水下多相增壓泵選型設(shè)計(jì)

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(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 地面工程研究所，北京 100191； 2.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

隨著海洋石油的開采不斷向深海邁進(jìn)，多相混輸技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。多相混輸技術(shù)是以一臺(tái)多相混輸泵取代傳統(tǒng)工藝中的泵和壓縮機(jī)，并將傳統(tǒng)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(tǒng)方式的70%[1]。水下多相增壓泵是多相混輸技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，通過水下增壓技術(shù)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(nèi)還沒有專門從事水下多相增壓泵的公司。在單元設(shè)備開發(fā)方面，國內(nèi)的研究主要進(jìn)行了增壓泵的前期調(diào)研，在多相泵的流體分析和數(shù)模分析等方面有基礎(chǔ)研究[4-6]，但是沒有開展針對性的應(yīng)用研究，在水下多相泵方面也沒有取得一定的應(yīng)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(dá)到1 670 m，水下增壓泵站距離平臺(tái)24 km，單體設(shè)備水下多相增壓泵采用Bornemann公司生產(chǎn)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(gè)工程中針對不同的油田特性都有不同的設(shè)計(jì)要求。本文充分考慮了泵的排量、驅(qū)動(dòng)方式、泵入口條件、軸承的選擇、冷卻潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)性、多相泵的連接方式進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，通過典型的工程實(shí)例，分析了水下增壓泵的選型設(shè)計(jì)過程以及重要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法，選擇出滿足設(shè)計(jì)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)力式泵是依靠旋轉(zhuǎn)的工作葉輪將機(jī)械能傳遞給流體介質(zhì)并轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能；容積式多相泵是依靠工作容積周期的變化來實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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，F(xiàn)ramo公司的螺旋軸流多相泵在海洋石油領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1997年我國與挪威合作，F(xiàn)ramo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(yīng)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(dòng)桿，另一根為從動(dòng)桿，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，吸入腔室容積增大，壓力降低，液體在泵內(nèi)外壓差作用下進(jìn)入吸入腔。隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，密封腔內(nèi)的液體連續(xù)均勻地沿軸向移動(dòng)到排出腔，由于排出腔容積逐漸減小，進(jìn)而將液體排出。

1—前軸承；2—從動(dòng)桿；3—齒輪；4—主動(dòng)桿；5—泵體；6—端蓋；7—后軸承；8—機(jī)械密封。圖1 水下雙螺桿多相泵示意

1.1.2特點(diǎn)

雙螺桿多相泵具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，性能不會(huì)因?yàn)楹瑲饴实奶岣叨蠓陆担钥梢暂斔秃瑲饴瘦^高的油氣混合物。雙螺桿多相泵適合中小流量、流量穩(wěn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效，適合變頻驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)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(yùn)行成本高。常用雙螺桿增壓泵的轉(zhuǎn)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(chǎn)廠家，所生產(chǎn)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(jìn)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(shè)計(jì)參數(shù)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(jí)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(jī)翼狀的螺旋葉片對油氣混合流產(chǎn)生升力而進(jìn)行增壓，旋轉(zhuǎn)的螺旋形葉片激起的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，經(jīng)過靜止固定導(dǎo)葉的整流，強(qiáng)迫輸送油氣混合介質(zhì)沿軸向流動(dòng)。

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

1.2.2特點(diǎn)

螺旋軸流多相泵適用于大流量、高轉(zhuǎn)速、低含氣率的場合，其壓縮段的級(jí)數(shù)可以達(dá)到幾十級(jí)。由于其泵體采用開式或者半開式的結(jié)構(gòu)，能夠在高含砂下運(yùn)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(zhì)的黏度范圍不如雙螺桿多相泵寬，介質(zhì)黏度太大會(huì)使泵的效率急劇下降，甚至無法運(yùn)轉(zhuǎn)。軸流式增壓泵的轉(zhuǎn)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(gè)海上項(xiàng)目中應(yīng)用，其公司的螺旋軸流多相泵如圖4所示。多相泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為：最大流量2 000 m3/h，壓差3～20 MPa，氣體體積含量(GVF)最高達(dá)95%，壓力等級(jí)34.1～97.1 MPa，設(shè)計(jì)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(shè)備質(zhì)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(yōu)缺點(diǎn)，需要針對實(shí)際工程條件來選擇合適的泵。2種多相泵的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用性如表1。

