國產大排量潛液泵在FPSO上的應用分析

國產大排量潛液泵在FPSO上的應用分析

肖玉華

(中海油能源發(fā)展采油服務公司，天津 300452)

摘要：針對國內基本無廠家提供適合液貨船配套的潛液泵產品。結合武漢船機研制的潛液泵基本情況，在進入實船安裝階段，就前期設計工作對該系統(tǒng)進行分析，以催進產品技術進步。

關鍵詞：潛液泵；泵組；控制單元；調速閥

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.024

中圖分類號：U664.5；P754

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0084-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一肖玉華(1965-)，男，學士，工程師

Abstract:Because no domestic manufacturer provided products of submerged cargo pump which are suitable for liquid cargo ships, the design of the first domestic submerged cargo pump developed by Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd. is investigated and validated in the Bohai Mingzhu FPSO, so as to promote the technique improvement of the product.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部實船安裝項目(2013411)

研究方向:電氣工程

E-mail:xiaoyh@cnooc.com.cn

潛液泵系統(tǒng)是用于將液貨艙內的液貨向外部輸送的泵送設備，主要應用在FPSO、成品油船、化學品船等液貨船上。考慮到工作環(huán)境和安全性能要求，大都為液壓驅動。相對于傳統(tǒng)的泵艙泵系統(tǒng)，潛液泵系統(tǒng)不需要設置專門的泵艙，可以直接布置在甲板上，節(jié)省了船上的空間，其一艙一泵布置方式使液貨卸載更加靈活，可以輸送液貨艙內不同種類化學物質，此類貨油泵能夠適應不同密度、粘度、溫度的傳輸介質，泵體材料具有非常高的防腐性能。

國際上生產潛液泵的技術被FRAMO(挪威)、HAMWORTHY(丹麥)、SHINKO(日本)與HYUNDAR(韓國)等國外少數公司壟斷。挪威FRAMO泵是當今液貨船的外輸及掃艙等活動的首選設備，世界市場占有率約為70%，幾乎己成為行業(yè)標準，同時價格也高。

液貨泵系統(tǒng)是一個以液壓傳動為動力裝置的系統(tǒng)，由泵組、液壓泵站,以及控制單元三大塊組成。其中泵組分為液貨泵、洗艙泵和專用壓載泵。液壓泵站布置在機艙內，由柴油機組動力單元和電動液壓動力單元和液壓泵等組成。所有的液貨泵和其他液壓驅動設備都通過液壓油環(huán)路由高壓液壓油驅動，系統(tǒng)中每一個用戶都可以通過一個控制閥實現獨立的無極調速。液壓油分配系統(tǒng)根據負荷情況自動調節(jié)并達到節(jié)能的效果。該裝置可根據系統(tǒng)所需的液壓油流量來調節(jié)液壓泵的排量，并使系統(tǒng)壓力維持在設定點[1]。系統(tǒng)典型的布置見圖1。

圖1　典型潛液泵系統(tǒng)組成

表1為最近幾年國內不同噸位的FPSO貨油泵配置。

表1　國內不同噸位的FPSO貨油泵配置表

由表1中可見,FPSO的貨油系統(tǒng)主要配置泵艙泵和潛液泵，15萬t以下的FPSO主要使用泵艙泵，已建及在建的15萬t級以上FPSO大都使用潛液泵。目前市場上主流的FPSO噸級集中在10～20萬t級，15萬t級及以上FPSO是未來發(fā)展趨勢，新建造的FPSO規(guī)格逐步向大型化發(fā)展，越來越多投產的FPSO噸級達30萬t級。15萬t級以上FPSO主要采用1 000 m3/h潛液泵系統(tǒng)，不同噸位FPSO潛液泵系統(tǒng)配置只是在潛液泵數量上有所不同。

武漢船用機械有限責任公司(以下簡稱：武漢船機)是我國船舶配套企業(yè)的旗艦，是國內惟一開展FPSO等液貨船貨油設備自主研制的單位。2009年以來，公司開始進行泵艙式貨油綜合系統(tǒng)的自主開發(fā)，突破了貨油泵關鍵設備的設計制造技術，形成包括貨油泵、掃艙泵、壓載泵以及其控制系統(tǒng)的貨油與壓載綜合系統(tǒng)集成配套能力。潛液泵系統(tǒng)作為貨油設備中一個重要成員，已成為公司貨油設備發(fā)展的重要方向。

