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1、油气集输工艺 及设备进展 王金刚 教授 2010.10.27,一.油气集输背景,中国古代使用人力和马车集油，14世纪初，陕西延长、永坪、宜君等地所产石油均存入延安的“延丰油库”（见元一统志）。 20世纪40年代初期，玉门油田将井喷原油引入小山沟，筑坝储集，油田气全部放空；原油再经砖砌渠道，利用地形高差，流进输油总站（外输站）。 40年代中期以后，开始敷设出油管线，用蒸汽管伴热，在选油站进行油气分离、油罐计量原油和储存，油田气经计量后，部分通过供气管线，作为工业和民用燃料，部分就地放空。 50年代以后，随着新油田的不断出现，集输管网、油井产物计量、分离、接转，原油脱水和原油储存等工艺技术亦相应发
2、展。 70年代，集输工艺不断完善，不加热（常温）集输、油罐烃蒸气回收、原油稳定、油田气处理和外输油气计量等技术都有所发展。,油气集输的工作任务,将分散的油井产物、分别测得各单井的原油、天然气和采出水的产量值后，汇集、处理成出矿原油、天然气、液化石油气及天然汽油，经储存、计量后输送给用户的的油田生产过程。,油气生产工艺系统,（一）油气集输流程,油气集输流程： 是油、气在油田内部流向的总说明，即从生产油井井口起到外输、外运的矿场站库，油井产品经过若干个工艺环节，最后成为合格油、气产品全过程的总说明。,（二）油田集油流程举例,1、双管掺活性水流程,2、三级布站单管油气集输流程,3、单管环形集油流程,
3、（1）高温集油流程：单管加热集油流程和掺稀降粘流程。,4、稠油集输流程,（2）掺蒸汽集油流程,二.国内外油气集输技术差距,1.生产工艺方面：原油管道输送方面的差距最大，自50年代以来，世界上发达国家的输油管道基本上普及了密闭输送工艺流程，而我国输油工艺还普遍采用开式流程运行和加热输送工艺，能耗大。天然气和油田气处理工艺相差不大。油田伴生气的回收，则靠管道将联合站进行原油处理生产的伴生气汇集起来，由压缩机加压，然后进行轻烃回收。轻烃回收一般采取辅助浅冷和高压膨胀制冷凝液分馏生产工艺。天然气地面生产工艺比较简单，流程是：天然气经井口采气树后，首先进加热炉加热、然后由气嘴进行配产和节流降压、进集气站
4、分离器分离出水、砂、油等杂质，最后经计量后外输。,2.生产设备、管理和维护手段：差距更大。 国外油田在生产上普遍采用了先进的自动化数据采集与控制技术，对生产工艺过程的实时监控已成为惯例，如输油管道采用SCADA （数字采集与监控系统）系统，站内采用DCS（分布式控制系统）系统，跟生产辅助的电力、通讯系统也实现了自动化。 而我国特别是东部老油田在自动化方面还限于单件的自动化仪表的使用，除了少数生产设施外，自动化基本上处于起步阶段；加热炉、输油泵等生产设备陈旧落后，收发油计量误差大，能耗也较大。 我们认为，我国油气集输专业的技术水平与国外相比有相当大的差距，总体管理技术水平比发达国家落后1020年
5、左右，而且差距有继续拉大的趋势,三.输油工艺及进展,1. 概述 长距离输油管道通常是指距离长、管径大、输量高的原油管道，输送压力高而且平稳。由输油站和管路两部分组成，输油站分为首站、若干中间加压站、若干中间加热站及末站； 其任务是供给油流一定的压力能和热能，将原油安全、经济地输送给用户； 管路上每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修，可紧急关闭的若干截断阀室以及阴极保护站。,原油输送方式 输送原油的粘度和凝固点比较低，可以采用不加热直接输送的方式； 具有较高凝固点和粘度的原油，就需要经过加热后输送，或者经过改性，采用不加热的常温输送方式。 北美国家的输油管道多是输送低凝点、低粘度原油，所以多
6、为不加热输送。对于凝点和粘度较高的原油均采用加热输送（如美国全美管道和科林加管道）。 随着原油流变性的研究，原油添加化学降凝剂后常温输送技术也应用于一些原油管道运行管理中。由于实际生产需要和常温输送的工艺优越性，促使此项技术日趋成熟。近20年来，我国有10多条原油管道试验研究了添加化学降凝剂输送技术，取得的技术成果和经济效益是十分明显的。,1.1 高凝点、高粘原油的输送,我国生产的原油多属高含蜡、高凝固点、高粘度原油。对于凝固点、粘度较高的原油来说，输送工艺可分为两种类型：一是加热输送，另一是常温输送。我们在加热输送高凝、高粘原油方面积累了丰富的经验，但加热输送有其弱点，一是低输量受到热力条件
