全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鑫，張志強(qiáng)，田文朋，吳軍，郭軍

(1.三一重型能源裝備有限公司，北京102202;2.長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)

壓裂是油氣生產(chǎn)中不可缺少且行之有效的增產(chǎn)技術(shù)，超過70%的油氣井需要壓裂技術(shù)才能收到較好的開發(fā)效果。隨著復(fù)雜油氣藏、低滲透油田、煤層氣田的開發(fā)及近年來國家提出的頁巖氣開發(fā)等非常規(guī)壓裂的出現(xiàn)，對壓裂設(shè)備的要求越來越高。壓裂施工是一成套施工設(shè)備協(xié)同作業(yè)來完成的，包括壓裂車、混砂車、管匯車、儀表車等組成的壓裂機(jī)組，它向油氣井內(nèi)注入大量高壓流體使井底地層具有足夠大的填砂裂縫，以增加油氣的流動性，從而提高油氣開采率［1］。

目前，常見的壓裂車輸出功率為1.34 ～1.834 MW (1 800 ～2 500 馬力) ，均采用機(jī)械傳動方式。上車主要由發(fā)動機(jī)、液力傳動箱、液力變矩器(功率低的不需要) 、壓裂泵、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)等組成［2］。壓裂泵多采用五缸柱塞泵，其流量和壓力范圍覆蓋較小，且由于柱塞行程小而需要頻繁換向，導(dǎo)致易損件壽命較短。整個機(jī)械傳動的組成部件費(fèi)用昂貴，壓裂成本較高。針對以上主要弊端，公司大膽創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了全液壓傳動的新型壓裂車，用發(fā)動機(jī)聯(lián)接液壓泵直接驅(qū)動液壓油缸的傳動方式，輸送缸參照混凝土泵車的泵送方式。采用多臺發(fā)動機(jī)功率合流的形式，以及取消了機(jī)械傳動的一些大部件，可以大大降低制造成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。且混凝土泵車的泵送方式具有行程大、工作壓力可變、易損件壽命長等優(yōu)點(diǎn)，提高了作業(yè)質(zhì)量和效率。

對于該全液壓壓裂車，液壓系統(tǒng)尤其重要，決定著該設(shè)備能否有效無誤地實(shí)現(xiàn)作業(yè)。設(shè)計(jì)一種滿足全液壓壓裂車作業(yè)要求的液壓系統(tǒng)，并進(jìn)行關(guān)鍵元器件的參數(shù)計(jì)算及選型。

1 液壓系統(tǒng)功能要求分析

1.1 恒定供油壓力、足夠供油流量

190 油泵具有壓力切斷、恒功率和電控變排量功能，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力31.5 MPa 時，油泵的壓力切斷功能起作用，油泵的斜盤傾角變小，流量變小，使系統(tǒng)壓力降低至31.5 MPa 以下(油泵的這3種功能具有優(yōu)先級: 第一是壓力切斷; 第二是恒功率; 第三是電控變排量。也就是當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定壓力時壓力切斷先起作用，此時恒功率和電控變排量不起作用; 壓力在設(shè)定的壓力以內(nèi)時恒功率優(yōu)先于電控變排量，當(dāng)油泵進(jìn)入恒功率時，壓力上升排量降低，此時電控變排量不能控制油泵增加排量，但可以減小排量) 。

1.2 系統(tǒng)恒溫及保護(hù)

液壓系統(tǒng)油溫處于恒溫是由風(fēng)冷散熱器、油箱、管路散熱來保證的。當(dāng)散熱功率與產(chǎn)生熱量的功率相當(dāng)時系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，溫度不會再升高。當(dāng)溫度傳感器檢測到系統(tǒng)溫度超過設(shè)定的最高溫度(82 ℃)時，控制系統(tǒng)自動斷電，整個系統(tǒng)不能運(yùn)行，等溫度降低后可自動恢復(fù)。

1.3 意外斷電保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)意外斷電時，輸送缸需立即停止工作，主系統(tǒng)的電磁卸荷閥會將系統(tǒng)卸荷，防止系統(tǒng)壓力劇增。

1.4 壓力保護(hù)

壓力保護(hù)由油泵的壓力切斷功能和系統(tǒng)溢流閥功能來完成。

1.5 過濾精度要求

系統(tǒng)利用5 個回油過濾，避免液壓系統(tǒng)的雜質(zhì)進(jìn)入油箱，同時有5 個精度達(dá)到5 μm 的高壓油過濾器保證這個系統(tǒng)液壓油清潔度達(dá)到納氏9 級以上。

1.6 液位報警

液壓油箱裝有液位傳感器，當(dāng)油箱液位低于油箱有效高度的1/2 時，系統(tǒng)報警。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 確定液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)對液壓系統(tǒng)所要完成的功能分析，確定全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 壓裂車液壓系統(tǒng)原理圖

