火驅采油用空氣壓縮機組冷卻方式的選擇

曹 毅 張永學 楊 華 張 帆 柯振雄

(1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院；2. 新疆石油工程設計有限公司；3. 新疆油田公司采油一廠)

火驅采油用空氣壓縮機組冷卻方式的選擇

曹 毅1張永學1楊 華2張 帆3柯振雄1

(1. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院；2. 新疆石油工程設計有限公司；3. 新疆油田公司采油一廠)

建立了某油田火驅采油區塊空氣壓縮機組散熱量的計算模型，得到所需的冷卻風量、循環水量等參數，提出了3種常用的冷卻方式。通過經濟性、適用性及運行維護難度等方面的對比，最終確定間接風冷卻循環為該區塊空氣壓縮機組最適合的冷卻方式。

空氣壓縮機組 冷卻方式 冷卻風量 循環水量

新疆油田自1984年開發以來，稠油區塊產油高峰期已過，繼續采用注蒸汽開發方式面臨注蒸汽熱效率低、采收率低(20%～30%)[1]、成本高及經濟效益差等問題。2009年12月，中石油在新疆油田某區塊進行了稠油開采火驅重大試驗項目。火驅即火燒油層，是通過注氣井底部點火裝置將地下油層的原油點燃，同時把空氣注入到油層內，經過燃燒后，地下油層的稠油吸收熱量和燃燒裂解后粘度不斷降低，由抽油機采出。用火驅開發方式局部替代原有的注蒸汽開發方式，采收率可提升至50%～80%[2，3]。

空氣壓縮機是火驅采油工藝中必不可少的注氣設備。壓縮機組中介質被壓縮產生熱量，同時壓縮機機械部件高速運轉產生摩擦熱，這些熱量若不能及時轉移出去，會使壓縮機運行溫度升高，導致潤滑油變性、粘度上升，潤滑性能降低、運行效率下降、功率消耗增大(壓縮機制冷中冷凝溫度每升高1℃，理論壓縮機功耗將增加2%～3%[4])，甚至可能導致空氣壓縮機損壞，因此需要對機組高壓空氣管路和螺桿式壓縮機的機油回路進行冷卻降溫[5，6]?？諝鈮嚎s機常用的冷卻方式有4種：間接風冷卻循環(風水混合冷卻循環)，該方式在壓縮介質級間冷卻及潤滑油冷卻均采用水冷，冷卻后熱水經空氣冷卻器換熱降溫后循環使用，該方式在熱電廠應用較多；開式蒸發水冷卻循環，該方式在壓縮介質級間冷卻和潤滑油冷卻均采用水冷[7]，在遼河油田某區塊空氣壓縮機組中有應用；直接風冷卻循環，該方式在壓縮介質級間冷卻和潤滑油冷卻均采用風冷[8]，在新疆油田某區塊有應用；自然通風直接冷卻，此方式只適用于排氣量不超過25Nm3/min的空氣壓縮機組。

筆者首先根據熱力學第一定律，建立壓縮機組級間散熱-冷卻能量模型，通過現場數據和級間進、排氣條件計算出壓縮機組所需的冷卻量。再結合3種冷卻方式，模擬各自所需的冷卻風量、循環水量，并以此確定不同冷卻工藝所需設備的型號和數量。最后，綜合分析不同冷卻工藝的適用性、經濟性及運行維護難度等因素，確定該油田區塊壓縮機組的最佳級間冷卻工藝。

1 工程基礎及需求條件分析

1.1 注氣工藝與空氣壓縮機配置分析

新疆油田某區塊火驅采油開發參數為：注氣井75口，點火初期單井注氣量6 000Nm3/d，注氣壓力為5.5～6.5MPa，點火成功后1～30天單井注氣量6 000～7 000Nm3/d，隨著火線的擴大，單井最大注氣量為17 200Nm3/d，可同時為1～4口井點火，點火時間約15～30天，根據燃燒情況逐漸提速。穩定驅油階段注氣壓力2.5～6.5MPa，總注氣量1 290 000Nm3/d。

目前常用的離心式、螺桿式和活塞式空氣壓縮機性能特點和適用范圍見表1。

表1 常用壓縮機性能對比

現場對壓縮機組合的選取原則為：能夠連續運行、故障率低、滿足火驅的生產要求；機型一致便于配件采購與維修，優先選用油田已有相關運用經驗的機型。

根據地質開發方案中點火階段、穩產階段對注氣壓力和單井注氣量的參數要求，結合各類型壓縮機性能及壓縮機組合的選取原則，選用螺桿式壓縮機與活塞式壓縮機的組合方式。為了滿足生產需求，最終選用12臺75Nm3/min螺桿式空氣壓縮機和6臺150Nm3/min活塞式空氣壓縮機，串聯使用，工藝流程如圖1所示。

