南海某深水氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計＊

王建豐 吳堯增

（中海油研究總院）

南海某深水氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計＊

王建豐 吳堯增

（中海油研究總院）

適應(yīng)不同輸量需求的增壓系統(tǒng)設(shè)計是南海某深水氣田中心平臺天然氣實現(xiàn)增壓外輸?shù)年P(guān)鍵，也是氣田開發(fā)基本設(shè)計項目的難點。在浮托法對平臺重量有嚴格限制的前提下，如何優(yōu)化增壓壓縮機的機組配置、做好重量控制并降低投資成為決定項目成敗的決定性因素。通過對該氣田中心平臺壓縮機配置的優(yōu)化，最大限度地減少了壓縮機的臺數(shù)，降低了投資，滿足了設(shè)計要求。

南海某深水氣田中心平臺 天然氣外輸 增壓系統(tǒng) 壓縮機配置 優(yōu)化設(shè)計

1 氣田開發(fā)基本設(shè)計項目概況

南海某深水氣田開發(fā)基本設(shè)計項目海上工程由1500 m水下生產(chǎn)系統(tǒng)及一座淺水增壓處理中心平臺構(gòu)成[1]，水下生產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn)油、氣通過2條海底管線回接至淺水中心平臺。該中心平臺主要負責(zé)周邊其他氣區(qū)的天然氣（干氣）和該氣田天然氣（濕氣）的處理及外輸增壓，增壓后物流通過直徑762 mm的海底管線輸送至珠海高欄陸上終端。

整個南海某深水氣田開發(fā)項目海上工程分2期建設(shè)，一期設(shè)計規(guī)模為濕氣增壓80億m3/年，干氣增壓100億m3/年；二期建成后總規(guī)模達到濕氣增壓120億m3/年，干氣增壓120億m3/年。投產(chǎn)初期該氣田和周邊其他氣田實際配產(chǎn)僅為50億m3/年。長距離、多工況海上增壓系統(tǒng)的設(shè)計是這個項目工程設(shè)計的主要任務(wù)。

2 外輸增壓系統(tǒng)工藝特點

為保證采收率，南海某深水氣田中心平臺采用降壓設(shè)計，生產(chǎn)期內(nèi)物流登平臺的壓力將分別經(jīng)歷7.5、2.5、1.0 MPa 3個階段。由于實際配產(chǎn)和平臺最大設(shè)計規(guī)模的不一致，在整個壽命期內(nèi)壓縮機的進出口壓力和流量都是變化的，不同壓力體系和流量的出現(xiàn)使得不同階段所需壓縮機的數(shù)量和運行工況都比較復(fù)雜，因此壓縮機選型方案對整個平臺的經(jīng)濟性具有決定性的影響。南海某深水氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 南海某深水氣田天然氣外輸增壓系統(tǒng)流程

3 干氣壓縮機選型設(shè)計

3.1 干氣壓縮機設(shè)計難點

（1）外輸壓力和流量變化范圍大，出口壓力由產(chǎn)量為50億m3/年時的11.3 MPaG增加至產(chǎn)量為120億m3/年時的22.8 MPaG，如表1所示，這與壓縮機有限的處理范圍存在差距。

表1 南海某深水氣田中心平臺干氣壓縮機運行工況

（2）中心平臺設(shè)計為集輸平臺，實際落實的50億m3/年的最大配產(chǎn)和120億m3/年的最大輸送規(guī)模之間差距較大；50億m3/年以上的產(chǎn)量遞增曲線不明確，氣量在何年、何月、以何種增速達到66億、86億、100億及120億m3/年都無法確定。因此，壓縮機將無法按常規(guī)設(shè)計方法配置，需要分期分批上平臺。

（3）與合作方簽訂的合同規(guī)定，一期規(guī)模按100億m3/年流量天然氣輸送規(guī)模考慮，設(shè)備必須一次配齊，因此很難實施設(shè)備減重，只能通過選型方案優(yōu)化以選擇機組臺數(shù)較少的方案。

（4）中心平臺采用浮托法安裝，浮托組塊質(zhì)量約2.7萬t，接近浮托駁船的能力上限，因此要求浮托工況下設(shè)備質(zhì)量要盡量輕，在滿足一期設(shè)計能力的前提下盡量少上壓縮機，從而導(dǎo)致后期預(yù)留的壓縮機數(shù)量較多。

3.2 壓縮機類型選擇

根據(jù)表1計算結(jié)果，中心平臺最大年處理天然氣120億m3，壓縮機最大總軸功率約66 MW。由于往復(fù)式壓縮機、螺桿壓縮機和軸流壓縮機在處理量或壓比上的限制，均無法滿足本氣田處理量較大、壓比適中的要求。而采用離心式壓縮機組將較有優(yōu)勢，加上燃料氣充足，因此推薦采用透平驅(qū)動離心式壓縮機的形式。

