FLNG離心泵的選型分析

丁海燕，鄂瑞峰，高鵬，鄭麗麗，靳朝霞

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

[關(guān)鍵字] 離心泵、FLNG

1 背景

在石化行業(yè)中，不管是FLNG還是海上油氣田，受海洋大氣、鹽霧、海水飛濺區(qū)等海況的侵蝕以及近海岸區(qū)域的氣候影響。海洋大氣的相對腐蝕程度時38%～52%，海水中含鹽量時3.5%～3.7%。因此，在選泵時應(yīng)注意海洋環(huán)境的因素。例如，泵殼要采用防海洋腐蝕的材料，泵的過流部件采用防輸送介質(zhì)腐蝕的材料。泵的類型雖然很多，但大多數(shù)屬于離心泵，用于生產(chǎn)水、胺液、烴類等液體介質(zhì)的輸送。

2 選型原則

離心泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、操作平穩(wěn)、流量穩(wěn)定、性能參數(shù)范圍廣泛、易于制造、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維修方便、國內(nèi)成熟廠家較多等優(yōu)點，在石化行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。泵選型時，應(yīng)遵循以下原則：

(1) 對于給定的運(yùn)行工況點，應(yīng)優(yōu)先選用效率較高的離心泵，以利于節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)。

(2) 運(yùn)行工況點應(yīng)在所選離心泵的高效區(qū)內(nèi)。

(3) 根據(jù)輸送介質(zhì)的腐蝕性、易燃易爆的形成選擇軸封的型式。輸油的離心泵目前普遍采用機(jī)械密封。對于無腐蝕性油品，一般選用內(nèi)裝單端面機(jī)械密封；若用于輸送高揮發(fā)性液體的離心泵，則選用內(nèi)裝雙端面機(jī)械密封。

(4) 通常，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)有縱搖、橫搖、橫傾、縱傾四種形式，離心泵屬于高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，從操作性能方面對船體搖晃不敏感，但也應(yīng)滿足現(xiàn)場的安裝要求。

(5) 離心泵的選材要兼顧制造成本和維修成本，一般泵用材料有金屬和非金屬材料。在金屬材料不能滿足要求時，宜選用非金屬材料，盡量避免選用高于使用要求的材料。

(6) 離心泵的臺數(shù)確定要做經(jīng)濟(jì)比較，也要考慮減少運(yùn)行中意外事故的發(fā)生。連續(xù)運(yùn)行的離心泵，一般選用2～3臺，不超過4臺。

(7) 對于連續(xù)運(yùn)行的離心泵，一般需要設(shè)置備用泵，在運(yùn)行中因故停機(jī)而不影響生產(chǎn)時，可不設(shè)置備用泵。

(8) FLNG上的離心泵，在高溫、高濕度和腐蝕性等特殊環(huán)境下，電動機(jī)也應(yīng)具有特殊的防護(hù)能力，如電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及涂層應(yīng)采取相應(yīng)措施，以適應(yīng)特殊環(huán)境要求。電動機(jī)基本系列的防護(hù)等級時IP56、IP54或IP44。輸送易燃、易爆、有毒介質(zhì)的時候，要根據(jù)所處區(qū)的燃爆區(qū)域的等級，配置相對應(yīng)的防爆驅(qū)動機(jī)。

(9) 一般海上油田生產(chǎn)周期是20～30年，離心泵屬于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，所以，要求其運(yùn)行可靠，使用壽命長，尤其時旋轉(zhuǎn)部件。

(10) 要綜合考慮離心泵的初始投資費(fèi)和操作維修費(fèi)等全壽命周期綜合成本最低等。

3 離心泵的基本參數(shù)

3.1 流量

流量是指離心泵輸送的介質(zhì)的體積流量，通常應(yīng)考慮逐年的正常流量、最小流量和最大流量。考慮到配產(chǎn)的不確定性，選離心泵時，額定流量不應(yīng)小于最大流量，一般取正常流量的1.1～1.15倍，同時也要兼顧離心泵的最小連續(xù)流量，一般為額定流量的30%～40%，如果配產(chǎn)中出現(xiàn)最小流量小于所選離心泵的最小連續(xù)流量，說明需要重新選泵，適當(dāng)?shù)臏p小泵的額定流量直到滿足要求即可。

