張方海，牛志剛

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

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“混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺”外輸泵選型

張方海，牛志剛

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

綜合比較目前常見的3種外輸泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、占用空間、動力要求、維修方式、系統(tǒng)控制、經(jīng)濟性及能耗等方面因素，考慮北部灣海域邊際油田開發(fā)實際需求，篩選出適合混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺的外輸泵系統(tǒng)。

混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺；外輸泵；貨油泵；潛液泵；深井泵

混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺主要由上部鋼結(jié)甲板、中部鋼結(jié)構(gòu)機泵艙和下部混凝土沉箱3部分組成，具有油氣生產(chǎn)處理、原油儲存、外輸、靠泊及鉆修井等功能。針對北部灣海域周邊無依托設(shè)施、低品位油藏，且需要密井網(wǎng)開發(fā)的大中型邊際油田，擬設(shè)計開發(fā)一種多功能油氣生產(chǎn)處理平臺。使該平臺具備自浮能力，可濕拖，可多次搬遷重復(fù)利用，既適用于南海北部灣海域邊際油田的開發(fā)，又適用于大中型油田滾動開發(fā)。在正常生產(chǎn)工況下，井口來液經(jīng)平臺工藝系統(tǒng)處理后，合格原油進入位于下部混凝土沉箱中部的原油艙儲存。當(dāng)儲存到一定量時，通過外輸系統(tǒng)將合格原油輸送至穿梭油輪外運。因此外輸系統(tǒng)是平臺生產(chǎn)運營期間的至關(guān)重要的部分，其中外輸泵是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。目前大型油船及FPSO上常見的外輸系統(tǒng)即貨油系統(tǒng)主要包括泵艙式貨油泵系統(tǒng)、液壓潛液泵系統(tǒng)和電動深井泵系統(tǒng)。以混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺為研究對象，從結(jié)構(gòu)形式、占用空間、動力要求、維修方式、系統(tǒng)控制、經(jīng)濟性、能耗等方面對三種外輸泵進行綜合比較分析，篩選出適合在混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺應(yīng)用的外輸泵。

混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺原油艙位于混凝土沉箱中部，原油艙由6個隔艙組成，按2組排列，原油艙總?cè)莘e為12 000 m3。原油艙上面為機泵艙，機泵艙主要布置外輸泵、壓載泵、污油水泵、注水泵等機泵類設(shè)備。根據(jù)平臺特點及功能需求，以原油外輸流量1 000 m3/h為參考進行外輸泵的選型。

1 結(jié)構(gòu)型式對比

泵艙式貨油泵系統(tǒng)(以下簡稱“泵艙泵系統(tǒng)”)一般由電機、傳動軸系、貨油泵及控制系統(tǒng)組成，貨油泵多為單級雙吸離心泵[1]。泵艙泵系統(tǒng)布置方式采用隔艙式布置即電機安裝在機艙內(nèi)，貨油泵安裝在泵艙內(nèi)，兩者之間通過安裝在艙壁上的穿艙傳動軸系相連[2]，傳動軸系具有氣密防爆和動力傳遞功能，見圖1。

泵艙泵的動力來源于由變頻器控制的電機，電源可由平臺上的主電站提供，而電機的速度則由變頻器來控制。泵艙泵的電機軸、中間軸與泵軸之間的連接要求對中。泵頭部分，葉輪組件采用兩端支撐結(jié)構(gòu)。

液壓潛液泵系統(tǒng)(以下簡稱“潛液泵系統(tǒng)”)由潛液泵、液壓泵站及控制單元組成[3]，見圖2。

圖2 典型潛液式貨油泵系統(tǒng)

潛液泵由液壓馬達(dá)、驅(qū)動軸系和單級離心泵組成[1]。相對于泵艙泵系統(tǒng)，潛液泵系統(tǒng)不需要設(shè)置專門的泵艙，液壓泵站布置在機艙或直接布置在甲板上，潛液泵直接安裝在原油艙底部。潛液泵的動力來源于液壓泵站，而液壓泵站一般由電動機組驅(qū)動，電源可由主電站提供。潛液泵通過液壓油環(huán)路內(nèi)的高壓液壓油驅(qū)動液壓馬達(dá)帶動，泵轉(zhuǎn)速通過一個控制閥實現(xiàn)獨立的無極調(diào)速。潛液泵浸沒在原油艙底部，馬達(dá)離泵頭很近，驅(qū)動泵頭的軸較短。泵頭部分，葉輪通過短軸懸臂支撐。

電動深井泵系統(tǒng)(以下簡稱為深井泵系統(tǒng))一般由電機、驅(qū)動長軸、深井泵及控制系統(tǒng)組成。深井泵又稱長軸泵多為多級離心泵[4]，見圖3。

