液氮蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液氮蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的液體氮蒸發(fā)方式，液體氮泵分為直接式和非直接式。非直燃式液氮設(shè)備即熱回收式,系指蒸發(fā)器采用獨(dú)立的水蒸發(fā)系統(tǒng),利用臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和功率器(水剎車)產(chǎn)生的熱量,液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)的廢熱以及臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣熱量加熱蒸發(fā)液氮。而直燃式液氮設(shè)備用柴油燃燒產(chǎn)生的熱量來(lái)蒸發(fā)液氮。1液壓泵和水剎車液壓泵可以360K/400K液氮泵車為例,該非直燃式液氮設(shè)備由車載發(fā)動(dòng)機(jī)向液壓泵變速箱(靜水力變速箱)提供動(dòng)力,液壓泵和水剎車安裝在液壓泵變速箱上,三缸液氮柱塞泵的動(dòng)力來(lái)自兩個(gè)液壓泵。柴油機(jī)為這些液壓泵提供動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)幾個(gè)液壓功能單元,同時(shí)產(chǎn)生熱量,用以蒸發(fā)液氮,使之達(dá)到設(shè)備能力。小型非直燃式液氮設(shè)備,如90K、120K、180K液氮泵,比排量較大的,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,蒸發(fā)功能均取自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱。1.1兩組泵,組成泵,增加泵供量發(fā)動(dòng)機(jī)傳出動(dòng)力至靜水力變速箱,由變速箱的三個(gè)輸出端分別帶動(dòng)兩個(gè)主液壓油泵、一組雙聯(lián)油泵和一個(gè)單聯(lián)泵,兩個(gè)主液壓油泵共同驅(qū)動(dòng)三缸泵的液壓馬達(dá)帶動(dòng)其工作,雙聯(lián)泵中的一級(jí)泵驅(qū)動(dòng)冷卻劑泵馬達(dá)帶動(dòng)冷卻劑泵工作,二級(jí)泵驅(qū)動(dòng)增壓泵馬達(dá)帶動(dòng)增壓泵工作,同時(shí)也為主液壓泵的控制部分提供動(dòng)力。單聯(lián)泵為三缸泵的機(jī)油潤(rùn)滑泵。兩個(gè)水剎車分別安裝在兩個(gè)主液壓油泵上,用于給發(fā)動(dòng)機(jī)增加負(fù)載,以便產(chǎn)生更多的熱量,助其蒸發(fā)液氮。主液壓泵在操作臺(tái)上進(jìn)行控制,它由氮?dú)馀懦鱿到y(tǒng)中的超壓保護(hù)裝置和低溫保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)停泵。1.2、液氮g2和冷卻劑回路該液氮設(shè)備的蒸發(fā)系統(tǒng)主要為蒸發(fā)器,是一特殊設(shè)計(jì)的換熱器。由兩個(gè)布滿盤管束的腔體組成圓柱整體,液氮從盤管中流過(guò)。冷卻劑回路的液體灌滿這一腔體并在管束外流動(dòng),其壓力為80-150Psi。當(dāng)液氮(-320℉)通過(guò)管束循環(huán)時(shí),蒸發(fā)成為氣氮(GN2)。氣氮的溫度由液氮流量與入口冷卻劑的溫度和流量控制。冷卻劑回路的溫度由人工控制,以使對(duì)蒸發(fā)器的輸入穩(wěn)定在37℃-49℃(100℉-120℉)。1.3不同循環(huán)水處理對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的影響液氮蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)利用熱交換器使循環(huán)水與液氮蒸發(fā)水隔開,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液系統(tǒng)作為一個(gè)密閉單元來(lái)工作,即蒸發(fā)系統(tǒng)的循環(huán)水不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液系統(tǒng)的性能。三臺(tái)板式熱交換器和一臺(tái)排氣熱交換器都從各自的特定系統(tǒng)中回收系統(tǒng)熱量,用于液氮蒸發(fā)。板式熱交換器分別從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑、液壓油和三缸泵潤(rùn)滑油中回收熱量,排氣熱交換器從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管回收廢煙帶出的熱量。2u3000結(jié)論該型液氮設(shè)備動(dòng)力來(lái)自車載卡特匹勒CATC32發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)阿里森9806傳動(dòng)箱將動(dòng)力傳遞給高壓三缸柱塞液氮泵;臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵給增壓泵、直燃式蒸發(fā)器提供液壓動(dòng)力。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,類似于一體的小型壓裂混砂設(shè)備。2.1高壓雙向液氮泵傳動(dòng)箱傳動(dòng)箱的頂部和側(cè)部裝有動(dòng)力啟動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器風(fēng)扇的液壓泵由頂部動(dòng)力啟動(dòng)單元啟動(dòng)。