的组分及其它性质，最后一种是给出井流（天然气、凝析油、

饱和水混合）物性，这对工艺模拟来说更为直接，下面简单介绍这三种基础数据。

1）第一种基础数据

（1）天然气组分

可以以摩尔分率、体积分率或重量分率的形式表示天然气的全组分。需要注意的是,

在提供组分时应标明测定或模拟该组分的分离条件（温度、压力）。

（2）天然气重组分性质

天然气全组分中，对于重组分通常以Ci+表示，即其为虚拟组分。工艺模拟时，为

了准确模拟这个虚拟组分的性质，还必须给出其至少2个基本性质，比如标准沸点

（NBP）、分子量、液体标准密度、临界温度、临界压力、临界比容、偏心因子等。

（3）凝析油基础物性

同地面原油的基础物性。

（4）凝析油实验室蒸镭数据

数据类型同地面原油的实验室蒸储数据类型。

（5）凝析油轻质燃储分

（6）凝析油微分分子量

（7）凝析油镭分密度

（8）凝析油镭分粘度

（9）井口压力

指凝析气田在生产期内逐年各单井的井口压力（气嘴后）估算值。

（10）井口温度

指凝析气田在生产期内逐年各单井的井口温度（气嘴后）估算值。

（11）天然气、凝析油、生产水的产量

指凝析气田在生产期内逐年各单井的天然气、凝析油、生产水各自的产量预测值和

全凝析气田在生产期内逐年的天然气、凝析油、生产水产量预测值。

2）第二种基础数据

（1）天然气组分

同第一种基础数据。

（2）天然气重组分性质

同第一种基础数据。

（3）凝析油全组分

可以以摩尔分率、体积分率或重量分率的形式表示凝析油的全组分，条件许可的话,

在提供组分时应标明具体的测定方法。

（4）凝析油重组分性质

凝析油全组分中，对于重组分通常以Ci+表示，即其为虚拟组分。工艺模拟时，为

了准确模拟这个虚拟组分的性质，还必须给出其至少2个基本性质，比如标准沸点

（NBP）、分子量、液体标准密度、临界温度、临界压力、临界比容、偏心因子等。

（5）井口压力

同第一种基础数据。

（6）井口温度

同第一种基础数据。

（7）天然气、凝析油、生产水的产量

同第一种基础数据。

3）第三种基础数据

（1）井流组分

可以以摩尔分率、体积分率或重量分率的形式表示井流（天然气、凝析油、饱和水

混合）的全组分。需要注意的是，在提供组分时应标明测定或模拟该组分的分离条

件（温度、压力）。

（2）井流重组分性质

井流全组分中，对于重组分通常以Ci+表示，即其为虚拟组分。工艺模拟时•，为了

准确模拟这个虚拟组分的性质，还必须给出其至少2个基本性质，比如标准沸点

（NBP）、分子量、液体标准密度、临界温度、临界压力、临界比容、偏心因子等。

（3）井口压力

同第一种基础数据。

（4）井口温度

同第一种基础数据。

(5)天然气、凝析油、生产水的产量

同第一种基础数据。

气藏气田

气藏气田是指在地下储集层中呈均一气相存在，采出地面仍为气相的天然气田，其

基础数据为：

1)天然气组分

可以以遍尔分率、体积分率或重量分率的形式表示天然气的全组分。需要注意的是,

在提供组分时应标明测定或模拟该组分的分离条件(温度、压力)。

2)天然气重组分性质

天然气全组分中，对于重组分通常以Ci+表示，即其为虚拟组分。工艺模拟时，为

了准确模拟这个虚拟组分的性质，还必须给出其至少2个基本性质，比如标准沸点

(NBP)、分子量、液体标准密度、临界温度、临界压力、临界比容、偏心因子等。

3)井口压力

指气藏气田在生产期内逐年各单井的井口压力(气嘴后)估算值。

4)井口温度

指气藏气田在生产期内逐年各单井的井口温度(气嘴后)估算值。

5)天然气和生产水的产量

指气藏气田在生产期内逐年各单井的天然气和生产水各自的产量预测值和全气藏气

田在生产期内逐年的天然气、生产水产量预测值。

三、工艺模拟软件HYSYS.PROCESS的结构介绍、模拟计算基本步骤及应注意的事

项[1]

