水下壓縮機選型設(shè)計

2021-01-05 06:21:16劉永飛

海洋工程裝備與技術(shù) 2020年5期

劉永飛

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)石油和天然氣消費需求的增加，石油天然氣開采從陸上發(fā)展到海上。20世紀80年代以來，海上油氣田開發(fā)取得了長足的進步，但是近20年來，很多油氣田陸續(xù)進入了開采壽命后期，面臨著油藏壓力下降、減產(chǎn)或停產(chǎn)等問題。這些問題和挑戰(zhàn)推動了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的快速發(fā)展[1-3]，水下單相泵、水下多相泵、水下分離器等水下設(shè)備先后在全球范圍內(nèi)成功運用，這些也促進了水下濕氣增壓技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展。

2015年，在經(jīng)過了多年的研究與測試以后，水下壓縮機在挪威北海挪威國家石油公司的Asguard和Gullfaks油氣田成功運行。Asgard油氣田于1999—2000年投產(chǎn)，隨著氣藏壓力逐漸降低，原油田投產(chǎn)時預(yù)計到2015年將沒有足夠的天然氣壓力來保持穩(wěn)定生產(chǎn)，作為解決方案，一個包含有兩臺11.5 MW的離心式壓縮機的壓縮機站在2015年被安裝到海底。這個壓縮機站每天可以處理2 100萬標準立方米的天然氣，合計增產(chǎn)3.06億桶油當(dāng)量，提高油氣田采收率超過20%。Gullfaks油氣田于2001年左右投產(chǎn)，面臨著與Asgard油氣田同樣的問題，為了延長油氣田壽命、提高采收率，挪威國家石油公司于2015年在Gullfaks油氣田水下安裝了由兩臺5 MW對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機組成的壓縮機站，每天的采氣量增加了1 000萬標準立方米，合計增產(chǎn)2 200萬桶油當(dāng)量，提高油氣田采收率達10%，使Gullfaks油氣田的開采壽命延長了20年[4]。

挪威北海水下壓縮機的成功應(yīng)用為中國南海油氣田開采壽命后期增產(chǎn)提供了解決方案。2013年以來，中國南海以荔灣3-1為代表的深水油氣田被不斷發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，隨著開發(fā)的不斷深入，中國南海的油氣田群也將逐漸面臨油藏壓力下降、減產(chǎn)或停產(chǎn)等問題。因此，有必要提前對水下濕氣增壓技術(shù)進行研究。

1 水下濕氣壓縮機

目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得現(xiàn)場應(yīng)用的水下濕氣壓縮機主要有兩類：水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機和水下離心式壓縮機。其中，水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機是在成熟的螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上改進而來的，水下離心式壓縮機是陸上離心式壓縮機通過一系列先進技術(shù)改進而來。

1.1 水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機

水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機是在水下螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，水下螺旋軸流式多相泵源于20世紀80年代著名的“海神計劃”的研究成果[5]。20世紀90年代，在相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)讓給Framo后，水下螺旋軸流式多相泵進入工業(yè)應(yīng)用階段。近20多年來，在世界范圍內(nèi)超過20個油氣田上成功應(yīng)用。

水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機的機械研制基于成熟的螺旋軸流式多相泵，比如電機、軸承、機械密封、操作理念。對轉(zhuǎn)葉輪是軸流式葉片的一種變化形式，機體呈對置方式、轉(zhuǎn)向相反的一對電機分別驅(qū)動常規(guī)軸流壓縮機的動葉和靜葉，轉(zhuǎn)速可變頻調(diào)節(jié)。由于它的動、靜葉是相對轉(zhuǎn)動的，通常在較低的轉(zhuǎn)速下就可得到很好的增壓效果。該裝置的一個顯著特點是流量很大，因其工作原理類似于軸流式壓縮機，所以在含氣量90%以上時才具有較理想的性能，葉片形式如圖1所示。