該壓裂車液壓系統(tǒng)采用多泵合流為主系統(tǒng)供油，可方便調(diào)整主系統(tǒng)的供油，提高整個系統(tǒng)的效率，并且在主油路上設(shè)置蓄能器，緩沖系統(tǒng)壓力沖擊和短時間充放油。采用電比例控制變量泵，在安全壓力范圍內(nèi)可主動控制系統(tǒng)的供油量，進(jìn)而可以主動控制壓裂泵的輸送壓力。大泵的排量較大，泵的吸油口和出油口處均不加吸油過濾器; 所有回油箱油路加吸油過濾器、風(fēng)扇泵高壓出口加精過濾器的方式保證液壓系統(tǒng)的清潔。在每個主油泵泄油回路上均安裝有高效風(fēng)冷散熱器，保證系統(tǒng)油溫不致過高，溫度過高時控制系統(tǒng)會自動斷電，使整個系統(tǒng)停止工作。雙聯(lián)泵送油缸采用自動雙退活塞技術(shù)，方便易損件的更換和維修。輸送缸可實(shí)現(xiàn)高低壓兩種方式的輸送，采用換向閥與單向閥配合完成兩種輸送方式的切換，保證了壓裂液的唯一輸送方向，滿足不同的工況要求。

2.2 確定液壓缸和液壓泵的參數(shù)

壓裂車屬非常規(guī)作業(yè)機(jī)械，作業(yè)工況變化較大，為滿足極限工況要求，將輸送缸的輸送壓力設(shè)定為140 MPa［2］，液壓系統(tǒng)的最高工作壓力設(shè)定為35 MPa。

(1) 確定液壓泵參數(shù)

車臺發(fā)動機(jī)為5 臺國三野發(fā)動機(jī)，功率為80 kW，轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。底盤發(fā)動機(jī)為1 臺國四日野發(fā)動機(jī)，功率為280 kW，轉(zhuǎn)速為900 r/min。發(fā)動機(jī)總功率為680 kW。

油泵采取串泵的型式，每臺發(fā)動機(jī)安裝2 個190串泵，底盤發(fā)動機(jī)上再串一個23 mL/r 齒輪泵，為油缸連通腔補(bǔ)油并給蓄能器充壓，做控制油源。

190 油泵最高工作壓力設(shè)為35 MPa; 齒輪泵最高工作壓力設(shè)為16 MPa。

經(jīng)計(jì)算［3］: 泵輸出流量為4 712 L/min，190 油泵恒功率點(diǎn)為20.3 MPa，齒輪泵流量為43.7 L/min，齒輪泵功率為1.7 kW。

(2) 確定輸送液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)

標(biāo)桿壓裂泵出口最高壓力為140 MPa; 最大流量為330 m3/h，分為3.5'、3.75'、4'、4.5'、5'、6'。

液壓系統(tǒng)最高壓力35 MPa，由此可以得出油缸無桿腔面積與輸送缸面積比為: S油缸無桿腔/S輸送缸=4。

由于油缸運(yùn)動的線速度不能太高，高壓組油缸缸徑、桿徑、行程設(shè)計(jì)為280、135、2 500 mm，輸送缸缸徑為140 mm (無桿腔工作) ; 中壓組油缸缸徑、桿徑、行程設(shè)計(jì)為280、135、2 500 mm，故輸送缸缸徑為200 mm; 低壓組油缸缸徑、桿徑、行程設(shè)計(jì)為280、135、2 500 mm，輸送缸缸徑為280 mm (有桿腔工作) 。

圖2 油缸壓力與流量的關(guān)系曲線

圖2 表示了此液壓式壓裂車和機(jī)械式壓裂車壓力與流量的關(guān)系，其中曲線1 表示機(jī)械式壓裂車的性能。雖然此全液壓壓裂車選用的3 種尺寸的油缸性能曲線不連續(xù)、且變化范圍有限，但在對應(yīng)的工況下更換柱塞，即可全部覆蓋機(jī)械式壓裂車整個壓力與流量范圍，且可節(jié)約成本。即設(shè)計(jì)的全液壓壓裂車滿足要求。

在此設(shè)計(jì)中考慮到要通過更換不同的輸送缸來實(shí)現(xiàn)不同壓力和流量要求，把油缸設(shè)計(jì)成同一種油缸，輸送缸設(shè)計(jì)成140、200、280 mm。可以在不拆卸油缸的情況下更換輸送缸，便于維護(hù)和用戶在不同油廠工作時的不同壓力流量需求。

3 液壓元件選型設(shè)計(jì)

3.1 主控制閥、連通閥

主控制閥采用三位四通滑閥，此滑閥通流能力要達(dá)到系統(tǒng)的最大流量。油缸有桿腔工作的時候，無桿腔液壓油流量較大。經(jīng)計(jì)算: 無桿腔連通采用2 個63 的插裝閥并聯(lián)，局部流速達(dá)到8.2 m/s; 有桿腔連通采用與無桿腔相同的連接方式。

