火驅(qū)采油用空氣壓縮機(jī)組冷卻方式的選擇

曹 毅 張永學(xué) 楊 華 張 帆 柯振雄

(1. 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院；2. 新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司；3. 新疆油田公司采油一廠)

火驅(qū)采油用空氣壓縮機(jī)組冷卻方式的選擇

曹 毅1張永學(xué)1楊 華2張 帆3柯振雄1

(1. 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院；2. 新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司；3. 新疆油田公司采油一廠)

建立了某油田火驅(qū)采油區(qū)塊空氣壓縮機(jī)組散熱量的計(jì)算模型，得到所需的冷卻風(fēng)量、循環(huán)水量等參數(shù)，提出了3種常用的冷卻方式。通過經(jīng)濟(jì)性、適用性及運(yùn)行維護(hù)難度等方面的對比，最終確定間接風(fēng)冷卻循環(huán)為該區(qū)塊空氣壓縮機(jī)組最適合的冷卻方式。

空氣壓縮機(jī)組 冷卻方式 冷卻風(fēng)量 循環(huán)水量

新疆油田自1984年開發(fā)以來，稠油區(qū)塊產(chǎn)油高峰期已過，繼續(xù)采用注蒸汽開發(fā)方式面臨注蒸汽熱效率低、采收率低(20%～30%)[1]、成本高及經(jīng)濟(jì)效益差等問題。2009年12月，中石油在新疆油田某區(qū)塊進(jìn)行了稠油開采火驅(qū)重大試驗(yàn)項(xiàng)目。火驅(qū)即火燒油層，是通過注氣井底部點(diǎn)火裝置將地下油層的原油點(diǎn)燃，同時(shí)把空氣注入到油層內(nèi)，經(jīng)過燃燒后，地下油層的稠油吸收熱量和燃燒裂解后粘度不斷降低，由抽油機(jī)采出。用火驅(qū)開發(fā)方式局部替代原有的注蒸汽開發(fā)方式，采收率可提升至50%～80%[2，3]。

空氣壓縮機(jī)是火驅(qū)采油工藝中必不可少的注氣設(shè)備。壓縮機(jī)組中介質(zhì)被壓縮產(chǎn)生熱量，同時(shí)壓縮機(jī)機(jī)械部件高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦熱，這些熱量若不能及時(shí)轉(zhuǎn)移出去，會(huì)使壓縮機(jī)運(yùn)行溫度升高，導(dǎo)致潤滑油變性、粘度上升，潤滑性能降低、運(yùn)行效率下降、功率消耗增大(壓縮機(jī)制冷中冷凝溫度每升高1℃，理論壓縮機(jī)功耗將增加2%～3%[4])，甚至可能導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)損壞，因此需要對機(jī)組高壓空氣管路和螺桿式壓縮機(jī)的機(jī)油回路進(jìn)行冷卻降溫[5，6]。空氣壓縮機(jī)常用的冷卻方式有4種：間接風(fēng)冷卻循環(huán)(風(fēng)水混合冷卻循環(huán))，該方式在壓縮介質(zhì)級間冷卻及潤滑油冷卻均采用水冷，冷卻后熱水經(jīng)空氣冷卻器換熱降溫后循環(huán)使用，該方式在熱電廠應(yīng)用較多；開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)，該方式在壓縮介質(zhì)級間冷卻和潤滑油冷卻均采用水冷[7]，在遼河油田某區(qū)塊空氣壓縮機(jī)組中有應(yīng)用；直接風(fēng)冷卻循環(huán)，該方式在壓縮介質(zhì)級間冷卻和潤滑油冷卻均采用風(fēng)冷[8]，在新疆油田某區(qū)塊有應(yīng)用；自然通風(fēng)直接冷卻，此方式只適用于排氣量不超過25Nm3/min的空氣壓縮機(jī)組。

筆者首先根據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立壓縮機(jī)組級間散熱-冷卻能量模型，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)和級間進(jìn)、排氣條件計(jì)算出壓縮機(jī)組所需的冷卻量。再結(jié)合3種冷卻方式，模擬各自所需的冷卻風(fēng)量、循環(huán)水量，并以此確定不同冷卻工藝所需設(shè)備的型號和數(shù)量。最后，綜合分析不同冷卻工藝的適用性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行維護(hù)難度等因素，確定該油田區(qū)塊壓縮機(jī)組的最佳級間冷卻工藝。

