劉剛 向吉星 余俊勇 趙橋

摘? 要：供液設(shè)備是頁(yè)巖氣壓裂工藝中的重要設(shè)備。針對(duì)現(xiàn)有供液設(shè)備施工過(guò)程中噪音大、尾氣污染嚴(yán)重、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，特研制了一種低噪音、零排放且自動(dòng)化程度高的供液設(shè)備。該設(shè)備采用電力變頻驅(qū)動(dòng)，通過(guò)PLC系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，在確保大排量供液的同時(shí)，能夠有效降低環(huán)境噪音和大氣污染;并且設(shè)備能夠根據(jù)負(fù)載變化快速響應(yīng)，保證供液的連續(xù)和穩(wěn)定;同時(shí)該設(shè)備具有遠(yuǎn)程通訊功能，能夠通過(guò)遠(yuǎn)程模式實(shí)現(xiàn)本地?zé)o人化操作。

關(guān)鍵詞：供液? 電力驅(qū)動(dòng)? 低噪音? 零排放? 自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TD355 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（a）-0101-03

Abstract： Liquid supply equipment is an important equipment in shale gas fracturing process. In view of the problems in the construction of existing liquid supply equipment， such as high noise， serious tail gas pollution and low automation level， a low noise， zero emission and high automation level liquid supply equipment is developed. The equipment is driven by electric frequency conversion and controlled automatically by PLC system， which can effectively reduce the environmental noise and air pollution while ensuring the large displacement of liquid supply; and the equipment can respond quickly according to the load change to ensure the continuity and stability of liquid supply; at the same time， the equipment has the function of remote communication， and can realize the local unmanned operation through the remote mode.

Key Words： Liquid supply; Electric drive; Low noise; Zero Emission; Automatic control

供液設(shè)備是壓裂井場(chǎng)的重要組成設(shè)備，在井場(chǎng)中，受制于液灌與壓裂泵之間擺放距離較遠(yuǎn)、壓裂液粘度較高等因素的影響，導(dǎo)致供液管阻較大，此外壓裂泵自吸能力也有限，因而易導(dǎo)致供液不足，降低壓裂泵作業(yè)效率。供液設(shè)備正是為解決該問(wèn)題而配置的，它安裝于液灌與壓裂泵之間，以提高壓裂泵前端的供液質(zhì)量。

隨著頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的不斷深入，對(duì)于綠色開(kāi)采和24h連續(xù)作業(yè)的要求越發(fā)急迫，同時(shí)對(duì)設(shè)備自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，以進(jìn)一步解決人員供需矛盾。但現(xiàn)有的供液設(shè)備大多采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該設(shè)備存在作業(yè)噪音大、污染嚴(yán)重、自動(dòng)化程度低、調(diào)節(jié)精度不高、維護(hù)保養(yǎng)工作量大等缺點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，結(jié)合目前頁(yè)巖氣壓裂裝備電動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，特研制了一種新型的電驅(qū)自動(dòng)供液設(shè)備。

1? 產(chǎn)品分析

1.1 工作原理及組成

本設(shè)備（見(jiàn)圖1）采用雙吸單排結(jié)構(gòu)，可根據(jù)井場(chǎng)布局靈活地?cái)[放;采用全電力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻器+變頻電機(jī)的直驅(qū)模式代替原有的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

工作時(shí)，由變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，拖動(dòng)供液泵運(yùn)行，將吸入管匯中的液體加壓后供給壓裂泵使用。通過(guò)管匯上裝配的流量傳感器、壓力傳感器等檢測(cè)元件，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)自己的排出壓力和排量，并傳遞至PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)再根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和精確控制。

通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，設(shè)備可以與儀表車（指揮控制中心）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地?zé)o人化作業(yè)。

按照功能區(qū)分，本設(shè)備可以分為：管匯系統(tǒng)、變頻電驅(qū)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和液添系統(tǒng)。分別就其闡述如下。

