楊伙生,施志軍,許勇生,崔相濤

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

貨油系統(tǒng)是FPSO項(xiàng)目輸送儲(chǔ)存原油最關(guān)鍵的系統(tǒng),某在建的系列FPSO包含2臺(tái)7 000 kW的HPU(Hydraulic Power Unit)、19臺(tái)貨油泵(COP-Cargo Oil Pump)、19個(gè)大艙容的貨油艙(COT-Cargo Oil Tank)以及眾多的傳感器,同時(shí)也和其他系統(tǒng)之間(比如電力、中控、惰性氣體、壓載、液位遙測(cè))有著邏輯關(guān)系,其功能調(diào)試重要、復(fù)雜性,調(diào)試前必須梳理其與其他系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系以達(dá)到安全高效完成貨油系統(tǒng)調(diào)試的目的。

1 FPSO貨油系統(tǒng)介紹

1.1 HPU

HPU是貨油系統(tǒng)的液壓動(dòng)力單元,由6臺(tái)1 000 kW的電機(jī)和2臺(tái)500 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵組組成,可以支持6臺(tái)SD350貨油泵及2臺(tái)SB400壓載泵同時(shí)運(yùn)行。HPU主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HPU的功能參數(shù)

1.2 貨油泵/壓載泵介紹

全船共有19個(gè)貨油艙,每個(gè)貨油艙都布置一個(gè)液壓油驅(qū)動(dòng)的浸沒(méi)式貨油泵,每臺(tái)貨油泵連接至一個(gè)注入/駁出總管,可以實(shí)現(xiàn)貨油在不同艙室間的駁運(yùn),以及輸送至Offloading管路;壓載泵2臺(tái),泵的主要參數(shù)見(jiàn)表2。表2標(biāo)明了貨油泵標(biāo)準(zhǔn)排量和標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的流量參數(shù)。

表2 泵的功能參數(shù)

貨油泵的特性見(jiàn)圖1、2。

圖1 貨油泵的排量隨壓力的變化

從圖1可以看出,貨油泵的排量隨液壓馬達(dá)壓力升高而升高,當(dāng)壓力指示達(dá)到26 MPa時(shí),達(dá)到貨油泵的最大設(shè)計(jì)排量1 300 m3/h,所以曲線末端用虛線表示。

從圖2可以看出貨油泵的排量隨壓頭升高而降低,當(dāng)揚(yáng)程達(dá)到150 mlc時(shí),達(dá)到貨油泵的最大設(shè)計(jì)排量1 300 m3/h,所以曲線末端用虛線表示。

圖2 貨油泵的排量隨壓頭的變化曲線

SD350貨油泵的工作范圍見(jiàn)圖3。

圖3 貨油泵工作范圍

圖3中標(biāo)出了相應(yīng)壓頭和容量對(duì)應(yīng)的貨油泵工作狀況范圍。其中,灰色區(qū)域是SD350貨油泵的工作范圍,淺灰色區(qū)域?yàn)榭刹僮鞣秶?深灰色區(qū)域?yàn)樽罴训牟僮鞣秶?當(dāng)貨油泵工作在該區(qū)域時(shí)有利于泵的運(yùn)行及保養(yǎng)。

1.3 工裝管

工裝管是連接在Offloading管末端的一段臨時(shí)管路,用于模擬貨油系統(tǒng)的完整性,使貨油系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量接近于真實(shí)工況。工裝管的三維模型見(jiàn)圖4。

圖4 工裝管三維模型

1.4 貨油艙分布

FPSO貨油艙的分布見(jiàn)圖5。

圖5 貨油艙分布示意

2 工裝管優(yōu)化設(shè)計(jì)

公司在建的FPSO缺少上部模塊,貨油系統(tǒng)并不完整,所以通過(guò)設(shè)計(jì)一套臨時(shí)工裝管路安裝在Offloading總管末端,代替上部模塊進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)。工裝管主要用于模擬上部模塊的管道阻力,人為地制造一個(gè)背壓環(huán)境,使HPU能夠在100%工況下運(yùn)行。工裝管安裝原理見(jiàn)圖6。

