双机械密封冲洗液补压装置与控制系统的研究与应用

杨叶 杨勇 杜洋洋 付峻 李春辉 彭兵

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司白云天然气作业公司，广东 深圳 518000）

随着科学技术的日新月异，新旧设备的建造与改造都朝着数值化、智能化方向靠近[1]。为适应当前的发展趋势和实现远程操作，南海东部海域某平台正在大力推进智能化建设进程，平台所产生的合格凝析油需要通过多级离心泵泵增压外输，该设备采用API682标准中PLAN53B提供外部冲洗，需要定期对冲洗系统充液补压，严重制约了平台远程操作的建设进度。本文通过查询文献、厂家沟通交流，针对外输泵冲洗系统的设计进行了研究探讨，并给出了最终的设计与控制方案。

1 背景

该平台从投产至今已稳定生产7年，通过对天然气、凝析油进行预处理后混输至陆岸终端，平台设计有3台凝析油外输泵，设计为2用1备，采用13级变频离心泵。每台离心泵的驱动端和非驱动端均设置有冲洗装置及其手动补压装置，冲洗液运行范围为3.25MPa～3.75MPa，根据泵的工况和外界温度的变化，补压最高频率为3天1次。为此，在平台进行智能气田设计和建设中冲洗液自动补压装置的研究与设计显得尤为重要。

2 现有冲洗方案存在的问题

该设备采用的PLAN53B与API682标准中所提及的PLAN53A-PLAN53C机封冲洗方案是应用最多的冲洗液方式之一，用于不允许向大气侧泄漏的方案[2][3]。该方式通过加压的冲洗液循环，附带蓄能器补压，以双机械密封中的泵效环驱动冲洗液的循环。广泛的应用于高蒸汽压流体、轻质烃、危险/有毒流体等液体的机械密封传输，可以实现分离工艺流体，零流程排放[4]。如图1所示为PLAN53B冲洗方案。

图1 PLAN53B冲洗方案

通过长期的实际运行发现，该方案有如下缺点：

1）冲洗液无法自清洁，管线内壁的锈蚀脱落物对机封将造成无可逆转的损坏；

2）冲洗液系统无法实现自动补压，该系统允许一定的泄漏量，当压力低于报警值时，需要人为补压；

3）冲洗液温度无法稳定控制，当输送介质温度变化时，冲洗液温度随之波动，不利于机械密封的稳定运行；

4）当多台泵并联使用时，需要同时配置独立的冲洗系统，提高了制造成本。

3 风险分析

为使设计的双机械密封冲洗液自动补压装置具有实施性、安全性，需要分析自动补压装置及其控制逻辑的可行性及风险识别，并予以规避[5]。

3.1 增压泵控制失效风险

增压泵属于自动补压装置中的核心设备，一般采用柱塞计量泵，并设计有远程启停功能，在投用装之前，需要人员现场确认流程已全部导通，尤其确认压力传送器和泄压阀正常投用，当泵无法通过中控控制信号停止时，会触发压力高高紧急停车，若仍然失效将导致泄放阀起跳保证系统压力在运行范围之内。

3.2 油品变质风险

冲洗液的正确选择是系统正常运行的关键，一般要求冲洗液应当具有以下几点要求[6][7]：

1）冲洗液应无腐蚀性，清洁，在工作温度下有较好的润滑性；

2）冲洗液与输送介质应具有配伍性，避免泄漏发生化学反应产生凝胶、沉淀堵塞系统；

3）冲洗液与系统中的金属、垫片等材料应不发生反应；

4）冲洗液泄漏时不污染环境、无危险，进入泵内后不产生气体等影响泵的运转。

上文所述的平台采用的冲洗液为10#航空油，完美的匹配了上述各项要求。在设计中为了保证油品品质满足要求，在油箱上可设置高精度空气过滤器，注油孔可配置带密封、过滤且不可脱离的盖子。

3.3 控制系统、自动阀门、设备故障

冲洗液自动补压装置的特点是自动启停，无人干涉，当装置的设备、控制系统或者阀门出现故障时，若无人员及时进行维修会影响双机械密封的正常使用。为此，对于控制系统、自动阀门以及设备在采办时就用辨识出质量风险点，并对其进行严格控制。在日常运行时应定期对阀门和控制系统进行测试，定期对设备进行检查和维护。

