鉆井平臺中循環(huán)式散料系統(tǒng)設計

邵明智 ， 倪崇本 ， 王 旭

(1.江蘇科技大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

鉆井平臺中循環(huán)式散料系統(tǒng)設計

邵明智1， 倪崇本2， 王 旭2

(1.江蘇科技大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

針對國內鉆井平臺散料系統(tǒng)結構形式單一、建造成本高的問題，結合傳統(tǒng)正壓式散料系統(tǒng)，以常壓散料艙代替壓力散料罐，應用正負壓組合的方式開展鉆井平臺中循環(huán)式散料系統(tǒng)的設計研究。對氣力輸送的分類以及該循環(huán)式散料系統(tǒng)的系統(tǒng)構成、工作原理、工藝流程以及控制系統(tǒng)等問題進行了詳細闡述，總結提出了該系統(tǒng)的優(yōu)勢。為鉆井平臺中循環(huán)工散料系統(tǒng)的設計提供參考。

鉆井平臺；散料系統(tǒng)；循環(huán)式；設計

0 引言

在海洋工程中，散料系統(tǒng)作為油氣開發(fā)的重要配套系統(tǒng)之一，被廣泛地應用于各類鉆井船和海洋平臺中，如自升式平臺、半潛式平臺以及海工輔助船(PSV,AHTS)等[1]。我國散料系統(tǒng)多為正壓散料系統(tǒng)，結構形式單一，設備采購成本高，使得散料系統(tǒng)市場多被國外的專業(yè)公司壟斷，如荷蘭Carlsen公司、挪威Aker Solution公司所屬的STEP Offshore和瑞典MacGregor公司等。近年來，海洋工程的市場需求擴大，我國海洋工程裝備的發(fā)展進入了重要的機遇期。因此，加強海洋工程中散料系統(tǒng)相關技術的研究與突破，對于打破國外公司市場壟斷、降低企業(yè)海工配套采購成本、提高我國散料系統(tǒng)的國際競爭力有著重要的意義。

1 散料系統(tǒng)的輸送方式和作業(yè)原理

散料系統(tǒng)(又稱吹灰系統(tǒng))是以氣力輸送的方式對鉆井作業(yè)所需的各種散料進行存儲和輸運的系統(tǒng)。系統(tǒng)一般由散料罐、緩沖罐、除塵器、管路及其附件等組成。輸送物料主要包括：水泥、膨潤土、重晶石粉、石灰石和高嶺土等。氣力輸送的方式相較于其他的輸送方式，有著資金投入較低、效率高、占地少、安全性高以及無外界環(huán)境污染等優(yōu)勢[2]。鉆井平臺的散料系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 某自升式鉆井平臺散料系統(tǒng)模型圖

散料系統(tǒng)的輸送方式很多，基于循環(huán)式散料系統(tǒng)的設計原理，本文主要介紹按氣力輸送裝置型式的分類方式。依據裝置布置在管道位置的不同，散料系統(tǒng)可分為3種：負壓式、正壓式和混合式。

(1) 負壓式氣力輸送。負壓式氣力輸送是在卸料點設置真空泵抽吸輸送管路內的氣體，在管路內形成負壓氣流，使氣化后的固相顆粒跟隨氣體流動至卸料點，最后經氣灰分離裝置將清潔的氣體排至大氣中。負壓輸送的優(yōu)勢是可以從多個地方向同一個地方進行輸送，并且由于管道內處于負壓狀態(tài)，氣體無法外泄，從而使有害散料無法外漏，安全性較高。典型的負壓式氣力輸送如圖2所示。

圖2 負壓式氣力輸送系統(tǒng)

(2) 正壓式氣力輸送。正壓式氣力輸送與負壓式氣力輸送工作方式的不同之處在于管道的起始點設置空壓機，通過空壓機推動氣體帶動固相顆粒運動至卸料點。正壓輸送系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以從一個地方向不同的地方輸送，輸送散料量大，且由于輸送壓力較大，可長距離輸送。典型的正壓式氣力輸送如圖3所示。

