立式多级屏蔽泵在海上浮式生产储卸油装置上的首次应用

李东芳，高 华，高 鹏，马邦勇，王亚莹

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

某海上浮式生产储卸油装置（FPSO）上部工艺模块配置有一套轻烃回收处理系统。轻烃回收处理系统中，液化石油气（LPG）储存外输单元包括LPG储罐、LPG外输泵、LPG残液回收压缩橇、不合格LPG回收泵以及外输滚筒等设备（图1）。图1中虚线框为成橇范围。

图1 LPG储存外输单元流程示图

LPG泵是整个外输单元的关键设备，其运行好坏直接影响LPG产品质量及整船外输的正常运营。LPG泵介质为轻烃，具有易燃、易爆及泄漏危险性较高的特性。选型设计时，不仅要满足LPG输送的设计工况，而且要保证安全无泄漏。通过泵型的比选分析，选用屏蔽泵。

1 屏蔽泵结构及工作原理

1.1 屏蔽泵的结构及工作原理［1］

屏蔽泵内部构造见图2。

图2 屏蔽泵内部构造

屏蔽泵的泵头与离心泵一样，依靠叶轮的高速旋转来输送流体介质。电机转子和叶轮安装在同一泵轴上，共同组成转子部件。泵轴由2个滑动轴承支撑，由此，可省去联轴器和轴承箱，取消了机械密封，承压腔体由静密封形式来密封。

屏蔽电机的定子绕组通过定子屏蔽套与转子腔隔离，转子绕组外面包裹着转子屏蔽套。屏蔽泵在工作时，转子部件完全浸没在流体介质中，泵送的一部分介质会进入电机端，起到冷却电机和轴承的作用。有的屏蔽泵设计，还可以采用泵轴中心开通孔的方法对电机起到更好的冷却作用。

1.2 屏蔽泵特点

屏蔽泵的特点主要是安全性高。与离心泵相比，屏蔽泵结构无动密封，其电机外壳按泵壳压力设计，定子屏蔽套是第一道安全壳体，电机壳体可以起到二次壳体的保护作用［2］。因此，屏蔽泵可实现完全零泄漏，特别适合输送易燃、易爆物料，成功地解决流体输送中的跑、冒、滴、漏的问题，避免对周围环境的污染及由于易燃介质泄漏带来的安全隐患。

屏蔽泵的特点还有，①结构紧凑，占地空间少。泵头与电机同轴，是一个整体，同装在一个密封腔中，省去联轴器等连接部件。②无动密封结构的附属部件，易损件少，可靠性相对较高，日常维修工作量少，后期运行维护费用低。③可适应输送介质汽蚀余量过低的工况［3］。

2 LPG屏蔽泵选型设计分析

2.1 工艺设计参数

以LPG回收泵为例进行分析。LPG回收泵工艺设计参数见表1。

表1 LPG回收泵工艺设计参数

2.2 设计选型要点

（1）泵型式选择。此LPG回收泵流量较小，扬程较高，黏度小于2×10-4Pa·s，可选用挑担式屏蔽泵。

（2）泵壳体选择。用设计提供的LPG回收泵参数征询泵厂家技术方案，结合厂家方案选立式多级挑担式屏蔽泵［4］，采用双壳体设计。

（3）泵壳体最大设计压力和温度选择。屏蔽泵选型设计的主要标准规范有API 685—2011、ISO 15783—2003《无密封旋转动力泵》［5］以及ASME B73.3—2003《化学过程用非密封卧式端部吸力金属离心泵》［6］。根据液LPG泵的使用工况及设计参数，选定API 685—2011作为主要参考标准，确定壳体的温度和最大设计压力条件为不低于 60 ℃、4 MPa（G）。

（4）泵体及主要部件材料选择。主要考虑介质温度、压力、耐腐蚀性和强度。泵体和叶轮材质为 CF-3M（不锈钢），泵轴为 316L，定子屏蔽套选为Hast.C，转子屏蔽套为316L，滑动轴承为316L和碳化硅的混合型材料。

（5）避免泵汽蚀影响设计。为避免泵汽蚀的影响，该泵错层布置于船体主甲板，危险等级为Class 1 Zone 1 Grade IIA。屏蔽电机的绝缘等级为H，防护等级为IP56，防爆等级Exd IIBT4。

（6）冷却润滑循环方案设计。LPG屏蔽泵由于介质易汽化的特性，屏蔽泵内产生的热量应及时被带走，以免温升导致介质汽化带来的汽蚀问题及轴承润滑问题。因此，设计合理的冷却润滑循环设计方案是保证屏蔽泵安全运行的关键［7］。本项目LPG屏蔽泵采用泵壳体上开排气管口（图3），将排气管线接回到放空系统，这样可将可能少量汽化的LPG气体排放掉，以减少对泵运转带来的不良影响。