3.3 進、出口壓力確定

不同輸量對應(yīng)的不同外輸壓力，主要取決于輸量和輸送距離，由海管工藝模擬提供，如表1所示。進口壓力主要考慮幾個因素：一是物流的登平臺壓力，由不同的配產(chǎn)策略決定；二是壓縮機的壓比，離心壓縮機的常用壓比范圍在2～3之間；三是為滿足較高的脫水效率，TEG脫水裝置操作壓力通常小于10 MPaG，且需維持操作壓力穩(wěn)定。綜合以上因素，壓縮機進口壓力取7.13 MPaG。出口壓力由不同輸量下對應(yīng)的海管入口壓力決定（見表1）。

3.4 干氣壓縮機配置方案

對如何處理實際配產(chǎn)和設(shè)計規(guī)模之間的矛盾有不同的處理方式，干氣壓縮機配置方案對比見表2。

表2 南海某深水氣田中心平臺干氣壓縮機配置方案對比

由表2可知：方案4為最優(yōu)方案。該方案重點優(yōu)化了壓縮機在天然氣流量50億～66億m3/年工況時的互相備用能力，即找到一個合適的工況點，這個工況點大小機組都能兼顧，使大小機組能實現(xiàn)過渡。壓縮機運行曲線如圖2所示，其中左下方為小壓縮機運行曲線，中上部為大壓縮機運行曲線，橫縱坐標(biāo)軸分別為多變壓頭和壓縮機入口實際體積流量。此方案有以下幾個特點：

圖2 南海某深水氣田中心平臺干氣壓縮機運行曲線

（1）天然氣流量小于50億m3/年工況時，以小機組運行為主。把小壓縮機壓頭設(shè)置在66億m3/年，增加了壓縮機向上覆蓋的能力（即與大機組互相備用的能力），但卻是以犧牲部分低工況點為前提。據(jù)估算，壓縮機不采用節(jié)流運行的最低流量大約為25億m3/年，即考慮初啟動最低工況在25億m3/年左右，再往下適應(yīng)能力有限。由于該氣田投產(chǎn)第一年的流量為36億 m3/年，加上番禺34－1/35－2氣田的流量14億m3/年，總計配產(chǎn)為50億m3/年，即使番禺34－1/35－2氣田晚半年投產(chǎn)，25億 m3/年的流量也能有保證。

（2）天然氣流量在50億～66億m3/年之間時，大、小壓縮機一起運行工作。小壓縮機流量小（圖2所示單臺壓縮機流量最大可達29億m3/年），但壓頭可以達到66億m3/年時的壓頭，此時大壓縮機流量范圍寬，與小壓縮機并聯(lián)時可分配流量至單臺37億m3/年。大壓縮機設(shè)計工況點在100億m3/年，增加了壓縮機向下覆蓋的范圍和適應(yīng)性。小機組壓頭之所以選擇滿足66億m3/年的外輸需求，是因為除了配產(chǎn)中該氣田和番禺34－1/35－2每年50億m3的天然氣流量以外，周邊流花29－4/34－2氣田預(yù)計每年有16億m3的產(chǎn)量，而且計劃在該氣田投產(chǎn)后的一段時間內(nèi)也要進行投產(chǎn)，因此加上番禺34－1/35－2和流花29－4/34－2氣田每年共生產(chǎn)66億 m3的天然氣。關(guān)于流花29－4/34－2氣田，沒有任何相關(guān)的氣體設(shè)計參數(shù)及投產(chǎn)年限，但設(shè)計上也兼顧了這一方面。所以66億m3/年的壓頭充分用足了10 MW透平發(fā)電機的功率。

（3）天然氣流量大于66億m3/年后，小機組將被大機組替換。小機組透平驅(qū)動器現(xiàn)場功率約10 MW，經(jīng)計算可以用于后期驅(qū)動濕氣預(yù)增壓壓縮機使用，增加了機組的靈活性。大機組透平驅(qū)動器設(shè)置功率約20 MW，為天然氣流量120億m3/年工況預(yù)留了功率余量，減少了后期改造量。這樣做的代價是流量低時負荷率較低，透平驅(qū)動器耗氣多，如果氣田長期達不到設(shè)計規(guī)模則經(jīng)濟性較差。

通過以上措施，在壓縮機組配置方面可以實現(xiàn)小流量低壓頭到大流量高壓頭的平滑過渡，這樣大小機組的運行方式變得靈活，但卻是以犧牲小壓縮機和大壓縮機部分適應(yīng)性為代價的，盡管這個代價不會表現(xiàn)在設(shè)備初始采辦價格上，但對后期操作費有影響。

