全液压压裂车液压系统设计.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3 卷 第 1 6 期 机床与液压 MACHI NB TO0L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 2 4 全液压压裂车液压 系统设计 杨鑫 ，张志强 ，田文朋 ，吴军 ，郭军 1 ．三一重型能源装备有限公 司，北京 1 0 2 2 0 2 ； 2 ．长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西西安 7 1 0 0 6 4 摘要针对传统的机械式压裂车寿命短和成本高的缺点，设计出一种基于液压传动的全液压压裂车，即采用发动机一 液压泵一 液压油缸一 增压缸的液压传动方案。根据车辆工况需求，对液压系统进行了参数匹配计算及元器件选型。采用多台 发动机功率合流的形式以及取消机械传动的一些大部件 ，可以大大降低制造成本，具有明显的经济效益。 关键词全液压压裂车；液压系统；参数计算；元件选型 中图分类号T E 9 3 8 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 6 - 0 7 4 - 4 De s i g n o f Hy dr a u l i c Sy s t e m Fo r Hy d r a ul i c Fr a c t ur i n g Tr u c k YAN G Xi n ，Z HANG Z h i q i a n g ，T I AN We n p e n g ，WU J u n ，GUO J u n 1 ． S a n y He a v y E n e r g y E q u i p me n t C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 2 2 0 2 ，C h i n a ；2 ．R o a d Ma i n t e n a n c e E q u i p me n t N a t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y ， C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s e t t l e t h e s h o r t c o mi n g s o f s h o r t l i f e s p a n a n d h i g h c o s t o f t r a d i t i o n al me c h a n i c a l f r a c t u r i n g t r u c k ，h y d r a uli c f r a c t u r i n g t ruc k b a s e d o n h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n W as d e s i g n e d ． Th e h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n s c h e me wa s e n g i n e h y d r a u l i c p u mp h y d r a u l i c c y l i n d e r p r e s s u r e c y l i n d e r ． T h e p a r a me t e r ma t c h i n g o f t h e h y d r a uli c s y s t e m a n d c o mp o n e n t s s e l e c t i o n we r e c a r r i e d o u t a c c o r d i n g t o t h e w o r k i n g d e m a n d s ． U s i n g t h e c o m b i n a t i o n o f s e v e r a l e n gi n e s a n d c a n c e l i n g s o me b i g m e c h ani c a l t r ans m i s s i o n p a r t s ， t h e m a n u f a c t u r i n g c o s t c a n b e g r e a t l y r e d u c e d wh i c h o b v i o u s e c o n o mi c b e n e f i t i s b r o u g h t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c f r a c t u r i n g t r u c k；Hy d r a u l i c s y s t e m ；P a r a me t e r c alc u l a t i o n；C o mp o n e n t s s e l e c t i o n 压裂是油气生产 中不可缺少且行之有效 的增产技 术 ．