李戰(zhàn)，陳斌，趙雷剛，易奇昌

FPSO潛液泵系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

李戰(zhàn)，陳斌，趙雷剛，易奇昌

針對FPSO潛液泵系統(tǒng)國內(nèi)市場被國外少數(shù)公司壟斷的問題。以某FPSO潛液泵配套工程為依托，通過分析潛液泵系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理與特點(diǎn)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建潛液泵系統(tǒng)技術(shù)體系。

潛液泵單元；電控系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；設(shè)計(jì)技術(shù)

我國是世界上使用FPSO最多的國家之一,也是FPSO設(shè)計(jì)與建造的大國。大排量潛液泵系統(tǒng)是FPSO上的必要系統(tǒng)設(shè)備[1]，該系統(tǒng)技術(shù)難度高，風(fēng)險(xiǎn)大，核心技術(shù)被國外少數(shù)公司壟斷[2-3],同時(shí)價(jià)格較高。

國外潛液泵系統(tǒng)在中國市場占有率約為70%。嘗試以某FPSO為依托工程，概括潛液泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)。

1 潛液泵系統(tǒng)的組成

PFSO潛液泵系統(tǒng)主要由潛液泵單元、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)3大模塊組成，系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

3個(gè)主要模塊分別為：①控制核心電控系統(tǒng)；②驅(qū)動(dòng)核心液壓系統(tǒng)；③執(zhí)行機(jī)構(gòu)潛液泵單元。整個(gè)系統(tǒng)通過電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的輸送壓力，以及對控制閥組對調(diào)速閥的遠(yuǎn)程控制，通過調(diào)速閥的先導(dǎo)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)潛液泵單元排量的控制。最終實(shí)現(xiàn)潛液泵的無級調(diào)速，提高潛液泵單元的適用范圍。另外，通過采用一艙一泵的布置格局[4]，使得整個(gè)潛液泵系統(tǒng)卸貨靈活度得到很大提高。

電控系統(tǒng)[5-7]通過越控功能設(shè)計(jì)，當(dāng)遙控系統(tǒng)故障導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，通過對該類故障進(jìn)行核實(shí)后，能夠使?jié)撘罕孟到y(tǒng)重新啟動(dòng)工作，屏蔽非功能性故障，保證潛液泵單元正常狀態(tài)的工作。根據(jù)越控的各種模式進(jìn)行設(shè)置越控方案，保證發(fā)生故障后啟動(dòng)對應(yīng)的越控方案系統(tǒng)仍能常規(guī)模式繼續(xù)工作。

液壓系統(tǒng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)潛液泵單元，主要有主泵組、壓力控制閥組、遙控閥組、單向溢流閥組、過濾器、冷卻器及補(bǔ)油泵組等。通過恒壓變量控制方式以及補(bǔ)油保壓和油液加熱等設(shè)計(jì)方式，使得液壓系統(tǒng)的控制精度和靈敏度得到了很大提高，且操作簡單可靠。恒壓變量控制系統(tǒng)工作原理見圖2。

當(dāng)泵出口壓力與壓力控制閥組設(shè)定值有所差異時(shí)，主泵變量機(jī)構(gòu)的液壓缸活塞小端在液壓力和彈簧預(yù)緊力存在差值，差值驅(qū)動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)主泵斜盤的傾角發(fā)生變化，從而調(diào)整泵的排量。

2 潛液泵單元的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 潛液泵單元結(jié)構(gòu)

FPSO潛液泵單元是由甲板組件、管柱組件、泵頭組件3大部分組成構(gòu)成，見圖3。

在潛液泵單元中，通過甲板組件把泵體固定在船體上，甲板組件支撐STC閥和整個(gè)泵體，并作為液貨產(chǎn)品卸載的出口，與船上管路連接；管柱組件集成動(dòng)力和液貨傳輸及密封監(jiān)測等功能為一體，是液壓系統(tǒng)把動(dòng)力傳輸?shù)奖妙^的重要結(jié)構(gòu)，也是液貨從泵口吸入傳輸?shù)郊装迳瞎苈返闹匾虚g通道；泵頭組件是潛液泵單元的核心部件，是把液貨吸入并提供傳輸壓力的重要元件，其性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能變化。

2.2 同心管柱技術(shù)

管柱組件通過采用同心管柱的設(shè)計(jì)方式來到達(dá)功能實(shí)現(xiàn)要求。同心管柱具有傳輸液壓動(dòng)力和密封監(jiān)測的功能，結(jié)構(gòu)見圖4。同心管柱由3層管柱組成，高壓液壓油管位于最里面的中心層，回油管在第2層，監(jiān)測腔位于最外側(cè)。

此設(shè)計(jì)旨在提高同心管柱的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

正常情況下，高壓管承受的壓力是液壓回路最高工作壓力p1，回油管承壓為低壓回油管路壓力p2。壓力取決于背壓設(shè)計(jì)，監(jiān)測腔管路為常壓p3。如果高壓管發(fā)生泄漏，液壓油便會(huì)進(jìn)入低壓管，此時(shí)回油管的壓力p2會(huì)升高，高壓管壓力p1會(huì)降低，兩管路的液壓油介質(zhì)是相同的。這樣不但不會(huì)造成液壓油的污染，還可起到壓力報(bào)警作用，對整個(gè)液壓油回路系統(tǒng)起到保護(hù)作用；如果回油管發(fā)生泄漏最外側(cè)的監(jiān)測腔便會(huì)有液壓油進(jìn)入，監(jiān)測腔壓力p3同樣會(huì)升高，也能達(dá)到報(bào)警作用。另外，最外層的監(jiān)測腔還兼作整個(gè)液壓系統(tǒng)回路的密封監(jiān)測報(bào)警的結(jié)構(gòu)，同時(shí)監(jiān)測腔對內(nèi)部管路的有保護(hù)作用，對于不同介質(zhì)環(huán)境的潛液泵系統(tǒng)而言，只要監(jiān)測腔的材質(zhì)能夠滿足使用，內(nèi)部高壓管和回油管便只需考慮液壓油的壓力和流量的影響，能提高整個(gè)系統(tǒng)的通用性，降低管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