3.2 揚(yáng)程

揚(yáng)程是單位體積的液體介質(zhì)通過離心泵后獲得的能量，也叫壓頭，單位為米。一般額定揚(yáng)程是離心泵輸送系統(tǒng)揚(yáng)程的1.05～1.1倍。進(jìn)、出口壓力是指泵進(jìn)、出口的接管及其接管法蘭處的壓力，進(jìn)、出口壓力的大小影響到殼體的設(shè)計壓力，進(jìn)而影響殼體的材料和強(qiáng)度，離心泵允許最大出口壓力應(yīng)至少等于泵額定出口壓力的110%，離心泵的實驗壓力至少應(yīng)為泵的設(shè)計壓力的1.25倍。

3.3 溫度

指離心泵輸送介質(zhì)的溫度，一般應(yīng)考慮介質(zhì)的正常、最低、最高溫度值。輸送介質(zhì)的溫度也會影響機(jī)械密封的沖洗方式。一般普通泵殼體耐溫上限是180～320℃。雙殼體泵耐溫性較好，一般可達(dá)400～450℃。對于臥式泵溫度超過177℃時，必須采用中心線支撐的泵體，以避免泵體受熱后單向膨脹危及泵的正常運(yùn)行。根據(jù)經(jīng)驗，在溫度大于-120℃時，一般采用沉淀硬化雙相不銹鋼可以滿足要求。

3.4 汽蝕余量

汽蝕余量分為有效汽蝕余量和必需汽蝕余量，有效汽蝕余量是指泵的上游設(shè)備能提供給離心泵入口處的超過液體汽化壓力的余量，它的大小與離心泵與上游設(shè)備的相對位置、輸送介質(zhì)在離心泵操作溫度下的飽和蒸汽壓、上游設(shè)備的操作壓力及上游設(shè)備到離心泵之間的管路的所有阻力損失等有關(guān)，與離心泵的結(jié)構(gòu)尺寸無關(guān)。必需汽蝕余量與泵的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。一般必需汽蝕余量隨流量及壓力的增大而增大，而有效汽蝕余量隨流量的增加而減小。按照API610的要求，必需汽蝕余量必須小于有效汽蝕余量，差值至少為1m。

3.5 效率

效率是離心泵運(yùn)行中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，考慮了離心泵工作時消耗的機(jī)械損失功率、容積損失功率和水利損失功率。離心泵的有效功率與軸功率的比值稱為效率，大型離心泵的效率能達(dá)到80%。離心泵的效率主要取決于泵的結(jié)構(gòu)，泵的比轉(zhuǎn)速、流量和輸送介質(zhì)的粘度有關(guān)。因此，當(dāng)輸送粘度較大的介質(zhì)時，必須進(jìn)行修正。一般離心泵的供貨商的樣本上的參數(shù)多為輸送介質(zhì)為清水時的參數(shù)，對于輸送介質(zhì)為其他介質(zhì)時，需要對泵的性能參數(shù)進(jìn)行修正。對于離心泵的正常流量、揚(yáng)程變化范圍較大時，通常只能滿足一項，需要通過調(diào)節(jié)離心泵出口的閥門滿足要求，此時泵的效率一般較低，能耗比較高，建議采用變頻離心泵。

3.6 現(xiàn)場條件

現(xiàn)場條件是指離心泵的安裝位置，由于FLNG常年處于海上，因此，要求其離心泵應(yīng)具有抗海洋氣候的能力，如在臺風(fēng)季節(jié)時，需防海水飛濺、浸蝕和沖擊以及耐高溫、潮濕、蒸汽、鹽霧，還應(yīng)有防震動、傾斜、搖擺等能力。FLNG與陸地終端不同，離心泵的安裝部位均為鋼結(jié)構(gòu)甲板，如果二者的固有頻率接近，容易產(chǎn)生共振，因此，一般會在離心泵的底座焊接在結(jié)構(gòu)梁上而不是甲板上，同時根據(jù)振動分析的結(jié)果優(yōu)化調(diào)整底座下方的結(jié)構(gòu)梁。