在我们海洋石油的设计、研究工作中，HYSYS.PROCESS工艺模拟软件最为频繁使

用的两大组块是稳态模拟组块(SteadyStateSimulation)和动态模拟组块(Dynamic

Simulation)(＞其中，动态模拟的方法及过程是在流程稳态模拟收敛的基础上进行的,

即先要定义单元操作的动态数据(如分离器的儿何尺寸、液位高度等)，安装控制

仪表，然后就可以进入动态环境，开始动态模拟了。在动态模拟过程中，可以随时

调整温度、压力等各种工艺变量，观察它们对产品的影响以及变化规律；还可以随

时停下来，转回稳态环境。由于动态和稳态是相同对象的共享，所以它们之间转换

是非常容易实现的。HYSYS.PROCESS提供了PID控缶U器、传递函数发生器、数控开

关、变量计算表等功能进行动态模拟的控制单元。

本小节的介绍将围绕着HYSYS.PROCESS软件的稳态模拟组块进行。

软件的环境与流程结构介绍

1)环境(Environments)

HYSYS.PROCESS软件主要包括五大环境：模拟基础环境、主流程环境、子流程环

境、原油特性环境和反应塔环境，见图2-3-1,图中箭头的方向表示软件各环境之间

的相互切换。

图2-3-1HYSYS.PROCESS软件内部各环境间的相互关系

各环境主要由下列要素构成：

(1)基础

流体包(FluidPackage)

纯组分库(PureComponentsLibrary)

虚拟组分管理器(HypotheticalManager)

反应管理器(ReactionsManager)

原油管理器(OilManager)(可选)

胺(Amines)(可选)

其它可选择的软件包

(2)主流程(MainFlowsheet)

(3)子流程(SubFlowsheet)

(4)反应塔(Columns)

2)流程结构(FlowsheetArchitecture)

其中工艺流程图(PFD)、工作手册(Workbook)和目标特性显示(ObjectProperty

View)是构成软件基本界面的三大元素。

各流程的结构主要包括：

(1)流体包(FluidPackage)

一个独立的流体包主要包括特性包(PropertyPackage)和组分(Components)。每

个流程(无论是主流程还是子流程)都要有一个流体包，但这并不意味着每个流程

的流体包都必须是独立的，几个流程可共用同一个流体包。

(2)流程对象(FlowsheetObject)

主要指单元操作元件(UnitOperation)(分离器、换热器、压缩机等)、原料流线

(MaterialStream)、能量流线(EnergyStream)和公用消耗(Utility)等。

(3)工艺流程图(PFD)

每个流程(无论是主流程还是子流程)都有自己的工艺流程图(PFD),在这里可

以根据设计好的工艺流程任意添加、删减流程对象(FlowsheetObject),进行工艺

模拟计算。

(4)工作手册(Workbook)

每个流程(无论是主流程还是子流程)都有自己的工作手册(Workbook),工作手

册主要由一系列的表组成，从中可以查找有关流程对象(FlowsheetObject)的所有

信息。

(5)专用桌面功能(Desktop)

可以在多个打开的文件中转换。

(6)通过第三方拓展/用户编程

使用VB、C++等语言。

软件模拟计算基本步骤

从图2-3-1可以看出，在HYSYS.PROCESS软件中创建一个模拟文件的基本步骤是：

1)创建一个新的模拟文件(Case)并命名。

2)进入模拟基础环境(SimulationBasisEnvironment),在这里可以：

进入流体包库(FluidPackage)中，建立自己的流体包(FluidPkg)并命名，在特

性包选择(PropertyPackageSelection)中为流体包选择适当的特性包(Property

Package)

从组分(Components)中添加一组新的组分单(ComponentList)并命名，从组分

库(ComponentLibrary)中选择添加已知的纯组分(比如Cl、C2等)

