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全液压压裂车液压系统及作业能力分析 * 张志强,杨摇 鑫, 赵摇 真, 郭摇 磊, 吴摇 军 三一重型能源装备有限公司,北京摇 102202 摘摇 要针对传统机械传动压裂车存在的关键零部件被国外垄断、成本高等问题,首次提出并设计了一种基于液压传 动的全液压压裂车。 即通过发动机-液压泵-液压油缸-输送缸实现传动的方案。 且为了更好地满足当今油井对压裂 车高压力和大排量的要求,特设计了高、中、低压三种输送缸。 这种全新的设计理念和样机尝试,为真正意义上实现压 裂车国产化奠定了基础。 关键词压裂车;液压;机械传动;作业能力 中图分类号TE934摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201405-0132-03 Analysis of the Hydraulic System and Work Ability of Hydraulic Fracturing Truck ZHANG Zhi-qiang, YANG Xin, ZHAO Zhen, GUO Lei, WU摇 Jun Sany Heavy Energy Sources Equipment Corporation, Beijing摇 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摇 引摇 言 压裂是油气生产中不可缺少且行之有效的一种 增产技术,超过 70 的油气井需要压裂技术才能收 到较好的开发效果。 压裂施工是由压裂车、混砂车、 管汇车、仪表车等成套设备组成。 其中,压裂车承担 了最重要的任务,设备的好坏直接影响了油田的开 采。 且随着复杂油气田、低渗透油田、煤层气田的开 发以及近年来国家提出的页岩气开发等非常规压裂 施工的出现,对压裂车的要求越来越高。[1-2] 常见压裂车输出功率为 1 490 1 860 kW,均采 用机械传动方式,即上车主要由发动机、液力变矩器、 变速箱、压裂泵、润滑系统、冷却系统和仪表及控制系 统组成。 其中大功率发动机、液力变矩器加变速箱、 压裂泵等关键零部件均被国外少数几家企业垄断,售 价高。 据计算上述零部件成本占压裂车总成本的 50以上。 因此,高成本、技术垄断等一直制约着国 产压裂车的发展。 三一重能首次提出了有别于以往机械传动的新 传动方式 全液压传动,即把大功率发动机拆分成 几个常见的小功率发动机,发动机带动多个液压泵合 流之后驱动液压缸和输送缸,用输送缸泵送压裂液, 解决压裂车成本高、技术长期被国外垄断的问题。 1摇 液压系统设计 常规 2500 型机械传动压裂车,其压裂泵出口最 高压力约为 140 MPa 左右;最大流量约为 330 m3/ h, 发动机功率为 1 860 kW,且更大功率2 205 kW 以 上已成为压裂车发展新趋势。 由此可见,如果要用 全液压传动代替机械传动,液压系统必须具备能够满 足作业要求的大功率高压、大流量的能力。 整个系统按功能可分为三个部分动力部分发 动机提供所需功率;传动部分泵和阀控制油液的压 力和流量;执行机构油缸和输送缸。 1. 1摇 液压系统原理图 根据上述压裂车对液压系统的要求,设计了全液 压压裂车,其液压原理图如图 1。 1. 2摇 动力部分 传统 2500 型压裂车压裂泵输出功率为 1 860 kW,在不降低压裂车功率的前提下设计全液压压裂 车,其发动机总功率也设计为 1 980 kW其中一部分 功率用于驱动散热器等辅助液压系统。 不同于传 统压裂车用一台大功率发动机,此全液压压裂车共使 用 6 台常规发动机,其中包括一台功率为 280 kW 的 底盘发动机,5 台安装在上车功率为 340 kW 的发动 机。 可大大降低成本,使装配国产发动机成为可能。 231 设计与制造摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 *收稿日期2014-07-21 作者简介张志强1984-,男,河南周口人,工程师,主要从事压裂设备方面的科研工作。 图 1摇 压裂车液压系统原理图 1. 