7、的制约，二是一旦发生事故停输，必须立即抢修，及时恢复运行，较长时间的停输会酿成凝管事故。,1.2 密闭输送工艺,长距离输油管道是从开式输送发展到密闭输送方式的。目前常用的有两种。 “旁接油罐”运行的优点是有缓冲过程，允许调节的时间长，对自动化水平要求低。 “从泵到泵”的密闭输油工艺改变了中间站进旁接罐的开式运行方式，使全线成为一个水力系统，可以充分利用上站压力，节约能耗，可节约中间站储油设备投资，而且也避免了旁接油罐的油气蒸发损耗。密闭输油工艺取决于设备的可靠性、自动化水平和水击问题的解决。,1.3 优化运行技术,优化运行技术是国外多采取的运行方式，在SCADA系统中基本上都装有优化运行控制软
8、件，它可在不考虑调速的基础上，对管道的运行方案进行优化，使管道在最经济的状态下运行，减小低输量时的不匹配性，减少乃至消除节流损失。 SCADA（数字采集与监控系统）,输油泵机组的优化运行,对输油泵机组本身进行改造，可用拆级、车削叶轮、改变泵转速、更新高效泵 大小泵搭配，即选配合适的不同规格的输油泵 是合理确定输油量，使输量和泵额定输量尽可能一致，减少节流损失，最大限度地提高泵的运行效率,1.4 节能改造,改用先炉后泵流程 改造输油设备，提高运行效率 选用高效输油设备 输油泵调速,1.5 SCADA系统,SCADA（数字采集与监控系统）系统由设在控制中心的主机、设在各站的远程控制终端（RTU）和
9、高性能的通信系统构成了一个相当于两级的分布式控制系统。 80年代以前，我国长输管道基本上是常规仪表检测，就地控制。 80年代中期以来，在铁大线、东黄复线上安装了从美国Rexnord公司引进的SCADA系统。此后，新建的长输管道大多配备了我国或引进的SCADA系统。对于今后建设的长输管道，SCADA系统将成为必不可少的组成部分。,四.输油设备进展,加热炉 输油泵,(一)加热炉,加热炉是将燃料燃烧产生的热量传递给被加热介质而使其温度升高的一种加热设备。在油气集输系统中，它的作用是将原油、天然气等加热至工艺所要求的温度，以便进行加工和输送。 油气集输生产最常用的加热炉是燃油管式加热炉，从炉型上多为方
10、箱式。,现场运行的加热炉示意图,管式加热炉火焰直接加热，具有单台功率高、升温速度快、加热温度高、耗钢量小等优点。管式炉四周是用耐火砖砌筑的炉墙和成排的炉管，炉管分两部分，直接受炉膛火焰辐射加热的为辐射管，受烟道气对流加热的对对流管。炉子的燃烧器是将燃油经机械雾化或蒸汽雾化（与水蒸汽混合），在高压下通过油嘴喷出燃烧，空气从风门进入。管式炉种类较多，目前油田应用比较多的是卧式管式加热炉，热负荷规格有1000kW、2000kW、2500kW。燃料以原油为主，采用轻型快装结构，工厂预制，现场组装。加热炉热效率为8285。,管式加热炉,炉,x箱式,管式加热炉的主要技术指标 热负荷 炉管表面热强度 炉膛热
11、强度 炉膛温度（又称火墙温度） 管内流速及压力降,箱式炉,管式加热器示意图,管式加热炉优缺点,原油长输管道上卧式圆筒式加热炉是常用的加热炉，该种炉型技术成熟，运行比较稳定，维护、检修简单，造价低。 缺点是热效率相对热媒加热炉效率较低，存在不安全因素，炉管低温腐蚀难以克服，炉管寿命短。,水套炉,水套炉是火筒式加热炉，间接加热，其工作原理是燃料在炉体下部的火筒烟管内燃烧，热量通过火筒烟管传递给中间传热介质“水”，水再加热内有介质流动的盘管。 水套炉单台功率小，主要用于小流量加热，优点是使用安全，不结焦。 炉体与炉管之间用密封填料密封，松紧程度由压盖法兰调节。炉体上焊有温度计插孔及压力表和安全阀接头
12、。通过水箱、漏斗和平衡管给炉内加水。炉体放在用耐火材料砌成的炉墙上，顶上敷绝热材料保温。 油气集输公司气井上使用的加热炉多为50KW的水套炉，以生产的天然气为燃料。,水套炉结构示意图,热媒加热炉,热媒加热炉采用间接加热方式，即燃油先加热一种载热介质导热油，导热油再加热原油。 由主炉体和换热器以及连接管路组成，主炉体可以是卧式或立式圆筒式加热炉，加热热媒，换热器是热媒与被加热介质换热的装置。 此种加热炉避免了炉管低温腐蚀，安全可靠。热媒是一种闪点高、凝点低、热容高、导热强的矿物油或合成油，性质稳定。,室内燃烧型热媒炉结构示意图,热媒炉示意图,热媒加热炉特点,能效果显著 适用于密闭输油流程 间接加