2 水下增壓泵選型設(shè)計(jì)

水下多相泵的選用，需要根據(jù)油田現(xiàn)場的實(shí)際情況和多相泵的特性決定，通常較大、中流量時(shí)采用螺旋軸流式多相泵，小流量時(shí)采用雙螺桿式多相泵；含砂較多時(shí)采用螺旋軸流式多相泵。多相泵的結(jié)構(gòu)尺寸(特別是葉輪、螺桿的水力直徑)由多相泵進(jìn)口處的總流量和進(jìn)口含氣率確定，如果流量和進(jìn)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(jìn)口處的總流量和進(jìn)口含氣率，還需要考慮其輔助系統(tǒng)，包括軸承、密封、冷卻潤滑等。其次，根據(jù)多相泵的材質(zhì)、大小、價(jià)格、連接方式等結(jié)合實(shí)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(yōu)缺點(diǎn)以及適用性

1) 泵的排量。多相泵入口的流量Q為入口狀態(tài)下進(jìn)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(tài)壓力與溫度有關(guān)，多數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的氣量為準(zhǔn)。為了滿足泵在工況變化的需要，在選型時(shí)，泵的排量最好大于泵入口流量的10%～20%。

2) 驅(qū)動(dòng)方式。水下多相增壓泵的驅(qū)動(dòng)方式有2種，分別是水力驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。水力驅(qū)動(dòng)利用現(xiàn)有注水設(shè)備和注水管網(wǎng)，將注水壓力抽出一部分作為多相泵的動(dòng)力，然后將油井中未經(jīng)處理的油氣水多相混合質(zhì)輸送到平臺(tái)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電力由上部平臺(tái)上的電力單元供給，為了適應(yīng)工況的變化，需配置變速器進(jìn)行調(diào)速，以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定，減少載荷。變速器是多相泵機(jī)組中極重要的配套裝置。一般情況下，為了適應(yīng)變工況條件，達(dá)到增壓、高效、運(yùn)行穩(wěn)定等目的，易采用變速運(yùn)行。通常，含氣量高時(shí)，應(yīng)處于高速運(yùn)行；反之，含氣量低時(shí)，適于低速運(yùn)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(guān)，所以在輸送高含氣的多相流時(shí)，應(yīng)采用流體部分回流技術(shù)，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(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)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(zhì)的影響，潤滑條件好，壽命長，還能減少潤滑油的消耗量。在實(shí)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(tǒng)。由于氣體、固體雜質(zhì)的存在，多相泵組還要考慮冷卻潤滑系統(tǒng)，冷卻潤滑系統(tǒng)可以為設(shè)備提供清潔、冷卻、潤滑的保障，確保安全可靠的工作運(yùn)行。

6) 密封系統(tǒng)。密封裝置的密封面在摩擦狀態(tài)下，當(dāng)外界的密封條件發(fā)生變化時(shí)，要保證相對的穩(wěn)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(nèi)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(jī)械密封，來保證多相泵的安全運(yùn)行。

7) 材料的選擇。水下增壓泵加工制造的材料是選型設(shè)計(jì)的重要考慮方面，根據(jù)水下的復(fù)雜環(huán)境和其所要輸送介質(zhì)的化學(xué)、物理特性進(jìn)行選擇，水下的高壓和腐蝕性對泵的材質(zhì)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(dān)高壓、高腐蝕的外界環(huán)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(diào)質(zhì)、滲氮處理，提高表面的強(qiáng)度，從而減少磨損。當(dāng)輸出的油井產(chǎn)物中H2S和CO2含量較高時(shí)，在材質(zhì)上的選擇還要進(jìn)行特殊的處理。

8) 經(jīng)濟(jì)性。雙螺桿多相泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對固體顆粒較為敏感，在輸送較大流量的介質(zhì)時(shí)，整機(jī)的質(zhì)量和尺寸相對較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對設(shè)計(jì)流量同為400 m3/h的2種多相泵，雙螺桿泵的整機(jī)質(zhì)量為10 t；螺旋軸流多相泵的整機(jī)質(zhì)量為3 t。在同等規(guī)格下，雙螺桿多相泵的價(jià)格較軸流式多相流混輸泵低廉。

