連續(xù)管作業(yè)機(jī)動(dòng)力橇的防爆設(shè)計(jì)與應(yīng)用

柳慶仁 顏家福 周忠城 曹和平 于東兵

中石油江漢機(jī)械研究所有限公司, 湖北 武漢 430024

0 前言

連續(xù)管作業(yè)機(jī)在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,為了滿足連續(xù)管作業(yè)機(jī)在海上平臺(tái)、頁巖氣井場、氣化采煤基地等爆炸性氣體環(huán)境中的使用要求,開發(fā)了防爆型[1]連續(xù)管作業(yè)機(jī)組[2],該機(jī)組包括動(dòng)力橇、控制橇、連續(xù)管滾筒橇、井口裝置橇等,其中動(dòng)力橇主要由頂?shù)跚馏w、防爆柴油機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電源與照明系統(tǒng)和動(dòng)力軟管滾筒等組成。

目前,連續(xù)管作業(yè)機(jī)動(dòng)力橇所用防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的柴油機(jī)本體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)四大重要組成部分主要依賴原裝進(jìn)口,價(jià)格昂貴,存在維修時(shí)間長、保養(yǎng)費(fèi)用高等弊端。為了降本增效,開發(fā)了在非防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)而成的新型防爆柴油機(jī)系統(tǒng),本文主要介紹采用這種新型防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力橇防爆設(shè)計(jì)內(nèi)容和現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 動(dòng)力橇防爆設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3-6]可知,連續(xù)管作業(yè)機(jī)動(dòng)力橇使用爆炸性氣體環(huán)境為2區(qū)(Zone 2),氣體級別為IIA,溫度組別為T3,本文以此作為動(dòng)力橇防爆設(shè)計(jì)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，從安全角度上,油氣井場一般選用防爆等級更高的(氣體級別為IIB或IIC、溫度組別為T4～T6)電氣設(shè)備。

動(dòng)力橇所用防爆柴油機(jī)系統(tǒng)應(yīng)滿足適用于可燃性氣體和蒸汽環(huán)境用II類3 G級別[7]內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)防爆要求,柴油機(jī)機(jī)械部分防爆等級為IIA T3,電氣部分防爆標(biāo)志為Ex nA[ic]IIC T3(防爆類型為無火花本安組合型,防爆等級為IIC T3)。其它電氣設(shè)備選用IIC T3或IIC T4～T6防爆等級。

2 動(dòng)力橇防爆柴油機(jī)系統(tǒng)組成與防爆設(shè)計(jì)

2.1 防爆柴油機(jī)系統(tǒng)組成

防爆柴油機(jī)系統(tǒng)作為動(dòng)力橇的主要防爆部分,其自身的防爆性能決定了動(dòng)力橇的防爆性能。

防爆柴油機(jī)系統(tǒng)的四大重要部分為防爆柴油機(jī)本體、防爆進(jìn)氣系統(tǒng)、防爆排氣系統(tǒng)和防爆安全保護(hù)系統(tǒng)。

2.2 防爆柴油機(jī)系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)

2.2.1 柴油機(jī)本體防爆設(shè)計(jì)

在非防爆柴油機(jī)本體的基礎(chǔ)上進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)改造,防爆設(shè)計(jì)主要包括以下方面。

1)進(jìn)氣部分設(shè)計(jì)隔爆型進(jìn)氣總管及進(jìn)氣歧管[8]、隔爆型進(jìn)氣壓縮機(jī)、隔爆型阻火器,避免缸內(nèi)和進(jìn)氣部分產(chǎn)生的火焰和火花竄到爆炸性氣體環(huán)境中。

2)排氣部分設(shè)計(jì)隔爆型夾水套排氣總管及排氣歧管、隔爆型夾水套渦輪增壓器,水套里循環(huán)的冷卻液有效控制了排氣部分表面溫度,確保表面最高溫度低于溫度組別T3。

進(jìn)氣、排氣部分隔爆外殼的隔爆結(jié)合面間隙應(yīng)滿足IIA氣體級別最大安全間隙[9]的要求,并加裝可壓縮不燃材料的襯墊[10]。

3)柴油機(jī)曲軸箱呼吸器的防爆設(shè)計(jì),保證曲軸箱滿足正壓型防爆要求。

4)電氣部分采用防爆等級不低于IIC T3的無火花本安型防爆電氣元件或設(shè)計(jì)有安全柵,滿足IIC氣體級別最小點(diǎn)燃電流比[11]的要求。

2.2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的防爆設(shè)計(jì)

防爆進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防爆進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)組成及防爆設(shè)計(jì)

