原油调合方法及系统的制作方法

专利名称：原油调合方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及原油精炼方法及系统，特别涉及调合多种原油以便获得具有期望的物理化学性质的调合石油混合物的方法及系统。
背景技术：
原油，也称为石油，是烃的复杂混合物。在制造商业上有用的石油产品加工过程中，把这些组成烃相互分离。把原油分离成组分烃的各种物理化学加工步骤总称为“精炼”。
与原油精炼有关的困难是原油性质的变化性。例如，在室温下存在与重电动机润滑油类似稠度的原油。在同样的温度下还存在具有沥青稠度的原油。虽然普遍认为原油是黑色的，但是原油可能是褐色的、黄色的、绿色的、或红色的。甚至存在荧光的原油。这些差异是全世界不同油田发现的大量不同烃混合物的表现形式。
与精炼原油有关的物理化学过程很大程度上取决于石油的物理化学性质。这些性质又取决于石油的组成烃及其各自的浓度。由于原油的组成极端不同，所以这些精炼过程变化的差异程度使得人们不可能容易地建造对各种不同原油都最优化的炼油厂。结果，在炼油工业中通常的做法是，调合数种原油形成适合于在该炼油厂进行加工的石油混合物。
调合数种原油制成适合于特定炼油厂的石油混合物的过程需要该混合物各种原油成分选定性质的数值的最新知识。这些选定性质包括原油的芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API重度、冰点、辛烷值、PIONA、和RVP。但是，获得这些性质的定量知识不是简单的事情。
原油的上述性质可以通过气相色谱分析获得。但是，对于重原油，这种方法是不实用的，因为在这样的原油中存在的较重成分不能充分挥发，难于从色谱柱脱附。这些较重的成分往往残留在柱中，因此使得色谱柱不能用于进一步测试。
获得原油物理化学性质的另一种方法是观察原油与红外辐射的相互作用。然而，这种方法对于原油的不透明性是敏感的。因此，该方法对较重的、高不透明性的原油无效。另外，原油与红外辐射的相互作用是高度非线性的并且是温度敏感性的。
另一种获得原油物理化学性质的方法是对试样进行实验室测试。然而，这种方法成本高且费时。因为用于调合的原油种类从一个油罐到另一个油罐不同，因此难于足够频繁地进行实验室测试以保持任何时候关于调合所用所有原油种类的性质的最新信息。因此，这种方法不适合于对石油混合物选定性质的数值进行实时控制。
因此，本发明的目的是提供一种获得关于一种或多种原油种类选定性质的数值的最新信息的方法和系统并提供调合那些原油以便获得具有那些选定性质的期望值的石油混合物的方法和系统。
发明概述通过对至少一种用于调合成石油混合物的组成原油的选定性质的数值进行实时在线评估，本发明的方法克服了现有技术的不足。这种实时评估的结果与期望的石油混合物的性质一起提供到自动控制器。在实时监控中，所述控制器计算产生具有选定性质期望值的石油混合物所需组成原油的合适用量。由于实时进行评估，引入本发明的系统随着每一种组成原油选定性质的数值变化动态地改变调合石油混合物组成的相对量。术语“实时”在本文中以相对的意义使用，时间一般用秒或分测量。这种时间满足基于商业基础的原油调合控制。
本发明优选的实践使用与每种组成原油选定性质的数值评估相关的核磁共振测量。NMR测量不依赖于光学或红外辐射，因此不受高不透明性的影响。另外，NMR测量随温度的变化是较稳定的。因此，在较高温度下可以进行可靠的测量，通常原油被加热到较高温度以便使其通过管道。
本发明的一个实施方案包括在第一种组成原油的样品上施加稳定磁场的步骤。在合适位置的稳定磁场下，NMR传感器对第一种组成原油样品施加一个瞬时磁场并测量第一种组成对该瞬时磁场的响应。NMR传感器一般不直接提供第一种组成原油选定性质的数值。但是，NMR传感器提供关于第一种组成成分的化学组成信息。更特别地，NMR测量提供在待测材料的样品中存在的氢化学光谱符号。为此，本发明的方法包括根据其NMR测量评价第一种组成成分性质的步骤。因此，计算机系统根据这样的响应估计第一种组成成分选定性质的数值。然后，这些性质用于选择性地调合第一种组成成分与第二种组成成分，以形成具有希望的选定性质值的调合石油混合物。这些选定性质的实例包括芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API重度、凝固点、辛烷值、PIONA和RVP。
石油混合物选定性质的期望值一般根据特定炼油厂施加的约束由优化程序规定，所述炼油厂加工调合石油混合物。但是，这些期望值的选择也可能受到经济因素的影响，例如不同原油的价格和可用性以及由调合石油混合物精炼的各种产品的售价和需求量。