圖6 工裝管安裝原理

圖7 工裝管的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 管道壓降計(jì)算

2.1.1 圓管中沿程壓降

1)流體的平均速度。

(1)

2)雷諾數(shù)。

(2)

式中:Re為雷諾數(shù),無(wú)量綱;v為流體運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。

3)沿程阻力系數(shù)。

式中:▽為絕對(duì)粗糙度;r為管徑;ε為相對(duì)粗糙度。

2.1.2 流體在圓管中的沿程壓降

管路中的沿程水頭損失H為

(3)

所以,管路中的沿程壓降為

(4)

式中:Δp為沿程壓降,Pa;ρ為流體密度,kg/m3;L為圓管管長(zhǎng),m;g為重力加速度;λ為阻力系數(shù)。

2.2 節(jié)流孔板壓降計(jì)算

液體在流經(jīng)節(jié)流孔板時(shí),由于局部阻力會(huì)發(fā)生能量損耗,通過(guò)節(jié)流孔板后液體的壓力降低,前后有一定的壓差,即發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象。節(jié)流孔板的選用需要經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)計(jì)算,避免發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,影響安全運(yùn)行。

節(jié)流孔板的合理選用要確定孔板壓差Δp、阻塞壓差Δps、孔板級(jí)數(shù)n、孔板孔徑dk以及孔板厚度Sc。需要注意的是,以下計(jì)算時(shí)采用的壓力均為絕對(duì)壓力。

1)孔板壓降。

孔板壓差根據(jù)計(jì)算得到Δp=p1-p2,式中:p1為孔板前壓力;p2為孔板后壓力。當(dāng)Δp增加時(shí),流量G也增加;當(dāng)Δp增大到一定值時(shí),縮口處的壓力pvc降到流體飽和蒸汽壓力pv以下,一部分流體會(huì)發(fā)生汽化,流量G不再隨Δp的增加而增加,形成阻塞流。此時(shí)孔板兩端的壓差為阻塞壓差,記為Δps。

(5)

當(dāng)節(jié)流孔板的實(shí)際壓差Δp小于其對(duì)應(yīng)的阻塞壓差Δps時(shí),即可避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)節(jié)流孔板前后壓差較大時(shí),可通過(guò)采用多級(jí)節(jié)流孔板的方式,使得每一級(jí)節(jié)流孔板的實(shí)際壓差Δp均小于其對(duì)應(yīng)的阻塞壓差Δps[3-5]。

2)孔板孔徑。

根據(jù)DL/T5054—2016,有

(6)

式中:dk為孔板孔徑,mm;G為通過(guò)節(jié)流孔板的流量,t/h;ρ為流體密度,kg/m3;Δp為節(jié)流孔板前后壓差,MPa。

3)孔板厚度。

(7)

式中:Sc為孔板厚度,mm;[σ]為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa;p為設(shè)計(jì)壓力,MPa;Di為管道內(nèi)徑,mm;k、φ為孔板結(jié)構(gòu)系數(shù),一般分別取為0.6和0.8。

2.3 設(shè)計(jì)成果

根據(jù)上述公式對(duì)工裝管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),工裝管的具體參數(shù):總管長(zhǎng)24 m,管子后端安裝一內(nèi)徑320 mm的節(jié)流孔板。節(jié)流孔板到Offloading管的管徑為14 in,到排放口的管徑為16 in。

3 貨油系統(tǒng)調(diào)試

取COT 1C/3C/5C/7C/4P/4S的6臺(tái)貨油泵以及Ballast tank 5P/5S的2臺(tái)壓載泵進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn),通過(guò)同時(shí)運(yùn)行6臺(tái)貨油泵來(lái)驗(yàn)證offloading管路的卸載速率,并通過(guò)在設(shè)計(jì)容量下同時(shí)運(yùn)行6臺(tái)貨油泵和2臺(tái)壓載泵來(lái)驗(yàn)證HPU的容量。

