张海荣

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

某海上平台位于海南省文昌市以东约140 km 海面上，处在原油生产流程的上游。该平台所生产的原油，由海底管道将油气水混输到下游处理中心海上浮式生产储油轮（Floating Production Storage &Offloading，FPSO），进行油气水处理，处理合格后的原油进行外输。

1 闭式排放泵的作用

该平台的闭式排放系统兼具闭排放系统和冷放空系统的作用，其中包含闭式排放罐兼作凝液排放罐和闭排泵，主要收集井口生产平台上带压容器、井口管线、多路阀、多相流量计和收发球装置等排放出的带压流体，以及开式排放泵输送过来的液体。当闭式排放罐的液位达到一定的高度时，由闭排泵将这些液体输送到海底管线，闭式排罐中的气体则进行排空。

该平台的闭排泵属于多级离心泵，主要作用是输送闭式排放罐内的液体。当闭式排放罐内的液位达到一定高度时，闭式排放泵将会自动启动，将闭式排放罐的液体输送到海底管线，再通过海底管线送到下游处理中心FPSO，以保证闭排罐内的液位在安全液面以下（图1）。这种闭式排放泵主要采用自动启动控制，根据闭排罐的液位高度传感器来控制，同时该液位高度设置低液位和高液位报警，低低液位和高高液位关停信号，属于平台关键的安全设备。

图1 某平台闭排系统流程图

在日常处理闭排罐污油水时发现，该泵存在易发热、泵出口几乎无介质流出等问题，为保证生产需要和减轻维修操作人员的工作压力，有必要对其进行改造。

2 原闭排泵概述

2.1 离心式闭排泵工作原理

在离心式闭排泵内充满含油气水三相流体介质时，当电机带动泵轴和叶轮旋转时，液体一方面随叶轮作圆周运动，一方面在离心作用下自叶轮中心向外围抛出，液体从叶轮获得了压力和动能。当流体流经蜗壳到排液口时，部分速度能将转变为静压力能；在液体被叶片抛出时，叶轮中心部分造成低压区，与吸入液面的压力形成压力差，于是液体不断地被吸入，并以一定的压力排出[1]。

2.2 离心式闭排泵结构组成

离心式闭排泵主要部件有转子、泵壳、轴向力平衡装置、机械密封、冷却装置、轴承、轴承座和辅助设备等。

2.3 离心式闭排泵主要技术参数

泵类型：离心泵。

额定流量：10 m3/h。

出口压力：3400 kPa（G）。

额定转速：2950 r/min。

泵安装汽蚀余量NPSHa：1 m。

泵必需汽蚀余量NPSHr：1 m。

2.4 目前存在的问题

某平台闭排泵在使用初期，使用人员就发现不能正常工作，现场维修操作人员曾试着对闭排罐注入淡水、海水两种不同介质，闭排泵均能正常工作，各个性能参数均可达到设计要求。当把介质换成闭排罐内油水混合物时，闭排泵启动约5 min 后，泵出口排液管线仍不见有流体排出，且伴随泵体迅速发热和振动等现象出现。

当介质是污油水时，泵的出口压力最大虽可达海管外输的压力，但泵的进口排气阀几乎无介质流出，同时泵体伴随快速发热，无法将闭排罐液体泵入外输海管里。维修人员采取清洗滤器、将闭排罐中的液体加海水进行稀释等措施，再次启泵测试此种现象依然存在。

2.5 可能的原因分析

在平台操作维修人员利用海水、淡水试验闭排泵性能均正常的情况下，说明泵的吸入和排出管线是畅通无阻，吸入管路没有漏气，叶轮不存在缺陷[1]。闭排泵不能正常输送闭排罐内含油气水介质的原因有2 种可能：①闭排罐内污油水混合物中的轻烃组分在泵吸入时挥发出来，破坏了泵的自吸能力；②闭排泵设计安装存在一定的缺陷。

由闭排泵主要技术参数可知，该离心式闭排泵安装汽蚀余量NPSHa 和泵必需汽蚀余量NPSHr 相等，均为1 m，不满足为确保离心泵不发生汽蚀，离心泵的安装汽蚀余量NPSHa 必须有一个安全裕量S，且满足以下公式[2]：

式中 NPSHa——泵安装汽蚀余量，m

NPSHr——泵必需汽蚀余量，m

S——富裕汽蚀余量，m

对于一般的离心泵，S 取值为0.6～1.0 m[2]。

此外，美国水利标准协会（Hydraulic Institute Standards）的标准也规定：泵扬程下降3%时的安装汽蚀余量NPSHa 为当前流量点的泵必需汽蚀余量NPSHr[3]。

3 更换新型闭排泵

鉴于可能的原因分析，由试验测得该平台的原油凝固点为13 ℃，密度为0.774 g/cm3，属于凝固点比较低的轻质原油。鉴于以上数据，说明离心式闭排泵不能正常输送油气水三相混合介质的原因是轻烃的析出，破坏了离心泵的自吸能力；加之泵设计安装时安装汽蚀余量NPSHa 和泵必需汽蚀余量NPSHr 相等，导致离心泵产生汽蚀、泵出口没有流体流出和泵体迅速发热等故障。

