立式多級屏蔽泵在海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置上的首次應用

李東芳，高 華，高 鵬，馬邦勇，王亞瑩

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）上部工藝模塊配置有一套輕烴回收處理系統(tǒng)。輕烴回收處理系統(tǒng)中，液化石油氣（LPG）儲存外輸單元包括LPG儲罐、LPG外輸泵、LPG殘液回收壓縮橇、不合格LPG回收泵以及外輸滾筒等設備（圖1）。圖1中虛線框為成橇范圍。

圖1 LPG儲存外輸單元流程示圖

LPG泵是整個外輸單元的關鍵設備，其運行好壞直接影響LPG產(chǎn)品質(zhì)量及整船外輸?shù)恼＿\營。LPG泵介質(zhì)為輕烴，具有易燃、易爆及泄漏危險性較高的特性。選型設計時，不僅要滿足LPG輸送的設計工況，而且要保證安全無泄漏。通過泵型的比選分析，選用屏蔽泵。

1 屏蔽泵結構及工作原理

1.1 屏蔽泵的結構及工作原理［1］

屏蔽泵內(nèi)部構造見圖2。

圖2 屏蔽泵內(nèi)部構造

屏蔽泵的泵頭與離心泵一樣，依靠葉輪的高速旋轉(zhuǎn)來輸送流體介質(zhì)。電機轉(zhuǎn)子和葉輪安裝在同一泵軸上，共同組成轉(zhuǎn)子部件。泵軸由2個滑動軸承支撐，由此，可省去聯(lián)軸器和軸承箱，取消了機械密封，承壓腔體由靜密封形式來密封。

屏蔽電機的定子繞組通過定子屏蔽套與轉(zhuǎn)子腔隔離，轉(zhuǎn)子繞組外面包裹著轉(zhuǎn)子屏蔽套。屏蔽泵在工作時，轉(zhuǎn)子部件完全浸沒在流體介質(zhì)中，泵送的一部分介質(zhì)會進入電機端，起到冷卻電機和軸承的作用。有的屏蔽泵設計，還可以采用泵軸中心開通孔的方法對電機起到更好的冷卻作用。

1.2 屏蔽泵特點

屏蔽泵的特點主要是安全性高。與離心泵相比，屏蔽泵結構無動密封，其電機外殼按泵殼壓力設計，定子屏蔽套是第一道安全殼體，電機殼體可以起到二次殼體的保護作用［2］。因此，屏蔽泵可實現(xiàn)完全零泄漏，特別適合輸送易燃、易爆物料，成功地解決流體輸送中的跑、冒、滴、漏的問題，避免對周圍環(huán)境的污染及由于易燃介質(zhì)泄漏帶來的安全隱患。

屏蔽泵的特點還有，①結構緊湊，占地空間少。泵頭與電機同軸，是一個整體，同裝在一個密封腔中，省去聯(lián)軸器等連接部件。②無動密封結構的附屬部件，易損件少，可靠性相對較高，日常維修工作量少，后期運行維護費用低。③可適應輸送介質(zhì)汽蝕余量過低的工況［3］。

2 LPG屏蔽泵選型設計分析

2.1 工藝設計參數(shù)

以LPG回收泵為例進行分析。LPG回收泵工藝設計參數(shù)見表1。

表1 LPG回收泵工藝設計參數(shù)

2.2 設計選型要點

（1）泵型式選擇。此LPG回收泵流量較小，揚程較高，黏度小于2×10-4Pa·s，可選用挑擔式屏蔽泵。

（2）泵殼體選擇。用設計提供的LPG回收泵參數(shù)征詢泵廠家技術方案，結合廠家方案選立式多級挑擔式屏蔽泵［4］，采用雙殼體設計。

（3）泵殼體最大設計壓力和溫度選擇。屏蔽泵選型設計的主要標準規(guī)范有API 685—2011、ISO 15783—2003《無密封旋轉(zhuǎn)動力泵》［5］以及ASME B73.3—2003《化學過程用非密封臥式端部吸力金屬離心泵》［6］。根據(jù)液LPG泵的使用工況及設計參數(shù)，選定API 685—2011作為主要參考標準，確定殼體的溫度和最大設計壓力條件為不低于 60 ℃、4 MPa（G）。

（4）泵體及主要部件材料選擇。主要考慮介質(zhì)溫度、壓力、耐腐蝕性和強度。泵體和葉輪材質(zhì)為 CF-3M（不銹鋼），泵軸為 316L，定子屏蔽套選為Hast.C，轉(zhuǎn)子屏蔽套為316L，滑動軸承為316L和碳化硅的混合型材料。

（5）避免泵汽蝕影響設計。為避免泵汽蝕的影響，該泵錯層布置于船體主甲板，危險等級為Class 1 Zone 1 Grade IIA。屏蔽電機的絕緣等級為H，防護等級為IP56，防爆等級Exd IIBT4。

（6）冷卻潤滑循環(huán)方案設計。LPG屏蔽泵由于介質(zhì)易汽化的特性，屏蔽泵內(nèi)產(chǎn)生的熱量應及時被帶走，以免溫升導致介質(zhì)汽化帶來的汽蝕問題及軸承潤滑問題。因此，設計合理的冷卻潤滑循環(huán)設計方案是保證屏蔽泵安全運行的關鍵［7］。本項目LPG屏蔽泵采用泵殼體上開排氣管口（圖3），將排氣管線接回到放空系統(tǒng)，這樣可將可能少量汽化的LPG氣體排放掉，以減少對泵運轉(zhuǎn)帶來的不良影響。