创建和定义任何虚拟组分（Hypotheticals）（比如C7+等）

定义任何化学反应（Reactions）

若有原油流体需要模拟，就需进入3）；若没有原油流体，则直接进入到5）

3）进入原油特性环境（OilCharacterizationEnvironment）,在这里可以：

定义一个或多个化验单（Assay）

将已定义的化验单（Assay）进行混合（Blend）

将混合（Blend）所产生的虚拟组分通过InstallOil传递到相应的原料流线上

4）回到模拟基础环境（SimulationBasisEnvironment）

5）进入主流程环境（MainFlowsheetEnvironment）的工艺流程图（PFD）,在这里

可以：

根据主工艺流程分别添加和定义原料流线（MaterialStream）、单元操作元件（Unit

Operation）（比如阀门、冷却器、分离器等）和逻辑命令（比如Set、Adjust、Recycle）

等

添加主工艺流程所需的工艺模板（Template）、子流程操作（Sub-FlowsheetOperation）

和反应塔（Column）等

6）若需要添加反应塔（Column）和子流程（Sub-Flowsheet）则可分别进行搭建，

即分别进入反应塔环境（ColumnEnvironment）和子流程环境（Sub-Flowsheet

Environment）中，在其工艺流程图（PFD）中进行相应的操作

7）若在子流程环境（Sub-FlowsheetEnvironment）中还需要建立子流程，可以继续

添加子流程并进入其工艺流程图（PFD）中进行操作

8）通过查看各流程的工作手册（Workbook）得到模拟计算结果。

模拟中应注意的事项

1）选择适当的状态方程（特性包（PropertyPackage）类型）

对于海洋石油常见到的油、气处理系统和天然气加工系统来说，在进行工艺模拟计

算时最常用的是状态方程是Peng-Robinson状态方程（PR）和Soave-Redlich-Kwong

状态方程（SRK）,以及在此基础上派生出的各种状态方程，比如SourPR、PRSV、

SourSRK、KD和ZJ等。在HYSYS.PROCESS软件应用中，开发商HYPROTECH公司

将常用的各种状态方程归纳在特性包库（PropertyPackage）中，并针对不同的工艺

系统推荐了应使用的特性包类型（见表2-3-1）,这样对于提高模拟的准确性是很有

好处的。

表2-3-1HYPROTECH公司针对不同类型的系统推荐使用的特性包类型

系统类型

推荐使用的特性包类型

系统类型

推荐使用的特性包类型

三甘醇脱水系统

PR

高含CO2系统

PR,ZJ,GS

酸水系统

PR,SourPR

油藏体系

PR,PROptions,

天然气深冷处理系统

PR,PRSV

蒸气系统

SteamPackages,CSorGS

空气分离系统

PR,PRSV

防止水合物系统

PR

原油稳定系统

PR,PROptions,GS

化学反应系统

ActivityModels,PRSV

真空蒸微塔

PR,PROptions,GS

烷基化合物系统

PRSV,NRTL

乙烯处理塔

LeeKeslerPloker

带芳香烧的三甘醇脱水系统

PR

2）明确原料流线闪蒸计算的基本条件

双向计算是HYSYS.PROCESS软件的主要特点，而闪蒸计算又是其原料流线

（MaterialStream）计算的基础。原料流线做闪蒸计算的基本条件是：

组分已知

至少已知压力P、温度T、汽化率Vf这3个参数中的2个

3）在进行工艺模拟计算时，要将模拟结果和原油（天然气、伴生气）的实验数据结

合起来，进行对比和检查，相差较大时可以调整一些虚拟组分的特性（分子量、临

界温度、临界压力等），从而精确地模拟油（气）藏的特性。一般来说，对于海上

油田的油气分离模拟计算，15〜20个真实与虚拟的组分即可得到原油的准确特性。

4）反应塔环境（ColumnEnvironment）和子流程环境（Sub-FlowsheetEnvironment）

只能通过主流程环境（MainFlowsheetEnvironment）进出。

5)反应塔环境(ColumnEnvironment)和主流程环境(MainFlowsheetEnvironment)