13、热系统更为安全 自动化水平较高 可避免对流炉管的低温腐蚀,热媒加热炉应用,热媒加热炉，国外40年代即开始研制，50年代开始大规模推广应用。我国在80年代开始用于原油长输管道，目前中石油管道局、胜利油田、大港油田、辽河油田、塔里木、吐哈等油田都已应用。,热管加热炉,热管是一个密闭的、具有一定真空度的管件，内部装有符合温度变化范围要求的工质。热管利用内部工质的相变传热，极大地提高了传热效果，其当量导热系数是紫铜的数千倍，因此热管被称为“超导热体”。,热管加热炉结构示意图,加热炉发展现状及发展趋势,目前，我国在余热节能领域的应用，以碳钢水热管为主，如锅炉的省煤器、空气预热器等，取得了明显的经济效益。
14、但是碳钢水热管在高温下容易爆裂，限制了应用范围。 近年来，又兴起了无机复合热管，它跟传统的热管（如钢水热管）技术相比，其优点是：适用温度范围广，使工作范围扩大到材料使用的温度极限，可在350以上高温环境下工作，不易产生爆管，结构紧凑，流动阻力小，不易堵塞，其良好的均温性能可有效地防止烟气酸温度腐蚀，良好的耐热性能可有效地提高其使用寿命。,胜利油田滨南采油厂二首站4台加热炉、稠油末站2台加热炉全部燃用重油，采用蒸汽雾化燃烧方式，冬季也由外来蒸汽加热和雾化原油。加热炉排烟温度为260左右，采用无机导热热管回收余热后，排烟温度降低到170左右。回收加热炉余热产生的蒸汽满足了燃油加热和取暖需要，节约了
15、能量，取得了显著的经济效益和社会效益。 近年来，国内还研究了利用热管技术来改造传统加热炉的结构，如辽河油田设计院设计了热管加热炉，即运用“火筒壁热管、盘管壁热管”的复式传热，强化了传热，提高了炉效，减小了炉体体积。以700Kw的regr 加热炉为例，与同负荷的常规水套炉相比，热效率提高10%，达到85%以上，节约钢材40%，降低造价21%，减少占地面积30%，节约投资2万多元。,直接加热炉大部分是七十年代建设的，在新建加热炉时已被淘汰，这类加热炉体积庞大，炉管易结焦，热效率较低。效率低的主要原因是排烟温度偏高，炉膛为负压，漏风多，体积大，炉体保温性差，导致散热损失很大。方箱式加热炉不仅效率低，
16、另一个突出缺点是安全性差，炉管（特别是处于底部的炉管）易发生腐蚀穿孔，炉内高温火焰接触还容易造成油管高温强度降低而破裂，造成原油泄漏而极易引起火灾、爆炸事故。 热媒加热炉实现了燃烧和加热分离，安全可靠，但是由于多了热媒传热环节，不仅影响到传动效率，热媒的循环还需要消耗动力。 热管加热炉不仅具有极高的传热效率，而且也可以做到燃烧加热段和冷却供热段分离，既具有热媒炉的优点，而且没有热媒循环的动力消耗，提高了系统的综合效率，又保证了安全可靠，应该是发展的方向。,（二）输油泵,输油用泵种类众多，主要以离心泵为主，下面的几种产品是用量最大、用途最广泛的泵设备。,1、几种泵举例,ZA型石油化工流程泵 适合
17、输送清洁或含有固体颗粒、低温或高温、中性或有腐蚀性及气液两相流液体，尤其对于输送各种温度的液态石油化工产品，各种温度和浓度的酸、碱、盐溶液和其他有腐蚀性的液体尤为适用。具体结构如图1所示，该产品技术为瑞士苏尔寿泵公司技术。,图1 ZA型石油化工泵,CZ型标准化工泵输送低温或高温液体、中性或有腐蚀性液体、清洁或含有固体颗粒的液体，适用于石油化学工业、炼油厂、造纸厂、纸浆业和制糖业。具体结构如图2所示，该产品技术为瑞士苏尔寿泵公司技术。,图2 CZ型标准化工泵,AY系列离心油泵可用在石油精制、石油化工和化学工业及其他地方，输送不含固体颗粒的石油、液化石油气及其他相类似的介质。AY系列离心油泵是在老
18、产品Y型系列油泵基础上改造设计的产品，初期由沈阳水泵股份有限公司设计制造，具体结构如图3、图4所示。,图3 单级、两级AY系列离心油泵,图4 多级AY系列离心油泵,IH型化工离心泵单级单吸耐腐蚀离心泵，供输送不含固体颗粒、具有腐蚀性、私度类似水的液体，介质温度为-20150，适用用石油、化工、冶金、电力、造纸、食品、制药和合成纤维领域。该产品为沈阳水泵研究所组织全国联合设计产品。具体结构如图5所示。,图5 IH型化工离心泵,2、国内外泵的进展及发展趋势,以提高效率和运行可靠性为目的，不断改进老产品，开发新产品。重视泵的水力学、汽蚀腐蚀磨损及机械设计，特别是转子动力学设计。1415年前，S u
19、l z e r公司C F D计算流体力学方法只用于单个泵元件的性能分析，而现在则代替传统的模型试验和流量测量作为泵的设计、分析及操作性能研究的手段。该公司利用CFD方法开发了新一代的流程泵OHH（DN400，流量2250m3/h,扬程300m,温度-40460，功率1000kw）以及适应低流量240m3/h）高扬程（30300m）的OHHL泵。上述两种泵均是单级悬臂泵，完全符合API610及682的要求。 K S B公司开发了R S Y系列泵，进口直径可达350mm，介质温度350，无须外部冷却系统。 Sundyne泵为适用高温用途，采用特殊的扭矩环，可使泵在没有任何冷却的情况下输送温度高达4
