某平臺(tái)凝析油外輸泵改造方案研究

齊新海 楊勇 鄒浪 李春輝 王吉成 （中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司）

凝析油是天然氣開(kāi)采過(guò)程中因溫度、壓力下降，重組分發(fā)生相態(tài)變化形成的，是天然氣開(kāi)采過(guò)程中的重要液相副產(chǎn)物，根據(jù)凝析油的物性及輸送要求，通常采用多級(jí)離心泵對(duì)凝析油增壓后與天然氣混合外輸至下游終端處理廠[1]。隨著氣田生產(chǎn)年限延長(zhǎng)，為了穩(wěn)定天然氣產(chǎn)量、提高氣田采收率，氣田降壓開(kāi)采技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在天然氣開(kāi)采與集輸領(lǐng)域，通過(guò)降低平臺(tái)整體操作壓力以降低井口背壓，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)釋放氣田產(chǎn)能的目的[2-3]。因此，為了匹配工藝流程操作壓力的降低，需要對(duì)在用的凝析油外輸泵進(jìn)行適應(yīng)性改造，針對(duì)凝析油外輸泵的改造主要集中在提高泵效、降低能耗、提升可靠性等多個(gè)方面。為了提高設(shè)備利用率，當(dāng)前常用的改造方案為串聯(lián)增壓方式，以提高泵的出口壓力和流量，從而滿足凝析油輸送的特殊要求。以南海東部海域某氣田降壓開(kāi)采中外輸泵改造為例，對(duì)凝析油外輸泵改造中的工藝、機(jī)械、儀控等方面進(jìn)行一系列研究分析，確定了適應(yīng)性改造最優(yōu)方案，為后續(xù)國(guó)內(nèi)氣田后期開(kāi)發(fā)提供一定的借鑒[4]。

1 流程簡(jiǎn)介

南海某天然氣處理平臺(tái)作為氣田群的外輸樞紐，自投產(chǎn)以來(lái)便承擔(dān)著A 氣田、B 氣田及上游開(kāi)采平臺(tái)的天然氣和凝析油的外輸任務(wù)。目前天然氣處理平臺(tái)設(shè)置有一套凝析油處理系統(tǒng)，包括凝析油分離器、過(guò)濾器、緩沖罐及3 臺(tái)多電驅(qū)級(jí)離心式凝析油外輸泵（2 用1 備，CEP-P-2010A/B/C）。單臺(tái)凝析油外輸泵處理能力140 m3/h，進(jìn)出口壓力分別為7 000 kPa、12 200 kPa，未采用變頻控制，采用最小流量閥和凝析油緩沖液位調(diào)節(jié)閥控制[5]。

隨著氣田開(kāi)發(fā)逐步進(jìn)入中后期，海管登平臺(tái)壓力逐步由7.5 MPa 降低至2.5 MPa，部分年份天然氣外輸壓力升高，CEP-P-2010A/B/C 無(wú)法滿足外輸增壓要求，需要對(duì)現(xiàn)有凝析油外輸泵進(jìn)行改造。天然氣處理平臺(tái)各工況凝析油外輸泵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天然氣處理平臺(tái)各工況凝析油外輸泵參數(shù)Tab.1 Parameters of gas condensate export pump for various operating conditions of natural gas processing platforms

通過(guò)分析表1 數(shù)據(jù)，可以得出凝析油外輸泵改造選型具有如下特點(diǎn)：實(shí)際配產(chǎn)與清管工況相差較大，小流量年份較多；逐年外輸壓力變化范圍大，對(duì)外輸泵適應(yīng)性要求高；考慮串聯(lián)配置時(shí)需要合理選擇一、二級(jí)泵參數(shù)；考慮單泵增壓時(shí)應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行合理選擇。

2 改造方案分析

2.1 兩級(jí)串聯(lián)不變頻

為了滿足新的流量和出口壓力需求，需要對(duì)現(xiàn)有的凝析油外輸泵進(jìn)行改造[6-7]，新增3 臺(tái)凝析油外輸泵（CEP-P-2010D/E/F）與現(xiàn)有凝析油外輸泵串聯(lián)運(yùn)行（方案1A），凝析油外輸泵串聯(lián)改造方案見(jiàn)圖1。

圖1 凝析油外輸泵改造方案Fig.1 Reconstruction plan of gas condensate export pump

在此改造方案下，實(shí)際配產(chǎn)外輸壓力較高的年份的清管工況為串聯(lián)運(yùn)行，外輸泵CEP-P-2010A/B/C出口不節(jié)流，此時(shí)CEP-P-2010D/E/F 入口壓力約為CEP-P-2010A/B/C 出口壓力；實(shí)際配產(chǎn)外輸壓力較低的年份，旁通CEP-P-2010A/B/C，CEP-P-2010D/E/F單獨(dú)運(yùn)行，此時(shí)CEP-P-2010D/E/F 入口壓力為2 000 kPa?；谏鲜雒枋觯瑸楹?jiǎn)化操作以凝析油外輸泵不采用變頻調(diào)節(jié)，在出口管匯后進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，對(duì)凝析油外輸泵進(jìn)行運(yùn)行工況模擬，選擇12級(jí)葉輪模擬的凝析油外輸泵（CEP-P-2010D/E/F），各工況運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各工況運(yùn)行數(shù)據(jù)（12 級(jí)葉輪）Tab.2 Operating modes of various operating conditions(12 stage impeller)