3.4 机械密封失效风险

在石化行业因机械密封失效引发火灾的案列较为突出[8]，而机械密封均有一定的使用寿命，为了保证现场的安全稳定生产，应该严格按照厂家给出的建议定期进行更换。此外，为了尽可能减少机械密封失效引发的次生灾害，应根据实际的密封形式选择合适的冲洗方案，同时设置冲洗压力与系统的关停逻辑，确保系统的本质安全[9][10]。

4 自动补压装置的设计方案

针对上述提及的问题及风险分析，通过与厂家的沟通、资料查阅后设计了一种机械密封冲洗液自动补压装置及方法，通过压力监测装置发出起泵和停泵指令，自动向冲洗液系统补压，同时将多台冲洗液系统合并为一套补压系统，极大的减少了制造成本，如图2所示为自动补压装置的原理图。

图2 机械密封自动补压装置原理图

4.1 增压泵的性能参数

本设计方案中增压泵采用电动计量泵，中控可以实现远程增压泵的启停。可选择0～100%流量可调整的柱塞泵，最大流量需要咨询厂家冲洗液允许最大泄漏量后进行选型，为安全起见一般不大于1L/min。考虑到远程操作的可靠性，增压泵一般按照2用1备原则进行设计。

4.2 冲洗液自清洁及温控功能

本设计方案中过滤器F1为高精度篮式滤器，可以有效去除系统内杂质，保证冲洗液洁净度，提高机械密封使用寿命，滤器为1用1备，配置有压力传送器PDT1，可以有效监测滤器脏堵情况。换热器采用管壳式换热器，冷却水采用温控阀V5自动根据温度传送器TT1进行自动控制，避免因冲洗液用户的新增或者减少导致冲洗液温度波动。

4.3 补压装置的控制

本方案设计采用了带有液位传输、呼吸、回流、排污等功能的油箱作为冲洗液储罐，当液位触发液位LL（LALL）时，将直接触发报警信号同时紧急关停增压泵。泵出口装有压力泄放阀（RV），可以实现超压后自动泄压至油箱。在滤器及换热器上游总管线上设置有压力传送器PT2，下游设置有压力传送器PT1，PT1设置有低/高报警（PAL/PAH）用以控制增压泵的启动和停止，PT2设置有低低/高高报警（PALL/PAHH）用以紧急关停增压泵，防止滤器或者流程不通导致的憋压，，PT2的压力低低信号除关停增压泵外，还会紧急关停工艺介质输送泵，所有压力传送器的设点均可在中控进行设置。泵撬入口自动阀门可以根据需要由中控远程开启和关闭，从而投用相应的外输泵。

4.4 安全风险分析

整个工艺流程的设计基础来源于PLAN53B，不改变离心泵应有的冲洗方式[11]。为了防止意外憋压等意外事件，本设计方案具有三级保护功能，一级保护为PCS通过设定点进行自动启停，二级保护为ESD通过信号触发紧急停车动作，三级保护为通过泄放阀进行超压回流，从而保证系统的安全运行。

5 应用案例

上述文中所述的机械密封冲洗液设计方案适用于设备的初始设计，对于后期平台的改造则需要进行适当的改造。如上文提及，为了完成南海某平台的智能化改造建设，实现凝析油外输泵冲洗液自动补压的目的，在本方案的设计基础上进行了设备的适当缩减，并成功实现了整撬设计和安装，如图3所示为该平台使用的自动补压装置的原理图。

图3 某平台使用的自动补压装置原理图

为了提供自动补压装置参数选型的参考，本文提供了该平台凝析油外输泵冲洗液自动补压装置设计的基础参数表如表1所示，表2为自动补压装置的设计参数。

表1 凝析油外输泵冲洗液相关参数

表2 自动补压装置的设计参数

压力低报 32.5 BARG凝析油外输泵的排量 90 m³/h凝析油外输泵进出口压力 200/760～1305 BARG

如图4所示为该平台凝析油外输泵D泵安装自动补压装置前后2周的冲洗液运行压力曲线图，通过图中趋势可以发现，在使用自动装置后冲洗液压力得到了极大的稳定。此外通过现场测试，凝析油外输泵冲洗液完全实现了自动补压的功能，取的了较好的实践运行效果，为该平台智能化建设提供了一定的基础。

图4 凝析油外输D泵冲洗液压力运行曲线

6 结论

通过本文研究设计的补压装置实现了冲洗液自动补压功能和远程启停功能，具有工艺简单，自动化程度高，安全可靠性高，该设计方案在南海某设施得到了实际应用并取得了良好的效果，成功的解决凝析油外输泵冲洗液无法自动补压的问题，在智能化平台建设具有较好的应用前景。