3.1 泵的調(diào)試流程

1)6臺(tái)貨油泵并聯(lián)運(yùn)行。

(1)就地控制閥和泵排放閥必須處于關(guān)閉位置。見(jiàn)圖8。

圖8 貨油泵閥門操作示意

(2)以最小系統(tǒng)壓力(7 MPa)啟動(dòng)液壓系統(tǒng)。

(3)啟動(dòng)第一臺(tái)貨油泵,并將泵的液壓馬達(dá)壓力設(shè)置為5 MPa,持續(xù)運(yùn)行2 min。(該指令自動(dòng)限制在3.5 MPa,持續(xù)運(yùn)行1 min,以避免貨油撞擊。)

(4)打開(kāi)泵排放閥,對(duì)排放/卸載管系進(jìn)行加注/排油。

(5)按照上述相同程序,逐個(gè)啟動(dòng)貨油泵。確保有足夠的液壓動(dòng)力供泵并聯(lián)運(yùn)行。

(6)將泵液壓馬達(dá)指令提升至最大-26 MPa。

(7)逐步增加液壓系統(tǒng)壓力(從而提高泵速),直到達(dá)到所需的排放壓力或流量。

泵的容量由泵的液壓馬達(dá)壓力控制,而不是通過(guò)排放管路或卸載管路中的排出閥或其他閥的節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

保持所有貨油泵的液壓馬達(dá)壓力指令處于最大位置。調(diào)節(jié)主液壓系統(tǒng)壓力,直到達(dá)到所需的排放壓力或流量。如有必要,可通過(guò)液壓馬達(dá)壓力指令單獨(dú)調(diào)整貨油泵容量。

(8)當(dāng)貨油艙接近空艙時(shí),減少泵送能力,以避免吸入損失。

(9)低液位停泵。在貨油艙液位達(dá)到2 m左右時(shí),降低泵速。在液位達(dá)到1 m時(shí),停泵。這是為了防止吸入損失,因?yàn)殚L(zhǎng)期的吸入損失會(huì)造成泵的損壞。低液位停泵示意于圖9。整個(gè)貨油泵的調(diào)試工作示意于圖10。

圖9 低液位停泵示意

圖10 貨油泵工作示意

2)在啟動(dòng)壓載泵之前,所有貨油泵必須在

26 MPa液壓工況下運(yùn)行。

3)兩臺(tái)壓載泵并聯(lián)運(yùn)行。

(1)打開(kāi)壓載泵吸入閥。

(2)啟動(dòng)壓載泵,使其在5 MPa的液壓馬達(dá)壓力工況下運(yùn)行2 min(液壓指令壓力設(shè)置為5 MPa)。該指令自動(dòng)限制在3.5 MPa,持續(xù)運(yùn)行1 min。

(3)打開(kāi)排出閥,根據(jù)HPU容量限制增加液壓馬達(dá)壓力。

(4)按相同程序啟動(dòng)第二臺(tái)壓載泵。泵的容量不得超過(guò)100%。監(jiān)測(cè)壓載泵吸入/排出壓力,調(diào)整液壓油確保壓載泵的揚(yáng)程不超過(guò)0.29 MPa(揚(yáng)程=排出壓力-吸入壓力)。壓載泵的理想揚(yáng)程為0.22～0.27 MPa。

4)在6臺(tái)貨油泵和2臺(tái)壓載泵運(yùn)行穩(wěn)定后,測(cè)量并記錄所需參數(shù),作為附錄記錄表。

5)試驗(yàn)持續(xù)30 min,然后關(guān)閉貨油泵、壓載泵和HPU。

6)測(cè)量并記錄艙室液位以及船體的吃水深度。

3.2 HPU容量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證HPU容量能滿足6臺(tái)貨油泵和2臺(tái)壓載泵的同時(shí)運(yùn)行,需要滿足以下兩個(gè)條件。

