高壓、大排量液氮泵設(shè)備測試與試驗的安全風(fēng)險分析

高壓、大排量液氮泵設(shè)備測試與試驗的安全風(fēng)險分析

0試驗過程中安全風(fēng)險氧氣泡沫壓裂是根據(jù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一種新技術(shù)。它特別適用于氣田和氣田的氣田、低滲和敏感層的重建。在煤層氣氮驅(qū)開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的氮氣泡沫壓裂泵設(shè)備的整機(jī)測試技術(shù)還不成熟,試驗裝置還不完善,尤其是液氮泵的測試需要一套完整的測試裝置。目前國內(nèi)的測試裝置只能滿足低壓、小排量的液氮泵設(shè)備整機(jī)測試與試驗需要,而氮氣泡沫壓裂使用的液氮泵設(shè)備具有大功率(1500kW)、大排量(600m3/min)、高排出壓力(140MPa)等特點。這種設(shè)備的測試與低壓、小排量的液氮泵設(shè)備的測試與試驗相比,在安全風(fēng)險方面有本質(zhì)的不同,主要區(qū)別是:小排量液氮泵排出壓力可以采用在完備安全防護(hù)下直接通過閘門調(diào)節(jié)的加載方式完成,試驗過程中的數(shù)據(jù)采集與分析也可以直接獲取。但對于高壓、大排量的液氮泵設(shè)備測試與試驗,若采用上述直接加載方式,則需要很大的壓力調(diào)節(jié)閥才能實現(xiàn)排出壓力調(diào)節(jié),技術(shù)上很難實現(xiàn)。另一方面,對高壓、大排量氣體直接進(jìn)行壓力調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)與監(jiān)測安全風(fēng)險也高,造成測試與試驗過程中安全風(fēng)險也很高。因此,研究了一種高壓、大排量的液氮泵測試裝置及測試方法。1試驗安裝的結(jié)構(gòu)和原理1.1備測試單元和阻尼裝置單元圖1所示為高壓液氮泵試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖,主要由3部分組成:(1)泵設(shè)備測試單元,包括液氮罐、液氮泵設(shè)備、單流閥和壓力傳感器;(2)阻尼裝置單元,包括水罐、流量傳感器、水力泵車、單流閥、壓力傳感器及管匯系統(tǒng);(3)調(diào)節(jié)單元,包括液氣混合輸出管匯、氣動截止閥、電動調(diào)壓閥及節(jié)流消音管。1.2加載試驗裝置高壓液氮泵設(shè)備是將液氮經(jīng)液氮泵加壓后再利用專用加溫裝置對高壓液氮加溫轉(zhuǎn)化成常溫下氣態(tài)氮的專用設(shè)備,其典型特點是輸入介質(zhì)為低溫液態(tài)介質(zhì),輸出是高壓、大排量的氣體。液氮泵設(shè)備是應(yīng)用于油氣田及煤層氣泡沫壓裂的重要設(shè)備,需要定期檢驗以確保施工作業(yè)安全。目前主要利用液氮泵設(shè)備加載試驗裝置對其進(jìn)行整機(jī)測試與試驗。該裝置的作用是對液氮泵設(shè)備排出氣體的排量、壓力進(jìn)行測試與試驗,以檢驗液氮泵設(shè)備的性能。在液氮泵設(shè)備加載測試與試驗裝置中,水力阻尼裝置對其內(nèi)的水力泵設(shè)備排出水的排出流量、壓力通過壓力調(diào)節(jié)單元進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓力調(diào)節(jié)單元主要包括氣動截止閥組件和電動調(diào)壓閥,其中氣動截止閥組件用于排出壓力粗調(diào),而電動調(diào)壓閥則用于排出壓力微調(diào);同時利用專用管匯使液氮泵裝置排出的氮氣與水力壓裂設(shè)備排出的液體進(jìn)行混合,這樣就可通過設(shè)備本身的動力傳動系統(tǒng)及流體分配系統(tǒng)實現(xiàn)對液氮設(shè)備氮氣排量的控制。2水力壓裂泵同時車單車并車運行方案結(jié)合一個實例說明高壓液氮泵設(shè)備測試裝置及試驗方法的應(yīng)用情況。用2臺排出壓力105MPa、額定排量1.0~1.9m3/min的水力壓裂泵車并車作為動力,按照圖1的布置方案,對額定氣體排量330m3/min、額定排出壓力105MPa的液氮泵設(shè)備進(jìn)行測試,以檢測其壓力、排量及功率的變化情況。2.1在壓力加載方面的應(yīng)用第1步,開啟水力泵車,對水力泵車排出的水進(jìn)行加壓,通過壓力傳感器測得水壓。