側(cè)部動(dòng)力啟動(dòng)單元啟動(dòng)供給集成塊的液壓泵,該集成塊用于將此泵的輸出分配給三聯(lián)液氮泵潤(rùn)滑泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、三聯(lián)液氮泵剎車系統(tǒng)、開啟和關(guān)閉液氮排出閥的液壓執(zhí)行器及增壓泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。傳動(dòng)箱具有發(fā)動(dòng)機(jī)油門調(diào)節(jié)功能,為高壓三聯(lián)液氮泵在不同速度下的運(yùn)行提供必要的控制。泵提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)高壓泵的動(dòng)力端,該端將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔涠说耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)箱操作面板有7個(gè)擋位可供選擇,在傳動(dòng)箱閉鎖情況下,第一擋位為最低排量,第7擋位為最高排量。通過(guò)操作臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)油門對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速范圍1500-2100rpm)。2.2溫度對(duì)燃油的影響三缸泵排出的液氮經(jīng)過(guò)直燃式蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為15℃-21℃的氣體。變速箱齒輪擋位和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)合控制泵的轉(zhuǎn)速和三缸泵的排量。蒸發(fā)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動(dòng)匹配三缸泵排量,保持排放溫度為設(shè)定的溫度。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與燃油噴嘴相關(guān)聯(lián),風(fēng)扇未運(yùn)行,系統(tǒng)不會(huì)啟動(dòng)。柴油被噴進(jìn)蒸發(fā)器燃燒室,在壓力下充分霧化,隨后在被控制的條件下點(diǎn)燃以提供熱量。液壓控制的風(fēng)扇所產(chǎn)生的氣流促進(jìn)霧化燃油的燃燒,同時(shí)將火焰帶向含有液氮的盤管管束,在火焰和管束間形成一緩沖區(qū)。專門設(shè)計(jì)的燃燒室內(nèi)筒和燃油板允許高能風(fēng)扇輸送的空氣從燃燒室內(nèi)筒與外筒間流過(guò)并進(jìn)入蒸發(fā)器,與燃燒產(chǎn)生的氣體混合而將火焰熄滅,然后進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的液氮管束室,加熱管束中的液氮。3兩種液氮泵的性能比較3.1蒸發(fā)液氮的處理非直燃式液氮泵的特點(diǎn):液壓系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給三缸泵,靠發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的廢熱蒸發(fā)液氮;用于小排量裝置上效能較好,但用于大排量裝置上,效能變差。假設(shè)施工排量液氮250L/min(6157scfm),試計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率和蒸發(fā)液氮所需熱量,推算設(shè)備的基本配置。3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)功率3.1.1.1.柱塞泵的功率三缸柱塞泵輸出功率:N=k·P·Q=105×250/60=437.5kW;(k-單位換算系數(shù))3.1.1.液壓系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)部分功率n,設(shè)計(jì)柴油機(jī)額定功率:N額定;柴油機(jī)風(fēng)扇所消耗的功率:N風(fēng),按額定功率的5%計(jì)算;空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)等所消耗的功率:0.5%;潤(rùn)滑冷卻油泵等消耗的功率:0.2%;柴油機(jī)實(shí)際輸出功率:N輸出=N額定-N風(fēng)-N空-N潤(rùn)滑;靜水力變速箱傳動(dòng)效率:η變=95-98%;液壓系統(tǒng)功率;η液=60-70%;分動(dòng)箱的機(jī)械效率:η分=95-98%;動(dòng)力端輸入功率計(jì)算:N=N輸出×η變×η傳×η分×η液×η分三缸柱塞泵的機(jī)械效率:η三缸泵=95%;綜上所述:N額定=775kW3.1.2液氮蒸發(fā)效率3.1.2.氮?dú)廪D(zhuǎn)換量q假設(shè)從冷端排出的高壓液氮蒸發(fā)為氣氮的過(guò)程為定壓過(guò)程。計(jì)算液氮蒸發(fā)為氣氮吸收的熱量。以質(zhì)量為1kg、溫度為-196℃的氮?dú)鉃槔?相對(duì)于溫度20℃,溫差216℃。當(dāng)?shù)獨(dú)獾谋葻釣?.04kJ/(kg·K)時(shí),能量變化量為225kJ。由冷端排量Q=250L/min,氮?dú)廪D(zhuǎn)換量為1L=0.8083kg,冷端排量的質(zhì)量W=250×0.8083=202kg/min,計(jì)算得所需熱量為Φ=45450kJ/min;轉(zhuǎn)化為功率即P=2727000kJ/h×2.778×10-7kW·h=757.6kW3.1.2.發(fā)動(dòng)機(jī)余熱產(chǎn)生量蒸發(fā)系統(tǒng)將液氮蒸發(fā)氣氮需要的能量,主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻損失熱量功率、液壓系統(tǒng)損失、廢氣熱回收和水剎車產(chǎn)生的熱量。