高壓、大排量液氮泵設備測試與試驗的安全風險分析

0試驗過程中安全風險氧氣泡沫壓裂是根據科學技術發展的一種新技術。它特別適用于氣田和氣田的氣田、低滲和敏感層的重建。在煤層氣氮驅開發技術領域也有廣泛應用。現有的氮氣泡沫壓裂泵設備的整機測試技術還不成熟,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。目前國內的測試裝置只能滿足低壓、小排量的液氮泵設備整機測試與試驗需要,而氮氣泡沫壓裂使用的液氮泵設備具有大功率(1500kW)、大排量(600m3/min)、高排出壓力(140MPa)等特點。這種設備的測試與低壓、小排量的液氮泵設備的測試與試驗相比,在安全風險方面有本質的不同,主要區別是:小排量液氮泵排出壓力可以采用在完備安全防護下直接通過閘門調節的加載方式完成,試驗過程中的數據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節閥才能實現排出壓力調節,技術上很難實現。另一方面,對高壓、大排量氣體直接進行壓力調節,調節與監測安全風險也高,造成測試與試驗過程中安全風險也很高。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試驗安裝的結構和原理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構示意圖,主要由3部分組成:(1)泵設備測試單元,包括液氮罐、液氮泵設備、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;(3)調節單元,包括液氣混合輸出管匯、氣動截止閥、電動調壓閥及節流消音管。1.2加載試驗裝置高壓液氮泵設備是將液氮經液氮泵加壓后再利用專用加溫裝置對高壓液氮加溫轉化成常溫下氣態氮的專用設備,其典型特點是輸入介質為低溫液態介質,輸出是高壓、大排量的氣體。液氮泵設備是應用于油氣田及煤層氣泡沫壓裂的重要設備,需要定期檢驗以確保施工作業安全。目前主要利用液氮泵設備加載試驗裝置對其進行整機測試與試驗。該裝置的作用是對液氮泵設備排出氣體的排量、壓力進行測試與試驗,以檢驗液氮泵設備的性能。在液氮泵設備加載測試與試驗裝置中,水力阻尼裝置對其內的水力泵設備排出水的排出流量、壓力通過壓力調節單元進行調節。壓力調節單元主要包括氣動截止閥組件和電動調壓閥,其中氣動截止閥組件用于排出壓力粗調,而電動調壓閥則用于排出壓力微調;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備排出的液體進行混合,這樣就可通過設備本身的動力傳動系統及流體分配系統實現對液氮設備氮氣排量的控制。2水力壓裂泵同時車單車并車運行方案結合一個實例說明高壓液氮泵設備測試裝置及試驗方法的應用情況。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的液氮泵設備進行測試,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用第1步,開啟水力泵車,對水力泵車排出的水進行加壓,通過壓力傳感器測得水壓。同時開啟壓力調節單元中的氣動截止閥用于水壓力粗調,通過調整氣動截止閥,可以初步得到所需要的排出壓力。通過調整電動調壓閥,可以對水力泵車的排出壓力進行精確調整。第2步,啟動液氮泵設備,液氮泵設備排出的氣態氮氣與水力泵車排出的水進行混合,經管匯系統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行壓力加載,水力泵車向管匯系統輸入的是高壓水,液氮泵設備排出的氣體在排向管匯系統的過程中需要克服已經存在的壓力,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備的排出液體壓力加載系統對液氮泵裝置排出的氮氣進行壓力加載。在實際測試與試驗過程中,利用壓力調節單元中的氣動截止閥、電動調壓閥對水力泵車、液氮泵設備排出的液氣混合體的流量進行調整,從而對液氮泵裝置排出氮氣的壓力進行實時調整,以驗證液氮泵設備的實際排出壓力與設計指標的符合程度。第3步,水力泵車、液氮泵設備排出的液氣混合體匯集到集輸裝置進入液氣分離器,經液氣分離器分離后,液體經循環管匯流入水罐參與循環,氣體排入適合的大氣環境。2.2測試系統的控制和工作原理液氮泵設備整機測試與試驗裝置配備有數據采集與處理系統,可以與液氮泵設備上的流量監測系統對接。液氮泵設備的排量、動力系統的輸出功率可以直接在液氮泵設備的數據采集系統中獲取;水力泵車動力系統的輸出功率也可在水力泵車的數據采集系統中獲取。因此,系統可實現對試驗工況的調節和對檢測參數的測量、存儲和采集處理、輸出。測定液氮泵設備整機在各擋轉速下的流量、壓力及功率時,為了安全起見,將測試壓力控制在70MPa以內。圖2為測試的流量-壓力曲線。由圖可見,當液氮泵排量為330m3/min時,系統的壓力在58~70MPa之間,且穩定性良好;當液氮泵排量大于330m3/min時,系統停止測試,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,功率達到1000kW;當壓力繼續升高,功率更大,故在測試系統中采用2臺水力壓裂泵車。圖4給出了液氮泵設備加載壓力與加載時間關系曲線。從圖可知,系統從開始工作到穩定工作狀態,只需要5min左右。另外,該測試與試驗系統具有自動控制與防護、出口壓力(揚程)調節、試驗狀態顯示,異常報警與故障保護等功能。3壓力調節系統(1)利用專用管匯使液氮泵裝置排出的氮氣與水力壓裂設備排出的液體進行混合,一方面可降低整個測試系統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險;另一方面,利用水力壓裂設備的排出液體壓力加載系統對液氮泵裝置排出氮氣進行壓力加載,實現了液體壓力加載向氣體壓力加載的轉換,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壓閥為主要部件組成的壓力調節系統可對水力壓裂設備的排出流