1 工程基礎(chǔ)及需求條件分析

1.1 注氣工藝與空氣壓縮機(jī)配置分析

新疆油田某區(qū)塊火驅(qū)采油開發(fā)參數(shù)為：注氣井75口，點(diǎn)火初期單井注氣量6 000Nm3/d，注氣壓力為5.5～6.5MPa，點(diǎn)火成功后1～30天單井注氣量6 000～7 000Nm3/d，隨著火線的擴(kuò)大，單井最大注氣量為17 200Nm3/d，可同時(shí)為1～4口井點(diǎn)火，點(diǎn)火時(shí)間約15～30天，根據(jù)燃燒情況逐漸提速。穩(wěn)定驅(qū)油階段注氣壓力2.5～6.5MPa，總注氣量1 290 000Nm3/d。

目前常用的離心式、螺桿式和活塞式空氣壓縮機(jī)性能特點(diǎn)和適用范圍見表1。

表1 常用壓縮機(jī)性能對比

現(xiàn)場對壓縮機(jī)組合的選取原則為：能夠連續(xù)運(yùn)行、故障率低、滿足火驅(qū)的生產(chǎn)要求；機(jī)型一致便于配件采購與維修，優(yōu)先選用油田已有相關(guān)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的機(jī)型。

根據(jù)地質(zhì)開發(fā)方案中點(diǎn)火階段、穩(wěn)產(chǎn)階段對注氣壓力和單井注氣量的參數(shù)要求，結(jié)合各類型壓縮機(jī)性能及壓縮機(jī)組合的選取原則，選用螺桿式壓縮機(jī)與活塞式壓縮機(jī)的組合方式。為了滿足生產(chǎn)需求，最終選用12臺75Nm3/min螺桿式空氣壓縮機(jī)和6臺150Nm3/min活塞式空氣壓縮機(jī)，串聯(lián)使用，工藝流程如圖1所示。

圖1 空氣壓縮機(jī)組工藝流程

1.2 冷卻量需求分析

75Nm3/min螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度20.0℃，排氣溫度100.0℃，進(jìn)氣壓力0.1MPa；150Nm3/min活塞式空氣壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度不大于50.0℃，進(jìn)氣壓力1.0MPa，排氣溫度116.5/101.2/98.2℃(一級/二級/三級缸)。因此，冷卻共分兩部分，一是將螺桿機(jī)產(chǎn)生的100.0℃壓縮空氣冷卻到50.0℃；二是將活塞機(jī)一級缸排氣溫度116.5℃冷卻到50.0℃，二級缸排氣溫度由101.2℃冷卻到50.0℃。

散熱量計(jì)算公式：

Q=ρVCp(t1-t0)

(1)

式中Cp——空氣的定壓比熱，Cp=1.004kJ/(kg·℃)；

Q——散熱量，kW；

t0——冷卻后空氣的溫度，℃；

t1——冷卻前空氣的溫度，℃；

V——吸入空氣的體積，m3；

ρ——吸入空氣的密度，在標(biāo)況下ρ=1.29kg/m3。

根據(jù)式(1)計(jì)算得：單臺活塞式空氣壓縮機(jī)散熱量為381.1kW，兩臺螺桿式空氣壓縮機(jī)散熱量為161.9kW；本工程空氣壓縮機(jī)組總散熱量需求是3 258.0kW。

2 冷卻方式的選擇

為了滿足工程建設(shè)所需要的冷卻條件，筆者提出了3種冷卻方案，即：間接風(fēng)冷卻循環(huán)、開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)、直接風(fēng)冷卻循環(huán)。

2.1 間接風(fēng)冷卻循環(huán)

間接風(fēng)冷卻循環(huán)(圖2)，即冷卻介質(zhì)通過空氣冷卻器(空氣-水)以對流散熱方式降溫[9，10]，

圖2 間接風(fēng)冷卻循環(huán)工藝流程

冷卻介質(zhì)(軟化水)為壓縮機(jī)組提供冷源，使高溫空氣冷卻降溫進(jìn)入下一級，冷卻系統(tǒng)采用閉式循環(huán)冷卻。

2.1.1 循環(huán)水量計(jì)算

本工程選用的空氣壓縮機(jī)組散熱量共3 258.0kW，循環(huán)水量計(jì)算公式為[11]：

(2)

