楊保良，陳和平

（川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司機(jī)電工程公司，四川遂寧 629000）

0 引言

試修放噴排液、測(cè)試施工是試修作業(yè)不可缺少的環(huán)節(jié)。放噴排液、測(cè)試過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)（幾小時(shí)或幾天不等），放噴口會(huì)排出天然氣（有的井含硫），為保證安全，必需點(diǎn)火燃燒。傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式有油盆和魔術(shù)彈點(diǎn)火、高能電子自動(dòng)點(diǎn)火裝置，三種方式均存在較多缺陷和安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究原因

（1）油盆和魔術(shù)彈兩種方式存在較多缺陷和安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鉆井過(guò)程中目前使用的高能電子自動(dòng)點(diǎn)火裝置不適合試修放噴排液、測(cè)試工藝過(guò)程中點(diǎn)火的原因：①該裝置是鉆井過(guò)程用于應(yīng)急點(diǎn)燃天然氣的裝置；②不適合試修排液測(cè)試過(guò)程多頻次、適時(shí)點(diǎn)火，電子點(diǎn)火放電針長(zhǎng)期處于燃燒的放噴火焰2000 ℃高溫中，腐蝕嚴(yán)重，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間高頻次點(diǎn)火時(shí)點(diǎn)火針難以可靠點(diǎn)燃放噴的天然氣體。同時(shí)，該裝置僅靠高壓脈沖放電點(diǎn)火，在放噴火焰因燃?xì)鉂舛鹊陀谌紵刀纾c(diǎn)火針會(huì)自動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間放電點(diǎn)火，對(duì)高能變壓器及控制保護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)載，從而使其可靠性大幅下降；③該裝置安裝在燃燒筒上部，在天然氣長(zhǎng)時(shí)間燃燒產(chǎn)生的高溫炙烤下，易燒壞；④安裝難、煩，價(jià)格昂貴。

（3）放噴初期，特別是酸化后排液初期點(diǎn)火口有CO2氣體排出，點(diǎn)火不易燃，且點(diǎn)燃后中途可能會(huì)熄滅，需適時(shí)點(diǎn)火。點(diǎn)火裝置需具備連續(xù)（提供長(zhǎng)明火）、多次、適時(shí)能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的功能。

（4）每天幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)、上百萬(wàn)方的天然氣燃燒會(huì)產(chǎn)生高溫和熱輻射，直接置于點(diǎn)火口的點(diǎn)火裝置極易燒壞。點(diǎn)火裝置需具備耐高溫、防直接置于火口燒壞的功能。

（5）排液時(shí)可能遇大雨、大風(fēng)，酸化后排液初期點(diǎn)火口有酸霧等影響點(diǎn)火的因素。點(diǎn)火裝置需具備防雨、防風(fēng)、防腐蝕的功能。

基于以上原因分析：急需研究一種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐用、方便、操作穩(wěn)定的新型點(diǎn)火裝置。

2 研究目標(biāo)

針對(duì)現(xiàn)有點(diǎn)火裝置存在的上述缺陷，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)放噴實(shí)際工況，研制的點(diǎn)火裝置中點(diǎn)火燃燒器耐高溫、防腐蝕、長(zhǎng)時(shí)間提供火源、多頻次適時(shí)點(diǎn)火的可靠性是其主要的研究目標(biāo)。

3 研究主要內(nèi)容

（1）研制長(zhǎng)明火小火頭燃燒器，提供長(zhǎng)明火源、防風(fēng)雨熄滅火焰、不易燒壞。小火頭燃燒器作為放噴火焰（大火頭）的引燃裝置，保證4～5 h 長(zhǎng)明火提供，且防風(fēng)防雨。采用小火頭燃燒器加防風(fēng)防雨罩，自移動(dòng)機(jī)構(gòu)與小火頭燃燒器一并移出已被點(diǎn)燃的放噴大火焰，延長(zhǎng)其使用壽命和提高點(diǎn)火的可靠性。

（2）研究小火頭點(diǎn)火針點(diǎn)火的可靠性、耐高溫、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命。通過(guò)采用高性能點(diǎn)火針、控制小火頭的燃燒火焰的大小及點(diǎn)火方向，使其避免長(zhǎng)時(shí)間受放噴火焰高溫?zé)g，提高其點(diǎn)燃小火頭的可靠性。