之间、以及子流程环境(Sub-FlowsheetEnvironment)和主流程环境(MainFlowsheet

Environment)之间只能通过边界(boundary)进行联系。

当主流程中的流线(Stream)欲通过边界进入到子流程时，在传递基础(Transfer

Basis)上确定需要传递的流线物性(通常为“T-PFlash"、“VF-TFlash"、“Vf-P

Flash”或“P-HFlash”)后，其名称在子流程中会自动重新命名，并根据所传递的

性质重新通过闪蒸计算得到这条流线的其余性质，反之亦然。

6)在定义原料流线(MaterialStream)时，需要在工作手册(Worksheet)中最少输

入三项参数，其中的一项必须是温度或压力，其它两项可以是流量、汽化率、摩尔

焰或摩尔嫡等。在定义能量流线(EnergyStream)时，只需输入(HeatFlow)一项

参数即可。

7)关于气体和液体的摩尔流量、质量流量和体积流量的输入

在输入原料流线(MaterialStream)的流量时，气体的标准体积流量(标方)可以直

接在摩尔流量(MolarFlow)栏中输入，由软件自己换算成摩尔流量；液体的摩尔

流量可直接输入；液体的体积流量只能换算成标准条件下的体积流量后输入；气体

和液体的质量流量可直接输入。

8)只有在特性包(PropertyPackage)中选用“PR”和“SRK”状态方程时，才能

计算原料流线的相图(Envelope),且相图的计算是在忽略水分的基础上进行的，

即不考虑水组分的存在。

四、模拟举例

以下通过两个利用HYSYS.PROCESS软件进行的工艺模拟的实例可以进一步了解工

艺模拟的基本步骤和方法。其中例一模拟的是海上原油的脱水、稳定工艺，例二模

拟的是陆上终端天然气处理厂的工艺。

1.例一-海上原油的脱水、稳定工艺

某海上井口平台WHPA共有5口生产井，生产的油、气、水混合液通过4km、8"xl2”

双层保温海底管线输送至浮式生产储油轮(FPSO)上，经过游离水分离器、热化学

脱水器和电脱水器三级工艺处理后，合格原油(常压、37.8C下雷德蒸气压W13kPa)

输送至货油舱内进行储存，FPSO采用燃料气透平发电，燃料气的供气温度要求比其

煌露点高15℃。FPSO所处海域底层水温最低温度为18℃,原油的实沸点蒸储数据见

表2-3-2,原油的基本性质见表2-3-3,原油溶解气在井口条件下的PVT实验得到的组

分和C6+的基本性质见表2-3-4,平台2007年的单井参数见表2-3-5。现以2007年的数

据为基础，模拟FPSO的工艺流程。

表2-3-2例一中原油的实沸点蒸储数据

镭出，重％

储出温度，℃

储出，重％

储出温度，℃

IBP

89

35%

340

5%

171

40%

361

10%

222

45%

379

15%

254

50%

397

20%

276

55%

415

25%

301

60%

430

30%

322

65%

446

表2-3-3例一中原油的基本性质

分子量

标准密度

粘度(50℃)

粘度(20℃)

123

901kg/m3

33cP

195cP

表2-3-4例一中Al〜A5井在井口条件下的原油溶解气组分

组分

摩尔

组分

摩尔

N2

0

.05

041

i-C4

.00

9

06

H2S

.00

000

C

n-4

.006

04

O2

C

2051

0.

i5

-C

01

7

0.

0

l

C

.5

0656

n-C5

0011

0.

C2

0.05

49

C+

6

004

.03

C3

05

.028

子

6+

量

C分

1

14

度

+

密

C6

/m

g3

705k

-5

h蠲-3

井

温度和

、井口

产

0年

例-

表2-3-5

力

口压

量

井

台单

7平

中20

井号

/d

量3

)

(

日产

m

井口温度（℃）

井口压力（kPa）

原油

溶解气（Sm3/d）

生产水

A1

300

18900

59

45

1000

A2

150

9450

65

42

1000

A3

540

34020

92

40

1000

A4

300

18900

80

45

1000

A5

350

22050

86

43

1000

具体模拟步骤如下:

1)进入模拟基础环境(SimulationBasisEnvironment),创建一-个新的模拟文件

(BuildingtheSimulation)

打开HYSYS.PROCESS软件，点击NewCase图标，进入SimulationBasisManager。

(1)建立组分单(ComponentLists)

