國(guó)產(chǎn)大排量潛液泵在FPSO上的應(yīng)用分析

國(guó)產(chǎn)大排量潛液泵在FPSO上的應(yīng)用分析

肖玉華

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)基本無(wú)廠家提供適合液貨船配套的潛液泵產(chǎn)品。結(jié)合武漢船機(jī)研制的潛液泵基本情況，在進(jìn)入實(shí)船安裝階段，就前期設(shè)計(jì)工作對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析，以催進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：潛液泵；泵組；控制單元；調(diào)速閥

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.024

中圖分類號(hào)：U664.5；P754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0084-04

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一肖玉華(1965-)，男，學(xué)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(xiàng)目：工信部實(shí)船安裝項(xiàng)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(nèi)的液貨向外部輸送的泵送設(shè)備，主要應(yīng)用在FPSO、成品油船、化學(xué)品船等液貨船上?？紤]到工作環(huán)境和安全性能要求，大都為液壓驅(qū)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的泵艙泵系統(tǒng)，潛液泵系統(tǒng)不需要設(shè)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(nèi)不同種類化學(xué)物質(zhì)，此類貨油泵能夠適應(yīng)不同密度、粘度、溫度的傳輸介質(zhì)，泵體材料具有非常高的防腐性能。

國(guó)際上生產(chǎn)潛液泵的技術(shù)被FRAMO(挪威)、HAMWORTHY(丹麥)、SHINKO(日本)與HYUNDAR(韓國(guó))等國(guó)外少數(shù)公司壟斷。挪威FRAMO泵是當(dāng)今液貨船的外輸及掃艙等活動(dòng)的首選設(shè)備，世界市場(chǎng)占有率約為70%，幾乎己成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)價(jià)格也高。

液貨泵系統(tǒng)是一個(gè)以液壓傳動(dòng)為動(dòng)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(jī)艙內(nèi)，由柴油機(jī)組動(dòng)力單元和電動(dòng)液壓動(dòng)力單元和液壓泵等組成。所有的液貨泵和其他液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備都通過(guò)液壓油環(huán)路由高壓液壓油驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)中每一個(gè)用戶都可以通過(guò)一個(gè)控制閥實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的無(wú)極調(diào)速。液壓油分配系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)并達(dá)到節(jié)能的效果。該裝置可根據(jù)系統(tǒng)所需的液壓油流量來(lái)調(diào)節(jié)液壓泵的排量，并使系統(tǒng)壓力維持在設(shè)定點(diǎn)[1]。系統(tǒng)典型的布置見(jiàn)圖1。

圖1　典型潛液泵系統(tǒng)組成

表1為最近幾年國(guó)內(nèi)不同噸位的FPSO貨油泵配置。

表1　國(guó)內(nèi)不同噸位的FPSO貨油泵配置表

由表1中可見(jiàn),FPSO的貨油系統(tǒng)主要配置泵艙泵和潛液泵，15萬(wàn)t以下的FPSO主要使用泵艙泵，已建及在建的15萬(wàn)t級(jí)以上FPSO大都使用潛液泵。目前市場(chǎng)上主流的FPSO噸級(jí)集中在10～20萬(wàn)t級(jí)，15萬(wàn)t級(jí)及以上FPSO是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，新建造的FPSO規(guī)格逐步向大型化發(fā)展，越來(lái)越多投產(chǎn)的FPSO噸級(jí)達(dá)30萬(wàn)t級(jí)。15萬(wàn)t級(jí)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(shù)量上有所不同。

武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱：武漢船機(jī))是我國(guó)船舶配套企業(yè)的旗艦，是國(guó)內(nèi)惟一開(kāi)展FPSO等液貨船貨油設(shè)備自主研制的單位。2009年以來(lái)，公司開(kāi)始進(jìn)行泵艙式貨油綜合系統(tǒng)的自主開(kāi)發(fā)，突破了貨油泵關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，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(shè)備中一個(gè)重要成員，已成為公司貨油設(shè)備發(fā)展的重要方向。

