頂驅(qū)電控房正壓防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李美華，孫明寰，齊建雄，張軍巧，張紅軍

(北京石油機(jī)械廠，北京 100083)

0 引言

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置(以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū))是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型鉆井裝備。它能從井架空間上部直接驅(qū)動(dòng)鉆柱并沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，可完成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接立根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作[1]。在節(jié)省時(shí)間、處理井下復(fù)雜、機(jī)械化程度、安全等各方面均起著至關(guān)重要的作用。

北京石油機(jī)械廠近年承接中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司“海洋平臺(tái)用頂驅(qū)裝置產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，根據(jù)中海油健康安全環(huán)保部發(fā)出的《關(guān)于要求在鉆完井和地層測(cè)試作業(yè)過(guò)程中使用防爆儀器房、工作間的通知》，設(shè)計(jì)了電控房防爆系統(tǒng)，使之滿足海洋平臺(tái)的使用要求。

1 防爆形式選擇

GB 3836《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》中指出，電氣設(shè)備的主要防爆形式主要有隔爆型、增安型、本質(zhì)安全型、正壓型、充油型、充砂型、澆封型[2]。根據(jù)其各自的防爆原理，可以發(fā)現(xiàn)正壓防爆是房間類結(jié)構(gòu)較合理的防爆方式，它采用壓力控制系統(tǒng)來(lái)保證正壓外殼內(nèi)保護(hù)氣體(潔凈、干燥空氣)的壓力高于周圍爆炸性氣體環(huán)境的壓力，通過(guò)阻止外部爆炸性氣體混合物進(jìn)入殼體與點(diǎn)燃源接觸，達(dá)到防爆的目的[3]。它對(duì)于房間內(nèi)部在正壓防爆系統(tǒng)建立后所使用的電氣元件沒有任何附加要求，不需要對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)。

2 正壓防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 正壓防爆系統(tǒng)對(duì)房體的基本要求

頂驅(qū)電控房?jī)?nèi)部主要安裝有交流變頻系統(tǒng)、PLC、MCC、輔助變壓器、制動(dòng)電阻、空調(diào)機(jī)組(室內(nèi)機(jī)、室外機(jī))等。為達(dá)到正壓防爆目的，房體應(yīng)達(dá)到以下基本要求:

(1)房體結(jié)構(gòu)應(yīng)牢固可靠，內(nèi)部各部件布局合理，非防爆電氣元件均布置在正壓區(qū)內(nèi)，其它零部件布置應(yīng)注意方便操作和維修。同時(shí)要保證正壓區(qū)的密封，避免保護(hù)氣體大量泄漏。

(2)房體正壓區(qū)外應(yīng)設(shè)計(jì)有過(guò)渡艙，為人員進(jìn)出時(shí)提供一個(gè)緩沖，防止開、關(guān)門造成室內(nèi)正壓系統(tǒng)的破壞，而增加外部可燃性氣體進(jìn)入正壓區(qū)的可能性。

2.2 正壓防爆系統(tǒng)硬件組成與工作原理

正壓防爆系統(tǒng)主要由防爆傳感器、防爆報(bào)警裝置、防爆軸流風(fēng)機(jī)、防爆控制箱等組成。待防爆軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，房體內(nèi)將建立并維持正壓，控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集到的傳感器信號(hào)，判斷壓力、可燃?xì)怏w濃度、溫度是否超出限定值，超出時(shí)將發(fā)出聲光報(bào)警，提示井場(chǎng)人員進(jìn)行相關(guān)操作。

2.2.1 防爆傳感器

系統(tǒng)配置的防爆傳感器有隔爆壓力變送器、隔爆可燃?xì)怏w探頭、防爆溫度變送器。

(1)隔爆壓力變送器

用于測(cè)量室內(nèi)空氣相對(duì)于周圍爆炸性氣體環(huán)境的正壓力。測(cè)量范圍0～250 Pa，輸出4～20 mA，防爆等級(jí)ExdⅡBT5。設(shè)定當(dāng)正壓力低于50 Pa時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，防爆軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)增壓。

