水下壓縮機選型設計

2021-01-05 06:21:16劉永飛

海洋工程裝備與技術 2020年5期

劉永飛

(中海油研究總院有限責任公司，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與設備的發(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)場應用的水下濕氣壓縮機主要有兩類：水下對轉軸流式壓縮機和水下離心式壓縮機。其中，水下對轉軸流式壓縮機是在成熟的螺旋軸流式多相泵的基礎上改進而來的，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改進而來。

1.1 水下對轉軸流式壓縮機

水下對轉軸流式壓縮機是在水下螺旋軸流式多相泵的基礎上研發(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，在相關研究成果轉讓給Framo后，水下螺旋軸流式多相泵進入工業(yè)應用階段。近20多年來，在世界范圍內(nèi)超過20個油氣田上成功應用。

水下對轉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。對轉葉輪是軸流式葉片的一種變化形式，機體呈對置方式、轉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，轉速可變頻調(diào)節(jié)。由于它的動、靜葉是相對轉動的，通常在較低的轉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軸流式葉片

水下對轉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，對轉軸流式壓縮機WGC4000成功應用于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，設計流量為1 000 Sm3/d，使Gullfaks油氣田增產(chǎn)2 200萬桶油當量，采收率從63%提高到73%。

WGC4000壓縮機的設計參數(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) 設計壓力： 390 bar。

(6) 重量低于60 t。

對轉軸流式壓縮機與多相泵結構對比如圖2所示。

圖2 對轉軸流式壓縮機與多相泵結構對比

1.2 水下離心式壓縮機

水下離心式增壓技術由陸上離心式壓縮機改進而來，通過無油潤滑、高頻率感應電機、動態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動等先進技術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 離心式壓縮機結構改進前后對比

2015年，水下離心式壓縮機成功應用于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。對轉軸流式壓縮機和離心式壓縮機特點如表1所示。

表1 對轉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 設計基礎數(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，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溫度，K；Ts為熱力學常溫，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) 選型計算結果。

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

表3 水下壓縮機選型計算結果

2.3 選型分析

根據(jù)表3的計算結果，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軸流式壓縮機WGC6000。