粉料自控上料裝置研究與應(yīng)用

白　俊

粉料自控上料裝置研究與應(yīng)用

白俊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）①

通過研究各種氣力輸送技術(shù)、流化破拱技術(shù)和失重式稱重技術(shù)，結(jié)合海上采油平臺露天生產(chǎn)環(huán)境和聚合物粉料特性，研發(fā)了一種能夠全天候工作、連續(xù)可控的自動(dòng)化程度非常高的粉料自控上料裝置，滿足了全面注聚系統(tǒng)聚合物粉料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、連續(xù)下料的要求。

粉料；注聚；自控上料；氣力輸送；海上油田

隨著渤海灣海上油田注聚規(guī)模逐漸擴(kuò)大，特別是SZ36-1油田Ⅰ期、Ⅱ期全面注聚系統(tǒng)的投產(chǎn)運(yùn)行，單套注聚系統(tǒng)聚合物粉料日用量已經(jīng)達(dá)到30 t／d。常規(guī)的人工搬運(yùn)加料和螺旋給料機(jī)計(jì)量輸送已經(jīng)不能滿足大規(guī)模全面注聚系統(tǒng)的生產(chǎn)需求。由于海上采油平臺露天生產(chǎn)環(huán)境和聚合物粉料不能在潮濕環(huán)境下輸送的特殊性，為了確保在暴雨、嚴(yán)寒、風(fēng)暴等極端惡劣的自然條件下能夠正常安全生產(chǎn)，因此亟需一種能夠全天候工作、連續(xù)可控的自動(dòng)化程度非常高的聚合物粉料自控上料裝置，用于代替人工搬運(yùn)加料和螺旋給料機(jī)計(jì)量輸送，以減輕操作人員工作負(fù)荷，提高測量控制精度和聚合物母液品質(zhì)，滿足全面注聚系統(tǒng)聚合物粉料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、連續(xù)下料的要求［1］。

1　技術(shù)分析

1.1氣力輸送技術(shù)

在粉粒狀散料流體管道輸送技術(shù)中，氣力輸送是效率最高、能耗最低、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。從氣源類型分，氣力輸送主要包括吸送式、壓送式和混合式，即負(fù)壓式、正壓式和正負(fù)壓組合式。從氣固兩相流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分，主要包括稀相氣力輸送、密相氣力輸送和栓流氣力輸送［2］。在工程應(yīng)用中，通常將2種分類方式組合應(yīng)用，如負(fù)壓稀相氣力輸送。

通過研究各種氣力輸送類型的技術(shù)特點(diǎn)和聚合物粉料特性，結(jié)合海上油田采油平臺特殊應(yīng)用環(huán)境，采用正壓密相氣力［3］輸送技術(shù)和密閉輸送工藝進(jìn)行粉料輸送。該技術(shù)以干燥潔凈的壓縮空氣為動(dòng)力源，將粉料與壓縮空氣按一定比例混合后形成段塞狀，以3～7 m／s的速度通過專用管道（軟管）將粉料從移動(dòng)儲(chǔ)料罐輸送至平臺固定儲(chǔ)料罐中。該技術(shù)具有料／氣比高、輸送能力大、輸送距離遠(yuǎn)、能耗低等特點(diǎn)。

1.2流化破拱技術(shù)

粉粒狀物料在罐體類容器內(nèi)儲(chǔ)存和下料過程中，極易在罐筒體與錐形下料斗結(jié)合部、錐面及下料口等部位堆積，形成“掛壁”、“鼠洞”、“起拱”現(xiàn)象［4］，影響了粉料流動(dòng)效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞下料口。解決這些問題的方法主要有振動(dòng)和噴氣2種，采用的設(shè)備有空氣炮、噴氣嘴、振動(dòng)錘、噴氣振動(dòng)墊等。目前，噴氣振動(dòng)墊是應(yīng)用最廣泛、最有效的一種流化破拱設(shè)備，集合了振動(dòng)流化和噴氣流化的共同效果。

1.3失重式稱重技術(shù)

失重式稱重技術(shù)以稱量裝置及物料為一個(gè)整體，稱重模塊定時(shí)對其進(jìn)行質(zhì)量信號采樣；并計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量的損失，得出物料被送出的瞬時(shí)流量［5］，再通過各種軟硬件濾波技術(shù)進(jìn)行處理，得出實(shí)際給料速度。將實(shí)際給料速度與設(shè)定給料速度進(jìn)行對比，其偏差通過PID運(yùn)算，使用變頻器控制螺旋給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，使實(shí)際流速在設(shè)定流速規(guī)定的范圍內(nèi)變化。當(dāng)稱重斗中的物料達(dá)到稱重下限時(shí)，螺旋給料機(jī)按當(dāng)前轉(zhuǎn)速固定輸送粉料，同時(shí)控制料倉里的物料以秒級的速度下到稱重斗內(nèi)。當(dāng)裝料到稱重上限時(shí)停止裝料，恢復(fù)原來的粉料稱重檢測與控制模式，繼續(xù)輸送粉料。

