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全液壓壓裂車液壓系統及作業(yè)能力分析

文檔作者：張志強楊搖鑫趙搖真郭搖磊吳搖軍文檔來源：三一重型能源裝備有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年07月20日
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全液壓壓裂車液壓系統及作業(yè)能力分析*
張志強,楊搖鑫, 趙搖真, 郭搖磊, 吳搖軍
(三一重型能源裝備有限公司,北京搖102202)
摘搖要:針對傳統機械傳動壓裂車存在的關鍵零部件被國外壟斷、成本高等問題,首次提出并設計了一種基于液壓傳
動的全液壓壓裂車。即通過發(fā)動機-液壓泵-液壓油缸-輸送缸實現傳動的方案。且為了更好地滿足當今油井對壓裂
車高壓力和大排量的要求,特設計了高、中、低壓三種輸送缸。這種全新的設計理念和樣機嘗試,為真正意義上實現壓
裂車國產化奠定了基礎。
關鍵詞:壓裂車;液壓;機械傳動;作業(yè)能力
中圖分類號:TE934搖搖搖搖搖搖文獻標志碼:A搖搖搖搖搖搖文章編號:1007-4414(2014)05-0132-03
Analysis of the Hydraulic System and Work Ability of Hydraulic Fracturing Truck
ZHANG Zhi-qiang, YANG Xin, ZHAO Zhen, GUO Lei, WU搖Jun (Sany Heavy Energy Sources Equipment Corporation, Beijing搖102202, China)
Abstract: Aiming at disadvantages of traditional mechanical transmission fracturing truck, such as the key parts monopolized
by foreign countries, and the high cost, a new type of fracturing truck based on hydraulic transmission is proposed and de鄄
signed firstly in this paper. That is, transmission is completed through engine-hydraulic pump-hydraulic cylinder-delivery
cylinder. And in order to meet the requirements of high pressure and large discharge of the fracturing truck, three kinds of de鄄
livery cylinder of high, medium and low pressure are designed respectively. Such new design concept and prototype really lay
the foundation of the localization of fracturing truck in China.
Key words: fracturing truck; hydraulic; mechanical transmission; work capacity
0搖引搖言
壓裂是油氣生產中不可缺少且行之有效的一種
增產技術,超過70% 的油氣井需要壓裂技術才能收
到較好的開發(fā)效果。壓裂施工是由壓裂車、混砂車、
管匯車、儀表車等成套設備組成。其中,壓裂車承擔
了最重要的任務,設備的好壞直接影響了油田的開
采。且隨著復雜油氣田、低滲透油田、煤層氣田的開
發(fā)以及近年來國家提出的頁巖氣開發(fā)等非常規(guī)壓裂
施工的出現,對壓裂車的要求越來越高。[1-2]
常見壓裂車輸出功率為1 490 ~ 1 860 kW,均采
用機械傳動方式,即上車主要由發(fā)動機、液力變矩器、
