崔晶晶 劉偉(.謝克斯特(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)

基于Flowmaster原油外輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

崔晶晶1劉偉2(1.謝克斯特(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)

本文主要闡述了基于Flowmaster軟件,評(píng)判海洋工程裝備FSO(浮式儲(chǔ)油油輪)原油外輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

FSO 原油外輸 Flowmaster

1 引言

原油外輸系統(tǒng)是海洋工程裝備FSO(浮式儲(chǔ)油油輪)重要的工藝系統(tǒng)。它主要包括貨油泵、外輸總管、計(jì)量裝置和艉外輸軟管裝置等，其功能是通過(guò)FSO上的貨油泵將儲(chǔ)存在貨油艙里的原油外輸出去?；谀壳皣?guó)際上較為流行的Flowmaster軟件，本文主要討論原油進(jìn)入艉外輸軟管前壓力情況，及評(píng)判FSO上貨油泵的外輸能力。

2 Flowmaster軟件

Flowmaster軟件包含了一系列精心設(shè)計(jì)的模塊用于各種各樣的系統(tǒng)管流計(jì)算。其中，不可壓模塊主要用于液體及低壓氣態(tài)流體系統(tǒng)的計(jì)算。包括穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、流體平衡分析、元件尺寸分析、部件耦合影響分析及傳熱分析。

3 管流水頭損失計(jì)算理論

在流體力學(xué)理論中，粘性流體在管路中流動(dòng)時(shí)，由于要克服阻礙流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力等，必然要消耗一部分的機(jī)械能，并使這部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱量而散失。這種機(jī)械能的消耗稱(chēng)為能量損失。單位重量流體所損失的機(jī)械能稱(chēng)為能頭損失(或水頭損失)[1]。流體阻力按產(chǎn)生的原因不同，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。

3.1 沿程水頭損失

流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于流體在管壁之間有粘附作用，以及流體質(zhì)點(diǎn)與流體質(zhì)點(diǎn)之間存在內(nèi)摩擦力等，產(chǎn)生為克服沿程阻力消耗的機(jī)械能，用達(dá)西方程[1]表述為：

λ=沿程阻力系數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)、管壁的粗糙度等因素相關(guān)，由于湍流運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，很難用理論方法直

表1 離心式貨油泵的性能表

表2 原油特性表

圖1 壓力分布節(jié)點(diǎn)圖(單位：bara)接推導(dǎo)求得，實(shí)際上都是采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求得;g=重力加速度;

v=管中的平均速度。

3.2 局部水頭損失

ζ=局部阻力系數(shù)。

3.3 總能量損失

工程實(shí)際中，流體在管道中流動(dòng)總是同時(shí)產(chǎn)生沿程阻力損失和局部阻力損失。于是，在某段管道上流體產(chǎn)生總的能量損失應(yīng)該是這段管路上各種能量損失的疊加，即為所有沿程能量損失與所有局部能量損失的和：

4 離心式貨油泵的有效汽蝕余量(NPSHa)和必須汽蝕余量(NPSHr)

根據(jù)離心泵的工作原理，“汽蝕現(xiàn)象”是指離心式貨油泵葉輪入口附近的壓力小于該處溫度下被輸送液體的汽化壓力時(shí)，液體在葉輪入口處就要汽化，葉道內(nèi)液體汽化、凝結(jié)形成高頻沖擊負(fù)荷，造成金屬材料的機(jī)械剝落和電化學(xué)腐蝕的綜合現(xiàn)象。

必須汽蝕余量[2]是由離心式貨油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流量決定的。而有效汽蝕余量[2]的大小與離心式貨油泵吸入管路的參數(shù)有關(guān)，而與泵本身的結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)關(guān)，表示為：

其中，

Ht=貨油艙液位高，m;

Hs=吸入管路的水力損失，m;Pa=表面壓力，m;PV=氣化壓力，m。根據(jù)汽蝕判別式，當(dāng)時(shí)，離心式貨油泵不會(huì)發(fā)生“汽蝕現(xiàn)象”。

5 工程應(yīng)用

在Belida油田應(yīng)用的FSO設(shè)計(jì)裝有四臺(tái)可調(diào)速的離心式貨油泵，其中三臺(tái)貨油泵做并車(chē)運(yùn)行，另外一臺(tái)泵做備用。當(dāng)FSO進(jìn)行原油外輸操作時(shí)，總的原油外輸流量要求達(dá)到4770m3/h。根據(jù)相關(guān)的管路布置圖進(jìn)行判斷：最?lèi)毫拥墓r是1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)貨油泵并車(chē)運(yùn)行，同時(shí)分別從1號(hào)左舷貨油艙、2號(hào)左舷貨油艙和3號(hào)左舷貨油艙外輸原油。

(1)離心式貨油泵的性能參數(shù)見(jiàn)表1。(2)Belida油田的原油特性參見(jiàn)表2。

(3)基于流體力學(xué)原理，F(xiàn)lowmaster計(jì)算的結(jié)果參見(jiàn)圖1。即：為了滿足總的原油外輸流量達(dá)到4770m3/h的要求，需將三臺(tái)貨油泵出口蝶閥開(kāi)啟角度的調(diào)整比率設(shè)為0.589;原油進(jìn)入艉外輸軟管前最小壓力為3bara;且貨油艙的液位高度降到3.86m以下時(shí)，貨油泵會(huì)發(fā)生“汽蝕現(xiàn)象”，從而影響原油外輸?shù)哪芰Α?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

基于Flowmaster軟件，可以有效評(píng)判原油外輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可靠性，對(duì)設(shè)計(jì)原油外輸系統(tǒng)提供了有效的幫助，避免施工、投產(chǎn)后，原油外輸系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

[1]侯國(guó)祥,孫江龍,王先洲,馮大奎.工程流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]張湘亞,陳弘.石油化工流體機(jī)械[M].山東：石油大學(xué)出版社,1996.

崔晶晶,女,1983年02月14日,碩士研究生,中級(jí)工程師,主要從事海洋工程裝備設(shè)計(jì)研究;

劉偉,男,1975年,本科,工作單位：艾法能源工程股份有限公司,高級(jí)工程師,主要從事海洋工程的詳細(xì)設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)工作。