(2)隔爆可燃?xì)怏w探頭

用于檢測(cè)被測(cè)環(huán)境中的可燃性氣體濃度。輸出4～20 mA，防爆等級(jí) ExdⅡCT6，設(shè)定當(dāng)可燃?xì)怏w爆炸下限高于25%LEL(Lower Explosion Limited)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，排氣口電磁閥打開，防爆軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始換氣。

(3)防爆溫度變送器

用于檢測(cè)制動(dòng)電阻艙內(nèi)溫度，輸出4～20 mA，防爆等級(jí)ExdⅡCT6，設(shè)定當(dāng)溫度值高于50℃時(shí)，排氣口電磁閥打開，防爆軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，開始換氣。

2.2.2 防爆報(bào)警裝置

系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)防爆報(bào)警裝置，分別安裝于變頻艙內(nèi)及房頂，方便房體內(nèi)外人員發(fā)現(xiàn)警報(bào)。當(dāng)壓力、可燃?xì)怏w濃度或溫度超過(guò)限定值時(shí)報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，電控房值班人員發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即檢查正壓系統(tǒng)，盡快恢復(fù)正壓;如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)正壓且可燃性氣體濃度上升至危險(xiǎn)程度，應(yīng)盡快通知司鉆按操作程序關(guān)閉頂驅(qū)控制系統(tǒng)，直至切斷電源。

2.2.3 防爆軸流風(fēng)機(jī)

防爆軸流風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)提供潔凈、干燥的空氣，保證系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡。為提高可靠性，系統(tǒng)采取了冗余設(shè)計(jì)，選取兩臺(tái)防爆軸流風(fēng)機(jī)。一般情況下，只有一臺(tái)工作，當(dāng)這臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將之關(guān)閉，自動(dòng)啟動(dòng)另一臺(tái)備用風(fēng)機(jī)。

2.2.4 防爆控制箱

防爆控制箱是整個(gè)正壓防爆系統(tǒng)的控制核心，可編程控制器和各種控制電路均放置于其中。電控房?jī)?nèi)防爆系統(tǒng)與室內(nèi)照明的電源均從防爆控制箱引出，上面布置的各種開關(guān)旋鈕可控制防爆軸流風(fēng)機(jī)、防爆照明燈、防爆報(bào)警裝置等設(shè)備，連接的各防爆傳感器可探測(cè)艙內(nèi)的正壓力、可燃?xì)怏w濃度及溫度，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)可發(fā)出聲光報(bào)警，并可提示現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行適當(dāng)操作。

圖1 頂驅(qū)電控房電氣系統(tǒng)布局示意圖

2.3 正壓防爆系統(tǒng)電氣控制流程

2.3.1 電路配線基本要求

爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣線路除應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、滿足一般安全要求外，還應(yīng)符合以下要求:

(1)應(yīng)采用絕緣導(dǎo)線穿鋼管明敷設(shè)或暗敷設(shè)、鎧裝電纜等方式配線。

(2)導(dǎo)線在鋼管內(nèi)不得有接頭和扭結(jié)現(xiàn)象，其接頭應(yīng)在防爆接線盒內(nèi)連接。

(3)動(dòng)力電纜進(jìn)出線、空調(diào)冷煤管線處應(yīng)沿墻體做電纜穿墻密封，保證房體的防爆要求。

2.3.2 電氣系統(tǒng)布局及控制流程

(1)電氣系統(tǒng)布局

頂驅(qū)電控房用電分兩路控制，布局如圖1所示。

第1路是防爆電路控制。其中外部電源(380 V/50 Hz)由防爆插接裝置引入防爆電控箱。經(jīng)轉(zhuǎn)換可分別給隔爆壓力變送器、隔爆可燃?xì)怏w探頭、防爆溫度變送器、防爆軸流風(fēng)機(jī)、防爆電磁閥、防爆照明燈、防爆聲光報(bào)警裝置等供電。

