水下多相增壓泵選型設計

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(1.中國石化石油勘探開發研究院 地面工程研究所，北京 100191； 2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

隨著海洋石油的開采不斷向深海邁進，多相混輸技術逐漸成為研究的熱點。多相混輸技術是以一臺多相混輸泵取代傳統工藝中的泵和壓縮機，并將傳統管道中的油管和天然氣管合并為一條，從而將開采成本降低為傳統方式的70%[1]。水下多相增壓泵是多相混輸技術的關鍵設備，通過水下增壓技術則可以使油氣田的壽命大幅延長，從而提高收益[2]。

目前，水下多相增壓泵被Leistritz、Bornemann、Framo等國外公司所壟斷[3]，國內還沒有專門從事水下多相增壓泵的公司。在單元設備開發方面，國內的研究主要進行了增壓泵的前期調研，在多相泵的流體分析和數模分析等方面有基礎研究[4-6]，但是沒有開展針對性的應用研究，在水下多相泵方面也沒有取得一定的應用成果。

水下增壓泵正在服役的油田包括挪威北海的 Draugen 油田、墨西哥灣King油田、中國南海的陸豐油田、西非的Topacio、Zafiro 和 Ceiba 油田等[7]。水下增壓泵最深的安裝記錄是BP公司在墨西哥灣的King油田，水深達到1 670 m，水下增壓泵站距離平臺24 km，單體設備水下多相增壓泵采用Bornemann公司生產的雙螺桿多相泵，泵站的整體部分由Aker Solutions公司建造[8]。水下多相增壓泵在每個工程中針對不同的油田特性都有不同的設計要求。本文充分考慮了泵的排量、驅動方式、泵入口條件、軸承的選擇、冷卻潤滑系統、密封系統、經濟性、多相泵的連接方式進行選型設計，通過典型的工程實例，分析了水下增壓泵的選型設計過程以及重要設計參數的確定方法，選擇出滿足設計要求的水下多相增壓泵。

1 水下多相增壓泵簡介

水下多相增壓泵主要分為旋轉動力式泵(螺旋軸流多相泵)和容積式泵(雙螺桿多相泵)2種類型。旋轉動力式泵是依靠旋轉的工作葉輪將機械能傳遞給流體介質并轉化為流體的動能；容積式多相泵是依靠工作容積周期的變化來實現流體的增壓。

水下雙螺桿多相泵的代表廠商是Bornemann公司，BP公司在墨西哥灣1 670 m水深的King油田采用Bornemann公司的雙螺桿多相泵，從而使該油田產量提高20%，采收率提高7%，油田壽命延長5 a。螺旋軸流多相泵的代表廠商是挪威Framo公司，Framo公司的螺旋軸流多相泵在海洋石油領域得到了廣泛應用。1997年我國與挪威合作，Framo公司的螺旋軸流泵在我國南海水深超過330 m的陸豐22-1油田得到應用[9]。

1.1 水下雙螺桿多相泵

1.1.1工作原理

雙螺桿多相泵是一種容積式泵，由吸入腔、密封腔、排出腔組成，如圖1所示。其工作原理是利用兩根相互嚙合、互不接觸的螺桿來抽送液體，一根為主動桿，另一根為從動桿，當螺桿轉動時，吸入腔室容積增大，壓力降低，液體在泵內外壓差作用下進入吸入腔。隨著螺桿轉動，密封腔內的液體連續均勻地沿軸向移動到排出腔，由于排出腔容積逐漸減小，進而將液體排出。

1—前軸承；2—從動桿；3—齒輪；4—主動桿；5—泵體；6—端蓋；7—后軸承；8—機械密封。圖1 水下雙螺桿多相泵示意

1.1.2特點

雙螺桿多相泵具有強制輸氣的特點，性能不會因為含氣率的提高而大幅下降，所以可以輸送含氣率較高的油氣混合物。雙螺桿多相泵適合中小流量、流量穩定、高含氣率的場合，能夠輸送黏度很大的油氣混合物，能夠在寬廣的轉速范圍內保持高效，適合變頻驅動，運轉平穩可靠；但也存在輸送流量較小，對泥砂敏感，螺桿外緣與缸體磨損后壓力迅速降低，致使該類泵存在工作可靠性低、維修量大、壽命低、運行成本高。常用雙螺桿增壓泵的轉速為600～3 600 r/min[10]。

