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【摘 要】在现今的工业化设计领域模块化设计得到广泛应用，面对快速发展的油田地面工程建设，在油田站场内输油泵传统设计方式的基础上，优化设计方案，对输油泵进行模块化设计，可以提高工程建设速度，节省工程投资。
【关键词】油田地面工程；输油泵；模块化设计
一、引言
针对油田地面工程快速发展的现状，结合计算机行业、汽车制造业、船舶制造业等行业的模块化应用情况，油田专家提出将油田地面工程模块化建设，以节省工程投资和设备运行费用。输油泵是油田地面工程的重要设施，其设计制造可依据国内相关标准规范的技术要求，通过多年的行业发展，输油泵的设计、建造和运行积累了丰富经验，各类型的输油泵实现标准化、系列化制造。这些都为输油泵模块化设计奠定了基础。
二、模块化设计
模块化设计是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，它是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。[1]模块化设计作为一种新技术被广泛应用于汽车制造、电子产品、航天、航空等设计领域。
油田地面工程建设模块化设计是针对油田地面工程中具有独立功能、可组合、可替换的站场、区域等物理单元进行模块化设计、建造，以便在重复、类似的工程项目中组合、复用、预制，以达到节约投资、缩短工期、提高工程质量的目的。
三、输油泵模块化设计
油田地面工程输油泵主要包括油、气、水混输，含水原油的输送和净化原油的输送。[2] 输油泵作为一个工艺单元，由输油泵、进出口管路及管道附件、流量计，配套的自控设备和电力设备组成。
（一）模块划分
输油泵模块化设计的前提是对输油泵的应用进行归纳，针对不同的环境条件、输送介质和工艺流程，按照输油泵设计的相关标准规范对输油泵进行系列划分。输油泵具有输量变化大、介质粘度范围广、含有杂质多、运行时间长等特点。油田地面工程常用的输油泵为离心泵和容积泵，离心泵分为单级离心泵和多级离心泵，容积泵分为螺杆泵和往复泵。
输油泵的基本功能是为工作介质提供输送动力，克服管道摩阻，将介质输送到下游站场或工艺设施。为了便于对输油泵的模块进行分类，我们以输送介质的原油物性为依据。在集输系统中，输油泵的类型分为一般原油输送泵、稠油输送泵和轻油输送泵。一般原油输送泵的介质具有粘度低、凝固点低的特点，常选用离心泵。稠油输送泵的介质具有粘度高、凝固点高，含杂质颗粒，输送温度一般在50～80℃，常选用容积泵。轻油输送泵的介质除了具有密度低、粘度低的特点，还时常含有天然气凝液。
（二）模块工艺设计
1.模块类型
输油泵的模块划分为模块化设计提供依据，我们以某油田稠油输送泵为例，分析如何进行一类输油泵模块的设计工作。该油田集输系统稠油物性见表3.2-1，原油粘温数据见表3.2-2，开发区块产能预测指标见表3.2-3。
根据模块设计的基础数据，按输油泵模块划分方式，确定输油泵的类型。第一个划分依据是原油类型，为稠油输送。第二个划分依据是站场类型，为接转站。第三个划分依据是工艺流程，为增压泵。这样就确定输油泵的模块为稠油接转站增压泵。
2.模块参数
根据模块类型，进行具体的输油泵工艺设计。稠油输送泵选型应考虑原油粘度、含水及含砂的影响，一般宜选用容积泵。[1]为此确定模块的泵型为容积泵。输油泵主要设计参数是泵的排量、扬程（使用容积泵时，为排出压力）和电机功率。根据油田地面集输方式，模块的排量和扬程由原油粘度、接转站设计规模和输油管道水力热力条件确定。根据设计基础数据，接转站设计规模为20×104t/a，原油含水率为80%，输油泵模块流量为118m3/h，排出压力为2.0MPa。按容积泵轴功率计算公式3-1，计算输油泵有效功率为64.3kW。由于输送稠油的粘度大，并含有少量伴生气和杂质颗粒，选用单螺杆泵作为模块的核心设备。
（3-1）[3]
式中 Ne—泵的有效功率，kW；
P—泵的排出压力，MPa；
Q—泵的流量，m3/h。
由于泵制造厂商繁多，每个厂商的制造工艺不同，造成泵的效率、外形尺寸和重量不一致，影响模块复用。泵的选型必须按照模块化设计的要求确定，规定泵主要参数，包括流量、扬程、效率、电机功率、外形尺寸、重量和管口规格等参数。稠油接转站增压泵模块的主要工艺参数见表3.2-4。