3.2 電磁卸荷溢流閥

190 油泵自身帶有壓力切斷，電磁卸荷溢流閥只要滿足油泵在0 排量時的流量即可。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，190 油泵出廠時0 排量約設(shè)置在總排量的10%左右，故用32 通徑的電磁溢流閥即可。

3.3 190 油泵出口單向閥

在每一個190 的出口設(shè)一個單向閥，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［4］選取單向閥直徑

其中: d 為單向閥直徑，Q 為系統(tǒng)流量，v 為液壓油流速(按照經(jīng)驗(yàn)取20 m/s) 。經(jīng)計(jì)算需要25 通徑的單向閥。

3.4 高壓過濾器

高壓過濾器接在某一個油泵的出口，單個190 泵產(chǎn)生的最大流量為399 L/min。

選型號為DFBN/HC800F10B1.1/-B6 的壓油過濾器，其最大流量為800 L/min，最大工作壓力為42 MPa，完全滿足系統(tǒng)要求。

3.5 蓄能器

(1) 系統(tǒng)中的蓄能器

系統(tǒng)中換向需要蓄能器，按照蓄能器充壓經(jīng)驗(yàn)公式選取蓄能器:

式中: ΔV 為工作容積，m3;

p2為系統(tǒng)最高工作壓力，MPa;

p1為系統(tǒng)最低工作壓力，MPa;

n 為充壓過程指數(shù)，取0.85;

p0為蓄能器氮?dú)鈮毫?，MPa。

經(jīng)計(jì)算工作系統(tǒng)總流量為8.5 L/s，換向時間按0.1 s 計(jì)算，則蓄能器在0.1 s 內(nèi)需給系統(tǒng)補(bǔ)充的液壓油體積為7.85 L，蓄能器工作容積按ΔV =7.85 L 計(jì)算。把上述數(shù)據(jù)代入上式得V0為12.93 L。故選2 個10 L 的蓄能器。

(2) 吸收連通腔沖擊的蓄能器

為了吸收連通腔的脈沖，根據(jù)蓄能器經(jīng)驗(yàn)公式選取蓄能器。

根據(jù)蓄能器經(jīng)驗(yàn)公式得蓄能器容積:

式中: V0為所需蓄能器容積，m3;

p2為蓄能器最高工作壓力，MPa;

p1為蓄能器最低工作壓力，MPa;

Q 為系統(tǒng)流量，m3/s;

L 為管道長度，m;

t 為閥全開到全閉時間，s。

無桿腔工作時，有桿腔連通，經(jīng)計(jì)算此時需要蓄能器提供4.31 L 的流量; 有桿腔工作時，無桿腔連通，經(jīng)計(jì)算此時需要蓄能器提供12.5 L 的流量。故選10 L 的蓄能器，每組油缸用1 個蓄能器。

3.6 散熱器

根據(jù)熱量(能量) 平衡原理，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量［5］。

式中: Q 為換熱量，kW;

G熱為熱流體質(zhì)量流量，kg/s;

C熱為熱流體比熱容，J/(kg·℃) ;

t熱1、t熱2分別為熱流體進(jìn)、出口溫度，℃;

G冷為冷流體質(zhì)量流量，kg/s;

C冷為冷流體比熱容，J/(kg·℃) ;

t冷1、t冷2分別為熱流體進(jìn)、出口溫度，℃。

再根據(jù)質(zhì)量流量公式和傳熱公式:

式中: V 為體積流量，m/s;

ρ 為流體密度，kg/m3;

f 為通流面積，m2;

Q1為換熱量，kW;

F 為換熱面積，m2。

而平均溫差Δtm可由對數(shù)平均溫差公式計(jì)算得出:

其中: Δtmax為(t熱1－Δt冷2) 與(t熱2－Δt冷1) 兩者中之大值，Δtmin為(t熱1－Δt冷2) 與 (t熱2－Δt冷1) 兩者中之小值。

最后可得到散熱余量［6］:

正常工作壓力取25 MPa，此時油泵容積效率取為90%，經(jīng)計(jì)算油泵損失的功率為196.3 kW。系統(tǒng)壓力損失約為1.3 MPa，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)功率損失為1.9 kW。故需散熱器的散熱功率為288.2 kW，選300 kW的散熱器。

3.7 油箱容積計(jì)算

經(jīng)計(jì)算壓裂車液壓系統(tǒng)油泵總流量4 712 L/min，按照液壓油20 s 循環(huán)一次計(jì)算，即油泵工作20 s 時需要的液壓油體積約為1 570 L，取整后液壓油箱有效容積為1 600 L。

4 結(jié)論

通過合理設(shè)計(jì)及詳細(xì)計(jì)算，合理匹配發(fā)動機(jī)功率及各液壓件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)性能及整機(jī)性能參數(shù)最優(yōu)。通過拆分動力、液壓實(shí)現(xiàn)傳動、降低液力端單向閥開啟和關(guān)閉的次數(shù)，降低了成本，提高了易損件壽命。

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