德國Bornemann公司是最早的雙螺桿式多相泵生產廠家，所生產的雙螺桿泵1992年開始在國際市場銷售，至今在世界各大油田被廣泛使用[11]。該公司從1997年開始進行水下多相泵的研究工作[12]，其水下雙螺桿多相泵如圖2所示。多相泵的設計參數為：功率1 100 kW，流量10～1 300 m3/h，增壓5 MPa。

圖2 Bornemann水下雙螺桿多相泵

1.2 水下螺旋軸流多相泵

1.2.1工作原理

螺旋軸流多相泵是一種多級泵，它由吸入段、壓縮段、壓出段組成，如圖3所示。工作原理是利用葉片剖面呈機翼狀的螺旋葉片對油氣混合流產生升力而進行增壓，旋轉的螺旋形葉片激起的旋轉流動，經過靜止固定導葉的整流，強迫輸送油氣混合介質沿軸向流動。

1—螺旋軸流多相泵；2—氣體間隙；3—混合段；4—液體；5—氣體；6—外罩；7—入口；8—出口；9—唇形密封；10—油侵式電動機；11—屏蔽流體冷卻管；12—ROV操作手；13—電動機電力接頭。圖3 水下螺旋軸流多相泵示意

1.2.2特點

螺旋軸流多相泵適用于大流量、高轉速、低含氣率的場合，其壓縮段的級數可以達到幾十級。由于其泵體采用開式或者半開式的結構，能夠在高含砂下運行，對所含固體砂粒不敏感，多相流中含砂率可以超過5%；含氣率范圍不及雙螺桿多相泵大；介質的黏度范圍不如雙螺桿多相泵寬，介質黏度太大會使泵的效率急劇下降，甚至無法運轉。軸流式增壓泵的轉速為3 500～6 500 r/min[10]。

Framo公司的螺旋軸流多相泵已在中國南海、挪威北海等多個海上項目中應用，其公司的螺旋軸流多相泵如圖4所示。多相泵的設計參數為：最大流量2 000 m3/h，壓差3～20 MPa，氣體體積含量(GVF)最高達95%，壓力等級34.1～97.1 MPa，設計水深3 000 m，軸功率300～3 000 kW，泵高5 m，占地面積小于4 m2，設備質量7～20 t。

圖4 Framo螺旋軸流多相泵

水下雙螺桿多相泵和水下螺旋軸流多相泵各有優缺點，需要針對實際工程條件來選擇合適的泵。2種多相泵的優缺點以及適用性如表1。

2 水下增壓泵選型設計

水下多相泵的選用，需要根據油田現場的實際情況和多相泵的特性決定，通常較大、中流量時采用螺旋軸流式多相泵，小流量時采用雙螺桿式多相泵；含砂較多時采用螺旋軸流式多相泵。多相泵的結構尺寸(特別是葉輪、螺桿的水力直徑)由多相泵進口處的總流量和進口含氣率確定，如果流量和進口含氣率增加，則需要增大直徑，有助于提高壓差。一般流量大約與直徑的立方成正比，壓差則與直徑的平方成反比。因此，泵的尺寸確定必須知道多相泵進口處的總流量和進口含氣率，還需要考慮其輔助系統，包括軸承、密封、冷卻潤滑等。其次，根據多相泵的材質、大小、價格、連接方式等結合實際的工況，選擇所需的多相增壓泵。

表1 2種水下多相泵的優缺點以及適用性

1) 泵的排量。多相泵入口的流量Q為入口狀態下進泵液量Q1與氣量Qg的體積流量總和。氣量由于氣體的體積與狀態壓力與溫度有關，多數以標準狀態時的氣量為準。為了滿足泵在工況變化的需要，在選型時，泵的排量最好大于泵入口流量的10%～20%。

2) 驅動方式。水下多相增壓泵的驅動方式有2種，分別是水力驅動和電機驅動。水力驅動利用現有注水設備和注水管網，將注水壓力抽出一部分作為多相泵的動力，然后將油井中未經處理的油氣水多相混合質輸送到平臺。電機驅動的電力由上部平臺上的電力單元供給，為了適應工況的變化，需配置變速器進行調速，以保證系統的工作穩定，減少載荷。變速器是多相泵機組中極重要的配套裝置。一般情況下，為了適應變工況條件，達到增壓、高效、運行穩定等目的，易采用變速運行。通常，含氣量高時，應處于高速運行；反之，含氣量低時，適于低速運行[13]。