式中C——水的比熱，C=4.187kJ/(kg·℃)；

G——循環(huán)水量，m3/h；

Q——散熱量，Q=3258.0kW；

Δt——供、回水溫差，Δt=10.0℃；

ρ——水的密度，ρ=1000kg/m3。

按照1%的補(bǔ)水率考慮，最大補(bǔ)水量為2.8m3/h，冷卻水采用軟化水，循環(huán)使用。

2.1.2 冷卻風(fēng)量計(jì)算

冷卻所需風(fēng)量計(jì)算公式為：

V=Q/(CpρΔt)

(3)

式中Cp——空氣的定壓比熱，Cp=1.004kJ/(kg·℃)；

Q——散熱量，Q=381.1kW；

Δt——冷、熱空氣溫差，Δt=19.4℃；

ρ——空氣的密度，ρ=1.29kg/m3。

按照空氣壓縮機(jī)組的配置方案，兩臺75Nm3/min螺桿機(jī)向一臺150Nm3/min活塞機(jī)供氣，區(qū)塊共運(yùn)行12臺螺桿機(jī)，6臺活塞機(jī)，由式(3)計(jì)算總風(fēng)量為466 798m3/h。

2.1.3 主要設(shè)備參數(shù)

需新建一座72m2水處理間，空氣冷卻器(空氣-水)集中室外布置，軟化水處理器、循環(huán)水泵、水箱、補(bǔ)水泵室內(nèi)布置。選用12臺空氣冷卻器(空氣-水)，其中每兩臺螺桿式空氣壓縮機(jī)配一臺空氣冷卻器、每臺活塞式空氣壓縮機(jī)配一臺空氣冷卻器。單臺空氣冷卻器風(fēng)量46 000～50 000m3/h，電壓380V，耗電量30kW，投資40萬元；軟化水處理器兩臺(1用1備)，處理量25～30m3/h；循環(huán)水泵3臺(2用1備)，流量150m3/h，揚(yáng)程40m，功率22.5kW；水箱一座，容積4m3；補(bǔ)水泵兩臺(1用1備)流量30m3/h，揚(yáng)程12m，功率1.5kW。

2.2 開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)

開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)(圖3)，即壓縮介質(zhì)級間冷卻及潤滑油冷卻均采用水冷，冷卻介質(zhì)通過冷卻塔散濕降溫，冷卻介質(zhì)采用軟化水。

圖3 開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)工藝流程

2.2.1 循環(huán)水量計(jì)算

循環(huán)水量計(jì)算方法與間接風(fēng)冷卻循環(huán)相同，循環(huán)水量為280m3/h，按照2%～3%的補(bǔ)水率考慮，最大補(bǔ)水量：8.4m3/h，冷卻水采用軟化水，循環(huán)使用。

2.2.2 主要設(shè)備選型

同樣需新建一座72m2水處理間，冷卻塔集中室外布置，軟化水處理器、循環(huán)水泵、水箱、補(bǔ)水泵室內(nèi)布置。UFWH-CTA-100型冷卻塔3臺(2用1備)流量150m3/h，功率15kW，電壓380V；軟化水處理器兩臺(1用1備)，流量30～35m3/h；循環(huán)水泵3臺(2用1備)，流量150m3/h，揚(yáng)程40m，功率22.5kW。

2.3 直接風(fēng)冷卻循環(huán)

直接風(fēng)冷卻循環(huán)，即壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫空氣通過空氣冷卻器(空氣-空氣)散熱降溫，冷卻介質(zhì)為環(huán)境空氣?？諝饫鋮s器集中布置在室外，進(jìn)入每級氣缸的高壓空氣管道需要拉至空氣冷卻器上端進(jìn)行冷卻，冷卻后高壓空氣管道再接入下一級氣缸，繼續(xù)增壓。冷卻系統(tǒng)由空氣冷卻器和配套管路組成。

活塞式壓縮機(jī)冷卻風(fēng)量、螺桿式壓縮機(jī)冷卻風(fēng)量計(jì)算方法同間接風(fēng)冷卻循環(huán)，冷卻風(fēng)量為470 000m3/h。共選用12臺空氣冷卻器，單臺風(fēng)量46 000～50 000m3/h，耗電量45kW，電壓380V，投資60萬元。

