壓裂機(jī)組柴油機(jī)燃料油集中連續(xù)供油裝置研制

曾 珺，劉有平，席建秋，賀殷凱，侯勇俊，李華川，曾從良，王俊玉

(1.四川寶石機(jī)械專用車有限公司，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；3.西部鉆探井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依834000；4.川慶鉆探井下作業(yè)公司，成都610213)

大型酸化壓裂是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵工藝，壓裂設(shè)備所采用的動(dòng)力機(jī)組以柴油機(jī)組為主[1]。施工時(shí)，井場小，設(shè)備多，設(shè)備間距小，油路密集，壓裂設(shè)備長時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)某些部位的外表溫度超過600 ℃，管線漏油或油漬過多都極易引起火災(zāi)，或發(fā)生爆炸事故，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。針對井場壓裂的火災(zāi)或爆炸安全問題，中石化江漢油田分公司研制了一種壓裂作業(yè)環(huán)節(jié)的消防自保系統(tǒng)[3]，主要針對壓裂井場火災(zāi)發(fā)生初期的消防自救。中石化勝利石油工程有限公司[4]研制了頁巖氣壓裂井場火災(zāi)智能預(yù)警及遠(yuǎn)控消防系統(tǒng)，通過井場智能監(jiān)測和及時(shí)預(yù)警、遠(yuǎn)程控制消防炮，盡可能降低壓裂機(jī)組的火災(zāi)損失。

上述思路都是從消防的角度如何將火災(zāi)發(fā)生后的損失降到最小。但是，壓裂機(jī)組自帶的大容量燃油箱存儲(chǔ)的燃油在火災(zāi)中極易助燃或爆炸，存在極大安全風(fēng)險(xiǎn)。呂選鵬等[4]提出的壓裂機(jī)組監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雖然能監(jiān)測壓裂機(jī)組的工況，但并不能降低燃油在火災(zāi)中助燃或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。為降低這一風(fēng)險(xiǎn)，壓裂機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)不設(shè)置大容量油箱，而采用集中供油是一種有效的方法。集中供油方法在工程機(jī)械的生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用[5-6]，但其主要是為工程機(jī)械總裝下線前進(jìn)行燃油、液壓油等的加注。為節(jié)約能耗，楊文波[7]對多臺(tái)液壓壓力機(jī)采用了集中供油的液壓系統(tǒng)。石油鉆機(jī)柴油機(jī)采用的自動(dòng)供油裝置[8-10]雖然也具有集中連續(xù)供油的功能，但能夠同時(shí)供油的柴油機(jī)機(jī)組較少，不適用于壓裂機(jī)組的柴油機(jī)。范杰等[11]提出的壓裂設(shè)備燃油集中自動(dòng)加注裝置，可以在施工過程中對壓裂設(shè)備的燃料箱進(jìn)行間隙性地自動(dòng)加注燃油。劉廣田等[12]提出的一種可用于壓裂機(jī)組的多臺(tái)柴油機(jī)集中供油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)直接供油和回收，但不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場的自動(dòng)控制。曹洪亮等[13]提出了一種壓裂設(shè)備的集中供油裝置，通過分配撬可實(shí)現(xiàn)對壓裂設(shè)備連續(xù)不間斷供油，也能實(shí)現(xiàn)壓裂設(shè)備停止工作后對管內(nèi)柴油回油收集泄壓。戴啟平等[14]提出了一種壓裂機(jī)組集中連續(xù)供油裝置，通過設(shè)置集中供油撬，省去壓裂機(jī)組底盤大容量油箱，既可降低壓裂機(jī)組底盤車上裝置集成的設(shè)計(jì)難度，又可杜絕大容量燃油箱引起的安全隱患。宋學(xué)蓮等[15]提出了連續(xù)加油裝置基于PLC的分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)，使壓裂設(shè)備的集中連續(xù)供油裝置可具有較高的自動(dòng)化程度。本文研制了一種對壓力機(jī)組大功率發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)集中供給燃油的裝置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場的自動(dòng)操作，為最多24臺(tái)壓裂設(shè)備集中同時(shí)供油、回油，供、回油管線使用完后一鍵吹掃，施工作業(yè)發(fā)生緊急情況下供油、回油管線自動(dòng)快速切換至油箱。

1 工作原理

集中連續(xù)供油裝置的工作原理如圖1所示，其主要由供油橇、分配橇、管路和控制系統(tǒng)組成，可同時(shí)給24臺(tái)壓裂設(shè)備組供油，具有單壓裂設(shè)備關(guān)斷和同時(shí)全壓裂設(shè)備組同時(shí)關(guān)斷功能。供油橇與分配橇A、分配橇B串接連接，分配橇A、分配橇B分別與2列壓裂設(shè)備并連，1組分配撬可以為12臺(tái)壓裂設(shè)備供油。

集中連續(xù)供油裝置具有5方面功能：

1) 將油罐車的油注入到供油橇的注入功能。

2) 將供油橇中的油供給壓裂設(shè)備的供油功能。

3) 作業(yè)后吸回壓裂設(shè)備燃油的回油功能。

4) 作業(yè)前清空油箱燃油，作業(yè)后吹掃回收膠管余油的吹掃功能。

5) 油罐液位高度、供油壓力與流量、單壓裂設(shè)備供油回路的通斷情況、電機(jī)轉(zhuǎn)速等的監(jiān)測功能。

2 主要結(jié)構(gòu)

集中連續(xù)供油裝置結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。

1) 注油系統(tǒng)。由注油泵、粗過濾器等組成，從外部向儲(chǔ)油罐泵油。

2) 控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)泵電機(jī)及閥門邏輯控制，系統(tǒng)油位、壓力監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸?shù)取?/p>