2　裝置組成結(jié)構(gòu)及功能

結(jié)合海上采油平臺有限的空間結(jié)構(gòu)、露天生產(chǎn)環(huán)境和大規(guī)模注聚系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施方案，綜合正壓密相氣力輸送技術(shù)、流化破拱技術(shù)和失重式稱重技術(shù)3種技術(shù)，對儲(chǔ)料罐采取特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)出了適用于海上采油平臺的橇裝化［6］的粉料自控上料裝置。

粉料自控上料裝置大致可分為4個(gè)組成部分：即氣力輸送單元、儲(chǔ)料單元、計(jì)量輸送單元以及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　粉料自控上料裝置結(jié)構(gòu)

氣力輸送單元主要由壓縮空氣橇、儲(chǔ)氣罐橇、移動(dòng)儲(chǔ)料罐橇［7］、氣力輸送專用管線及附件、配套儀表閥門等組成，目的是將移動(dòng)儲(chǔ)料罐中的聚合物粉料通過干燥潔凈的壓縮空氣輸送到儲(chǔ)料罐中，輸送能力達(dá)15 t／h，單個(gè)移動(dòng)儲(chǔ)料罐容積達(dá)7 m3。

儲(chǔ)料單元主要由采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的聚合物粉料儲(chǔ)料罐、用于流化破拱的流化盤及除塵器、粉料專用儀表閥門、安全閥、爆破膜等組成，目的是儲(chǔ)存聚合物粉料，并給下游設(shè)備連續(xù)供料。儲(chǔ)料罐容積60 m3，采用臥式結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置2個(gè)加料口和2個(gè)下料口。

計(jì)量輸送裝置主要由失重式稱重模塊、稱量斗、支架、變頻器、變頻電機(jī)、減速電機(jī)、螺旋給料機(jī)、攪拌器、控制器、儀表閥門以及粉料專用軟管等組成，目的是連續(xù)精確計(jì)量并控制進(jìn)入下游設(shè)備的粉料流量。粉料最大下料速度500 kg／h，且在100～500 kg／h之間連續(xù)可調(diào)。

控制系統(tǒng)可采用PLC系統(tǒng)，也可采用DCS系統(tǒng)，主要包括由CPU控制器、輸入輸出模塊、通訊模塊、電源模塊、空氣開關(guān)、信號連接端子等組成的控制柜，以及由空氣開關(guān)、斷路器、電磁啟動(dòng)器、變頻器等組成的電氣柜。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

將拖船運(yùn)來的盛裝聚合物粉料（聚丙烯酰胺粉料［8］）的移動(dòng)儲(chǔ)料罐橇卸至平臺頂甲板指定的生產(chǎn)區(qū)域。當(dāng)需要向平臺固定儲(chǔ)料罐中輸送粉料時(shí)，將移動(dòng)儲(chǔ)料罐橇吊裝至氣力輸送生產(chǎn)區(qū)域，利用帶快速接頭的不銹鋼軟管將移動(dòng)儲(chǔ)料罐橇的進(jìn)氣口、出料口分別與儲(chǔ)氣罐橇的氣源管線接口和固定儲(chǔ)料罐的進(jìn)料口連接。待準(zhǔn)備工作完成后，撳下現(xiàn)場操作柱上的啟動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)上料流程，利用壓縮空氣將移動(dòng)儲(chǔ)料罐中的粉料輸送至固定儲(chǔ)料罐中。為了減少損失和避免環(huán)境污染，在固定儲(chǔ)料罐的頂部設(shè)有第1除塵器，實(shí)現(xiàn)固氣分離，固體粉料回落至固定儲(chǔ)料罐中，氣體通過控制閥排空。由于平臺空間有限，固定儲(chǔ)料罐采用臥式結(jié)構(gòu)，配置流化盤，確保儲(chǔ)料罐內(nèi)粉料分布均勻、下料順暢。儲(chǔ)存在固定儲(chǔ)料罐中的聚合物粉料通過罐底的出料口，在氣動(dòng)蝶閥的控制下進(jìn)入配有失重式稱重模塊和攪拌器的計(jì)量輸送裝置橇中；經(jīng)過失重式稱重模塊計(jì)量和控制系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)控制后，由螺旋給料機(jī)輸出至下游設(shè)備管線接口。固定儲(chǔ)料罐需要用干燥空氣進(jìn)行吹掃除濕并維持微正壓操作。計(jì)量輸送裝置橇的排氣口與第2除塵器連接，下料過程中含有少量粉塵的氣體通過第2除塵器進(jìn)行固氣分離，固體粉料回落至定期清理的殘余粉料接收桶，氣體在抽風(fēng)機(jī)風(fēng)力作用下排空。

