正負(fù)壓組合式干粉高效混配裝置設(shè)計(jì)和應(yīng)用

雷彪 陳江 侯林

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)正壓輸送供料裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物料切袋頻繁、浮化和運(yùn)輸勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷，設(shè)計(jì)了一種集正壓吹送和負(fù)壓吸送于一體的干粉高效混配裝置設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案既保留了傳統(tǒng)正壓吹送濃度高、輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，又具備了負(fù)壓吸送多點(diǎn)切換方便、供料裝置簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低和粉塵污染低的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合氣力輸送關(guān)鍵參數(shù)分析，對(duì)設(shè)備選型和管匯流程等進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并配備了PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)和除塵裝置。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的方案可實(shí)現(xiàn)多種干粉的高效混配，且滿足節(jié)能環(huán)保等要求。

關(guān)鍵詞：正負(fù)壓;干混;固井;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

水泥干混是指固井作業(yè)過程中所用的材料需要根據(jù)實(shí)際井況和相應(yīng)的固井工藝要求，在規(guī)定級(jí)別的水泥基料中混合使用其它材料或加入不同用途的干粉添加劑，以獲得高品質(zhì)的固井干粉料[1-2]。其目的在于提高或降低混漿密度、增強(qiáng)水泥漿抗高溫性能等，目前在陸地及海洋固井工藝中應(yīng)用頻繁[3，4，5]。

1、傳統(tǒng)正壓干混裝置存在的問題

干混作業(yè)是將不同密度、粒徑、不同包裝形式的干粉料按照設(shè)計(jì)配方層鋪、充氣初混拌、倒罐混拌、取樣化驗(yàn)合格后，充氣輸送到成品罐的工藝過程。

傳統(tǒng)正壓干混裝置的通常有固定式和撬裝移動(dòng)式兩種，核心設(shè)備是一至兩臺(tái)干灰切割罐。固定式多用在水泥干混站，為了降低加料平臺(tái)高度，一般采用地罐，如圖1（a）所示;撬裝移動(dòng)式，如圖1（b）所示，一般配備兩臺(tái)切割罐，罐頂部有加料漏斗和除塵裝置。兩種均采用人工從罐頂平臺(tái)切袋，重力加料的方式。袋裝散料一般采用人工搬運(yùn)或叉車舉升，勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染和浪費(fèi)較高，不易精確控制加量。由于重力加料后需要關(guān)閉閥門充壓輸送，所以在應(yīng)對(duì)多組分干粉料混配任務(wù)時(shí)的精度和效率均不理想。

2、正負(fù)壓組合式干混裝置原理及設(shè)計(jì)參數(shù)

物料被壓縮空氣流化后進(jìn)入輸送管道，氣流在壓差作用下沿管道流動(dòng)，并在摩擦力作用下對(duì)干粉顆粒產(chǎn)生拖曳進(jìn)行輸送。隨著距離的不斷增加，氣流、物料及管段相互摩擦產(chǎn)生能量損失，物料流態(tài)也產(chǎn)生變化。

2.1正壓輸送物料在管道內(nèi)的流態(tài)分析

散狀固體物料在氣力輸送管道內(nèi)的流動(dòng)是極其復(fù)雜的，每種物料都有其獨(dú)特的流動(dòng)特征。通過分析散狀固體物料在輸送管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可為正確選擇輸送參數(shù)和設(shè)計(jì)氣力輸送系統(tǒng)提供依據(jù)[19]流型受到表觀氣速、顆粒物性、管道尺寸等眾多因素影響，在密相輸送過程中，表觀氣速低、顆粒濃度高、流型復(fù)雜多變。在水平輸送管內(nèi)，可能出現(xiàn)的流型及其演變?nèi)鐖D3 所示[20]。

圖 3 中的流型隨氣速降低或固體質(zhì)量流量增加按順序出現(xiàn)，當(dāng)氣速較高時(shí)，固體顆粒能在管內(nèi)充分懸浮，管內(nèi)呈懸浮流[圖3（a）]，顆粒濃度在管內(nèi)分布較均勻;隨著氣速的降低，管內(nèi)部分顆粒無法懸浮，產(chǎn)生沉積分層現(xiàn)象，顆粒濃度分布不均，管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流動(dòng)，如分層流[圖3（b）]、沙丘流[圖3c）]、波狀流[圖3（d）];隨著氣速的進(jìn)一步降低，管內(nèi)可能出現(xiàn)栓流[圖3（e）、（f）]或栓塞流[圖3（g）]，甚至發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象[圖3（h）]，使輸送無法進(jìn)行。