①选择Components项，进入ComponentListView,命名新的组分单OilWellhead

Platform；

②添加纯组分，即将表2-3-4中的N2、H2S、CO2、C1〜n-C5这些纯组分添加到组分

单OilWellheadPlatform中；

③模拟虚拟组分C6+,即输入表2-3-4中C6+已知的性质，对于其它未知的性质默认

由软件的估算值，这样就得到了C6+完整的性质；

④将模拟得到的虚拟组分C6+添加到组分单OilWellheadPlatform中；

⑤通过原油管理器(OilManager)进入原油特性环境(OilCharacterization

Environment),根据表2-3-2和表2-3-3中的性质，模拟原油的特性，并切割成6个虚

拟组分，分别为NBP」36、NBP226、NBP_304>NBP387、NBP_495和NBP682,

图232是原油实沸热储数据而入值与模板计算值的好比，从中方以看出模板计算

的TBP数据与输入值拟合得较好。

图2-3-2例一原油实沸点蒸储数据输入值与模拟值的对比

由于A1〜A5井的原油性质均相同，因此5口井通过模拟得到的原油组分亦相同。

⑥添力口原油虚拟组分NBP」36、NBP226.NBP_304>NBP_387、NBP_495和

NBP682,这样例一完整拓组分单OilWeHheadPlatform中的各组分如图233所示。

图2-3-3例一的组分单OilWellheadPlatform

(2)建立流体包(FluidPackage)

①选择FluidPkgs项，进入FluidPackage：Basis-1,命名新的流体包Crude；

②从特性包内选择合适本例的状态方程PengRobinson；

③在ComponentListSelection栏中选择刚才建立的组分单OilWellheadPlatformo

(3)将模拟文件命名为PFDofFPSO

2)进入模拟环境(SimulationEnvironment)中的主流程环境(MainFlowsheet

Environment),首先出现的一般为主流程的工艺流程图(PFD)、工作手册(Workbook)

和汇总(Summary)中的任意一个，本例中默认缺省出现的PFD。

3)在主流程环境中添加井口平台子流程(Sub-Flowsheet)

(1)添加子流程图标并将其命名为WHPA,双击图标进入子流程WHPA的PFD

(2)在PFD中添加和定义A1〜A5井的原料流线

添加单元操作元件的方法有三种，即根据命令MenuBar>Workbook和ObjectPalette

分别进行添加。在添加过程中要注意的是，由于表2-3-5中给出的生产水量为游离水

量，不是饱和水量，因此此时先不要输入单井A1〜A5的生产水流线A1_H2O〜

A5_H2O的流量。

(3)返回模拟基础环境(SimulationBasisEnvironment),随后进入原油特性环境

(OilCharacterizationEnvironment)

(4)在原油特性环境(OilCharacterizationEnvironment)中,进入InstallOil项，将

模拟好的原油组分分别传送至Al〜A5井的原油流线Al_Oil〜A5_Oil上。

(5)退出原油特性环境(OilCharacterizationEnvironment),返回子流程WHPA的

PFD,添加和定义单元操作元件(UnitOperation)以及相应的流线(Stream)

