高压、大排量液氮泵设备测试与试验的安全风险分析

高压、大排量液氮泵设备测试与试验的安全风险分析

0试验过程中安全风险氧气泡沫压裂是根据科学技术发展的一种新技术。它特别适用于气田和气田的气田、低渗和敏感层的重建。在煤层气氮驱开发技术领域也有广泛应用。现有的氮气泡沫压裂泵设备的整机测试技术还不成熟,试验装置还不完善,尤其是液氮泵的测试需要一套完整的测试装置。目前国内的测试装置只能满足低压、小排量的液氮泵设备整机测试与试验需要,而氮气泡沫压裂使用的液氮泵设备具有大功率(1500kW)、大排量(600m3/min)、高排出压力(140MPa)等特点。这种设备的测试与低压、小排量的液氮泵设备的测试与试验相比,在安全风险方面有本质的不同,主要区别是:小排量液氮泵排出压力可以采用在完备安全防护下直接通过闸门调节的加载方式完成,试验过程中的数据采集与分析也可以直接获取。但对于高压、大排量的液氮泵设备测试与试验,若采用上述直接加载方式,则需要很大的压力调节阀才能实现排出压力调节,技术上很难实现。另一方面,对高压、大排量气体直接进行压力调节,调节与监测安全风险也高,造成测试与试验过程中安全风险也很高。因此,研究了一种高压、大排量的液氮泵测试装置及测试方法。1试验安装的结构和原理1.1备测试单元和阻尼装置单元图1所示为高压液氮泵试验装置结构示意图,主要由3部分组成:(1)泵设备测试单元,包括液氮罐、液氮泵设备、单流阀和压力传感器;(2)阻尼装置单元,包括水罐、流量传感器、水力泵车、单流阀、压力传感器及管汇系统;(3)调节单元,包括液气混合输出管汇、气动截止阀、电动调压阀及节流消音管。1.2加载试验装置高压液氮泵设备是将液氮经液氮泵加压后再利用专用加温装置对高压液氮加温转化成常温下气态氮的专用设备,其典型特点是输入介质为低温液态介质,输出是高压、大排量的气体。液氮泵设备是应用于油气田及煤层气泡沫压裂的重要设备,需要定期检验以确保施工作业安全。目前主要利用液氮泵设备加载试验装置对其进行整机测试与试验。该装置的作用是对液氮泵设备排出气体的排量、压力进行测试与试验,以检验液氮泵设备的性能。在液氮泵设备加载测试与试验装置中,水力阻尼装置对其内的水力泵设备排出水的排出流量、压力通过压力调节单元进行调节。压力调节单元主要包括气动截止阀组件和电动调压阀,其中气动截止阀组件用于排出压力粗调,而电动调压阀则用于排出压力微调;同时利用专用管汇使液氮泵装置排出的氮气与水力压裂设备排出的液体进行混合,这样就可通过设备本身的动力传动系统及流体分配系统实现对液氮设备氮气排量的控制。2水力压裂泵同时车单车并车运行方案结合一个实例说明高压液氮泵设备测试装置及试验方法的应用情况。用2台排出压力105MPa、额定排量1.0~1.9m3/min的水力压裂泵车并车作为动力,按照图1的布置方案,对额定气体排量330m3/min、额定排出压力105MPa的液氮泵设备进行测试,以检测其压力、排量及功率的变化情况。2.1在压力加载方面的应用第1步,开启水力泵车,对水力泵车排出的水进行加压,通过压力传感器测得水压。同时开启压力调节单元中的气动截止阀用于水压力粗调,通过调整气动截止阀,可以初步得到所需要的排出压力。通过调整电动调压阀,可以对水力泵车的排出压力进行精确调整。第2步,启动液氮泵设备,液氮泵设备排出的气态氮气与水力泵车排出的水进行混合,经管汇系统输入到混合输出管汇。由于事先对水力阻尼装置单元排出的水进行压力加载,水力泵车向管汇系统输入的是高压水,液氮泵设备排出的气体在排向管汇系统的过程中需要克服已经存在的压力,即水力阻尼装置单元排出水的压力等于液氮泵设备排出气体压力需要克服的阻尼。这样就可利用水力压裂设备的排出液体压力加载系统对液氮泵装置排出的氮气进行压力加载。在实际测试与试验过程中,利用压力调节单元中的气动截止阀、电动调压阀对水力泵车、液氮泵设备排出的液气混合体的流量进行调整,从而对液氮泵装置排出氮气的压力进行实时调整,以验证液氮泵设备的实际排出压力与设计指标的符合程度。第3步,水力泵车、液氮泵设备排出的液气混合体汇集到集输装置进入液气分离器,经液气分离器分离后,液体经循环管汇流入水罐参与循环,气体排入适合的大气环境。2.2测试系统的控制和工作原理液氮泵设备整机测试与试验装置配备有数据采集与处理系统,可以与液氮泵设备上的流量监测系统对接。液氮泵设备的排量、动力系统的输出功率可以直接在液氮泵设备的数据采集系统中获取;水力泵车动力系统的输出功率也可在水力泵车的数据采集系统中获取。因此,系统可实现对试验工况的调节和对检测参数的测量、存储和采集处理、输出。测定液氮泵设备整机在各挡转速下的流量、压力及功率时,为了安全起见,将测试压力控制在70MPa以内。图2为测试的流量-压力曲线。由图可见,当液氮泵排量为330m3/min时,系统的压力在58~70MPa之间,且稳定性良好;当液氮泵排量大于330m3/min时,系统停止测试,压力迅速下降。图3为测试的输入功率-排出压力曲线由图可见,当液氮泵在额定排量下工作时,其工作压力逐步上升到65MPa,功率达到1000kW;当压力继续升高,功率更大,故在测试系统中采用2台水力压裂泵车。图4给出了液氮泵设备加载压力与加载时间关系曲线。从图可知,系统从开始工作到稳定工作状态,只需要5min左右。另外,该测试与试验系统具有自动控制与防护、出口压力(扬程)调节、试验状态显示,异常报警与故障保护等功能。3压力调节系统(1)利用专用管汇使液氮泵装置排出的氮气与水力压裂设备排出的液体进行混合,一方面可降低整个测试系统排出的混合气液的气液比,降低由于气体高压缩比特点而带来的试验与测试风险;另一方面,利用水力压裂设备的排出液体压力加载系统对液氮泵装置排出氮气进行压力加载,实现了液体压力加载向气体压力加载的转换,克服了对气体实施压力加载而带来的困难,降低了安全风险,从而确保了装置的安全测试。(2)气动截止阀组件和电动调压阀为主要部件组成的压力调节系统可对水力压裂设备的排出流