第2路是非防爆電路控制。它指的是頂驅(qū)的主供電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)用電控制，即發(fā)電機(jī)組提供的600 V/50 Hz電源經(jīng)輔助變壓器、交流變頻系統(tǒng)等給頂驅(qū)主電機(jī)、液壓站、空調(diào)機(jī)組等使用，它必須在房體內(nèi)部各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，才能啟動(dòng)。

(2)電氣控制流程

頂驅(qū)電控房在正壓建立前后電氣控制流程如圖2所示。

先啟動(dòng)防爆系統(tǒng)電源，正壓防爆系統(tǒng)開始工作，如可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)超標(biāo)則系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，自動(dòng)打開防爆電磁閥，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)防爆軸流風(fēng)機(jī)對(duì)電控房進(jìn)行換氣，將房?jī)?nèi)的危險(xiǎn)氣體(可燃性氣體或有毒有害氣體)排凈，當(dāng)可燃性氣體或有毒有害氣體濃度下降到安全值以下時(shí)，防爆電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。

防爆系統(tǒng)電源接入后如只有壓力報(bào)警時(shí)，啟動(dòng)防爆軸流風(fēng)機(jī)對(duì)電控房進(jìn)行增壓。當(dāng)全部指標(biāo)合格，并形成正壓后，方可向頂驅(qū)變頻柜送電，空調(diào)機(jī)組、輔助變壓器、制動(dòng)電阻、頂驅(qū)主電機(jī)、液壓站等相應(yīng)工作，可操作頂驅(qū)進(jìn)行鉆井作業(yè)。

2.4 氣路設(shè)計(jì)

氣路通常由進(jìn)氣口、風(fēng)道、防爆軸流風(fēng)機(jī)、排氣口等組成。進(jìn)氣口應(yīng)設(shè)置在安全區(qū)，并帶有過(guò)濾器，來(lái)保證保護(hù)氣體的潔凈、干燥。排氣口設(shè)計(jì)了手動(dòng)閥和防爆電磁閥兩種控制方式，由操作人員根據(jù)情況手動(dòng)開關(guān)或由系統(tǒng)程序自動(dòng)控制開關(guān)。

防爆軸流風(fēng)機(jī)將潔凈、干燥的空氣從進(jìn)氣口吸入風(fēng)道，在電控房?jī)?nèi)形成一定的正壓力，一方面防止井場(chǎng)的硫化氫、甲烷等爆炸性氣體進(jìn)入電控房，另一方面通過(guò)不斷的通風(fēng)換氣，把電控房?jī)?nèi)的有害氣體排出，實(shí)現(xiàn)正壓防爆[4]。房體內(nèi)的進(jìn)氣口、排氣口位置要合理，要考慮到使保護(hù)氣體能夠均勻吹掃至房?jī)?nèi)各處，確保不留死角。

圖2 頂驅(qū)正壓防爆系統(tǒng)電氣控制流程圖

3 正壓防爆系統(tǒng)調(diào)試

正壓防爆系統(tǒng)的調(diào)試主要是對(duì)防爆傳感器、防爆報(bào)警裝置、防爆軸流風(fēng)機(jī)、防爆控制箱等進(jìn)行性能試驗(yàn)，測(cè)試其靈敏性和穩(wěn)定性，并檢驗(yàn)相關(guān)程序編寫的正確性。

(1)檢查

檢查并確認(rèn)所有電氣件接線正確，所有進(jìn)出防爆控制箱的電纜都經(jīng)過(guò)金屬防爆格蘭密封[5]，防爆控制箱接線區(qū)與元件區(qū)使用防爆密封膠密封隔離，控制面板上各旋鈕、報(bào)警燈操作靈活，準(zhǔn)確無(wú)誤。