1國產潛液泵原理

潛液泵系統(tǒng)由武漢船機提供的WPS300為主打產品，主要由潛液泵單元、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、系統(tǒng)輔件等組成。潛液泵單元主要用在液貨艙、殘油艙、污油艙、工業(yè)水艙等，是FPSO上用的數量最多的泵。液壓系統(tǒng)為潛液泵及船上的其他設備諸如壓載泵、便攜泵、側推及甲板機械提供動力源，同時利用其控制閥組控制潛液泵的運行[2]。

電控系統(tǒng)實現對潛液泵系統(tǒng)的液貨艙液貨卸載、壓載水艙加載與卸載、液壓驅動系統(tǒng)控制和監(jiān)測，在明珠號上進行驗證的系統(tǒng)原理見圖2。

圖2　明珠號上進行驗證的系統(tǒng)原理示意

2潛液泵系統(tǒng)組成

2.1潛液泵單元

潛液泵單元主要由1臺布置在液貨艙的WSP300貨油泵組成。潛液泵單元是實現液貨卸載的執(zhí)行部件，主要由潛液泵泵頭、同心管柱、調速閥組成[3]。潛液泵泵頭包括水力元件、驅動軸系、液壓馬達等。同心管柱包括高壓液壓進油管、低壓液壓回油管、隔離空腔管、液貨管、隔離空腔檢查管、掃艙管[4]。調速閥實現對液壓馬達流量調節(jié)，其上集成有高壓油管接口、低壓油管接口、隔離空腔接口，其典型安裝圖見圖3。

圖3　潛液泵單元典型安裝示意

2.2液壓控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是液壓潛液泵系統(tǒng)重要組成部分，為液壓潛液泵單元實現貨油裝卸等工作提供動力和控制。液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、控制閥組及保壓泵單元等。液壓動力單元由相應數量的泵組組成，根據驅動的設備所需功率確定泵組的數量[5]。

2.3電控系統(tǒng)說明

電控系統(tǒng)主要包括貨控臺、接線盒及系統(tǒng)急停按鈕、貨油泵急停按鈕、電機啟動器、3.3 kV/400 V變壓器、低壓開關柜、高壓開關柜等。其中貨控臺是潛液泵系統(tǒng)的人機交互界面，實現對潛液泵系統(tǒng)的運行監(jiān)測和控制，包含有2個面板：液壓系統(tǒng)控制面板和貨油單元控制面板。

2.4系統(tǒng)輔件

系統(tǒng)輔件為潛液泵系統(tǒng)的正常運行及維護提供必需工具。

3功能介紹

明珠號FPSO加裝WSP300潛液泵系統(tǒng)其功能可行性主要體現在系統(tǒng)可操作性、外輸過程的安全性、與中控系統(tǒng)的集成性。潛液泵系統(tǒng)設有以下措施保證功能的實現。

1)本地/遙控控制。潛液泵系統(tǒng)能夠通過人機交互面板實現對液壓泵站操作及潛液泵排量控制，同時系統(tǒng)設置有機旁控制功能,能夠實現對液壓泵站本地啟停、壓力調節(jié)等控制以及潛液泵調速閥手動調速，方便機旁人員的操作。

2)應急停止。潛液泵系統(tǒng)中包含了3套應急停止按鈕。1套安裝于貨控室控制臺，1套位于液壓泵站機旁，用于緊急情況下停止整個液壓系統(tǒng)，即停止液壓動力泵組電機，且所有的電磁閥失電；1套應急停止按鈕安裝在潛液泵旁，用于緊急情況下停止?jié)撘罕茫簤簞恿Ρ媒M不停機。

3)越控功能。設置越控功能，當遙控系統(tǒng)故障等導致系統(tǒng)停機時，該類故障核實后，為了使?jié)撘罕孟到y(tǒng)能夠重新啟動進行工作，越控功能能夠屏蔽非功能性故障。

4)潛液泵系統(tǒng)與總體信息交互。控制系統(tǒng)能夠通過FPSO上中央控制系統(tǒng)實現對潛液泵系統(tǒng)動力泵站啟動/停止、液壓系統(tǒng)壓力設定、主壓力設定、系統(tǒng)運行監(jiān)測等功能。可通過硬線聯接和串行通信等實現。

4潛液泵國產化的驗證工作

潛液泵國產化道路復雜而漫長，樣品成型后需要長時間的驗證工作，首選的渤海明珠號FPSO，因為有合適的檔期對大排量的潛液泵進行加裝驗證，主要是對系統(tǒng)的集成性、工作的可靠性、試驗驗證等功能進行相應的考驗及更高的要求，這需要大量科研人員的參與和充足研發(fā)資金的投入進行潛液泵系統(tǒng)關鍵技術的攻關、產品系列化的開展等后續(xù)工作的開展。

