水下多相增压泵选型设计

2018-11-29，，，，

石油矿场机械 2018年6期

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(1.中国石化石油勘探开发研究院地面工程研究所，北京 100191； 2.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

随着海洋石油的开采不断向深海迈进，多相混输技术逐渐成为研究的热点。多相混输技术是以一台多相混输泵取代传统工艺中的泵和压缩机，并将传统管道中的油管和天然气管合并为一条，从而将开采成本降低为传统方式的70%[1]。水下多相增压泵是多相混输技术的关键设备，通过水下增压技术则可以使油气田的寿命大幅延长，从而提高收益[2]。

目前，水下多相增压泵被Leistritz、Bornemann、Framo等国外公司所垄断[3]，国内还没有专门从事水下多相增压泵的公司。在单元设备开发方面，国内的研究主要进行了增压泵的前期调研，在多相泵的流体分析和数模分析等方面有基础研究[4-6]，但是没有开展针对性的应用研究，在水下多相泵方面也没有取得一定的应用成果。

水下增压泵正在服役的油田包括挪威北海的 Draugen 油田、墨西哥湾King油田、中国南海的陆丰油田、西非的Topacio、Zafiro 和 Ceiba 油田等[7]。水下增压泵最深的安装记录是BP公司在墨西哥湾的King油田，水深达到1 670 m，水下增压泵站距离平台24 km，单体设备水下多相增压泵采用Bornemann公司生产的双螺杆多相泵，泵站的整体部分由Aker Solutions公司建造[8]。水下多相增压泵在每个工程中针对不同的油田特性都有不同的设计要求。本文充分考虑了泵的排量、驱动方式、泵入口条件、轴承的选择、冷却润滑系统、密封系统、经济性、多相泵的连接方式进行选型设计，通过典型的工程实例，分析了水下增压泵的选型设计过程以及重要设计参数的确定方法，选择出满足设计要求的水下多相增压泵。

1 水下多相增压泵简介

水下多相增压泵主要分为旋转动力式泵(螺旋轴流多相泵)和容积式泵(双螺杆多相泵)2种类型。旋转动力式泵是依靠旋转的工作叶轮将机械能传递给流体介质并转化为流体的动能；容积式多相泵是依靠工作容积周期的变化来实现流体的增压。

水下双螺杆多相泵的代表厂商是Bornemann公司，BP公司在墨西哥湾1 670 m水深的King油田采用Bornemann公司的双螺杆多相泵，从而使该油田产量提高20%，采收率提高7%，油田寿命延长5 a。螺旋轴流多相泵的代表厂商是挪威Framo公司，Framo公司的螺旋轴流多相泵在海洋石油领域得到了广泛应用。1997年我国与挪威合作，Framo公司的螺旋轴流泵在我国南海水深超过330 m的陆丰22-1油田得到应用[9]。

1.1 水下双螺杆多相泵

1.1.1工作原理

双螺杆多相泵是一种容积式泵，由吸入腔、密封腔、排出腔组成，如图1所示。其工作原理是利用两根相互啮合、互不接触的螺杆来抽送液体，一根为主动杆，另一根为从动杆，当螺杆转动时，吸入腔室容积增大，压力降低，液体在泵内外压差作用下进入吸入腔。随着螺杆转动，密封腔内的液体连续均匀地沿轴向移动到排出腔，由于排出腔容积逐渐减小，进而将液体排出。

1—前轴承；2—从动杆；3—齿轮；4—主动杆；5—泵体；6—端盖；7—后轴承；8—机械密封。图1 水下双螺杆多相泵示意

1.1.2特点

双螺杆多相泵具有强制输气的特点，性能不会因为含气率的提高而大幅下降，所以可以输送含气率较高的油气混合物。双螺杆多相泵适合中小流量、流量稳定、高含气率的场合，能够输送黏度很大的油气混合物，能够在宽广的转速范围内保持高效，适合变频驱动，运转平稳可靠；但也存在输送流量较小，对泥砂敏感，螺杆外缘与缸体磨损后压力迅速降低，致使该类泵存在工作可靠性低、维修量大、寿命低、运行成本高。常用双螺杆增压泵的转速为600～3 600 r/min[10]。