①首先添加5台带热源的三相分离器(3-PhaseSeparator),将5口井各自的油、气、

水三条原料流线在标准状态下(15.56℃>101.325kPaA)分别连接到三相分离器的

入口；

②其次，每口井分别添加3个逻辑命令-调节器(Adjust),根据表2-3-5中给出的单

井油、气、水产量(即为分离器出口油、气、水三相的实际体积流量)自动计算出

分离器入口油、气、水三相的质量流量，此时注意确保分离器出口的温度为15.56C；

③接着添加5个混合器(Mixer)分别将5口井三相分离器出口的油、气、水三相混合

起来，就得到了5口单井在标准状态下的混合流线Al_Std〜A5_Std；

④再添加5条新的物料流线Al〜A5,其操作条件分别区照表2-3-5中给出的单井井口

压力、温度输入；

⑤之后添加5个平衡命令(Balance),选择mole平衡，将Al_Std和Al、A2_Std和A2、

A3_Std和A3、A4_Std和A4、A5_Std和A5分别通过Balance疝连，即将mole组分分别

从Al_Std〜A5_Std传输到A1〜A5；

⑥最后将5口单井的井口物流A1〜A5混合起来，就得到了井口平台WHPA上5口生产

井的混合流线Pipein。

井口平台WHPA的工艺流程见图2-3-4。

图2-3-4例一井口平台WHPA的模拟工艺流程

4)在子流程WHPA与主流程PFDofFPSO之间通过边界(boundary)传递原料流线

Pipein的物性，传递基础(TransferBasis)确定为T-P,这样，在全流程中通过T-P

闪蒸计算就得到了原料流线Pipein的物性。

5)进入主流程的FPD,根据需要依次添加海管Pipeline、阀门VLV-100、VLV-10K

VLV-102、VLV-103和VLV-104、原油换热器FPSO-E-2001、原油加热器

FPSO-H-200KFPSO-H-2002.FPSO-H-2003.游离水分离器FPSO-V-2001、热化学

脱水器FPSO-V-2002、电脱水器FPSO-V-2003、进料泵FPSO-P-2001、原油冷却器

FPSO-WC-2001等单元操作、Adjust-1、Adjust-2和Adjust-3等逻辑命令，原料流线Pipe

Out>1〜31等。

在添加过程中以海管Pipeline为例，具体介绍单元操作的添加和定义过程，其余元件

或流线的参数则按照表2-3-6中的参数进行添加。

表2-3-6例一主流程中主要单元操作、原料流线的已知参数

类别

名称

参数(项/栏)

输入项(值)

单元操作(UnitOperation)

FPSO-E-2001

DeltaP(Design/Parameters)

T:50kPaS:40kPa

DeltaTemp(流线2与4)(Design/Spec)

5℃

FPSO-H-2001

DeltaP(Design/Connections)

50kPa

FPSO-V-2001

DeltaP(Design/Parameters)

0

FPSO-H-2002

DeltaP(Design/Connections)

50kPa

FPSO-V-2002

DeltaP(Design/Parameters)

0

FPSO-P-2001A/B

AdiabaticEfficiency(Design/Parameters)

75%

FPSO-H-2003

DeltaP(Design/Connections)

50kPa

FPSO-V-2003

DeltaP(Design/Parameters)

0

FPSO-WC-2001A/B

DeltaP(Design/Parameters)

T:20kPa

S:50kPa

逻辑命令(logics)

ADJ-1

Adjusted：10/MassFlow

Target：11/CompVolumeFrac.(H2O)

SpecifiedTargetValue：0.1

ADJ-2

Adjusted：17/MassFlow

Target：18/CompVolumeFrac.(H2O)

SpecifiedTargetValue：0.05

ADJ-3

Adjusted：26/MassFlow

Target：3/CompVolumeFrac.(H2O)

SpecifiedTargetValue：0.005

原料流线(MaterialStream)

1

Pressure(Worksheet/Conditions)

600kPa

5

Temperature(Worksheet/Conditions)

70℃

HA

Pressure(Worksheet/Conditions)

170kPa

12

Temperature(Worksheet/Conditions)

85℃

19

Pressure(Worksheet/Conditions)

350kPa

20

Temperature(Worksheet/Conditions)

90℃

25,27,29

Pressure(Worksheet/Conditions)

120kPa

31

Temperature(Worksheet/Conditions)

50℃

ColdWater

Temperature(Worksheet/Conditions)

25℃

Pressure(Worksheet/Conditions)

640kPa

MoleFraction

H2O=1

HotWater

Temperature(Worksheet/Conditions)

35℃

海管Pipeline的添加和定义过程

(1)首先调出ObjectPalette选择PipeSegment图标，将其安放在PFD的适当位置并双

击打开，在Design项的Connections栏中，将Name填上Pipeline,管线入口连接原料流

线Pipein,出口添加新的原料流线PipeOut＞能源流线Q-104；

(2)随后在Design项中的Parameters栏的管线计算公式中选择BeggsandBrill；

(3)打开Rating项的Sizing栏，点击AppendSegment键，依次填入海管长度、高差、

内径、外径、管材、分段数等参数，其中的有些缺省值可以默认；在HeatTransfer

栏中计算类型选择OverallHTC,在OverallTransferCoefficient中填入海水底层最低

温度和总传热系数(取2kcal/h.m2.℃)等值；

(4)HYSYS计算后得到海管的出口条件为704.3kPa,39.0l℃o

模拟好的FPSO工艺流程见图2-3-5。

6)在主流程环境中添加燃料气系统子流程(Sub-Flowsheet)