本发明的方法可以用反馈系统实现，所述反馈系统评估调合石油混合物选定性质的数值并使那些估计值与那些选定性质的期望值比较。选定性质的评估值与那些性质的期望值之间的差异然后用来调整调合石油混合物的各种组成成分的相对量。优选地，采用核磁共振首先确定涉及组成的NMR-响应信息并且更特别地涉及调合混合物的氢化学，然后由测量信息评估混合物选定性质的数值进行调合石油混合物选定性质的数值评估。
本发明的方法因此可以提供各种原油选定性质值的实时评估。由于本发明的方法依赖于NMR而不是光学技术，所以这些评估的精度基本上与原油的不透明度或温度无关。结果，本发明的方法突出地适合于把各种原油调合成具有选定性质期望值的调合石油混合物。
用本发明实践的系统包括用于规定所形成石油混合物的选定性质期望值的优化程序。优化程序根据炼油厂的特征，任选地根据经济因素规定期望值。
所述系统还包括用于评估至少一种用于调合成混合物的组成成分的选定性质数值的传感器。这些评估与优化程序规定的期望值一起提供给控制器。根据来自传感器的评估值和来自优化程序的期望值，控制器决定组成成分的相对量，所述组成成分形成具有选定性质的期望值的石油混合物所需要的。
采用如下进一步描述的上述技术，根据本发明的方法和设备能够使输送到炼油厂的原油混合物的变化性最小。另外，所述混合物对于特定的炼油厂是最佳的。
从下列详细说明和附图，本发明的这些和其它的特征和优点是明显的，其中，
发明详述引入本发明原理的石油混合系统10接纳来自油库12的进料，油库有多个储油罐14a-n，其中三个表示在

图1中。这些进料通常是不同种类的原油，每一种原油由性质的输入向量表征。这些输入向量在图1中用与各个储油罐有关的符号x1、x2、….xn表示。典型的输入向量xi的元素包括表示原油的选定物理化学性质的值。调合系统10的输出是来自油库12中的各种原油的调合混合物。原油的这种调合混合物用输出向量y表征，输出向量具有代表所述调合混合物的化学物理性质的元素。这些选定性质的实例包括粘度、芳香度、API重度等。
虽然图1说明以管道从油库输送到炼油厂的各种不同原油，但是其它的原油来源是可用的。例如，一种或多种原油可以通过管道直接从井口或从储油罐到达炼油厂。供选择地，多种原油可以从不同的油库到达油井(well)。
石油调合系统10选择所需各种原油的量以获得具有优化输出向量的调合混合物，例如，使炼油厂的收益最大。通过由优化程序13提供的给定值向量r给出优化的输出。这个给定值向量r包括代表调合石油混合物的选定性质期望值的元素。优化程序13根据由特定炼油厂的性质施加的约束确定给定值向量，所述炼油厂将得到该调合石油混合物。另外，优化程序13可以运用目前的和预期的经济条件，来确定给定值向量。这样的经济条件可能包括各种类型原油的进货价格和可用性、由原油制造的各种产品的售价和需求量以及与这些产品的制造相关的成本。
优化程序13一般作为在可编程序数字处理器如通用数字计算机上执行的软件指令执行。通过使用键盘的操作员将信息提供给优化程序13。供选择地，优化程序13可以通过网络连接接收信息。在本发明的一种实践中，对于用在确定给定值向量r的关键经济指标，设置优化程序13来监测全球计算机网络，例如互联网。对于本发明实践合适的优化程序由Simulation Sciences of Brea，California以商品名ROMEO销售。
因此石油调合系统10是多变量的控制系统，其基于多个输入向量x1、x2、…xn操作，以产生与由优化程序13提供的给定值向量r匹配的输出向量y。输出向量y包括代表石油混合物选定性质实际值的元素。图1表明的控制系统是前馈系统，因为输出向量y不作为输入反馈。然而，如上所讨论的，本发明对于反馈控制系统同样是可用的。
图2表示图1的石油调合系统10的详细情况。如图2所示，第一储油罐14a与第一管道16相连用于输送来自油库12的第一种原油到达调合站18。第一管道16包括推进原油通过管道16的第一油泵20和控制输送到调合站18的原油量的第一阀门22。第一阀门22的位置受到第一调节器23的控制。
来自油库12的第二储油罐14b同样与第二管道26相连用于输送第二种原油到达调合站18。第二管道26包括推进原油通过管道26的第二油泵28和控制输送到调合站18的原油量的第二阀门30。第二阀门30的位置受到第二调节器31的控制。
在第一储油罐14和调合站18之间，装配第一核磁共振(NMR)传感器32以便通过第一分流管33采集第一管道16中原油的样品。同样地，在第二储油罐24与调合站18之间，装配第二NMR传感器34以便通过第二分流管35采集第二管道26中原油的样品。