20、50的油类，省略了冷却和密封系统，增加了可靠性并易于维护。,3、泵站电脑自动化控制,进入21世纪，随着计算机飞速发展，泵站的自动化将逐步普及，泵站管理、运行点的调控、故障的分析处理、过载、过流、过热的保护等将由计算机代替人来完成。 调频变速可使泵始终处于最优工况运行，保证泵站最佳的运行效益。 此外，计算机在泵的设计、生产管理和测试试验中的普遍采用，对缩短设计、生产时间，提高泵产品质量和技术水平具有极大的推动作用。,4、泵的节能以及密封技术的发展,输油泵的密封现状 输油泵所输送的介质条件比较苛刻，一旦密封失败，危害也非常大。因此对泵体的密封性能要求较高。近年来，泵的密封形式也有了新的发展，其常见
21、的密封形式主要有：垫片密封、螺纹密封、填料密封、机械密封、油封密封等。 垫片密封是泵常用的密封方法，垫片的选用主要根据泵输送的介质、温度、压力和腐蚀性等因素来确定、主要用于静密封。 螺纹密封在泵用密封有2种形式，即螺纹联接垫片密封和螺纹加填充剂密封，都用于小直径螺纹连接的密封场合。使用较少。,填料密封是将富有压缩性和回弹性的填料放入填料函内，依靠压盖的轴向压紧力转化为径向密封力，从而起到密封作用。由于其结构形式简单，更换方便、价格低廉、适应转速、压力、介质宽泛，油泵中不常用，新型的填料密封正在兴起。 机械密封是最常见的一种泵用密封技术、适合转速较高，各种不同介质的泵密封，密封效果良好，使用寿命
22、长。 油封密封是一种自紧式唇状密封，其结构简单，尺寸小，成本低廉，维护方便，阻转矩较小，既能防止介质泄漏，也能防止外部尘土和其它有害物质侵入，而且对磨损有一定的补偿能力，但不耐高压，因此一般情况下油封密封应用在低压场合的输油泵上。,国外泵密封进展,国外应用变量驱动技术。通过重新设计叶轮，改造选择不当或操作条件变化的泵，以使泵适应新的工况。减少轻烃类产品外泄，保护环境。FLOWSERVE公司发明了一种专利结构的QBQLZ密封，用于介质密度为0.40.6的轻烃。实际是一种非接触的油膜密封.,无泄漏磁力泵及泵的多用途化,在有些石油输送中输送有腐蚀、有毒或稀有贵重液体时，不允许有泄漏，这对泵的轴上密封
23、提出了更高的要求，即使采用价格昴贵的机械密封，也不可能做到无泄漏。能实现无泄漏输送的磁力联轴器传动泵，自1947年英国HMD泵公司研制成功以来，就获得了较快的发展。目前市场上已出现功率达400千瓦的各种磁力泵产品。如英国HMD泵公司近年研制的两级磁力离心泵，其Q=560m3，H=500米，输送介质温度达205，功率达350千瓦，国内现在也有生产，只是用于小排量低压泵。,磁力泵的优缺点,传递功率的磁材料体积大、价格贵、矫顽性低、耐温性差。现使用的铁氧体、稀土钐钴合金和钕铁硼磁铁及铝镍钼磁钢使用效果都不理想，因此，希望开发价格低廉、磁性能好、耐温高、工艺性好的磁材料，以提高传动功率和适用条件。最近
24、中国江苏工业大学研究了一种在转子槽中坎铜条，类似鼠笼式异步电机转子的新型磁力联轴器，能消除介质温度对其磁性能的影响，可用于输送较高温度介质的泵中。,密封隔套的磁损失大、强度低。隔套所用材料有金属和非金属两类。金属隔套虽强度高，但套内涡流损失大，一般正常损失为总传动功率的15% 18%，多采用高电阻材料的薄套，如铬镍钼不锈钢及哈氏合金等；金属材料的第二个大问题是耐腐蚀性差，价格高，因而小型泵多用非金属材料。非金属材料没有涡流损失，磁传递效率高，耐腐蚀性好。现行使用的有聚偏二氟乙烯等合成材料和陶瓷。由于非金属材料强度低，以增加套厚来提高强度又会影响磁传动效率。,轴承的寿命低。由于所采用的滑动轴承用
25、输送液体介质润滑冷却，因而容易磨损、发热乃至烧坏。轴承材料有碳化硅对碳化硅、纯碳衬套对不锈钢、聚四氟乙烯衬套对不锈钢等，其使用效果并不理想。,5、输油泵调速的进展,多年来，世界各国都极重视高速泵的研究开发。提高泵转速不仅能提高泵的流量、扬程，而且可大大缩小泵体积、减轻泵重、节省原材料和能源的消耗（转速提高一倍，体积缩小1/3，重量减轻50%60%）。如前苏联口径为2.6米的轴流泵，由于转速高，其流量接近日本4.2米口径泵的流量，单级扬程达26米。日本已计划在21世纪将蓄能泵的转速进一步提高，达到提高功率、流量、扬程并节省泵站建设费用的目的。,(1) 采用变频器调速可使泵平稳无级变速到需要转速下