(2)通電

接入外部380 V/50 Hz電源，使系統(tǒng)在進(jìn)氣前處于工作狀態(tài)。

(3)換氣

關(guān)閉電控房各門窗，以減少氣體泄漏量，啟動(dòng)防爆軸流風(fēng)機(jī)，對(duì)電控房進(jìn)行換氣并形成正壓。非防爆電氣設(shè)備啟動(dòng)至少要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間T的換氣，并且保證換氣工作徹底，房間內(nèi)不留有易燃、易爆的危險(xiǎn)性氣體。

換氣時(shí)間T的確定:T=Q/V，其中，Q為保護(hù)氣體的最小流量，V為5倍的房間(含風(fēng)道)容積。

(4)檢測(cè)各防爆傳感器性能

觀測(cè)隔爆壓力變送器示值，壓力應(yīng)在50～200 Pa之間，當(dāng)該值低于50 Pa時(shí)，查看房體內(nèi)外防爆報(bào)警裝置是否同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

在隔爆可燃?xì)怏w探頭附近釋放可燃?xì)怏w，當(dāng)可燃?xì)怏w爆炸下限高于25%LEL時(shí)，查看房體內(nèi)外報(bào)警器是否同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，排氣口電磁閥是否打開。

在防爆溫度變送器周邊使用熱風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，觀測(cè)溫度值高于50℃時(shí)，排氣口電磁閥是否打開，快速置換艙內(nèi)氣體。

(5)增壓

當(dāng)換氣過(guò)程結(jié)束，隔爆可燃?xì)怏w探頭檢測(cè)的可燃?xì)怏w爆炸下限低于25%LEL時(shí)，排氣口防爆電磁閥得電，關(guān)閉排氣口并開始增壓，壓力到達(dá)設(shè)定值50～200 Pa時(shí)，調(diào)整防爆軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口大小并固定，使室內(nèi)維持正壓的動(dòng)態(tài)平衡。

(6)頂驅(qū)電控系統(tǒng)啟動(dòng)

只有在正壓防爆系統(tǒng)運(yùn)行后，室內(nèi)各參數(shù)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)，才能啟動(dòng)頂驅(qū)交流變頻系統(tǒng)、PLC、MCC等非防爆電氣設(shè)備，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作階段[6]，出現(xiàn)異常報(bào)警后，井場(chǎng)人員應(yīng)迅速反應(yīng)，及時(shí)排查，確保設(shè)備安全。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

頂驅(qū)正壓防爆電控房通過(guò)了國(guó)家防爆認(rèn)證，取得了防爆合格證，防爆等級(jí)Expdem[ib]ibⅡ BT4。隨北石DQ70BSC型海洋頂驅(qū)于2009年8月起在中海油BZ28－2S海上平臺(tái)成功應(yīng)用至今，客戶反映設(shè)計(jì)合理，電氣設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足海洋平臺(tái)的使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)正壓防爆系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，得出如下結(jié)論:

(1)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足海洋平臺(tái)的使用要求。

(2)該系統(tǒng)可推廣至陸地使用，提高電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性。

(3)該系統(tǒng)可應(yīng)用于其它有防爆要求的類似房體結(jié)構(gòu)中。

[1]劉廣華.頂部驅(qū)動(dòng)裝置操作指南[M].北京:石油工業(yè)出版社，2010:1.

[2]GB3836.1 －GB3836.9，爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備[S].

[3]樊春明，張文英，孫江峰，等.鉆機(jī)司鉆房電氣柜正壓防爆系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2008，26(4):38 －40.

[4]朱祥華.鉆井二類危險(xiǎn)區(qū)錄井正壓防爆系統(tǒng)的研制[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22(3):75 －76.

[5]袁國(guó)暾，王麗梅，黃海.正壓防爆安全控制技術(shù)在 SDL9000(CHINA)綜合錄井儀中的應(yīng)用[J].石油儀器，2001，15(3):37 －39.

[6]李興勝.正壓型防爆儀器房間電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣防爆，2008，50(4):6－9.