防爆進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣連接管、電控進(jìn)氣關(guān)斷閥、進(jìn)氣防爆阻火器等組成,其中電控進(jìn)氣關(guān)斷閥防爆標(biāo)志為Ex e IIC T4,進(jìn)氣防爆阻火器防爆標(biāo)志為Ex d IIC T3。為了滿足進(jìn)氣系統(tǒng)的防爆要求,在非防爆柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1套由進(jìn)氣關(guān)斷閥和進(jìn)氣阻火器組成的進(jìn)氣防爆裝置。在緊急情況下,進(jìn)氣關(guān)斷閥能迅速切斷進(jìn)氣通道迫使柴油機(jī)停止工作,保障設(shè)備和作業(yè)安全;進(jìn)氣防爆阻火器能熄滅可能從缸內(nèi)發(fā)生回火或者進(jìn)氣系統(tǒng)部件處產(chǎn)生的火焰和火花,避免引爆潛在的爆炸性氣體。

2.2.2.2 排氣系統(tǒng)組成及防爆設(shè)計(jì)

柴油機(jī)尾氣中存在大量未完全燃燒的火花或火星，而且柴油機(jī)尾氣溫度可高達(dá)600 ℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過溫度組別T3,所以要對柴油機(jī)排氣系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)[12]。

防爆排氣系統(tǒng)主要由滿足爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備防爆標(biāo)準(zhǔn)[13-14]的隔爆型夾水套波紋管、隔爆型尾氣熱交換器、排氣防爆阻火器(Ex d IIC T3)、滅火星式消聲器組成。其原理是柴油機(jī)尾氣經(jīng)過柴油機(jī)夾水套排氣歧管及排氣總管和夾水套渦輪增壓器的冷卻后,再通過夾水套波紋管和尾氣熱交換器進(jìn)一步冷卻,保證尾氣熱交換出口處尾氣溫度低于195 ℃,最后通過排氣防爆阻火器和滅火星式消聲器消除尾氣中的火花與火星。其中,水套和熱交換器里循環(huán)的冷卻液與柴油機(jī)本體冷卻循環(huán)液路相通,冷卻液通過動(dòng)力橇集成散熱水箱來進(jìn)行散熱,集成散熱水箱[15]的散熱能力滿足柴油機(jī)系統(tǒng)的散熱需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,安裝方便。

2.2.3 安全保護(hù)系統(tǒng)組成及防爆設(shè)計(jì)

安全保護(hù)系統(tǒng)主要由近程控制箱、可燃性氣體或蒸汽探測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制箱組成,其控制原理見圖2。

圖2 安全保護(hù)系統(tǒng)控制原理圖

近程控制箱和遠(yuǎn)程控制箱是基于CAN總線[16]通信的控制單元,由防爆顯示屏、防爆控制按鈕和開關(guān)、數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器、安全柵、隔爆型箱體組成。采用隔爆型箱體,保證控制箱整體滿足防爆要求,箱內(nèi)設(shè)計(jì)有安全柵[17]對非防爆電器元件所在電路進(jìn)行限能和隔離,達(dá)到防爆要求?？刂葡渖峡刂瓢粹o與開關(guān)采用隔爆型(Ex d)或隔爆與增安組合型(Ex de),防爆等級為IIA T3或以上。

安全保護(hù)系統(tǒng)利用防爆柴油機(jī)本體上的轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻液溫度傳感器、集成水箱上液位傳感器、尾氣熱交換器出口處溫度傳感器、氣體或蒸汽探頭,監(jiān)測柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻液溫度及液位、排氣溫度和環(huán)境中爆炸性氣體或蒸汽的濃度等參數(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)力橇工作狀況。當(dāng)安全保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí),自動(dòng)發(fā)出光信號和聲信號等報(bào)警信號,提醒作業(yè)人員安全停機(jī),保證作業(yè)和設(shè)備的安全,如果沒有人工停機(jī),異常情況進(jìn)一步惡化后柴油機(jī)進(jìn)而會(huì)自動(dòng)停機(jī)。自動(dòng)報(bào)警與停機(jī)情況見表1。

表1 自動(dòng)報(bào)警與停機(jī)情況表

動(dòng)力橇作業(yè)前,打開電源,安全保護(hù)系統(tǒng)能自動(dòng)檢測空氣中可燃性氣體或蒸汽濃度,如果濃度達(dá)到爆炸下限的20%時(shí),可燃性氣體或者蒸汽報(bào)警燈會(huì)明亮,進(jìn)氣關(guān)斷閥會(huì)關(guān)閉,柴油機(jī)無法啟動(dòng),保障作業(yè)安全。

3 動(dòng)力橇其他防爆組成與防爆設(shè)計(jì)

動(dòng)力橇除了防爆柴油機(jī)系統(tǒng)外,還包含液壓系統(tǒng)、散熱水箱的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等非電氣防爆部分，以及電源與照明系統(tǒng)、液壓油電加熱系統(tǒng)等電氣防爆組成部分。

