水下壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)

劉永飛

(中海油研究總院有限責(zé)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(fèi)需求的增加，石油天然氣開(kāi)采從陸上發(fā)展到海上。20世紀(jì)80年代以來(lái)，海上油氣田開(kāi)發(fā)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是近20年來(lái)，很多油氣田陸續(xù)進(jìn)入了開(kāi)采壽命后期，面臨著油藏壓力下降、減產(chǎn)或停產(chǎn)等問(wèn)題。這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)推動(dòng)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(shè)備先后在全球范圍內(nèi)成功運(yùn)用，這些也促進(jìn)了水下濕氣增壓技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展。

2015年，在經(jīng)過(guò)了多年的研究與測(cè)試以后，水下壓縮機(jī)在挪威北海挪威國(guó)家石油公司的Asguard和Gullfaks油氣田成功運(yùn)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(shí)預(yù)計(jì)到2015年將沒(méi)有足夠的天然氣壓力來(lái)保持穩(wěn)定生產(chǎn)，作為解決方案，一個(gè)包含有兩臺(tái)11.5 MW的離心式壓縮機(jī)的壓縮機(jī)站在2015年被安裝到海底。這個(gè)壓縮機(jī)站每天可以處理2 100萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米的天然氣，合計(jì)增產(chǎn)3.06億桶油當(dāng)量，提高油氣田采收率超過(guò)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(wèn)題，為了延長(zhǎng)油氣田壽命、提高采收率，挪威國(guó)家石油公司于2015年在Gullfaks油氣田水下安裝了由兩臺(tái)5 MW對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)組成的壓縮機(jī)站，每天的采氣量增加了1 000萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方米，合計(jì)增產(chǎn)2 200萬(wàn)桶油當(dāng)量，提高油氣田采收率達(dá)10%，使Gullfaks油氣田的開(kāi)采壽命延長(zhǎng)了20年[4]。

挪威北海水下壓縮機(jī)的成功應(yīng)用為中國(guó)南海油氣田開(kāi)采壽命后期增產(chǎn)提供了解決方案。2013年以來(lái)，中國(guó)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(kāi)發(fā)，隨著開(kāi)發(fā)的不斷深入，中國(guó)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(wèn)題。因此，有必要提前對(duì)水下濕氣增壓技術(shù)進(jìn)行研究。

1 水下濕氣壓縮機(jī)

目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的水下濕氣壓縮機(jī)主要有兩類： 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和水下離心式壓縮機(jī)。其中，水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)是在成熟的螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，水下離心式壓縮機(jī)是陸上離心式壓縮機(jī)通過(guò)一系列先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)而來(lái)。

1.1 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)是在水下螺旋軸流式多相泵的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，水下螺旋軸流式多相泵源于20世紀(jì)80年代著名的“海神計(jì)劃”的研究成果[5]。20世紀(jì)90年代，在相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)讓給Framo后，水下螺旋軸流式多相泵進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。近20多年來(lái)，在世界范圍內(nèi)超過(guò)20個(gè)油氣田上成功應(yīng)用。

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)的機(jī)械研制基于成熟的螺旋軸流式多相泵，比如電機(jī)、軸承、機(jī)械密封、操作理念。對(duì)轉(zhuǎn)葉輪是軸流式葉片的一種變化形式，機(jī)體呈對(duì)置方式、轉(zhuǎn)向相反的一對(duì)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)常規(guī)軸流壓縮機(jī)的動(dòng)葉和靜葉，轉(zhuǎn)速可變頻調(diào)節(jié)。由于它的動(dòng)、靜葉是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，通常在較低的轉(zhuǎn)速下就可得到很好的增壓效果。該裝置的一個(gè)顯著特點(diǎn)是流量很大，因其工作原理類似于軸流式壓縮機(jī)，所以在含氣量90%以上時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)軸流式葉片

