“混凝土开发生产平台”外输泵选型

张方海，牛志刚

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300452)



“混凝土开发生产平台”外输泵选型

张方海，牛志刚

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300452)

综合比较目前常见的3种外输泵系统的结构形式、占用空间、动力要求、维修方式、系统控制、经济性及能耗等方面因素，考虑北部湾海域边际油田开发实际需求，筛选出适合混凝土开发生产平台的外输泵系统。

混凝土开发生产平台；外输泵；货油泵；潜液泵；深井泵

混凝土开发生产平台主要由上部钢结甲板、中部钢结构机泵舱和下部混凝土沉箱3部分组成，具有油气生产处理、原油储存、外输、靠泊及钻修井等功能。针对北部湾海域周边无依托设施、低品位油藏，且需要密井网开发的大中型边际油田，拟设计开发一种多功能油气生产处理平台。使该平台具备自浮能力，可湿拖，可多次搬迁重复利用，既适用于南海北部湾海域边际油田的开发，又适用于大中型油田滚动开发。在正常生产工况下，井口来液经平台工艺系统处理后，合格原油进入位于下部混凝土沉箱中部的原油舱储存。当储存到一定量时，通过外输系统将合格原油输送至穿梭油轮外运。因此外输系统是平台生产运营期间的至关重要的部分，其中外输泵是整个系统的关键设备。目前大型油船及FPSO上常见的外输系统即货油系统主要包括泵舱式货油泵系统、液压潜液泵系统和电动深井泵系统。以混凝土开发生产平台为研究对象，从结构形式、占用空间、动力要求、维修方式、系统控制、经济性、能耗等方面对三种外输泵进行综合比较分析，筛选出适合在混凝土开发生产平台应用的外输泵。

混凝土开发生产平台原油舱位于混凝土沉箱中部，原油舱由6个隔舱组成，按2组排列，原油舱总容积为12 000 m3。原油舱上面为机泵舱，机泵舱主要布置外输泵、压载泵、污油水泵、注水泵等机泵类设备。根据平台特点及功能需求，以原油外输流量1 000 m3/h为参考进行外输泵的选型。

1 结构型式对比

泵舱式货油泵系统(以下简称“泵舱泵系统”)一般由电机、传动轴系、货油泵及控制系统组成，货油泵多为单级双吸离心泵[1]。泵舱泵系统布置方式采用隔舱式布置即电机安装在机舱内，货油泵安装在泵舱内，两者之间通过安装在舱壁上的穿舱传动轴系相连[2]，传动轴系具有气密防爆和动力传递功能，见图1。

泵舱泵的动力来源于由变频器控制的电机，电源可由平台上的主电站提供，而电机的速度则由变频器来控制。泵舱泵的电机轴、中间轴与泵轴之间的连接要求对中。泵头部分，叶轮组件采用两端支撑结构。

液压潜液泵系统(以下简称“潜液泵系统”)由潜液泵、液压泵站及控制单元组成[3]，见图2。

图2 典型潜液式货油泵系统

潜液泵由液压马达、驱动轴系和单级离心泵组成[1]。相对于泵舱泵系统，潜液泵系统不需要设置专门的泵舱，液压泵站布置在机舱或直接布置在甲板上，潜液泵直接安装在原油舱底部。潜液泵的动力来源于液压泵站，而液压泵站一般由电动机组驱动，电源可由主电站提供。潜液泵通过液压油环路内的高压液压油驱动液压马达带动，泵转速通过一个控制阀实现独立的无极调速。潜液泵浸没在原油舱底部，马达离泵头很近，驱动泵头的轴较短。泵头部分，叶轮通过短轴悬臂支撑。

电动深井泵系统(以下简称为深井泵系统)一般由电机、驱动长轴、深井泵及控制系统组成。深井泵又称长轴泵多为多级离心泵[4]，见图3。

该系统与潜液式货油泵系统类似，电机可布置在机舱或直接布置在甲板上，深井泵也是直接安装在原油舱底部。深井泵的动力来源于由变频器控制的电机，电源由主电站提供。电动机的速度则由变频器控制。深井泵系统中，电动机置于机舱或甲板上，通过一根穿过原油舱的长轴驱动舱底部泵头内的叶轮实现旋转运动。驱动长轴一般长度为10～20 m[5]，通过焊接在船体上的鞍形支座来支撑，并且与驱动叶轮转动的短轴相连，长、短轴以同样的方式运动。