超过 7 0 ％的 油气井 需要 压 裂技 术才 能收 到较 好 的开发效果。随着复杂油气藏、低渗透油田、煤层气 田的开发及近年来国家提出的页岩气开发等非常规压 裂的出现 ．对压裂设备的要求越来越高。压裂施工是 一 成套施工设备协 同作业来完成的 ，包括 压裂车 、混 砂车、管汇车、仪表车等组成的压裂机组 ，它向油气 井内注人大量高压流体使井底地层具有足够大的填砂 裂缝 ．以增 加 油 气 的 流 动 性 ，从 而 提 高 油 气 开 采 率 。 目前 ，常 见 的 压 裂 车 输 出功 率 为 1 ． 3 4～1 ． 8 3 4 M W 1 8 0 0 ～ 2 5 0 0马力 。均采用机械传动方式 。上 车主要 由发 动机 、液力 传 动箱 、液力 变矩 器 功率 低的不需要 、压裂泵、燃油系统、润滑系统、仪表 及 控制 系统 等组成 [ 。压裂泵多采用五缸柱塞泵 ，其 流量和压力范围覆 盖较小 ，且 由于柱塞行程小而需要 频繁换向，导致易损件寿命较短。整个机械传动的组 成部件费 用 昂贵 ，压裂 成 本较 高。针 对 以上 主要 弊 端 ．公司大胆 创新 ．设 计 了全 液压 传 动 的新 型压 裂 车 ，用发动机联接液压泵直接驱动液压 油缸 的传动方 式 ，输送缸参照混凝土泵车的泵送方式 。采用多 台发 动机功率合流 的形式 ．以及取消了机械传 动的一些大 部件 ，可以大大降低制造成本 ，具有 明显的经济效 益。且混凝土泵车 的泵送方式具有行程大 、工作压力 可变 、易损 件 寿命 长 等 优 点 ．提 高 了作 业 质 量 和 效率。 对于该全液压压裂车。液压系统尤其重要 ，决定 着该设 备能否有效无误地实现作业 。设 计一种满足全 液压压裂车作业要求 的液压 系统 ．并进行关键元器件 的参数计算及选 型。 1 液压 系统功能要求分析 1 ． 1 恒定供油压力、足够供油流量 1 9 0油泵具有压力 切断 、恒功率和 电控变排 量功 能 ，当系统压力达到设 定压力 3 1 ． 5 MP a 时 ，油 泵 的 压力切断功能起作用 ．油泵 的斜盘倾角变小 ，流量变 小 ，使系统压力降低至 3 1 ． 5 M P a以下 油泵的这 3 种功能具 有优 先 级 第一 是压 力 切 断 第 二 是恒 功 率 第三是 电控变排量 。也就是当系统压力超过设定 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 7 作者简介 杨 鑫 1 9 7 8 一 ，男 ，硕 士 ，工 程 师 ，主要 从 事 压 裂 设 备 的 液 压 系 统设 计 与 系统 动 态分 析等 方 面 的研 究 。 Ema i l 54 9 68 8 95 8 qq． c o rn 。 第 1 6期 杨鑫 等全液压压裂车液压系统设计 7 5 压力时压力切断先起作用，此时恒功率和电控变排量 不起作用 压力 在设 定的压力 以内时恒功率优先 于电 控变排 量 。当油泵 进 入恒 功 率 时 ，压 力上 升 排量 降 低 ，此 时电控变排量不能控制油泵增加排量 ，但可 以 减小排量 。 1 ． 2 系统恒 温及 保护 液压系统油温 处于恒 温是 由风 冷散 热器 、油 箱 、 管路散热来保证 的。当散热功 率与产 生热量的功率相 当时系统处 于热平衡状 态 ，温度不会 再升高。 当温度 传感器检测到系统温度超过设定的最高温度 8 2 o C 时 ，控制系统 自动断电，整个系统不能运行，等温度 降低后可 自动恢复。 1 ． 3 意 外断 电保护 当系统意外断 电时 ，输送缸需立 即停止工作 ，主 系统 的电磁 卸荷 阀会将 系统卸荷 ，防止 系统压力 吸 料 13 剧增 。 1 ． 4压 力保 护 压力保护 由油泵 的压 力切断功能和系统溢流 阀功 能来完成 。 1 ． 5过滤精度要 求 系统利 用 5 个 回油过 滤 ，避 免液压系统的杂质进 入油 箱 ，同时有 5 个精度 达到 5 m 的高压油过 滤器 保证 这个系统液压油清洁度达到纳 氏 9级 以上 。 1 ． 6液位报 警 液压油箱装有液位传感器 ，当油箱液位低于油箱 有效高度的 1 ／ 2时，系统报警。 2 液压系统设计 2 ． 1 确 定液 压 系统原 理 图 根据对液压 系统所要 完成 的功能分析 ．确定全液 压压裂车液压系统原理图如图 1 所示。 