德国Bornemann公司是最早的双螺杆式多相泵生产厂家，所生产的双螺杆泵1992年开始在国际市场销售，至今在世界各大油田被广泛使用[11]。该公司从1997年开始进行水下多相泵的研究工作[12]，其水下双螺杆多相泵如图2所示。多相泵的设计参数为：功率1 100 kW，流量10～1 300 m3/h，增压5 MPa。

图2 Bornemann水下双螺杆多相泵

1.2 水下螺旋轴流多相泵

1.2.1工作原理

螺旋轴流多相泵是一种多级泵，它由吸入段、压缩段、压出段组成，如图3所示。工作原理是利用叶片剖面呈机翼状的螺旋叶片对油气混合流产生升力而进行增压，旋转的螺旋形叶片激起的旋转流动，经过静止固定导叶的整流，强迫输送油气混合介质沿轴向流动。

1—螺旋轴流多相泵；2—气体间隙；3—混合段；4—液体；5—气体；6—外罩；7—入口；8—出口；9—唇形密封；10—油侵式电动机；11—屏蔽流体冷却管；12—ROV操作手；13—电动机电力接头。图3 水下螺旋轴流多相泵示意

1.2.2特点

螺旋轴流多相泵适用于大流量、高转速、低含气率的场合，其压缩段的级数可以达到几十级。由于其泵体采用开式或者半开式的结构，能够在高含砂下运行，对所含固体砂粒不敏感，多相流中含砂率可以超过5%；含气率范围不及双螺杆多相泵大；介质的黏度范围不如双螺杆多相泵宽，介质黏度太大会使泵的效率急剧下降，甚至无法运转。轴流式增压泵的转速为3 500～6 500 r/min[10]。

Framo公司的螺旋轴流多相泵已在中国南海、挪威北海等多个海上项目中应用，其公司的螺旋轴流多相泵如图4所示。多相泵的设计参数为：最大流量2 000 m3/h，压差3～20 MPa，气体体积含量(GVF)最高达95%，压力等级34.1～97.1 MPa，设计水深3 000 m，轴功率300～3 000 kW，泵高5 m，占地面积小于4 m2，设备质量7～20 t。

图4 Framo螺旋轴流多相泵

水下双螺杆多相泵和水下螺旋轴流多相泵各有优缺点，需要针对实际工程条件来选择合适的泵。2种多相泵的优缺点以及适用性如表1。

2 水下增压泵选型设计

水下多相泵的选用，需要根据油田现场的实际情况和多相泵的特性决定，通常较大、中流量时采用螺旋轴流式多相泵，小流量时采用双螺杆式多相泵；含砂较多时采用螺旋轴流式多相泵。多相泵的结构尺寸(特别是叶轮、螺杆的水力直径)由多相泵进口处的总流量和进口含气率确定，如果流量和进口含气率增加，则需要增大直径，有助于提高压差。一般流量大约与直径的立方成正比，压差则与直径的平方成反比。因此，泵的尺寸确定必须知道多相泵进口处的总流量和进口含气率，还需要考虑其辅助系统，包括轴承、密封、冷却润滑等。其次，根据多相泵的材质、大小、价格、连接方式等结合实际的工况，选择所需的多相增压泵。

表1 2种水下多相泵的优缺点以及适用性

1) 泵的排量。多相泵入口的流量Q为入口状态下进泵液量Q1与气量Qg的体积流量总和。气量由于气体的体积与状态压力与温度有关，多数以标准状态时的气量为准。为了满足泵在工况变化的需要，在选型时，泵的排量最好大于泵入口流量的10%～20%。