2.2正負(fù)壓輸送原理分析

在氣力輸送系統(tǒng)中，通過對(duì)散狀固體物料和空氣在輸送管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析，可以了解物料和空氣在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而為氣力輸關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。氣力輸送裝置設(shè)計(jì)中要盡量縮短管道當(dāng)量長(zhǎng)度，并通過管徑、輸送壓力、助吹設(shè)計(jì)等選型使物料盡量在懸浮至疏密流狀態(tài)下輸送。由于干粉混配裝置需要應(yīng)對(duì)不同密度和粒徑的物料，而物料的懸浮速度隨著密度和粒徑上升急劇上升;所以考慮最大密度和粒徑的材料（如鐵礦粉等）的懸浮輸送將大大增加裝置的建造成本。但保證最大密度和粒徑的材料的可輸送性（不發(fā)生堵塞）是基本要求。

在某些正壓輸送系統(tǒng)中，常用負(fù)壓反抽式消堵技術(shù)來解決柱塞流狀態(tài)下的堵塞發(fā)生，但被動(dòng)消堵導(dǎo)致作業(yè)中斷，降低了裝置效率[25]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

截止目前該系統(tǒng)共進(jìn)行11次干混作業(yè)，合計(jì)67批次;干混配方從兩種到五種不等;設(shè)計(jì)密度從1.95到2.05不等;質(zhì)量控制合格率100%;實(shí)際傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)：正壓輸送效率：2 T/MIN;負(fù)壓抽吸效率：2.5 T/MIN;下文列舉2次較典型的干混作業(yè)質(zhì)控統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

3.1雙組份干混：

配方：100%質(zhì)量H級(jí)水泥，300目;35%硅粉，100目;

產(chǎn)量：18批次，每批次7765kg，共計(jì)139770kg;

水泥漿設(shè)計(jì)密度：1.95GR/CC;

生產(chǎn)日期：2017年6月25日;

3.2四組分干混：

配方：100%質(zhì)量H級(jí)水泥，300目;5%微硅，800目;30%100目硅粉;10%200目硅粉;

產(chǎn)量：每批次6.5T，共計(jì)15批次97.5T;

水泥漿設(shè)計(jì)密度：2.05GR/CC;

生產(chǎn)日期：2017年7月16日;

4、結(jié)論

常規(guī)正壓干混系統(tǒng)的原理、應(yīng)用及自動(dòng)化控制等技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)很成熟;負(fù)壓輸送在塑料、化工、醫(yī)藥、糧食工業(yè)也有十分廣泛的應(yīng)用;但多用于輕質(zhì)大顆粒光滑材料或流動(dòng)函數(shù)FF>10的粉料輸送;本文在水泥干混工藝中創(chuàng)新性的引入負(fù)壓輸送系統(tǒng)，并采用PLC對(duì)工藝管匯進(jìn)行集中控制，大幅節(jié)省了人力物力;配套除塵裝置后，實(shí)現(xiàn)了零排放;在此基礎(chǔ)上，對(duì)原料儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，采用底部漏斗下灰和氣蝶型流化裝置;原料罐、層鋪罐及工藝管匯內(nèi)部幾乎沒有材料殘余;在靈活的多點(diǎn)負(fù)壓取料基礎(chǔ)上，進(jìn)一步節(jié)約了每道工序間的清罐和掃線時(shí)間;混配精度及時(shí)效均大大優(yōu)于常規(guī)正壓干混站。第一套系統(tǒng)在墨西哥投產(chǎn)以來，多次獲得客戶的好評(píng)，提升了業(yè)主的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，是一次成功的嘗試與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張宏軍，楊亞新，林晶.高強(qiáng)超低密度水泥漿體系研究.鉆采工藝，2006，29（6）：107-110.

[2]Costa B L S，Julio C O，Dulce M A，et al.Evaluation of density influence on resistance to carbonation process in oil well cement slurries.Construction and Building Materials，2019，197：331-338

[3]王成文，王瑞和，步玉環(huán).深水固井水泥性能及水化機(jī)理.石油學(xué)報(bào)，2009，30（2）：280- 284.

[4]Zuo J L，Sun H S，Wu J G，et al.Study and application of ultra low density cementing technology for coalbed methane.Journal of China Coal Society，2012，37（12）：2076-2082.

[5]郭昭學(xué)，李早元，雷俊杰.國(guó)內(nèi)目前固井面臨的新問題及發(fā)展方向.鉆采工藝，2007，30（4）：38-41.

作者簡(jiǎn)介：

1、雷彪，男，1984年出生，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，中級(jí)設(shè)備工程師，2007年-2009年在中海油服油化事業(yè)部塘沽基地任設(shè)備工程師，2009年至2014年在中海油服油化事業(yè)部物資裝備部裝備管理崗任職。2014年至2015年在中海油服油化事業(yè)部墨西哥作業(yè)公司任岸基支持項(xiàng)目建造副經(jīng)理;2015年至今負(fù)責(zé)岸基支持項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理。