一种优选的NMR传感器32、34使用得自美国Massachusetts，Foxboro Company的I/A Series NMR设备的技术。
将第一和第二NMR传感器32、34的输出提供给第一和第二化学计量模拟单元40、42。这些化学计量模拟单元40、42把NMR传感器32、34的输出转换成为适合于与模拟单元相联的多变量控制器36的格式。在响应中，多变量控制器36向第一和第二调节器23、31发送控制信号。第一和第二调节器23、31控制阀门23、30的位置，以这样的方式，使得输出向量y在由优化程序13提供的给定值向量r的容差范围内，输出向量y表示调合混合物的性质。这些性质可能包括芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API重度、冰点、辛烷值、PIONA、和RVP。
合适的化学计量模拟单元可以在可编程序数字处理器上执行作为检查表或作为数学模型。化学计量模拟单元可以放置在NMR传感器附近，如图2所示。另一任选的实践是化学计量模拟单元在多元控制器36中。然而，在石油调合系统10中的NMR传感器10也可以共用共同的化学计量模拟单元。
优化程序13和多变量控制器36与化学计量模拟单元优选地作为在可编程序数字处理器上执行的软件执行。实际上，这些指令在通用数字计算机上执行。为了满足期望的性能需求，优化程序13和多变量控制器36可以以硬件、软件或硬件和软件的联合方式执行。适合于本发明实践的多变量操作控制器由Simulation Science Inc.ofBrea，California以商品名CONNOSIEUR出售。对于本领域中的技术人员来说，多变量控制器36和优化程序13的详细实施细节是已知的并且不影响本发明的范围。
虽然图2中说明的石油调合系统10表示两个截然不同的NMR传感器32、34，但是可以理解，基于分时的基础，对于第一和第二储油罐，可以使用单一的NMR传感器。然而，取决于炼油厂布置的详细情况，各个储油罐间的距离可能使得用单一NMR传感器与两个或多个储油罐联接是不实际的。实际上，单一NMR传感器可以作为一个、两个、或多个原油源，取决于炼油厂的布置和基本设施提出的约束条件。
在图1和2中说明的石油调合系统10的操作中，第一油泵20推进石油通过第一管道16。该石油的样品通过第一分流管转向第一NMR传感器32。其余的石油流向第一阀门22，并且在第一阀门敞开的程度上，到达调合站18。
NMR传感器32在该样品上施加一个稳定的磁场使得与样品中分子相关的磁性偶极距定向。当稳定磁场在适当的位置时，NMR传感器32然后施加与稳定磁场方向不同的瞬时磁场，优选的是与稳定磁场方向正交的瞬时磁场。该瞬时磁场临时地使样品中的偶极子沿着一个方向排列，而不是那些其中静磁场定向偶极子的方向。当瞬时磁场关掉时，样品中的偶极子跳回到由稳定磁场在其上施加的定向。这样，偶极子产生RF信号。跳回稳定磁场定向的比例和因此所得RF信号的频率是携带该偶极子的分子种类的特征。因此产生的RF光谱提供了确定与样品化学组成有关信息的方法，更特别地，确定了样品的氢化学。
因此，NMR传感器32提供了关于管道16中原油样品的化学组成信息。在本领域中，从这种测量的样品组成响应信息估计选定性质的相应值是已知的。通过与多变量控制器36和NMR传感器32相连的第一化学计量模拟单元40进行这种将测量的样品信息转换成选定性质评估值的操作。输入到第一化学计量模拟单元40的信息是由NMR传感器32测量的样品响应信息。第一化学计量单元40的输出是相应的一组选定性质评估值。第二NMR传感器34和化学计量模拟单元42以与第一NMR传感器32和化学计量模拟单元40相同的方式操作。
适合于本发明实践的化学计量模拟单元40通过执行指令的数字处理器执行以便基于测量的原油样品氢化学评估选定的物理性质值。这些指令执行了本领域普通技术人员已知的过程。这些过程包括建立检查表、在检查表中两值之间的内插、或执行评估选定性质值的数学模型。
虽然本发明的实践不要求，但是通常希望的是在调合站18的出口放置与相关的第三化学计量模拟单元46一起的第三NMR传感器44，如图3所示。第三NMR传感器44及其相关的第三化学计量模拟单元46以与上述讨论的结合在一起的第一NMR传感器32及其相连的化学计量模拟单元40的操作方式相同的方式操作。第三化学计量模拟单元46的输出反馈到多变量控制器36，所述输出表示调合石油混合物选定性质值的评估。当第三NMR传感器44在适当的位置时，例如多变量控制器36可以检测调合石油混合物中的异常，其可以表示系统故障。另外，第三NMR传感器44的输出可以提供反馈变量，多变量控制器36处理增强这些变量，产生控制变量，例如阀门的位置，以获得期望的石油混合物。