3) 泵入口條件。泵入口的條件與多相泵的性能密切相關，所以在輸送高含氣的多相流時，應采用流體部分回流技術，通過在泵入口處安裝緩沖器，人為地提高泵入口處混合物的平均密度，可以在一定程度上改善泵的入流條件。根據現場經驗表明，安裝緩沖器后，能正常輸送最高含氣率由0.9提高到0.99。

4) 軸承的選擇。水下多相泵的軸承通常選用外置式軸承，可以不受輸送介質的影響，潤滑條件好，壽命長，還能減少潤滑油的消耗量。在實際工作的過程中，其主要承受軸向力，可能存在較小的徑向力，選用推力軸承較多。

5) 冷卻潤滑系統。由于氣體、固體雜質的存在，多相泵組還要考慮冷卻潤滑系統，冷卻潤滑系統可以為設備提供清潔、冷卻、潤滑的保障，確保安全可靠的工作運行。

6) 密封系統。密封裝置的密封面在摩擦狀態下，當外界的密封條件發生變化時，要保證相對的穩定。對于水下增壓泵而言，密封效果的好壞十分重要，要求密封能夠在比較大的壓力和溫度變化范圍內正常工作，將壓力和溫度變化引起的密封面磨損降到最小。目前，水下多相增壓泵的密封通常采用單、雙端面機械密封，來保證多相泵的安全運行。

7) 材料的選擇。水下增壓泵加工制造的材料是選型設計的重要考慮方面，根據水下的復雜環境和其所要輸送介質的化學、物理特性進行選擇，水下的高壓和腐蝕性對泵的材質提出非常苛刻的要求。泵殼需能承受海水的外壓，并由耐海水腐蝕的材料制成。泵的殼體材料通常選擇鑄造碳鋼、不銹鋼、銅合金，與殼體表面防腐蝕的涂層等共同承擔高壓、高腐蝕的外界環境；泵軸的材料可選用硬化工具鋼、不銹鋼；泵的襯套可以選用碳鋼、不銹鋼等，通過調質、滲氮處理，提高表面的強度，從而減少磨損。當輸出的油井產物中H2S和CO2含量較高時，在材質上的選擇還要進行特殊的處理。

8) 經濟性。雙螺桿多相泵的結構復雜，對固體顆粒較為敏感，在輸送較大流量的介質時，整機的質量和尺寸相對較大。根據統計，針對設計流量同為400 m3/h的2種多相泵，雙螺桿泵的整機質量為10 t；螺旋軸流多相泵的整機質量為3 t。在同等規格下，雙螺桿多相泵的價格較軸流式多相流混輸泵低廉。

9) 多相泵的串并聯。通過與普通泵設計的類比，為了滿足生產需要和保證整個系統的可靠性，在實際工程中往往需要2臺或者多臺進行串并聯，來提高油氣田的產量。在并聯的過程中，一般是一備一用和一備兩用，來保證油田的安全運行。在串聯的過程中，一般是單臺增壓泵不能滿足實際生產，就需要考慮通過串聯提高泵的壓力。

10) 多相泵的安裝。海底多相增壓的泵功率、壓力損失對多相增壓泵的安裝位置敏感性較低，因此安裝位置的設計可以忽略?？紤]到成本原因、安裝的難易程度，優先選用雙螺桿增壓泵。目前，水下大型設備常用的安裝方法有直接下放法和鉆桿安裝法。直接下放法適用范圍廣，操作方便，成本較低，其安裝精度不高，承載能力弱；鉆桿安裝法定位精度高，承載能力強，但成本較高。

3 典型增壓泵選型案例分析

3.1 工程實例

1) 物性參數。采出液為混合物，含有原油、地層水和伴生氣，其主要物性為：①原油密度0.92～0.95 g/cm3，30 ℃條件下的原油運動黏度36.3～125.6 mm2/s；②伴生氣中甲烷含量55.8%～66.3%，相對密度0.89 g/cm3；③地層水相對密度的平均值為1.13 g/cm3；pH值4.3～6.7，平均值為5.5。

2) 環境參數。水深1 300 m，海底溫度6 ℃，海平面溫度21 ℃。

3) 設計參數。進口壓力2.0 MPa，出口壓力5.5 MPa；液量為90 m3/h(含水16.6%～85.3%)，標準狀態下氣量120 000 m3/d。

3.2 水下增壓泵的選型計算

水下多相增壓泵的選型設計主要包括計算泵的排量和軸功率、電機功率、泵入口氣體體積含量等。

1) 泵的排量。泵入口的排量Q為入口狀態下進泵液量Q1與氣量Qg的體積流量總和。

Q=Q1+Qg

(1)

