水下多相增壓泵選型設(shè)計(jì)

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(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 地面工程研究所，北京 100191； 2.中國(guó)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(kāi)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(kāi)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(guò)水下增壓技術(shù)則可以使油氣田的壽命大幅延長(zhǎng)，從而提高收益[2]。

目前，水下多相增壓泵被Leistritz、Bornemann、Framo等國(guó)外公司所壟斷[3]，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)從事水下多相增壓泵的公司。在單元設(shè)備開(kāi)發(fā)方面，國(guó)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(méi)有開(kāi)展針對(duì)性的應(yīng)用研究，在水下多相泵方面也沒(méi)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(guó)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(duì)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(rùn)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(guò)典型的工程實(shí)例，分析了水下增壓泵的選型設(shè)計(jì)過(guò)程以及重要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法，選擇出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的水下多相增壓泵。

1 水下多相增壓泵簡(jiǎn)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(lèi)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(lái)實(shí)現(xiàn)流體的增壓。

水下雙螺桿多相泵的代表廠(chǎng)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(zhǎng)5 a。螺旋軸流多相泵的代表廠(chǎng)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(guó)與挪威合作，F(xiàn)ramo公司的螺旋軸流泵在我國(guó)南海水深超過(guò)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(lái)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(chǎng)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(duì)泥砂敏感，螺桿外緣與缸體磨損后壓力迅速降低，致使該類(lèi)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(guó)Bornemann公司是最早的雙螺桿式多相泵生產(chǎn)廠(chǎng)家，所生產(chǎn)的雙螺桿泵1992年開(kāi)始在國(guó)際市場(chǎng)銷(xiāo)售，至今在世界各大油田被廣泛使用[11]。該公司從1997年開(kāi)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(kāi)式或者半開(kāi)式的結(jié)構(gòu)，能夠在高含砂下運(yùn)行，對(duì)所含固體砂粒不敏感，多相流中含砂率可以超過(guò)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(wú)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(guó)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(duì)實(shí)際工程條件來(lái)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(chǎng)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(rùn)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(mǎn)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(guò)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(chǎng)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(rùn)滑條件好，壽命長(zhǎng)，還能減少潤(rùn)滑油的消耗量。在實(shí)際工作的過(guò)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(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)，冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)可以為設(shè)備提供清潔、冷卻、潤(rùn)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(duì)的穩(wěn)定。對(duì)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(lái)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)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(guò)與普通泵設(shè)計(jì)的類(lèi)比，為了滿(mǎn)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(lái)提高油氣田的產(chǎn)量。在并聯(lián)的過(guò)程中，一般是一備一用和一備兩用，來(lái)保證油田的安全運(yùn)行。在串聯(lián)的過(guò)程中，一般是單臺(tái)增壓泵不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)，就需要考慮通過(guò)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(duì)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?？紤]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(duì)密度0.89 g/cm3；③地層水相對(duì)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(duì)多相混輸泵來(lái)說(shuō)，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(duì)于水下多相泵,泵軸主要承受軸向力，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(rùn)滑方式。多相泵的潤(rùn)滑方式實(shí)行強(qiáng)制潤(rùn)滑，可選擇齒輪泵連續(xù)壓力潤(rùn)滑的方式對(duì)軸承進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑。利用油泵將潤(rùn)滑油從油池里抽出來(lái)，經(jīng)過(guò)管道分配到所需潤(rùn)滑的軸承處。潤(rùn)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(zhǎng)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(rùn)滑油，保持系統(tǒng)在水下能夠長(zhǎng)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(chǎng)合，且雙螺桿增壓泵的效率較高，成本低、安裝相對(duì)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(jiǎn)單，控制系統(tǒng)和動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，維修成本較低，故選用電驅(qū)動(dòng)方式?？紤]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(guò)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(duì)2種泵的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了比較。通過(guò)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(lèi)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(mǎn)足要求的水下多相增壓泵。

2) 針對(duì)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(chǎng)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(chǎng)數(shù)據(jù)，以作論證和分析。對(duì)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。