散熱水箱集成了液壓油散熱器,工作時(shí)液壓油溫度遠(yuǎn)低于溫度組別T3,保證液壓系統(tǒng)滿足非電氣設(shè)備防爆國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25286.6—2010 《爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備 第6部分:控制點(diǎn)燃源型“b”》[18]的要求。散熱水箱的風(fēng)扇由柴油機(jī)曲軸上端風(fēng)扇皮帶輪驅(qū)動(dòng),風(fēng)扇皮帶輪由柴油機(jī)曲軸前端皮帶輪通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng),采取選用抗靜電皮帶、給風(fēng)扇設(shè)計(jì)護(hù)罩并加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與護(hù)罩之間間距等措施,有效避免出現(xiàn)摩擦火花,以滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的防爆要求。

動(dòng)力橇電源與照明系統(tǒng)選用24 V防爆電源裝置(Ex ed IIC T4 Gc)、防爆照明燈具(Ex d IIC T6 Gb)和本安型或隔爆型鎧裝電纜等電器元件,滿足動(dòng)力橇防爆設(shè)計(jì)依據(jù)。液壓油防爆電加熱系統(tǒng)選用220 V防爆電加熱器(Ex d IIC T4),加熱器所需電能來自220 V防爆發(fā)電機(jī)或作業(yè)現(xiàn)場。

4 防爆動(dòng)力橇應(yīng)用現(xiàn)狀

目前,防爆動(dòng)力橇已在渤海和南海海上平臺(tái)、四川頁巖氣井場、氣化采煤基地[19]和山西煤層氣基地使用,取得了良好的效果。在國家級頁巖氣示范區(qū)四川長寧區(qū)塊,防爆動(dòng)力橇配合連續(xù)管作業(yè)機(jī)進(jìn)行通洗井、測井、射孔、打撈、泡沫沖砂、氣舉排液、鉆磨橋塞[20]等作業(yè),2019年,其中1套機(jī)組在5個(gè)井場進(jìn)行了19井次的通井、測聲幅、鉆磨橋塞、首段射孔等作業(yè),其中鉆磨橋塞作業(yè)達(dá)11井次,平均井深為4 800 m,平均水平段長度為1 500 m,平均橋塞數(shù)量為26個(gè),平均連續(xù)作業(yè)時(shí)長為72 h。

在山西煤層氣基地爆炸性氣體環(huán)境中,防爆動(dòng)力橇配合連續(xù)管作業(yè)機(jī)進(jìn)行噴砂射孔拖動(dòng)壓裂作業(yè)[21],實(shí)現(xiàn)連續(xù)管壓裂與完井投產(chǎn)一體化作業(yè),縮短施工與投產(chǎn)周期,避免壓井,實(shí)現(xiàn)帶壓、安全、高效作業(yè)。

在南?？扇急Ｉ掀脚_(tái)、渤海海上平臺(tái)爆炸氣體環(huán)境中,防爆動(dòng)力橇配合連續(xù)管作業(yè)機(jī)進(jìn)行注液、沖砂、除垢、打撈、氣舉等作業(yè),平均持續(xù)工作時(shí)長達(dá)40 h,安全可靠,得到了用戶的肯定。

為了滿足動(dòng)力橇防爆認(rèn)證要求,安全保護(hù)系統(tǒng)配置了嚴(yán)格的自動(dòng)停機(jī)功能,但是在連續(xù)管作業(yè)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中,動(dòng)力橇突然停機(jī)對作業(yè)機(jī)和作業(yè)井的危害非常大,動(dòng)力橇突然停機(jī)(液壓控制系統(tǒng)失去動(dòng)力)可能會(huì)導(dǎo)致作業(yè)機(jī)溜管、作業(yè)機(jī)和井口裝置無法關(guān)閉或損壞,甚至是井控失敗,特別是在頁巖氣高壓、高危的井場。所以,實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)盡量避免自動(dòng)停機(jī),而要優(yōu)化安全保護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警頻次,可設(shè)置低位、中位和高位報(bào)警,這樣可多次提醒作業(yè)人員進(jìn)行操作,以保證設(shè)備、作業(yè)和人員的安全,避免事故發(fā)生。

5 結(jié)論

1)在非防爆柴油機(jī)本體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行防爆設(shè)計(jì),得到的國產(chǎn)化防爆柴油機(jī)本體、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)能滿足連續(xù)管作業(yè)機(jī)動(dòng)力橇的防爆認(rèn)證及使用要求。它的推廣使用進(jìn)一步降低了連續(xù)管作業(yè)機(jī)的作業(yè)成本,達(dá)到了降本增效目的。

2)連續(xù)管作業(yè)機(jī)防爆動(dòng)力橇在各油氣井場現(xiàn)場應(yīng)用的良好表現(xiàn),給予了連續(xù)管作業(yè)機(jī)在油氣井場爆炸性氣體環(huán)境中安全作業(yè)的保障。

3)為了跟上國家對于非道路移動(dòng)機(jī)械排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的步伐,中國已開始對防爆柴油機(jī)系統(tǒng)尾氣排放控制與防爆技術(shù)開展國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。