1)HPU的工作壓力達(dá)到26 MPa。

2)HPU的運(yùn)行功率與額定功率的誤差小于5%。

同時(shí)運(yùn)行6臺(tái)貨油泵和2臺(tái)壓載泵30 min,分別測(cè)量1 min/5 min/15 min/25 min/29 min處的壓力、功率、電流并記錄。HPU的壓力記錄見(jiàn)表3,HPU的運(yùn)行功率/電流記錄見(jiàn)表4。

表3 HPU壓力記錄表 MPa

表4 HPU功率/電流記錄表

從表3中可以得出,HPU的工作壓力穩(wěn)定在26 MPar,沒(méi)有隨時(shí)間的變化而變化。從表4中可以得出,29 min時(shí),HPU每個(gè)電機(jī)的功率都接近于額定功率。HPU A的總功率為3 413 kW,HPU B的功率為3 465 kW。由于HPU A和HPU B的額定功率都為3 500 kW,所以相對(duì)誤差為

δ(HPU A)=|3 413-3 500|/3 500×100%≈2.5%;

δ(HPU B)=|3 465-3 500|/3 500×100%=1%。

兩者都小于5%。因此HPU容量能滿足6臺(tái)貨油泵和2臺(tái)壓載泵的同時(shí)運(yùn)行。

3.3 offloading管路的卸載速率驗(yàn)證

同時(shí)運(yùn)行6臺(tái)貨油泵,將COT 1C/3C/5C/7C/4P/4S 6個(gè)貨油艙的水排出舷外,模擬泵油的過(guò)程。通過(guò)測(cè)量30 min內(nèi)油艙液位變化來(lái)驗(yàn)證卸載能力。測(cè)試記錄見(jiàn)表5、6。

表5 起始階段各項(xiàng)參數(shù)記錄表

表6 結(jié)束階段各項(xiàng)參數(shù)記錄表

根據(jù)液位差和艙室容積表,可以計(jì)算出上述6臺(tái)泵的泵容量及揚(yáng)程。通過(guò)與泵的設(shè)計(jì)容量和揚(yáng)程進(jìn)行對(duì)比,可以得到表7中的結(jié)論。

可以看出6臺(tái)泵的實(shí)際容量與設(shè)計(jì)容量的誤差均小于5%,總的相對(duì)誤差僅有0.2%。6臺(tái)泵的實(shí)際揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程的誤差也都小于5%。所以offloading管路可以滿足6臺(tái)貨油泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)的卸載速率要求。

4 結(jié)論

目前在建FPSO項(xiàng)目,公司僅完成船體部分,后續(xù)將在另一船廠搭載TOPSIDE部分。貨油系統(tǒng)的卸油裝置、流量計(jì)等均安裝于TOPSIDE上。因此,為滿足整個(gè)系統(tǒng)的全部調(diào)試需求,驗(yàn)證規(guī)格書上相應(yīng)內(nèi)容,需設(shè)計(jì)一套臨時(shí)工裝管來(lái)滿足調(diào)試需求。工裝管的設(shè)計(jì)能夠在上部模塊未安裝的情況下,人為的制造一個(gè)背壓環(huán)境,模擬上部模塊的管道阻力,實(shí)現(xiàn)HPU在100%工況下的正常運(yùn)行,同時(shí)也驗(yàn)證了offloading管路的卸載能力,保證后續(xù)的貨油系統(tǒng)調(diào)試工作的正常進(jìn)行,是公司在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中的一次開(kāi)拓創(chuàng)新。驗(yàn)證了技術(shù)規(guī)格書上貨油系統(tǒng)的相應(yīng)內(nèi)容,完成了整個(gè)貨油系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容,對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的完工起到了不可或缺的作用。