圖1 空氣壓縮機組工藝流程

1.2 冷卻量需求分析

75Nm3/min螺桿式空氣壓縮機進氣溫度20.0℃，排氣溫度100.0℃，進氣壓力0.1MPa；150Nm3/min活塞式空氣壓縮機進氣溫度不大于50.0℃，進氣壓力1.0MPa，排氣溫度116.5/101.2/98.2℃(一級/二級/三級缸)。因此，冷卻共分兩部分，一是將螺桿機產生的100.0℃壓縮空氣冷卻到50.0℃；二是將活塞機一級缸排氣溫度116.5℃冷卻到50.0℃，二級缸排氣溫度由101.2℃冷卻到50.0℃。

散熱量計算公式：

Q=ρVCp(t1-t0)

(1)

式中Cp——空氣的定壓比熱，Cp=1.004kJ/(kg·℃)；

Q——散熱量，kW；

t0——冷卻后空氣的溫度，℃；

t1——冷卻前空氣的溫度，℃；

V——吸入空氣的體積，m3；

ρ——吸入空氣的密度，在標況下ρ=1.29kg/m3。

根據式(1)計算得：單臺活塞式空氣壓縮機散熱量為381.1kW，兩臺螺桿式空氣壓縮機散熱量為161.9kW；本工程空氣壓縮機組總散熱量需求是3 258.0kW。

2 冷卻方式的選擇

為了滿足工程建設所需要的冷卻條件，筆者提出了3種冷卻方案，即：間接風冷卻循環、開式蒸發水冷卻循環、直接風冷卻循環。

2.1 間接風冷卻循環

間接風冷卻循環(圖2)，即冷卻介質通過空氣冷卻器(空氣-水)以對流散熱方式降溫[9，10]，

圖2 間接風冷卻循環工藝流程

冷卻介質(軟化水)為壓縮機組提供冷源，使高溫空氣冷卻降溫進入下一級，冷卻系統采用閉式循環冷卻。

2.1.1 循環水量計算

本工程選用的空氣壓縮機組散熱量共3 258.0kW，循環水量計算公式為[11]：

(2)

式中C——水的比熱，C=4.187kJ/(kg·℃)；

G——循環水量，m3/h；

Q——散熱量，Q=3258.0kW；

Δt——供、回水溫差，Δt=10.0℃；

ρ——水的密度，ρ=1000kg/m3。

按照1%的補水率考慮，最大補水量為2.8m3/h，冷卻水采用軟化水，循環使用。

2.1.2 冷卻風量計算

冷卻所需風量計算公式為：

V=Q/(CpρΔt)

(3)

式中Cp——空氣的定壓比熱，Cp=1.004kJ/(kg·℃)；

Q——散熱量，Q=381.1kW；

Δt——冷、熱空氣溫差，Δt=19.4℃；

ρ——空氣的密度，ρ=1.29kg/m3。

按照空氣壓縮機組的配置方案，兩臺75Nm3/min螺桿機向一臺150Nm3/min活塞機供氣，區塊共運行12臺螺桿機，6臺活塞機，由式(3)計算總風量為466 798m3/h。

2.1.3 主要設備參數

需新建一座72m2水處理間，空氣冷卻器(空氣-水)集中室外布置，軟化水處理器、循環水泵、水箱、補水泵室內布置。選用12臺空氣冷卻器(空氣-水)，其中每兩臺螺桿式空氣壓縮機配一臺空氣冷卻器、每臺活塞式空氣壓縮機配一臺空氣冷卻器。單臺空氣冷卻器風量46 000～50 000m3/h，電壓380V，耗電量30kW，投資40萬元；軟化水處理器兩臺(1用1備)，處理量25～30m3/h；循環水泵3臺(2用1備)，流量150m3/h，揚程40m，功率22.5kW；水箱一座，容積4m3；補水泵兩臺(1用1備)流量30m3/h，揚程12m，功率1.5kW。

2.2 開式蒸發水冷卻循環

開式蒸發水冷卻循環(圖3)，即壓縮介質級間冷卻及潤滑油冷卻均采用水冷，冷卻介質通過冷卻塔散濕降溫，冷卻介質采用軟化水。

圖3 開式蒸發水冷卻循環工藝流程

2.2.1 循環水量計算

循環水量計算方法與間接風冷卻循環相同，循環水量為280m3/h，按照2%～3%的補水率考慮，最大補水量：8.4m3/h，冷卻水采用軟化水，循環使用。

2.2.2 主要設備選型

同樣需新建一座72m2水處理間，冷卻塔集中室外布置，軟化水處理器、循環水泵、水箱、補水泵室內布置。UFWH-CTA-100型冷卻塔3臺(2用1備)流量150m3/h，功率15kW，電壓380V；軟化水處理器兩臺(1用1備)，流量30～35m3/h；循環水泵3臺(2用1備)，流量150m3/h，揚程40m，功率22.5kW。