3 冷卻方式對比分析

3.1 冷卻工藝

從冷卻效率方面比較，水冷比空冷效率高；從工程難易程度方面比較，采用環(huán)境空氣冷卻方式相對較為簡單。方式1采用的間接風(fēng)冷卻循環(huán)，冷卻介質(zhì)為環(huán)境空氣和軟化水，充分結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 配套系統(tǒng)及布置方式

在工程實(shí)施的配套系統(tǒng)及布置方式上，間接風(fēng)冷卻需要配套空氣冷卻器(空氣-水)、軟化水處理器、循環(huán)水泵、水箱、補(bǔ)水泵及配套管路，其布置方式除空氣冷卻器需要集中露天布置外其余設(shè)備需室內(nèi)布置，且需要新建水處理間并增加土建費(fèi)用；開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)需配置軟化水處理器、開式冷卻塔、循環(huán)水泵及配套管路，其布置方式除開式冷卻塔集中露天布置外，其余室內(nèi)布置，也需新建水處理間并增加土建費(fèi)用；間接風(fēng)冷卻循環(huán)方式需配置空氣冷卻器(空氣-空氣)和配套管路，其布置方式需集中露天布置，但設(shè)備占地面積大。

3.3 運(yùn)行管理與日常維護(hù)

間接風(fēng)冷卻循環(huán)，冷卻設(shè)備相對較多，管理點(diǎn)較多，日常維護(hù)和所需員工較復(fù)雜。開式蒸發(fā)水冷卻環(huán)，冷卻設(shè)備適中，管理點(diǎn)適中，日常維護(hù)較為困難。直接風(fēng)冷卻，管理較為方便，日常維護(hù)簡單，管道布置較為復(fù)雜。

3.4 總體評估

間接風(fēng)冷卻和直接風(fēng)冷卻是閉式循環(huán)冷卻，外部環(huán)境因素影響較小，間接風(fēng)冷卻循環(huán)四季適用，效果最佳，冬季冷卻時(shí)需加乙二醇防凍液；直接風(fēng)冷卻冬季冷卻效果更好、夏季整體冷卻效果差；開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)由于建有室外布置的開式冷卻塔，冬季存在結(jié)冰現(xiàn)象，大風(fēng)天氣會(huì)有飄水現(xiàn)象，水資源易受污染且浪費(fèi)嚴(yán)重，影響冷卻塔使用效果。

3種冷卻方式對比分析見表3。

表3 冷卻方式對比表

4 結(jié)束語

直接風(fēng)冷卻循環(huán)方式雖然冷卻介質(zhì)相對簡單且配套系統(tǒng)較為單一，但是其相對成本較大，冷卻效果不佳。開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)冷卻方式和間接風(fēng)冷卻循環(huán)的冷卻方式的設(shè)備投資與運(yùn)行成本較低，但在適用性上，綜合考慮該區(qū)塊氣候特點(diǎn)，開式蒸發(fā)水冷卻循環(huán)冬季不適用，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，間接風(fēng)冷卻循環(huán)四季均適合壓縮機(jī)組的冷卻，冷卻效果較好，故推薦該區(qū)塊冷卻方式采用間接風(fēng)冷卻循環(huán)。

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AirCompressorCoolingModeSelectioninFire-floodingOilProduction

CAO Yi1, ZHANG Yong-xue1, YANG Hua2, ZHANG Fan3, KE Zhen-xiong1
(1.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing); 2.XinjiangPetroleumEngineeringDesignCo.,Ltd.; 3.No.1OilProductionPlant,XinjiangOilfieldCo.)

The calculation model for heat dissipating capacity of the air compressor in a fire-blooding oil production area was established and the parameters of cooling air volume and circulating water volume were obtained as required, including the presentation of three commonly-used cooling modes. Comparing them in the economical efficiency, the applicability and the difficulty in operating and maintenance shows that, the indirect air-cooling circulation is the most suitable mode for the air compressor unit there.

air compressor unit, cooling mode, cooling air volume, circulating water volume

曹毅(1991-)，碩士研究生，從事動(dòng)力機(jī)械及工程的研究。

聯(lián)系人張永學(xué)(1977-)，教授，從事水力葉輪機(jī)械的水力設(shè)計(jì)、油氣系統(tǒng)節(jié)能、油氣流動(dòng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，zhyx@cup.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)03-0292-05

2016-09-27，

2016-11-02)