3摇 传动部分 主油泵采取并联合流形式,用 12 个 190 cc/ rev 柱塞泵合流可满足为油缸提供所需液压油。 每个发 动机上串联安装 2 个 190 cc/ rev 主油泵和一个齿轮 泵。 其中,底盘发动机串联的齿轮泵为油缸连通腔换 向补油并给蓄能器充压,做控制油源用。 在每个主油 泵泄油回路上安装高效风冷散热器。 通过台上发动 机串联的齿轮泵经风冷阀组后驱动散热器马达,为主 油泵泄漏和系统溢流的液压油散热。 控制油液处于 热平衡状态,确保温度不会升高[3]。 主油泵的排量较大,泵的吸油口和出油口处均不 加过滤器。 采用回油箱油路加装过滤器、风扇泵高压 出口加精过滤器的方式保证液压系统清洁度[4-5]。 1. 4摇 执行机构 在此设计中考虑到要通过切换不同的输送缸来 实现不同压力流量的要求,把油缸设计成同一种规 格,输送缸设计成三种规格。 故按照油缸缸径、杆径 优选系列,油缸缸径、杆径、行程设计为 280 mm、135 mm、3 000 mm,高、中、低输送缸缸径分别为 140 mm、 200 mm、280 mm。 采用换向阀和单向阀配合完成三 种输送方式的自动切换。 2摇 全液压压裂车作业能力计算 2. 1摇 高压工况 高压工况下仅用无杆腔工作,油缸运行的速 度、每分钟的换向次数,压裂车排量和压力为 vQ浊 S 1 式中v 为油缸运行的线速度;Q 为主油泵额定流量; S 为油缸有杆腔或者无杆腔的面积。 由此可以计算 出高压工况油缸无杆腔进油时的线速度为 1. 2 m/ s。 VSh2 式中V 为油缸的容积,h 为油缸的行程。 由此可以 计算出油缸无杆腔的容积为 184 L。 t1 h v 3 式中t1为单个油缸走完一个行程需要的时间,由此 可以计算出单个行程运行时间为 2. 43 s。 n 60 t1t2 4 式中n 为油缸每分钟的换向次数;t2为油缸换向间 隔需要的时间,在此处取 0. 1 s,由此可以计算出高压 工况油缸无杆腔运行一分钟换向次数为 23. 7 次/ min。 无杆腔工作时压裂车最大排量,即液压系统压力 为 16. 8 MPa 及以下,主油泵满排量工作时 V排V输送缸n5 式中V排为压裂车的排量;V输送缸为输送缸单个行程 的排量。 由此可以计算出高压组油缸无杆腔在没有 达到恒功率点时最大排量为 65. 84 m3/ h。 当液压系统压力大于主油泵恒功率设定压力,其 排量会减小,流量会随之改变 Q泵Q p恒 p 1006 式中Q泵为液压泵在恒功率点以上的流量;p恒为液压 泵的恒功率点压力,16. 8 MPa;p 为液压泵的实际工 作压力;当液压系统最高压力为 35 MPa,输送缸出口 压力 140 MPa,液压泵排量只有在恒功率点排量的 48,进而得出高压油缸无杆腔进油工况最大工作压 力工作时压裂车排量为 31. 6 m3/ h。 高压组油缸无杆腔工作时参数如表 1 所列。 表 1摇 高压工况压裂车工作参数表 油缸进油方式 体积 L 线速度 m/ s 单个行程运行 时间s 每分钟换向 次数次/ min 最大排量 m3/ h 最高压力时的 排量m3/ h 无杆腔进油1841.22.4323.765.831.6 摇 摇 当高压工况油缸在恒功率点和最高工作压力之 间工作时的压力和排量如表 2 所列。 2. 2摇 低压工况 参照高压组油缸计算方法,可以计算出低压组油 331 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 设计与制造 缸工作时仅用无杆腔工作的参数,如表 3 所列。 表 2摇 高压工况压裂车压力-排量表 液压油压力MPa 出口压力MPa排量m3/ h液压油压力MPa 出口压力MPa排量m3/ h 3514031. 6228850. 3 3112435. 7197658. 2 2710840. 818. 37360. 4 2510044. 216. 86765. 8 表 3摇 低压工况压裂车工作参数表 油缸进油方式 体积 L 线速度 m/ s 单个行程运行时间 s 每分钟换向次数 次/ min 最大排量 m3/ h 最高压力时的排量 m3/ h 有杆腔进油1421.61.830.6339. 1162. 