李莉，劉秀琴，賈玉明

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266061)

地下水封石洞油庫工程潛油泵的控制方案設計

李莉，劉秀琴，賈玉明

(海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266061)

潛油泵是地下水封石洞油庫工程的核心設備，國內(nèi)大規(guī)模水封洞庫工程的建設現(xiàn)處于起步階段，對潛油泵的使用經(jīng)驗較少、認識程度較低。通過對某洞庫項目潛油泵的研究，從結構、管道布置等方面入手，總結了潛油泵遠程啟動、停止的控制過程及安全聯(lián)鎖的觸發(fā)條件，可用于優(yōu)化設計，提高了水封洞庫工程的自動化水平，也可用于指導潛油泵操作人員操作、維護。

水封洞庫 潛油泵 結構 控制 最小流量閥

水封洞庫洞室的高度一般設計為30 m，而洞罐的埋深[1]根據(jù)儲存油品的性質(zhì)、壓力、巖體質(zhì)量和水封條件等因素確定，這就對地下洞罐的核心設備潛油泵的性能指標、設計、安裝和調(diào)試等提出了很高的要求。

由于潛油泵安裝于洞罐泵坑中[2]，受安裝、維護等條件的限制，一般要求其使用壽命大于20 a，現(xiàn)階段水封洞庫項目所采用的潛油泵均為進口泵。某洞庫項目通過招標選用北歐某公司產(chǎn)品，現(xiàn)以此潛油泵為例，從潛油泵的結構、管道布置等方面入手，對該泵的控制、聯(lián)鎖方案進行總結，供設計人員及泵的操作人員參考。

1 潛油泵的結構

潛油泵主要由泵/電機單元、管柱單元、頂板布置單元組成，其排量為1 200 m3/h，揚程為180 m，功率為1 000 kW，結構如圖1所示。

1) 泵/電機單元。泵與電機為一體化設計，電機為濕式電機[3]，位于泵的上方，與泵一起安裝并懸掛在管柱上，結構簡單，便于提升及維護。

圖1 潛油泵結構示意

2) 管柱單元。管柱單元包括多段利用法蘭式管柱接頭連接的管柱，經(jīng)過多段管柱的組合可滿足潛油泵任意安裝深度的要求。每段管柱中一體化集成3根導電銅管，導電銅管錯開120°布置，構成了泵電力輸送的導體。整個管柱單元內(nèi)充滿循環(huán)的液壓油(簡稱循環(huán)油)，循環(huán)油既冷卻、潤滑潛油泵，又充當導電銅管的絕緣介質(zhì)。它來自于頂板布置單元的油循環(huán)單元，由循環(huán)油泵注入并充滿全部的管柱及電機，最后經(jīng)導電銅管回到油循環(huán)單元。

簡而言之，管柱單元既為潛油泵提供電力導體，又為循環(huán)油提供流通回路，對泵安全穩(wěn)定的運行發(fā)揮了巨大的作用。此外，為減少泵運行時管柱單元的振動，需用管柱固定器將管柱單元固定在出油套管上。

3) 頂板布置單元。頂板布置單元包括頂板、油循環(huán)單元、儀表接線箱及電氣接線箱。其中，油循環(huán)單元、儀表接線箱及電氣接線箱安裝于頂板之上，管柱單元及泵/電機單元懸掛于頂板之下，因而頂板的設計荷載必須能夠滿足潛油泵及其安裝附件的承重要求。頂板的直徑與三通的直徑相同，經(jīng)三通與出油套管及出油管道連接，共同形成了泵的出油管路系統(tǒng)。

油循環(huán)單元除了對泵進行冷卻、潤滑、絕緣外，還被用以檢測、判斷泵/電機單元的運行情況，是潛油泵的重要組成部分。

a) 油循環(huán)單元的組成。該單元主要由循環(huán)油、循環(huán)油箱、循環(huán)油泵、換熱器、過濾器、管線及儀表等組成；通過外接循環(huán)冷水將循環(huán)油進行冷卻，從而冷卻潛油泵的電機單元。

b) 油循環(huán)單元檢測點的設置。在循環(huán)油箱設置就地及遠傳液位計以檢測循環(huán)油箱的液位，通過油箱液位的變化可判斷潛油泵的機械密封是否損壞。

在循環(huán)油供油管線設置壓力變送器以檢測循環(huán)油系統(tǒng)的壓力，必須保證管柱及電機內(nèi)的循環(huán)油壓力大于套管內(nèi)的原油壓力，這樣即使?jié)撚捅玫臋C械密封發(fā)生泄漏，原油也不會進入泵/電機單元或管柱單元。此外，循環(huán)油的壓力不能超過管柱的管道設計壓力及電機正常運行的工作壓力，否則將破壞潛油泵的管柱單元和電機單元。