2.3 直接風冷卻循環

直接風冷卻循環，即壓縮機產生的高溫空氣通過空氣冷卻器(空氣-空氣)散熱降溫，冷卻介質為環境空氣?？諝饫鋮s器集中布置在室外，進入每級氣缸的高壓空氣管道需要拉至空氣冷卻器上端進行冷卻，冷卻后高壓空氣管道再接入下一級氣缸，繼續增壓。冷卻系統由空氣冷卻器和配套管路組成。

活塞式壓縮機冷卻風量、螺桿式壓縮機冷卻風量計算方法同間接風冷卻循環，冷卻風量為470 000m3/h。共選用12臺空氣冷卻器，單臺風量46 000～50 000m3/h，耗電量45kW，電壓380V，投資60萬元。

3 冷卻方式對比分析

3.1 冷卻工藝

從冷卻效率方面比較，水冷比空冷效率高；從工程難易程度方面比較，采用環境空氣冷卻方式相對較為簡單。方式1采用的間接風冷卻循環，冷卻介質為環境空氣和軟化水，充分結合了兩者的優點。

3.2 配套系統及布置方式

在工程實施的配套系統及布置方式上，間接風冷卻需要配套空氣冷卻器(空氣-水)、軟化水處理器、循環水泵、水箱、補水泵及配套管路，其布置方式除空氣冷卻器需要集中露天布置外其余設備需室內布置，且需要新建水處理間并增加土建費用；開式蒸發水冷卻循環需配置軟化水處理器、開式冷卻塔、循環水泵及配套管路，其布置方式除開式冷卻塔集中露天布置外，其余室內布置，也需新建水處理間并增加土建費用；間接風冷卻循環方式需配置空氣冷卻器(空氣-空氣)和配套管路，其布置方式需集中露天布置，但設備占地面積大。

3.3 運行管理與日常維護

間接風冷卻循環，冷卻設備相對較多，管理點較多，日常維護和所需員工較復雜。開式蒸發水冷卻環，冷卻設備適中，管理點適中，日常維護較為困難。直接風冷卻，管理較為方便，日常維護簡單，管道布置較為復雜。

3.4 總體評估

間接風冷卻和直接風冷卻是閉式循環冷卻，外部環境因素影響較小，間接風冷卻循環四季適用，效果最佳，冬季冷卻時需加乙二醇防凍液；直接風冷卻冬季冷卻效果更好、夏季整體冷卻效果差；開式蒸發水冷卻循環由于建有室外布置的開式冷卻塔，冬季存在結冰現象，大風天氣會有飄水現象，水資源易受污染且浪費嚴重，影響冷卻塔使用效果。

3種冷卻方式對比分析見表3。

表3 冷卻方式對比表

4 結束語

直接風冷卻循環方式雖然冷卻介質相對簡單且配套系統較為單一，但是其相對成本較大，冷卻效果不佳。開式蒸發水冷卻循環冷卻方式和間接風冷卻循環的冷卻方式的設備投資與運行成本較低，但在適用性上，綜合考慮該區塊氣候特點，開式蒸發水冷卻循環冬季不適用，資源浪費嚴重，間接風冷卻循環四季均適合壓縮機組的冷卻，冷卻效果較好，故推薦該區塊冷卻方式采用間接風冷卻循環。

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AirCompressorCoolingModeSelectioninFire-floodingOilProduction

CAO Yi1, ZHANG Yong-xue1, YANG Hua2, ZHANG Fan3, KE Zhen-xiong1
(1.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing); 2.XinjiangPetroleumEngineeringDesignCo.,Ltd.; 3.No.1OilProductionPlant,XinjiangOilfieldCo.)

The calculation model for heat dissipating capacity of the air compressor in a fire-blooding oil production area was established and the parameters of cooling air volume and circulating water volume were obtained as required, including the presentation of three commonly-used cooling modes. Comparing them in the economical efficiency, the applicability and the difficulty in operating and maintenance shows that, the indirect air-cooling circulation is the most suitable mode for the air compressor unit there.

air compressor unit, cooling mode, cooling air volume, circulating water volume

曹毅(1991-)，碩士研究生，從事動力機械及工程的研究。

聯系人張永學(1977-)，教授，從事水力葉輪機械的水力設計、油氣系統節能、油氣流動的理論和實驗研究，zhyx@cup.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)03-0292-05

2016-09-27，

2016-11-02)