26、运转，操作十分方便。 (2)通过调频使泵实行软启动，可减小启动的机械冲击和电网冲击。 (3)通过调频变速调节泵的流量、扬程，可使泵始终处于高效点运行，达到节能运行的效果。同时还有利于提高泵的单级扬程和比转速，避开设计制造难度大的低比速离心泵死区。另外，还可扩大一台泵的使用范围，减少产品规格，利于生产和使用。 (4)自吸泵可通过调频提高自吸工况转速来提高泵的自吸性能。 (5)可同时考虑过载、过温、过压等保护功能。,变频调速器应用技术面临的问题,价格高、体积大、适用功率范围不宽。增速后泵内液体速度增大会加剧流道的磨损和汽蚀损坏。 与泵配套的高速电机则因体积缩小而减小了冷却面积，冷却效果变差。另外，
27、泵叶轮和电机转子与空气摩擦产生的噪声频率也会因转速的增高而成比例增大。这些都是有待今后来解决的重要技术课题。,节能调频器在输油线路的应用,输油泵调速方式有变频调速和液力偶合器、滑差离合器等种类，变频调速技术在中小型电机上使用较多，而输油常用的是高压（6KV）大电机，变频调速器的成本较高；目前使用较多的是液力偶合器。,滑差离合器曾在濮临线首站的濮阳站应用，效果很好。 这类动态调速装置成本低，操作简单，很受一线工人的欢迎。 其不足之处：一是效率和变速比成反比，即高效区的调速范围小；二是可控性能差。,变频调速的应用举例 东北输油管理局1986年在铁大线改造中从德国引进了三套1750kW的变频调速器，
28、分别安装在沈阳、大石桥、瓦房店三站，解决了全线的节流问题。 该装置操作简便，节能效果好，在当时输量较满的情况下，每天仍可节电2500度左右，三年多收回了30万美元一套的投资。 而且调速技术的使用也使全线的技术水平和管理水平有了较大的提高。,为了克服泵管压差,节能降耗,大庆油田葡北油库2002年在3#、4#外输泵上安装了两台西门子ABB C600型变频器。 选用变频装置前, 葡北油库有输油泵4台,工作泵压为13MPa,汇管压力为05MPa,工作频率为50Hz,平均输油量500m3/h,电流平均为330A,日耗电量3700kWh,且人工频繁开关阀门,劳动强度大,泵压控制困难。 3#、4#外输泵变频
29、装置开始运转后,工作频率为42Hz平均输油量500m3/h,电流平均为230A,日耗电量2060kWh。在采用变频调节前,富余能量只通过阀门节流来调整系统的水力、能量平衡,造成了能源的严重浪费。 采用变频调节后,通过变频调速装置的拖动,降低了电机的实际负载(所需实际负载就是机泵的运行负荷),从而节约了能源,优化了系统运行效率,避免了“大马拉小车”的状况。从经济效益来看:采用变频技术前,月耗电量约为115104kWh,年耗电费约为55.2万元。采用变频技术后,月耗电量约为63000kWh,年耗电费约为302万元,节电率为44%。变频装置投资约50万元,年节省电费为25万元,回收期约为2年。,6、
30、国内管线输油泵的应用举例,库鄯线的主要输油设备给油泵和变频调速输油主泵分别是从日本和德国引进的，具有配备检测仪表完善、故障保护灵敏、维修周期长（2万以上）、运行效率高（泵效为85%86%）等特点； 输油工艺流程上使用的电动阀门是从意大利引进的；35kV、6kV电气开关及其监控系统是德国1994年以后投放市场的产品（第三代智能化SF6绝缘全封闭真空开关）； 自动化系统是从加拿大引进的代表油气管道和供配电系统最新自控水平的开放型监控和数据采集（SCADA）系统，美国著名的全美管道和科洛尼尔成品油管道都经过改造使用了这套系统；光缆通信系统也引进了芬兰诺基亚公司的先进的数字传输系统设备（光端机系统）。
31、,铁秦线原先用的输油主泵为DKS750/650水平中开三级离心泵，额定流量750m3/h，额定扬程550m，泵效75 （实际运行泵效率69% ），该泵有3m吸入能力，不需要喂油泵。 后来引入DZS高效输油泵，实际运行测试效率达到84.14%，比原来的DKS泵效率69%提高1315% .,大庆至抚顺输油管道输油主泵采用新试制的国产400KD-2502水平中开双级离心泵，每站三台，两开一备，该泵需要0.2MPa正压进泵，所以设两台喂油泵，一开一备。 运行效果良好。,7、海上输油泵进展,海上现在主要采用多项油气混输泵 双螺杆多相泵 螺旋轴流多相泵 反转轴多相泵 直线驱动活塞泵,多相泵概述,多相流混输