在循環(huán)油回油管線設置溫度變送器，通過檢測循環(huán)油回油溫度可判斷潛油泵的電機單元有無過熱現(xiàn)象，進而判斷機泵能否正常運行。一旦油循環(huán)單元所檢測的參數(shù)出現(xiàn)異常，安全儀表系統(tǒng)將觸發(fā)聯(lián)鎖保護功能停潛油泵。

4) 出油套管的防腐。原油經(jīng)過泵的出油套管從地下洞罐提升至地面，水封洞庫的儲油原理及地下洞罐的結構形式[4]決定了出油套管是無法維修或替換的管道，因而必須做好出油套管的防腐工作，以滿足水封洞庫中不可維修的材料和設備的設計壽命不宜小于50 a的要求[5]。

安裝于油水界面部分的出油套管通常采用雙相不銹鋼來提高抗腐蝕能力，其他部分采用碳鋼，設計人員根據(jù)出油套管所受的內(nèi)外壓及腐蝕余量來計算其厚度，并采用犧牲陽極陰極保護法進行防腐。

2 潛油泵出油管道的布置

潛油泵為兩級離心泵，其出油管道布置如圖2所示。

圖2 潛油泵出油管道布置示意

1) 最小流量閥。離心泵啟動時，為避免因出口流量滿負荷導致啟動電流過大，最終損害電機[6]，會要求關閉泵出口排油閥；但高功率、大排量泵在零流量啟動時，易因電機過熱導致泵內(nèi)介質(zhì)升溫、汽化甚至發(fā)生汽蝕損害[7]，所以在工程設計階段，設計人員一般會為高功率、大排量泵設置最小流量管線，使介質(zhì)能夠以最小流量流過離心泵，從而避免操作人員對其進行零流量啟動。

泵在不產(chǎn)生過熱、汽蝕及機械故障(振動、噪聲超標、軸承壽命縮短等)的情況下，能夠正常工作的最小流量稱離心泵的最小流量，該值由泵廠通過試驗獲得并提供給用戶[8]。操作人員通過控制最小流量閥的開度可使離心泵在最小流量下正常啟動、運行。為實現(xiàn)泵的遠程啟停，需將排油閥及最小流量閥設置為遠程控制閥門，可采用電動調(diào)節(jié)型平板閘閥[9]作為最小流量閥及排油閥。

2) 放空閥。為了避免出油套管內(nèi)的空氣進入到潛油泵中，通常在出油管道靠近止回閥的位置設置放空閥。潛油泵啟動時，出油套管中的空氣通過常開的放空閥排出，隨著被提升的液體到達放空閥的位置，放空閥內(nèi)的浮球在浮力的作用下浮起，自動關閉放空閥；而當潛油泵停止時，由于液體倒流，放空閥打開，空氣重新進入套管，避免了套管內(nèi)產(chǎn)生真空。

3 潛油泵的控制方案

3.1 潛油泵的遠程啟動

有些技術人員不贊同遠程啟泵方式，比較認同現(xiàn)場人工啟泵的操作習慣，啟泵時機主要是通過熟練工人的經(jīng)驗結合啟泵的具體情況進行判斷。但筆者認為只要條件滿足、程序正確，完全可以實現(xiàn)在控制室遠程啟泵。

操作人員是否按照正確的步驟來操作潛油泵直接影響到泵的使用壽命，正確的啟泵步驟可降低電機過熱、泵體振動及汽蝕發(fā)生的概率，可減小對泵體及電機的損壞。在遠程啟泵方式下，由于泵的啟動步驟全部固化為程序，啟泵命令發(fā)出前啟泵程序逐條核查啟泵允許條件，若發(fā)現(xiàn)有任何啟泵條件沒達到，則不允許啟動潛油泵，從而避免了因操作人員誤操作或啟泵步驟混亂對泵造成的損害。

遠程啟動潛油泵的控制過程見表1所列。

表1 遠程啟動潛油泵的控制過程

由表1可見，大排量、大功率潛油泵的啟動是一個復雜的過程，啟泵命令發(fā)出前需要進行一系列的啟動準備及條件核查工作。在啟泵條件核查中，油循環(huán)單元正常運行確認是指確認油循環(huán)單元的液位、壓力、溫度是否處于各參數(shù)的正常范圍之內(nèi)，且循環(huán)油泵是否處于正常運行中；有無啟動機會確認是指確認潛油泵在1 h內(nèi)的啟動次數(shù)是否超過了僅有的2次。