圖3 正壓式氣力輸送系統(tǒng)

(3) 混合式氣力輸送。混合式氣力輸送中同時存在正負壓兩種輸送方式。通過發(fā)揮正負壓各自的優(yōu)點，使系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下工作?；旌陷斔桶▔?吸式和吸-壓式。

散料系統(tǒng)的作業(yè)原理是利用空壓機或真空泵在管道起點和終點產生壓力差，氣體因壓力差流動，散料跟隨氣體的流動輸送至卸料點。其作業(yè)流程主要包括進灰和出灰兩個過程。

(1) 進灰過程。平臺供應船將灰以氣固兩相流形式沿管路吹入存儲系統(tǒng)(灰罐)，平臺管理人員通過集成控制系統(tǒng)對整個過程進行控制。該系統(tǒng)利用安裝在存儲系統(tǒng)上的壓力傳感器、高度傳感器和重力傳感器等電子元件實時感知罐內灰量并遠程控制。氣固兩相流進入存儲系統(tǒng)后灰下沉并存儲，氣體在排出后進入除塵器并達到規(guī)范要求后排入大氣。

(2) 出灰過程。平臺空氣動力系統(tǒng)或系統(tǒng)本身自帶的空壓機將壓縮空氣通過管路進入存儲系統(tǒng)，使系統(tǒng)內的灰流態(tài)化，再以氣固兩相流的形式排出存儲系統(tǒng)并進入使用端的緩沖罐，灰下沉后供操作人員使用，氣體經除塵器達到排放標準后排入大氣。

2 循環(huán)式散料系統(tǒng)構成

循環(huán)式散料系統(tǒng)利用混合氣力輸送的方式，通過負壓將散料吸送入負載罐，然后通過正壓將罐內散料壓送至卸料點。其構成[3]主要包括：氣源總成、常壓散料艙、雙負載罐、布袋式除塵器、緩沖罐以及罐體配件、管路、管路附件等。其中：氣源總成為氣力輸送提供動力；常壓散料艙主要用于散裝物料的存儲；雙負載罐系統(tǒng)主要用于散料吸壓方式的轉換；除塵器是環(huán)保設備，用于常壓存儲罐和雙負載罐的透氣回收。

2.1 氣源總成

氣源總成是循環(huán)式散料系統(tǒng)的動力。典型散料系統(tǒng)的氣源總成主要由空壓機、氣灰分離設備和減壓設備等組成。氣源總成可以單獨設立，也可以借用其他氣源。鉆井平臺典型氣源總成如圖4所示。

圖4 典型氣源總成示意圖

典型氣源總成中空壓機的額定工作壓力約為0.4 MPa，系統(tǒng)儲備的氣體損耗量約為2 400 m3/h×0.4 MPa。同時應采取措施使氣源總成提供的氣體干燥度達到水露點，水露點至少低于系統(tǒng)輸送散料時的最低環(huán)境溫度7 ℃，且在輸送工作開始前對管路進行清掃。

空壓機是氣源總成的核心設備，主要功能[4]包括：提供動力、在散料堵塞時助吹和清掃管道。循環(huán)式散料系統(tǒng)中氣源總成的空壓機選型可依據工程需求進行選擇，本文中研究的循環(huán)式散料系統(tǒng)的空壓機可采用螺桿式空壓機組。

2.2 常壓散料艙

常壓散料艙是循環(huán)式散料系統(tǒng)的重要組成部分，與傳統(tǒng)正壓式散料系統(tǒng)中的散料罐相比有著很大的優(yōu)勢，其作用與散料罐相同，主要用于散料的儲存與出料。

常壓散料艙一般由流化床、稱重器、料位器、監(jiān)測儀表、管道以及附件等組成。常壓散料艙底部設有流化床，通過氣源總成系統(tǒng)中的空壓機壓縮空氣使散料流態(tài)化。需注意的是流化床斜度應當大于7°，最佳角度為15°。