（3）研究電源的供電問(wèn)題。電源采用AC 220 V 或AC 380 V，可就近井場(chǎng)電源供電。整個(gè)裝置的功率控制在3～5 kW 以?xún)?nèi)，若考慮供電可靠性，需加裝5 kW·h 的逆變電源及蓄電池，容量較大，成本較高且裝置重量增加約20～50 kg。也可采用單臺(tái)5～8 kW 小發(fā)電機(jī)作為備用電源。主選采用AC 220 V 或AC 380 V 電源，可就井場(chǎng)電源供電。

（4）主控單元研制。采用西門(mén)子PLC 控制燃油泵、空氣壓縮泵及電磁閥，同時(shí)控制電子點(diǎn)火發(fā)生器、自移動(dòng)機(jī)構(gòu)、電子火焰監(jiān)控儀等。

（5）油箱及空壓裝置研制。油箱采用不銹鋼材質(zhì)，油泵功率50～150 W，空氣壓縮機(jī)采用100～300 W 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（6）自移動(dòng)裝置研制。功率1～2 kW 步進(jìn)電機(jī)，采用滾動(dòng)絲杠將點(diǎn)火裝置作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)點(diǎn)火，點(diǎn)火完成移出高溫大火區(qū)。（7）解決耐高溫油管、氣管及耐火電纜問(wèn)題。

4 研究技術(shù)指標(biāo)

4.1 點(diǎn)火裝置主要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能（圖1）

圖1 點(diǎn)火裝置主要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能

4.2 裝置技術(shù)要求

4.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

裝置整體配置功率≤5 kW；雙電源：電源電壓AC 220 V/380 V 50 Hz 交流電源與逆變電源或8 kW 微型發(fā)電機(jī)組；適應(yīng)燃料：燃?xì)狻⑤p油、重油；點(diǎn)火頭瞬時(shí)耐溫1300 ℃；點(diǎn)火頻次6～12 次/s；火花能量6～12 J；自移動(dòng)裝置：行程范圍3～6 m。

4.2.2 基本參數(shù)

點(diǎn)燃介質(zhì)：放噴天然氣；引燃介質(zhì)：柴油；助燃介質(zhì)：壓縮空氣0.3～0.8 MPa；點(diǎn)火方式：不銹鋼火焰?zhèn)鬏斠迹ㄩg接點(diǎn)火）；燃燒器種類(lèi)：柴油霧化壓縮空氣助燃；油箱容積：15～20 L；耗油量：≤6 L/h（在壓縮空氣為0.2～0.3 MPa 時(shí)）；控制系統(tǒng)PLC：西門(mén)子S7-200；使用環(huán)境：雨雪冰凍、高溫強(qiáng)腐蝕等惡劣自然環(huán)境能可靠運(yùn)行。

5 智能點(diǎn)火裝置配置

（1）主控制單元。西門(mén)子PLC S7-200 CPU226XP，I/O 點(diǎn)數(shù)：32；功能：可編程邏輯控制器；工作電壓：AC 220 V；輸出頻率：100 Hz；處理速度：0.21 μs；程序容量：64 G；數(shù)據(jù)容量：64 G。

（2）遙控裝置。紅外遙控接收模塊，紅外遙控器。

（3）逆變單元。蓄電池組：電瓶DC 24 V 100 A·h，僅可持續(xù)續(xù)供電30 min，體積較大，重量23 kg。逆變充電器：6 kVA 逆變器轉(zhuǎn)換效率89%；頻率50 Hz/60 Hz，輸出電壓220 V±2%；輸入電壓48 V，重量24.5 kg；體積較大，重量較重。

（4）備用發(fā)電機(jī)組。功率8 kW，輸出220 V，汽油機(jī)重量：87 kg。

（5）不銹鋼柴油箱。容積15～20 L；燃油泵型號(hào)LY86BAC220V；額定壓力0.5 MPa；排量1750 mL/min；AC 220 V 120 W；重量2 kg。

（6）空氣壓縮機(jī)。型號(hào)：HM550；名稱(chēng)：無(wú)油壓縮機(jī)主機(jī)；功率：300 W；最大壓力：0.8 MPa；最大排氣量：116 L/min；安裝尺寸：22.3×8.89 cm；外觀尺寸：25×12×21 cm；重量：9 kg。

