某平臺鉆井設(shè)備HPU液壓站制冷系統(tǒng)升級改造

吳蕾

摘要：某鉆井平臺在正常作業(yè)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)鉆井設(shè)備總HPU液壓站的液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度過高的情況，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)報(bào)警。鉆井平臺針對此問題進(jìn)行調(diào)研分析，利用清潔泵站本體制冷冷卻器、調(diào)整系統(tǒng)溢流閥壓力、調(diào)整液壓泵泵頭壓力、更換適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度的液壓油并補(bǔ)足油液等措施，但效果不明顯。針對該平臺的這套液壓系統(tǒng)，需要結(jié)合多方面因素及該套液壓系統(tǒng)的本身參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的液壓系統(tǒng)溫升，從而進(jìn)一步確定需要安裝的制冷系統(tǒng)的形式，制冷能力等參數(shù)。

關(guān)鍵詞：液壓站；液壓泵；液壓系統(tǒng)；發(fā)熱功率

DOI：10.12433/zgkjtz.20241252

一、綜述

某平臺將在科威特開展鉆井作業(yè)?？仆爻Ｄ昶骄鶞囟仍?0℃，夏季一般環(huán)境溫度為28～44℃，白天平均44℃，夜間平均28℃。最熱時(shí)，正午氣溫高達(dá)53.2℃，地表溫度達(dá)70℃。平臺在正常作業(yè)期間，液壓站會持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，一般情況是24h不停歇。鑒于這種情況，液壓系統(tǒng)發(fā)熱本身是必然趨勢，外界環(huán)境因素的影響導(dǎo)致泵站溫升加??；根據(jù)設(shè)備操作手冊的要求，該液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度不能超過45℃，設(shè)備在正常情況下使用 ISO/ASTM Viscosity Grade 46液壓油，該液壓油正常工作溫度范圍為-12～52℃。在國內(nèi)，該液壓系統(tǒng)可以正常工作，但無法滿足國外作業(yè)要求。因此，平臺增加了一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，用于強(qiáng)制性冷卻液壓系統(tǒng)。

二、液壓系統(tǒng)的概述

液壓系統(tǒng)可分為開路系統(tǒng)和閉路系統(tǒng)。鉆井平臺上90%的液壓系統(tǒng)均為開路系統(tǒng)，即所有液壓系統(tǒng)均配備了液壓油箱，以便油路循環(huán)，并保證大型機(jī)械設(shè)備都能正常供油，同時(shí)還保證了液壓系統(tǒng)有足夠的散熱，并保持工作穩(wěn)定。

三、鉆井設(shè)備HPU液壓站

鉆井平臺鉆井設(shè)備HPU液壓站的信息參數(shù)：

液壓站型號：HE100-4-150VHP-600G-AC

驅(qū)動電機(jī)：100HP TFEC Class 1 Div 1 防爆電機(jī)；100HP @ 1800 RPM（460/60/3）& 1500（380/50/3）

每臺液壓泵的最大理論量及工作壓力：70GPM @ 5000PSI

系統(tǒng)工作壓力：3000PSI

系統(tǒng)溢流閥設(shè)定壓力：3300PSI

液壓油箱容積：600 Gallon

冷卻系統(tǒng)：有四個(gè)液壓驅(qū)動風(fēng)扇及風(fēng)冷熱交換器

報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)：低油位報(bào)警，低油位液壓泵電機(jī)關(guān)斷，高溫報(bào)警（87℃），高溫液壓泵電機(jī)關(guān)斷（104℃）；在大多數(shù)情況下，HPU的理想操作溫度是48.89℃（120℉）。

液壓介質(zhì)：ISO/ASTM Viscosity Grade 46液壓油，使用環(huán)境溫度為-12～52℃，油液運(yùn)動粘滯度為6.9cSt @ 100℃，液壓油傾點(diǎn)為-30℃。