图3 电动深井泵

针对3种外输泵的结构形式，结合混凝土开发生产平台特点及需求，制定3种外输泵选型方案，主要特性参数见表1。

表1 3种外输泵的主要特性参数

2 占用空间对比

外输系统的选择对平台机泵舱整体布局有一定的影响。3种方案都需要货控室来操作外输泵系统，3种方案对货控室空间的需求没有显著差别。

2.1 泵舱泵系统需要空间

用来安装货油泵的泵舱空间，需在机泵舱单独布置泵舱，与机舱用舱壁隔开。在与泵舱相邻的机舱内，需要提供足够的空间用来安装货油泵驱动电机。用来安装变频器的变电站。

2.2 潜液泵系统需要空间

在机泵舱中，每组油舱顶部都要能够为潜液泵的安装提供足够空间。机泵舱中需为液压动力源提供足够空间的动力室。容积与整个液压系统里面的液压油体积相当的液压油箱。容积不小于整个液压系统里面的液压油体积的液压油泄油箱。

2.3 电动深井泵系统需要空间

在机泵舱中，每组油舱顶部都要能够为深井泵和电机的安装提供足够空间。用来安装变频器的变电站。

外输泵系统空间需求对比见表2。

由表2可以看出，电动深井泵系统具有较大的空间优势，与其他2种系统对空间需求的差别大约在17～27 m2。

表2 外输泵系统空间需求对比 m2

3 动力要求分析

根据3种外输系统驱动方式，泵舱泵和深井泵都是由电动机驱动，而潜液泵是由液压马达驱动。通过对3种系统的运行原理进行比较，很容易理解2者之间能量消耗率的差别。潜液式货油泵系统电能首先被转化成以高压液体形式存在的机械能，高压液体再通过高压管道来操作泵体。而泵舱式货油泵系统或电动深井泵系统，电能到机械能的转化由电动机驱动泵体运转实现。能量通过电动机和轴时的损失小于给液压油加压和高压油流动过程中的损失。2种外输泵系统驱动方式的区别见图4。

图4 2种外输泵系统驱动方式的区别

具体到上述3种选型方案，泵舱泵系统的功率消耗为0.38 kWh/m3，潜液泵系统的功率消耗为0.48 kWh/m3，而深井泵系统的功率消耗则为0.41 kWh/m3。

另外，比较泵舱式货油泵系统、潜液泵系统和电动深井泵系统发现：泵舱式货油泵采用单级双吸叶轮，效率可达到85%左右，潜液泵系统和电动深井泵系统采用单级单吸叶轮，效率一般不高于80%，两者的差异对单位功率消耗也影响较大。

4 系统控制分析

泵舱泵系统和深井泵系统均采用变频器来控制电机，可以对泵的转速实现无级调速控制。正是由于速度的可变性，使得外输系统的电机和泵能够发挥最优的性能。

由于变频器的存在，系统不再受限于平台电制。泵的速度可以实现从0到最大3 600 r/min的变化。

关于系统控制，利用变频器控制电机的另一个优势是，这种系统可以设计成一个很平稳的启动器。这意味着电机和泵的速度可以从0开始逐渐加大，不但可以减小发电机的额定功率，还可以减少整个系统的磨损。

液压潜液泵系统采用液压马达进行驱动，转速是通过调节阀进行本地或远程无极调速[6]，但与变频调速的方式进行比较，显然精度会差一些，但对于进行潜液泵转速调节，其转速偏差也还是在可接受的范围内，基本上也可认为潜液泵实现了无级调速控制。

5 系统维护分析

由于3种系统有本质上的区别，所以维护要求不同。

泵舱泵系统电机安装在机舱内，泵头安装在泵舱内，叶轮组件采用的两端支撑结构，一旦泵头内的叶轮损坏并且失去平衡，两端稳固的支撑也会限制叶轮组件，不会产生剧烈的振动。同时设置在轴承座上的震动监测装置会及时报告振动情况，以便于对故障进行及时处置，进一步防止对系统其他部件造成损坏。

