張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

某海上平臺(tái)位于海南省文昌市以東約140 km 海面上，處在原油生產(chǎn)流程的上游。該平臺(tái)所生產(chǎn)的原油，由海底管道將油氣水混輸?shù)较掠翁幚碇行暮Ｉ细∈缴a(chǎn)儲(chǔ)油輪（Floating Production Storage &Offloading，F(xiàn)PSO），進(jìn)行油氣水處理，處理合格后的原油進(jìn)行外輸。

1 閉式排放泵的作用

該平臺(tái)的閉式排放系統(tǒng)兼具閉排放系統(tǒng)和冷放空系統(tǒng)的作用，其中包含閉式排放罐兼作凝液排放罐和閉排泵，主要收集井口生產(chǎn)平臺(tái)上帶壓容器、井口管線、多路閥、多相流量計(jì)和收發(fā)球裝置等排放出的帶壓流體，以及開式排放泵輸送過來的液體。當(dāng)閉式排放罐的液位達(dá)到一定的高度時(shí)，由閉排泵將這些液體輸送到海底管線，閉式排罐中的氣體則進(jìn)行排空。

該平臺(tái)的閉排泵屬于多級(jí)離心泵，主要作用是輸送閉式排放罐內(nèi)的液體。當(dāng)閉式排放罐內(nèi)的液位達(dá)到一定高度時(shí)，閉式排放泵將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，將閉式排放罐的液體輸送到海底管線，再通過海底管線送到下游處理中心FPSO，以保證閉排罐內(nèi)的液位在安全液面以下（圖1）。這種閉式排放泵主要采用自動(dòng)啟動(dòng)控制，根據(jù)閉排罐的液位高度傳感器來控制，同時(shí)該液位高度設(shè)置低液位和高液位報(bào)警，低低液位和高高液位關(guān)停信號(hào)，屬于平臺(tái)關(guān)鍵的安全設(shè)備。

圖1 某平臺(tái)閉排系統(tǒng)流程圖

在日常處理閉排罐污油水時(shí)發(fā)現(xiàn)，該泵存在易發(fā)熱、泵出口幾乎無介質(zhì)流出等問題，為保證生產(chǎn)需要和減輕維修操作人員的工作壓力，有必要對(duì)其進(jìn)行改造。

2 原閉排泵概述

2.1 離心式閉排泵工作原理

在離心式閉排泵內(nèi)充滿含油氣水三相流體介質(zhì)時(shí)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)泵軸和葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體一方面隨葉輪作圓周運(yùn)動(dòng)，一方面在離心作用下自葉輪中心向外圍拋出，液體從葉輪獲得了壓力和動(dòng)能。當(dāng)流體流經(jīng)蝸殼到排液口時(shí)，部分速度能將轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓力能；在液體被葉片拋出時(shí)，葉輪中心部分造成低壓區(qū)，與吸入液面的壓力形成壓力差，于是液體不斷地被吸入，并以一定的壓力排出[1]。

2.2 離心式閉排泵結(jié)構(gòu)組成

離心式閉排泵主要部件有轉(zhuǎn)子、泵殼、軸向力平衡裝置、機(jī)械密封、冷卻裝置、軸承、軸承座和輔助設(shè)備等。

2.3 離心式閉排泵主要技術(shù)參數(shù)

泵類型：離心泵。

額定流量：10 m3/h。

出口壓力：3400 kPa（G）。

額定轉(zhuǎn)速：2950 r/min。

泵安裝汽蝕余量NPSHa：1 m。

泵必需汽蝕余量NPSHr：1 m。

2.4 目前存在的問題

某平臺(tái)閉排泵在使用初期，使用人員就發(fā)現(xiàn)不能正常工作，現(xiàn)場(chǎng)維修操作人員曾試著對(duì)閉排罐注入淡水、海水兩種不同介質(zhì)，閉排泵均能正常工作，各個(gè)性能參數(shù)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)把介質(zhì)換成閉排罐內(nèi)油水混合物時(shí)，閉排泵啟動(dòng)約5 min 后，泵出口排液管線仍不見有流體排出，且伴隨泵體迅速發(fā)熱和振動(dòng)等現(xiàn)象出現(xiàn)。

當(dāng)介質(zhì)是污油水時(shí)，泵的出口壓力最大雖可達(dá)海管外輸?shù)膲毫?，但泵的進(jìn)口排氣閥幾乎無介質(zhì)流出，同時(shí)泵體伴隨快速發(fā)熱，無法將閉排罐液體泵入外輸海管里。維修人員采取清洗濾器、將閉排罐中的液體加海水進(jìn)行稀釋等措施，再次啟泵測(cè)試此種現(xiàn)象依然存在。