該系統(tǒng)與潛液式貨油泵系統(tǒng)類似，電機可布置在機艙或直接布置在甲板上，深井泵也是直接安裝在原油艙底部。深井泵的動力來源于由變頻器控制的電機，電源由主電站提供。電動機的速度則由變頻器控制。深井泵系統(tǒng)中，電動機置于機艙或甲板上，通過一根穿過原油艙的長軸驅(qū)動艙底部泵頭內(nèi)的葉輪實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動長軸一般長度為10～20 m[5]，通過焊接在船體上的鞍形支座來支撐，并且與驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動的短軸相連，長、短軸以同樣的方式運動。

圖3 電動深井泵

針對3種外輸泵的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺特點及需求，制定3種外輸泵選型方案，主要特性參數(shù)見表1。

表1 3種外輸泵的主要特性參數(shù)

2 占用空間對比

外輸系統(tǒng)的選擇對平臺機泵艙整體布局有一定的影響。3種方案都需要貨控室來操作外輸泵系統(tǒng)，3種方案對貨控室空間的需求沒有顯著差別。

2.1 泵艙泵系統(tǒng)需要空間

用來安裝貨油泵的泵艙空間，需在機泵艙單獨布置泵艙，與機艙用艙壁隔開。在與泵艙相鄰的機艙內(nèi)，需要提供足夠的空間用來安裝貨油泵驅(qū)動電機。用來安裝變頻器的變電站。

2.2 潛液泵系統(tǒng)需要空間

在機泵艙中，每組油艙頂部都要能夠為潛液泵的安裝提供足夠空間。機泵艙中需為液壓動力源提供足夠空間的動力室。容積與整個液壓系統(tǒng)里面的液壓油體積相當(dāng)?shù)囊簤河拖?。容積不小于整個液壓系統(tǒng)里面的液壓油體積的液壓油泄油箱。

2.3 電動深井泵系統(tǒng)需要空間

在機泵艙中，每組油艙頂部都要能夠為深井泵和電機的安裝提供足夠空間。用來安裝變頻器的變電站。

外輸泵系統(tǒng)空間需求對比見表2。

由表2可以看出，電動深井泵系統(tǒng)具有較大的空間優(yōu)勢，與其他2種系統(tǒng)對空間需求的差別大約在17～27 m2。

表2 外輸泵系統(tǒng)空間需求對比 m2

3 動力要求分析

根據(jù)3種外輸系統(tǒng)驅(qū)動方式，泵艙泵和深井泵都是由電動機驅(qū)動，而潛液泵是由液壓馬達(dá)驅(qū)動。通過對3種系統(tǒng)的運行原理進行比較，很容易理解2者之間能量消耗率的差別。潛液式貨油泵系統(tǒng)電能首先被轉(zhuǎn)化成以高壓液體形式存在的機械能，高壓液體再通過高壓管道來操作泵體。而泵艙式貨油泵系統(tǒng)或電動深井泵系統(tǒng)，電能到機械能的轉(zhuǎn)化由電動機驅(qū)動泵體運轉(zhuǎn)實現(xiàn)。能量通過電動機和軸時的損失小于給液壓油加壓和高壓油流動過程中的損失。2種外輸泵系統(tǒng)驅(qū)動方式的區(qū)別見圖4。

圖4 2種外輸泵系統(tǒng)驅(qū)動方式的區(qū)別

具體到上述3種選型方案，泵艙泵系統(tǒng)的功率消耗為0.38 kWh/m3，潛液泵系統(tǒng)的功率消耗為0.48 kWh/m3，而深井泵系統(tǒng)的功率消耗則為0.41 kWh/m3。

另外，比較泵艙式貨油泵系統(tǒng)、潛液泵系統(tǒng)和電動深井泵系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：泵艙式貨油泵采用單級雙吸葉輪，效率可達(dá)到85%左右，潛液泵系統(tǒng)和電動深井泵系統(tǒng)采用單級單吸葉輪，效率一般不高于80%，兩者的差異對單位功率消耗也影響較大。

4 系統(tǒng)控制分析

泵艙泵系統(tǒng)和深井泵系統(tǒng)均采用變頻器來控制電機，可以對泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級調(diào)速控制。正是由于速度的可變性，使得外輸系統(tǒng)的電機和泵能夠發(fā)揮最優(yōu)的性能。

由于變頻器的存在，系統(tǒng)不再受限于平臺電制。泵的速度可以實現(xiàn)從0到最大3 600 r/min的變化。

關(guān)于系統(tǒng)控制，利用變頻器控制電機的另一個優(yōu)勢是，這種系統(tǒng)可以設(shè)計成一個很平穩(wěn)的啟動器。這意味著電機和泵的速度可以從0開始逐漸加大，不但可以減小發(fā)電機的額定功率，還可以減少整個系統(tǒng)的磨損。

液壓潛液泵系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)進行驅(qū)動，轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)閥進行本地或遠(yuǎn)程無極調(diào)速[6]，但與變頻調(diào)速的方式進行比較，顯然精度會差一些，但對于進行潛液泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其轉(zhuǎn)速偏差也還是在可接受的范圍內(nèi)，基本上也可認(rèn)為潛液泵實現(xiàn)了無級調(diào)速控制。