7 当低压工况油缸有杆腔在恒功率点和最高工作压力之间工作时的作业能力如表 4 所列。 表 4摇 低压工况油缸有杆腔工作时压力-流量表 液压油压力 MPa 出口压力 MPa 排量 m3/ h 液压油压力 MPa 出口压力 MPa 排量 m3/ h 3527162.72217257.7 31241821915292.1 2721207.91814313 2519229.716.812.9339.1 2. 3摇 中压工况 参照高压组油缸计算方法,可以计算出中压组油 缸功能工作时无杆腔工作和有杆腔工作的参数如 表 5 所列。 表 5摇 中压工况压裂车工作参数表 油缸进油方式 体积 L 线速度 m/ s 单个行程运行时间 s 每分钟换向次数 次/ min 最大排量 m3/ h 最高压力时的排量 m3/ h 无杆腔进油1841.22.423.7134. 465 有杆腔进油1421.61.830.617383 摇 摇 当中压工况油缸无杆腔在恒功率点和最高工作 压力之间工作时作业能力如表 6 所列。 表 6摇 中压工况油缸无杆腔工作时压力-流量表 液压油压力 MPa 出口压力 MPa 排量 m3/ h 3568.664.5 316271.4 275383.6 254990.3 2243.1102.6 1937.2118.8 18.335.2125.4 16.832.9134.4 当中压工况油缸有杆腔在恒功率点和最高工作 压力之间工作时作业能力如表 7 所列。 表 7摇 中压工况油缸有杆腔工作时压力-流量表 液压油压力 MPa 出口压力 MPa 排量 m3/ h 3552.783 3146.689.1 2740.6107. 6 2537.6116. 2 2233.1132. 1 1928.6152. 9 18. 327.1161. 4 16. 825.3172. 9 431 设计与制造摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 根据计算结果把高压组无杆腔、中压组无杆腔、 中压组有杆腔、低压组有杆腔和机械式压裂泵五种工 作形式绘成压力-排量曲线,如图 2,其中横坐标代表 压力 MPa,纵坐标代表流量 L/ min。 由压力、流量曲线可以看出,全液压压裂车的作 业能力,即压力和排量曲线和传统机械传动压裂车的 作业性能相同。 主油泵的恒功率控制与发动机功率 得到了良好的匹配,使得发动机在工作中处于最佳的 功率油耗比状态。 图 2摇 五种不同工况下压裂车压力-排量曲线 3摇 结摇 语 对比机械传统压裂车,液压传动式具有以下优点。 1 从作业能力压力和排量方面考虑,全液 压压裂车的作业能力与传动机械式压裂车的作业能 力相同,可以满足油井对高压、大流量的需求。 2 从成本方面考虑,打破了长久以来大功率发 动机、液力变速箱和压裂泵等机械传动压裂车用核心 零部件国外垄断的现状,使昂贵的压裂车成本明显下 降,使装配国产件成为可能。 摇 摇 3 从燃油经济性方面考虑,液压传动较机械传 动的一个明显优势是可以更好地适应发动机功率 恒功率控制,大幅度提高效率,减少燃油消耗,降 低运营成本。 4 从维护方面考虑,传动机械式压裂车关键零 部件集成性较高、体积重量较大,施工现场拆卸维修 困难,必须到专业大修厂维修,费时费力,延误工期。 而全液压压裂车,其关键零部件体积较小,现场维修 更换较方便。 5 油井对压裂设备的要求越来越高,大功率已 成为发展趋势。 然而要想在传动机械压裂车上实现 大功率,就需要在已经很庞大大、很复杂发动机和液 力变速箱上进行改进升级,这无疑会增加开发难度, 阻碍压裂设备的发展。 而借鉴全液压的功率合流和 切换输送缸思想,就可以开发出更大功率压裂车。 全液压压裂车也有不足,该液压系统较复杂,泵 和管路数量较多,装配过程复杂,排故困难。 全液压压裂车是三一重首次提出并设计的全新 理念的压裂车,具体的压裂性能和液压系统设计合理 性还需要进一步通过试验和现场作业验证,但这种液 压传动方式值得探讨和思考。 参考文献 [1]摇 张小平. 压裂设备的发展现状与展望[J]. 石油天然气学报, 200810364-366. 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