3.7 輸送介質(zhì)的物理化學(xué)性能

在FLNG上部模塊或海上油氣田等石化行業(yè)，離心泵輸送介質(zhì)大都是易燃易爆、有揮發(fā)性、有腐蝕、有毒的液體。所處的環(huán)境也為高溫、高濕、高鹽霧的惡劣環(huán)境，而且在海上維修泵也比較困難，因此，這些性能直接影響離心泵的性能、材料和結(jié)構(gòu)，是選泵時需要考慮的非常重要因素。

3.8 密封

離心泵的密封是為了保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)、高效率、防止介質(zhì)外漏和外界空氣進(jìn)入泵體內(nèi)，在葉輪與泵殼之間、軸與泵殼之間均設(shè)置了密封裝置。機(jī)械密封又稱為端面密封，密封效果好，泄漏量小，消耗軸動力小，壽命長，石油石化行業(yè)應(yīng)用的較為廣泛，但是價格昂貴，加工維修保養(yǎng)要求高。

為使機(jī)械密封長時有效，要對機(jī)械密封進(jìn)行冷卻。在FLNG上部模塊或海油油氣田，一般離心泵機(jī)械密封的沖洗方式都按照API 682進(jìn)行選型，對于輸送介質(zhì)為水的離心泵，溫度較低時，一般選用PLAN 11，對于高溫介質(zhì)，通常選用PLAN 21/23等，對于易揮發(fā)有毒的介質(zhì)，通常選用PLAN53。

4 離心泵的連接方式

兩臺或兩臺以上的離心泵可以串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，串聯(lián)運(yùn)可增大揚(yáng)程，并聯(lián)運(yùn)行可增大流量，則根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求，選擇最經(jīng)濟(jì)的方式滿足運(yùn)行的要求。

如圖2所示，同一條管線上的兩臺離心泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時的揚(yáng)程-流量曲線圖，由曲線可看出，總流量為兩臺離心泵流量之和，系統(tǒng)揚(yáng)程是靜揚(yáng)程Hs和管路摩擦、閥及附件中的損失揚(yáng)程Hf之和。合成的H-Q曲線和系統(tǒng)揚(yáng)程曲線的交點即是運(yùn)轉(zhuǎn)點，1、2、3點即是運(yùn)轉(zhuǎn)點。泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在一定的揚(yáng)程下，流量和功率是相加的。在FLNG上部模塊或海上油氣田，離心泵并聯(lián)運(yùn)行方式較優(yōu)。

圖2 離心泵串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的揚(yáng)程-流量曲線圖

5 離心泵的泵型分析

根據(jù)美國石油學(xué)會 API 610設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)知，離心泵的泵型主要有懸臂式泵、兩端支撐式泵、立式懸吊式泵，見圖3～圖6。

圖3 OH-1泵外形圖

圖6 VS6/VS7泵外形圖

5.1 懸臂式泵

海上油氣田或FLNG上部模塊常用的懸臂式泵主要有OH-1型和OH-3型，OH-1型懸臂泵屬于單級臥式離心泵，一般為徑向剖分，泵殼的進(jìn)出口管線為側(cè)進(jìn)、頂出，地腳螺栓在泵的底部。該泵型適合輸送低粘度油、淡水、海水、污水、生產(chǎn)水、低粘度污油等介質(zhì)。

如圖1所示，同一條管路上的兩臺離心泵串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)時的揚(yáng)程-流量曲線圖，由曲線可看出，總揚(yáng)程約為兩臺離心泵的揚(yáng)程之和，總流量比單泵時稍大（該曲線圖中2號泵的關(guān)死點揚(yáng)程低于流程的靜揚(yáng)程，所以2號泵單獨運(yùn)行時，將不能輸送流量）。對于離心泵串聯(lián)模式，在一定流量下，系統(tǒng)揚(yáng)程和功率是相加的。通常不推薦泵的串聯(lián)運(yùn)行，因為需考慮后續(xù)2號泵的泵殼耐壓、泵軸的強(qiáng)度和密封，選用電機(jī)時要按串聯(lián)條件下的參數(shù)配備功率，這樣，增加了2號泵的制造成本和維修費(fèi)用。

