FPSO潜液泵系统的构成与特点

李战，陈斌，赵雷刚，易奇昌

FPSO潜液泵系统的构成与特点

李战，陈斌，赵雷刚，易奇昌

针对FPSO潜液泵系统国内市场被国外少数公司垄断的问题。以某FPSO潜液泵配套工程为依托，通过分析潜液泵系统的构成、工作原理与特点和设计关键技术，构建潜液泵系统技术体系。

潜液泵单元；电控系统；液压系统；设计技术

我国是世界上使用FPSO最多的国家之一,也是FPSO设计与建造的大国。大排量潜液泵系统是FPSO上的必要系统设备[1]，该系统技术难度高，风险大，核心技术被国外少数公司垄断[2-3],同时价格较高。

国外潜液泵系统在中国市场占有率约为70%。尝试以某FPSO为依托工程，概括潜液泵系统设计原理及特点。

1 潜液泵系统的组成

PFSO潜液泵系统主要由潜液泵单元、液压系统和电控系统3大模块组成，系统构成见图1。

3个主要模块分别为：①控制核心电控系统；②驱动核心液压系统；③执行机构潜液泵单元。整个系统通过电控系统调节液压系统的输送压力，以及对控制阀组对调速阀的远程控制，通过调速阀的先导压力进行调节实现潜液泵单元排量的控制。最终实现潜液泵的无级调速，提高潜液泵单元的适用范围。另外，通过采用一舱一泵的布置格局[4]，使得整个潜液泵系统卸货灵活度得到很大提高。

电控系统[5-7]通过越控功能设计，当遥控系统故障导致系统停机时，通过对该类故障进行核实后，能够使潜液泵系统重新启动工作，屏蔽非功能性故障，保证潜液泵单元正常状态的工作。根据越控的各种模式进行设置越控方案，保证发生故障后启动对应的越控方案系统仍能常规模式继续工作。

液压系统可以同时驱动多台潜液泵单元，主要有主泵组、压力控制阀组、遥控阀组、单向溢流阀组、过滤器、冷却器及补油泵组等。通过恒压变量控制方式以及补油保压和油液加热等设计方式，使得液压系统的控制精度和灵敏度得到了很大提高，且操作简单可靠。恒压变量控制系统工作原理见图2。

当泵出口压力与压力控制阀组设定值有所差异时，主泵变量机构的液压缸活塞小端在液压力和弹簧预紧力存在差值，差值驱动活塞杆运动，带动主泵斜盘的倾角发生变化，从而调整泵的排量。

2 潜液泵单元的结构与设计技术

2.1 潜液泵单元结构

FPSO潜液泵单元是由甲板组件、管柱组件、泵头组件3大部分组成构成，见图3。

在潜液泵单元中，通过甲板组件把泵体固定在船体上，甲板组件支撑STC阀和整个泵体，并作为液货产品卸载的出口，与船上管路连接；管柱组件集成动力和液货传输及密封监测等功能为一体，是液压系统把动力传输到泵头的重要结构，也是液货从泵口吸入传输到甲板上管路的重要中间通道；泵头组件是潜液泵单元的核心部件，是把液货吸入并提供传输压力的重要元件，其性能优劣直接影响整个系统的性能变化。

2.2 同心管柱技术

管柱组件通过采用同心管柱的设计方式来到达功能实现要求。同心管柱具有传输液压动力和密封监测的功能，结构见图4。同心管柱由3层管柱组成，高压液压油管位于最里面的中心层，回油管在第2层，监测腔位于最外侧。

此设计旨在提高同心管柱的可靠性和经济性。

正常情况下，高压管承受的压力是液压回路最高工作压力p1，回油管承压为低压回油管路压力p2。压力取决于背压设计，监测腔管路为常压p3。如果高压管发生泄漏，液压油便会进入低压管，此时回油管的压力p2会升高，高压管压力p1会降低，两管路的液压油介质是相同的。这样不但不会造成液压油的污染，还可起到压力报警作用，对整个液压油回路系统起到保护作用；如果回油管发生泄漏最外侧的监测腔便会有液压油进入，监测腔压力p3同样会升高，也能达到报警作用。另外，最外层的监测腔还兼作整个液压系统回路的密封监测报警的结构，同时监测腔对内部管路的有保护作用，对于不同介质环境的潜液泵系统而言，只要监测腔的材质能够满足使用，内部高压管和回油管便只需考虑液压油的压力和流量的影响，能提高整个系统的通用性，降低管路系统的设计成本。

