壓裂機組柴油機燃料油集中連續供油裝置研制

曾 珺，劉有平，席建秋，賀殷凱，侯勇俊，李華川，曾從良，王俊玉

(1.四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學 機電工程學院，成都610500；3.西部鉆探井下作業公司，新疆 克拉瑪依834000；4.川慶鉆探井下作業公司，成都610213)

大型酸化壓裂是頁巖氣勘探開發的關鍵工藝，壓裂設備所采用的動力機組以柴油機組為主[1]。施工時，井場小，設備多，設備間距小，油路密集，壓裂設備長時間大負荷運行，發動機某些部位的外表溫度超過600 ℃，管線漏油或油漬過多都極易引起火災，或發生爆炸事故，從而造成重大的經濟損失[2]。針對井場壓裂的火災或爆炸安全問題，中石化江漢油田分公司研制了一種壓裂作業環節的消防自保系統[3]，主要針對壓裂井場火災發生初期的消防自救。中石化勝利石油工程有限公司[4]研制了頁巖氣壓裂井場火災智能預警及遠控消防系統，通過井場智能監測和及時預警、遠程控制消防炮，盡可能降低壓裂機組的火災損失。

上述思路都是從消防的角度如何將火災發生后的損失降到最小。但是，壓裂機組自帶的大容量燃油箱存儲的燃油在火災中極易助燃或爆炸，存在極大安全風險。呂選鵬等[4]提出的壓裂機組監測與報警系統的設計，雖然能監測壓裂機組的工況，但并不能降低燃油在火災中助燃或爆炸的風險。為降低這一風險，壓裂機組發動機不設置大容量油箱，而采用集中供油是一種有效的方法。集中供油方法在工程機械的生產中有一定的應用[5-6]，但其主要是為工程機械總裝下線前進行燃油、液壓油等的加注。為節約能耗，楊文波[7]對多臺液壓壓力機采用了集中供油的液壓系統。石油鉆機柴油機采用的自動供油裝置[8-10]雖然也具有集中連續供油的功能，但能夠同時供油的柴油機機組較少，不適用于壓裂機組的柴油機。范杰等[11]提出的壓裂設備燃油集中自動加注裝置，可以在施工過程中對壓裂設備的燃料箱進行間隙性地自動加注燃油。劉廣田等[12]提出的一種可用于壓裂機組的多臺柴油機集中供油系統，實現了對發動機直接供油和回收，但不能實現遠程或現場的自動控制。曹洪亮等[13]提出了一種壓裂設備的集中供油裝置，通過分配撬可實現對壓裂設備連續不間斷供油，也能實現壓裂設備停止工作后對管內柴油回油收集泄壓。戴啟平等[14]提出了一種壓裂機組集中連續供油裝置，通過設置集中供油撬，省去壓裂機組底盤大容量油箱，既可降低壓裂機組底盤車上裝置集成的設計難度，又可杜絕大容量燃油箱引起的安全隱患。宋學蓮等[15]提出了連續加油裝置基于PLC的分布式自動控制系統，使壓裂設備的集中連續供油裝置可具有較高的自動化程度。本文研制了一種對壓力機組大功率發動機連續集中供給燃油的裝置，可以實現遠程或現場的自動操作，為最多24臺壓裂設備集中同時供油、回油，供、回油管線使用完后一鍵吹掃，施工作業發生緊急情況下供油、回油管線自動快速切換至油箱。

1 工作原理

集中連續供油裝置的工作原理如圖1所示，其主要由供油橇、分配橇、管路和控制系統組成，可同時給24臺壓裂設備組供油，具有單壓裂設備關斷和同時全壓裂設備組同時關斷功能。供油橇與分配橇A、分配橇B串接連接，分配橇A、分配橇B分別與2列壓裂設備并連，1組分配撬可以為12臺壓裂設備供油。