常壓散料艙底部流化床有兩種：流化布式和噴嘴式。流化布式中的流化布是在底部肋板上用于將散料流化的一種裝置，它主要通過壓縮空氣實現(xiàn)散料的流態(tài)化。與流化布式的流化床比，噴嘴式流化床流化速度慢、剩灰多、經濟效益低。因此，現(xiàn)在新建鉆井平臺所采用的流化床多為流化布式[5]。

常壓散料艙內散料剩余量的監(jiān)測可以使用稱重器和料位儀。當散料艙室為支腿式設計、底部脫離連接甲板時，可使用稱重器。當對舊的鉆井平臺散料系統(tǒng)進行改造或設計的散料艙室與甲板相連時，則可在艙體設置料位儀或其他料位裝置，以便操作人員觀測艙內的散料剩余情況。

常壓散料艙頂部需設置監(jiān)測儀表、布袋式除塵器等。監(jiān)測儀表用來實時監(jiān)測艙室內各部分系統(tǒng)的運行情況并及時反饋；布袋式除塵器設置在常壓艙室上方，以便實現(xiàn)氣灰分離；艙室內外需設置踏步以便工作人員對艙室進行維護與檢修。鉆井平臺或工程船中常壓散料艙室如圖5所示。

圖5 常壓散料艙室示意圖

2.3 負載罐

圖6 負載罐結構圖

負載罐是散料系統(tǒng)特有的組成部分，每組由兩個小型壓力罐組成。負載罐采用三支腿式，罐體分別設有散料入口和出口，頂部設有空氣出入口。罐體配件有料位器、流量計和減壓閥等。負載罐大小需要根據用戶對散裝材料的輸送效率需求和對應鉆井平臺上的安裝空間進行設計。負載罐的結構如圖6所示。

散料存儲容器的清掃方式有兩種：(1) 利用散料系統(tǒng)中的氣體進行清掃；(2) 罐體設置踏步或開人孔，進行人工清掃。由于雙負載罐尺寸較小，采用氣體清掃的方式。

真空泵作為雙負載罐系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是在從負載罐中抽除氣體分子，降低負載罐內的氣體壓力，使之達到要求的真空度，幫助負載罐完成吸灰。真空泵一般分為旋片式、往復式、滑閥式、水環(huán)式和羅茨式5種類型。各類真空泵都有其自身的特點和適用范圍，其中：旋片式、滑閥式以及水環(huán)式真空泵不適用于抽取含塵氣體；往復式真空泵結構復雜、體積大、振動大；羅茨真空泵壓縮比較低，需設置前級泵，但啟動快、振動小、抽速大，對被抽氣體中所含的少量水蒸氣和灰塵不敏感，因此本文的循環(huán)式散料系統(tǒng)選用羅茨式真空泵。

2.4 布袋式除塵器

除塵器是散料系統(tǒng)用于防止環(huán)境污染的設備，其主要功能為實現(xiàn)氣灰分離并將散料回收入散料罐，從而減少污染、降低成本。按其作用原理有3種形式：過濾式、靜電式以及磁力式。結合各類除塵器的工作原理和特點，本散料系統(tǒng)選用布袋式除塵器。

布袋式除塵器是一種內部設置過濾材料的除塵設備，其實現(xiàn)氣灰分離主要是通過過濾材料將較大的顆粒吸附在材料上，并通過重力將散料留在散料罐中，從而防止污染、凈化空氣、回收物料，并起到保護相關設備的作用。

2.5 其他設備、管路及附件

緩沖罐一般設于散料輸送系統(tǒng)的終端，主要負責散裝物料的氣灰分離、穩(wěn)壓緩沖和應急儲存。緩沖罐通過安裝于底部的送料器實現(xiàn)定量輸送散料到泥漿或者水泥配漿的混合漏斗內。

散裝物料存儲及輸送系統(tǒng)的管路附件是實現(xiàn)系統(tǒng)功能、保證系統(tǒng)正常運行的關鍵設備，主要包括各種閥件、閥組、濾石器以及取樣器等。