32、泵是一种专门用于输送原油产出物的设备, 与分离方法相比, 它不需要增加分离装置, 可使原油产出物直接输送到加工基地,特别适用于原油混合物的远距离输送,在海上石油的开发中, 可节约大量的资金。伴随着对多相流动规律的研究和认识,国外已开发出用于海上原油混送的多相流混输泵, 这种产品可以连续输送含气率从0 (指100 %液体) 到1 (指100 % 气体) 的介质,非常适于恶劣的海上油田开采条件, 其突出的优点在于节约能源和节约资金。我国在多相流混输泵产品的开发方面还处于空白, 多相流混输泵主要依赖于进口, 消耗着大量的外汇, 因此, 研究和开发多相流混输泵对我国海底石油开发有着十分重要的意义。目前
33、常用多相泵如下：,双螺杆多相泵,螺杆泵属于容积式泵。 双螺杆泵具有强制输气(液) 的特点,因而无论含气率如何变化,都可以强制性地将油气从入口经过压缩腔压缩再推到排出口,性能不会因为含气率的提高而大幅下降,所以它可以输送含气率较高的混合物。 其在设计上利用气体的压缩性成功地降低回流损失,提高了泵的容积效率。 这种泵在输送多相流时采用了气体压力渐进升高的方式,进口处压力升高缓慢,而出口处压力升高较快,因而进口处回流损失较小,而回流则用于减少输送介质的含气率,增大出口压力。 双螺杆泵的两根转子啮合时互不接触,能输送含固体砂粒的气液混合物。其应用也是最广泛的,但也存在输送流量较小,对泥沙敏感,螺杆外缘
34、与缸体磨损后压力迅速降低,致使该型泵工作可靠性低、维修量大、寿命低、运行成本高等问题。,螺旋轴流多相泵,螺旋轴流泵是借鉴了输送纯液体的泵和纯气体的压缩机的原理而创造出来的,他可以输送液体、气体、气液混合物。 其基本作业原理是使多相流体在高速旋转的叶轮中获得动能,并通过导叶的扩压作用实现动能向压力能的转换,同时调整多相流体流动状态,为下一压缩单元的正常工作提供保证。 通过流道的优化设计有效地减缓了多相介质利用叶片对油气混合物产生升力而进行的加压,其螺旋型的叶轮和整流器又强迫输送介质沿轴向运动,有效地防止气液两相介质在流道内分离,从而保证均匀流动的要求。 由于叶轮的高速旋转,进入叶轮中的介质被加速
35、,加速的介质经过整流器时,速度降低,其动能转化为压力能,从而使输送介质每经过一个单元级,便增加一部分能量。在叶片式多相泵中,压力的不断增加是通过能量传递和转化实现的。,反转轴多相泵,反转轴多相泵由挪威壳牌石油公司、NAM 石油公司和福兰墨工程公司三家共同开发。 它由两台电机驱动,一台驱动内转子,另一台驱动外转子,内外转子按相反方向旋转,转轴的设计结构简单,输送排量大,一般可满足“湿气”增压的要求。 此外,这种泵每单位长度的增压能力为常规多级装置的两倍以上。目前,排量为6 400 m3/ d 的样泵已通过了油田试验,并且已在NAM 石油公司所属的Delier 油田安装运行。32 000 m3/
36、d 排量的多相泵正在福兰墨工厂进行试验。,直线驱动活塞泵,直线驱动活塞泵是MEPS (多相电驱动增压泵站)混输项目研制开发的产品3 。MEPS 项目是福兰墨工程公司与美孚石油公司合作的一项混输项目。 该多相泵采用成熟的往复活塞泵原理,结合新的直线电驱动系统概念设计而成。控制系统可确保达到所要求的活塞速度并控制活塞的滑动冲程长度。 这种多相泵通过改变活塞直径和马达额定值,便可实现很宽范围的压力和排量。 这种泵/ 马达组合设计的主要优点为:能输送各种流态和0100 %含气体积率的流体;泵/ 马达组合设计的总效率达90 %以上;只有一个低速运动部件;机械设计简单、耐用。这种多相泵的样泵于1993 年
37、10 月运往得克萨斯州米德兰Salt Creek 陆上油田安装,并于1994 年2 月正式投入试验 。,国外海上多项输油泵进展,井底多相泵 英国伟亚泵公司是开发海底多相螺杆泵的主要参与者。1992 年,该公司为其多相泵开发出新的硅钨部件并开始为新一轮试验重造其样泵。但是,一年后该公司宣布,如果它的经营者和资助者不再提供资助的话,它将放弃经过10 年努力的多相泵工程并集中力量开发井下泵。伟亚泵公司决定不再独自继续该工程的原因是,认为多相泵的未来市场不大,不愿单独承担投资开发的金融风险。 从此,英国伟亚泵公司与德士古英国有限公司,开始了一项液动井底多相泵的开发工程。开发工程分两个阶段进行。,第一阶
