地下水封石洞油库工程潜油泵的控制方案设计

李莉，刘秀琴，贾玉明

(海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266061)

地下水封石洞油库工程潜油泵的控制方案设计

李莉，刘秀琴，贾玉明

(海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266061)

潜油泵是地下水封石洞油库工程的核心设备，国内大规模水封洞库工程的建设现处于起步阶段，对潜油泵的使用经验较少、认识程度较低。通过对某洞库项目潜油泵的研究，从结构、管道布置等方面入手，总结了潜油泵远程启动、停止的控制过程及安全联锁的触发条件，可用于优化设计，提高了水封洞库工程的自动化水平，也可用于指导潜油泵操作人员操作、维护。

水封洞库 潜油泵 结构 控制 最小流量阀

水封洞库洞室的高度一般设计为30 m，而洞罐的埋深[1]根据储存油品的性质、压力、岩体质量和水封条件等因素确定，这就对地下洞罐的核心设备潜油泵的性能指标、设计、安装和调试等提出了很高的要求。

由于潜油泵安装于洞罐泵坑中[2]，受安装、维护等条件的限制，一般要求其使用寿命大于20 a，现阶段水封洞库项目所采用的潜油泵均为进口泵。某洞库项目通过招标选用北欧某公司产品，现以此潜油泵为例，从潜油泵的结构、管道布置等方面入手，对该泵的控制、联锁方案进行总结，供设计人员及泵的操作人员参考。

1 潜油泵的结构

潜油泵主要由泵/电机单元、管柱单元、顶板布置单元组成，其排量为1 200 m3/h，扬程为180 m，功率为1 000 kW，结构如图1所示。

1) 泵/电机单元。泵与电机为一体化设计，电机为湿式电机[3]，位于泵的上方，与泵一起安装并悬挂在管柱上，结构简单，便于提升及维护。

图1 潜油泵结构示意

2) 管柱单元。管柱单元包括多段利用法兰式管柱接头连接的管柱，经过多段管柱的组合可满足潜油泵任意安装深度的要求。每段管柱中一体化集成3根导电铜管，导电铜管错开120°布置，构成了泵电力输送的导体。整个管柱单元内充满循环的液压油(简称循环油)，循环油既冷却、润滑潜油泵，又充当导电铜管的绝缘介质。它来自于顶板布置单元的油循环单元，由循环油泵注入并充满全部的管柱及电机，最后经导电铜管回到油循环单元。

简而言之，管柱单元既为潜油泵提供电力导体，又为循环油提供流通回路，对泵安全稳定的运行发挥了巨大的作用。此外，为减少泵运行时管柱单元的振动，需用管柱固定器将管柱单元固定在出油套管上。

3) 顶板布置单元。顶板布置单元包括顶板、油循环单元、仪表接线箱及电气接线箱。其中，油循环单元、仪表接线箱及电气接线箱安装于顶板之上，管柱单元及泵/电机单元悬挂于顶板之下，因而顶板的设计荷载必须能够满足潜油泵及其安装附件的承重要求。顶板的直径与三通的直径相同，经三通与出油套管及出油管道连接，共同形成了泵的出油管路系统。

油循环单元除了对泵进行冷却、润滑、绝缘外，还被用以检测、判断泵/电机单元的运行情况，是潜油泵的重要组成部分。

a) 油循环单元的组成。该单元主要由循环油、循环油箱、循环油泵、换热器、过滤器、管线及仪表等组成；通过外接循环冷水将循环油进行冷却，从而冷却潜油泵的电机单元。

b) 油循环单元检测点的设置。在循环油箱设置就地及远传液位计以检测循环油箱的液位，通过油箱液位的变化可判断潜油泵的机械密封是否损坏。

在循环油供油管线设置压力变送器以检测循环油系统的压力，必须保证管柱及电机内的循环油压力大于套管内的原油压力，这样即使潜油泵的机械密封发生泄漏，原油也不会进入泵/电机单元或管柱单元。此外，循环油的压力不能超过管柱的管道设计压力及电机正常运行的工作压力，否则将破坏潜油泵的管柱单元和电机单元。

