一種電驅(qū)自動供液設(shè)備的研制與應(yīng)用

劉剛 向吉星 余俊勇 趙橋

摘? 要：供液設(shè)備是頁巖氣壓裂工藝中的重要設(shè)備。針對現(xiàn)有供液設(shè)備施工過程中噪音大、尾氣污染嚴(yán)重、自動化程度低等問題，特研制了一種低噪音、零排放且自動化程度高的供液設(shè)備。該設(shè)備采用電力變頻驅(qū)動，通過PLC系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行自動化控制，在確保大排量供液的同時，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;同時該設(shè)備具有遠(yuǎn)程通訊功能，能夠通過遠(yuǎn)程模式實現(xiàn)本地?zé)o人化操作。

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

中圖分類號：TD355 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)備是壓裂井場的重要組成設(shè)備，在井場中，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。

隨著頁巖氣開發(fā)的不斷深入，對于綠色開采和24h連續(xù)作業(yè)的要求越發(fā)急迫，同時對設(shè)備自動化程度也越來越高，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)動機(jī)驅(qū)動，該設(shè)備存在作業(yè)噪音大、污染嚴(yán)重、自動化程度低、調(diào)節(jié)精度不高、維護(hù)保養(yǎng)工作量大等缺點。為解決上述問題，結(jié)合目前頁巖氣壓裂裝備電動化的發(fā)展趨勢，特研制了一種新型的電驅(qū)自動供液設(shè)備。

1? 產(chǎn)品分析

1.1 工作原理及組成

本設(shè)備（見圖1）采用雙吸單排結(jié)構(gòu)，可根據(jù)井場布局靈活地擺放;采用全電力驅(qū)動，通過變頻器+變頻電機(jī)的直驅(qū)模式代替原有的柴油機(jī)驅(qū)動模式，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

工作時，由變頻器驅(qū)動變頻電機(jī)，拖動供液泵運行，將吸入管匯中的液體加壓后供給壓裂泵使用。通過管匯上裝配的流量傳感器、壓力傳感器等檢測元件，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測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)檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的運行狀態(tài)，最終實現(xiàn)快速響應(yīng)和精確控制。

通過工業(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)場管匯安裝;同時配置電動隔膜泵，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，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，實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)對變頻電驅(qū)系統(tǒng)的實時控制。

（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、切換開關(guān)等元件組成，通過HMI，可以實時顯示設(shè)備的各種狀態(tài)信息和施工數(shù)據(jù)，也能通過HMI輸入指令，對設(shè)備進(jìn)行實時操作。HMI根據(jù)指令和傳感器返回的數(shù)據(jù)，通過特定算法對供液泵進(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)包括三級控制模式，包括手動模式、自動模式和遠(yuǎn)程模式，能夠滿足不同使用場景的需求。

（4）液添系統(tǒng)。

液添系統(tǒng)由電動隔膜泵和吸入排出管路組成。通過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 主要創(chuàng)新點

（1）采用變頻電驅(qū)傳動技術(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，實現(xiàn)了供液泵的無級調(diào)節(jié)和瞬時響應(yīng)，同時能夠有效降低施工過程中的噪音，實現(xiàn)大氣污染物零排放。

（2）基于壓力閉環(huán)的自動控制技術(shù)，能夠在施工過程中根據(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，保養(yǎng)維護(hù)更加簡單方便。

2? 現(xiàn)場驗證

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

3? 結(jié)語

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、自動化調(diào)節(jié)精度高、一鍵式操作等優(yōu)點，符合綠色節(jié)能的開采理念，契合井場設(shè)備電動化和自動化的發(fā)展趨勢，適合在頁巖氣壓裂平臺推廣應(yīng)用。

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