2.5 可能的原因分析

在平臺(tái)操作維修人員利用海水、淡水試驗(yàn)閉排泵性能均正常的情況下，說明泵的吸入和排出管線是暢通無阻，吸入管路沒有漏氣，葉輪不存在缺陷[1]。閉排泵不能正常輸送閉排罐內(nèi)含油氣水介質(zhì)的原因有2 種可能：①閉排罐內(nèi)污油水混合物中的輕烴組分在泵吸入時(shí)揮發(fā)出來，破壞了泵的自吸能力；②閉排泵設(shè)計(jì)安裝存在一定的缺陷。

由閉排泵主要技術(shù)參數(shù)可知，該離心式閉排泵安裝汽蝕余量NPSHa 和泵必需汽蝕余量NPSHr 相等，均為1 m，不滿足為確保離心泵不發(fā)生汽蝕，離心泵的安裝汽蝕余量NPSHa 必須有一個(gè)安全裕量S，且滿足以下公式[2]：

式中 NPSHa——泵安裝汽蝕余量，m

NPSHr——泵必需汽蝕余量，m

S——富裕汽蝕余量，m

對(duì)于一般的離心泵，S 取值為0.6～1.0 m[2]。

此外，美國水利標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（Hydraulic Institute Standards）的標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定：泵揚(yáng)程下降3%時(shí)的安裝汽蝕余量NPSHa 為當(dāng)前流量點(diǎn)的泵必需汽蝕余量NPSHr[3]。

3 更換新型閉排泵

鑒于可能的原因分析，由試驗(yàn)測(cè)得該平臺(tái)的原油凝固點(diǎn)為13 ℃，密度為0.774 g/cm3，屬于凝固點(diǎn)比較低的輕質(zhì)原油。鑒于以上數(shù)據(jù)，說明離心式閉排泵不能正常輸送油氣水三相混合介質(zhì)的原因是輕烴的析出，破壞了離心泵的自吸能力；加之泵設(shè)計(jì)安裝時(shí)安裝汽蝕余量NPSHa 和泵必需汽蝕余量NPSHr 相等，導(dǎo)致離心泵產(chǎn)生汽蝕、泵出口沒有流體流出和泵體迅速發(fā)熱等故障。

此外，考慮到與原離心式閉排泵相連接的閉排罐在平臺(tái)甲板面上的位置，不能再升高0.6 m，以及原離心式閉排泵的基座在平臺(tái)甲板面上不能再降低0.6 m，以滿足富裕汽蝕余量S 最小值0.6 m的要求等原因，故將離心式閉排泵換型為抗汽蝕能力良好、具有自吸能力的往復(fù)柱塞式閉排泵，則是比較理想的選擇（圖2）。

圖2 閉排泵及閉排罐在平臺(tái)甲板面的位置

3.1 新型閉排泵工作原理

往復(fù)式柱塞泵是容積式泵的一種，它依靠在泵缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞來改變工作室的容積，從而達(dá)到吸入和排出液體的作用。主要包括吸入和排出介質(zhì)兩個(gè)工作過程[3]。

這種類型閉排泵的基本工作原理為：當(dāng)柱塞在曲軸連桿結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其液缸的容積緩慢增大，就在液缸的局部位置形成了負(fù)壓，同時(shí)出口閥處于關(guān)閉狀態(tài)，在壓力差的作用下，該泵的進(jìn)液閥門被打開，液體進(jìn)入液缸內(nèi)部。柱塞移動(dòng)到回程的極限位置時(shí)，進(jìn)液過程就完全終止，此時(shí)，泵的工作缸內(nèi)吸入液體最多。當(dāng)柱塞做推進(jìn)行程運(yùn)動(dòng)時(shí)，液缸內(nèi)的容積緩慢減小，液體受柱塞的擠壓，壓力逐漸增加，致使進(jìn)口閥關(guān)閉和出口閥打開，液體從出口管線中排出。柱塞達(dá)到進(jìn)程的極限位置時(shí)，此時(shí)工作腔的容積達(dá)到極限最小值，排出液體的過程完畢。該泵的柱塞在曲軸連續(xù)帶動(dòng)下，不斷地來回往復(fù)，吸排液過程就不斷地交替進(jìn)行，不斷輸出高壓液體。

3.2 結(jié)構(gòu)組成

該泵是三缸單作用柱塞式往復(fù)泵，主要組成為動(dòng)力端和液力端。動(dòng)力端主要為曲軸、傳動(dòng)箱、十字頭、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等。液力端主要為泵頭，進(jìn)、出口閥，填料函，密封件等[4]。