變速箱、壓裂泵、潤滑系統、冷卻系統和儀表及控制系
統組成。其中大功率發(fā)動機、液力變矩器加變速箱、
壓裂泵等關鍵零部件均被國外少數幾家企業(yè)壟斷,售
價高。據計算上述零部件成本占壓裂車總成本的
50%以上。因此,高成本、技術壟斷等一直制約著國
產壓裂車的發(fā)展。
三一重能首次提出了有別于以往機械傳動的新
傳動方式———全液壓傳動,即把大功率發(fā)動機拆分成
幾個常見的小功率發(fā)動機,發(fā)動機帶動多個液壓泵合
流之后驅動液壓缸和輸送缸,用輸送缸泵送壓裂液,
解決壓裂車成本高、技術長期被國外壟斷的問題。
1搖液壓系統設計
常規(guī)2500 型機械傳動壓裂車,其壓裂泵出口最
高壓力約為140 MPa 左右;最大流量約為330 m3 / h,
發(fā)動機功率為1 860 kW,且更大功率(2 205 kW 以
上)已成為壓裂車發(fā)展新趨勢。由此可見,如果要用
全液壓傳動代替機械傳動,液壓系統必須具備能夠滿
足作業(yè)要求的大功率(高壓、大流量)的能力。
整個系統按功能可分為三個部分:動力部分:發(fā)
動機提供所需功率;傳動部分:泵和閥控制油液的壓
力和流量;執(zhí)行機構:油缸和輸送缸。
1. 1搖液壓系統原理圖
根據上述壓裂車對液壓系統的要求,設計了全液
壓壓裂車,其液壓原理圖如圖1。
1. 2搖動力部分
傳統2500 型壓裂車壓裂泵輸出功率為1 860
kW,在不降低壓裂車功率的前提下設計全液壓壓裂
車,其發(fā)動機總功率也設計為1 980 kW(其中一部分
功率用于驅動散熱器等輔助液壓系統)。不同于傳
統壓裂車用一臺大功率發(fā)動機,此全液壓壓裂車共使
用6 臺常規(guī)發(fā)動機,其中包括一臺功率為280 kW 的
底盤發(fā)動機,5 臺安裝在上車功率為340 kW 的發(fā)動
機。可大大降低成本,使裝配國產發(fā)動機成為可能。
·132·
設計與制造搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖2014 年第5 期(第27 卷,總第133 期) ·機械研究與應用·
* 收稿日期:2014-07-21
作者簡介:張志強(1984-),男,河南周口人,工程師,主要從事壓裂設備方面的科研工作。
圖1搖壓裂車液壓系統原理圖
1. 3搖傳動部分
主油泵采取并聯合流形式,用12 個190 cc/ rev
柱塞泵合流可滿足為油缸提供所需液壓油。每個發(fā)
動機上串聯安裝2 個190 cc/ rev 主油泵和一個齒輪
泵。其中,底盤發(fā)動機串聯的齒輪泵為油缸連通腔換
向補油并給蓄能器充壓,做控制油源用。在每個主油
泵泄油回路上安裝高效風冷散熱器。通過臺上發(fā)動
機串聯的齒輪泵經風冷閥組后驅動散熱器馬達,為主
油泵泄漏和系統溢流的液壓油散熱?？刂朴鸵禾幱?
熱平衡狀態(tài),確保溫度不會升高[3] 。
主油泵的排量較大,泵的吸油口和出油口處均不
加過濾器。采用回油箱油路加裝過濾器、風扇泵高壓
出口加精過濾器的方式保證液壓系統清潔度[4-5] 。
1. 4搖執(zhí)行機構
在此設計中考慮到要通過切換不同的輸送缸來
實現不同壓力流量的要求,把油缸設計成同一種規(guī)
格,輸送缸設計成三種規(guī)格。故按照油缸缸徑、桿徑
優(yōu)選系列,油缸缸徑、桿徑、行程設計為280 mm、135
mm、3 000 mm,高、中、低輸送缸缸徑分別為140 mm、
200 mm、280 mm。采用換向閥和單向閥配合完成三
種輸送方式的自動切換。
2搖全液壓壓裂車作業(yè)能力計算
2. 1搖高壓工況
高壓工況下(僅用無桿腔工作),油缸運行的速
度、每分鐘的換向次數,壓裂車排量和壓力為:
v =Q濁
S (1)
式中:v 為油缸運行的線速度;Q 為主油泵額定流量;
S 為油缸有桿腔或者無桿腔的面積。由此可以計算
出高壓工況油缸無桿腔進油時的線速度為1. 2 m/ s。
V =Sh (2)
式中:V 為油缸的容積,h 為油缸的行程。由此可以
計算出油缸無桿腔的容積為184 L。
t1 = hv
(3)
式中:t1 為單個油缸走完一個行程需要的時間,由此
