FPSO改装项目货油泵选型分析.pdf

第37卷第2期技术交流FPSO改装项目货油泵选型分析丁奎龙（大连中远海运重工有限公司，辽宁 大连116113）摘要：FPSO货油泵是FPSO货油系统的关键核心设备，货油泵的选型在VLCC改装FPSO项目中的总体功能设计、布置设计和项目成本中起到举足轻重的作用，文章通过货油电动深井离心泵和液压深井离心泵的对比分析，对货油泵的选型设计方案进行了研究，为今后的FPSO改装项目货油泵选型提供参考和借鉴。关键词：浮式生产储卸油装置；货油泵；电动深井泵；液压深井泵中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.009Abstract：The cargo oil pump is a crucial component of the FPSO cargo oil system.The selection of a cargo oilpump plays a vital role in the functional design，layout design and project cost control of a VLCC to FPSO conversionproject.This paper studies the selection and design scheme of the cargo oil pump through the comparative analysisof the electric deep well cargo oil pump and hydraulic deep well cargo oil pump，providing valuable insights for theselection of cargo oil pumps in future FPSO conversion projects.Key words：floating production storage and offloading；cargo oil pump；electric deep well pump；hydraulic deep well pump作者简介：丁奎龙（1990-），男，辽宁朝阳人，助理工程师，硕士，研究方向为船舶与海洋工程轮机设计。FPSO是集生产、储油和卸油为一体的海上浮式生产储卸油装置，该装置通过输油管把海底的油、气和水等混合物输送至上部模块，并处理成合格的原油和天然气，合格的原油通过管路输送到船体的货油舱中存储，并定期通过货油系统的货油泵、卸载软管和卷轴，以串靠运输或者旁靠运输等方式将货油卸载到穿梭油轮中。在超大型油船（VLCC）改装FPSO项目中，货油泵作为FPSO油气储存和外输的关键核心设备，相关系统组成复杂且辅助设备较多，其选型方案对 FPSO 的总体设计布置有着重要影响。当前VLCC改装 FPSO市场上，主流的货油泵选型方案有3种，新增甲板电动深井离心泵、新增甲板液压深井离心泵和使用原VLCC泵舱货油泵翻新维修，3种方案中较少使用原VLCC泵舱货油泵，主流的方案是新增甲板深井离心泵。1货油泵型式汽轮机立式离心泵通常适用于以蒸汽作为动力和热源的FPSO或者大型油轮，电动机驱动离心泵和液压潜液式离心泵适用于FPSO或者中小型油轮，本文主要介绍FPSO上常用的货油电动深井离心泵和液压深井离心泵。1）货油电动深井离心泵。货油电动深井离心泵有 2 种常用型式，一种是设有专门泵舱的离心泵，泵的动力来源于机舱原动机通过穿越机舱和泵舱的传动轴进行驱动，一般全船货舱只配置2台泵舱离心泵；另一种是电机布置在货舱主甲板上的深井泵，每个货舱均设置一台货油泵，当一个货油舱的货油泵出现故障需要停机维修时，不影响其它货油舱的货油输送，提高了货油系统的灵活性和可靠性。