1國(guó)產(chǎn)潛液泵原理

潛液泵系統(tǒng)由武漢船機(jī)提供的WPS300為主打產(chǎn)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(shù)量最多的泵。液壓系統(tǒng)為潛液泵及船上的其他設(shè)備諸如壓載泵、便攜泵、側(cè)推及甲板機(jī)械提供動(dòng)力源，同時(shí)利用其控制閥組控制潛液泵的運(yùn)行[2]。

電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)，在明珠號(hào)上進(jìn)行驗(yàn)證的系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

圖2　明珠號(hào)上進(jìn)行驗(yàn)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(tái)布置在液貨艙的WSP300貨油泵組成。潛液泵單元是實(shí)現(xiàn)液貨卸載的執(zhí)行部件，主要由潛液泵泵頭、同心管柱、調(diào)速閥組成[3]。潛液泵泵頭包括水力元件、驅(qū)動(dòng)軸系、液壓馬達(dá)等。同心管柱包括高壓液壓進(jìn)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(diào)速閥實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)流量調(diào)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)貨油裝卸等工作提供動(dòng)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(dòng)力單元由相應(yīng)數(shù)量的泵組組成，根據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備所需功率確定泵組的數(shù)量[5]。

2.3電控系統(tǒng)說(shuō)明

電控系統(tǒng)主要包括貨控臺(tái)、接線盒及系統(tǒng)急停按鈕、貨油泵急停按鈕、電機(jī)啟動(dòng)器、3.3 kV/400 V變壓器、低壓開(kāi)關(guān)柜、高壓開(kāi)關(guān)柜等。其中貨控臺(tái)是潛液泵系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛液泵系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和控制，包含有2個(gè)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(yùn)行及維護(hù)提供必需工具。

3功能介紹

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

1)本地/遙控控制。潛液泵系統(tǒng)能夠通過(guò)人機(jī)交互面板實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵站操作及潛液泵排量控制，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置有機(jī)旁控制功能,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓泵站本地啟停、壓力調(diào)節(jié)等控制以及潛液泵調(diào)速閥手動(dòng)調(diào)速，方便機(jī)旁人員的操作。

2)應(yīng)急停止。潛液泵系統(tǒng)中包含了3套應(yīng)急停止按鈕。1套安裝于貨控室控制臺(tái)，1套位于液壓泵站機(jī)旁，用于緊急情況下停止整個(gè)液壓系統(tǒng)，即停止液壓動(dòng)力泵組電機(jī)，且所有的電磁閥失電；1套應(yīng)急停止按鈕安裝在潛液泵旁，用于緊急情況下停止?jié)撘罕?，液壓?dòng)力泵組不停機(jī)。

3)越控功能。設(shè)置越控功能，當(dāng)遙控系統(tǒng)故障等導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，該類故障核實(shí)后，為了使?jié)撘罕孟到y(tǒng)能夠重新啟動(dòng)進(jìn)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?？刂葡到y(tǒng)能夠通過(guò)FPSO上中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛液泵系統(tǒng)動(dòng)力泵站啟動(dòng)/停止、液壓系統(tǒng)壓力設(shè)定、主壓力設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)等功能?？赏ㄟ^(guò)硬線聯(lián)接和串行通信等實(shí)現(xiàn)。

4潛液泵國(guó)產(chǎn)化的驗(yàn)證工作

潛液泵國(guó)產(chǎn)化道路復(fù)雜而漫長(zhǎng)，樣品成型后需要長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證工作，首選的渤海明珠號(hào)FPSO，因?yàn)橛泻线m的檔期對(duì)大排量的潛液泵進(jìn)行加裝驗(yàn)證，主要是對(duì)系統(tǒng)的集成性、工作的可靠性、試驗(yàn)驗(yàn)證等功能進(jìn)行相應(yīng)的考驗(yàn)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(jìn)行潛液泵系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)、產(chǎn)品系列化的開(kāi)展等后續(xù)工作的開(kāi)展。