2) 驱动方式。水下多相增压泵的驱动方式有2种，分别是水力驱动和电机驱动。水力驱动利用现有注水设备和注水管网，将注水压力抽出一部分作为多相泵的动力，然后将油井中未经处理的油气水多相混合质输送到平台。电机驱动的电力由上部平台上的电力单元供给，为了适应工况的变化，需配置变速器进行调速，以保证系统的工作稳定，减少载荷。变速器是多相泵机组中极重要的配套装置。一般情况下，为了适应变工况条件，达到增压、高效、运行稳定等目的，易采用变速运行。通常，含气量高时，应处于高速运行；反之，含气量低时，适于低速运行[13]。

3) 泵入口条件。泵入口的条件与多相泵的性能密切相关，所以在输送高含气的多相流时，应采用流体部分回流技术，通过在泵入口处安装缓冲器，人为地提高泵入口处混合物的平均密度，可以在一定程度上改善泵的入流条件。根据现场经验表明，安装缓冲器后，能正常输送最高含气率由0.9提高到0.99。

4) 轴承的选择。水下多相泵的轴承通常选用外置式轴承，可以不受输送介质的影响，润滑条件好，寿命长，还能减少润滑油的消耗量。在实际工作的过程中，其主要承受轴向力，可能存在较小的径向力，选用推力轴承较多。

5) 冷却润滑系统。由于气体、固体杂质的存在，多相泵组还要考虑冷却润滑系统，冷却润滑系统可以为设备提供清洁、冷却、润滑的保障，确保安全可靠的工作运行。

6) 密封系统。密封装置的密封面在摩擦状态下，当外界的密封条件发生变化时，要保证相对的稳定。对于水下增压泵而言，密封效果的好坏十分重要，要求密封能够在比较大的压力和温度变化范围内正常工作，将压力和温度变化引起的密封面磨损降到最小。目前，水下多相增压泵的密封通常采用单、双端面机械密封，来保证多相泵的安全运行。

7) 材料的选择。水下增压泵加工制造的材料是选型设计的重要考虑方面，根据水下的复杂环境和其所要输送介质的化学、物理特性进行选择，水下的高压和腐蚀性对泵的材质提出非常苛刻的要求。泵壳需能承受海水的外压，并由耐海水腐蚀的材料制成。泵的壳体材料通常选择铸造碳钢、不锈钢、铜合金，与壳体表面防腐蚀的涂层等共同承担高压、高腐蚀的外界环境；泵轴的材料可选用硬化工具钢、不锈钢；泵的衬套可以选用碳钢、不锈钢等，通过调质、渗氮处理，提高表面的强度，从而减少磨损。当输出的油井产物中H2S和CO2含量较高时，在材质上的选择还要进行特殊的处理。

8) 经济性。双螺杆多相泵的结构复杂，对固体颗粒较为敏感，在输送较大流量的介质时，整机的质量和尺寸相对较大。根据统计，针对设计流量同为400 m3/h的2种多相泵，双螺杆泵的整机质量为10 t；螺旋轴流多相泵的整机质量为3 t。在同等规格下，双螺杆多相泵的价格较轴流式多相流混输泵低廉。

9) 多相泵的串并联。通过与普通泵设计的类比，为了满足生产需要和保证整个系统的可靠性，在实际工程中往往需要2台或者多台进行串并联，来提高油气田的产量。在并联的过程中，一般是一备一用和一备两用，来保证油田的安全运行。在串联的过程中，一般是单台增压泵不能满足实际生产，就需要考虑通过串联提高泵的压力。

10) 多相泵的安装。海底多相增压的泵功率、压力损失对多相增压泵的安装位置敏感性较低，因此安装位置的设计可以忽略。考虑到成本原因、安装的难易程度，优先选用双螺杆增压泵。目前，水下大型设备常用的安装方法有直接下放法和钻杆安装法。直接下放法适用范围广，操作方便，成本较低，其安装精度不高，承载能力弱；钻杆安装法定位精度高，承载能力强，但成本较高。

3 典型增压泵选型案例分析

3.1 工程实例

1) 物性参数。采出液为混合物，含有原油、地层水和伴生气，其主要物性为：①原油密度0.92～0.95 g/cm3，30 ℃条件下的原油运动黏度36.3～125.6 mm2/s；②伴生气中甲烷含量55.8%～66.3%，相对密度0.89 g/cm3；③地层水相对密度的平均值为1.13 g/cm3；pH值4.3～6.7，平均值为5.5。