同時開啟壓力調(diào)節(jié)單元中的氣動截止閥用于水壓力粗調(diào),通過調(diào)整氣動截止閥,可以初步得到所需要的排出壓力。通過調(diào)整電動調(diào)壓閥,可以對水力泵車的排出壓力進(jìn)行精確調(diào)整。第2步,啟動液氮泵設(shè)備,液氮泵設(shè)備排出的氣態(tài)氮氣與水力泵車排出的水進(jìn)行混合,經(jīng)管匯系統(tǒng)輸入到混合輸出管匯。由于事先對水力阻尼裝置單元排出的水進(jìn)行壓力加載,水力泵車向管匯系統(tǒng)輸入的是高壓水,液氮泵設(shè)備排出的氣體在排向管匯系統(tǒng)的過程中需要克服已經(jīng)存在的壓力,即水力阻尼裝置單元排出水的壓力等于液氮泵設(shè)備排出氣體壓力需要克服的阻尼。這樣就可利用水力壓裂設(shè)備的排出液體壓力加載系統(tǒng)對液氮泵裝置排出的氮氣進(jìn)行壓力加載。在實際測試與試驗過程中,利用壓力調(diào)節(jié)單元中的氣動截止閥、電動調(diào)壓閥對水力泵車、液氮泵設(shè)備排出的液氣混合體的流量進(jìn)行調(diào)整,從而對液氮泵裝置排出氮氣的壓力進(jìn)行實時調(diào)整,以驗證液氮泵設(shè)備的實際排出壓力與設(shè)計指標(biāo)的符合程度。第3步,水力泵車、液氮泵設(shè)備排出的液氣混合體匯集到集輸裝置進(jìn)入液氣分離器,經(jīng)液氣分離器分離后,液體經(jīng)循環(huán)管匯流入水罐參與循環(huán),氣體排入適合的大氣環(huán)境。2.2測試系統(tǒng)的控制和工作原理液氮泵設(shè)備整機(jī)測試與試驗裝置配備有數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),可以與液氮泵設(shè)備上的流量監(jiān)測系統(tǒng)對接。液氮泵設(shè)備的排量、動力系統(tǒng)的輸出功率可以直接在液氮泵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取;水力泵車動力系統(tǒng)的輸出功率也可在水力泵車的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取。因此,系統(tǒng)可實現(xiàn)對試驗工況的調(diào)節(jié)和對檢測參數(shù)的測量、存儲和采集處理、輸出。測定液氮泵設(shè)備整機(jī)在各擋轉(zhuǎn)速下的流量、壓力及功率時,為了安全起見,將測試壓力控制在70MPa以內(nèi)。圖2為測試的流量-壓力曲線。由圖可見,當(dāng)液氮泵排量為330m3/min時,系統(tǒng)的壓力在58~70MPa之間,且穩(wěn)定性良好;當(dāng)液氮泵排量大于330m3/min時,系統(tǒng)停止測試,壓力迅速下降。圖3為測試的輸入功率-排出壓力曲線由圖可見,當(dāng)液氮泵在額定排量下工作時,其工作壓力逐步上升到65MPa,功率達(dá)到1000kW;當(dāng)壓力繼續(xù)升高,功率更大,故在測試系統(tǒng)中采用2臺水力壓裂泵車。圖4給出了液氮泵設(shè)備加載壓力與加載時間關(guān)系曲線。從圖可知,系統(tǒng)從開始工作到穩(wěn)定工作狀態(tài),只需要5min左右。另外,該測試與試驗系統(tǒng)具有自動控制與防護(hù)、出口壓力(揚(yáng)程)調(diào)節(jié)、試驗狀態(tài)顯示,異常報警與故障保護(hù)等功能。3壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(1)利用專用管匯使液氮泵裝置排出的氮氣與水力壓裂設(shè)備排出的液體進(jìn)行混合,一方面可降低整個測試系統(tǒng)排出的混合氣液的氣液比,降低由于氣體高壓縮比特點而帶來的試驗與測試風(fēng)險;另一方面,利用水力壓裂設(shè)備的排出液體壓力加載系統(tǒng)對液氮泵裝置排出氮氣進(jìn)行壓力加載,實現(xiàn)了液體壓力加載向氣體壓力加載的轉(zhuǎn)換,克服了對氣體實施壓力加載而帶來的困難,降低了安全風(fēng)險,從而確保了裝置的安全測試。(2)氣動截止閥組件和電動調(diào)壓閥為主要部件組成的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可對水力壓裂設(shè)備的排出流