38、段的开发工作是,设计、制造井底多相泵样机并在伟亚Allwoa 研究实验室的试验设施上用氮气和水的混合物进行试验。第一阶段的开发工作已完成。试验时,多相泵采用马达驱动。试验表明,井底多相泵性能好,可输送含气率达60 %以上的混合物。 第二阶段的开发工作是,在德士古公司设在美国得克萨斯州汉布尔的多相流试验回路上对一台透平驱动的样机泵进行试验。 英国伟亚泵公司开发的液力驱动井底多相泵为一种多级轴流透平驱动的多级离心泵,如图1 所示。透平的动力液由地面泵提供,可以是处理后的海水、采出水或采出油,其选择取决于哪种应用最方便。增压后的动力液经一个单独的通道被泵送至井底,动力液通过透平后与采出物混合返回地面
39、。在透平和多相泵内,如果泵是一个稳定的液压静力轴向轴承排列,那么,动力液被输给泵的级间轴承和泵末端的平衡鼓。透平和泵未端平衡鼓的设计可确保旋转部件处于轴向液压衡,图1 液力驱动井底多相泵,井底多相泵的应用,美国阿莫克东方石油公司在开发中国海上流花油田中首次采用了井底多相泵。,国外油气混输泵技术开发与运用,螺旋轴流泵是法国石油研究院(LFP) 、挪威国家石油公司(Stator 1) 及法国道达尔(Total) 石油公司三方联合投资的“海神( (Poseidon) ”多相混输技术研究项目研究开发的一种混输泵,许多文献称之为“海神泵”。“海神泵”属于叶片泵,它由若干级压缩单元组成,每个压缩单元包括一
40、个叶轮和一个整流器,当输送介质进入叶轮后,由于叶轮的旋转,介质被加速获得动能,而当加速的介质通过整流器时,速度减小,动能被转化为压能,介质每通过一个单元级,便增加一部分能量。与容积式泵的根本区别在于其压力的增加不是由单元级体积的变化所引起,而是由能量的传递和转化实现的。,意大利新比隆公司在埃尼集团的资助下生产了一种膜片式混输泵。它是一种往复式泵,由常规轴向活塞泵改进而来,有两个泵腔。活塞泵和驱动电机均沉没在液体中,一个弹性膜片将液压油与多相流体隔开,控制系统控制液压油从一个腔排入另一个腔。,1994 年在北欧挪威的Draugen 平台,采用螺旋轴流式油气多相泵,安装在距中心平台10 km ,水
41、深270m 的油井中,海底油气多相泵的应用,使该油田的油水总产量从1 900 m3/ d , 上升到3 100 m3/ d , 提高了60 % 。,国内多相泵进展,我国目前正在研究和推广多相流技术 利用多相泵和多相混输,可以扩大集输半径,使边际油田纳入已建的集输系统,充分利用现有已建设施来减少投资和操作费用,使边际小油田开发变得经济有效。目前多相泵在陆地应用已逐步推广,但还未应用于滩海油田建设中。随着计量技术的不断发展,传统的分离计量装置将会逐渐被不分离计量装置所替代。目前,国外已有几十套商业性产品应用于海上油田,而我国在此方面目前正处于研制和试验阶段。,多相流技术,多相泵的研制趋于成熟,应用
42、范围逐步推广。多相计量技术发展较快,已进入商业性阶段。石油大学编制的油气混输工艺计算软件通过将计算结果与实际运行的两相流管道相比较,误差小于20%。在油、气、水三相混输及相态划分和转相点的研究上也取得了一定进展。,五.天然气集输,天然气集输 天然气是埋藏在地下的一种可燃气体，是以多种低碳饱和烃为主的气体混合物，其主要成份为甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷及微量的重碳氢化合物和少量的其它气体，如氮气、二氧化碳、一氧化碳、氦气、硫化氢、水汽等。 天然气从生产来源上一般分为气层气和油田伴生气两类。气层气是从气田开采出来的天然气，其中甲烷含量占总体积的90%以上；油田伴生气则是指从油田中和石油一
43、起开采的可燃气体，亦称石油气。石油气的成份和气田气差不多，但重碳氢化合物的含量则较气田气高，甲烷含量一般占总体积的80%-90%。一般来说天然气中甲烷含量大于90%的称为干气或贫气。甲烷含量低于90%，而乙烷、丙烷等烷烃的含量在10%以上的称为湿气或富气。,（一）天然气地面集输工艺,来自气井的天然气在集气站进行加热、降压、分离、计量后进入天然气处理厂，脱除水、硫化氢、二氧化碳，然后进入压气站，除尘、增压、冷却，再输入输气管道。在沿线输送过程中，压力逐渐下降，经中间压气站增压，输至终点调压计量站和储气库，再输往配气管网。气田井口压力降低时，则需建矿场压气站增压站。输气管道系统流程图如下图所示。,