圖3 立式多級泵示圖（臥式狀態(tài)）

（7）智能化狀態(tài)檢測設計。智能化狀態(tài)檢測裝置主要組成包括，①軸向位移監(jiān)控器。用于檢測軸承磨損和軸向位移。軸向位移監(jiān)控器加裝在泵的后端蓋上，根據(jù)電磁渦流原理取泵軸的軸向位移電壓信號，并將此信號放大送至微處理器進行數(shù)字化運算。②二次承壓泄漏檢測。采用壓力傳感器檢測承壓腔內(nèi)的壓力。③功率保護器。屏蔽泵在運行時都需要利用工作液建立冷卻、潤滑循環(huán)系統(tǒng)，以保證內(nèi)部散熱及滑動軸承的正常工作，否則，電泵將會在很短時間內(nèi)損壞。選用JYB/W型電機保護器作為屏蔽泵的干轉(zhuǎn)監(jiān)控器，一旦出現(xiàn)斷液、汽蝕等異?，F(xiàn)象，可立即停車、報警。YB/W型電機保護器還具有缺相保護、過載保護等功能，防止由于機械過載和缺相引起的線圈過熱等問題，同時有電機轉(zhuǎn)向保護功能。

2.3 變頻水試問題

離心泵的電機功率與輸送介質(zhì)密度成正比。一般情況下，離心泵預期介質(zhì)的密度大于水的密度，出廠水壓試驗可用工廠的其他大電機來替代項目電機完成試驗。LPG密度比水密度小，進行泵出廠性能水試測試時會存在所需電機功率比泵實際運行所需功率大的問題。對此，可以參考API 685—2011第8.3.3節(jié)，選擇從50 Hz降頻到40 Hz（降低轉(zhuǎn)速）完成性能測試試驗。

2.4 適應性討論

2.4.1 特殊工況

國內(nèi)外石油化工領域和陸上項目中應用屏蔽泵的案例較多［8-14］，但屏蔽泵在國內(nèi)FPSO項目的應用卻是首次，應充分考慮工況的特殊性。工況的特殊性主要源于浮式船體處于不斷的運動狀態(tài)中這一事實，因此需要考慮船體晃動對泵使用性能的影響。影響主要體現(xiàn)在兩方面，①如果泵內(nèi)液腔液面不是完全充滿狀態(tài)，則需要考慮液面晃動對泵腔內(nèi)各部件散熱的影響，因而應為屏蔽泵配置功率保護器狀態(tài)檢測裝置。②船體晃動產(chǎn)生的三向加速度會對設備機械強度產(chǎn)生影響。此處的三向加速度按照FPSO船體載荷分為壓載工況和滿載工況，而壓載工況和滿載工況又各自分為操作工況和極端工況，每種工況各包含x方向、y方向、z方向的加速度，其中z方向加速度含重力加速度，見表2。

表2 影響LPG屏蔽泵選型的FPSO船體三向加速度 m/s2

2.4.2 泵體結構設計

船體晃動產(chǎn)生的三向加速度會對FPSO船上的LPG屏蔽泵提出多方面的的要求，從設計角度考慮，應注意以下幾個方面，①從泵體內(nèi)部結構（圖3）設計來講，立式安裝的屏蔽泵正常操作時，轉(zhuǎn)子浮在密封腔內(nèi)，相對臥式安裝，船體產(chǎn)生的晃動傾斜情況，軸的載荷更加均勻地分布在軸承上，或者更多地分布在平衡盤上。在潛艇應用上做過相關的試驗，只有當加速度超過5g時，才會對泵的機械性能產(chǎn)生影響。②從泵體外部支撐結構加強型式設計（圖4）來講，通過固定多級立式泵的上下端部，讓其在受到船體晃動時，能夠與船體成為一個相對穩(wěn)定的整體，從而避免泵體在豎直方向產(chǎn)生相對晃動，影響泵體的整體機械強度。③泵體外部等支撐結構（如支撐框架橇底座）的機械強度設計計算。計算工況有極端和操作工況，將船體極端運動載荷作為設計輸入條件。④在屏蔽泵出廠試驗過程中，要求廠家按照GB/T 10832—2008《船用離心泵、旋渦泵通用技術條件》［15］，對泵進行靜傾斜試驗。廠家搭建傾斜角為22.5℃的傾斜試驗臺（圖5）。泵體固定于試驗臺上進行泵的性能試驗，由此對屏蔽泵適應船體晃動的性能進行模擬試驗驗證。

圖4 立式多級屏蔽泵外部支撐示圖

圖5 屏蔽泵出廠靜傾斜試驗試驗臺

3 LPG屏蔽泵工程應用評估

3.1 現(xiàn)場運行效果

目前，F(xiàn)PSO已經(jīng)完全投產(chǎn)運行。FPSO項目LPG回收泵在現(xiàn)場運行平穩(wěn)，流量及揚程均滿足現(xiàn)場目前操作工況，無噪音超標的問題。

3.2 推廣應用

從目前的使用情況來看，在國內(nèi)FPSO上應用立式多級屏蔽泵替代液壓隔膜泵或雙端面密封的離心泵，能有效避免LPG輸送存在的泄漏風險，節(jié)省設備采辦成本、占地面積，達到降本增效的目的。此次LPG泵選型優(yōu)化的效果顯著，經(jīng)驗值得推廣。

4 結語

近幾年，海上油氣田開發(fā)朝向深水領域的發(fā)展及國家對海上環(huán)保要求的提高，使得海上油氣處理設備向著高參數(shù)化方向，相關設備的使用工況變得更加嚴苛。屏蔽泵的無泄漏特點特別適合海上油氣開發(fā)的需要，極具技術優(yōu)勢和應用潛力。文中介紹的立式多級屏蔽泵在FPSO的使用，可為今后海上油氣開發(fā)項目（尤其浮式生產(chǎn)設施項目）提供設備選型應用的參考依據(jù)，具有重要的推廣和指導意義。