3.工艺设计
在选定模块输油泵的类型后，需进行稠油接转站增压泵模块的典型流程设计。容积泵必须设计旁路回流阀调节流量。泵体上不带安全阀的容积泵，在靠近泵出口管段上必须安装安全阀。[2]模块工艺流程包括进出口管线上的截断阀、过滤器、温度压力仪表、安全阀和止回阀等阀门仪表，及旁路回流流程。模块化设计需确定模块内管道、管件和阀门的制造标准，可执行GB国家标准、HG化工标准或SH石化标准。
根据模块的工艺流程，可以确定模块的典型管道安装形式。将输油泵及其管道附件安装在橇座上，对模块进行工厂加工、橇装化制造，并在类似站场进行复用。为便于模块的组合复用，模块化设计需要考虑模块的制造、运输和安装，模块尺寸不应超过规定尺寸。根据公路运输的相关规定，要求运输车货尺寸（长×宽×高）不能超过18.1×2.5×4.0m。[4]稠油接转站增压泵模块尺寸为11.5×1.7×1.5m。对于单螺杆泵模块化设计，还应考虑模块的日常维护，在泵出口留有拆卸短接，保证螺杆的更换空间。
（三）模块配套设计
为保证模块的完整性，模块化设计不仅包含工艺设计，还包括输油泵的结构、电力、自控等配套设计。 结构设计将输油泵、进出口管道及附件通过螺栓和管道支架固定在橇座上。根据模块运输和吊装时的受力情况，确定橇座的结构形式。稠油接转站增压泵模块橇座采用碳素钢焊接而成，在支架固定处设置垫板，并在橇座四周设置吊钩板，便于模块吊装。
电力设计在模块上设置输油泵电机的动力电缆接线和防爆操作柱，对输油泵进行现场启停控制。为降低能耗，输油泵采用变频控制，电机运行状态反馈至控制系统，并在控制室实现远程自动启、停泵。
自控设计根据原油物性和模块操作压力、温度，对输油泵模块内的压力表、温度计进行选型。温度检测仪表采用变送器直接安装在传感器上的一体化温度变送器。压力变送器选用带就地表头指示的智能压力变送器。针对单螺杆泵的运行特性，输油泵设置泵体干运行保护，对输油泵的转速、温度、压力进行检测，实现高温、高压报警停泵。
四、输油泵模块应用
近些年，国内各大油田都对输油泵的模块化设计进行了探索，根据油田自身生产建设需求，确定输油泵的标准化、系列化，为输油泵的模块化设计奠定基础。大庆油田针对低渗透油田地面建设特点，对转油站、注水站、联合站中的工艺模块采用个性化设计和共性化设计相结合的方式，建立各类输油泵的模块化图集，根据实际需要调用相关模块完成站场设计，提高设计效率。[5]长庆油田为适应大规模开发需要，对增压站的模块形式、设备选型、配管安装和建设标准进行了全面优化和统一，确定不同规模和工艺的8种增压泵模块。[6]胜利油田针对东部油田、西部油田和海上油田不同的集输现状，确定多个系列增压泵模块，编制相关技术规格书、设计模块和设备材料清单。各油田在输油泵模块化设计方面均取得了初步成效，随着油田建设的发展和工程设计技术水平的提高，模块化设计将达到一定规模，更好的服务于油田建设。
五、结论及建议
工程设计人员经过近些年的探索，已初步摸索出模块化设计的思路，优化输油泵模块工艺流程、设备选型、配管安装和结构、自控、电力等设计。分析输油泵的设计建造过程，满足模块组合、复用、预制的要求，提高输油泵模块化技术水平。通过采用输油泵模块化设计，有效提高设计进度，利于输油泵模块化采购，节约投资。同时，缩短整个工程的建设周期，保证工程质量，提高油田开发的经济效益。
输油泵模块化设计刚刚起步，由于各油田生产情况和泵制造厂商不同，输油泵模块只能在油田内部相似区块间使用。工程设计人员应加强交流，整合模块系列，完善模块设计，提高其通用性，使其具有更强的复用性。
参考文献：
[1]（美）卡丽斯·鲍德温，设计规划（模块化的力量第1卷），中信出版社，2006.03。
[2]中华人民共和国国家标准，油气集输设计规范 GB50350-2005，原油泵输，中国计划出版社，2005.08。
[3]《油田油气集输设计技术手册》编写组，油田油气集输设计技术手册上册，石油工业出版社，1994.12，第六章第一节，457-458。
[4]中华人民共和国国家标准，道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值 GB1589-2004，车辆外廓尺寸要求，中国标准出版社，2004.04。
