FPSO液压潜没泵应急保压系统的研究与分析

祁德路 张守森 张凯 仲光华 韩玉

(海洋石油工程股份有限公司设计公司 天津 300450）

[关键字] FPSO；液压潜没泵；液压系统；保压

1 液压潜没泵液压系统构成

浮式生产储油装置FPSO适应的水深范围广、抗风浪能力强、可及时转移和重复利用，其发展对我国开发深水油气资源具有重要战略意义。液压潜没泵作为FPSO油气储存、外输和污油水处理的关键设备，系统组成复杂、辅助设施较多，整套系统遍布于FPSO船体的主甲板、液压间和控制室等。如果按照各设施功能划分，那么液压潜没泵系统可由执行机构液压泵单元，驱动核心液压系统和控制核心电控系统3大模块组成，系统构成见图1所示。

图1 液压潜没泵系统组成

其中液压潜没泵单元由甲板组件、管柱组件和泵头组件三大部分组成，除甲板组件在甲板面以上外，管柱组件和泵头组件都在液货舱内，甲板组件由STC阀、隔离液管和支撑泵体的座板组成；管柱组件由三根同心管组成，从内到外依次为高压液压管、低压液压管和隔离液管；泵头组件是液压潜没泵的核心部件，主要由液压马达，叶轮以及隔离密封件等组成，是把液货吸入并提供传输压力的重要元件，直接影响整个货油系统的外输。

内到外依次为高压液压管、低压液压管和隔离液管；泵头组件是液压潜没泵的核心部件，主要由液压马达，叶轮以及隔离密封件等组成，是把液货吸入并提供传输压力的重要元件，直接影响整个货油系统的外输。

2 泵头组件压力分析

因泵头组件位于液货舱的最底部，而FPSO液货舱的舱高一般都比较高，故泵头组件在液货舱满仓时承受的静压头较大，对泵头轴封的密封性要求很高，为了便于检测泵头处轴封的密封状态，同时避免轴封损坏时液货油进入到液压油系统对整个液压系统造成污染，液压泵头处一般设置有严密的密封和监测装置，泵体结构详图如图2所示：

图2 液压潜没泵泵体结构

潜没泵的隔离液管和甲板组件处的隔离液罐相连，因隔离液罐所在位置在液货舱顶甲板之上，隔离液罐中的液面高度高于其所在液货舱的液面，所以在泵头组件处隔离液的静压力正常情况下会大于外部液货的压力，其液位会保持不变。当液货侧和隔离液侧的密封有损坏时，隔离液会进入到液货当中，隔离液罐观察镜处的液位会下降；同时，为了避免隔离液进入到液压油内污染液压油，需要泵头处低压液压油的压力高于隔离液的压力，当机械密封有损坏时，液压油会进入到隔离液当中，甲板上隔离液罐观察镜处的液位会上升。泵头处密封结构参照图三。当隔离液罐中液位发生较大变化时（需要排除由于环境温度变化引起的液面微动），需要操作方对泵头进行检修或更换密封，并重新加注隔离液。

泵头组件处的压力大小顺序为：液压油侧油压P1大于隔离液侧压力P2，隔离液侧压力P2大于液货侧压力P3（见图3）。

图3 泵头密封结构

3 保压原理

液压潜没泵的泵站中设置有主液压油泵和辅助补油保压泵，主泵负责输出高压液压油，辅泵为液压系统补油并保持一定的回油背压，保持系统内液压油压力，一方面保证液压油流动防止液压油凝结，另一方面的作用就是保证泵头内液压油压力P1始终大于隔离液压力P2和液货在机械密封处的压力，参照（图3）所示。

在FPSO台风来临避台风或者平台失电时，保压泵无法提供压力，这就需要提供一套额外的保压系统在此工况下提供液压系统压力，以维持液压油侧的压力大于隔离液测。

4 重力油柜保压

在失电情况下，结合多个液压潜没泵配套项目经验来看，常采用设置重力油柜的方式来实现保压效果。即在系统最高处以上某处（高于系统最高管线一定高度）设置一套液压油柜与系统回油管线相连，通过高度差静压使泵内液压油保证一定的压力，如（图4）所示，3为重力油柜，加注与系统相同的液压油，平时阀门2为常闭状态，紧急状态下打开阀门2，关闭阀门1和4，可保证系统内液压油压力静压高于舱内液货在泵头处静压。