在循环油回油管线设置温度变送器，通过检测循环油回油温度可判断潜油泵的电机单元有无过热现象，进而判断机泵能否正常运行。一旦油循环单元所检测的参数出现异常，安全仪表系统将触发联锁保护功能停潜油泵。

4) 出油套管的防腐。原油经过泵的出油套管从地下洞罐提升至地面，水封洞库的储油原理及地下洞罐的结构形式[4]决定了出油套管是无法维修或替换的管道，因而必须做好出油套管的防腐工作，以满足水封洞库中不可维修的材料和设备的设计寿命不宜小于50 a的要求[5]。

安装于油水界面部分的出油套管通常采用双相不锈钢来提高抗腐蚀能力，其他部分采用碳钢，设计人员根据出油套管所受的内外压及腐蚀余量来计算其厚度，并采用牺牲阳极阴极保护法进行防腐。

2 潜油泵出油管道的布置

潜油泵为两级离心泵，其出油管道布置如图2所示。

图2 潜油泵出油管道布置示意

1) 最小流量阀。离心泵启动时，为避免因出口流量满负荷导致启动电流过大，最终损害电机[6]，会要求关闭泵出口排油阀；但高功率、大排量泵在零流量启动时，易因电机过热导致泵内介质升温、汽化甚至发生汽蚀损害[7]，所以在工程设计阶段，设计人员一般会为高功率、大排量泵设置最小流量管线，使介质能够以最小流量流过离心泵，从而避免操作人员对其进行零流量启动。

泵在不产生过热、汽蚀及机械故障(振动、噪声超标、轴承寿命缩短等)的情况下，能够正常工作的最小流量称离心泵的最小流量，该值由泵厂通过试验获得并提供给用户[8]。操作人员通过控制最小流量阀的开度可使离心泵在最小流量下正常启动、运行。为实现泵的远程启停，需将排油阀及最小流量阀设置为远程控制阀门，可采用电动调节型平板闸阀[9]作为最小流量阀及排油阀。

2) 放空阀。为了避免出油套管内的空气进入到潜油泵中，通常在出油管道靠近止回阀的位置设置放空阀。潜油泵启动时，出油套管中的空气通过常开的放空阀排出，随着被提升的液体到达放空阀的位置，放空阀内的浮球在浮力的作用下浮起，自动关闭放空阀；而当潜油泵停止时，由于液体倒流，放空阀打开，空气重新进入套管，避免了套管内产生真空。

3 潜油泵的控制方案

3.1 潜油泵的远程启动

有些技术人员不赞同远程启泵方式，比较认同现场人工启泵的操作习惯，启泵时机主要是通过熟练工人的经验结合启泵的具体情况进行判断。但笔者认为只要条件满足、程序正确，完全可以实现在控制室远程启泵。

操作人员是否按照正确的步骤来操作潜油泵直接影响到泵的使用寿命，正确的启泵步骤可降低电机过热、泵体振动及汽蚀发生的概率，可减小对泵体及电机的损坏。在远程启泵方式下，由于泵的启动步骤全部固化为程序，启泵命令发出前启泵程序逐条核查启泵允许条件，若发现有任何启泵条件没达到，则不允许启动潜油泵，从而避免了因操作人员误操作或启泵步骤混乱对泵造成的损害。

远程启动潜油泵的控制过程见表1所列。

表1 远程启动潜油泵的控制过程

由表1可见，大排量、大功率潜油泵的启动是一个复杂的过程，启泵命令发出前需要进行一系列的启动准备及条件核查工作。在启泵条件核查中，油循环单元正常运行确认是指确认油循环单元的液位、压力、温度是否处于各参数的正常范围之内，且循环油泵是否处于正常运行中；有无启动机会确认是指确认潜油泵在1 h内的启动次数是否超过了仅有的2次。

潜油泵启动后，保持在最小流量下运行，直至温度、压力、液位、排量等各参数达到稳定的指标后，开启泵出口排油阀、关闭最小流量阀。当泵出口排量超过最小流量时，检查最小流量阀是否关闭；当泵出口排油阀全打开后，检查油循环单元各参数是否处于正常指标，潜油泵的排量是否处于运行曲线所标注的最佳工作范围。