水剎車系統(tǒng)用于增加臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷而產(chǎn)生熱量,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)水夾套中的水將該熱量帶入蒸發(fā)器中,加之發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的熱量,引入發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡比例。若引入發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為Q,有效功熱當(dāng)量:Qe=Q,廢氣廢熱:Q×0.34×0.6;冷卻廢熱:Q×0.2×0.6;液壓廢熱:Q×0.6×0.4;水剎車產(chǎn)生熱量:Q×0.6×0.9;冷卻劑回路損失熱量0.12;計(jì)算得到:Q=789.2kW3.1.3非直燃式液氮蒸發(fā)裝置通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)的分析和液氮蒸發(fā)系統(tǒng)所需熱量,對(duì)車載發(fā)動(dòng)機(jī)選型和匹配。得知配置360000ft3/h的非直燃式液氮蒸發(fā)裝置,需要一臺(tái)約1050hp(馬力)的發(fā)動(dòng)機(jī),在提高施工能力的同時(shí),蒸發(fā)裝置在增大,需匹配更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。因此,設(shè)計(jì)壓力15000Psi氮?dú)馀帕看笥?60000ft3/h的經(jīng)濟(jì)高效的液氮蒸發(fā)裝置,并非易事。400000ft3/h的非直燃式液氮設(shè)備選型匹配,目前已相當(dāng)不易。3.2發(fā)動(dòng)機(jī)的能力直燃式液氮泵車通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)將CATC32發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功充分轉(zhuǎn)化為液氮的動(dòng)能;直燃式液氮蒸發(fā)器通過(guò)柴油燃燒的熱量充分蒸發(fā)液態(tài)氮,來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大排量、高壓力。3.2.1泵送液氮的氣量該設(shè)備在作業(yè)中,儲(chǔ)罐中的液氮經(jīng)由增壓泵加壓后進(jìn)入三缸泵的進(jìn)液管匯,缸泵吸入口的供給壓力為60psi,離心泵的排量大于提供840000scfh(14000scfm)氮?dú)膺B續(xù)排量所需的泵送液氮的排量。根據(jù)三缸泵動(dòng)力輸入功率725.6kW(1000hp)和連桿承受最大負(fù)荷,計(jì)算輸出排量和輸出最大壓力:據(jù)此,做出壓力與排量的曲線圖(Q按0.9容積效率計(jì)算)如圖1。3.2.2蒸發(fā)溶液氮與油耗的關(guān)系3.2.2.氮?dú)庑枰裼蛿?shù)量1升液氮蒸發(fā)為氮?dú)庑枰獰崃?225kJ/kg×0.8083kg=182kJ,1升液氮蒸發(fā)為氮?dú)庑枰裼蛿?shù)量:182kJ÷43961.4kJ/kg=0.004kg,(柴油的熱值:43961.4kJ/kg)。3.2.2.燃油正常使用(1)車載發(fā)動(dòng)機(jī)的消耗定額定額小時(shí)油耗(L/h)=裝機(jī)功率×3600s×功率利用率/(柴油熱燃值×0.85×有效熱率)=0.24×裝機(jī)功率×功率利用率柴油機(jī)的功率利用率為:30%~80%CATC32發(fā)動(dòng)機(jī)油耗:定額小時(shí)油耗(L/h)=0.24×裝機(jī)功率×功率利用率=0.24×870×0.50=104.4L(2)計(jì)算施工排量下需要的理論油料消耗施工排量為500L/min時(shí),所需油耗:3.3非直燃式液氮蒸發(fā)裝置通過(guò)上述兩種液氮泵性能對(duì)比分析可知,若大排量液氮蒸發(fā)裝置采用熱回收式蒸發(fā)系統(tǒng),需要采用更大的發(fā)動(dòng)機(jī)與液氮蒸發(fā)量匹配。一套在15000Psi壓力下氮?dú)馀帕繛?50000ft3/h的非直燃式液氮蒸發(fā)裝置需要一臺(tái)約3000hp(馬力)的發(fā)動(dòng)機(jī);設(shè)備體型過(guò)大,勢(shì)必增加整套裝置的重量和制造加工成本。而相對(duì)于15000Psi壓力下氮?dú)馀帕繛?00000ft3/h的直燃式液氮泵設(shè)備的成本,僅比一臺(tái)同壓力下排量為360000ft3/h的非直燃式裝置增加成本約40%。如果采用非直燃式裝置,需2套非直燃式裝置相當(dāng)于1套直燃式裝置。顯而易見,對(duì)于小排量的液氮裝置,非直燃式設(shè)備具有優(yōu)勢(shì);而大型液氮裝置,直燃式設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理,安裝緊湊,效能更佳。4墊、氣井液氮施工(1)為滿足施工工藝要求,基于氣井安全方面的考慮,長(zhǎng)慶油田加快了非直燃式液氮泵車的更新速度。非直燃式液氮設(shè)備已達(dá)7臺(tái),覆蓋了120K、180K、360K至400K排量,可從事氮?dú)鈿馀e排液誘噴、管線吹掃、試壓、氮?dú)庹?fù)壓射孔、氮?dú)鈮|測(cè)試、氣井液氮伴注壓裂、酸化等施工。(2)隨著國(guó)內(nèi)煤層氣田的開發(fā),在壓裂施工中,充填液氮可使壓裂液起泡,降低壓裂液濾失,提高造縫和攜砂能力以及降低液體密度,提高壓裂液返排的良好作用。液氮泵設(shè)備被投入應(yīng)用。目前,在大慶油田和煤2井中,液氮施工排量達(dá)到