四、液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算

液壓泵的功率損失可根據(jù)公式（1）計(jì)算得出：

式（1）

單臺液壓泵參數(shù)（共四臺）：

液壓泵型號：PVG 150

單臺套理論最大流量：9.16 in3/r

額定輸出壓力：5000psi

瞬時(shí)壓力：5800psi

轉(zhuǎn)速1800rpm時(shí)的額定流量（吸入壓力穩(wěn)定在14.7psi）：238.5 l/min

最大轉(zhuǎn)速：2400 rpm

額定持續(xù)轉(zhuǎn)速在1800rpm時(shí)，電機(jī)的輸入功率：160.4 kW。

式（1）中，Tt為工作循環(huán)周期（S），設(shè)定液壓泵的一個(gè)工作循環(huán)β周期為60s；z為投入工作液壓泵的臺數(shù)，按照四臺液壓泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的額定負(fù)荷計(jì)算；Pri為液壓泵的輸入功率（W），每臺液壓泵電機(jī)輸入功率為160400w；ηPi為各臺液壓泵的總效率，每臺液壓泵的理論流量為70gpm（264.98Lpm），額定實(shí)際工作流量為63gpm（238.48Lpm），用實(shí)際流量比理論流量，可得泵的總效率為0.89；ti為第i臺泵工作時(shí)間（S），此處以一分鐘為單位，計(jì)算泵的發(fā)熱量。

通過以上參數(shù)，使用公式（1）計(jì)算得液壓泵的功率損失Ph1=70576w。

從得出的數(shù)據(jù)看出，同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)四臺液壓泵時(shí)，液壓系統(tǒng)的功率損耗很大，導(dǎo)致液壓油箱升溫更快，但如果減少泵的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量，由兩臺泵輪換著使用，則會大幅降低功率損失。也就是說，同時(shí)開四臺液壓泵，有效工作效率并不會比開兩臺液壓泵效率更高，因?yàn)楣β蕮p耗也大幅增加了，會導(dǎo)致能源的過度浪費(fèi)。

（一）液壓執(zhí)行元件的功率損失

式（2）

每個(gè)液壓缸執(zhí)行元件的輸入功率：

Prj=24681.156w；Ph2=9872.46w；溢流閥的功率損失Ph3=Pyqvy。

液壓系統(tǒng)的泵頭輸出壓力被調(diào)節(jié)為2800psi，比溢流閥的壓力低，可以認(rèn)為溢流閥無溢流，沒有功率損失。

因液壓泵輸出壓力為2800psi，經(jīng)過液壓管路的彎曲斷為局部阻力損失，經(jīng)過管線的直線段為沿程阻力損失。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值2800psi的輸出壓力，經(jīng)過管段閥塊后，壓力損失在300psi左右，約2068427.73Pa。

Qv為通過閥或管路的流量（m3.S-1）；qv=πr2v，因液壓系統(tǒng)壓力高，液壓油粘度小，但液壓管道較長，此處取5m/s較合適，管路內(nèi)徑為既定值，其通徑為2-1/2”，管線外徑為3.45”，不銹鋼管的管線壁厚為10mm，由此可得其內(nèi)徑為67.63mm。計(jì)算可得，qv=1077L/min。管路的功率損失為Ph4=37128.2778w，根據(jù)進(jìn)一步計(jì)算可得，Phr=117576.738w。

如果管路較長，用Phr=Ph1+Ph2+Ph3+Ph4計(jì)算發(fā)熱功率時(shí)，也應(yīng)考慮管路散熱。

Phc=（K1A1+K2A2） ΔT，其中，K1為油箱散熱系數(shù)；K2為管道散熱系數(shù)；A1、A2為油箱、管道的散熱面積（m2）；ΔT為油箱與環(huán)境溫度之差（℃）。

根據(jù)公式Phc=（K1A1+K2A2） ΔT計(jì)算油箱散熱，K1選擇17；K2選擇14；油箱的長、寬、高尺寸為3.048×1.172×1.079m，A1=16.252m2；

硬管外徑為3.45”，即87.63mm，硬管的長度為100m，A2=27.516m2；

ΔT為油箱與環(huán)境溫度之差（℃），最高環(huán)境溫度為53.2℃，油箱在科威特室外環(huán)境下正常工作溫度為87℃，ΔT=33.8℃。

根據(jù)計(jì)算可得，Phc=22358.97w.而液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率為117576.738w，數(shù)據(jù)相差懸殊，只靠油箱本身散熱已無法滿足使用要求。若達(dá)熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時(shí)最大溫差為：