可以計算出單個行程運行時間為2. 43 s。
n = 60 t1 +t2 (4)
式中:n 為油缸每分鐘的換向次數;t2 為油缸換向間
隔需要的時間,在此處取0. 1 s,由此可以計算出高壓
工況油缸無桿腔運行一分鐘換向次數為23. 7 次/
min。
無桿腔工作時壓裂車最大排量,即液壓系統壓力
為16. 8 MPa 及以下,主油泵滿排量工作時:
V排=V輸送缸n (5)
式中:V排為壓裂車的排量;V輸送缸為輸送缸單個行程
的排量。由此可以計算出高壓組油缸無桿腔在沒有
達到恒功率點時最大排量為65. 84 m3 / h。
當液壓系統壓力大于主油泵恒功率設定壓力,其
排量會減小,流量會隨之改變:
Q泵=Q =p恒
p 100% (6)
式中:Q泵為液壓泵在恒功率點以上的流量;p恒為液壓
泵的恒功率點壓力,16. 8 MPa;p 為液壓泵的實際工
作壓力;當液壓系統最高壓力為35 MPa,輸送缸出口
壓力140 MPa,液壓泵排量只有在恒功率點排量的
48%,進而得出高壓油缸無桿腔進油工況最大工作壓
力工作時壓裂車排量為31. 6 m3 / h。
高壓組油缸無桿腔工作時參數如表1 所列。
表1搖高壓工況壓裂車工作參數表
油缸進油方式
體積
(L)
線速度
(m/ s)
單個行程運行
時間(s)
每分鐘換向
次數(次/ min)
最大排量
(m3 / h)
最高壓力時的
排量(m3 / h)
無桿腔進油184 1. 2 2. 43 23. 7 65. 8 31. 6
搖搖當高壓工況油缸在恒功率點和最高工作壓力之
間工作時的壓力和排量如表2 所列。
2. 2搖低壓工況
參照高壓組油缸計算方法,可以計算出低壓組油
·133·
·機械研究與應用·2014 年第5 期(第27 卷,總第133 期)搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖設計與制造
缸工作時(僅用無桿腔工作)的參數,如表3 所列。
表2搖高壓工況壓裂車壓力-排量表
液壓油壓力(MPa) 出口壓力(MPa) 排量(m3 / h) 液壓油壓力(MPa) 出口壓力(MPa) 排量(m3 / h)
35 140 31. 6 22 88 50. 3
31 124 35. 7 19 76 58. 2
27 108 40. 8 18. 3 73 60. 4
25 100 44. 2 16. 8 67 65. 8
表3搖低壓工況壓裂車工作參數表
油缸進油方式
體積
(L)
線速度
(m/ s)
單個行程運行時間
(s)
每分鐘換向次數
(次/ min)
最大排量
(m3 / h)
最高壓力時的排量
(m3 / h)
有桿腔進油142 1. 6 1. 8 30. 6 339. 1 162. 7
當低壓工況油缸有桿腔在恒功率點和最高工作壓力之間工作時的作業(yè)能力如表4 所列。
表4搖低壓工況油缸有桿腔工作時壓力-流量表
液壓油壓力
(MPa)
出口壓力
(MPa)
排量
(m3 / h)
液壓油壓力
(MPa)
出口壓力
(MPa)
排量
(m3 / h)
35 27 162. 7 22 17 257. 7
31 24 182 19 15 292. 1
27 21 207. 9 18 14 313
25 19 229. 7 16. 8 12. 9 339. 1
2. 3搖中壓工況
參照高壓組油缸計算方法,可以計算出中壓組油
缸功能工作時(無桿腔工作和有桿腔工作)的參數如
表5 所列。
表5搖中壓工況壓裂車工作參數表
油缸進油方式
體積
(L)
線速度
(m/ s)
單個行程運行時間
(s)
每分鐘換向次數
(次/ min)
最大排量
(m3 / h)
最高壓力時的排量
(m3 / h))
無桿腔進油184 1. 2 2. 4 23. 7 134. 4 65
有桿腔進油142 1. 6 1. 8 30. 6 173 83
搖搖當中壓工況油缸無桿腔在恒功率點和最高工作
壓力之間工作時作業(yè)能力如表6 所列。
表6搖中壓工況油缸無桿腔工作時壓力-流量表
液壓油壓力
(MPa)
出口壓力
(MPa)
排量
(m3 / h)
35 68. 6 64. 5
31 62 71. 4
27 53 83. 6
25 49 90. 3