出 料 口 图 1 压裂 车液压 系统 原理图 该压裂车液压系统采用多泵合流为主系统供油， 器、风扇泵高压出口加精过滤器的方式保证液压系统 可方便调整主系统的供油 ，提高整个系统的效率，并 的清洁。在每个主油泵泄油回路上均安装有高效风冷 且在主油路上设置蓄能器 ，缓冲系统压力冲击和短时 散热器，保证系统油温不致过高．温度过高时控制系 间充放油 。采用 电比例控制变量 泵 ，在安全压力范 围 统会 自动断电 ，使整个系统停止工作 。双联泵送油缸 内可主动控制系统的供油量，进而可以主动控制压裂 采用 自动双退活塞技术，方便易损件的更换和维修。 泵 的输送压 力。大泵的排量较大 ，泵的吸油 1 3 和 出油 输送缸可实现高低压两种方式 的输送 ，采用换 向阀与 口处均不加吸油过滤器；所有回油箱油路加吸油过滤 单向阀配合完成两种输送方式的切换 ．保证了压裂液 7 6 机床与液压 第 4 3卷 的唯一输送方 向 ．满 足不 同的工况要求 。 2 ． 2 确定液压缸和液压泵的参数 压裂车属非常规作业机械 ，作业工况变化较大， 为满足极 限工 况要 求 ．将输 送 缸 的输 送 压力 设定 为 1 4 0 MP a ] ，液 压 系 统 的最 高 工 作 压 力 设 定 为 3 5 MPa 。 1 确定液压泵参数 车台发动机 为 5台 国三野发 动机 ，功率 为 8 0 k W，转速 为 2 1 0 0 r ／ m i n 。底 盘发 动机为 1台 国四 日 野发动机 ，功率为 2 8 0 k W。转速 为 9 0 0 r ／ m i n 。发动 机总功率为 6 8 0 k W。 油泵采取串泵的型式 ，每 台发动 机安装 2个 1 9 0 串泵 ，底盘发动机上再 串一个 2 3 m L ／ r 齿轮泵 ，为油 缸连通腔补油并给蓄能器充压 。做控 制油源。 1 9 0油泵最高工作压力设为 3 5 M P a ；齿 轮泵最高 工作压力设为 1 6 M P a 。 经计算 ] 泵输 出流量为 4 7 1 2 L ／ m i n ，1 9 0 油泵 恒 功率 点 为 2 0 ． 3 M P a ，齿 轮泵 流量 为 4 3 ． 7 L ／ ra i n ， 齿 轮泵功率 为 1 ． 7 k W。 2 确定输送液压缸的主要 技术参 数 标杆压裂泵 出 口最 高压力 为 1 4 0 M P a 最大流 量 为 3 3 0 m ／ h ，分为 3 ． 5 、3 ． 7 5 、4 、 4 ． 5 、5 、6 。 液压 系统最 高压 力 3 5 MP a 。由此可 以得 出油缸 无 杆腔面积与输送缸 面积 比为 S 油 缸 无 杆 腔 ／ S 输 送 缸 4 。 由于油缸运 动的线速度不能太高 ，高压组油缸缸 径 、杆径 、行程设计为 2 8 0 、1 3 5 、2 5 0 0 m m，输送缸 缸径为 1 4 0 m m 无 杆 腔 工 作 ；中压 组 油 缸 缸 径 、 杆径 、行程设计 为 2 8 0 、1 3 5 、2 5 0 0 m m，故输送缸缸 径为 2 0 0 m m；低 压组油 缸缸径 、杆径 、行 程设计 为 2 8 0 、1 3 5 、2 5 0 0 m m，输送 缸缸 径 为 2 8 0 m m 有 杆 腔工作 。 压力／ MP a 图 2 油缸压力与流量的关系曲线 图 2 表示 了此 液压式压裂车 和机械式压裂车压力 与流量的关系，其中曲线 1表示机械式压裂车的性 能 。虽然此全液压压裂车选用 的 3种尺寸 的油缸性 能 曲线不连续 、且变化范 围有限 ．但在对应的工况下更 换柱塞 ，即可全部覆盖机械式压裂车整个压力与流量 范 围 ，且可 节 约成 本。 即设 计 的全 液 压压 裂 车满 足 要求 。 在此设计 中考虑到要通过更换不 同的输送缸来实 现不同压力 和流量 要求 。把油 缸设计 成 同一种油 缸 ， 输送缸设 计 成 1 4 0 、2 0 0 、2 8 0 m m。可 以在 不拆 卸 油 缸 的情况下更换输送缸 ．便于维护和用户在不同油厂 工作时的不同压力流量需求 。 3液压元件选型设计 3 ． 1 主控 制 阀、连 通 阀 主控制阀采 用三位 四通滑 阀 。此滑 阀通流能力要 达到系统的最大流量 。油缸有杆腔工作 的时候 ，无杆 腔液压油 流量较 大 。经 计算 无 杆腔 连 通采 用 2个 6 3的插装阀并联 ，局部流速达到 8 ． 2 m ／ s ；有杆腔连 通采用与无杆腔相同的连接方 式。 3 ． 2电磁卸荷溢流阀 1 9 o油泵 自身带有压力切 断 ，电磁卸荷 溢流 阀只 要满足油泵在 。排量 时的流量 即可。由于系统设计需 要 ，1 9 o油泵 出厂时 O 排量 约设 置在总排 量 的 l O ％左 右 ，故用 3 2 通径 的电磁溢流 阀即可 。 3 ． 