44、输气管道系统流程图,（二）天然气集输工艺主要设备,气嘴 压缩机组,一）气嘴,气嘴是气井地面流程的重要部件，用于调节控制气井的产量。在实际生产中，有多种情况要求限制气井的产量，如防止底水锥进、地层出砂以及控制井口压力，以满足地面设备的耐压要求或防止生成水化物等。高压气体在气嘴中的流动处于“临界流”状态，此时，气嘴下游压力变化对气井产量没有影响。,气嘴的形状,常用的气嘴呈圆柱孔状，孔径根据配产的需要而定，胜利油田一般在3mm左右。除了气嘴之外，还有针型阀，四川气田多用针形阀，其优点是便于调节，不像气嘴那样需要停井、拆卸、更换等操作；其缺点是不耐磨，非常容易被刺坏，因此，四川气田的一些高压高产井也开
45、始改用直孔状气嘴。 气嘴的形状还有文丘里喷管状。要达到临界流状态，气嘴后的压力应在气嘴前压力的60%以下，而使用文丘里喷嘴，则在85%以下即可，从而减小了气嘴的能耗，延长了临界流的范围，适用于低压气井。,气嘴类型,1、耐磨气嘴 陶瓷气嘴的外套仍是钢材，内芯是陶瓷。陶瓷与钢件之间过盈配合，结合紧密。在气嘴的出口端有一个台阶，装配面还涂抹了胶粘剂，这样形成三保险，防止陶瓷内衬在高压作用下移动、脱离。 陶瓷气嘴耐磨性很好，大大延长了气嘴寿命，提高了气井的安全系数，使一些严重出砂井恢复了生产，使用寿命可达两年以上，值得在出砂气田推广应用。,2、井下活动气嘴 气嘴大多安装在井口，进加热炉之前。1988年
46、，四川石油管理局发明了井下活动气嘴，即把气嘴安装在井下油管内。 井下活动气嘴是指将通常安装在井口地面的气嘴改为安装到井下油管内，利用了地热，省掉了井口地面加热炉，节约燃气，降低了生产建设成本。但是井下气嘴的更换比较麻烦，故在出砂、出水较多的气井尽量不使用井下气嘴，而且地热的加热效果有限，不适合寒冷地区。,二）压缩机组,机械增压法所使用的设备是天然气压缩机。压缩机在原动机的驱动下运转，将天然气 引入压缩机，在压缩机转子或活塞的运转的运动过程中，通过一定的机械能转换和热力变换过程，使天然气的压能增加，从而达到增压目的。 气体压缩机的种类很多，如往复式、离心式、螺杆式等等,1、国内压缩机组现状,伴随
47、着天然气在工业和民用上的逐步推广普及，我国进入了输气管道的大发展时期，陕京线、西气东输、涩宁兰、忠武线以及兰银线等输气管道相继建成投运，西气东输二线也已开工建设。随着天然气管道建设的快速发展，天然气管道系统增压用压缩机组达到了相当多的数量，对压缩机组的需求量也日益增加。目前，国内天然气管道上在用的压缩机组绝大多数为国外公司生产制造。国内天然气管道工程的很大一部分投资均花费在购买国外设备上，且运行维护费用居高不下，在国家战略能源输送上受制于人。而国内设备厂家由于技术水平和经验的不足，很难与国外厂家竞争。自1982年7月，我国首次安装试运于天然气集输工程的燃气发动机压缩机组在四川兴3井建成投产以来
48、，天然气气田增压工作得到了迅速发展，不仅在四川13个气田建了增压站，而且在中原、辽河、大庆、胜利、长庆、华北、大港等油田，增压站也迅速增加。据不完全统计，到1999年底，全国共有气田天然气增压机组260多套。,2、国内外天然气管道压缩机组差距分析,压缩机组为天然气的输送提供动力，是输气管道的心脏，输气管道的运行可靠性和经济性很大程度上取决于压缩机组的可靠性和性能。在天然气输送管道特别是新建管道上，主要使用的是离心式压缩机，用来驱动离心式压缩机的原动机主要是燃气轮机和大功率变频电动机。下面的内容，将分别对离心式压缩机本体、燃气轮机、大功率变频电动机以及涉及到的成套设计技术进行国内外差距分析。,离
49、心式压缩机,离心式压缩机的基本工作原理是利用高速旋转的叶轮使叶轮出口的气流达到很高流速，然后在扩压室内将高速气体的动能转化为压力能，从而使压缩机出口的气体达到较高的压力。国外生产离心式压缩机的厂家主要有罗尔斯-罗伊斯（RR）、索拉（Solar）、GE新比隆和曼透平（Man-turbo）等。RR公司的离心式压缩机型号如表1所示。,由表可以看出，R R公司可以生产最大功率从5.6-37.3MW一系列的离心式压缩机，最大功率在15MW以下的压缩机，其转速范围在9 000-13 800r/min，最大功率在25MW以上的压缩机，其转速范围大约在3 600-9 500r/min，最大设计进气流量在11 300-106 700m3/h之间。西气东输用的RR压缩机型号为RF2BB36和RF3BB36，分别为2级和3级。索拉公司(Solar)的全称是美国索拉透平国际公司，为卡特彼勒全资子公司，索拉制造的离心式天然气压缩机系列包含11种产品同行业中产品系列最多。取决于不同型号，压缩机可以提供1-12个压缩级以满足各种进气流量和压力比。GE公司用于管道的离心式压缩机主要是PCL系列，最大功率可达到40MW，转速范围在3 000-15 000r/mi