水下压缩机选型设计

刘永飞

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

随着世界范围内石油和天然气消费需求的增加，石油天然气开采从陆上发展到海上。20世纪80年代以来，海上油气田开发取得了长足的进步，但是近20年来，很多油气田陆续进入了开采寿命后期，面临着油藏压力下降、减产或停产等问题。这些问题和挑战推动了水下生产系统的快速发展[1-3]，水下单相泵、水下多相泵、水下分离器等水下设备先后在全球范围内成功运用，这些也促进了水下湿气增压技术与设备的发展。

2015年，在经过了多年的研究与测试以后，水下压缩机在挪威北海挪威国家石油公司的Asguard和Gullfaks油气田成功运行。Asgard油气田于1999—2000年投产，随着气藏压力逐渐降低，原油田投产时预计到2015年将没有足够的天然气压力来保持稳定生产，作为解决方案，一个包含有两台11.5 MW的离心式压缩机的压缩机站在2015年被安装到海底。这个压缩机站每天可以处理2 100万标准立方米的天然气，合计增产3.06亿桶油当量，提高油气田采收率超过20%。Gullfaks油气田于2001年左右投产，面临着与Asgard油气田同样的问题，为了延长油气田寿命、提高采收率，挪威国家石油公司于2015年在Gullfaks油气田水下安装了由两台5 MW对转轴流式压缩机组成的压缩机站，每天的采气量增加了1 000万标准立方米，合计增产2 200万桶油当量，提高油气田采收率达10%，使Gullfaks油气田的开采寿命延长了20年[4]。

挪威北海水下压缩机的成功应用为中国南海油气田开采寿命后期增产提供了解决方案。2013年以来，中国南海以荔湾3-1为代表的深水油气田被不断发现和开发，随着开发的不断深入，中国南海的油气田群也将逐渐面临油藏压力下降、减产或停产等问题。因此，有必要提前对水下湿气增压技术进行研究。

1 水下湿气压缩机

目前，世界范围内已经取得现场应用的水下湿气压缩机主要有两类： 水下对转轴流式压缩机和水下离心式压缩机。其中，水下对转轴流式压缩机是在成熟的螺旋轴流式多相泵的基础上改进而来的，水下离心式压缩机是陆上离心式压缩机通过一系列先进技术改进而来。

1.1 水下对转轴流式压缩机

水下对转轴流式压缩机是在水下螺旋轴流式多相泵的基础上研发而成的，水下螺旋轴流式多相泵源于20世纪80年代著名的“海神计划”的研究成果[5]。20世纪90年代，在相关研究成果转让给Framo后，水下螺旋轴流式多相泵进入工业应用阶段。近20多年来，在世界范围内超过20个油气田上成功应用。

水下对转轴流式压缩机的机械研制基于成熟的螺旋轴流式多相泵，比如电机、轴承、机械密封、操作理念。对转叶轮是轴流式叶片的一种变化形式，机体呈对置方式、转向相反的一对电机分别驱动常规轴流压缩机的动叶和静叶，转速可变频调节。由于它的动、静叶是相对转动的，通常在较低的转速下就可得到很好的增压效果。该装置的一个显著特点是流量很大，因其工作原理类似于轴流式压缩机，所以在含气量90%以上时才具有较理想的性能，叶片形式如图1所示。

图1 螺旋轴流式叶片和对转轴流式叶片

水下对转轴流式压缩机具备以下特点：

(1) 处理液相段塞能力。

(2) 直接处理原工艺流体能力。

(3) 处理100%液相工况的能力。

(4) 具备防喘振保护系统。

(5) 两个压缩机可以实现串联或者并联。

2015年第四季度，对转轴流式压缩机WGC4000成功应用于Gullfaks油气田项目，回接距离为15 km，压缩机橇块尺寸为43 m×18 m×12 m，重量为1 070 t，主要包括两个压缩功率为2×5.0 MW的压缩机，设计流量为1 000 Sm3/d，使Gullfaks油气田增产2 200万桶油当量，采收率从63%提高到73%。

WGC4000压缩机的设计参数如下[6]：

(1) 2×2.5 MW高压电机。

(2) 实际流量： 6 000 m3/h(液相处理能力400 Am3/h)。

(3) 增压：32 bar(1 bar=105Pa)。

(4) 尺寸： 3.3 m×4.3 m×7.7 m。

(5) 设计压力： 390 bar。

(6) 重量低于60 t。

对转轴流式压缩机与多相泵结构对比如图2所示。

图2 对转轴流式压缩机与多相泵结构对比

1.2 水下离心式压缩机

水下离心式增压技术由陆上离心式压缩机改进而来，通过无油润滑、高频率感应电机、动态磁力轴承、变频软启动等先进技术保证压缩机在水下长期无故障运行。相对于传统的陆上离心式压缩机，水下离心式压缩机取消了变速箱、调速行星齿轮、润滑油系统、轴密封、密封系统等传统组件，具备以下几方面的优势[4]：

(1) 采用高电机功率和集成系统，大大减小了占地面积和减轻了重量。

(2) 采用无油理念，简化了设备布置。

(3) 无排放。

(4) 采用无磨损的理念，减少了维护需求。

(5) 适合远程控制，减少了人员需求。

离心式压缩机改进前后对比如图3所示。

图3 离心式压缩机结构改进前后对比

2015年，水下离心式压缩机成功应用于Asgard油气田，回接距离为40 km[7]，压缩机橇块[8]尺寸为75 m×45 m×20 m，重量为5 000 t，主要包括一个分离器，一个泵，一个冷却器，两个功率为2×11.5 MW的压缩机，设计流量为2 100 Sm3/d。水下离心式压缩机为油气田增产3.06 亿桶油当量，采收率提高20%左右。Asgard水下压缩机站组成如图4所示。

