雙機(jī)械密封沖洗液補(bǔ)壓裝置與控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊葉 楊勇 杜洋洋 付峻 李春輝 彭兵

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司白云天然氣作業(yè)公司，廣東 深圳 518000）

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，新舊設(shè)備的建造與改造都朝著數(shù)值化、智能化方向靠近[1]。為適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展趨勢和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，南海東部海域某平臺正在大力推進(jìn)智能化建設(shè)進(jìn)程，平臺所產(chǎn)生的合格凝析油需要通過多級離心泵泵增壓外輸，該設(shè)備采用API682標(biāo)準(zhǔn)中PLAN53B提供外部沖洗，需要定期對沖洗系統(tǒng)充液補(bǔ)壓，嚴(yán)重制約了平臺遠(yuǎn)程操作的建設(shè)進(jìn)度。本文通過查詢文獻(xiàn)、廠家溝通交流，針對外輸泵沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究探討，并給出了最終的設(shè)計(jì)與控制方案。

1 背景

該平臺從投產(chǎn)至今已穩(wěn)定生產(chǎn)7年，通過對天然氣、凝析油進(jìn)行預(yù)處理后混輸至陸岸終端，平臺設(shè)計(jì)有3臺凝析油外輸泵，設(shè)計(jì)為2用1備，采用13級變頻離心泵。每臺離心泵的驅(qū)動端和非驅(qū)動端均設(shè)置有沖洗裝置及其手動補(bǔ)壓裝置，沖洗液運(yùn)行范圍為3.25MPa～3.75MPa，根據(jù)泵的工況和外界溫度的變化，補(bǔ)壓最高頻率為3天1次。為此，在平臺進(jìn)行智能氣田設(shè)計(jì)和建設(shè)中沖洗液自動補(bǔ)壓裝置的研究與設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2 現(xiàn)有沖洗方案存在的問題

該設(shè)備采用的PLAN53B與API682標(biāo)準(zhǔn)中所提及的PLAN53A-PLAN53C機(jī)封沖洗方案是應(yīng)用最多的沖洗液方式之一，用于不允許向大氣側(cè)泄漏的方案[2][3]。該方式通過加壓的沖洗液循環(huán)，附帶蓄能器補(bǔ)壓，以雙機(jī)械密封中的泵效環(huán)驅(qū)動沖洗液的循環(huán)。廣泛的應(yīng)用于高蒸汽壓流體、輕質(zhì)烴、危險(xiǎn)/有毒流體等液體的機(jī)械密封傳輸，可以實(shí)現(xiàn)分離工藝流體，零流程排放[4]。如圖1所示為PLAN53B沖洗方案。

圖1 PLAN53B沖洗方案

通過長期的實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該方案有如下缺點(diǎn)：

1）沖洗液無法自清潔，管線內(nèi)壁的銹蝕脫落物對機(jī)封將造成無可逆轉(zhuǎn)的損壞；

2）沖洗液系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)壓，該系統(tǒng)允許一定的泄漏量，當(dāng)壓力低于報(bào)警值時(shí)，需要人為補(bǔ)壓；

3）沖洗液溫度無法穩(wěn)定控制，當(dāng)輸送介質(zhì)溫度變化時(shí)，沖洗液溫度隨之波動，不利于機(jī)械密封的穩(wěn)定運(yùn)行；

4）當(dāng)多臺泵并聯(lián)使用時(shí)，需要同時(shí)配置獨(dú)立的沖洗系統(tǒng)，提高了制造成本。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

為使設(shè)計(jì)的雙機(jī)械密封沖洗液自動補(bǔ)壓裝置具有實(shí)施性、安全性，需要分析自動補(bǔ)壓裝置及其控制邏輯的可行性及風(fēng)險(xiǎn)識別，并予以規(guī)避[5]。

3.1 增壓泵控制失效風(fēng)險(xiǎn)

增壓泵屬于自動補(bǔ)壓裝置中的核心設(shè)備，一般采用柱塞計(jì)量泵，并設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程啟停功能，在投用裝之前，需要人員現(xiàn)場確認(rèn)流程已全部導(dǎo)通，尤其確認(rèn)壓力傳送器和泄壓閥正常投用，當(dāng)泵無法通過中控控制信號停止時(shí)，會觸發(fā)壓力高高緊急停車，若仍然失效將導(dǎo)致泄放閥起跳保證系統(tǒng)壓力在運(yùn)行范圍之內(nèi)。

