FPSO液壓潛沒泵應急保壓系統(tǒng)的研究與分析

祁德路 張守森 張凱 仲光華 韓玉

(海洋石油工程股份有限公司設計公司 天津 300450）

[關鍵字] FPSO；液壓潛沒泵；液壓系統(tǒng)；保壓

1 液壓潛沒泵液壓系統(tǒng)構成

浮式生產儲油裝置FPSO適應的水深范圍廣、抗風浪能力強、可及時轉移和重復利用，其發(fā)展對我國開發(fā)深水油氣資源具有重要戰(zhàn)略意義。液壓潛沒泵作為FPSO油氣儲存、外輸和污油水處理的關鍵設備，系統(tǒng)組成復雜、輔助設施較多，整套系統(tǒng)遍布于FPSO船體的主甲板、液壓間和控制室等。如果按照各設施功能劃分，那么液壓潛沒泵系統(tǒng)可由執(zhí)行機構液壓泵單元，驅動核心液壓系統(tǒng)和控制核心電控系統(tǒng)3大模塊組成，系統(tǒng)構成見圖1所示。

圖1 液壓潛沒泵系統(tǒng)組成

其中液壓潛沒泵單元由甲板組件、管柱組件和泵頭組件三大部分組成，除甲板組件在甲板面以上外，管柱組件和泵頭組件都在液貨艙內，甲板組件由STC閥、隔離液管和支撐泵體的座板組成；管柱組件由三根同心管組成，從內到外依次為高壓液壓管、低壓液壓管和隔離液管；泵頭組件是液壓潛沒泵的核心部件，主要由液壓馬達，葉輪以及隔離密封件等組成，是把液貨吸入并提供傳輸壓力的重要元件，直接影響整個貨油系統(tǒng)的外輸。

內到外依次為高壓液壓管、低壓液壓管和隔離液管；泵頭組件是液壓潛沒泵的核心部件，主要由液壓馬達，葉輪以及隔離密封件等組成，是把液貨吸入并提供傳輸壓力的重要元件，直接影響整個貨油系統(tǒng)的外輸。

2 泵頭組件壓力分析

因泵頭組件位于液貨艙的最底部，而FPSO液貨艙的艙高一般都比較高，故泵頭組件在液貨艙滿倉時承受的靜壓頭較大，對泵頭軸封的密封性要求很高，為了便于檢測泵頭處軸封的密封狀態(tài)，同時避免軸封損壞時液貨油進入到液壓油系統(tǒng)對整個液壓系統(tǒng)造成污染，液壓泵頭處一般設置有嚴密的密封和監(jiān)測裝置，泵體結構詳圖如圖2所示：

圖2 液壓潛沒泵泵體結構

潛沒泵的隔離液管和甲板組件處的隔離液罐相連，因隔離液罐所在位置在液貨艙頂甲板之上，隔離液罐中的液面高度高于其所在液貨艙的液面，所以在泵頭組件處隔離液的靜壓力正常情況下會大于外部液貨的壓力，其液位會保持不變。當液貨側和隔離液側的密封有損壞時，隔離液會進入到液貨當中，隔離液罐觀察鏡處的液位會下降；同時，為了避免隔離液進入到液壓油內污染液壓油，需要泵頭處低壓液壓油的壓力高于隔離液的壓力，當機械密封有損壞時，液壓油會進入到隔離液當中，甲板上隔離液罐觀察鏡處的液位會上升。泵頭處密封結構參照圖三。當隔離液罐中液位發(fā)生較大變化時（需要排除由于環(huán)境溫度變化引起的液面微動），需要操作方對泵頭進行檢修或更換密封，并重新加注隔離液。

泵頭組件處的壓力大小順序為：液壓油側油壓P1大于隔離液側壓力P2，隔離液側壓力P2大于液貨側壓力P3（見圖3）。

圖3 泵頭密封結構

3 保壓原理

液壓潛沒泵的泵站中設置有主液壓油泵和輔助補油保壓泵，主泵負責輸出高壓液壓油，輔泵為液壓系統(tǒng)補油并保持一定的回油背壓，保持系統(tǒng)內液壓油壓力，一方面保證液壓油流動防止液壓油凝結，另一方面的作用就是保證泵頭內液壓油壓力P1始終大于隔離液壓力P2和液貨在機械密封處的壓力，參照（圖3）所示。

在FPSO臺風來臨避臺風或者平臺失電時，保壓泵無法提供壓力，這就需要提供一套額外的保壓系統(tǒng)在此工況下提供液壓系統(tǒng)壓力，以維持液壓油側的壓力大于隔離液測。