（7）火焰探測(cè)儀、報(bào)警燈及高能發(fā)生器。報(bào)警燈：AC 220 V，30 W?；鹧婕t外探測(cè)儀工作電壓：DC 24 V（允許范圍：DC 18～30 V）。工作電流：監(jiān)視≤25 mA，報(bào)警≤35 mA（繼電器型）。視角范圍：120°。靈敏度等級(jí)：1～5 級(jí)可調(diào)。探測(cè)距離：≤60 m（UV&IR2/IR2/IR3）；≤45 m（UV）。繼電器型，火警繼電器，常開(kāi)觸點(diǎn)輸出，2 A DC 30 V。故障繼電器，常閉觸點(diǎn)輸出，2 A DC 30 V。工作溫度：0～50 ℃；工作濕度：0～95%RH；儲(chǔ)存溫度：-40 ℃～85 ℃防爆等級(jí)：EXdⅡCT6（防爆型）防護(hù)等級(jí)：IP66。重量：3 kg。殼體材料：鋁合金，表面烤漆防護(hù)處理。高能發(fā)生器：電源電壓：220 V±10% 50/60 Hz；適應(yīng)燃料：輕油、重油、燃?xì)猓稽c(diǎn)火頻率6～12 次/s；火花能量：12 J。

（8）燃燒噴射器。噴嘴：柴油；G1/8，氣壓0.3 MPa，油壓0.2 MPa，流量20 L/min。點(diǎn)火桿：點(diǎn)火桿發(fā)火端耐高溫1300 ℃，材質(zhì)2520；點(diǎn)火棒使用壽命20 萬(wàn)次，點(diǎn)火桿直徑常用Ф12、Ф14、Ф16、Ф18 四種規(guī)格，點(diǎn)火桿的長(zhǎng)度（80 mm～16 m 可定制）。霧化油槍?zhuān)耗透邷赜凸芗半娎|：高溫油管Ф8，合金撓性管，純鎳防火耐溫500 ℃耐火高溫電線(xiàn)玻纖編織云母繞包0.75/1.2/1.5/2/6 白色6 m2，長(zhǎng)度40 m。

（9）點(diǎn)火移動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用高溫同步電機(jī)將點(diǎn)火桿旋轉(zhuǎn)0～900°內(nèi)任意角度，通過(guò)設(shè)置將點(diǎn)火桿移至放噴管線(xiàn)口，大火點(diǎn)燃后將點(diǎn)火桿移至低溫區(qū)，保證裝置的安全。有效行程4000～7000 mm，負(fù)載能力1～25 kg，定位精度±0.1 mm（行程1 m 以?xún)?nèi)的精度），最高速度3000 mm/s（加減速時(shí)間0.2 s）。因翻轉(zhuǎn)件存在壽命和可靠性問(wèn)題，建議采用旋轉(zhuǎn)平移機(jī)構(gòu)。

（10）其他構(gòu)件及附件：控制箱、撬裝構(gòu)件、普通電纜管線(xiàn)、安裝附件等，不銹鋼材質(zhì)。

6 點(diǎn)火控制原理

（1）自動(dòng)：按動(dòng)點(diǎn)火按鈕（或遙控器點(diǎn)火）→啟動(dòng)燃油泵同時(shí)啟動(dòng)空壓機(jī)→點(diǎn)火槍噴嘴霧化噴油→電子點(diǎn)火自動(dòng)打火→引燃霧化柴油→移動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)前移至放噴管口→點(diǎn)燃放噴火焰→點(diǎn)火槍火焰自動(dòng)降壓保持明火→移動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回明火待命→放噴火焰熄滅→火焰檢測(cè)信息反饋→移動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)前移→空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)增壓→點(diǎn)火噴嘴自動(dòng)噴油點(diǎn)燃放噴火焰。

（2）手動(dòng)：?jiǎn)?dòng)燃油泵→啟動(dòng)空壓機(jī)→按動(dòng)點(diǎn)火按鈕→點(diǎn)火槍霧化柴油點(diǎn)燃明火→按動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)前移→點(diǎn)燃放噴管口火焰→停止空壓機(jī)→按動(dòng)后移按鈕→點(diǎn)火槍返回保持長(zhǎng)明火待命。

7 現(xiàn)場(chǎng)布置圖（圖2）

圖2 現(xiàn)場(chǎng)布置

8 結(jié)束語(yǔ)

該裝置點(diǎn)火槍采用柴油霧化燃燒明火，直觀可靠?？稍O(shè)計(jì)防風(fēng)護(hù)罩，抗風(fēng)耐寒防雨，柴油在低壓油泵工作時(shí)可保持長(zhǎng)時(shí)間低壓燃燒。點(diǎn)火槍避免了長(zhǎng)期置于防噴器火焰高溫腐蝕中，槍內(nèi)噴嘴、油氣管線(xiàn)、點(diǎn)火電極的使用壽命顯著提高。該裝置的點(diǎn)火槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，保證點(diǎn)火槍準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)火位置。