中 国 修 船31中 国 修 船2024年4月技术交流货油电动深井离心泵外形示意图见图1，电机布置在FPSO的主甲板上，并通过联轴节驱动长轴和货油舱底部的叶轮，配置了封闭式油润滑传动轴和轴承，自带润滑油循环和过滤，其附加功能一般还包括油位、轴承温度和振动的监测等。货油泵的电机由变频器控制来实现货油泵在任何卸载条件下的最佳性能调节，在初始流量升速阶段可使管道中的货油压力平稳地增加，并在货油输送的最后阶段以较低的速度获得优异的扫舱性能。货油电动深井离心泵的优点是功率范围较广、总体布置简单和电机维修方便等；缺点是泵的长轴对中安装较困难、长轴的稳定性较低且无法避免振动、有货油进入轴封腐蚀长轴的风险。另外，深井离心泵的长轴在能量传递给泵的叶轮时消耗了大量有用功，功率损失较大。A厂家货油电动深井离心泵选型见表1，从表1可以看出，其货油泵共有9种型号，泵的排量范围为201 800 m3/h，扬程为160 m或180 m。2）货油液压深井离心泵。货油液压深井离心泵主要由上部甲板组件、中间管柱和底部泵体三部分组成。货油液压深井离心泵外形示意图见图2，上部甲板组件包含液压控制阀和液货出口阀等部件，液压控制阀（速度转矩控制阀）可以对货油泵进行无极调速1；中间管柱包含液货管、液压进回油管、吹除管和扫舱管；底部泵体的液压执行机构位于叶轮附近，执行机构和叶轮通过一根较短的钢性轴相连，执行机构和轴组件由液压油持续润滑和冷却，叶轮把货油吸入并提供传输压力，液压油既作为驱动介质又作为执行机构和转动部件的润滑和冷却剂。图 3 是液压货油系统示意图，从图 3 可以看出，该系统主要包括深井泵、液压动力单元（HPU）、液压管路、阀控系统、远程控制台和货油加热器等，货油系统的液压油也可为压载泵、侧推等设备的液压执行机构提供液压动力。货油液压深井离心泵的优点是货油舱内部采用短轴驱动叶轮，设备可靠性较高、无防爆问题、寿命长和集成方便2，液压油压力大于货油压力，表1A厂家货油电动深井离心泵选型图2货油液压深井离心泵外形示意图承磨环套筒液货密封机械油封轴承吸油井叶轮涡壳制动器液压执行机构液货管路扫舱管甲板座圈隔离空腔检查管隔离空腔吹除管路液压回油管路液压进油管路隔离空腔吹除快速接头隔离空腔膨胀箱弹性螺栓顶板扫舱阀液货出口阀压力发送器液货扫舱吹气接头本地控制阀液压控制阀泵型号OPC 65OPC 80OPC 100OPC 125OPC 132OPC 150OPC 200OPC 250OPC 300泵排量/（m3/h）20 6550 10080 200170 300280 400350 500450 750600 1 100800 1 800扬程/m160160160160160160180180180图1货油电动深井离心泵外形示意图电机货油出口氮气吹扫进口甲板座支撑导向环管束底部安装导向板泵头32第37卷第2期技术交流图3液压货油系统示意图液压油柜/泄放柜液位油输送单元洗舱泵压载深井泵便携货油泵货油深井泵艏侧推便携油泵三角架遥控阀组远程控制台液位动力单元（HPU）货油加热器货油深井泵防止轴封泄露污染液压油，与电动深井泵对比具有体积小、安装方便的优势；缺点是液压管布置复杂、液压动力单元需求空间较大和设备整体价格成本较高。B厂家货油液压深井离心泵选型见表2，从表2可知，其货油泵共有 7 种型号，最大排量为 2 000 m3/h，扬程为170 m。3）货油电动深井离心泵和液压深井离心泵对比。通过上文对电动深井离心泵和液压深井离心泵的介绍和优缺点分析，结合货油泵厂家A和B的设备选型表，货油电动深井离心泵和液压深井离心泵对比见表3。