3.2 潜油泵的远程停止

远程停潜油泵的控制过程见表2所列。潜油泵停止后，其循环油泵仍需保持运行至潜油泵供货商给出的可以停止的时间。

表2 远程停潜油泵的控制过程

3.3 潜油泵的安全联锁

潜油泵正常运行中，一旦相关监测参数出现异常，安全仪表系统将触发联锁保护功能[10]，紧急停潜油泵以保护泵及库区生产的安全。潜油泵的安全联锁见表3所列。

表3 潜油泵的联锁控制

此外，在各竖井口设置泵急停操作按钮，用于现场急停潜油泵；油循环单元油箱液位低低、油循环单元压力高高、压力低低不仅触发潜油泵的自保联锁，还触发油循环油泵的自保联锁。

3.4 潜油泵的运行管理

可根据采集泵的排量和循环油的温度、压力、循环油箱的液位等参数，在过程控制系统中为潜油泵生成泵运行记录表、泵排量记录图等文件，供用户判断潜油泵的运行状况。

4 结束语

潜油泵是水封洞库工程的核心设备，了解、掌握潜油泵的结构及操作过程，有利于更好地操作和维护潜油泵，也有利于优化设计、提高库区自动化水平。通过对某洞库潜油泵的研究，概括了大排量、高功率、无电缆式潜油泵的结构特点及设计要点，详细描述了潜油泵远程启动及停止的控制过程，总结了洞库工程潜油泵安全联锁的触发条件，供设计人员参考。

[1] 马耀川，潘真.地下水封石油洞库埋深优化方法[J].油气储运，2013(05)： 521-525.

[2] 刘斌.黄岛地下洞库浸没油泵及裂隙水泵的安装[J].油气储运，1997(12)： 36-39.

[3] 鲍晓华，盛海军，单丽.高压湿式潜水电机水摩擦损耗分析[J].电机与控制应用，2012(10)： 50-53.

[4] 刘秀琴，李莉.地下水封石洞油库洞罐仪表的选型设计[J].石油化工自动化，2013，49(03)： 6-9.

[5] 杨森，何凤友，张杰坤，等.GB 50455—2008 地下水封石洞油库设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2009.

[6] 吴明，孙万富，周诗岽.油气储运自动化[M].北京： 化学工业出版社，2005： 243-244.

[7] 谢相彬，王克敬.自动再循环阀在离心泵最小流量控制中的应用[J].化工设计，2000(01)： 35-37.

[8] 陈伟.离心泵最小连续流量[J].化工设备设计，1994(05)： 43-46.

[9] 李仕.平板闸阀刮伤原因分析及对策[J].管道技术与设备，2008(03)： 38-39.

[10] 李胜利，卢金芳.石油化工装置安全仪表系统的设计[J].石油化工自动化，2007，43(02)： 18-22.

[11] 蔺继英，高燚.增压泵用机械密封稳态分析及改进[J].化工设备与管道，2013，50(02)： 52-54.

Control Scheme Design of Submersible Pump for Underground Oil Storage in Rock Caverns Project

Li Li， Liu Xiuqin， Jia Yuming

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd.， Qingdao， 266061， China)

Submersible pumps are key equipments in underground water block rock caverns oil depot projects. The construction of national large-scale underground rock caverns projects are in fledging period. The service experiences and cognitions of submersible pumps are very limited. Through the study of submersible pumps for one underground rock caverns project， the control process of remote start-up， remote shut-down and triggering condition of safe interlock have been summarized. It can be used to optimize design and improve automatic management of underground rock cavern projects， and can also be used to guide operators to operate and maintain submersible pumps.

water block rock caverns； submersible pump； structure； control； minimum flow valve

李莉(1982—)，女， 2007年毕业于青岛大学计算机应用技术专业，获硕士学位，现就职于海工英派尔工程有限公司自控室，从事石油化工自控设计工作。

TP273

B

1007-7324(2015)01-0014-04

稿件收到日期： 2014-09-01，修改稿收到日期： 2014-10-24。