(1)添加子流程图标并将其命名为FuelGas；

(2)子流程FuelGas与主流程PFDofFPSO之间通过边界(boundary)传递原料流线

6(即游离水分离器气相出口)的物性，传递基础(TransferBasis)确定为T-P,这

样，在主流程中通过T-P闪蒸计算就得到了原料流线6(子流程中流线改名为1)的物

性；

(3)双击FUELGAS的图标后进入到其PFD中，根据需要依次添加燃料气前冷却器

FPSO-WC-3110A/B>FPSO-WC-3120A/B>FPSO-WC-3130A/B,燃料气气涤器

FPSO-V-3HO>FPSO-V-3120、FPSO-V-3130,燃料气一级压缩机FPSO-C-3110A/B、

燃料气二级压缩机FPSO-C-3120A/B、燃料气加热器FPSO-H-3110等单元操作，原料

流线101〜115、以及能源流线Q-100等。在添加过程中各主要单元操作和流线的参

数见表2-3-7。

图2-3-5例一FPSO的模拟工艺流程

表2-3-7例一子流程FuelGas中主要单元操作、原料流线的已知参数

类别

名称

参数(项/栏)

输入项(值)

单元操作(UnitOperation)

FPSO-WC-3HOA/B,FPSO-WC-3120A/B,FPSO-WC-3130A/B

DeltaP(Design/Parameters)

T:20kPa

S:40kPa

FPSO-V-3110,FPSO-V-3120,FPSO-V-3130

DeltaP(Design/Parameters)

0

FPSO-C-3110A/B

AdiabaticEfficiency(Design/Parameters)

75%

FPSO-C-3120A/B

AdiabaticEfficiency(Design/Parameters)

75%

FPSO-H-3HO

DeltaP(Design/Parameters)

50kPa

原料流线(MaterialStream)

102,106,110

Temperature(Worksheet/Conditions)

40℃

105

Pressure(Worksheet/Conditions)

lOOOkPa

109

Pressure(Worksheet/Conditions)

2100kPa

113

Temperature(Worksheet/Conditions)

55℃

104A,108A,112

Pressure(Worksheet/Conditions)

120kPa

ColdWaterl,ColdWater2,ColdWater3

Temperature(Worksheet/Conditions)

25r

Pressure(Worksheet/Conditions)

640kPa

MoleFraction

H2O=1

HotWater1,HotWater2,HotWater3

Temperature（Worksheet/Conditions）

35℃

模拟好的燃料气系统子流程FuelGas工艺流程见图2-3-6。

图2-3-6例一子流程FuelGas的模拟工艺流程

（4）检查燃料气在当前条件（55℃,2050kPa）下是否满足供气要求

通过添加冷却器DEWPOINT和原料流线115,计算出燃料气在当前供气条件（55℃,

2050kPa）下，煌露点为40℃,符合供气要求（供气温度高于燃露点15℃）。

7）检查经三级油、气分离处理后的原油是否满足合格原油要求（常压、37.8C下雷

德蒸气压W13kpa）

从图2-3-5上看，在FPSO上经三级油、气分离处理后的原油是流线31,为检查其雷

德蒸气压是否符合要求，可点击流线31进入其公用消耗（Utilities）中，从中选择Cold

Properties功能并打开，从ReidVPat37.8℃项查到流线31的雷德蒸气压（见图2-3-7）

为12.13kPaV13kPa,符合要求。

8）例一的稳态工艺模拟运行完毕，计算结果见图2-3-8。

图2-3-7例一中流线31的ColdProperties

虎鬃疑搀侵爆蔡漫攀煽玲椀攀初A

尊槃疑搀偎煽聚漫攀煽玲椀攀野A?（F

图2-3-8例一稳态工艺模拟的工作手册（Workbook）

2.例二-陆上天然气处理工艺

某天然气处理厂，将含N2、H2S、C02、C1〜C6和C7+的天然气通过丙烷制冷系统

产生的冷量使天然气冷却到露点以下，进行低温分离以除去重姓，贫且干的天然气

在符合管道输送的水露点要求（水露点＜-9.4℃=后外输，富含重煌的液体在脱丙

烷塔中除去富气后生产出含少量丙烷的液煌产品供销售。原料Feedl、Feed2和Feed3

的已知条件见表2-3-8,C7+的NBP=110℃。

表2-3-8原料Feedl、Feed2和Feed3的已知条件

Feedl

Feed2

Feed3

Temperature(℃)