潜液泵系统泵头和液压马达安装在原油舱底部，泵头部分，叶轮通过短轴悬臂支撑，一旦泵头内的叶轮损坏并且失去平衡，系统内的短轴轴端都会产生剧烈的振动。同时因为整个泵头浸没在原油舱内，无法安装振动监测装置，不能及时发现故障并进行处置，可能会导致液压马达等系统其他部件损坏。

深井泵系统电机安装机泵舱内，泵头安装在原油底部，泵头由一根长轴驱动。与液压系统相比，深井泵系统的结构缺点在于深井泵系统内的长轴[7]。一旦泵头内的叶轮损坏并且失去平衡，与液压潜液泵系统相同，系统内的短轴轴端会产生剧烈的振动。如此，泵头顶部以及泵和机舱甲板的连接处就很危险。

相对于另外2种外输泵型式，泵舱泵的所有组件都安装在机泵舱内，有利于维修和检测。

从日常保养维护方面来说，潜液泵系统具有更复杂的构成，比泵舱泵和深井泵系统需要更多的维护保养。

6 经济性对比

主要包括初始成本和运行成本，因运行成本没有对应的数据积累，这里主要分析系统初始成本。

初始成本可分为2部分，即购买成本和安装成本。购买成本包括了系统需要的所有设备的成本，但是不包括安装。这部分的初始成本很大程度上取决于市场。

本项目3种外输泵系统的购买价格对比见表3。

表3 泵的购买成本对比

安装成本主要包括材料费、设备安装费、调试费及人工费等。对于新建平台而言，3种外输泵系统的安装成本相差并不突出。从系统的复杂程度来看，由于潜液泵系统的构成更为复杂，安装成本较另外2种系统更高些，其次，由于深井泵泵体结构较为复杂，其安装成本较泵舱泵系统要高一些。

因此，从初步成本分析结果来看，泵舱泵系统的经济性相明显优于其他2种系统。

7 结论

通过对三种外输泵系统技术性及经济性对比可以看出，泵舱泵系统虽然占用空间较多，但其能耗、效率及初始成本较另外2种系统更具优势，且系统维护方面，泵舱泵系统的主要设备都安装在机泵舱内，操作维修更为方便。因此，综合各方面的对比结果不难看出，泵舱式货油泵更适合本混凝土开发生产平台的外输系统。

[1] 吴仁荣.油船货油泵的发展和现状[J].机电设备,1995(4):12-19.

[2] 吴震宇，汤敏.油船大型货油泵系统现状及发展趋势[J].船海工程,2012，41(4):129-132.

[3] 肖玉华.国产大排量潜液泵在FPSO上的应用分析[J].船海工程,2015，44(5):84-87.

[4] 王东海.浅谈油船货油泵及其系统的选择[J].船舶,1992(1):34-45.

[5] 孔令海，李培扬.潜水泵与深井泵的选用[J].中国海上油气(工程),1999，11(5):39-42.

[6] 魏雷.货油系统的分析[J].广船科技,2006，2:34-36.

[7] 张绍谦，杨贵强.FPSO舷侧深井泵替代机舱海底门供水系统研究[J].中国造船,2010，21(2):492-499.

On Type Selection of Transfer Pump for the Concrete Development and Production Platform

ZHANG Fang-hai, NIU Zhi-gang

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

Various influence factors in the type selection of the transfer pump were analyzed by comparing with three kinds of common used transfer pump systems from aspects of structural style, space occupation, power requirements, maintenance methods, systems control, economy, energy consumption and so on. According to the development requirements of the marginal oilfield in Beibu gulf, the proper transfer pump was eventually selected for the concrete development and production platform.

concrete development & production platform; transfer pump; cargo oil pump; immersed pump; deep well pump

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.007

2016-07-10

中国海洋石油总公司项目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 08 LTD NFCY 2015-01)

张方海(1981—)，男，学士，初级工程师

U664.5

A

1671-7953(2016)05-0028-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:科技项目管理

E-mail:zhangfh6@cnooc.com.cn