[5]马海燕，大庆低渗透油田标准化设计，规划设计， 2012.01，第31卷第1期。
[6]郭靖，范原搏，何毅，张箭啸，白剑锋，长庆油田标准化增压点设计，石油工程建设，2010.04
【关键词】油田地面工程；输油泵；模块化设计
一、引言
针对油田地面工程快速发展的现状，结合计算机行业、汽车制造业、船舶制造业等行业的模块化应用情况，油田专家提出将油田地面工程模块化建设，以节省工程投资和设备运行费用。输油泵是油田地面工程的重要设施，其设计制造可依据国内相关标准规范的技术要求，通过多年的行业发展，输油泵的设计、建造和运行积累了丰富经验，各类型的输油泵实现标准化、系列化制造。这些都为输油泵模块化设计奠定了基础。
二、模块化设计
模块化设计是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，它是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。[1]模块化设计作为一种新技术被广泛应用于汽车制造、电子产品、航天、航空等设计领域。
油田地面工程建设模块化设计是针对油田地面工程中具有独立功能、可组合、可替换的站场、区域等物理单元进行模块化设计、建造，以便在重复、类似的工程项目中组合、复用、预制，以达到节约投资、缩短工期、提高工程质量的目的。
三、输油泵模块化设计
油田地面工程输油泵主要包括油、气、水混输，含水原油的输送和净化原油的输送。[2] 输油泵作为一个工艺单元，由输油泵、进出口管路及管道附件、流量计，配套的自控设备和电力设备组成。
（一）模块划分
输油泵模块化设计的前提是对输油泵的应用进行归纳，针对不同的环境条件、输送介质和工艺流程，按照输油泵设计的相关标准规范对输油泵进行系列划分。输油泵具有输量变化大、介质粘度范围广、含有杂质多、运行时间长等特点。油田地面工程常用的输油泵为离心泵和容积泵，离心泵分为单级离心泵和多级离心泵，容积泵分为螺杆泵和往复泵。
输油泵的基本功能是为工作介质提供输送动力，克服管道摩阻，将介质输送到下游站场或工艺设施。为了便于对输油泵的模块进行分类，我们以输送介质的原油物性为依据。在集输系统中，输油泵的类型分为一般原油输送泵、稠油输送泵和轻油输送泵。一般原油输送泵的介质具有粘度低、凝固点低的特点，常选用离心泵。稠油输送泵的介质具有粘度高、凝固点高，含杂质颗粒，输送温度一般在50～80℃，常选用容积泵。轻油输送泵的介质除了具有密度低、粘度低的特点，还时常含有天然气凝液。
（二）模块工艺设计
1.模块类型
输油泵的模块划分为模块化设计提供依据，我们以某油田稠油输送泵为例，分析如何进行一类输油泵模块的设计工作。该油田集输系统稠油物性见表3.2-1，原油粘温数据见表3.2-2，开发区块产能预测指标见表3.2-3。
根据模块设计的基础数据，按输油泵模块划分方式，确定输油泵的类型。第一个划分依据是原油类型，为稠油输送。第二个划分依据是站场类型，为接转站。第三个划分依据是工艺流程，为增压泵。这样就确定输油泵的模块为稠油接转站增压泵。
2.模块参数
根据模块类型，进行具体的输油泵工艺设计。稠油输送泵选型应考虑原油粘度、含水及含砂的影响，一般宜选用容积泵。[1]为此确定模块的泵型为容积泵。输油泵主要设计参数是泵的排量、扬程（使用容积泵时，为排出压力）和电机功率。根据油田地面集输方式，模块的排量和扬程由原油粘度、接转站设计规模和输油管道水力热力条件确定。根据设计基础数据，接转站设计规模为20×104t/a，原油含水率为80%，输油泵模块流量为118m3/h，排出压力为2.0MPa。按容积泵轴功率计算公式3-1，计算输油泵有效功率为64.3kW。由于输送稠油的粘度大，并含有少量伴生气和杂质颗粒，选用单螺杆泵作为模块的核心设备。
（3-1）[3]
式中 Ne—泵的有效功率，kW；
P—泵的排出压力，MPa；
Q—泵的流量，m3/h。
由于泵制造厂商繁多，每个厂商的制造工艺不同，造成泵的效率、外形尺寸和重量不一致，影响模块复用。泵的选型必须按照模块化设计的要求确定，规定泵主要参数，包括流量、扬程、效率、电机功率、外形尺寸、重量和管口规格等参数。稠油接转站增压泵模块的主要工艺参数见表3.2-4。
3.工艺设计