環(huán)境溫度為T0，則油溫T=T0+ΔT。

冷卻器散熱面積，其中，K為冷卻器的散熱系數(shù)；Δtm為平均溫升（℃），。

（二）液壓系統(tǒng)散熱器

該液壓系統(tǒng)出廠時(shí)自行配置了四套小型散熱器。

散熱器型號參數(shù)：

廠家：HYDAC

型號：ELH 4 1.5 H22 S IBT 45 3

主液壓泵供給冷卻油泵流量：15 GPM

單個(gè)冷卻器降溫散熱功率：16HP（11931w） @15 GPM

根據(jù)廠家手冊可以確定，單臺冷卻器每分鐘最大散熱量為11931w，四臺散熱器同時(shí)工作時(shí)，最大散熱量為47724w，油箱自身散熱量為22359w，總共散熱量為70083w，液壓系統(tǒng)實(shí)際發(fā)熱量為117577w。由此可得，液壓系統(tǒng)存在嚴(yán)重的散熱不足的現(xiàn)象，需要在原有散熱器的基礎(chǔ)上增加額外的散熱系統(tǒng)，以滿足正常作業(yè)要求。

（三）新散熱器選型

考慮到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，此處優(yōu)先選擇PARKER的散熱器。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，擬選散熱器型號為LAC-078-8-B。

預(yù)估現(xiàn)場環(huán)境溫度及液壓站工作時(shí)的額定工作溫度，最高環(huán)境溫度為53.2℃，油箱在科威特室外環(huán)境下正常工作溫度為87℃，因此，ΔT=33.8℃。根據(jù)設(shè)備性能曲線圖可得，當(dāng)冷卻器循環(huán)液壓油流量達(dá)到最大400 l/min時(shí)，其KW/℃比值可選為1.7倍，最大散熱量為Pmax=57460w。根據(jù)以上計(jì)算得知，如果同時(shí)運(yùn)行新散熱器及液壓站自帶散熱器，其總散熱功率為P=127543w。

該液壓站在極端天氣情況下發(fā)熱量為117577w，小于127543w。因此，該設(shè)備選型設(shè)計(jì)滿足液壓站在極度高溫情況下的散熱要求。

五、結(jié)論

經(jīng)過鉆臺液壓系統(tǒng)的工作性能的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，最終選擇加裝獨(dú)立的散熱系統(tǒng)的方案，以達(dá)到降低系統(tǒng)溫度、維持正常作業(yè)的目的，通過對設(shè)備的選型及分析，確定新加裝的散熱器能夠滿足液壓站在極度高溫環(huán)境下正常散熱的工作要求，并保證液壓站在高溫環(huán)境下長時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

平時(shí)使用中，預(yù)防設(shè)備高溫的措施主要有：

一是制定定期檢測油溫計(jì)劃，通過觀察和觸摸油箱，實(shí)時(shí)監(jiān)測油溫變化。根據(jù)廠家手冊要求，定期更換液壓油。

二是及時(shí)拆卸、檢查和修理運(yùn)轉(zhuǎn)溫度異常的閥塊、泵或其他液壓系統(tǒng)附件。

三是如果檢查發(fā)現(xiàn)泄壓閥或流量閥運(yùn)行溫度異常，應(yīng)根據(jù)手冊要求，及時(shí)拆卸檢查閥塊并調(diào)整閥塊壓力流量設(shè)定值。

四是逐步更換新的閥塊等部件，因?yàn)樾铝慵牟牧蠠釢q效率不一致，當(dāng)溫度升高時(shí)，系統(tǒng)極易發(fā)生卡阻。

五是通過點(diǎn)動的形式讓管道內(nèi)的熱油逐步進(jìn)入低溫的泵或馬達(dá)中，然后停止觀察幾分鐘，直至熱油將溫度傳遞至泵體的所有零部件，使各個(gè)元部件溫度保持一致。重復(fù)以上步驟，直至泵體的外部溫度與管線的溫度一致。

六是保持設(shè)備清潔，設(shè)備表面如果積有較厚的油垢，會妨礙設(shè)備表面散熱。

七是當(dāng)外部環(huán)境溫度較高時(shí)，需要增加檢查油溫的頻率及更換液壓油的頻次。查閱設(shè)備手冊，使用適用于該環(huán)境溫度的油品。

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