2) 环境参数。水深1 300 m，海底温度6 ℃，海平面温度21 ℃。

3) 设计参数。进口压力2.0 MPa，出口压力5.5 MPa；液量为90 m3/h(含水16.6%～85.3%)，标准状态下气量120 000 m3/d。

3.2 水下增压泵的选型计算

水下多相增压泵的选型设计主要包括计算泵的排量和轴功率、电机功率、泵入口气体体积含量等。

1) 泵的排量。泵入口的排量Q为入口状态下进泵液量Q1与气量Qg的体积流量总和。

Q=Q1+Qg

(1)

式中：Q为泵入口的排量，m3/h；Q1泵入口液相的流量，m3/h；Qg泵入口气相的流量，m3/h。

由于气体的体积与状态压力与温度有关，多数以标准状态时的气量为准。根据提供的标准状态下的产气量Qb和利用理想条件下的气体状态方程进行换算。

(2)

式中:Qb为标准状态下产气量，m3/h；pin为泵进口的压力，MPa；ps为标准大气压，取0.1 MPa；Tin为泵入口的热力学温度；Ts为热力学常温，293 K。

则：Q=90+227=317 m3/h

2) 泵入口气体体积含量(GVF)。多相混输泵的入口气体体积含量是指在人口压力、温度条件下，气相体积流量与总流量的百分比。

理论上讲，水下双螺杆多相泵和螺旋轴流多相泵的入口气体体积含量都可以达到100%，但是在实际的操作中，水下双螺杆多相泵可以处理GVF更高的多相流体。

3) 轴功率。泵的轴功率是电机选型的重要参数。对多相混输泵来说，其轴功率可分为液相功率、气相功率2部分。

Np=N1+Ng

(3)

(4)

(5)

式中:Np为混输泵的轴功率，kW；N1为混输泵液相的轴功率，kW；Ng为混输泵气相的轴功率，kW；pin为混输泵入口的压力，MPa；pout为混输泵出口的压力，MPa。

Np=308+223=531 kW

4) 选择电机功率。电机的计算功率N为泵的轴功率Np乘以功率裕量系数K。

N=K×Np

(6)

式中：N为电机计算功率，kW；K为电机功率裕量系数，由表2查得。

N=K×Np=584.1 kW

表2 电机功率裕量系数

5) 轴承的选择。对于水下多相泵,泵轴主要承受轴向力，在实际运行过程中可能存在较小的径向力。故选用推力轴承与向心轴承并用的方案，即推力轴承承受较大的轴向载荷，两端选用承受径向载荷的向心轴承，以避让轴的伸缩，又可保证轴的稳定运行。

6) 密封方式。多相泵输送介质是油气水混合物，因此机械密封为优选方案。机械密封分为单端面机械密封和双端面机械密封，为了防止可燃气的泄漏，机械密封应该采用双端面机械密封。

7) 润滑方式。多相泵的润滑方式实行强制润滑，可选择齿轮泵连续压力润滑的方式对轴承进行强制润滑。利用油泵将润滑油从油池里抽出来，经过管道分配到所需润滑的轴承处。润滑油槽内的压力始终与混输泵进口压力相同，有利于机械密封长时间地可靠运行。自带有储油箱，必要的时候，储油箱可向螺杆泵补充润滑油，保持系统在水下能够长期工作。

本案例计算得出，流量较小、入口气体体积含量较高。与水下螺旋轴流多相泵相比，水下双螺杆增压泵更适用于中小流量、高含气率的场合，且双螺杆增压泵的效率较高，成本低、安装相对容易。因此，选用水下双螺杆增压泵。相比水力驱动，电驱的结构简单，控制系统和动力供应系统相对复杂，维修成本较低，故选用电驱动方式。考虑到油气防爆的要求，电机需选用防爆电机，普通电机转速通常在3 000 r/min以下，并配套调速装置。