圖1 離心泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的揚(yáng)程-流量曲線圖

在FLNG上部模塊上，生產(chǎn)水系統(tǒng)的流量及揚(yáng)程較小的生產(chǎn)水泵及開閉排泵通常選用OH-1型臥式懸臂泵，材質(zhì)選用S-6或C-6，主要取決于輸送介質(zhì)和所處環(huán)境的特性。

OH-3型屬于立式管道泵，適宜輸送低粘度油、淡水、海水、污水、低粘度污油等介質(zhì)。與同參數(shù)的臥式泵相比較，該泵型具有較小的外形尺寸，占地面積較小，通常在淡水系統(tǒng)用的比較多，材質(zhì)選用A-8，如淡水泵、飲用水泵等。

5.2 兩端支撐式泵

海上油氣田或FLNG上部模塊常用的兩端支撐式泵主要有BB1型和BB3型，BB1型泵為單級或兩級臥式離心泵，一般為軸向剖分，泵殼的進(jìn)出口管線為側(cè)進(jìn)、側(cè)出，地腳螺栓在泵的底部。該泵型多輸送低粘度油、生產(chǎn)水、低粘度污油等介質(zhì)。

BB3型泵為多級臥式離心泵，一般為軸向剖分，泵殼的進(jìn)出口管線為側(cè)進(jìn)、側(cè)出，地腳螺栓在泵的底部。該泵型多輸送低粘度油、生產(chǎn)水、低粘度污油等介質(zhì)。如原油外輸泵、注水泵、貧液泵及富液泵等。

FLNG上部模塊生產(chǎn)水系統(tǒng)的有些泵流量比較大，揚(yáng)程較大，通常選用BB1型或BB3臥式離心泵，材質(zhì)選用S-6或C-6。原料氣處理系統(tǒng)的胺液泵材質(zhì)根據(jù)CO2和H2S的含量來選用A7、A8、S-1、S-8或S-9。

5.3 立式懸吊式泵

VS6和VS7型泵是單級或多級立式離心泵，適用于輸送易燃、易爆、易汽化、有毒、高壓的等液體。VS6/VS7型泵廣泛應(yīng)用于煉油、石油化工、LNG、低溫工程等行業(yè)，尤其適合輸送低溫介質(zhì)，如乙烯、液化氣、塔底液、輕烴等。VS7型泵尤其適合于泵汽蝕余量低的場合，首級葉輪處于較低的位置，首級葉輪與泵吸人口之間有一定的距離，該高度差增加了泵入口的液體灌注頭，大大增加了首級葉輪人口處的NPSHa，有效解決了有效汽蝕余量不足的工況。

在FLNG中的分餾單元中，如重接觸塔回流泵，在某項目中，其操作溫度為-46℃，選用上述的臥式離心泵時，機(jī)械密封難以確保密封性能，同時泵體的保冷比較困難，因此，通常選用VS6或VS7泵型，材質(zhì)選用D-1或D-2。機(jī)械密封采用雙端面平衡型機(jī)械密封，沖洗方式選用API 682 PLAN 53。

圖4 BB1泵外形圖

圖5 BB3泵外形圖

5.4 離心泵的經(jīng)濟(jì)性

FLNG屬于海上生產(chǎn)設(shè)施，模塊的大小決定了投資的多少，因此要求所有泵不僅機(jī)械方面可靠性高、噪聲低、振動小，而且尺寸要小，結(jié)構(gòu)要緊湊。在FLNG的全生命周期中，經(jīng)濟(jì)上要綜合考慮到設(shè)備初始投資費(fèi)、操作費(fèi)、維修費(fèi)的總成本最低等。通常，國內(nèi)生產(chǎn)的離心泵不論是初始投資還是維修費(fèi)用，都比較低，而且性能良好。

6 結(jié)論

FLNG上部模塊的離心泵較多，其結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸及重量小、工作平穩(wěn)可靠、流量穩(wěn)定、密封嚴(yán)密耐久、性能參數(shù)范圍廣泛、易于制造、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維修方便、噪音低、振動小等優(yōu)點，主要有生產(chǎn)水泵、開閉排泵、胺液泵、乙烷塔回流泵等，根據(jù)離心泵的輸送介質(zhì)的物理化學(xué)特性、輸送溫度、汽蝕余量等，對泵的外殼材料及過流部件材質(zhì)、機(jī)械密封等方面進(jìn)行綜合選型，以達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。