9) 多相泵的串并聯(lián)。通過與普通泵設(shè)計(jì)的類比，為了滿足生產(chǎn)需要和保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，在實(shí)際工程中往往需要2臺(tái)或者多臺(tái)進(jìn)行串并聯(lián)，來提高油氣田的產(chǎn)量。在并聯(lián)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(yùn)行。在串聯(lián)的過程中，一般是單臺(tái)增壓泵不能滿足實(shí)際生產(chǎn)，就需要考慮通過串聯(lián)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(shè)計(jì)可以忽略。考慮到成本原因、安裝的難易程度，優(yōu)先選用雙螺桿增壓泵。目前，水下大型設(shè)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(qiáng)，但成本較高。

3 典型增壓泵選型案例分析

3.1 工程實(shí)例

1) 物性參數(shù)。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(yùn)動(dòng)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(huán)境參數(shù)。水深1 300 m，海底溫度6 ℃，海平面溫度21 ℃。

3) 設(shè)計(jì)參數(shù)。進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣量120 000 m3/d。

3.2 水下增壓泵的選型計(jì)算

水下多相增壓泵的選型設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算泵的排量和軸功率、電機(jī)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(tài)下進(jìn)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(tài)壓力與溫度有關(guān)，多數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的氣量為準(zhǔn)。根據(jù)提供的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的產(chǎn)氣量Qb和利用理想條件下的氣體狀態(tài)方程進(jìn)行換算。

(2)

式中:Qb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下產(chǎn)氣量，m3/h；pin為泵進(jìn)口的壓力，MPa；ps為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.1 MPa；Tin為泵入口的熱力學(xué)溫度；Ts為熱力學(xué)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(dá)到100%，但是在實(shí)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(jī)選型的重要參數(shù)。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(jī)功率。電機(jī)的計(jì)算功率N為泵的軸功率Np乘以功率裕量系數(shù)K。

N=K×Np

(6)

式中：N為電機(jī)計(jì)算功率，kW；K為電機(jī)功率裕量系數(shù)，由表2查得。

N=K×Np=584.1 kW

表2 電機(jī)功率裕量系數(shù)

5) 軸承的選擇。對于水下多相泵,泵軸主要承受軸向力，在實(shí)際運(yùn)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(wěn)定運(yùn)行。

6) 密封方式。多相泵輸送介質(zhì)是油氣水混合物，因此機(jī)械密封為優(yōu)選方案。機(jī)械密封分為單端面機(jī)械密封和雙端面機(jī)械密封，為了防止可燃?xì)獾男孤瑱C(jī)械密封應(yīng)該采用雙端面機(jī)械密封。

7) 潤滑方式。多相泵的潤滑方式實(shí)行強(qiáng)制潤滑，可選擇齒輪泵連續(xù)壓力潤滑的方式對軸承進(jìn)行強(qiáng)制潤滑。利用油泵將潤滑油從油池里抽出來，經(jīng)過管道分配到所需潤滑的軸承處。潤滑油槽內(nèi)的壓力始終與混輸泵進(jìn)口壓力相同，有利于機(jī)械密封長時(shí)間地可靠運(yùn)行。自帶有儲(chǔ)油箱，必要的時(shí)候，儲(chǔ)油箱可向螺桿泵補(bǔ)充潤滑油，保持系統(tǒng)在水下能夠長期工作。

本案例計(jì)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(qū)動(dòng)，電驅(qū)的結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)和動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)相對復(fù)雜，維修成本較低，故選用電驅(qū)動(dòng)方式。考慮到油氣防爆的要求，電機(jī)需選用防爆電機(jī)，普通電機(jī)轉(zhuǎn)速通常在3 000 r/min以下，并配套調(diào)速裝置。

4 結(jié)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(diǎn)，對2種泵的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較。通過分析和計(jì)算，確定了水下多相混輸增壓泵的選型設(shè)計(jì)，分析泵的排量、選擇的電機(jī)類型和功率、以及采用的軸承和輔助系統(tǒng)。以此為依據(jù)可完成多相泵產(chǎn)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(jì)算，基于理論公式方面，其實(shí)際工況受現(xiàn)場運(yùn)行條件、輸送介質(zhì)黏度及特性等多種因素的影響，因此還應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以作論證和分析。對水下多相增壓泵而言，泵的小型化設(shè)計(jì)、安裝方便、泵組的承壓能力、密封性能以及水下作業(yè)的可靠性和安全性，都是需要綜合考慮的關(guān)鍵因素。