某平臺凝析油外輸泵改造方案研究

齊新海 楊勇 鄒浪 李春輝 王吉成 （中海石油深海開發有限公司）

凝析油是天然氣開采過程中因溫度、壓力下降，重組分發生相態變化形成的，是天然氣開采過程中的重要液相副產物，根據凝析油的物性及輸送要求，通常采用多級離心泵對凝析油增壓后與天然氣混合外輸至下游終端處理廠[1]。隨著氣田生產年限延長，為了穩定天然氣產量、提高氣田采收率，氣田降壓開采技術被廣泛的應用在天然氣開采與集輸領域，通過降低平臺整體操作壓力以降低井口背壓，從而達到實現釋放氣田產能的目的[2-3]。因此，為了匹配工藝流程操作壓力的降低，需要對在用的凝析油外輸泵進行適應性改造，針對凝析油外輸泵的改造主要集中在提高泵效、降低能耗、提升可靠性等多個方面。為了提高設備利用率，當前常用的改造方案為串聯增壓方式，以提高泵的出口壓力和流量，從而滿足凝析油輸送的特殊要求。以南海東部海域某氣田降壓開采中外輸泵改造為例，對凝析油外輸泵改造中的工藝、機械、儀控等方面進行一系列研究分析，確定了適應性改造最優方案，為后續國內氣田后期開發提供一定的借鑒[4]。

1 流程簡介

南海某天然氣處理平臺作為氣田群的外輸樞紐，自投產以來便承擔著A 氣田、B 氣田及上游開采平臺的天然氣和凝析油的外輸任務。目前天然氣處理平臺設置有一套凝析油處理系統，包括凝析油分離器、過濾器、緩沖罐及3 臺多電驅級離心式凝析油外輸泵（2 用1 備，CEP-P-2010A/B/C）。單臺凝析油外輸泵處理能力140 m3/h，進出口壓力分別為7 000 kPa、12 200 kPa，未采用變頻控制，采用最小流量閥和凝析油緩沖液位調節閥控制[5]。

隨著氣田開發逐步進入中后期，海管登平臺壓力逐步由7.5 MPa 降低至2.5 MPa，部分年份天然氣外輸壓力升高，CEP-P-2010A/B/C 無法滿足外輸增壓要求，需要對現有凝析油外輸泵進行改造。天然氣處理平臺各工況凝析油外輸泵參數見表1。

表1 天然氣處理平臺各工況凝析油外輸泵參數Tab.1 Parameters of gas condensate export pump for various operating conditions of natural gas processing platforms

通過分析表1 數據，可以得出凝析油外輸泵改造選型具有如下特點：實際配產與清管工況相差較大，小流量年份較多；逐年外輸壓力變化范圍大，對外輸泵適應性要求高；考慮串聯配置時需要合理選擇一、二級泵參數；考慮單泵增壓時應對調節方式進行合理選擇。

2 改造方案分析

2.1 兩級串聯不變頻

為了滿足新的流量和出口壓力需求，需要對現有的凝析油外輸泵進行改造[6-7]，新增3 臺凝析油外輸泵（CEP-P-2010D/E/F）與現有凝析油外輸泵串聯運行（方案1A），凝析油外輸泵串聯改造方案見圖1。

圖1 凝析油外輸泵改造方案Fig.1 Reconstruction plan of gas condensate export pump

在此改造方案下，實際配產外輸壓力較高的年份的清管工況為串聯運行，外輸泵CEP-P-2010A/B/C出口不節流，此時CEP-P-2010D/E/F 入口壓力約為CEP-P-2010A/B/C 出口壓力；實際配產外輸壓力較低的年份，旁通CEP-P-2010A/B/C，CEP-P-2010D/E/F單獨運行，此時CEP-P-2010D/E/F 入口壓力為2 000 kPa。基于上述描述，為簡化操作以凝析油外輸泵不采用變頻調節，在出口管匯后進行節流調節為基礎，對凝析油外輸泵進行運行工況模擬，選擇12級葉輪模擬的凝析油外輸泵（CEP-P-2010D/E/F），各工況運行參數見表2。