表3货油电动深井离心泵和液压深井离心泵对比参数排量范围/(m3/h)扬程/m材质轴封型式是否可干转对FPSO布置影响振动和噪声安装难度维修保养电动深井离心泵201 800160/180AISI316/双相不锈钢/超级双向不锈钢带液体填料围堰的双机械轴封可干转需设计单独的变频器房间，并布置变压器、配电板和空调等泵体运行时振动和噪声较大电动离心泵的传动长轴安装精度要求较高，传动长轴对中不好将造成较大振动，其安装工时比液压型式多电气设备零部件较多，需维修部件较多液压深井离心泵02 000170AISI316L/AISI904L/254SMO液压油机械密封不可干转液压动力单元可布置在机舱，无需单独设计房间液压动力单元运行时噪声较大货油泵下端不需固定，无长轴，安装精度较低液压系统较稳定，需维修部件较少表2B厂家货油液压深井离心泵选型泵型号SD100SD125SD150SD200SD250SD300SD350泵排量/（m3/h）0 13075 230180 375325 600550 900860 1 2501 200 2 000扬程/m170170170170170170170丁奎龙：FPSO改装项目货油泵选型分析33中 国 修 船2024年4月技术交流2货油泵选型货油泵在选型时，首先确认输送货油的基础数据，例如货油的物理和化学性质参数，包括固体颗粒的含量及大小、密度、汽化压力等参数，这些参数对泵的性能、材料和结构影响较大。然后确认泵的安装位置和环境因素对泵的防护防爆要求，再计算货油泵的流量和扬程，最终校核电机功率需求和泵的性能曲线图。从货油泵的流量和扬程、制造标准要求、经济性和设备包供货范围4个方面进行选型要素分析。1）流量和扬程。货油泵的流量和扬程参数与货油舱的布置、货油泵安装位置、货油管路、阀门附件布置，以及接收货油的油轮方式和位置有关。货油泵在设计外输速率时需考虑尽量减少运输时间，最大限度地减少油轮停泊在FPSO附近所造成的风险。FPSO 改装项目货油舱通常利用原 VLCC 的货油舱来设计，每个货油舱至少配置1台货油泵（1100%），也可以配置2台货油泵（250%）用于货油的输送，2台货油泵的成本一般大于1台货油泵，但其中1台泵出现故障维修时不影响另一台泵的使用。货油泵的排量取决于总的卸油时间，货油泵的排量理论上与货油外输量相当，但考虑到货油泵在并联外输时的相互干扰和阻力，其单台排量应取大一些，即货油泵的排量大于所需货油外输系统排量的10%15%，再选择所需配置的货油泵台数。货油外输作业时间一般不超过24 h，通常油轮的装载量为FPSO货油储油量的70%80%为宜。在选型时若选择货油外输速率较高的泵，虽能够缩短外输时间，但会加大货油泵的功率和外输油系统的质量和尺寸，并可能产生静电对油轮产生冲击，因此应充分比较后找出最佳的外输速率。货油泵的排量估算公式如下：Q=(1.11.15)mTN，（1）式中，Q 为货油外输泵单台排量，m3/h；m 为 油轮装载总量，t；为货油密度，t/m3；T为外输作业时间，不包括外输作业前的扫舱和预热作业时间，h；N为进行外输作业的货油泵台数，台。货油泵的排出压力为货油泵出口至油轮接油口处的需求压力、货油泵出口至油轮接油口处的高度压差、外输管路的阻力和阀门等附件阻力之和。货油的流速、黏度、管子长度和粗糙度等对外输管路系统阻力影响较大，货油外输总管内的货油流速一般取34 m/s，油轮入口处压力大约0.1 MPa，经初步估算，货油泵出口压力为11.5 MPa。2）制造标准要求。FPSO货油泵的制造标准较高，通常要求离心泵的设计、制造和功能试验满足ISO 137092009石油、石化和天然气工业用的离心泵，该标准对离心泵的寿命、转速、轴承密封、噪声和振动等方面均有具体要求；在项目要求一般时，可选用ISO 51992002离心泵技术规范级，该标准对离心泵的外形、性能、机械密封和性能试验等也有具体要求。在选用货油泵时，需要明确泵的不同部件的材料。泵的振动和噪声是设备选型时的重要参数，尤其是电动深井泵，其长轴的振动对设备维修保养和寿命影响较大，一般要求对泵进行振动和噪声的监测。3）经济性。