集中連續供油裝置具有5方面功能：

1) 將油罐車的油注入到供油橇的注入功能。

2) 將供油橇中的油供給壓裂設備的供油功能。

3) 作業后吸回壓裂設備燃油的回油功能。

4) 作業前清空油箱燃油，作業后吹掃回收膠管余油的吹掃功能。

5) 油罐液位高度、供油壓力與流量、單壓裂設備供油回路的通斷情況、電機轉速等的監測功能。

2 主要結構

集中連續供油裝置結構三維模型如圖2所示。

1) 注油系統。由注油泵、粗過濾器等組成，從外部向儲油罐泵油。

2) 控制系統。實現泵電機及閥門邏輯控制，系統油位、壓力監測、數據存儲及傳輸等。

3) 供油系統。由2臺供油泵(一供一備)、溢流閥、截止閥和精過濾器等組成，將儲油罐的油供給壓裂設備。

圖1 壓裂機組燃料油集中連續供油裝置原理

4) 吹掃系統。在作業前，利用空壓機提供的空氣清空壓裂設備油箱內的燃油，作業后吹掃回收膠管的余油。

5) 回油系統。由回油泵、粗過濾器等組成，電機驅動回油泵吸回壓裂設備發動機的回油。

1—儲油罐；2—注油系統；3—控制系統；4—供油系統；5—吹掃系統；6—回油系統。

3 自動化控制系統與APP軟件設計

集中連續供油裝置控制原理圖如圖3所示。自動化控制系統主要由手持遠程操作終端、供油橇本地控制柜和分配橇防爆接線箱等組成。可以滿足單臺壓裂設備供油回路通斷的獨立控制和全部供油回路通斷的一鍵控制要求，并能實時監測和顯示油罐液位高度、裝置供油壓力與流量、單車供油回路的通斷情況、電機轉速等，還能進行供油壓力、油罐液位自動調節。

供油橇與分配橇以及分配橇之間通過供電和通訊電纜連接，通訊采用總線型拓撲結構和100 Mbps總線帶寬，通訊速率高，控制響應速度快。壓裂車上的供回油狀態監測信號采用模擬量信號形式，通過硬線接入相應的分配橇接線箱。分配橇配有適用于爆炸環境要求的防爆接線箱，接線箱面板裝有操控按鈕，可實現就地控制。

集中連續供油裝置App軟件操作如圖4所示。供油橇與手持操作終端通過無線通訊，利用手持操作終端的集中連續供油裝置App軟件，可實現在井場任意位置50 m范圍內對集中連續供油裝置的遠程監測與操控。當壓裂設備的供、回油管線出現斷裂或漏油等緊急情況時，將自動切換到油箱對發動機供、回油，并在App上發出報警。

4 室內試驗

4.1 載荷試驗

所有吊裝耳板、懸掛耳板做載荷試驗，試驗載荷如表1～2所示。試驗用的吊車的起吊能力應大于吊點試驗載荷。試驗時，吊車應勻速起升重物，起升高度1 m。試驗加載時間不小于1 min。載荷試驗后，吊耳與構件不應有顯著永久變形或損壞，并對焊縫進行100%的目檢及磁粉檢測。

4.2 滲漏試驗

罐體和主進、回油管線應作滲漏試驗。試驗時將石灰水均勻的粉刷在罐體外與墻板焊接的焊縫以及主進、回油管線的焊縫上，待石灰水干透后，把煤油均勻地粉刷在上述焊縫上，5 min后檢查石灰是否有被煤油浸濕的現象。

圖3 集中連續供油裝置控制原理

圖4 集中連續供油裝置App軟件控制原理

表1 吊裝耳板試驗載荷

表2 防墜落裝置懸掛耳板試驗載荷

4.3 靜壓試驗

所有的管路應作靜壓試驗，試驗壓力為0.9 MPa。試驗時關閉所有進出口的閥門，管道中間的閥門打開。試驗時壓力應緩慢上升，到了試驗壓力值，保壓30 min，壓降不得高于0.05 MPa。緩慢降壓到工作壓力，留足夠時間檢查，合格后緩慢卸壓，壓力放到壓力表為零，卸下試壓元件。

4.4 聯動試驗

集中連續供油裝置在出廠前應與壓裂設備進行聯動試驗，必須實現供油、回油和供回油的一鍵吹掃功能，施工作業具有供、回油管線自動快速切換至油箱的功能。

5 現場應用

2020-04-03，第1套集中連續供油裝置在四川威遠自201井進行了現場工業試驗，可在爆炸性氣體環境二區下正常使用，防護等級不低于IP55，符號防雷(內、外部)、防靜電、防腐、接地相關標準要求。為24臺壓裂設備同時供油，每臺壓裂設備供油量>20 L/min，供油壓力>0.1 MPa，實現了回油、余油100%回收。

6 結論

1) 研制的壓裂機組燃料油集中連續供油裝置，實現了對作業中的壓裂機組遠程集中連續供油，避免了大容量燃料油箱著火、助燃及火勢擴大而威脅壓裂機組安全的風險。

2) 研制的壓裂機組燃料油集中連續供油裝置，實現了系統的自動化控制。通過手持操作終端操作專用APP軟件，在50 m范圍內可對供油裝置遠程遙控。

3) 研制的壓裂機組燃料油集中連續供油裝置實現了意外或緊急情況下供油、回油管線可自動快速切換至油箱，保障了發動機安全運轉。