式中：Q為泵入口的排量，m3/h；Q1泵入口液相的流量，m3/h；Qg泵入口氣相的流量，m3/h。

由于氣體的體積與狀態壓力與溫度有關，多數以標準狀態時的氣量為準。根據提供的標準狀態下的產氣量Qb和利用理想條件下的氣體狀態方程進行換算。

(2)

式中:Qb為標準狀態下產氣量，m3/h；pin為泵進口的壓力，MPa；ps為標準大氣壓，取0.1 MPa；Tin為泵入口的熱力學溫度；Ts為熱力學常溫，293 K。

則：Q=90+227=317 m3/h

2) 泵入口氣體體積含量(GVF)。多相混輸泵的入口氣體體積含量是指在人口壓力、溫度條件下，氣相體積流量與總流量的百分比。

理論上講，水下雙螺桿多相泵和螺旋軸流多相泵的入口氣體體積含量都可以達到100%，但是在實際的操作中，水下雙螺桿多相泵可以處理GVF更高的多相流體。

3) 軸功率。泵的軸功率是電機選型的重要參數。對多相混輸泵來說，其軸功率可分為液相功率、氣相功率2部分。

Np=N1+Ng

(3)

(4)

(5)

式中:Np為混輸泵的軸功率，kW；N1為混輸泵液相的軸功率，kW；Ng為混輸泵氣相的軸功率，kW；pin為混輸泵入口的壓力，MPa；pout為混輸泵出口的壓力，MPa。

Np=308+223=531 kW

4) 選擇電機功率。電機的計算功率N為泵的軸功率Np乘以功率裕量系數K。

N=K×Np

(6)

式中：N為電機計算功率，kW；K為電機功率裕量系數，由表2查得。

N=K×Np=584.1 kW

表2 電機功率裕量系數

5) 軸承的選擇。對于水下多相泵,泵軸主要承受軸向力，在實際運行過程中可能存在較小的徑向力。故選用推力軸承與向心軸承并用的方案，即推力軸承承受較大的軸向載荷，兩端選用承受徑向載荷的向心軸承，以避讓軸的伸縮，又可保證軸的穩定運行。

6) 密封方式。多相泵輸送介質是油氣水混合物，因此機械密封為優選方案。機械密封分為單端面機械密封和雙端面機械密封，為了防止可燃氣的泄漏，機械密封應該采用雙端面機械密封。

7) 潤滑方式。多相泵的潤滑方式實行強制潤滑，可選擇齒輪泵連續壓力潤滑的方式對軸承進行強制潤滑。利用油泵將潤滑油從油池里抽出來，經過管道分配到所需潤滑的軸承處。潤滑油槽內的壓力始終與混輸泵進口壓力相同，有利于機械密封長時間地可靠運行。自帶有儲油箱，必要的時候，儲油箱可向螺桿泵補充潤滑油，保持系統在水下能夠長期工作。

本案例計算得出，流量較小、入口氣體體積含量較高。與水下螺旋軸流多相泵相比，水下雙螺桿增壓泵更適用于中小流量、高含氣率的場合，且雙螺桿增壓泵的效率較高，成本低、安裝相對容易。因此，選用水下雙螺桿增壓泵。相比水力驅動，電驅的結構簡單，控制系統和動力供應系統相對復雜，維修成本較低，故選用電驅動方式?？紤]到油氣防爆的要求，電機需選用防爆電機，普通電機轉速通常在3 000 r/min以下，并配套調速裝置。

4 結論

1) 通過研究水下雙螺桿多相泵和水下螺旋軸流多相泵的工作原理和特點，對2種泵的優缺點和適用性進行了比較。通過分析和計算，確定了水下多相混輸增壓泵的選型設計，分析泵的排量、選擇的電機類型和功率、以及采用的軸承和輔助系統。以此為依據可完成多相泵產品的篩選，從而獲得滿足要求的水下多相增壓泵。

2) 針對混輸泵的選型計算，基于理論公式方面，其實際工況受現場運行條件、輸送介質黏度及特性等多種因素的影響，因此還應該結合現場數據，以作論證和分析。對水下多相增壓泵而言，泵的小型化設計、安裝方便、泵組的承壓能力、密封性能以及水下作業的可靠性和安全性，都是需要綜合考慮的關鍵因素。