表2 各工況運行數據（12 級葉輪）Tab.2 Operating modes of various operating conditions(12 stage impeller)

在相同條件進行下選擇了8 級葉輪進行模擬，并將兩次數據進行對比，兩種不同配置凝析油外輸泵串聯方案配置對比見表3。分析表2 和表3 數據可知：凝析油外輸壓力及外輸泵的最小流量限制（CEP-P-2010A/B/C 最小流量為66 m3/h， 12 級CEP-P-2010D/E/F 最小流量為62.81 m3/h，8 級最小流量為39 m3/h）決定了凝析油外輸泵的運行模式；2026—2034 年，由于凝析油外輸壓力降低，此時旁通CEP-P-2010A/B/C，CEP-P-2010D/E/F 單獨運行；受實際產量及規模工況要求的限制，凝析油外輸泵節流運行，部分年份回流運行，存在節流壓損和回流損失；綜合泵效和運行工況凝析油外輸泵增壓級數選擇12 級。

表3 凝析油外輸泵串聯方案配置對比Tab.3 Configuration comparison of series connection schemes for gas condensate export pump

2.2 兩級串聯均變頻

為增加凝析油外輸泵的適應性及節能降耗，考慮對原凝析油泵CEP-P-2010A/B/C 新增變頻控制[8]，新增凝析油CEP-P-2010D/E/F 采用變頻控制（方案1B）。

分析兩種方案的配置情況：①設計方面配置一通過使相同轉速線上兩泵的流量相同，揚程相加來滿足要求。這樣可采用同頻率（轉速）控制，前后兩級泵調轉速時步調一致，具有相同的流量-揚程趨勢，控制較容易。但對于其它配置則無法做到泵型一致，因而也不可能做到同一頻率控制。根據設計經驗，在工藝控制流程中液位控制很難對泵達到精細控制，如果前后兩級泵采用不同的頻率控制，極大的提高了組態的復雜性。因此在設計上該方案面臨著泵的選型和組態邏輯協調運行問題[9-10]。②后期擴展方面。由于串聯方案中前后兩級均是1 用1 備方案，并聯后串聯，共4 臺，有1 臺老泵可不用或作為備用。后期如果降壓后還需上泵，則可能出現三級串的方案，系統將進一步復雜化。

2.3 單獨變頻增壓

基于凝析油外輸泵不同配置方案，原則是最大限度的匹配兩級泵的運行工況，盡量減少節流損失、回流損失和第二級外輸泵的葉輪級數，以減少泵的尺寸、質量和初始投資。同時考慮到凝析油外輸泵串聯在平臺運用不常見，因此提出廢棄老泵，新增一組凝析油外輸泵直接達到外輸壓力。

設計方面：技術可行，單級泵操作較簡單。由于新增泵的揚程較高，泵的轉速較高，需采用變頻電動機（50 Hz） +齒輪箱增速的方式（方案2A）。考慮齒輪潤滑油箱，泵的整體尺寸較長，泵頭-聯軸器-齒輪箱（GB）-聯軸器-電動機-油箱及成橇所需空間達到9.5～10 m，泵的質量也有所增加[11-12]。優化方案采用60 Hz 電動機直連方案，減少齒輪箱，因變頻柜內需含變壓器，盤柜面積增加，需注意防止諧波的影響（方案2B）[12]。后期擴展方面：如果二期降壓后還需上泵，則可再采用兩級串的方案（泵排量為90 m3/h）2 用1 備（方案2C），最終選擇方案2C 較方案2B（泵排量為164 m3/h）1 用1 備，在泵效和流量匹配上更具有優勢。