22 43. 1 102. 6
19 37. 2 118. 8
18. 3 35. 2 125. 4
16. 8 32. 9 134. 4
當中壓工況油缸有桿腔在恒功率點和最高工作
壓力之間工作時作業(yè)能力如表7 所列。
表7搖中壓工況油缸有桿腔工作時壓力-流量表
液壓油壓力
(MPa)
出口壓力
(MPa)
排量
(m3 / h)
35 52. 7 83
31 46. 6 89. 1
27 40. 6 107. 6
25 37. 6 116. 2
22 33. 1 132. 1
19 28. 6 152. 9
18. 3 27. 1 161. 4
16. 8 25. 3 172. 9
·134·
設計與制造搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖2014 年第5 期(第27 卷,總第133 期) ·機械研究與應用·
根據計算結果把高壓組無桿腔、中壓組無桿腔、
中壓組有桿腔、低壓組有桿腔和機械式壓裂泵五種工
作形式繪成壓力-排量曲線,如圖2,其中橫坐標代表
壓力MPa,縱坐標代表流量L/ min。
由壓力、流量曲線可以看出,全液壓壓裂車的作
業(yè)能力,即壓力和排量曲線和傳統機械傳動壓裂車的
作業(yè)性能相同。主油泵的恒功率控制與發(fā)動機功率
得到了良好的匹配,使得發(fā)動機在工作中處于最佳的
功率油耗比狀態(tài)。
圖2搖五種不同工況下壓裂車壓力-排量曲線
3搖結搖語
對比機械傳統壓裂車,液壓傳動式具有以下優(yōu)點。
(1) 從作業(yè)能力(壓力和排量)方面考慮,全液
壓壓裂車的作業(yè)能力與傳動機械式壓裂車的作業(yè)能
力相同,可以滿足油井對高壓、大流量的需求。
(2) 從成本方面考慮,打破了長久以來大功率發(fā)
動機、液力變速箱和壓裂泵等機械傳動壓裂車用核心
零部件國外壟斷的現狀,使昂貴的壓裂車成本明顯下
降,使裝配國產件成為可能。
搖搖(3) 從燃油經濟性方面考慮,液壓傳動較機械傳
動的一個明顯優(yōu)勢是可以更好地適應發(fā)動機功率
(恒功率控制),大幅度提高效率,減少燃油消耗,降
低運營成本。
(4) 從維護方面考慮,傳動機械式壓裂車關鍵零
部件集成性較高、體積重量較大,施工現場拆卸維修
困難,必須到專業(yè)大修廠維修,費時費力,延誤工期。
而全液壓壓裂車,其關鍵零部件體積較小,現場維修
更換較方便。
(5) 油井對壓裂設備的要求越來越高,大功率已
成為發(fā)展趨勢。然而要想在傳動機械壓裂車上實現
大功率,就需要在已經很龐大大、很復雜發(fā)動機和液
力變速箱上進行改進升級,這無疑會增加開發(fā)難度,
阻礙壓裂設備的發(fā)展。而借鑒全液壓的功率合流和
切換輸送缸思想,就可以開發(fā)出更大功率壓裂車。
全液壓壓裂車也有不足,該液壓系統較復雜,泵
和管路數量較多,裝配過程復雜,排故困難。
全液壓壓裂車是三一重首次提出并設計的全新
理念的壓裂車,具體的壓裂性能和液壓系統設計合理
性還需要進一步通過試驗和現場作業(yè)驗證,但這種液
壓傳動方式值得探討和思考。
參考文獻:
[1]搖張小平. 壓裂設備的發(fā)展現狀與展望[J]. 石油天然氣學報,
2008(10):364-366.
[2]搖曹兆麒. 2000 型壓裂車組在油田開發(fā)中的應用[J]. 石油地質與
工程,2008(9):106-107.
[3]搖于海軍. 一種新型壓裂車冷卻系統的設計與維護技術[J]. 石油
天然氣學報,2012(9):159-160.
[4]搖周士昌. 液壓系統設計圖集[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2008.
[5]搖李壯云. 液壓元件與系統[M]. 北京:高等教育出版社,2012.
·135·
·機械研究與應用·2014 年第5 期(第27 卷,總第133 期)搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖搖設計與制造

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