3 1 9 0油泵 出 口单 向 阀 在每一个 1 9 o的出 口设一个单 向阀 ，根据经验 公 式 选取单 向阀直径 d4 ． 6 1 x 万 1 其 中 d为单 向阀直径 ，p为 系统 流量 ， 为液压 油 流 速 按照经 验取 2 0 m ／ s 。经 计算 需要 2 5通径 的 单 向阀。 3 ． 4高压过 滤器 高压过滤器接在某一个油泵 的出 口，单个 1 9 0泵 产生 的最大流量为 3 9 9 l Mm i n 。 选型号为 D F B N ／ H C 8 0 0 F 1 0 B 1 ． 1 ／ ． B 6的压 油过 滤 器 ，其最 大 流量 为 8 0 0 L ／ m i n ，最 大 工 作 压 力 为 4 2 MP a ，完全满足系统要求。 3 ． 5 蓄能 器 1 系统 中的蓄能器 系统 中换 向需要蓄能器 ，按照蓄能器充压经验公 式选取蓄能器 2 3 3 2 2 l l | - Ⅱ 一 目 ． v 、 删媾 第 1 6期 杨鑫 等 全液压压裂车液压 系统设计 7 7 P 为系统最低工作压力，M P a ； n为充压过程指数，取 0 ． 8 5 ； P 为 蓄能器氮气压力 ，MP a 。 经计算 工作 系统总 流量为 8 ． 5 L ／ s ，换 向时 间按 0 ． 1 s 计算 ．则 蓄能器在 0 ． 1 s 内需 给系统 补充 的液压 油体积为7 ． 8 5 L ，蓄能器工作容积按 A V 7 ． 8 5 L计 算。把上述数据代入上式得 为 1 2 ． 9 3 L 。故选 2个 1 0 L的蓄能器。 2 吸收连通腔 冲击 的蓄能器 为 了吸收连通腔 的脉 冲 ，根据蓄能器经验公式选 取蓄能器 。 根据蓄能器经验公式得 蓄能器容积 4 x Q x p 2 x O ． 0 1 6 4 x L - t 1 0 一 3 V 一X l I - I ’ - ” P 2 - pl 式中 为所需蓄能器容积，i n ； P ， 为蓄能器最高工作压力 ，MP a ； P 为蓄能器最低 工作压 力 ，MP a ； Q为系统流量 ，I 1 1 ／ s ； 为管道长度 ，n l ； t 为 阀全开到全 闭时 间，s 。 无杆腔工作时，有杆腔连通，经计算此时需要蓄 能器提供 4 ． 3 l L的流量 ；有杆腔工作时 ，无杆腔连 通 ，经计算此时需 要 蓄能 器提供 1 2 ． 5 L的流 量。故 选 1 0 L的蓄 能器 ，每组油缸用 1 个蓄能器 。 3 ． 6散 热 器 根据热量 能量 平衡原理 ，热流体放 出的热 量等于冷流体吸收 的热量 ] 。 Q G 热 x C 热 t 热 1 一 t 热 2 G 冷 x C 冷 冷 l t 冷 2 4 式 中Q为换热量 ，k W； G 热 为热流体质量流量 ，k g ／ s ； c 热 为热流体比热容，J ／ k g o C ； t 热 。 、‘ 热 分别为热流体进、出t3温度， ℃； G 冷 为冷流体质量流量 ，k g ／ s ； c 冷 为冷流体比热容，J ／ k g o C ； t 冷 、 冷 2 分别 为热流体 进 、出 口温度 ， ℃ 。 再根据质量流量公式和传热公式 G 热 V 热 p 热 5 G 冷 冷 6 了 V 7 Q l Kx F x A t 8 式中 为体积流量，1T I ／ s ； P为流体密度 ，k g ／ I n ； ／为通 流面积 ，i n ； Q 。 为换 热量 ，k w ； F为换热面积 ，i n 。 而平均温差 可 由对数平均温差公式计算得出 9 l l1一 其中 ⋯为 t 热 一 A t 冷 2 与 t 2 -- A t 冷 1 两者 中之 大值 ， 为 t 热 。 一 A t 冷 2 与 热 2 一 A t 冷 1 两者 中之 小值 。 1 0 正常工作压 力取 2 5 MP a 。此 时油 泵容 积效 率取 为 9 0 ％，经计算 油泵损失 的功率 为 1 9 6 ． 3 k W。系统 压力损失约为 1 ． 3 MP a ，经计算系统功率损失为 1 ． 9 k W。故需散热器的散热功率为2 8 8 ． 2 k W，选 3 0 0 k W 的散 热器 。 3 ． 7油箱容积计算 经计算压裂 车液压 系统油泵总流量 4 7 1 2 L ／ m i n ． 按照液压油 2 0 S 循环一次计算，即油泵工作 2 0 s 时 需 要 的液 压油体 积约 为 1 5 7 0 L ，取整后 液压油箱 有 效 容积为 1 6 0 0 L 。 4结论 通过合理设计及详细计算，合理匹配发动机功率 及各液压件参数。实现了液压系统性能及整机性能参 数最优。通过拆分动力、液压实现传动、降低液力端 单向阀开启和关闭的次数 ，降低了成本 ，提高了易损 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