4 重力油柜保壓

在失電情況下，結合多個液壓潛沒泵配套項目經(jīng)驗來看，常采用設置重力油柜的方式來實現(xiàn)保壓效果。即在系統(tǒng)最高處以上某處（高于系統(tǒng)最高管線一定高度）設置一套液壓油柜與系統(tǒng)回油管線相連，通過高度差靜壓使泵內液壓油保證一定的壓力，如（圖4）所示，3為重力油柜，加注與系統(tǒng)相同的液壓油，平時閥門2為常閉狀態(tài)，緊急狀態(tài)下打開閥門2，關閉閥門1和4，可保證系統(tǒng)內液壓油壓力靜壓高于艙內液貨在泵頭處靜壓。

圖4 重力油柜應用示意圖

結合“深海一號”半潛式生產儲油平臺液壓潛沒泵的液壓系統(tǒng)布置來看，HPU位于僅次于立柱頂部的房間，液壓管線從立柱頂部的甲板穿出后與位于立柱頂部的潛沒泵相連，若采用傳統(tǒng)的重力油柜式的保壓裝置，由于要達到設計要求，需要重力油柜的高度高于系統(tǒng)管線最高點5米以上（具體高度需根據(jù)液貨艙高度和泵頭所在位置確定），若在立柱頂部布置需要做高于立柱頂部7米高度的支架，這顯然是不切合實際的，一方面結構強度不能達到要求，且會影響整個項目的設計；若將重力油柜放在組塊上，由于組塊的空間有限，會打破組塊即有的布置設計，額外增加若干的液壓管線，且還要考慮液壓重力油柜的防火防爆等要求實施起來的復雜程度較大。

5 蓄能器保壓

為解決重力油柜在深海一號應用困難的情況，設計人員大膽采用了在液壓行業(yè)內應用普遍卻在海洋工程中應用較少，特別是液壓泵系統(tǒng)中未曾有應用案例的蓄能器保壓原理。

蓄能器多為氣囊式，氣囊內沖入氮氣或其他惰性氣體，在使用前蓄壓，釋放即打開閥門后即可使管線內充壓，見圖5。

圖5 蓄能器工作原理

蓄能器體積小，易于布置，可設置在液壓泵站旁，回油管線側。液壓蓄能器的設置方案見（圖6），圖中1為HPU低壓側隔離閥，2為蓄能器隔離閥，3為蓄能器，4是高壓側隔離閥。

圖6 蓄能器應用示意圖

蓄能器內膠囊內沖入最低系統(tǒng)低壓液壓油壓力的氮氣壓力，通過隔離閥與液壓回油管線相連，在正常工況下蓄能器處于保壓狀態(tài)，隔離閥（2）處于常閉狀態(tài)，低壓側隔離閥和高壓側隔離閥處于常開狀態(tài)，系統(tǒng)通過HPU的保壓泵對系統(tǒng)進行保壓；在FPSO臺風來臨人員避臺或者平臺失電時先將低壓側隔離閥1和高壓側隔離閥4關閉，然后將蓄能器側的隔離閥2打開，蓄能器即可與液壓管線相連通，維持系統(tǒng)的壓力，由于低壓側隔離閥1和高壓側隔離閥4的密閉性極好，蓄能器能在相當?shù)囊欢螘r期內維持系統(tǒng)壓力，保護了液壓系統(tǒng)的潔凈度，保證了液壓系統(tǒng)運行的可靠性。在日常使用過程中需操作人員定期檢查蓄能器壓力，隨時補充，確保在應急工況下隨時能使用。但有一點需要特別指出的是氣囊式蓄能器的壽命取決于氣囊的使用壽命，介質以及工作溫度等影響，故而需要根據(jù)應用實際情況更換或維修。

6 結論

潛沒泵已經(jīng)成為FPSO、油品船舶和化學品船等貨液卸載轉運的主流設施，而液壓驅動是目前潛沒泵應用最靈活、最安全的驅動方式，液壓油的潔凈度是保證液壓系統(tǒng)良好運行的前提保障，良好的密封性能保護液壓油免受污染，而密封監(jiān)測是密封性能的最直觀手段。但在突發(fā)情況，比如避臺或其他緊急失電的工況下，如何繼續(xù)維持液壓泵系統(tǒng)的密封性能則成為了液壓泵系統(tǒng)設計和使用的不可避免的問題。

本文介紹了兩種系統(tǒng)保壓的方法，重力油柜和蓄能器，并分析了兩種方法的優(yōu)缺點：蓄能器體積較小，相比重力油柜設計沒有空間高度的布置要求，節(jié)約了空間和管線材料，更便于現(xiàn)場布置；重力油柜操作更為簡便，蓄能器一次充氣后需要蓄能，且需要定期檢查壓力且壽命不確定。結合“深海一號”半潛式儲卸油平臺實際的應用條件，選擇了空間要求較小，能大量節(jié)省液壓管線布置的蓄能器保壓方式。這種選擇與應用可作為后續(xù)FPSO，半潛平臺或類似設計條件的參考方案。