在相同條件進(jìn)行下選擇了8 級(jí)葉輪進(jìn)行模擬，并將兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩種不同配置凝析油外輸泵串聯(lián)方案配置對(duì)比見(jiàn)表3。分析表2 和表3 數(shù)據(jù)可知：凝析油外輸壓力及外輸泵的最小流量限制（CEP-P-2010A/B/C 最小流量為66 m3/h， 12 級(jí)CEP-P-2010D/E/F 最小流量為62.81 m3/h，8 級(jí)最小流量為39 m3/h）決定了凝析油外輸泵的運(yùn)行模式；2026—2034 年，由于凝析油外輸壓力降低，此時(shí)旁通CEP-P-2010A/B/C，CEP-P-2010D/E/F 單獨(dú)運(yùn)行；受實(shí)際產(chǎn)量及規(guī)模工況要求的限制，凝析油外輸泵節(jié)流運(yùn)行，部分年份回流運(yùn)行，存在節(jié)流壓損和回流損失；綜合泵效和運(yùn)行工況凝析油外輸泵增壓級(jí)數(shù)選擇12 級(jí)。

表3 凝析油外輸泵串聯(lián)方案配置對(duì)比Tab.3 Configuration comparison of series connection schemes for gas condensate export pump

2.2 兩級(jí)串聯(lián)均變頻

為增加凝析油外輸泵的適應(yīng)性及節(jié)能降耗，考慮對(duì)原凝析油泵CEP-P-2010A/B/C 新增變頻控制[8]，新增凝析油CEP-P-2010D/E/F 采用變頻控制（方案1B）。

分析兩種方案的配置情況：①設(shè)計(jì)方面配置一通過(guò)使相同轉(zhuǎn)速線上兩泵的流量相同，揚(yáng)程相加來(lái)滿足要求。這樣可采用同頻率（轉(zhuǎn)速）控制，前后兩級(jí)泵調(diào)轉(zhuǎn)速時(shí)步調(diào)一致，具有相同的流量-揚(yáng)程趨勢(shì)，控制較容易。但對(duì)于其它配置則無(wú)法做到泵型一致，因而也不可能做到同一頻率控制。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在工藝控制流程中液位控制很難對(duì)泵達(dá)到精細(xì)控制，如果前后兩級(jí)泵采用不同的頻率控制，極大的提高了組態(tài)的復(fù)雜性。因此在設(shè)計(jì)上該方案面臨著泵的選型和組態(tài)邏輯協(xié)調(diào)運(yùn)行問(wèn)題[9-10]。②后期擴(kuò)展方面。由于串聯(lián)方案中前后兩級(jí)均是1 用1 備方案，并聯(lián)后串聯(lián)，共4 臺(tái)，有1 臺(tái)老泵可不用或作為備用。后期如果降壓后還需上泵，則可能出現(xiàn)三級(jí)串的方案，系統(tǒng)將進(jìn)一步復(fù)雜化。

2.3 單獨(dú)變頻增壓

基于凝析油外輸泵不同配置方案，原則是最大限度的匹配兩級(jí)泵的運(yùn)行工況，盡量減少節(jié)流損失、回流損失和第二級(jí)外輸泵的葉輪級(jí)數(shù)，以減少泵的尺寸、質(zhì)量和初始投資。同時(shí)考慮到凝析油外輸泵串聯(lián)在平臺(tái)運(yùn)用不常見(jiàn)，因此提出廢棄老泵，新增一組凝析油外輸泵直接達(dá)到外輸壓力。

設(shè)計(jì)方面：技術(shù)可行，單級(jí)泵操作較簡(jiǎn)單。由于新增泵的揚(yáng)程較高，泵的轉(zhuǎn)速較高，需采用變頻電動(dòng)機(jī)（50 Hz） +齒輪箱增速的方式（方案2A）?？紤]齒輪潤(rùn)滑油箱，泵的整體尺寸較長(zhǎng)，泵頭-聯(lián)軸器-齒輪箱（GB）-聯(lián)軸器-電動(dòng)機(jī)-油箱及成橇所需空間達(dá)到9.5～10 m，泵的質(zhì)量也有所增加[11-12]。優(yōu)化方案采用60 Hz 電動(dòng)機(jī)直連方案，減少齒輪箱，因變頻柜內(nèi)需含變壓器，盤(pán)柜面積增加，需注意防止諧波的影響（方案2B）[12]。后期擴(kuò)展方面：如果二期降壓后還需上泵，則可再采用兩級(jí)串的方案（泵排量為90 m3/h）2 用1 備（方案2C），最終選擇方案2C 較方案2B（泵排量為164 m3/h）1 用1 備，在泵效和流量匹配上更具有優(yōu)勢(shì)。