FPSO 项目开发过程中，通过VLCC旧船改装FPSO的项目工期比新造FPSO优势较大，工期缩减近一半，且初期投入的资金较少，货油泵作为FPSO的核心设备之一，其成本对FPSO成本影响较大。货油泵在选型时要充分考虑设备的转速、重量和体积等参数，这些参数会影响FPSO的综合设计布置、船体结构和管路附件等。选型时还需要考虑货油泵的维修、保养和配件等方面成本，频发的设备维修会对卸油作业周期产生较大影响，因此经济性因素是一个综合性指标，在设备选型时需要考虑。4）设备包供货范围。FPSO的货舱区域除了设计货油舱外，还需设计污油舱、不合格油水舱、生产水舱和压载舱等。因货油舱与污油舱、不合格油水舱、生产水舱以及压载舱的深井泵结构性和功能性类似，一般同时将污油泵、不合格油水泵、生产水泵和压载泵打包采购。货油舱还需额外配置2台移动式货油泵，且根据规范要求必须采用液压式，并且由货油泵厂家打包提供。根据货油电动和液压深井离心泵的配置区别，电动深井离心泵需要由货油泵厂家配置变频器。液压深井离心泵通常配置2套液压动力单元，这样可以保证在一套液压动力单元出现故障时可以继34第37卷第2期技术交流续使用另一套满足需求，液压深井离心泵的液压管路及附件一般也由货油泵厂家提供。3货油泵选型的实际应用FPSO项目的改装过程中，货油泵的选型包括报价和设计阶段。在报价阶段，根据FPSO运营商对油田和货油输送的要求确认初版货油泵选型方案，并在基本设计阶段签订技术协议和采购。基本设计阶段需明确设计目标并满足规范和项目要求，项目要求通常包括如下信息：服务油田的位置、水深和外部环境因素；货油的规格参数；货油泵预期的使用寿命；货油泵制造、存储和运输需求；适用的船级社、船旗国和国际标准；货油泵的具体要求，例如型式和排量参数等；货油系统的运行原则；货油泵的维修倒运方案。基本设计阶段根据货油泵厂家的技术方案绘制布置图和原理图，再进行设备布置、货油原理和设备安装图的详细设计和生产设计工作，最后进行设备安装和调试工作直至交付使用。我公司已交付使用 MV32 和 P75 VLCC 改装FPSO 项目，MV32 项目选用 19 台排量为 750 m3/h的货油电动深井离心泵，泵头材质为双相不锈钢，中间管和支撑材质均为 AISI316L，泵轴长度约为30 m，同时配置了变频器、移动式液压货油泵、电机和轴承温度及振动传感器等。P75项目选用12台排量为1 200 m3/h的货油液压深井离心泵，泵头、中间管及支撑材质均为 AISI316L，同时配置了液压动力单元、传输单元、阀控单元、移动式液压货油泵、液压管路和附件等。MV32和P75项目货油泵对比见表4。表4MV32和P75项目货油泵对比项目对比厂家型式货油舱货油泵数量货油泵容量/（m3/h）货油运输配置扬程/m材质MV32项目A电动深井离心泵14个货油舱，总舱容311 220 m319台货油泵，其中5个货油舱每个舱布置2台货油泵，9个货油舱每个舱布置1台货油泵7507 500 m3/h（10台泵同时运行）150AISI316LP75项目B液压深井离心泵12个货油舱，总舱容319 678 m312台货油泵，每个舱布置1台货油泵1 2007 200 m3/h（6台泵同时运行）150AISI316L4结束语在 FPSO 改装项目中，货油泵作为 FPSO 货油系统乃至整个项目的核心设备，其正确合理的选型方案对FPSO的设计和运营有着重要的影响。本文通过对货油电动和液压深井离心泵的对比分析，介绍了货油泵选型因素，同时结合FPSO项目的实际应用，可为今后FPSO改装项目货油泵的选型提供参考和借鉴。参考文献1 刘爱侠.FPSO液压潜没泵系统分析与布置安装J.石油和化工设备，2020，23(9)：6165.2 吴震宇，汤敏.油船大型货油泵系统现状及发展趋势J.船海工程，2012，41(4)：129132.收稿日期：2023-08-23丁奎龙：FPSO改装项目货油泵选型分析35