在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中，粉料自控上料裝置由注聚系統(tǒng)DCS統(tǒng)一控制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟動(dòng)／停止、進(jìn)行粉料流量調(diào)節(jié)、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等功能。裝置可由中控操作人員手動(dòng)控制，也可由程序進(jìn)行全程自動(dòng)控制。

4　結(jié)論

1）經(jīng)過SZ36-1油田I期、II期注聚系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，粉料自控上料裝置的結(jié)構(gòu)組成和功能參數(shù)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)解決了聚合物粉料海上運(yùn)輸、儲(chǔ)存和輸送問題，滿足了粉料日用量超過30 t／d的注聚系統(tǒng)生產(chǎn)需求。

2）采用橇裝化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)約了平臺空間，用1個(gè)容積60 m3的儲(chǔ)料罐和若干個(gè)容積7 m3的移動(dòng)儲(chǔ)料罐就能提供全面注聚系統(tǒng)7 d連續(xù)生產(chǎn)所需的粉料量。

3）大幅降低了現(xiàn)場操作人員的工作強(qiáng)度，只需連接幾個(gè)快速接頭，開啟幾個(gè)手動(dòng)閥門，在中控室或現(xiàn)場就可啟動(dòng)加料裝置，且粉料輸送能力達(dá)到15 t／h，提高了工作效率。

4）給下游設(shè)備提供粉料的儀表測量精度達(dá)到±0.5%、控制精度達(dá)到±1%，提高了注聚母液的品質(zhì)。

5）適應(yīng)各種天氣環(huán)境，能全天候工作，保證注聚系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行；自動(dòng)化程度高，有利于海上采油平臺注聚系統(tǒng)整體自動(dòng)化水平的提高。

［1］田寶仁，劉敏，白俊，等.海上采油平臺注聚自控上料系統(tǒng)：中國，ZL 2012 2 0338551.5［P］.2013-01-30.

［2］楊倫，謝一華.氣力輸送工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：7-14.

［3］黃綺鋒.正壓密相氣力除灰塵系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2010（14）：225-226.

［4］郝曉琳.氣力輸送系統(tǒng)中粉料流動(dòng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究［D］.青島：青島科技大學(xué)，2006.

［5］李新橋，任芊，黃友之，等.新型失重式連續(xù)稱重配料系統(tǒng)的研究［J］.新技術(shù)新工藝，2005（6）：35-36.

［6］馮白羽，林罡，王榮敏，等.長慶油田站場橇裝集成化設(shè)計(jì)研究探討［J］.石油工程建設(shè)，2013（4）：33-36.

［7］田寶仁，劉敏，白俊，等.海上注聚粉料移動(dòng)儲(chǔ)存輸送罐：中國，ZL 2012 2 0339368.5［P］.2013-01-30.

［8］張學(xué)佳，紀(jì)巍，康志軍，等.聚丙烯酰胺的特性及應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2008（5）：45-49.

Study and Application of Powder Automatic Feeding Equipment

BAI Jun
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co．，Tianjin 300452，China）

Through studying all kinds of technologies，such as pneumatic conveying，fluidization and weight-loss weighting，and combining special production circumstances of offshore oilfield platforms and characteristics of polymer powder，a new kind of powder automatic feeding equipment，which can work in all weather conditions and be high-automatically and continuously controlled，has been designed and developed to meet the requirements of transportation，storage and feeding of polymer powder for the large-scale polymer injection system.

powder；polymer injection；automatic feeding；pneumatic conveying；offshore oilfield

TE953

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.019

1001-3482（2015）10-0079-03

①2015-04-

國家科技重大專項(xiàng)“海上稠油油田化學(xué)驅(qū)技術(shù)示范項(xiàng)目”（2008ZX05057-04）

白俊（1981-），男，四川遂寧人，工程師，主要從事海上油氣田電儀技術(shù)及提高油田采收率技術(shù)研究，E-mail：baijun2＠cnooc.com.cn。