3.5 干氣壓縮機選型

綜合以上討論，選擇方案4的思路從技術(shù)可行性、經(jīng)濟性等方面對廠家方案進行比選，并經(jīng)過多次專題研討，確定了圖3所示的配置結(jié)果。一期共設(shè)置4臺（2大2小）干氣壓縮機組，總體滿足100億m3/年的流量要求；2臺小壓縮機，透平驅(qū)動器和壓縮機均按滿足流量66億m3/年時所對應(yīng)的外輸壓力進行選定，2臺大壓縮機，壓縮機按滿足流量100億m3/年時所對應(yīng)的外輸壓力進行選定，透平驅(qū)動器按滿足120億m3/年對應(yīng)外輸壓力選定；當(dāng)流量超過66億m3/年時，將2臺小壓縮機組更換為滿足流量100億m3/年所對應(yīng)的增壓能力的大壓縮機組；當(dāng)流量超過100億m3/年時，更換全部干氣壓縮機或者換芯，以滿足流量120億m3/年時的增壓能力。

圖3 南海某深水氣田中心平臺干氣壓縮機配置結(jié)果

4 濕氣壓縮機選型設(shè)計

4.1 濕氣壓縮機設(shè)計特點

從第5年開始濕氣登平臺壓力降為2.5 MPa，在TEG前需配置濕氣壓縮機。濕氣壓縮機在后期采辦，預(yù)留壓縮機的位置。

濕氣壓縮機的運行工況特點完全不同于干氣壓縮機，其壓比穩(wěn)定（均為3），但卻要求壓縮機有很寬的流量適應(yīng)范圍，從20億～120億m3/年。對此情況，最好采用統(tǒng)一的壓縮機型號，通過增加臺數(shù)的方式處理實際流量與預(yù)留規(guī)模之間的矛盾，表3為南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機運行工況。

表3 南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機運行工況

4.2 濕氣壓縮機選型方案

圖4為南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機運行曲線，從圖4可以看出，壓縮機壓頭恒定，運行工況點相對比較穩(wěn)定，但效率不是太高，壓縮機效率大約在73%～80%。

圖4 南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機運行曲線

對于目前配產(chǎn)，如果后期氣量不再增加，那么壓縮機僅處理南海某深水氣田自身的濕氣，流量從36.17億m3/年降低到20億m3/年，可設(shè)置單臺機組流量為18億m3/年，2用1備；18億～20億m3/年以下時僅運行1臺，1用2備。當(dāng)濕氣產(chǎn)量達到80億m3/年時，單臺機組工作點在26.7億 m3/年，3用1備；當(dāng)氣量達到二期120億m3/年時，單臺機組工作點在30億m3/年，4用1備。單臺壓縮功率在8900～15 200k W范圍內(nèi)。南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機配置結(jié)果見圖5。

4.3 濕氣預(yù)增壓壓縮機選型設(shè)計

4.3.1 濕氣預(yù)增壓特點

圖5 南海某深水氣田中心平臺濕氣壓縮機配置結(jié)果

根據(jù)油藏預(yù)測1），南海某深水氣田2019年后半年及以后油藏可能出現(xiàn)較大的壓力衰減，登平臺壓力可能降至1 MPa，要求壓縮機配置要能處理這樣一個可能的工況。問題在于2019年以后周邊氣田濕氣接入的實際情況目前無法明確，唯一可以明確的是：按照氣田自然衰竭，如果周邊氣田產(chǎn)量不再增加，壓縮機處理量僅為該氣田自身后期剩余不多的濕氣。經(jīng)討論，僅按該氣田本身2019年以后的配產(chǎn)進行壓縮機配置。

4.3.2 濕氣預(yù)增壓壓縮機選型

按以上工況選擇的預(yù)增壓壓縮機工藝參數(shù)為：流量20億/年；入口壓力900 kPaG；入口溫度20℃；出口壓力2500 kPaG；機組軸功率9500 k W左右。

考慮到濕氣預(yù)增壓壓縮機將于生產(chǎn)后期才投入使用，后期氣量及登陸壓力都有可能存在變化，單獨設(shè)置壓縮機進行增壓的風(fēng)險較大，特別是在考慮平臺質(zhì)量控制為第一原則的情況下，需盡量利用流程中已有的閑置的或可共用的壓縮機，這在干氣壓縮機選型時就已有考慮：南海某深水氣田中心平臺外輸氣流量大于66億m3/年以后，兩臺小的干氣壓縮機不再使用，由于透平功率滿足預(yù)增壓的要求，可以重復(fù)利用這兩臺干氣壓縮機組的透平驅(qū)動器作為預(yù)增壓壓縮機驅(qū)動器使用，經(jīng)核對壓縮機換芯后能夠滿足預(yù)增壓壓縮機的設(shè)計要求。