（1）管匯系統(tǒng)。

管匯系統(tǒng)采用雙吸單排的結(jié)構(gòu)，由鋼管和法蘭焊接而成，用于從外部吸入和排出清水或酸液，接口均帶蝶閥和由壬，方便現(xiàn)場(chǎng)管匯安裝;同時(shí)配置電動(dòng)隔膜泵，其上安裝有耐酸軟管，用于吸入液體添加劑，加入到離心泵的排出管匯中。 鋼管采取內(nèi)襯聚四氟乙烯的防腐處理，能適應(yīng)泵送酸液的需要。排出管匯上設(shè)置流量傳感器及壓力傳感器等檢測(cè)儀器。

（2）變頻電驅(qū)系統(tǒng)。

變頻電驅(qū)系統(tǒng)主要由變頻器和變頻電機(jī)組成。變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制模式，具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，能夠?qū)ψ冾l電機(jī)進(jìn)行快速和精確的調(diào)節(jié)。變頻電機(jī)采用IE3高能效等級(jí)電機(jī)，性能優(yōu)異，節(jié)能效果顯著。變頻器與電氣控制系統(tǒng)之間采用ETHERNET/IP協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)對(duì)變頻電驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

（3）電氣控制系統(tǒng)。

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、HMI、傳感器、繼電器、接觸器、切換開(kāi)關(guān)等元件組成，通過(guò)HMI，可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的各種狀態(tài)信息和施工數(shù)據(jù)，也能通過(guò)HMI輸入指令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。HMI根據(jù)指令和傳感器返回的數(shù)據(jù)，通過(guò)特定算法對(duì)供液泵進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，最終使供液質(zhì)量滿足施工作業(yè)要求。

電氣控制系統(tǒng)包括三級(jí)控制模式，包括手動(dòng)模式、自動(dòng)模式和遠(yuǎn)程模式，能夠滿足不同使用場(chǎng)景的需求。

（4）液添系統(tǒng)。

液添系統(tǒng)由電動(dòng)隔膜泵和吸入排出管路組成。通過(guò)隔膜泵將各種液體添加劑泵注至供液橇的排出管匯，以滿足液體在壓裂施工中的要求。隔膜泵采用防酸材質(zhì)，最大排量245L/min。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）采用變頻電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)，本設(shè)備具有更高的響應(yīng)速率和更廣的速度調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)了供液泵的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和瞬時(shí)響應(yīng)，同時(shí)能夠有效降低施工過(guò)程中的噪音，實(shí)現(xiàn)大氣污染物零排放。

（2）基于壓力閉環(huán)的自動(dòng)控制技術(shù)，能夠在施工過(guò)程中根據(jù)作業(yè)排量變化，快速調(diào)節(jié)供液泵轉(zhuǎn)速，確保供液穩(wěn)定，同時(shí)省去了傳統(tǒng)供液設(shè)備中操作員頻繁操作變檔換擋機(jī)構(gòu)的環(huán)節(jié)。

（3）本設(shè)備集成遠(yuǎn)程控制模式，能夠在儀表車（指揮控制中心）對(duì)設(shè)備進(jìn)行一鍵式操作，省去本地人員操作。

（4）采用電驅(qū)代替柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，保養(yǎng)維護(hù)更加簡(jiǎn)單方便。

2? 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

本供液設(shè)備于2019年10月，在重慶焦頁(yè)205平臺(tái)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，期間運(yùn)行良好，供液穩(wěn)定，調(diào)節(jié)迅速，其自動(dòng)化程度能夠有效代替施工過(guò)程人員操作，得到用戶認(rèn)可。隨后在宜賓寧209HB、焦頁(yè)204等多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，期間運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用情況令用戶滿意。

3? 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備相比傳統(tǒng)供液設(shè)備具有節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)快、自動(dòng)化調(diào)節(jié)精度高、一鍵式操作等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色節(jié)能的開(kāi)采理念，契合井場(chǎng)設(shè)備電動(dòng)化和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，適合在頁(yè)巖氣壓裂平臺(tái)推廣應(yīng)用。

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