15

15

49

Pressure(kPaA)

4100

4100

MolarFlow(kgmole/h)

300

200

VapourFraction

0.0000

N2(Mole%)

0.0002

0.0029

H2S(Mole%)

0.0043

0.0035

CO2(Mole%)

0.0016

0.0056

Cl(Mole%)

0.6500

0.4318

C2(Mole%)

0.2167

0.1944

C3(Mole%)

0.1082

0.1080

1.0000

iC4(Mole%)

0.0065

0.0864

nC4(Mole%)

0.0054

0.0648

iC5(Mole%)

0.0032

0.0540

nC5(Mole%)

0.0022

0.0423

C6(Mole%)

0.0011

0.0053

C7+(Mole%)

0.0005

0.0011

具体模拟步骤如下：

1)进入模拟基础环境(SimulationBasisEnvironment),创建一个新的模拟文件

(BuildingtheSimulation)

打开HYSYS.PROCESS软件，点击NewCase图标，进入SimulationBasisManager。

(1)建立组分单(ComponentLists)

①选择Components项，进入ComponentListView,命名新的组分单GasPlant

Components；

②添加纯组分，即将N2、H2S、CO2、C1〜C6这些纯组分添加到组分单中；

③模拟虚拟组分C7+；

④将模拟得到的虚拟组分C7+添加到组分单GasPlantComponents中。

(2)建立流体包(FluidPackage)

①选择FluidPkgs项，进入FluidPackage：Basis-1,命名新的流体包GasPlant；

②从特性包内选择合适本例的状态方程PengRobinson；

③在ComponentListSelection栏中选择刚才建立的组分目录GasPlantComponents0

(3)将模拟文件命名为PFDofGasPlant

2)进入模拟环境(SimulationEnvironment)中的主流程环境(MainFlowsheet

Environment),根据下列步骤模拟天然气处理厂的主工艺流程。

(1)添加和定义原料流线Feedl和Feed2

(2)根据需要依次添加混合器Mixer和MIX-101、入口分离器InletSeparator、换热

器HeatExchanger、后冷器Chiller、低温分离器LowTemperatureSeparator、脱丙烷塔

Depropanizer等单元操作，原料流线MixerOut、S叩Vap、SepLiq、CoolGas>LTSVap>

SalesGas>ColdGas>LTSLiq和TowerFeed等。

在添加过程中需要特别注意的是脱丙烷塔Depropanizer,以下为其具体的添加过程：

①调出ObjectPalette选择DistillationColumn图标并打开，进入InputExpert,共有4页

内容需要填写，第1页为Connections,将塔命名为DePropanizer并连接好入口、出口

的流线，默认塔的塔盘数10以及入口流线TowerFeed的入口位置(第5块塔盘)，且

将Condenser的类型选择为FullReflux；

②第2页为PressureProfile,分另U在CondenserPressure和ReboilerPressure栏中输入估

算值1500kPa和1510kPa,并默认CondenserPressureDrop项缺省值0；

③第3页为OptionalEstimate,这里各项的值并不是必须填写，只是作为估算值，但

若填得准确就有利于更快地完成计算；

④第4页为Specifications,共有3个缺省的SpeciEcation,由于Condenser的类型是Full

Reflux,OverheadLiquidFlow自动为0,因此剩下2个缺省的Specification,将其中的

OverheadVaporRate^^J100kgmole/h(估算值)、RefluxRatio定为1.0(Molar)；

⑤点击Done键，Design项中的Monitor栏显示的自由度为0,HYSYS立即计算收敛并

显示Converged,为了控制塔底产品所含的丙烷量，增添一个Sp