綜上，同心管柱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式具有高可靠性、高通用性及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

2.3 水力單元技術(shù)

泵頭組件的水力單元，葉輪通過采用葉輪背葉片的設(shè)計(jì)技術(shù)，在保證泵頭水力性能的前提下，消除軸向力不平衡，同時(shí)提高泵頭組件可靠性，以達(dá)到整個(gè)泵系統(tǒng)的可靠性的提高。

葉輪背葉片位于葉輪蓋板外側(cè)，背葉片隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫液體旋轉(zhuǎn)，液體的旋轉(zhuǎn)角速度增加。后側(cè)的壓力水頭增加。由于葉輪兩側(cè)蓋板不對稱，產(chǎn)生軸向力。背葉片增加的壓力即為平衡力。背葉片除平衡軸向力外，同時(shí)也能減小軸封前的液體的壓力。而且背葉片使葉輪與殼體的間隙減小，見圖5。該間隙有防止雜質(zhì)進(jìn)入軸封的功能，故常用于抽送介質(zhì)中含雜質(zhì)的泵。裝背葉片泵的揚(yáng)程大約提高1%～2%，使泵的效率下降2%～3%。背葉片平衡軸向力原理圖見圖5。

未加背葉片右側(cè)壓力水頭分布如圖5中的曲線AGF，左側(cè)的壓力水頭分布如曲線ADF所示。加背葉片后，背葉片內(nèi)液體角速度增加，后側(cè)的壓力水頭如曲線AGF所示，它和原曲線相差的影線部分，表示背葉片平衡的軸向力。該平衡可通過積分求的[8]。

此外，導(dǎo)流殼采用后置的空間導(dǎo)葉設(shè)計(jì)技術(shù)，將壓水室設(shè)計(jì)成圓周對稱的空間導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，這樣葉輪徑向力在圓周方向便能達(dá)到一致，在理論方面最大限度地減小徑向力。對于大流量泵來說，徑向力減小，將能夠降低整機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)與噪聲水平,提高整機(jī)的使用壽命[9]。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性，對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行CFD有限元仿真分析[10](見圖6)，進(jìn)一步證明該項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)的可靠性和可行性。

2.4 材料

FPSO潛液泵單元所有過流部件通過采用耐腐蝕的不銹鋼材質(zhì)的材料，能夠適應(yīng)于各種復(fù)雜惡劣環(huán)境，能夠使用于中等酸堿等介質(zhì)的液貨卸載和輸送。

3 潛液泵系統(tǒng)的功能

如圖7所示，F(xiàn)PSO潛液泵系統(tǒng)[11-12]具有以下功能：

1)滿艙卸貨。液貨卸載是潛液泵系統(tǒng)的主要用途功能。液貨滿艙狀態(tài)，通過電控系統(tǒng)的控制以及液壓系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，潛液泵單元能夠完成液貨的卸載。

2)掃艙。潛液泵系統(tǒng)通過掃艙功能設(shè)計(jì)，使貨油泵最大限度地卸盡殘油。

3)密封泄漏檢查。通過密封泄漏監(jiān)測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得在整個(gè)貨油泵作業(yè)過程中，通過甲板油箱上的可視液位計(jì)進(jìn)行判斷潛液泵單元密封的性能。通過隔離空腔檢查管與泵頭密封位置、隔離空腔連通技術(shù)設(shè)計(jì)，觀察可視液位計(jì)液位高度變化，由此判斷泵頭密封位置的密封狀態(tài)。

4 結(jié)論

潛液泵作為成品油船、化學(xué)品船、FPSO等液貨卸載主流配套設(shè)備，但潛液泵技術(shù)一直為國外一些廠商所壟斷，發(fā)展?jié)撘罕孟到y(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，具有打破國外產(chǎn)品壟斷市場的局面和填補(bǔ)國內(nèi)空白的重要的意義。

另外，由于潛液泵系統(tǒng)具有廣泛的適用性、本質(zhì)安全性等優(yōu)勢，發(fā)展?jié)撘罕孟到y(tǒng)技術(shù)在液貨系統(tǒng)裝卸領(lǐng)域具有較廣闊的市場前景。

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Constitute and Features of the Submerged Pumps of FPSO

LI Zhan, CHEN Bin, ZHAO Lei-gang, YI Qi-chang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

Nowadays the technology and market of the submerged pumps of Floating production storage and offloading units (FPSO) are monopolized by some foreign companies. Aiming at the auxiliary project of the submerged pumps for a FPSO, the system configuration, operating principle and characteristics, as well as the key techniques in design of the submerged cargo pumps were analyzed, so as to set up the technology system of the submerged pumps.

submerged pumps; electrical control system; hydraulic system; design technique

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.036

2016-07-14

工業(yè)和信息化部 (工信部聯(lián)裝[2013]411號)

李戰(zhàn)(1988—)，男，碩士，工程師研究方向:液貨系統(tǒng)配套設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0145-04

修回日期：2016-09-06