圖1 螺旋軸流式葉片和對轉(zhuǎn)軸流式葉片

水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機具備以下特點：

(1) 處理液相段塞能力。

(2) 直接處理原工藝流體能力。

(3) 處理100%液相工況的能力。

(4) 具備防喘振保護系統(tǒng)。

(5) 兩個壓縮機可以實現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)。

2015年第四季度，對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機WGC4000成功應(yīng)用于Gullfaks油氣田項目，回接距離為15 km，壓縮機橇塊尺寸為43 m×18 m×12 m，重量為1 070 t，主要包括兩個壓縮功率為2×5.0 MW的壓縮機，設(shè)計流量為1 000 Sm3/d，使Gullfaks油氣田增產(chǎn)2 200萬桶油當(dāng)量，采收率從63%提高到73%。

WGC4000壓縮機的設(shè)計參數(shù)如下[6]：

(1) 2×2.5 MW高壓電機。

(2) 實際流量： 6 000 m3/h(液相處理能力400 Am3/h)。

(3) 增壓：32 bar(1 bar=105Pa)。

(4) 尺寸： 3.3 m×4.3 m×7.7 m。

(5) 設(shè)計壓力： 390 bar。

(6) 重量低于60 t。

對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機與多相泵結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

圖2 對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機與多相泵結(jié)構(gòu)對比

1.2 水下離心式壓縮機

水下離心式增壓技術(shù)由陸上離心式壓縮機改進而來，通過無油潤滑、高頻率感應(yīng)電機、動態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動等先進技術(shù)保證壓縮機在水下長期無故障運行。相對于傳統(tǒng)的陸上離心式壓縮機，水下離心式壓縮機取消了變速箱、調(diào)速行星齒輪、潤滑油系統(tǒng)、軸密封、密封系統(tǒng)等傳統(tǒng)組件，具備以下幾方面的優(yōu)勢[4]：

(1) 采用高電機功率和集成系統(tǒng)，大大減小了占地面積和減輕了重量。

(2) 采用無油理念，簡化了設(shè)備布置。

(3) 無排放。

(4) 采用無磨損的理念，減少了維護需求。

(5) 適合遠程控制，減少了人員需求。

離心式壓縮機改進前后對比如圖3所示。

圖3 離心式壓縮機結(jié)構(gòu)改進前后對比

2015年，水下離心式壓縮機成功應(yīng)用于Asgard油氣田，回接距離為40 km[7]，壓縮機橇塊[8]尺寸為75 m×45 m×20 m，重量為5 000 t，主要包括一個分離器，一個泵，一個冷卻器，兩個功率為2×11.5 MW的壓縮機，設(shè)計流量為2 100 Sm3/d。水下離心式壓縮機為油氣田增產(chǎn)3.06 億桶油當(dāng)量，采收率提高20%左右。Asgard水下壓縮機站組成如圖4所示。

圖4 Asgard水下壓縮機站組成

壓縮機參數(shù)如下[2，9]：

(1) 功率：11.5 MW(3～18 MW)。

(2) 設(shè)計壓力：22 MPa(內(nèi)部)，15 MPa(外部)。

(3) 流量：14000 Am3/h(兩臺并聯(lián)可達28 000 Am3/h)。

(4) 增壓比最高：3(兩臺并聯(lián)可達5.5)。

(5) 入口最低壓力可達10 bar。

(6) 尺寸：5.7 m×4.0 m×2.7 m。

(7) 重量：57 t。

水下離心式壓縮機如圖5所示。

圖5 水下離心式壓縮機

1.3 兩種壓縮機特點對比

水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機由螺旋軸流式多相泵改進而來，無須配置水下分離器，壓縮機橇塊相對簡單，尺寸小，重量輕，易于安裝，耗資較小，增壓氣量相對較小，增壓能力相對較弱，適用于對增壓能力要求不高或者規(guī)模較小的油氣田。

水下離心式壓縮機由陸上壓縮機改進而來，需要配置水下分離器，壓縮機橇塊相對復(fù)雜，尺寸大，重量大，安裝難度更大，耗資更多，增壓氣量相對較大，增壓能力相對更強，適用于對增壓能力要求更高或者規(guī)模更大的油氣田。對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機和離心式壓縮機特點如表1所示。

