渠迎鋒， 王永光， 臺廣鋒， 趙 敏， 劉 慶

（北京礦冶研究總院， 北京 100160）

引言

壓裂作業(yè)是提高油氣產(chǎn)量的方式之一。大量的壓裂作業(yè)產(chǎn)生了較多的壓裂返排液。隨著壓裂返排液的逐漸增多，環(huán)保壓力越來越大。為了減輕環(huán)保壓力，壓裂返排液資源化處理已迫在眉睫。

由于壓裂返排液成分復(fù)雜，水質(zhì)波動大，對壓裂返排液處理工藝及成套裝備提出了更高的技術(shù)要求。自動精密給料工藝環(huán)節(jié)是壓裂返排液處理過程中關(guān)鍵工藝技術(shù)環(huán)節(jié)之一，自動精密給料裝置的實時性與精確性直接影響了各階段的水質(zhì)指標。

自動精密固體給料裝置是專門針對成分復(fù)雜的油田壓裂返排液研制的工藝設(shè)備，具有精確度高、自動化程度高、實時控制和模塊化設(shè)計等特點。

1 壓裂返排液處理精密固體給料裝置簡介

自動精密固體給料裝置主要由主機體、精密給料模塊、稱量模塊、自動化控制模塊組成，如圖1所示。主機體主要包括設(shè)備支架、外殼和儲料裝置，其主要作用是儲料。精密給料模塊主要由精密給料裝置和下料裝置組成，其主要作用是連續(xù)均勻給料。稱重計量模塊主要由電子秤檢測模塊和信號處理模塊，其主要作用是精確計量。自動化控制模塊主要由在線檢測模塊、信號反饋與處理模塊、控制模塊組成，主要作用通過檢測壓裂返排液水質(zhì)成分的數(shù)據(jù)來控制精密給料量，使之適應(yīng)返排液水質(zhì)波動的特點。

2 工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工作原理

根據(jù)油田壓裂返排液水質(zhì)成分波動大的特點，精密固體給料裝置的儲料量也設(shè)計了0.1 m3、0.3 m3、0.8 m3、1 m3、2 m3、2.5 m3、3 m3等不同系列。為了方便給料并防止產(chǎn)生蓬料現(xiàn)象，主機體底部采用半圓柱體結(jié)構(gòu)或錐形結(jié)構(gòu)，在主機體合適位置針對不同的物料的特性設(shè)計了防蓬料裝置。

圖1 自動精密固體給料裝置

通過在線水質(zhì)監(jiān)測裝置對壓裂返排液水質(zhì)成分進行實時監(jiān)測，將相應(yīng)的信號輸送到信號處理系統(tǒng)。經(jīng)過信號處理后，將相應(yīng)控制信號輸送到電子稱計量系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)自動精密給料裝置的給料速度實現(xiàn)自動監(jiān)測控制。精密給料計量裝置將實時狀態(tài)信號反饋到信號處理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。該裝置工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 工作原理示意圖

2.2 精密給料裝置設(shè)計計算

根據(jù)固體物料的物理特性，設(shè)計了精密給料裝置。精密給料裝置是自動精密固體給料裝置關(guān)鍵技術(shù)之一，該裝置采用了在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，通過自動控制實現(xiàn)精密給料裝置的給料量在一定范圍內(nèi)連續(xù)添加。精密給料裝置設(shè)計參數(shù)中給料螺旋直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、功率、輸送量核算是關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[1-10]。

2.2.1 給料螺旋直徑的計算

給料螺旋直徑為[11]：

式中：Q為給料能力，0.833 kg/min；K為物料特性系數(shù)，常用物料的K值，取0.0415；φ為填充系數(shù)，取0.35；C為傾角系數(shù)，傾角為0°，取C=1；ρ為物料密度，脫穩(wěn)劑密度ρ=0.93 t/m3。

將上述參數(shù)代入給料螺旋直徑計算公式可得D≥19.6 mm，取給料螺旋直徑D=20 mm。

2.2.2 螺旋軸轉(zhuǎn)速計算

螺旋軸轉(zhuǎn)速在滿足輸送量的條件下不宜過高，以免物料受過大的切向力而被拋起，以致無法向前輸送。因此，螺旋軸轉(zhuǎn)速n不能超過某一極限轉(zhuǎn)速nj[12]：

式中：A為表示物料綜合系數(shù)，根據(jù)常用物料綜合系數(shù)表取75。將給料螺旋直徑量與物料綜合系數(shù)代入螺旋轉(zhuǎn)速公式可以得出螺旋極限轉(zhuǎn)速為16.77 r/min，將轉(zhuǎn)速圓整為20 r/min。