3 方案優選

對上述各方案在工藝、機械、儀控等方面進行比選，如表4 所示。分析表4 可知：①從技術可行性和操作簡單可靠的角度建議采用單獨增壓方案；②為便于安裝，建議采用60 Hz 變頻泵方案，減小機組尺寸、質量；③從經濟性和適應性上，3 臺排量為90 m3/h 泵比2 臺164 m3/h 泵費用高約1 050 萬元。由于目前實際配產最大僅為94 m3/h，90 m3/h 泵比164 m3/h 泵覆蓋的逐年工況更多，適應性更好。

表4 凝析油外輸泵方案比選Tab.4 Comparison of gas condensate export pump schemes

為了確保氣田的生產時率，推薦凝析油外輸泵采用單泵增壓方案。方案2A、2B、2C 均具有一定的可行性，為了使方案優選更具科學性，項目組為了優選出最合適的方式使用價值工程研究產品功能和成本的最佳匹配。首先對三種方案進行功能分析，如表5 所示。

表5 方案功能分析Tab.5 Functional analysis of scheme

三種方案總費用相差不大，上級要求總費用應低于6 000 萬元，按照“04 評分法”對三種方案進行功能一對一評分[13]，不同方案的各功能指標評價如表6 所示。

表6 各方案功能指標評價Tab.6 Evaluation of functional indicators for each schemes

求取方案理想系數公式為：

式中：?為方案成本滿意系數；C為項目總費用上限，萬元；C′為備選方案費用，萬元；K為方案理想系數；W為方案功能滿足系數。

根據公式（1） 和公式（2），對表6 中的三種方案分別計算理想系數，K2A=0.176、K2B=0.187、K2C= 0.191。對比不同方案的理想系數，可以發現K2C＞K2B＞K2A，故推薦方案2C 為最佳方案，即凝析油外輸泵采用單泵增壓方案，配置3 臺90 m3/h泵，2 用1 備，并采用變頻控制。

4 應用效果分析

2022 年凝析油外輸泵改造項目按照方案2C 成功實施并投入使用，凝析油外輸泵CEP-P-2010A/B/C停用，凝析油外輸泵CEP-P-2010D/E/F 上線。在當前工況下收集了凝析油外輸泵CEP-P-2010D/E/F 的進出口壓力，并模擬了其他方案的運行數據，凝析油外輸泵運行數據對比如表7 所示。

表7 凝析油外輸泵運行數據對比Tab.7 Comparison of operating data for gascondensate export pump

通過運行數據并結合前文分析可知：

1）凝析油外輸泵均能配合已有的工藝流程和控制邏輯穩定外輸壓力。

2）換型后的凝析油外輸泵采用變頻控制，泵的工況運行更加穩定，電動機溫度、振動等參數均優于工頻狀態，有利于延長設備壽命。

3）換型至今一直采用單泵運行，輸送量處于60～80 m3/h，采用的方案2C 較其余方案外輸泵的輸送效率最高。

4）換型后的控制邏輯為變頻+回流控制，擴大了外輸泵的流量適應范圍，同時所采用的2C 方案較原設計方案極大的減少了回流閥開度，因避免凝析油重復壓縮每天將節約電能12 672 kWh，按照耗氣0.485 m3/kWh 計算， 每年將減少燃氣消耗221.2×104m3，節能減排2 570 tce。

5 結論

以海上天然氣處理平臺凝析油外輸泵在降壓生產前的改造為例，對凝析油外輸泵的改造選型和配置方案進行了研究分析，并利用價值工程原理對備選方案科學的進行對比，選出了最佳方案，在整個過程中仍有以下幾點需要注意：在進行泵的配置改造時，需保證設備組裝的空間充足，以便進行維修和改造，建議空間占比不低于整體設備布局的20%，以確保后續維護和改造的便利性。泵的配置需要綜合節能、回流方式和流量控制范圍等因素，以確保泵在后期的使用效率。凝析油外輸泵的改造方案中的控制邏輯、操作程序等遵循準確、直接與簡化的原則，這對后期凝析油外輸泵的運維起著積極意義。