同時(shí)，考慮到三缸柱塞泵存在一定的沖擊脈沖會(huì)引起管線及泵體振動(dòng)等問題，在該泵的入口處配置儲(chǔ)能器，出口布置安全閥、出口阻尼器、出口軟管等配套設(shè)備，來增強(qiáng)泵的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

泵類型：往復(fù)泵。

額定流量：10 m3/h。

出口壓力：3400 kPa（G）。

泵安裝汽蝕余量NPSHa：2.5 m。

泵必需汽蝕余量NPSHr：1 m。

3.4 柱塞泵及其配套設(shè)備

泵：型號(hào)3D3-10/4.0-Z，名稱為3D-30 系列電動(dòng)往復(fù)泵為三柱塞式高壓泵，重慶西泉泵業(yè)有限公司生產(chǎn)。

電機(jī)：型號(hào)YB3-200S-8-H，防爆等級(jí)ExdIIBT4，佳木斯電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)。

減振管：型號(hào)DN50/50F，成都爾薩流體控制設(shè)備有限公司。

儲(chǔ)能器：型號(hào)PD-QS4000/50-F，成都爾薩流體控制設(shè)備有限公司。

安全閥：型號(hào)A42C-300LBP，中國永一閥門集團(tuán)。

3.5 柱塞泵主要附件儲(chǔ)能器安裝注意事項(xiàng)

此種類型的柱塞泵，所配備的儲(chǔ)能器充裝氮?dú)馇?，必須確認(rèn)使用氮?dú)膺M(jìn)行充裝，嚴(yán)禁使用氧氣、壓縮空氣和其他易燃易爆、腐蝕性氣體。在充裝氮?dú)鈺r(shí)應(yīng)該非常緩慢地進(jìn)行，防止氣體壓力高于儲(chǔ)能器內(nèi)的膠囊。

在儲(chǔ)能器安裝前，必須將氮?dú)庹_充入膠囊內(nèi)，儲(chǔ)能器的充氣、排氣、測(cè)定和修正充氣壓力等應(yīng)該使用專用的充氣工具進(jìn)行。

充氣壓力應(yīng)該采用此種方法進(jìn)行嚴(yán)肅認(rèn)真的確認(rèn)，充氣壓力可根據(jù)儲(chǔ)能器在系統(tǒng)中的作用進(jìn)行調(diào)整，但最高充氣壓力不得高于儲(chǔ)能器公稱壓力的80%。

3.6 兩種類型閉排泵優(yōu)缺點(diǎn)比較

多級(jí)離心式閉排泵，抗汽蝕能力差；在沒有充滿介質(zhì)的條件下，不具有自吸能力；工作效率低，能耗大；介質(zhì)黏度對(duì)其工作性能影響大。而往復(fù)柱塞式閉排泵，尤其是三缸式往復(fù)泵，體積小，流量均勻[5]，具有自吸能力，且在壓力劇烈變化時(shí)，仍能維持幾乎不變的流量[6]；工作效率高，其容積效率在95%，總效率在90%[7]；抗汽蝕能力好，其汽蝕余量可不用考慮安全裕量，僅需滿足NPSHa≥NPSHr 即可[8]。

4 改造后取得的效益

4.1 社會(huì)效益

通過對(duì)閉排泵換型改造，能夠及時(shí)將該平臺(tái)生產(chǎn)維修時(shí)產(chǎn)生的污油水，順利輸送到下游處理中心進(jìn)行處理，對(duì)于平臺(tái)的安全生產(chǎn)，具有重要意義。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

閉排泵換型改造后，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要，隨時(shí)進(jìn)行污油水的處理輸送，從而減少了平臺(tái)關(guān)閉生產(chǎn)井的時(shí)效，保證原油生產(chǎn)的連續(xù)性，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。該平臺(tái)原離心式閉排泵換型后，還可以用作機(jī)修鉗工人員的實(shí)操教具，對(duì)提高人員技能具有很高的價(jià)值。

5 結(jié)束語

通過對(duì)某平臺(tái)閉排泵換型改造，成功解決了原離心式閉排泵輸送含油氣水效果差、泵體易發(fā)熱等問題。改造后所選往復(fù)三缸式閉排泵，不僅能夠很好地滿足平臺(tái)生產(chǎn)需要，而且比原離心式閉排泵運(yùn)行安全可靠，對(duì)于保護(hù)環(huán)境具有非常重大的意義。減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作維修工作壓力，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為海上其他平臺(tái)解決相似的問題提供參考。