此外，考虑到与原离心式闭排泵相连接的闭排罐在平台甲板面上的位置，不能再升高0.6 m，以及原离心式闭排泵的基座在平台甲板面上不能再降低0.6 m，以满足富裕汽蚀余量S 最小值0.6 m的要求等原因，故将离心式闭排泵换型为抗汽蚀能力良好、具有自吸能力的往复柱塞式闭排泵，则是比较理想的选择（图2）。

图2 闭排泵及闭排罐在平台甲板面的位置

3.1 新型闭排泵工作原理

往复式柱塞泵是容积式泵的一种，它依靠在泵缸内作往复运动的柱塞来改变工作室的容积，从而达到吸入和排出液体的作用。主要包括吸入和排出介质两个工作过程[3]。

这种类型闭排泵的基本工作原理为：当柱塞在曲轴连杆结构的带动下作往复运动时，其液缸的容积缓慢增大，就在液缸的局部位置形成了负压，同时出口阀处于关闭状态，在压力差的作用下，该泵的进液阀门被打开，液体进入液缸内部。柱塞移动到回程的极限位置时，进液过程就完全终止，此时，泵的工作缸内吸入液体最多。当柱塞做推进行程运动时，液缸内的容积缓慢减小，液体受柱塞的挤压，压力逐渐增加，致使进口阀关闭和出口阀打开，液体从出口管线中排出。柱塞达到进程的极限位置时，此时工作腔的容积达到极限最小值，排出液体的过程完毕。该泵的柱塞在曲轴连续带动下，不断地来回往复，吸排液过程就不断地交替进行，不断输出高压液体。

3.2 结构组成

该泵是三缸单作用柱塞式往复泵，主要组成为动力端和液力端。动力端主要为曲轴、传动箱、十字头、曲柄连杆机构、传动轴等。液力端主要为泵头，进、出口阀，填料函，密封件等[4]。

同时，考虑到三缸柱塞泵存在一定的冲击脉冲会引起管线及泵体振动等问题，在该泵的入口处配置储能器，出口布置安全阀、出口阻尼器、出口软管等配套设备，来增强泵的运行稳定性和安全性。

3.3 主要技术参数

泵类型：往复泵。

额定流量：10 m3/h。

出口压力：3400 kPa（G）。

泵安装汽蚀余量NPSHa：2.5 m。

泵必需汽蚀余量NPSHr：1 m。

3.4 柱塞泵及其配套设备

泵：型号3D3-10/4.0-Z，名称为3D-30 系列电动往复泵为三柱塞式高压泵，重庆西泉泵业有限公司生产。

电机：型号YB3-200S-8-H，防爆等级ExdIIBT4，佳木斯电机股份有限公司生产。

减振管：型号DN50/50F，成都尔萨流体控制设备有限公司。

储能器：型号PD-QS4000/50-F，成都尔萨流体控制设备有限公司。

安全阀：型号A42C-300LBP，中国永一阀门集团。

3.5 柱塞泵主要附件储能器安装注意事项

此种类型的柱塞泵，所配备的储能器充装氮气前，必须确认使用氮气进行充装，严禁使用氧气、压缩空气和其他易燃易爆、腐蚀性气体。在充装氮气时应该非常缓慢地进行，防止气体压力高于储能器内的胶囊。

在储能器安装前，必须将氮气正确充入胶囊内，储能器的充气、排气、测定和修正充气压力等应该使用专用的充气工具进行。

充气压力应该采用此种方法进行严肃认真的确认，充气压力可根据储能器在系统中的作用进行调整，但最高充气压力不得高于储能器公称压力的80%。

3.6 两种类型闭排泵优缺点比较

多级离心式闭排泵，抗汽蚀能力差；在没有充满介质的条件下，不具有自吸能力；工作效率低，能耗大；介质黏度对其工作性能影响大。而往复柱塞式闭排泵，尤其是三缸式往复泵，体积小，流量均匀[5]，具有自吸能力，且在压力剧烈变化时，仍能维持几乎不变的流量[6]；工作效率高，其容积效率在95%，总效率在90%[7]；抗汽蚀能力好，其汽蚀余量可不用考虑安全裕量，仅需满足NPSHa≥NPSHr 即可[8]。

4 改造后取得的效益

4.1 社会效益

通过对闭排泵换型改造，能够及时将该平台生产维修时产生的污油水，顺利输送到下游处理中心进行处理，对于平台的安全生产，具有重要意义。

4.2 经济效益

闭排泵换型改造后，能够根据生产需要，随时进行污油水的处理输送，从而减少了平台关闭生产井的时效，保证原油生产的连续性，具有非常可观的经济效益。该平台原离心式闭排泵换型后，还可以用作机修钳工人员的实操教具，对提高人员技能具有很高的价值。

5 结束语

通过对某平台闭排泵换型改造，成功解决了原离心式闭排泵输送含油气水效果差、泵体易发热等问题。改造后所选往复三缸式闭排泵，不仅能够很好地满足平台生产需要，而且比原离心式闭排泵运行安全可靠，对于保护环境具有非常重大的意义。减轻了现场操作维修工作压力，具有很好的社会效益和经济效益。为海上其他平台解决相似的问题提供参考。