如图2和3所示，NMR传感器32、34、44的每一个具有与其相连的独立化学计量模拟单元40、42、46。然而，调合系统10也可以采用与每个NMR传感器相连的单一化学计量模拟单元执行并在分时的基础上被每一个NMR传感器使用。
虽然本文中当本发明应用于两个组分的调合时公开了本发明，但是从内容上本发明的原理容易扩展到两个以上组成的调合是显然的。该调合系统可以用来把原油与已知组成的物质调合也是显然的。
由于已经描述了本发明及其优选的实施方案，所要求的新的且专利证书所保护的内容是
权利要求
1.一种调合至少第一和第二组分成为石油原油混合物的方法，所述方法包括如下步骤规定所述石油原油混合物的期望性质，进行所述第一种组分的在线NMR测量，以确定所述第一组分的测量性质，和根据所测量性质，选择性地调合所述第一组分与所述第二组分，以形成具有所述期望性质的石油原油混合物。
2.权利要求1的方法，其中所述进行在线NMR测量的步骤包括在所述第一组分上施加一个稳定的磁场，在所述稳定磁场上叠加一个瞬时磁场，测量所述第一组分对所述瞬时磁场的响应，和根据所述响应，确定所述第一组分的测量性质。
3.权利要求1的方法，其中所述进行在线NMR测量的步骤包括测定与所述第一组分的组成相关的信息，和根据所述组成信息，确定所述第一组分的所述性质。
4.权利要求1的方法，其中，所述性质包括所述第一组分的化学组成。
5.权利要求1的方法，其中，所述性质包括所述第一组分的物理性质。
6.权利要求5的方法，其中，所述物理性质选自芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API重度、凝固点、辛烷值、PIONA和RVP。
7.权利要求1的方法，其还包括根据市场情况规定所述选择性质的所述期望值的步骤。
8.权利要求1的方法，其中，选择性地调合所述第一组分与所述第二组分的所述步骤包括以下步骤进行所述石油混合物的在线NMR测量以确定所述石油混合物的测量性质，确定所述石油混合物的所述选定测量性质与所述期望性质的差异，和根据所述差异，调整包含在所述石油混合物中的所述第一组分的量以减小所述差异。
9.权利要求8的方法，其中，进行所述石油原油混合物的在线NMR测量的所述步骤包括如下步骤在所述石油混合物上施加一个稳定磁场，在所述稳定磁场上叠加一个瞬时磁场，测量所述石油混合物对所述瞬时磁场的响应，和根据所述响应，确定所述石油混合物的测量性质。
10.权利要求9的方法，其中确定所述石油混合物的测量性质的所述步骤包括如下步骤测定所述石油混合物的混合物组成，和根据所述混合物组成，确定所述石油混合物的测量性质。
11.一种调合至少第一和第二组组分成为石油混合物的系统，所述系统包括用于规定所述石油混合物选定性质期望值的优化程序，用于在线测量所述第一组分性质的第一NMR传感器，和与所述优化程序和所述第一NMR传感器相连的控制器，所述控制器根据所述测量性质选择性地调合所述第一组分与所述第二组分以形成具有期望性质的石油混合物。
12.权利要求10的系统，其中，所述第一NMR传感器包括用于测量对所述第一组分组成响应的信息的装置，和根据所述组成信息，用于确定所述第一组分性质的装置。
13.权利要求12的系统，其中，所述确定装置包括确定对所述第一组分的化学组成响应的信息的装置。
14.权利要求12的系统，其中，所述确定的装置包括确定所述第一组分的物理性质的装置。
15.权利要求14的系统，其中，所述确定所述组分物理性质的装置包括用于确定选自芳香度、沸点、闪点、浊点、粘度、倾点、API重度、凝固点、辛烷值、PIONA和RVP的物理性质的装置。
16.权利要求11的系统，其中，所述优化程序包括根据市场情况规定所述期望性质的装置。
17.权利要求11的系统，还包括用于在线测量所述调和石油混合物的性质的第二NMR传感器，和用于在所述第二NMR传感器和所述控制器之间提供联系的反馈装置。
全文摘要
一种调合两种或多种组分成为石油混合物的方法使用核磁共振以获得至少一种组分的选定性质的实时评估。多变量控制器处理这些评估以确定形成具有那些选定性质期望值的石油混合物所需的每一种成分的相对量。
文档编号G05B19/00GK1430663SQ01809843
公开日2003年7月16日 申请日期2001年1月12日 优先权日2000年3月20日
发明者R·W·卡格, T·A·克林克斯卡勒斯, C·斯瓦特, P·J·吉亚马特奥, J·C·爱德华兹 申请人:福克斯保罗Nmr有限公司