3.2 油品變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

沖洗液的正確選擇是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，一般要求沖洗液應(yīng)當(dāng)具有以下幾點(diǎn)要求[6][7]：

1）沖洗液應(yīng)無腐蝕性，清潔，在工作溫度下有較好的潤滑性；

2）沖洗液與輸送介質(zhì)應(yīng)具有配伍性，避免泄漏發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生凝膠、沉淀堵塞系統(tǒng)；

3）沖洗液與系統(tǒng)中的金屬、墊片等材料應(yīng)不發(fā)生反應(yīng)；

4）沖洗液泄漏時(shí)不污染環(huán)境、無危險(xiǎn)，進(jìn)入泵內(nèi)后不產(chǎn)生氣體等影響泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。

上文所述的平臺采用的沖洗液為10#航空油，完美的匹配了上述各項(xiàng)要求。在設(shè)計(jì)中為了保證油品品質(zhì)滿足要求，在油箱上可設(shè)置高精度空氣過濾器，注油孔可配置帶密封、過濾且不可脫離的蓋子。

3.3 控制系統(tǒng)、自動閥門、設(shè)備故障

沖洗液自動補(bǔ)壓裝置的特點(diǎn)是自動啟停，無人干涉，當(dāng)裝置的設(shè)備、控制系統(tǒng)或者閥門出現(xiàn)故障時(shí)，若無人員及時(shí)進(jìn)行維修會影響雙機(jī)械密封的正常使用。為此，對于控制系統(tǒng)、自動閥門以及設(shè)備在采辦時(shí)就用辨識出質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并對其進(jìn)行嚴(yán)格控制。在日常運(yùn)行時(shí)應(yīng)定期對閥門和控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，定期對設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)。

3.4 機(jī)械密封失效風(fēng)險(xiǎn)

在石化行業(yè)因機(jī)械密封失效引發(fā)火災(zāi)的案列較為突出[8]，而機(jī)械密封均有一定的使用壽命，為了保證現(xiàn)場的安全穩(wěn)定生產(chǎn)，應(yīng)該嚴(yán)格按照廠家給出的建議定期進(jìn)行更換。此外，為了盡可能減少機(jī)械密封失效引發(fā)的次生災(zāi)害，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的密封形式選擇合適的沖洗方案，同時(shí)設(shè)置沖洗壓力與系統(tǒng)的關(guān)停邏輯，確保系統(tǒng)的本質(zhì)安全[9][10]。

4 自動補(bǔ)壓裝置的設(shè)計(jì)方案

針對上述提及的問題及風(fēng)險(xiǎn)分析，通過與廠家的溝通、資料查閱后設(shè)計(jì)了一種機(jī)械密封沖洗液自動補(bǔ)壓裝置及方法，通過壓力監(jiān)測裝置發(fā)出起泵和停泵指令，自動向沖洗液系統(tǒng)補(bǔ)壓，同時(shí)將多臺沖洗液系統(tǒng)合并為一套補(bǔ)壓系統(tǒng)，極大的減少了制造成本，如圖2所示為自動補(bǔ)壓裝置的原理圖。

圖2 機(jī)械密封自動補(bǔ)壓裝置原理圖

4.1 增壓泵的性能參數(shù)

本設(shè)計(jì)方案中增壓泵采用電動計(jì)量泵，中控可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程增壓泵的啟停?？蛇x擇0～100%流量可調(diào)整的柱塞泵，最大流量需要咨詢廠家沖洗液允許最大泄漏量后進(jìn)行選型，為安全起見一般不大于1L/min?？紤]到遠(yuǎn)程操作的可靠性，增壓泵一般按照2用1備原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 沖洗液自清潔及溫控功能

本設(shè)計(jì)方案中過濾器F1為高精度籃式濾器，可以有效去除系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)，保證沖洗液潔凈度，提高機(jī)械密封使用壽命，濾器為1用1備，配置有壓力傳送器PDT1，可以有效監(jiān)測濾器臟堵情況。換熱器采用管殼式換熱器，冷卻水采用溫控閥V5自動根據(jù)溫度傳送器TT1進(jìn)行自動控制，避免因沖洗液用戶的新增或者減少導(dǎo)致沖洗液溫度波動。

