某海上平臺閉排泵換型改造

張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

某海上平臺位于海南省文昌市以東約140 km 海面上，處在原油生產流程的上游。該平臺所生產的原油，由海底管道將油氣水混輸到下游處理中心海上浮式生產儲油輪（Floating Production Storage &Offloading，FPSO），進行油氣水處理，處理合格后的原油進行外輸。

1 閉式排放泵的作用

該平臺的閉式排放系統兼具閉排放系統和冷放空系統的作用，其中包含閉式排放罐兼作凝液排放罐和閉排泵，主要收集井口生產平臺上帶壓容器、井口管線、多路閥、多相流量計和收發球裝置等排放出的帶壓流體，以及開式排放泵輸送過來的液體。當閉式排放罐的液位達到一定的高度時，由閉排泵將這些液體輸送到海底管線，閉式排罐中的氣體則進行排空。

該平臺的閉排泵屬于多級離心泵，主要作用是輸送閉式排放罐內的液體。當閉式排放罐內的液位達到一定高度時，閉式排放泵將會自動啟動，將閉式排放罐的液體輸送到海底管線，再通過海底管線送到下游處理中心FPSO，以保證閉排罐內的液位在安全液面以下（圖1）。這種閉式排放泵主要采用自動啟動控制，根據閉排罐的液位高度傳感器來控制，同時該液位高度設置低液位和高液位報警，低低液位和高高液位關停信號，屬于平臺關鍵的安全設備。

圖1 某平臺閉排系統流程圖

在日常處理閉排罐污油水時發現，該泵存在易發熱、泵出口幾乎無介質流出等問題，為保證生產需要和減輕維修操作人員的工作壓力，有必要對其進行改造。

2 原閉排泵概述

2.1 離心式閉排泵工作原理

在離心式閉排泵內充滿含油氣水三相流體介質時，當電機帶動泵軸和葉輪旋轉時，液體一方面隨葉輪作圓周運動，一方面在離心作用下自葉輪中心向外圍拋出，液體從葉輪獲得了壓力和動能。當流體流經蝸殼到排液口時，部分速度能將轉變為靜壓力能；在液體被葉片拋出時，葉輪中心部分造成低壓區，與吸入液面的壓力形成壓力差，于是液體不斷地被吸入，并以一定的壓力排出[1]。

2.2 離心式閉排泵結構組成

離心式閉排泵主要部件有轉子、泵殼、軸向力平衡裝置、機械密封、冷卻裝置、軸承、軸承座和輔助設備等。

2.3 離心式閉排泵主要技術參數

泵類型：離心泵。

額定流量：10 m3/h。

出口壓力：3400 kPa（G）。

額定轉速：2950 r/min。

泵安裝汽蝕余量NPSHa：1 m。

泵必需汽蝕余量NPSHr：1 m。

2.4 目前存在的問題

某平臺閉排泵在使用初期，使用人員就發現不能正常工作，現場維修操作人員曾試著對閉排罐注入淡水、海水兩種不同介質，閉排泵均能正常工作，各個性能參數均可達到設計要求。當把介質換成閉排罐內油水混合物時，閉排泵啟動約5 min 后，泵出口排液管線仍不見有流體排出，且伴隨泵體迅速發熱和振動等現象出現。

當介質是污油水時，泵的出口壓力最大雖可達海管外輸的壓力，但泵的進口排氣閥幾乎無介質流出，同時泵體伴隨快速發熱，無法將閉排罐液體泵入外輸海管里。維修人員采取清洗濾器、將閉排罐中的液體加海水進行稀釋等措施，再次啟泵測試此種現象依然存在。

2.5 可能的原因分析

在平臺操作維修人員利用海水、淡水試驗閉排泵性能均正常的情況下，說明泵的吸入和排出管線是暢通無阻，吸入管路沒有漏氣，葉輪不存在缺陷[1]。閉排泵不能正常輸送閉排罐內含油氣水介質的原因有2 種可能：①閉排罐內污油水混合物中的輕烴組分在泵吸入時揮發出來，破壞了泵的自吸能力；②閉排泵設計安裝存在一定的缺陷。

由閉排泵主要技術參數可知，該離心式閉排泵安裝汽蝕余量NPSHa 和泵必需汽蝕余量NPSHr 相等，均為1 m，不滿足為確保離心泵不發生汽蝕，離心泵的安裝汽蝕余量NPSHa 必須有一個安全裕量S，且滿足以下公式[2]：

式中 NPSHa——泵安裝汽蝕余量，m

NPSHr——泵必需汽蝕余量，m

S——富裕汽蝕余量，m

對于一般的離心泵，S 取值為0.6～1.0 m[2]。

此外，美國水利標準協會（Hydraulic Institute Standards）的標準也規定：泵揚程下降3%時的安裝汽蝕余量NPSHa 為當前流量點的泵必需汽蝕余量NPSHr[3]。

3 更換新型閉排泵

鑒于可能的原因分析，由試驗測得該平臺的原油凝固點為13 ℃，密度為0.774 g/cm3，屬于凝固點比較低的輕質原油。鑒于以上數據，說明離心式閉排泵不能正常輸送油氣水三相混合介質的原因是輕烴的析出，破壞了離心泵的自吸能力；加之泵設計安裝時安裝汽蝕余量NPSHa 和泵必需汽蝕余量NPSHr 相等，導致離心泵產生汽蝕、泵出口沒有流體流出和泵體迅速發熱等故障。