3) 供油系統(tǒng)。由2臺(tái)供油泵(一供一備)、溢流閥、截止閥和精過濾器等組成，將儲(chǔ)油罐的油供給壓裂設(shè)備。

圖1 壓裂機(jī)組燃料油集中連續(xù)供油裝置原理

4) 吹掃系統(tǒng)。在作業(yè)前，利用空壓機(jī)提供的空氣清空壓裂設(shè)備油箱內(nèi)的燃油，作業(yè)后吹掃回收膠管的余油。

5) 回油系統(tǒng)。由回油泵、粗過濾器等組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)回油泵吸回壓裂設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)的回油。

1—儲(chǔ)油罐；2—注油系統(tǒng)；3—控制系統(tǒng)；4—供油系統(tǒng)；5—吹掃系統(tǒng)；6—回油系統(tǒng)。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)與APP軟件設(shè)計(jì)

集中連續(xù)供油裝置控制原理圖如圖3所示。自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由手持遠(yuǎn)程操作終端、供油橇本地控制柜和分配橇防爆接線箱等組成。可以滿足單臺(tái)壓裂設(shè)備供油回路通斷的獨(dú)立控制和全部供油回路通斷的一鍵控制要求，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示油罐液位高度、裝置供油壓力與流量、單車供油回路的通斷情況、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，還能進(jìn)行供油壓力、油罐液位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

供油橇與分配橇以及分配橇之間通過供電和通訊電纜連接，通訊采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和100 Mbps總線帶寬，通訊速率高，控制響應(yīng)速度快。壓裂車上的供回油狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)采用模擬量信號(hào)形式，通過硬線接入相應(yīng)的分配橇接線箱。分配橇配有適用于爆炸環(huán)境要求的防爆接線箱，接線箱面板裝有操控按鈕，可實(shí)現(xiàn)就地控制。

集中連續(xù)供油裝置App軟件操作如圖4所示。供油橇與手持操作終端通過無線通訊，利用手持操作終端的集中連續(xù)供油裝置App軟件，可實(shí)現(xiàn)在井場任意位置50 m范圍內(nèi)對集中連續(xù)供油裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)測與操控。當(dāng)壓裂設(shè)備的供、回油管線出現(xiàn)斷裂或漏油等緊急情況時(shí)，將自動(dòng)切換到油箱對發(fā)動(dòng)機(jī)供、回油，并在App上發(fā)出報(bào)警。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 載荷試驗(yàn)

所有吊裝耳板、懸掛耳板做載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷如表1～2所示。試驗(yàn)用的吊車的起吊能力應(yīng)大于吊點(diǎn)試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)時(shí)，吊車應(yīng)勻速起升重物，起升高度1 m。試驗(yàn)加載時(shí)間不小于1 min。載荷試驗(yàn)后，吊耳與構(gòu)件不應(yīng)有顯著永久變形或損壞，并對焊縫進(jìn)行100%的目檢及磁粉檢測。

4.2 滲漏試驗(yàn)

罐體和主進(jìn)、回油管線應(yīng)作滲漏試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將石灰水均勻的粉刷在罐體外與墻板焊接的焊縫以及主進(jìn)、回油管線的焊縫上，待石灰水干透后，把煤油均勻地粉刷在上述焊縫上，5 min后檢查石灰是否有被煤油浸濕的現(xiàn)象。

圖3 集中連續(xù)供油裝置控制原理

圖4 集中連續(xù)供油裝置App軟件控制原理

表1 吊裝耳板試驗(yàn)載荷

表2 防墜落裝置懸掛耳板試驗(yàn)載荷

4.3 靜壓試驗(yàn)

所有的管路應(yīng)作靜壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.9 MPa。試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉所有進(jìn)出口的閥門，管道中間的閥門打開。試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，到了試驗(yàn)壓力值，保壓30 min，壓降不得高于0.05 MPa。緩慢降壓到工作壓力，留足夠時(shí)間檢查，合格后緩慢卸壓，壓力放到壓力表為零，卸下試壓元件。

4.4 聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

集中連續(xù)供油裝置在出廠前應(yīng)與壓裂設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，必須實(shí)現(xiàn)供油、回油和供回油的一鍵吹掃功能，施工作業(yè)具有供、回油管線自動(dòng)快速切換至油箱的功能。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2020-04-03，第1套集中連續(xù)供油裝置在四川威遠(yuǎn)自201井進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，可在爆炸性氣體環(huán)境二區(qū)下正常使用，防護(hù)等級(jí)不低于IP55，符號(hào)防雷(內(nèi)、外部)、防靜電、防腐、接地相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。為24臺(tái)壓裂設(shè)備同時(shí)供油，每臺(tái)壓裂設(shè)備供油量>20 L/min，供油壓力>0.1 MPa，實(shí)現(xiàn)了回油、余油100%回收。

6 結(jié)論

1) 研制的壓裂機(jī)組燃料油集中連續(xù)供油裝置，實(shí)現(xiàn)了對作業(yè)中的壓裂機(jī)組遠(yuǎn)程集中連續(xù)供油，避免了大容量燃料油箱著火、助燃及火勢擴(kuò)大而威脅壓裂機(jī)組安全的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 研制的壓裂機(jī)組燃料油集中連續(xù)供油裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。通過手持操作終端操作專用APP軟件，在50 m范圍內(nèi)可對供油裝置遠(yuǎn)程遙控。

3) 研制的壓裂機(jī)組燃料油集中連續(xù)供油裝置實(shí)現(xiàn)了意外或緊急情況下供油、回油管線可自動(dòng)快速切換至油箱，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。