4.3 補(bǔ)壓裝置的控制

本方案設(shè)計(jì)采用了帶有液位傳輸、呼吸、回流、排污等功能的油箱作為沖洗液儲罐，當(dāng)液位觸發(fā)液位LL（LALL）時(shí)，將直接觸發(fā)報(bào)警信號同時(shí)緊急關(guān)停增壓泵。泵出口裝有壓力泄放閥（RV），可以實(shí)現(xiàn)超壓后自動泄壓至油箱。在濾器及換熱器上游總管線上設(shè)置有壓力傳送器PT2，下游設(shè)置有壓力傳送器PT1，PT1設(shè)置有低/高報(bào)警（PAL/PAH）用以控制增壓泵的啟動和停止，PT2設(shè)置有低低/高高報(bào)警（PALL/PAHH）用以緊急關(guān)停增壓泵，防止濾器或者流程不通導(dǎo)致的憋壓，，PT2的壓力低低信號除關(guān)停增壓泵外，還會緊急關(guān)停工藝介質(zhì)輸送泵，所有壓力傳送器的設(shè)點(diǎn)均可在中控進(jìn)行設(shè)置。泵撬入口自動閥門可以根據(jù)需要由中控遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉，從而投用相應(yīng)的外輸泵。

4.4 安全風(fēng)險(xiǎn)分析

整個(gè)工藝流程的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)來源于PLAN53B，不改變離心泵應(yīng)有的沖洗方式[11]。為了防止意外憋壓等意外事件，本設(shè)計(jì)方案具有三級保護(hù)功能，一級保護(hù)為PCS通過設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行自動啟停，二級保護(hù)為ESD通過信號觸發(fā)緊急停車動作，三級保護(hù)為通過泄放閥進(jìn)行超壓回流，從而保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 應(yīng)用案例

上述文中所述的機(jī)械密封沖洗液設(shè)計(jì)方案適用于設(shè)備的初始設(shè)計(jì)，對于后期平臺的改造則需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑臁Ｈ缟衔奶峒?，為了完成南海某平臺的智能化改造建設(shè)，實(shí)現(xiàn)凝析油外輸泵沖洗液自動補(bǔ)壓的目的，在本方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)備的適當(dāng)縮減，并成功實(shí)現(xiàn)了整撬設(shè)計(jì)和安裝，如圖3所示為該平臺使用的自動補(bǔ)壓裝置的原理圖。

圖3 某平臺使用的自動補(bǔ)壓裝置原理圖

為了提供自動補(bǔ)壓裝置參數(shù)選型的參考，本文提供了該平臺凝析油外輸泵沖洗液自動補(bǔ)壓裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)表如表1所示，表2為自動補(bǔ)壓裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 凝析油外輸泵沖洗液相關(guān)參數(shù)

表2 自動補(bǔ)壓裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)

壓力低報(bào) 32.5 BARG凝析油外輸泵的排量 90 m3/h凝析油外輸泵進(jìn)出口壓力 200/760～1305 BARG

如圖4所示為該平臺凝析油外輸泵D泵安裝自動補(bǔ)壓裝置前后2周的沖洗液運(yùn)行壓力曲線圖，通過圖中趨勢可以發(fā)現(xiàn)，在使用自動裝置后沖洗液壓力得到了極大的穩(wěn)定。此外通過現(xiàn)場測試，凝析油外輸泵沖洗液完全實(shí)現(xiàn)了自動補(bǔ)壓的功能，取的了較好的實(shí)踐運(yùn)行效果，為該平臺智能化建設(shè)提供了一定的基礎(chǔ)。

圖4 凝析油外輸D泵沖洗液壓力運(yùn)行曲線

6 結(jié)論

通過本文研究設(shè)計(jì)的補(bǔ)壓裝置實(shí)現(xiàn)了沖洗液自動補(bǔ)壓功能和遠(yuǎn)程啟停功能，具有工藝簡單，自動化程度高，安全可靠性高，該設(shè)計(jì)方案在南海某設(shè)施得到了實(shí)際應(yīng)用并取得了良好的效果，成功的解決凝析油外輸泵沖洗液無法自動補(bǔ)壓的問題，在智能化平臺建設(shè)具有較好的應(yīng)用前景。