WSP300潛液泵初步確定布置在COT4、COV13右舷處，大約在明珠號(hào)布置圖縱向標(biāo)尺99、距離液貨艙與壓載艙焊線1.7 m處。此處在吊機(jī)的吊裝范圍內(nèi)，生產(chǎn)甲板比較空曠，可從生產(chǎn)甲板開(kāi)孔把潛液泵單元整體吊入貨油艙內(nèi)。具體位置還需清艙后進(jìn)艙測(cè)量。艙內(nèi)布置見(jiàn)圖4。

圖4　4號(hào)艙內(nèi)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?nèi)，需改造單位對(duì)甲板和型鋼進(jìn)行局部切割，留出潛液泵安裝孔，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需設(shè)計(jì)院進(jìn)行分析。

潛液泵在明珠號(hào)4號(hào)貨油艙內(nèi)垂直，其中頂部通過(guò)甲板支撐圈焊接在甲板上，在安裝過(guò)程中可利用支撐圈在甲板孔的垂向安裝長(zhǎng)度調(diào)整貨油泵泵體的長(zhǎng)度誤差，可以有50～100 mm安裝誤差范圍。中部通過(guò)支撐支架和支撐環(huán)聯(lián)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(guò)螺栓連接在支撐環(huán)上。底部通過(guò)螺栓把支撐環(huán)聯(lián)接在貨油艙底。

液壓泵站包括2個(gè)液壓泵組單元、冷卻器、貨油過(guò)濾器及液壓油箱單元，各部分采用單獨(dú)底座安裝，以方便現(xiàn)場(chǎng)布置。

根據(jù)調(diào)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(dú)的底座到現(xiàn)場(chǎng)焊接，泵站的具體布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)管來(lái)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(tái)電機(jī)功率為480 kW，考慮到潛液泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，擬采用400 VAC電制，則需在明珠號(hào)FPSO加裝一臺(tái)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(duì)中控系統(tǒng)控制臺(tái)進(jìn)行全部改造，控制臺(tái)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(yù)留信號(hào)接口可與明珠號(hào)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)對(duì)潛液泵系統(tǒng)動(dòng)力泵站啟動(dòng)/停止、系統(tǒng)壓力設(shè)定及潛液泵壓力設(shè)定、潛液泵系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)等。

5結(jié)論

該系統(tǒng)已在出廠及實(shí)船安裝前對(duì)整個(gè)的系統(tǒng)進(jìn)行了陸地實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證工作，已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)際應(yīng)用中采集數(shù)據(jù)和驗(yàn)證，期待產(chǎn)品會(huì)有一個(gè)很好結(jié)果，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言仍存在不少的不確定因素。

1)本項(xiàng)目研制產(chǎn)品為國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行，而國(guó)外公司技術(shù)封鎖嚴(yán)密，輸入條件不全面或欠缺、標(biāo)準(zhǔn)理解不透徹，可能引起項(xiàng)目初始分析與論證不到位，產(chǎn)生設(shè)計(jì)偏差。

2)潛液泵系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和可靠性要求使得該型產(chǎn)品技術(shù)含量高，開(kāi)發(fā)難度大。而國(guó)內(nèi)也沒(méi)有該系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證裝置及驗(yàn)證方法，因此驗(yàn)證技術(shù)的研究也是初次進(jìn)行，難免存在大量漏洞，即使對(duì)系統(tǒng)中的潛液泵單元及其控制系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)制造和陸上試驗(yàn)驗(yàn)證，與真實(shí)的船舶環(huán)境還是存在大量的不同，從而引起設(shè)計(jì)的正確性、可靠性得不到完整的驗(yàn)證。

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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