WSP300潛液泵初步確定布置在COT4、COV13右舷處，大約在明珠號布置圖縱向標尺99、距離液貨艙與壓載艙焊線1.7 m處。此處在吊機的吊裝范圍內，生產甲板比較空曠，可從生產甲板開孔把潛液泵單元整體吊入貨油艙內。具體位置還需清艙后進艙測量。艙內布置見圖4。

圖4　4號艙內潛液泵布置橫向視圖

WSP300潛液泵其頂板直徑為1 200 mm(FRAMO為1 126 mm),支撐圈直徑為1 080 mm，為能使?jié)撘罕媚軌蚍湃胴浻团搩龋韪脑靻挝粚装搴托弯撨M行局部切割，留出潛液泵安裝孔，結構的強度需設計院進行分析。

潛液泵在明珠號4號貨油艙內垂直，其中頂部通過甲板支撐圈焊接在甲板上，在安裝過程中可利用支撐圈在甲板孔的垂向安裝長度調整貨油泵泵體的長度誤差，可以有50～100 mm安裝誤差范圍。中部通過支撐支架和支撐環(huán)聯接在艙壁上，其中支撐支架焊接在壓載艙艙壁上，支撐環(huán)通過螺栓連接在支撐環(huán)上。底部通過螺栓把支撐環(huán)聯接在貨油艙底。

液壓泵站包括2個液壓泵組單元、冷卻器、貨油過濾器及液壓油箱單元，各部分采用單獨底座安裝，以方便現場布置。

根據調研擬安裝于船尾油漆間，安裝位置空間為9 700 mm×3 900 mm×3 200 mm，能夠滿足液壓泵站及電氣系統(tǒng)的布置，液壓泵站的布置如圖5所示，泵站各部分采用單獨的底座到現場焊接，泵站的具體布置根據現場補管來確定滿足液壓系統(tǒng)維修空間要求。

圖5　液壓泵站布置示意

液壓泵站單臺電機功率為480 kW，考慮到潛液泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，擬采用400 VAC電制，則需在明珠號FPSO加裝一臺3.3 kV/400 V變壓器，變壓器尺寸為2 100 mm×1 550 mm×2 300 mm，布置于油漆間。

對中控系統(tǒng)控制臺進行全部改造，控制臺統(tǒng)一規(guī)劃。潛液泵貨控面板包括：液壓系統(tǒng)控制面板和WSP300潛液泵控制面板，液壓系統(tǒng)控制面板尺寸為400 mm×300 mm，垂向布置，潛液泵控制面板尺寸為90 mm×120 mm，水平布置。電控系統(tǒng)預留信號接口可與明珠號中央控制系統(tǒng)進行通信實現中控系統(tǒng)對潛液泵系統(tǒng)動力泵站啟動/停止、系統(tǒng)壓力設定及潛液泵壓力設定、潛液泵系統(tǒng)運行監(jiān)測等。

5結論

該系統(tǒng)已在出廠及實船安裝前對整個的系統(tǒng)進行了陸地實驗室的驗證工作，已達到國際同類產品的相關技術參數和標準，由于陸地的安裝工況和船舶的安裝工況有一定差異，需在實際應用中采集數據和驗證，期待產品會有一個很好結果，但對整個系統(tǒng)而言仍存在不少的不確定因素。

1)本項目研制產品為國內首次進行，而國外公司技術封鎖嚴密，輸入條件不全面或欠缺、標準理解不透徹，可能引起項目初始分析與論證不到位，產生設計偏差。

2)潛液泵系統(tǒng)本身的復雜性和可靠性要求使得該型產品技術含量高，開發(fā)難度大。而國內也沒有該系統(tǒng)及其關鍵設備的實際試驗驗證裝置及驗證方法，因此驗證技術的研究也是初次進行，難免存在大量漏洞，即使對系統(tǒng)中的潛液泵單元及其控制系統(tǒng)進行樣機制造和陸上試驗驗證，與真實的船舶環(huán)境還是存在大量的不同，從而引起設計的正確性、可靠性得不到完整的驗證。

參考文獻

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Application of the Domestic Large Displacement

Submerged Cargo Pump in FPSO

XIAO Yu-hua

(CNOOC Energy Technology & Services -Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

Key words: submerged cargo pump; pump group; control unit; speed regulation valve