综上，同心管柱的设计结构形式具有高可靠性、高通用性及经济性等特点。

2.3 水力单元技术

泵头组件的水力单元，叶轮通过采用叶轮背叶片的设计技术，在保证泵头水力性能的前提下，消除轴向力不平衡，同时提高泵头组件可靠性，以达到整个泵系统的可靠性的提高。

叶轮背叶片位于叶轮盖板外侧，背叶片随叶轮一起旋转，强迫液体旋转，液体的旋转角速度增加。后侧的压力水头增加。由于叶轮两侧盖板不对称，产生轴向力。背叶片增加的压力即为平衡力。背叶片除平衡轴向力外，同时也能减小轴封前的液体的压力。而且背叶片使叶轮与壳体的间隙减小，见图5。该间隙有防止杂质进入轴封的功能，故常用于抽送介质中含杂质的泵。装背叶片泵的扬程大约提高1%～2%，使泵的效率下降2%～3%。背叶片平衡轴向力原理图见图5。

未加背叶片右侧压力水头分布如图5中的曲线AGF，左侧的压力水头分布如曲线ADF所示。加背叶片后，背叶片内液体角速度增加，后侧的压力水头如曲线AGF所示，它和原曲线相差的影线部分，表示背叶片平衡的轴向力。该平衡可通过积分求的[8]。

此外，导流壳采用后置的空间导叶设计技术，将压水室设计成圆周对称的空间导叶结构，这样叶轮径向力在圆周方向便能达到一致，在理论方面最大限度地减小径向力。对于大流量泵来说，径向力减小，将能够降低整机运行的振动与噪声水平,提高整机的使用寿命[9]。为了提高设计的可靠性，对设计结构模型进行CFD有限元仿真分析[10](见图6)，进一步证明该项设计技术的可靠性和可行性。

2.4 材料

FPSO潜液泵单元所有过流部件通过采用耐腐蚀的不锈钢材质的材料，能够适应于各种复杂恶劣环境，能够使用于中等酸碱等介质的液货卸载和输送。

3 潜液泵系统的功能

如图7所示，FPSO潜液泵系统[11-12]具有以下功能：

1)满舱卸货。液货卸载是潜液泵系统的主要用途功能。液货满舱状态，通过电控系统的控制以及液压系统的动力驱动，潜液泵单元能够完成液货的卸载。

2)扫舱。潜液泵系统通过扫舱功能设计，使货油泵最大限度地卸尽残油。

3)密封泄漏检查。通过密封泄漏监测结构设计，使得在整个货油泵作业过程中，通过甲板油箱上的可视液位计进行判断潜液泵单元密封的性能。通过隔离空腔检查管与泵头密封位置、隔离空腔连通技术设计，观察可视液位计液位高度变化，由此判断泵头密封位置的密封状态。

4 结论

潜液泵作为成品油船、化学品船、FPSO等液货卸载主流配套设备，但潜液泵技术一直为国外一些厂商所垄断，发展潜液泵系统设计开发，具有打破国外产品垄断市场的局面和填补国内空白的重要的意义。

另外，由于潜液泵系统具有广泛的适用性、本质安全性等优势，发展潜液泵系统技术在液货系统装卸领域具有较广阔的市场前景。

[1] 孟存银.超大型油轮油泵和压载泵的应用[J].江苏船舶，2011(1)：15-17.

[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(4)：129-132.

[3] 施卫东，王洪亮，余学军,等.深井泵的研究现状与发展趋势[J].排灌机械，2009,27(1)：64-66.

[4] 李奉香，黄政，高旗.化学品船一舱一泵货油系统的设计与安装[J].造船技术，2008(3)：11-13.

[5] 邵昱，陈棘，唐石青.液货船的装卸自动化系统设计[J].上海造船，2008(2):27-29.

[6] 曾向明，詹玉龙，张道兵.大型船货油泵装卸仿真模拟装置的开发[J].上海海事大学学报，2006(1):5-8.

[7] 魏雷.货油系统的分析[J].广船科技，2006(2):34-36.

[8] 关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社,2011.

[9] 黄书才，杨勤，罗力，等.一种船用离心泵径向力平衡的设计方法研究[J].船舶与海工，2015(2):53-57.

[10] 关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社,2011.

[12] 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(5):84-87.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Constitute and Features of the Submerged Pumps of FPSO

LI Zhan, CHEN Bin, ZHAO Lei-gang, YI Qi-chang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

Nowadays the technology and market of the submerged pumps of Floating production storage and offloading units (FPSO) are monopolized by some foreign companies. Aiming at the auxiliary project of the submerged pumps for a FPSO, the system configuration, operating principle and characteristics, as well as the key techniques in design of the submerged cargo pumps were analyzed, so as to set up the technology system of the submerged pumps.

submerged pumps; electrical control system; hydraulic system; design technique

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.036

2016-07-14

工业和信息化部 (工信部联装[2013]411号)

李战(1988—)，男，硕士，工程师研究方向:液货系统配套设备机械设计研发

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0145-04

修回日期：2016-09-06