图4 Asgard水下压缩机站组成

压缩机参数如下[2，9]：

(1) 功率：11.5 MW(3～18 MW)。

(2) 设计压力：22 MPa(内部)，15 MPa(外部)。

(3) 流量：14000 Am3/h(两台并联可达28 000 Am3/h)。

(4) 增压比最高：3(两台并联可达5.5)。

(5) 入口最低压力可达10 bar。

(6) 尺寸：5.7 m×4.0 m×2.7 m。

(7) 重量：57 t。

水下离心式压缩机如图5所示。

图5 水下离心式压缩机

1.3 两种压缩机特点对比

水下对转轴流式压缩机由螺旋轴流式多相泵改进而来，无须配置水下分离器，压缩机橇块相对简单，尺寸小，重量轻，易于安装，耗资较小，增压气量相对较小，增压能力相对较弱，适用于对增压能力要求不高或者规模较小的油气田。

水下离心式压缩机由陆上压缩机改进而来，需要配置水下分离器，压缩机橇块相对复杂，尺寸大，重量大，安装难度更大，耗资更多，增压气量相对较大，增压能力相对更强，适用于对增压能力要求更高或者规模更大的油气田。对转轴流式压缩机和离心式压缩机特点如表1所示。

表1 对转轴流式压缩机和离心式压缩机特点

2 水下湿气增压方案研究案例

2.1 设计基础数据

中国南海某油气田后期油藏压力逐年下降，到一定年份后井流自身压力无法实现天然气等平台外输，需要配置水下压缩机来增压。

主要物性参数如下：

(1) 天然气密度：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℃时)。

(4) 二氧化硫含量： 0。

(5) 二氧化碳含量： 6.9%(质量分数)。

设计参数： 具体气、油、水量以及所需压缩机进出口压力如表2所示。

表2 压缩机设计参数

2.2 选型计算

水下压缩机的选型计算主要包括压缩机所需排量、轴功率、电功率，以及压缩机入口气液比等的计算。

(1) 压缩机排量。

压缩机的排量要满足增压工况的需求，如果不满足，可以采取多台并联的形式。

对转轴流式压缩机的排量为气量和液量之和：q=ql+qg；

离心式压缩机配置有分离器，排量约为气相流量：q≈qg；

由于气体体积与状态压力和温度有关，需要将标准状态下的气体流量换算成压缩机入口状态的气体流量：

式中：q为压缩机入口排量，Am3/h；ql为压缩机入口液相流量，m3/h；qg为压缩机入口气相流量，m3/h；qs为标准状态下流量，Sm3/h；pi为压缩机入口压力，MPa；ps为标准大气压，0.1 MPa；Ti为压缩机入口热力学温度，K；Ts为热力学常温，293 K。

(2) 增压能力。

压缩机进口压力、增压能力要满足工况增压需求，如果不能满足，可以采取多台串联的形式。

(3) 压缩机轴功率。

估算公式如下：

式中：P为电功率，kW；PS为轴功率，k W；P为理论功率，kW；qS为压缩机入口质量流量，kg/h；Hp为压缩机压头，J/kg；K为电机的功率裕量系数；ηg为机械效率，0.97%；ηc为传动效率，1；ηp为压缩机多变效率；m为多变过程指数；Z为气体平均可压缩系数，0.9；R为气体常数，415.7；ε为名义压力比；TS为进气温度，K。

(4) 压缩机站入口气体体积分数(GVF)。

压缩机站入口气体体积分数是指在入口压力、温度条件下，气相体积流量与总流量的百分比。

对于对转轴流式压缩机来说，压缩机站入口的气体体积分数即压缩机入口的气体体积分数；对于离心式压缩机来说，由于配置了水下分离器模块，压缩机入口的气体体积分数是分离器分离后的气体体积分数。

(5) 选型计算结果。

根据目标油气田设计基础数据，计算压缩机选型参数，逐年计算结果如表3所示。

表3 水下压缩机选型计算结果

2.3 选型分析

根据表3的计算结果，分别对比分析两种压缩机的适用性，具体如表4所示。与方案二相比，方案一多用一台压缩机，在经济性和可靠性上更差，所以不选择方案一。与方案二相比，方案三经济性更差，而且压缩机长期低流量运行，容易引起喘振等问题。所以可以得出结论，针对目标油气田增压需求，最优配置方案为配置两台水下对转轴流式压缩机WGC6000。

表4 水下压缩机配置方案对比

(续 表)

3 结 语

(1) 产气量、增压需求、气液比是影响水下压缩机选型的关键因素。在压缩机选型过程中，应首先计算以上参数，并根据两种不同类型压缩机的性能特点分析适用性。

(2) 水下对转轴流式压缩机增压气量相对较小，增压能力相对较弱，适用于对增压能力要求不高或者规模较小的油气田。

(3) 水下离心式压缩机增压气量相对较大，增压能力相对更强，适用于对增压能力要求更高或者规模更大的油气田。

(4) 在两种压缩机性能都符合要求的情况下，应考虑方案的经济性、安装难易程度等。