压裂返排液处理精密固体给料装置研制★

2018-05-18渠迎锋王永光台广锋

机械管理开发 2018年4期

关键词：输送机螺旋水质

渠迎锋，王永光，台广锋，赵敏，刘庆

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

引言

压裂作业是提高油气产量的方式之一。大量的压裂作业产生了较多的压裂返排液。随着压裂返排液的逐渐增多，环保压力越来越大。为了减轻环保压力，压裂返排液资源化处理已迫在眉睫。

由于压裂返排液成分复杂，水质波动大，对压裂返排液处理工艺及成套装备提出了更高的技术要求。自动精密给料工艺环节是压裂返排液处理过程中关键工艺技术环节之一，自动精密给料装置的实时性与精确性直接影响了各阶段的水质指标。

自动精密固体给料装置是专门针对成分复杂的油田压裂返排液研制的工艺设备，具有精确度高、自动化程度高、实时控制和模块化设计等特点。

1 压裂返排液处理精密固体给料装置简介

自动精密固体给料装置主要由主机体、精密给料模块、称量模块、自动化控制模块组成，如图1所示。主机体主要包括设备支架、外壳和储料装置，其主要作用是储料。精密给料模块主要由精密给料装置和下料装置组成，其主要作用是连续均匀给料。称重计量模块主要由电子秤检测模块和信号处理模块，其主要作用是精确计量。自动化控制模块主要由在线检测模块、信号反馈与处理模块、控制模块组成，主要作用通过检测压裂返排液水质成分的数据来控制精密给料量，使之适应返排液水质波动的特点。

2 工作原理及结构设计

2.1 工作原理

根据油田压裂返排液水质成分波动大的特点，精密固体给料装置的储料量也设计了0.1 m3、0.3 m3、0.8 m3、1 m3、2 m3、2.5 m3、3 m3等不同系列。为了方便给料并防止产生蓬料现象，主机体底部采用半圆柱体结构或锥形结构，在主机体合适位置针对不同的物料的特性设计了防蓬料装置。

图1 自动精密固体给料装置

通过在线水质监测装置对压裂返排液水质成分进行实时监测，将相应的信号输送到信号处理系统。经过信号处理后，将相应控制信号输送到电子称计量系统，通过调节自动精密给料装置的给料速度实现自动监测控制。精密给料计量装置将实时状态信号反馈到信号处理系统，提高了系统的精度和可靠性。该装置工作原理示意图如图2所示。

图2 工作原理示意图

2.2 精密给料装置设计计算

根据固体物料的物理特性，设计了精密给料装置。精密给料装置是自动精密固体给料装置关键技术之一，该装置采用了在线监测与控制系统，通过自动控制实现精密给料装置的给料量在一定范围内连续添加。精密给料装置设计参数中给料螺旋直径、螺旋轴转速、功率、输送量核算是关键技术参数[1-10]。

2.2.1 给料螺旋直径的计算

给料螺旋直径为[11]：

式中：Q为给料能力，0.833 kg/min；K为物料特性系数，常用物料的K值，取0.0415；φ为填充系数，取0.35；C为倾角系数，倾角为0°，取C=1；ρ为物料密度，脱稳剂密度ρ=0.93 t/m3。

将上述参数代入给料螺旋直径计算公式可得D≥19.6 mm，取给料螺旋直径D=20 mm。

2.2.2 螺旋轴转速计算

螺旋轴转速在满足输送量的条件下不宜过高，以免物料受过大的切向力而被抛起，以致无法向前输送。因此，螺旋轴转速n不能超过某一极限转速nj[12]：

式中：A为表示物料综合系数，根据常用物料综合系数表取75。将给料螺旋直径量与物料综合系数代入螺旋转速公式可以得出螺旋极限转速为16.77 r/min，将转速圆整为20 r/min。

2.2.3 功率计算

精密给料装置所需的轴功率P0[13]：

式中：H为螺旋输送机倾斜布置时在垂直平面上的投影高，mm，H=0；L为螺旋输送机水平投影长度，L=145 mm；w0为物料阻力系数，1～4，此处取 1.5。

将参数代入精密给料装置所需的轴功率P0公式，可以得出功率P0=0.49 kW。

电机功率P[14]：

式中：K1为功率备用系数，对Y型系列电动机K1=1.0；η为驱动装置总效率，一般取0.90～0.94，本文取0.90。

将参数代入式（4），计算得P=0.54 kW。

2.2.4 精密给料装置的输送量Im核算[15]

式中：Im为输送量，t/h；Dg外为螺旋公称外径，0.082 m；Dg内为螺旋公称内径，0.068m；S为螺旋螺距，0.032m。

将参数代入式（5），计算得Im=20.6 kg/h。

3 调试实验及现场应用

3.1 调试实验

自动精密固体给料装置通过变频控制精密给料速度来实时调整给料量，因此对装置进行了实验室标定实验与油田现场调试。不同物料具有不同的物料特性，需要分别标定给料速度和单位时间给料量，如表1所示。物料添加速率与频率曲线图如图3所示。

公式（6）为频率-下料速率曲线的拟合公式。使用该公式可以计算任意频率下的固体物料的给料速率。

表1 固体物料添加装置给料速度标定

图3 药剂添加装置频率－下料速率曲线

3.2 现场应用效果及推广前景

自动精密固体给料装置目前已经推广应用于中石油、中石化、延长油田。根据在线监测系统实时监测压裂返排液中离子浓度，通过电子称量模块实时调整固体给料量，实现了自动精确添加。设备运行稳定，处理水质达标，应用效果良好，得到了用户好评。可根据用户使用工况特点将自动精密固体给料装置设计成不同储料量、不同精密给料量和不同设备配置的系列产品，满足不同使用要求，其应用范围可推广至水处理行业、食品行业。