3 系統(tǒng)工藝流程及控制

循環(huán)式散料系統(tǒng)的工藝流程包含進灰和出灰兩個流程，它在正壓式散料系統(tǒng)的基礎上增加負壓吸送過程，利用負壓和正壓協(xié)調運行，形成循環(huán)式散料輸送過程。循環(huán)式散料系統(tǒng)控制界面如圖7所示。

圖7 循環(huán)式散料系統(tǒng)控制界面

系統(tǒng)工藝流程與控制：

(1) 進灰過程。散料存儲于常壓艙室，當需要進灰時，常壓艙室底部的流化床通過空壓機吹入的氣體將底部散料氣化，空氣排放時所帶的散料顆粒經艙頂的布袋式除塵器處理后排入大氣。2號罐利用真空泵使罐內形成負壓并吸入常壓艙室內的散料顆粒。罐內顆粒的沉積情況由罐頂和罐底的料位器監(jiān)控，散料重量由罐底的稱重器監(jiān)測。

(2) 出灰過程。在2號罐入灰的過程中，已經達到可排灰量的1號罐開始出灰?？諌簷C將罐內的散料顆粒壓出1號罐，經由混料斗混料后送至卸料點，完成散料的輸運過程。同時，輸灰結束后空壓機可將留在管道內的散料顆粒重新吹回常壓艙室。

1號罐和2號罐依次進行進灰和出灰過程，形成循環(huán)式的散料輸運系統(tǒng)。

4 結論

與傳統(tǒng)的正壓式散料系統(tǒng)相比，循環(huán)式散料系統(tǒng)有著自身獨特的創(chuàng)新點，形成了特有的優(yōu)勢：

(1) 散料的儲藏采用常壓式，不再需要大型的壓力容器作為散料罐，節(jié)省了大量采購壓力容器的成本。

(2) 正壓式散料系統(tǒng)中，散料罐一般采用連翹結構固定在平臺上，散料罐底部平臺承受壓力大，需要設置加強結構，既增加了設計難度，又提高了鉆井平臺和輔助工程船的自重。采用常壓式散料艙則可以直接利用現(xiàn)有艙室或直接將平臺和船舶設計成隔艙式，不需設置加強結構，降低了設計難度和自重。

(3) 負載罐體積較小，節(jié)省空間且布置靈活，降低了設計難度；設備采購成本低，起到了降本增效的作用。

[1] 李詩久，周曉君.氣力輸送理論與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[2] 蔣存剛，李勇.氣力輸送的發(fā)展進程[C]//2012全國散料裝卸輸送高峰論壇暨新技術、新設備交流研討會，2012.

[3] 薄玉包，鈕紅兵.長距離氣力輸送系統(tǒng)與應用[J].海洋石油，1999(4):19-23.

[4] 余昭允.三用工作船氣力輸送裝置的設計與實用計算[J].艦船科研與技術，1986(1):40-48.

[5] 潘貴全，盛青.垂直管中氣力輸送的粉體噎塞速度的研究[J].石油煉制與化工，1997，28(11)：46-49.

Design of Cyclic Dry Bulk Handing System in Drilling Platform

SHAO Mingzhi1, NI Chongben2, WANG Xu2

(1. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China;2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Inistitute, Shanghai 200032, China)

In view of the domestic drilling platform in the structure of bulk handing system is single, high construction cost problems, combined with the traditional positive pressure powder feeding system, atmospheric bulk tank is used to replace pressure bulk tank, method of combination of positive and negative pressure is used to research the design of circulating type bulk drilling platform in the system. And the classification of the pneumatic conveying,system configuration,working principle,technological process and control system and so on are elaborated. Moreover, the advantage of the cyclic dry bulk handing system is summarized. It provides reference for design of cyclic dry bulk handing system in drilling platform.

drilling platform； dry bulk handing system； circulation； design

2016-12-05

邵明智(1987-)，男，碩士研究生

1001-4500(2017)02-0095-06

P75

A