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)具備以下特點(diǎn)：

(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(hù)系統(tǒng)。

(5) 兩個(gè)壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)。

2015年第四季度，對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)WGC4000成功應(yīng)用于Gullfaks油氣田項(xiàng)目，回接距離為15 km，壓縮機(jī)橇塊尺寸為43 m×18 m×12 m，重量為1 070 t，主要包括兩個(gè)壓縮功率為2×5.0 MW的壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)流量為1 000 Sm3/d，使Gullfaks油氣田增產(chǎn)2 200萬(wàn)桶油當(dāng)量，采收率從63%提高到73%。

WGC4000壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下[6]：

(1) 2×2.5 MW高壓電機(jī)。

(2) 實(shí)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(shè)計(jì)壓力： 390 bar。

(6) 重量低于60 t。

對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)與多相泵結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。

圖2 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)與多相泵結(jié)構(gòu)對(duì)比

1.2 水下離心式壓縮機(jī)

水下離心式增壓技術(shù)由陸上離心式壓縮機(jī)改進(jìn)而來(lái)，通過(guò)無(wú)油潤(rùn)滑、高頻率感應(yīng)電機(jī)、動(dòng)態(tài)磁力軸承、變頻軟啟動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)保證壓縮機(jī)在水下長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。相對(duì)于傳統(tǒng)的陸上離心式壓縮機(jī)，水下離心式壓縮機(jī)取消了變速箱、調(diào)速行星齒輪、潤(rùn)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(shì)[4]：

(1) 采用高電機(jī)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(wú)油理念，簡(jiǎn)化了設(shè)備布置。

(3) 無(wú)排放。

(4) 采用無(wú)磨損的理念，減少了維護(hù)需求。

(5) 適合遠(yuǎn)程控制，減少了人員需求。

離心式壓縮機(jī)改進(jìn)前后對(duì)比如圖3所示。

圖3 離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

2015年，水下離心式壓縮機(jī)成功應(yīng)用于Asgard油氣田，回接距離為40 km[7]，壓縮機(jī)橇塊[8]尺寸為75 m×45 m×20 m，重量為5 000 t，主要包括一個(gè)分離器，一個(gè)泵，一個(gè)冷卻器，兩個(gè)功率為2×11.5 MW的壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)流量為2 100 Sm3/d。水下離心式壓縮機(jī)為油氣田增產(chǎn)3.06 億桶油當(dāng)量，采收率提高20%左右。Asgard水下壓縮機(jī)站組成如圖4所示。

圖4 Asgard水下壓縮機(jī)站組成

壓縮機(jī)參數(shù)如下[2，9]：

(1) 功率：11.5 MW(3～18 MW)。

(2) 設(shè)計(jì)壓力：22 MPa(內(nèi)部)，15 MPa(外部)。

(3) 流量：14000 Am3/h(兩臺(tái)并聯(lián)可達(dá)28 000 Am3/h)。

(4) 增壓比最高：3(兩臺(tái)并聯(lián)可達(dá)5.5)。

(5) 入口最低壓力可達(dá)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(jī)如圖5所示。

圖5 水下離心式壓縮機(jī)

1.3 兩種壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)由螺旋軸流式多相泵改進(jìn)而來(lái)，無(wú)須配置水下分離器，壓縮機(jī)橇塊相對(duì)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，易于安裝，耗資較小，增壓氣量相對(duì)較小，增壓能力相對(duì)較弱，適用于對(duì)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(jī)由陸上壓縮機(jī)改進(jìn)而來(lái)，需要配置水下分離器，壓縮機(jī)橇塊相對(duì)復(fù)雜，尺寸大，重量大，安裝難度更大，耗資更多，增壓氣量相對(duì)較大，增壓能力相對(duì)更強(qiáng)，適用于對(duì)增壓能力要求更高或者規(guī)模更大的油氣田。對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)特點(diǎn)如表1所示。

表1 對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)特點(diǎn)

2 水下濕氣增壓方案研究案例

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

中國(guó)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(wú)法實(shí)現(xiàn)天然氣等平臺(tái)外輸，需要配置水下壓縮機(jī)來(lái)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(shí))。