此外，考慮到與原離心式閉排泵相連接的閉排罐在平臺甲板面上的位置，不能再升高0.6 m，以及原離心式閉排泵的基座在平臺甲板面上不能再降低0.6 m，以滿足富裕汽蝕余量S 最小值0.6 m的要求等原因，故將離心式閉排泵換型為抗汽蝕能力良好、具有自吸能力的往復柱塞式閉排泵，則是比較理想的選擇（圖2）。

圖2 閉排泵及閉排罐在平臺甲板面的位置

3.1 新型閉排泵工作原理

往復式柱塞泵是容積式泵的一種，它依靠在泵缸內作往復運動的柱塞來改變工作室的容積，從而達到吸入和排出液體的作用。主要包括吸入和排出介質兩個工作過程[3]。

這種類型閉排泵的基本工作原理為：當柱塞在曲軸連桿結構的帶動下作往復運動時，其液缸的容積緩慢增大，就在液缸的局部位置形成了負壓，同時出口閥處于關閉狀態，在壓力差的作用下，該泵的進液閥門被打開，液體進入液缸內部。柱塞移動到回程的極限位置時，進液過程就完全終止，此時，泵的工作缸內吸入液體最多。當柱塞做推進行程運動時，液缸內的容積緩慢減小，液體受柱塞的擠壓，壓力逐漸增加，致使進口閥關閉和出口閥打開，液體從出口管線中排出。柱塞達到進程的極限位置時，此時工作腔的容積達到極限最小值，排出液體的過程完畢。該泵的柱塞在曲軸連續帶動下，不斷地來回往復，吸排液過程就不斷地交替進行，不斷輸出高壓液體。

3.2 結構組成

該泵是三缸單作用柱塞式往復泵，主要組成為動力端和液力端。動力端主要為曲軸、傳動箱、十字頭、曲柄連桿機構、傳動軸等。液力端主要為泵頭，進、出口閥，填料函，密封件等[4]。

同時，考慮到三缸柱塞泵存在一定的沖擊脈沖會引起管線及泵體振動等問題，在該泵的入口處配置儲能器，出口布置安全閥、出口阻尼器、出口軟管等配套設備，來增強泵的運行穩定性和安全性。

3.3 主要技術參數

泵類型：往復泵。

額定流量：10 m3/h。

出口壓力：3400 kPa（G）。

泵安裝汽蝕余量NPSHa：2.5 m。

泵必需汽蝕余量NPSHr：1 m。

3.4 柱塞泵及其配套設備

泵：型號3D3-10/4.0-Z，名稱為3D-30 系列電動往復泵為三柱塞式高壓泵，重慶西泉泵業有限公司生產。

電機：型號YB3-200S-8-H，防爆等級ExdIIBT4，佳木斯電機股份有限公司生產。

減振管：型號DN50/50F，成都爾薩流體控制設備有限公司。

儲能器：型號PD-QS4000/50-F，成都爾薩流體控制設備有限公司。

安全閥：型號A42C-300LBP，中國永一閥門集團。

3.5 柱塞泵主要附件儲能器安裝注意事項

此種類型的柱塞泵，所配備的儲能器充裝氮氣前，必須確認使用氮氣進行充裝，嚴禁使用氧氣、壓縮空氣和其他易燃易爆、腐蝕性氣體。在充裝氮氣時應該非常緩慢地進行，防止氣體壓力高于儲能器內的膠囊。

在儲能器安裝前，必須將氮氣正確充入膠囊內，儲能器的充氣、排氣、測定和修正充氣壓力等應該使用專用的充氣工具進行。

充氣壓力應該采用此種方法進行嚴肅認真的確認，充氣壓力可根據儲能器在系統中的作用進行調整，但最高充氣壓力不得高于儲能器公稱壓力的80%。

3.6 兩種類型閉排泵優缺點比較

多級離心式閉排泵，抗汽蝕能力差；在沒有充滿介質的條件下，不具有自吸能力；工作效率低，能耗大；介質黏度對其工作性能影響大。而往復柱塞式閉排泵，尤其是三缸式往復泵，體積小，流量均勻[5]，具有自吸能力，且在壓力劇烈變化時，仍能維持幾乎不變的流量[6]；工作效率高，其容積效率在95%，總效率在90%[7]；抗汽蝕能力好，其汽蝕余量可不用考慮安全裕量，僅需滿足NPSHa≥NPSHr 即可[8]。

4 改造后取得的效益

4.1 社會效益

通過對閉排泵換型改造，能夠及時將該平臺生產維修時產生的污油水，順利輸送到下游處理中心進行處理，對于平臺的安全生產，具有重要意義。

4.2 經濟效益

閉排泵換型改造后，能夠根據生產需要，隨時進行污油水的處理輸送，從而減少了平臺關閉生產井的時效，保證原油生產的連續性，具有非常可觀的經濟效益。該平臺原離心式閉排泵換型后，還可以用作機修鉗工人員的實操教具，對提高人員技能具有很高的價值。

5 結束語

通過對某平臺閉排泵換型改造，成功解決了原離心式閉排泵輸送含油氣水效果差、泵體易發熱等問題。改造后所選往復三缸式閉排泵，不僅能夠很好地滿足平臺生產需要，而且比原離心式閉排泵運行安全可靠，對于保護環境具有非常重大的意義。減輕了現場操作維修工作壓力，具有很好的社會效益和經濟效益。為海上其他平臺解決相似的問題提供參考。