一种电驱自动供液设备的研制与应用
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摘 要：供液设备是页岩气压裂工艺中的重要设备。针对现有供液设备施工过程中噪音大、尾气污染严重、自动化程度低等问题，特研制了一种低噪音、零排放且自动化程度高的供液设备。该设备采用电力变频驱动，通过PLC系统对设备进行自动化控制，在确保大排量供液的同时，能够有效降低环境噪音和大气污染;并且设备能够根据负载变化快速响应，保证供液的连续和稳定;同时该设备具有远程通讯功能，能够通过远程模式实现本地无人化操作。
关键词：供液 电力驱动 低噪音 零排放 自动控制
中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（a）-0101-03
Abstract： Liquid supply equipment is an important equipment in shale gas fracturing process. In view of the problems in the construction of existing liquid supply equipment， such as high noise， serious tail gas pollution and low automation level， a low noise， zero emission and high automation level liquid supply equipment is developed. The equipment is driven by electric frequency conversion and controlled automatically by PLC system， which can effectively reduce the environmental noise and air pollution while ensuring the large displacement of liquid supply; and the equipment can respond quickly according to the load change to ensure the continuity and stability of liquid supply; at the same time， the equipment has the function of remote communication， and can realize the local unmanned operation through the remote mode.
Key Words： Liquid supply; Electric drive; Low noise; Zero Emission; Automatic control
供液設备是压裂井场的重要组成设备，在井场中，受制于液灌与压裂泵之间摆放距离较远、压裂液粘度较高等因素的影响，导致供液管阻较大，此外压裂泵自吸能力也有限，因而易导致供液不足，降低压裂泵作业效率。供液设备正是为解决该问题而配置的，它安装于液灌与压裂泵之间，以提高压裂泵前端的供液质量。
随着页岩气开发的不断深入，对于绿色开采和24h连续作业的要求越发急迫，同时对设备自动化程度也越来越高，以进一步解决人员供需矛盾。但现有的供液设备大多采用柴油发动机驱动，该设备存在作业噪音大、污染严重、自动化程度低、调节精度不高、维护保养工作量大等缺点。为解决上述问题，结合目前页岩气压裂装备电动化的发展趋势，特研制了一种新型的电驱自动供液设备。
1 产品分析
1.1 工作原理及组成
本设备（见图1）采用双吸单排结构，可根据井场布局灵活地摆放;采用全电力驱动，通过变频器+变频电机的直驱模式代替原有的柴油机驱动模式，结构简单紧凑。
工作时，由变频器驱动变频电机，拖动供液泵运行，将吸入管汇中的液体加压后供给压裂泵使用。通过管汇上装配的流量传感器、压力传感器等检测元件，系统能够实时监测自己的排出压力和排量，并传递至PLC控制系统。PLC控制系统再根据检测到的数据进行分析和计算，调节变频电机的运行状态，最终实现快速响应和精确控制。
通过工业以太网传输技术，设备可以与仪表车（指挥控制中心）进行远程数据传输，实现设备的远程监控和本地无人化作业。
按照功能区分，本设备可以分为：管汇系统、变频电驱系统、电气控制系统和液添系统。分别就其阐述如下。
（1）管汇系统。
管汇系统采用双吸单排的结构，由钢管和法兰焊接而成，用于从外部吸入和排出清水或酸液，接口均带蝶阀和由壬，方便现场管汇安装;同时配置电动隔膜泵，其上安装有耐酸软管，用于吸入液体添加剂，加入到离心泵的排出管汇中。 钢管采取内衬聚四氟乙烯的防腐处理，能适应泵送酸液的需要。排出管汇上设置流量传感器及压力传感器等检测仪器。
（2）变频电驱系统。
变频电驱系统主要由变频器和变频电机组成。变频器采用直接转矩控制模式，具有响应快、精度高的特点，能够对变频电机进行快速和精确的调节。变频电机采用IE3高能效等级电机，性能优异，节能效果显著。变频器与电气控制系统之间采用ETHERNET/IP协议进行通信，实现电气控制系统对变频电驱系统的实时控制。
（3）电气控制系统。
电气控制系统主要由PLC、HMI、传感器、继电器、接触器、切换开关等元件组成，通过HMI，可以实时显示设备的各种状态信息和施工数据，也能通过HMI输入指令，对设备进行实时操作。HMI根据指令和传感器返回的数据，通过特定算法对供液泵进行调节与控制，最终使供液质量满足施工作业要求。 电气控制系统包括三级控制模式，包括手动模式、自动模式和远程模式，能够满足不同使用场景的需求。
（4）液添系统。
液添系统由电动隔膜泵和吸入排出管路组成。通过隔膜泵将各种液体添加剂泵注至供液橇的排出管汇，以满足液体在压裂施工中的要求。隔膜泵采用防酸材质，最大排量245L/min。
1.2 主要技术参数
1.3 主要创新点
（1）采用变频电驱传动技术，本设备具有更高的响应速率和更广的速度调节范围，实现了供液泵的无级调节和瞬时响应，同时能够有效降低施工过程中的噪音，实现大气污染物零排放。
（2）基于压力闭环的自动控制技术，能够在施工过程中根据作业排量变化，快速调节供液泵转速，确保供液稳定，同时省去了传统供液设备中操作员频繁操作变档换挡机构的环节。
（3）本设备集成远程控制模式，能够在仪表车（指挥控制中心）对设备进行一键式操作，省去本地人员操作。
（4）采用电驱代替柴油机驱动，保养维护更加简单方便。
2 现场验证
本供液设备于2019年10月，在重庆焦页205平台进行了工业性试验，期间运行良好，供液稳定，调节迅速，其自动化程度能够有效代替施工过程人员操作，得到用户认可。随后在宜宾宁209HB、焦页204等多个平台进行现场作业，期间运行稳定，应用情况令用户满意。
3 结语
本设备相比传统供液设备具有节能环保、响应快、自动化调节精度高、一键式操作等优点，符合绿色节能的开采理念，契合井场设备电动化和自动化的发展趋势，适合在页岩气压裂平台推广应用。
参考文献
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