潛油泵啟動后，保持在最小流量下運行，直至溫度、壓力、液位、排量等各參數(shù)達到穩(wěn)定的指標后，開啟泵出口排油閥、關閉最小流量閥。當泵出口排量超過最小流量時，檢查最小流量閥是否關閉；當泵出口排油閥全打開后，檢查油循環(huán)單元各參數(shù)是否處于正常指標，潛油泵的排量是否處于運行曲線所標注的最佳工作范圍。

3.2 潛油泵的遠程停止

遠程停潛油泵的控制過程見表2所列。潛油泵停止后，其循環(huán)油泵仍需保持運行至潛油泵供貨商給出的可以停止的時間。

表2 遠程停潛油泵的控制過程

3.3 潛油泵的安全聯(lián)鎖

潛油泵正常運行中，一旦相關監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)異常，安全儀表系統(tǒng)將觸發(fā)聯(lián)鎖保護功能[10]，緊急停潛油泵以保護泵及庫區(qū)生產(chǎn)的安全。潛油泵的安全聯(lián)鎖見表3所列。

表3 潛油泵的聯(lián)鎖控制

此外，在各豎井口設置泵急停操作按鈕，用于現(xiàn)場急停潛油泵；油循環(huán)單元油箱液位低低、油循環(huán)單元壓力高高、壓力低低不僅觸發(fā)潛油泵的自保聯(lián)鎖，還觸發(fā)油循環(huán)油泵的自保聯(lián)鎖。

3.4 潛油泵的運行管理

可根據(jù)采集泵的排量和循環(huán)油的溫度、壓力、循環(huán)油箱的液位等參數(shù)，在過程控制系統(tǒng)中為潛油泵生成泵運行記錄表、泵排量記錄圖等文件，供用戶判斷潛油泵的運行狀況。

4 結束語

潛油泵是水封洞庫工程的核心設備，了解、掌握潛油泵的結構及操作過程，有利于更好地操作和維護潛油泵，也有利于優(yōu)化設計、提高庫區(qū)自動化水平。通過對某洞庫潛油泵的研究，概括了大排量、高功率、無電纜式潛油泵的結構特點及設計要點，詳細描述了潛油泵遠程啟動及停止的控制過程，總結了洞庫工程潛油泵安全聯(lián)鎖的觸發(fā)條件，供設計人員參考。

[1] 馬耀川，潘真.地下水封石油洞庫埋深優(yōu)化方法[J].油氣儲運，2013(05)： 521-525.

[2] 劉斌.黃島地下洞庫浸沒油泵及裂隙水泵的安裝[J].油氣儲運，1997(12)： 36-39.

[3] 鮑曉華，盛海軍，單麗.高壓濕式潛水電機水摩擦損耗分析[J].電機與控制應用，2012(10)： 50-53.

[4] 劉秀琴，李莉.地下水封石洞油庫洞罐儀表的選型設計[J].石油化工自動化，2013，49(03)： 6-9.

[5] 楊森，何鳳友，張杰坤，等.GB 50455—2008 地下水封石洞油庫設計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2009.

[6] 吳明，孫萬富，周詩崠.油氣儲運自動化[M].北京： 化學工業(yè)出版社，2005： 243-244.

[7] 謝相彬，王克敬.自動再循環(huán)閥在離心泵最小流量控制中的應用[J].化工設計，2000(01)： 35-37.

[8] 陳偉.離心泵最小連續(xù)流量[J].化工設備設計，1994(05)： 43-46.

[9] 李仕.平板閘閥刮傷原因分析及對策[J].管道技術與設備，2008(03)： 38-39.

[10] 李勝利，盧金芳.石油化工裝置安全儀表系統(tǒng)的設計[J].石油化工自動化，2007，43(02)： 18-22.

[11] 藺繼英，高燚.增壓泵用機械密封穩(wěn)態(tài)分析及改進[J].化工設備與管道，2013，50(02)： 52-54.

Control Scheme Design of Submersible Pump for Underground Oil Storage in Rock Caverns Project

Li Li， Liu Xiuqin， Jia Yuming

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd.， Qingdao， 266061， China)

Submersible pumps are key equipments in underground water block rock caverns oil depot projects. The construction of national large-scale underground rock caverns projects are in fledging period. The service experiences and cognitions of submersible pumps are very limited. Through the study of submersible pumps for one underground rock caverns project， the control process of remote start-up， remote shut-down and triggering condition of safe interlock have been summarized. It can be used to optimize design and improve automatic management of underground rock cavern projects， and can also be used to guide operators to operate and maintain submersible pumps.

water block rock caverns； submersible pump； structure； control； minimum flow valve

李莉(1982—)，女， 2007年畢業(yè)于青島大學計算機應用技術專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于海工英派爾工程有限公司自控室，從事石油化工自控設計工作。

TP273

B

1007-7324(2015)01-0014-04

稿件收到日期： 2014-09-01，修改稿收到日期： 2014-10-24。