在选定模块输油泵的类型后，需进行稠油接转站增压泵模块的典型流程设计。容积泵必须设计旁路回流阀调节流量。泵体上不带安全阀的容积泵，在靠近泵出口管段上必须安装安全阀。[2]模块工艺流程包括进出口管线上的截断阀、过滤器、温度压力仪表、安全阀和止回阀等阀门仪表，及旁路回流流程。模块化设计需确定模块内管道、管件和阀门的制造标准，可执行GB国家标准、HG化工标准或SH石化标准。
根据模块的工艺流程，可以确定模块的典型管道安装形式。将输油泵及其管道附件安装在橇座上，对模块进行工厂加工、橇装化制造，并在类似站场进行复用。为便于模块的组合复用，模块化设计需要考虑模块的制造、运输和安装，模块尺寸不应超过规定尺寸。根据公路运输的相关规定，要求运输车货尺寸（长×宽×高）不能超过18.1×2.5×4.0m。[4]稠油接转站增压泵模块尺寸为11.5×1.7×1.5m。对于单螺杆泵模块化设计，还应考虑模块的日常维护，在泵出口留有拆卸短接，保证螺杆的更换空间。
（三）模块配套设计
为保证模块的完整性，模块化设计不仅包含工艺设计，还包括输油泵的结构、电力、自控等配套设计。 结构设计将输油泵、进出口管道及附件通过螺栓和管道支架固定在橇座上。根据模块运输和吊装时的受力情况，确定橇座的结构形式。稠油接转站增压泵模块橇座采用碳素钢焊接而成，在支架固定处设置垫板，并在橇座四周设置吊钩板，便于模块吊装。
电力设计在模块上设置输油泵电机的动力电缆接线和防爆操作柱，对输油泵进行现场启停控制。为降低能耗，输油泵采用变频控制，电机运行状态反馈至控制系统，并在控制室实现远程自动启、停泵。
自控设计根据原油物性和模块操作压力、温度，对输油泵模块内的压力表、温度计进行选型。温度检测仪表采用变送器直接安装在传感器上的一体化温度变送器。压力变送器选用带就地表头指示的智能压力变送器。针对单螺杆泵的运行特性，输油泵设置泵体干运行保护，对输油泵的转速、温度、压力进行检测，实现高温、高压报警停泵。
四、输油泵模块应用
近些年，国内各大油田都对输油泵的模块化设计进行了探索，根据油田自身生产建设需求，确定输油泵的标准化、系列化，为输油泵的模块化设计奠定基础。大庆油田针对低渗透油田地面建设特点，对转油站、注水站、联合站中的工艺模块采用个性化设计和共性化设计相结合的方式，建立各类输油泵的模块化图集，根据实际需要调用相关模块完成站场设计，提高设计效率。[5]长庆油田为适应大规模开发需要，对增压站的模块形式、设备选型、配管安装和建设标准进行了全面优化和统一，确定不同规模和工艺的8种增压泵模块。[6]胜利油田针对东部油田、西部油田和海上油田不同的集输现状，确定多个系列增压泵模块，编制相关技术规格书、设计模块和设备材料清单。各油田在输油泵模块化设计方面均取得了初步成效，随着油田建设的发展和工程设计技术水平的提高，模块化设计将达到一定规模，更好的服务于油田建设。
五、结论及建议
工程设计人员经过近些年的探索，已初步摸索出模块化设计的思路，优化输油泵模块工艺流程、设备选型、配管安装和结构、自控、电力等设计。分析输油泵的设计建造过程，满足模块组合、复用、预制的要求，提高输油泵模块化技术水平。通过采用输油泵模块化设计，有效提高设计进度，利于输油泵模块化采购，节约投资。同时，缩短整个工程的建设周期，保证工程质量，提高油田开发的经济效益。
输油泵模块化设计刚刚起步，由于各油田生产情况和泵制造厂商不同，输油泵模块只能在油田内部相似区块间使用。工程设计人员应加强交流，整合模块系列，完善模块设计，提高其通用性，使其具有更强的复用性。
参考文献：
[1]（美）卡丽斯·鲍德温，设计规划（模块化的力量第1卷），中信出版社，2006.03。
[2]中华人民共和国国家标准，油气集输设计规范 GB50350-2005，原油泵输，中国计划出版社，2005.08。
[3]《油田油气集输设计技术手册》编写组，油田油气集输设计技术手册上册，石油工业出版社，1994.12，第六章第一节，457-458。
[4]中华人民共和国国家标准，道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值 GB1589-2004，车辆外廓尺寸要求，中国标准出版社，2004.04。
[5]马海燕，大庆低渗透油田标准化设计，规划设计， 2012.01，第31卷第1期。
[6]郭靖，范原搏，何毅，张箭啸，白剑锋，长庆油田标准化增压点设计，石油工程建设，2010.04