5 系統(tǒng)維護分析

由于3種系統(tǒng)有本質(zhì)上的區(qū)別，所以維護要求不同。

泵艙泵系統(tǒng)電機安裝在機艙內(nèi)，泵頭安裝在泵艙內(nèi)，葉輪組件采用的兩端支撐結(jié)構(gòu)，一旦泵頭內(nèi)的葉輪損壞并且失去平衡，兩端穩(wěn)固的支撐也會限制葉輪組件，不會產(chǎn)生劇烈的振動。同時設(shè)置在軸承座上的震動監(jiān)測裝置會及時報告振動情況，以便于對故障進行及時處置，進一步防止對系統(tǒng)其他部件造成損壞。

潛液泵系統(tǒng)泵頭和液壓馬達(dá)安裝在原油艙底部，泵頭部分，葉輪通過短軸懸臂支撐，一旦泵頭內(nèi)的葉輪損壞并且失去平衡，系統(tǒng)內(nèi)的短軸軸端都會產(chǎn)生劇烈的振動。同時因為整個泵頭浸沒在原油艙內(nèi)，無法安裝振動監(jiān)測裝置，不能及時發(fā)現(xiàn)故障并進行處置，可能會導(dǎo)致液壓馬達(dá)等系統(tǒng)其他部件損壞。

深井泵系統(tǒng)電機安裝機泵艙內(nèi)，泵頭安裝在原油底部，泵頭由一根長軸驅(qū)動。與液壓系統(tǒng)相比，深井泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)缺點在于深井泵系統(tǒng)內(nèi)的長軸[7]。一旦泵頭內(nèi)的葉輪損壞并且失去平衡，與液壓潛液泵系統(tǒng)相同，系統(tǒng)內(nèi)的短軸軸端會產(chǎn)生劇烈的振動。如此，泵頭頂部以及泵和機艙甲板的連接處就很危險。

相對于另外2種外輸泵型式，泵艙泵的所有組件都安裝在機泵艙內(nèi)，有利于維修和檢測。

從日常保養(yǎng)維護方面來說，潛液泵系統(tǒng)具有更復(fù)雜的構(gòu)成，比泵艙泵和深井泵系統(tǒng)需要更多的維護保養(yǎng)。

6 經(jīng)濟性對比

主要包括初始成本和運行成本，因運行成本沒有對應(yīng)的數(shù)據(jù)積累，這里主要分析系統(tǒng)初始成本。

初始成本可分為2部分，即購買成本和安裝成本。購買成本包括了系統(tǒng)需要的所有設(shè)備的成本，但是不包括安裝。這部分的初始成本很大程度上取決于市場。

本項目3種外輸泵系統(tǒng)的購買價格對比見表3。

表3 泵的購買成本對比

安裝成本主要包括材料費、設(shè)備安裝費、調(diào)試費及人工費等。對于新建平臺而言，3種外輸泵系統(tǒng)的安裝成本相差并不突出。從系統(tǒng)的復(fù)雜程度來看，由于潛液泵系統(tǒng)的構(gòu)成更為復(fù)雜，安裝成本較另外2種系統(tǒng)更高些，其次，由于深井泵泵體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其安裝成本較泵艙泵系統(tǒng)要高一些。

因此，從初步成本分析結(jié)果來看，泵艙泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性相明顯優(yōu)于其他2種系統(tǒng)。

7 結(jié)論

通過對三種外輸泵系統(tǒng)技術(shù)性及經(jīng)濟性對比可以看出，泵艙泵系統(tǒng)雖然占用空間較多，但其能耗、效率及初始成本較另外2種系統(tǒng)更具優(yōu)勢，且系統(tǒng)維護方面，泵艙泵系統(tǒng)的主要設(shè)備都安裝在機泵艙內(nèi)，操作維修更為方便。因此，綜合各方面的對比結(jié)果不難看出，泵艙式貨油泵更適合本混凝土開發(fā)生產(chǎn)平臺的外輸系統(tǒng)。

[1] 吳仁榮.油船貨油泵的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].機電設(shè)備,1995(4):12-19.

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On Type Selection of Transfer Pump for the Concrete Development and Production Platform

ZHANG Fang-hai, NIU Zhi-gang

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Various influence factors in the type selection of the transfer pump were analyzed by comparing with three kinds of common used transfer pump systems from aspects of structural style, space occupation, power requirements, maintenance methods, systems control, economy, energy consumption and so on. According to the development requirements of the marginal oilfield in Beibu gulf, the proper transfer pump was eventually selected for the concrete development and production platform.

concrete development & production platform; transfer pump; cargo oil pump; immersed pump; deep well pump

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.007

2016-07-10

中國海洋石油總公司項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 08 LTD NFCY 2015-01)

張方海(1981—)，男，學(xué)士，初級工程師

U664.5

A

1671-7953(2016)05-0028-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:科技項目管理

E-mail:zhangfh6@cnooc.com.cn