图3 立式多级泵示图（卧式状态）

（7）智能化状态检测设计。智能化状态检测装置主要组成包括，①轴向位移监控器。用于检测轴承磨损和轴向位移。轴向位移监控器加装在泵的后端盖上，根据电磁涡流原理取泵轴的轴向位移电压信号，并将此信号放大送至微处理器进行数字化运算。②二次承压泄漏检测。采用压力传感器检测承压腔内的压力。③功率保护器。屏蔽泵在运行时都需要利用工作液建立冷却、润滑循环系统，以保证内部散热及滑动轴承的正常工作，否则，电泵将会在很短时间内损坏。选用JYB/W型电机保护器作为屏蔽泵的干转监控器，一旦出现断液、汽蚀等异常现象，可立即停车、报警。YB/W型电机保护器还具有缺相保护、过载保护等功能，防止由于机械过载和缺相引起的线圈过热等问题，同时有电机转向保护功能。

2.3 变频水试问题

离心泵的电机功率与输送介质密度成正比。一般情况下，离心泵预期介质的密度大于水的密度，出厂水压试验可用工厂的其他大电机来替代项目电机完成试验。LPG密度比水密度小，进行泵出厂性能水试测试时会存在所需电机功率比泵实际运行所需功率大的问题。对此，可以参考API 685—2011第8.3.3节，选择从50 Hz降频到40 Hz（降低转速）完成性能测试试验。

2.4 适应性讨论

2.4.1 特殊工况

国内外石油化工领域和陆上项目中应用屏蔽泵的案例较多［8-14］，但屏蔽泵在国内FPSO项目的应用却是首次，应充分考虑工况的特殊性。工况的特殊性主要源于浮式船体处于不断的运动状态中这一事实，因此需要考虑船体晃动对泵使用性能的影响。影响主要体现在两方面，①如果泵内液腔液面不是完全充满状态，则需要考虑液面晃动对泵腔内各部件散热的影响，因而应为屏蔽泵配置功率保护器状态检测装置。②船体晃动产生的三向加速度会对设备机械强度产生影响。此处的三向加速度按照FPSO船体载荷分为压载工况和满载工况，而压载工况和满载工况又各自分为操作工况和极端工况，每种工况各包含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，见表2。

表2 影响LPG屏蔽泵选型的FPSO船体三向加速度 m/s2

2.4.2 泵体结构设计

船体晃动产生的三向加速度会对FPSO船上的LPG屏蔽泵提出多方面的的要求，从设计角度考虑，应注意以下几个方面，①从泵体内部结构（图3）设计来讲，立式安装的屏蔽泵正常操作时，转子浮在密封腔内，相对卧式安装，船体产生的晃动倾斜情况，轴的载荷更加均匀地分布在轴承上，或者更多地分布在平衡盘上。在潜艇应用上做过相关的试验，只有当加速度超过5g时，才会对泵的机械性能产生影响。②从泵体外部支撑结构加强型式设计（图4）来讲，通过固定多级立式泵的上下端部，让其在受到船体晃动时，能够与船体成为一个相对稳定的整体，从而避免泵体在竖直方向产生相对晃动，影响泵体的整体机械强度。③泵体外部等支撑结构（如支撑框架橇底座）的机械强度设计计算。计算工况有极端和操作工况，将船体极端运动载荷作为设计输入条件。④在屏蔽泵出厂试验过程中，要求厂家按照GB/T 10832—2008《船用离心泵、旋涡泵通用技术条件》［15］，对泵进行静倾斜试验。厂家搭建倾斜角为22.5℃的倾斜试验台（图5）。泵体固定于试验台上进行泵的性能试验，由此对屏蔽泵适应船体晃动的性能进行模拟试验验证。

图4 立式多级屏蔽泵外部支撑示图

图5 屏蔽泵出厂静倾斜试验试验台

3 LPG屏蔽泵工程应用评估

3.1 现场运行效果

目前，FPSO已经完全投产运行。FPSO项目LPG回收泵在现场运行平稳，流量及扬程均满足现场目前操作工况，无噪音超标的问题。

3.2 推广应用

从目前的使用情况来看，在国内FPSO上应用立式多级屏蔽泵替代液压隔膜泵或双端面密封的离心泵，能有效避免LPG输送存在的泄漏风险，节省设备采办成本、占地面积，达到降本增效的目的。此次LPG泵选型优化的效果显著，经验值得推广。

4 结语

近几年，海上油气田开发朝向深水领域的发展及国家对海上环保要求的提高，使得海上油气处理设备向着高参数化方向，相关设备的使用工况变得更加严苛。屏蔽泵的无泄漏特点特别适合海上油气开发的需要，极具技术优势和应用潜力。文中介绍的立式多级屏蔽泵在FPSO的使用，可为今后海上油气开发项目（尤其浮式生产设施项目）提供设备选型应用的参考依据，具有重要的推广和指导意义。