基于Flowmaster原油外输系统的设计研究

2014-12-11崔晶晶刘伟谢克斯特天津海洋船舶工程有限公司天津300467艾法能源工程股份有限公司天津300457

中国科技纵横 2014年20期

关键词：油舱汽蚀外输

崔晶晶刘伟(.谢克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司,天津 300467;.艾法能源工程股份有限公司,天津 300457)

崔晶晶1刘伟2(1.谢克斯特(天津)海洋船舶工程有限公司,天津 300467;2.艾法能源工程股份有限公司,天津 300457)

本文主要阐述了基于Flowmaster软件,评判海洋工程装备FSO(浮式储油油轮)原油外输系统设计的方法。

FSO 原油外输 Flowmaster

1 引言

原油外输系统是海洋工程装备FSO(浮式储油油轮)重要的工艺系统。它主要包括货油泵、外输总管、计量装置和艉外输软管装置等，其功能是通过FSO上的货油泵将储存在货油舱里的原油外输出去。基于目前国际上较为流行的Flowmaster软件，本文主要讨论原油进入艉外输软管前压力情况，及评判FSO上货油泵的外输能力。

2 Flowmaster软件

Flowmaster软件包含了一系列精心设计的模块用于各种各样的系统管流计算。其中，不可压模块主要用于液体及低压气态流体系统的计算。包括稳态分析、动态分析、流体平衡分析、元件尺寸分析、部件耦合影响分析及传热分析。

3 管流水头损失计算理论

在流体力学理论中，粘性流体在管路中流动时，由于要克服阻碍流体质点运动的内摩擦力等，必然要消耗一部分的机械能，并使这部分机械能转变成热量而散失。这种机械能的消耗称为能量损失。单位重量流体所损失的机械能称为能头损失(或水头损失)[1]。流体阻力按产生的原因不同，可分为沿程阻力和局部阻力两种。

3.1 沿程水头损失

流体在管道中流动时，由于流体在管壁之间有粘附作用，以及流体质点与流体质点之间存在内摩擦力等，产生为克服沿程阻力消耗的机械能，用达西方程[1]表述为：

λ=沿程阻力系数，与流动状态、管壁的粗糙度等因素相关，由于湍流运动很复杂，很难用理论方法直

表1 离心式货油泵的性能表

表2 原油特性表

图1 压力分布节点图(单位：bara)接推导求得，实际上都是采用实验数据和经验公式来求得;g=重力加速度;

v=管中的平均速度。

3.2 局部水头损失

ζ=局部阻力系数。

3.3 总能量损失

工程实际中，流体在管道中流动总是同时产生沿程阻力损失和局部阻力损失。于是，在某段管道上流体产生总的能量损失应该是这段管路上各种能量损失的叠加，即为所有沿程能量损失与所有局部能量损失的和：

4 离心式货油泵的有效汽蚀余量(NPSHa)和必须汽蚀余量(NPSHr)

根据离心泵的工作原理，“汽蚀现象”是指离心式货油泵叶轮入口附近的压力小于该处温度下被输送液体的汽化压力时，液体在叶轮入口处就要汽化，叶道内液体汽化、凝结形成高频冲击负荷，造成金属材料的机械剥落和电化学腐蚀的综合现象。

必须汽蚀余量[2]是由离心式货油泵的结构参数和流量决定的。而有效汽蚀余量[2]的大小与离心式货油泵吸入管路的参数有关，而与泵本身的结构尺寸无关，表示为：

其中，

Ht=货油舱液位高，m;

Hs=吸入管路的水力损失，m;Pa=表面压力，m;PV=气化压力，m。根据汽蚀判别式，当时，离心式货油泵不会发生“汽蚀现象”。

5 工程应用

在Belida油田应用的FSO设计装有四台可调速的离心式货油泵，其中三台货油泵做并车运行，另外一台泵做备用。当FSO进行原油外输操作时，总的原油外输流量要求达到4770m3/h。根据相关的管路布置图进行判断：最恶劣的工况是1号、2号和3号货油泵并车运行，同时分别从1号左舷货油舱、2号左舷货油舱和3号左舷货油舱外输原油。

(1)离心式货油泵的性能参数见表1。(2)Belida油田的原油特性参见表2。

(3)基于流体力学原理，Flowmaster计算的结果参见图1。即：为了满足总的原油外输流量达到4770m3/h的要求，需将三台货油泵出口蝶阀开启角度的调整比率设为0.589;原油进入艉外输软管前最小压力为3bara;且货油舱的液位高度降到3.86m以下时，货油泵会发生“汽蚀现象”，从而影响原油外输的能力。