表1 對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機和離心式壓縮機特點

2 水下濕氣增壓方案研究案例

2.1 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

中國南海某油氣田后期油藏壓力逐年下降，到一定年份后井流自身壓力無法實現(xiàn)天然氣等平臺外輸，需要配置水下壓縮機來增壓。

主要物性參數(shù)如下：

(1) 天然氣密度：0.207 0～0.242 9 g/cm3。

(2) 凝析油密度： 0.780 8 g/cm3。

(3) 凝析油黏度：0.50 mPa·s(在50℃時)。

(4) 二氧化硫含量： 0。

(5) 二氧化碳含量： 6.9%(質(zhì)量分數(shù))。

設(shè)計參數(shù)：具體氣、油、水量以及所需壓縮機進出口壓力如表2所示。

表2 壓縮機設(shè)計參數(shù)

2.2 選型計算

水下壓縮機的選型計算主要包括壓縮機所需排量、軸功率、電功率，以及壓縮機入口氣液比等的計算。

(1) 壓縮機排量。

壓縮機的排量要滿足增壓工況的需求，如果不滿足，可以采取多臺并聯(lián)的形式。

對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機的排量為氣量和液量之和：q=ql+qg；

離心式壓縮機配置有分離器，排量約為氣相流量：q≈qg；

由于氣體體積與狀態(tài)壓力和溫度有關(guān)，需要將標準狀態(tài)下的氣體流量換算成壓縮機入口狀態(tài)的氣體流量：

式中：q為壓縮機入口排量，Am3/h；ql為壓縮機入口液相流量，m3/h；qg為壓縮機入口氣相流量，m3/h；qs為標準狀態(tài)下流量，Sm3/h；pi為壓縮機入口壓力，MPa；ps為標準大氣壓，0.1 MPa；Ti為壓縮機入口熱力學(xué)溫度，K；Ts為熱力學(xué)常溫，293 K。

(2) 增壓能力。

壓縮機進口壓力、增壓能力要滿足工況增壓需求，如果不能滿足，可以采取多臺串聯(lián)的形式。

(3) 壓縮機軸功率。

估算公式如下：

式中：P為電功率，kW；PS為軸功率，k W；P為理論功率，kW；qS為壓縮機入口質(zhì)量流量，kg/h；Hp為壓縮機壓頭，J/kg；K為電機的功率裕量系數(shù)；ηg為機械效率，0.97%；ηc為傳動效率，1；ηp為壓縮機多變效率；m為多變過程指數(shù)；Z為氣體平均可壓縮系數(shù)，0.9；R為氣體常數(shù)，415.7；ε為名義壓力比；TS為進氣溫度，K。

(4) 壓縮機站入口氣體體積分數(shù)(GVF)。

壓縮機站入口氣體體積分數(shù)是指在入口壓力、溫度條件下，氣相體積流量與總流量的百分比。

對于對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機來說，壓縮機站入口的氣體體積分數(shù)即壓縮機入口的氣體體積分數(shù)；對于離心式壓縮機來說，由于配置了水下分離器模塊，壓縮機入口的氣體體積分數(shù)是分離器分離后的氣體體積分數(shù)。

(5) 選型計算結(jié)果。

根據(jù)目標油氣田設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算壓縮機選型參數(shù)，逐年計算結(jié)果如表3所示。

表3 水下壓縮機選型計算結(jié)果

2.3 選型分析

根據(jù)表3的計算結(jié)果，分別對比分析兩種壓縮機的適用性，具體如表4所示。與方案二相比，方案一多用一臺壓縮機，在經(jīng)濟性和可靠性上更差，所以不選擇方案一。與方案二相比，方案三經(jīng)濟性更差，而且壓縮機長期低流量運行，容易引起喘振等問題。所以可以得出結(jié)論，針對目標油氣田增壓需求，最優(yōu)配置方案為配置兩臺水下對轉(zhuǎn)軸流式壓縮機WGC6000。