(4) 二氧化硫含量： 0。

(5) 二氧化碳含量： 6.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

設(shè)計(jì)參數(shù)： 具體氣、油、水量以及所需壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力如表2所示。

表2 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 選型計(jì)算

水下壓縮機(jī)的選型計(jì)算主要包括壓縮機(jī)所需排量、軸功率、電功率，以及壓縮機(jī)入口氣液比等的計(jì)算。

(1) 壓縮機(jī)排量。

壓縮機(jī)的排量要滿足增壓工況的需求，如果不滿足，可以采取多臺(tái)并聯(lián)的形式。

對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)的排量為氣量和液量之和：q=ql+qg；

離心式壓縮機(jī)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(guān)，需要將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量換算成壓縮機(jī)入口狀態(tài)的氣體流量：

式中：q為壓縮機(jī)入口排量，Am3/h；ql為壓縮機(jī)入口液相流量，m3/h；qg為壓縮機(jī)入口氣相流量，m3/h；qs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量，Sm3/h；pi為壓縮機(jī)入口壓力，MPa；ps為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0.1 MPa；Ti為壓縮機(jī)入口熱力學(xué)溫度，K；Ts為熱力學(xué)常溫，293 K。

(2) 增壓能力。

壓縮機(jī)進(jìn)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(tái)串聯(lián)的形式。

(3) 壓縮機(jī)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(jī)入口質(zhì)量流量，kg/h；Hp為壓縮機(jī)壓頭，J/kg；K為電機(jī)的功率裕量系數(shù)；ηg為機(jī)械效率，0.97%；ηc為傳動(dòng)效率，1；ηp為壓縮機(jī)多變效率；m為多變過(guò)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(jìn)氣溫度，K。

(4) 壓縮機(jī)站入口氣體體積分?jǐn)?shù)(GVF)。

壓縮機(jī)站入口氣體體積分?jǐn)?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(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，壓縮機(jī)站入口的氣體體積分?jǐn)?shù)即壓縮機(jī)入口的氣體體積分?jǐn)?shù)；對(duì)于離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，由于配置了水下分離器模塊，壓縮機(jī)入口的氣體體積分?jǐn)?shù)是分離器分離后的氣體體積分?jǐn)?shù)。

(5) 選型計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)目標(biāo)油氣田設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算壓縮機(jī)選型參數(shù)，逐年計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 水下壓縮機(jī)選型計(jì)算結(jié)果

2.3 選型分析

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)比分析兩種壓縮機(jī)的適用性，具體如表4所示。與方案二相比，方案一多用一臺(tái)壓縮機(jī)，在經(jīng)濟(jì)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(jì)性更差，而且壓縮機(jī)長(zhǎng)期低流量運(yùn)行，容易引起喘振等問(wèn)題。所以可以得出結(jié)論，針對(duì)目標(biāo)油氣田增壓需求，最優(yōu)配置方案為配置兩臺(tái)水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)WGC6000。

表4 水下壓縮機(jī)配置方案對(duì)比

(續(xù) 表)

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 產(chǎn)氣量、增壓需求、氣液比是影響水下壓縮機(jī)選型的關(guān)鍵因素。在壓縮機(jī)選型過(guò)程中，應(yīng)首先計(jì)算以上參數(shù)，并根據(jù)兩種不同類型壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)分析適用性。

(2) 水下對(duì)轉(zhuǎn)軸流式壓縮機(jī)增壓氣量相對(duì)較小，增壓能力相對(duì)較弱，適用于對(duì)增壓能力要求不高或者規(guī)模較小的油氣田。

(3) 水下離心式壓縮機(jī)增壓氣量相對(duì)較大，增壓能力相對(duì)更強(qiáng)，適用于對(duì)增壓能力要求更高或者規(guī)模更大的油氣田。

(4) 在兩種壓縮機(jī)性能都符合要求的情況下，應(yīng)考慮方案的經(jīng)濟(jì)性、安裝難易程度等。