根據(jù)油藏預(yù)測的結(jié)論，目前無法預(yù)知整個氣田產(chǎn)量在何時能達到66億m3/年的工況，但是考慮到目前周邊氣田的產(chǎn)量，據(jù)此預(yù)測整個中心集輸平臺的氣處理量往設(shè)計規(guī)模增加的可能性大于長期保持在50億m3/年以下工況的可能性，也就是說兩臺小干氣壓縮機被重新利用的可能較大，因而相對而言這樣的配置是較穩(wěn)妥的。

4.3.3 濕氣預(yù)增壓壓縮機配置

綜合以上選型思路和特點，該氣田中心平臺濕氣預(yù)增壓壓縮機配置結(jié)果見圖6。

圖6 南海某深水氣田中心平臺濕氣預(yù)增壓壓縮機配置結(jié)果

5 外輸增壓系統(tǒng)壓縮機配置優(yōu)化效果

南海某深水氣田中心平臺優(yōu)化后壓縮機配置見表4，原壓縮機配置見表5。通過對比可知：經(jīng)過對增壓系統(tǒng)內(nèi)各類壓縮機的統(tǒng)籌考慮，一、二期共減少壓縮機3臺，降低設(shè)備直接投資約3000萬美元，為質(zhì)量和成本控制做出了很大貢獻；同時優(yōu)化后壓縮機的配置方案更能體現(xiàn)對增壓系統(tǒng)內(nèi)壓縮機工況的理解程度，提高了壓縮機的適應(yīng)性。

表4 南海某深水氣田中心平臺優(yōu)化后壓縮機配置

表5 南海某深水氣田中心平臺原壓縮機配置

6 結(jié)論及建議

（1）從降低項目投資的目標(biāo)出發(fā)，在南海某深水氣田開發(fā)項目海上工程基本設(shè)計階段對壓縮機選型方案做了深入具體的分析，壓縮機臺數(shù)比原來減少了3臺，降低設(shè)備直接投資約3000多萬美元。

（2）在該氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計中，需權(quán)衡實際配產(chǎn)與設(shè)計規(guī)模的關(guān)系，因為復(fù)雜的壓縮機方案會降低設(shè)備的可操作性；在對平臺質(zhì)量和空間有嚴格限制的條件下，需把機組功率和尺寸要求作為主要指標(biāo)，并在選型設(shè)計中最大限度減少機組臺數(shù)。

（3）由于不同廠家機組能力不同，因此設(shè)計方案的確定需兼顧各方的特點，使招標(biāo)具有靈活性和公平性，并以設(shè)備壽命期內(nèi)的綜合費用（考慮大修和燃料費）作為考核指標(biāo)。當(dāng)然，選型只是第一步，還需要落實好后續(xù)相關(guān)設(shè)計界面，達到整體優(yōu)化的效果（如與余熱回收裝置、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、后期預(yù)留吊裝方案、深水氣循環(huán)要求、機組布置等的界面）。

[1] 陳宏舉，周曉紅，王軍.深水天然氣管道流動安全保障設(shè)計探討[J].中國海上油氣，2011，23（3）：122－125.

Natural gas transmission boosting system design for central platform of a deepwater gas field in the South China Sea

Wang Jianfeng Wu Yaozeng
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

Boosting system design，adaptive for various output capacity requirement，is the key for natural gas transmission boosting and also the nodus of the basic design project of gas field development.Under the precondition of compliance with the stringent weight limitation of “FLOAT－OVER”used for the offshore platform installation，how to optimize the compressor configuration，control weight and reduce the investment cost has been a decisive factor for the success of this project.By optimizing the configuration of dry and wet gas compressors to be installed on the central platform of the deep water gas field in the South China Sea，it has minimized the number of compressors，reduced the investment cost，and met the design requirements.

central platform of a deepwater gas field in the South China Sea；natural gas transmission；boosting system；compressor configuration；optimizing design

＊中國海洋石油總公司“荔灣3－1深水天然氣開發(fā)基本設(shè)計項目”部分研究成果。

王建豐，男，高級工程師，1989年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，主要從事油氣工程設(shè)計和新能源開發(fā)方面的研究。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈1201室（郵編：100027）。E－mail：wangjf＠cnooc.com.cn。

1）中海油研究總院.荔灣3－1總體開發(fā)方案.2009.

2011－09－26改回日期：2011－10－24

（編輯：葉秋敏）