图4 重力油柜应用示意图

结合“深海一号”半潜式生产储油平台液压潜没泵的液压系统布置来看，HPU位于仅次于立柱顶部的房间，液压管线从立柱顶部的甲板穿出后与位于立柱顶部的潜没泵相连，若采用传统的重力油柜式的保压装置，由于要达到设计要求，需要重力油柜的高度高于系统管线最高点5米以上（具体高度需根据液货舱高度和泵头所在位置确定），若在立柱顶部布置需要做高于立柱顶部7米高度的支架，这显然是不切合实际的，一方面结构强度不能达到要求，且会影响整个项目的设计；若将重力油柜放在组块上，由于组块的空间有限，会打破组块即有的布置设计，额外增加若干的液压管线，且还要考虑液压重力油柜的防火防爆等要求实施起来的复杂程度较大。

5 蓄能器保压

为解决重力油柜在深海一号应用困难的情况，设计人员大胆采用了在液压行业内应用普遍却在海洋工程中应用较少，特别是液压泵系统中未曾有应用案例的蓄能器保压原理。

蓄能器多为气囊式，气囊内冲入氮气或其他惰性气体，在使用前蓄压，释放即打开阀门后即可使管线内充压，见图5。

图5 蓄能器工作原理

蓄能器体积小，易于布置，可设置在液压泵站旁，回油管线侧。液压蓄能器的设置方案见（图6），图中1为HPU低压侧隔离阀，2为蓄能器隔离阀，3为蓄能器，4是高压侧隔离阀。

图6 蓄能器应用示意图

蓄能器内胶囊内冲入最低系统低压液压油压力的氮气压力，通过隔离阀与液压回油管线相连，在正常工况下蓄能器处于保压状态，隔离阀（2）处于常闭状态，低压侧隔离阀和高压侧隔离阀处于常开状态，系统通过HPU的保压泵对系统进行保压；在FPSO台风来临人员避台或者平台失电时先将低压侧隔离阀1和高压侧隔离阀4关闭，然后将蓄能器侧的隔离阀2打开，蓄能器即可与液压管线相连通，维持系统的压力，由于低压侧隔离阀1和高压侧隔离阀4的密闭性极好，蓄能器能在相当的一段时期内维持系统压力，保护了液压系统的洁净度，保证了液压系统运行的可靠性。在日常使用过程中需操作人员定期检查蓄能器压力，随时补充，确保在应急工况下随时能使用。但有一点需要特别指出的是气囊式蓄能器的寿命取决于气囊的使用寿命，介质以及工作温度等影响，故而需要根据应用实际情况更换或维修。

6 结论

潜没泵已经成为FPSO、油品船舶和化学品船等货液卸载转运的主流设施，而液压驱动是目前潜没泵应用最灵活、最安全的驱动方式，液压油的洁净度是保证液压系统良好运行的前提保障，良好的密封性能保护液压油免受污染，而密封监测是密封性能的最直观手段。但在突发情况，比如避台或其他紧急失电的工况下，如何继续维持液压泵系统的密封性能则成为了液压泵系统设计和使用的不可避免的问题。

本文介绍了两种系统保压的方法，重力油柜和蓄能器，并分析了两种方法的优缺点：蓄能器体积较小，相比重力油柜设计没有空间高度的布置要求，节约了空间和管线材料，更便于现场布置；重力油柜操作更为简便，蓄能器一次充气后需要蓄能，且需要定期检查压力且寿命不确定。结合“深海一号”半潜式储卸油平台实际的应用条件，选择了空间要求较小，能大量节省液压管线布置的蓄能器保压方式。这种选择与应用可作为后续FPSO，半潜平台或类似设计条件的参考方案。