3 方案優(yōu)選

對(duì)上述各方案在工藝、機(jī)械、儀控等方面進(jìn)行比選，如表4 所示。分析表4 可知：①?gòu)募夹g(shù)可行性和操作簡(jiǎn)單可靠的角度建議采用單獨(dú)增壓方案；②為便于安裝，建議采用60 Hz 變頻泵方案，減小機(jī)組尺寸、質(zhì)量；③從經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性上，3 臺(tái)排量為90 m3/h 泵比2 臺(tái)164 m3/h 泵費(fèi)用高約1 050 萬(wàn)元。由于目前實(shí)際配產(chǎn)最大僅為94 m3/h，90 m3/h 泵比164 m3/h 泵覆蓋的逐年工況更多，適應(yīng)性更好。

表4 凝析油外輸泵方案比選Tab.4 Comparison of gas condensate export pump schemes

為了確保氣田的生產(chǎn)時(shí)率，推薦凝析油外輸泵采用單泵增壓方案。方案2A、2B、2C 均具有一定的可行性，為了使方案優(yōu)選更具科學(xué)性，項(xiàng)目組為了優(yōu)選出最合適的方式使用價(jià)值工程研究產(chǎn)品功能和成本的最佳匹配。首先對(duì)三種方案進(jìn)行功能分析，如表5 所示。

表5 方案功能分析Tab.5 Functional analysis of scheme

三種方案總費(fèi)用相差不大，上級(jí)要求總費(fèi)用應(yīng)低于6 000 萬(wàn)元，按照“04 評(píng)分法”對(duì)三種方案進(jìn)行功能一對(duì)一評(píng)分[13]，不同方案的各功能指標(biāo)評(píng)價(jià)如表6 所示。

表6 各方案功能指標(biāo)評(píng)價(jià)Tab.6 Evaluation of functional indicators for each schemes

求取方案理想系數(shù)公式為：

式中：?為方案成本滿意系數(shù)；C為項(xiàng)目總費(fèi)用上限，萬(wàn)元；C′為備選方案費(fèi)用，萬(wàn)元；K為方案理想系數(shù)；W為方案功能滿足系數(shù)。

根據(jù)公式（1） 和公式（2），對(duì)表6 中的三種方案分別計(jì)算理想系數(shù)，K2A=0.176、K2B=0.187、K2C= 0.191。對(duì)比不同方案的理想系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)K2C＞K2B＞K2A，故推薦方案2C 為最佳方案，即凝析油外輸泵采用單泵增壓方案，配置3 臺(tái)90 m3/h泵，2 用1 備，并采用變頻控制。

4 應(yīng)用效果分析

2022 年凝析油外輸泵改造項(xiàng)目按照方案2C 成功實(shí)施并投入使用，凝析油外輸泵CEP-P-2010A/B/C停用，凝析油外輸泵CEP-P-2010D/E/F 上線。在當(dāng)前工況下收集了凝析油外輸泵CEP-P-2010D/E/F 的進(jìn)出口壓力，并模擬了其他方案的運(yùn)行數(shù)據(jù)，凝析油外輸泵運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表7 所示。

表7 凝析油外輸泵運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.7 Comparison of operating data for gascondensate export pump

通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)并結(jié)合前文分析可知：

1）凝析油外輸泵均能配合已有的工藝流程和控制邏輯穩(wěn)定外輸壓力。

2）換型后的凝析油外輸泵采用變頻控制，泵的工況運(yùn)行更加穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)溫度、振動(dòng)等參數(shù)均優(yōu)于工頻狀態(tài)，有利于延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

3）換型至今一直采用單泵運(yùn)行，輸送量處于60～80 m3/h，采用的方案2C 較其余方案外輸泵的輸送效率最高。

4）換型后的控制邏輯為變頻+回流控制，擴(kuò)大了外輸泵的流量適應(yīng)范圍，同時(shí)所采用的2C 方案較原設(shè)計(jì)方案極大的減少了回流閥開(kāi)度，因避免凝析油重復(fù)壓縮每天將節(jié)約電能12 672 kWh，按照耗氣0.485 m3/kWh 計(jì)算， 每年將減少燃?xì)庀?21.2×104m3，節(jié)能減排2 570 tce。

5 結(jié)論

以海上天然氣處理平臺(tái)凝析油外輸泵在降壓生產(chǎn)前的改造為例，對(duì)凝析油外輸泵的改造選型和配置方案進(jìn)行了研究分析，并利用價(jià)值工程原理對(duì)備選方案科學(xué)的進(jìn)行對(duì)比，選出了最佳方案，在整個(gè)過(guò)程中仍有以下幾點(diǎn)需要注意：在進(jìn)行泵的配置改造時(shí)，需保證設(shè)備組裝的空間充足，以便進(jìn)行維修和改造，建議空間占比不低于整體設(shè)備布局的20%，以確保后續(xù)維護(hù)和改造的便利性。泵的配置需要綜合節(jié)能、回流方式和流量控制范圍等因素，以確保泵在后期的使用效率。凝析油外輸泵的改造方案中的控制邏輯、操作程序等遵循準(zhǔn)確、直接與簡(jiǎn)化的原則，這對(duì)后期凝析油外輸泵的運(yùn)維起著積極意義。