2.2.3 功率計算

精密給料裝置所需的軸功率P0[13]：

式中：H為螺旋輸送機傾斜布置時在垂直平面上的投影高，mm，H=0；L為螺旋輸送機水平投影長度，L=145 mm；w0為物料阻力系數(shù)，1～4，此處取 1.5。

將參數(shù)代入精密給料裝置所需的軸功率P0公式，可以得出功率P0=0.49 kW。

電機功率P[14]：

式中：K1為功率備用系數(shù)，對Y型系列電動機K1=1.0；η為驅(qū)動裝置總效率，一般取0.90～0.94，本文取0.90。

將參數(shù)代入式（4），計算得P=0.54 kW。

2.2.4 精密給料裝置的輸送量Im核算[15]

式中：Im為輸送量，t/h；Dg外為螺旋公稱外徑，0.082 m；Dg內(nèi)為螺旋公稱內(nèi)徑，0.068m；S為螺旋螺距，0.032m。

將參數(shù)代入式（5），計算得Im=20.6 kg/h。

3 調(diào)試實驗及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 調(diào)試實驗

自動精密固體給料裝置通過變頻控制精密給料速度來實時調(diào)整給料量，因此對裝置進行了實驗室標定實驗與油田現(xiàn)場調(diào)試。不同物料具有不同的物料特性，需要分別標定給料速度和單位時間給料量，如表1所示。物料添加速率與頻率曲線圖如圖3所示。

公式（6）為頻率-下料速率曲線的擬合公式。使用該公式可以計算任意頻率下的固體物料的給料速率。

表1 固體物料添加裝置給料速度標定

圖3 藥劑添加裝置頻率－下料速率曲線

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果及推廣前景

自動精密固體給料裝置目前已經(jīng)推廣應(yīng)用于中石油、中石化、延長油田。根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測壓裂返排液中離子濃度，通過電子稱量模塊實時調(diào)整固體給料量，實現(xiàn)了自動精確添加。設(shè)備運行穩(wěn)定，處理水質(zhì)達標，應(yīng)用效果良好，得到了用戶好評?？筛鶕?jù)用戶使用工況特點將自動精密固體給料裝置設(shè)計成不同儲料量、不同精密給料量和不同設(shè)備配置的系列產(chǎn)品，滿足不同使用要求，其應(yīng)用范圍可推廣至水處理行業(yè)、食品行業(yè)。

4 結(jié)論

1）自動精密固體給料裝置的給料速度與工作頻率近似于線性關(guān)系，可以根據(jù)線性關(guān)系自動調(diào)節(jié)頻率。

2）自動精密固體給料裝置實現(xiàn)了壓裂返排液處理中的藥劑在線檢測、自動精確添加的功能，節(jié)約了人工成本。

3）自動控制實現(xiàn)了實時反饋、實時控制，根據(jù)水質(zhì)指標變化，自動調(diào)整給料量，提高了壓裂返排液處理的指標。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2001:22-34.

[2]譚春林.奶牛飼喂裝置的設(shè)計研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2007.

[3]王興晶.Visua l Basic.NET數(shù)據(jù)庫開發(fā)典型實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：124-160.

[4]夏路易.單片機技術(shù)基礎(chǔ)教程與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：20-27.

[5]李林，郭曉劍，夏國英.新疆-4聯(lián)合收割機卸糧攪龍的設(shè)計[J].新疆農(nóng)機化，2006（2）：19.

[6]姜一民.螺旋鉆機攪龍的設(shè)計和制作技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2005（3）：71.

[7]洪致育，林良明.連續(xù)運輸機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[8]梁庚煌.運輸機械手冊（第二冊）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[9]王聯(lián)奎，侯建華.螺旋輸送機傳動裝置設(shè)計[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007，176（1）：16-18.

[10]舒服華.基于蟻群算法的飼料螺旋輸送機優(yōu)化設(shè)計[J].飼料工業(yè)，2006，27（15）：1-4.

[11]王振華.運輸機械設(shè)計選用與標準實用手冊[M].合肥：安徽文化音像出版社，2004.

[12]洪致育，林良明.連續(xù)運輸機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[13]李振亮，萬文艷，李亞.定量螺旋給料機在粉洗鹽生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].鹽業(yè)與化工，2007（10）：35-36.

[14]黃石茂.螺旋輸送機輸送機理及其主要參數(shù)的確定[J].廣東造紙，1998（4）：67-68.

[15]李志義，王淑蘭，丁信偉.粉體料倉的設(shè)計[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，1999（1）：90-91.