基于AMESim的某型壓裂泵建模與仿真研究

郭志奇 肖曉華 李蓉

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500;2.中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434022)

壓裂泵是石油開采進(jìn)行壓裂施工的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的好壞直接影響壓裂施工的成敗，因此對壓裂泵的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。某型壓裂泵是由中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠主研的最新產(chǎn)品。AMESim軟件是比利時LMS公司推出的一種多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真的軟件平臺［1］，它采用基于物理模型的圖形化建模方式［2］，可使用戶專注于系統(tǒng)本身的設(shè)計，達(dá)到快速建模仿真的目的，而且可以對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

1 建立某型壓裂泵仿真模型

啟動AMEsim，新建一個后綴為.ame的文件，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入草圖模式。不論是創(chuàng)建新系統(tǒng)還是修改、完善已有系統(tǒng)，均是在草圖模式下進(jìn)行的。在草圖模式下建立某型壓裂泵的仿真模型，該壓裂泵是一個三柱塞臥式泵，由曲軸、連桿、柱塞、吸入排出閥等組成［3］。在該模式下建立的某型壓裂泵系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

2 模型參數(shù)的設(shè)置

草圖模式下建立完成模型后，進(jìn)入子模型(submodel)模式。每個子模型均選取系統(tǒng)自定義的模型［4］，然后進(jìn)入?yún)?shù)(parameter)模式下，給每一個子模型設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。在模型參數(shù)設(shè)置中，吸入、排出閥參數(shù)的設(shè)置很關(guān)鍵，對仿真結(jié)果影響很大。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表1。

3 運(yùn)行仿真及結(jié)果分析

參數(shù)設(shè)置好后，進(jìn)入運(yùn)行模式，這里將仿真時間設(shè)置為1 s，將通信間隔時間設(shè)置為0.001 s。運(yùn)行后即可得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。現(xiàn)選出如下幾種情況進(jìn)行分析。

(1)壓裂泵運(yùn)行時，柱塞與吸入閥運(yùn)動規(guī)律曲線如圖2所示，柱塞與排出閥的運(yùn)動規(guī)律曲線如圖3所示。

圖2 柱塞與吸入閥運(yùn)動規(guī)律曲線

圖3 柱塞與排出閥運(yùn)動規(guī)律曲線

由圖2可得到柱塞與吸入閥的運(yùn)動規(guī)律、任一時間點(diǎn)柱塞位移與吸入閥升程的對應(yīng)關(guān)系及數(shù)值大小。吸入閥的啟閉有一定的滯后，開啟滯后的時間為0.038 s，關(guān)閉滯后的時間為0.020 s。同樣可由圖3得到排出閥開啟滯后的時間為0.034 s，關(guān)閉滯后的時間為0.021 s。

吸入、排出閥開啟和關(guān)閉滯后角的產(chǎn)生是由壓裂液體的可壓縮性造成的。開啟和關(guān)閉滯后角是壓裂泵流量損失的主要原因［5］。因壓裂泵柱塞在吸液結(jié)束和排液開始的瞬間，吸入閥由于滯后不能及時關(guān)閉，必將導(dǎo)致一部分壓裂液回流匯入吸入管，造成流量損失。同樣，在柱塞排液結(jié)束吸液開始的瞬間，由于排出閥的滯后，導(dǎo)致部分壓裂液回流到泵腔內(nèi)，也造成流量的損失。

(2)壓裂泵工作時，吸入、排出閥的運(yùn)動規(guī)律如圖4所示。壓裂泵腔內(nèi)壓力曲線如圖5所示。

由圖4可知，吸入和排出閥的開啟和關(guān)閉并不是同步的，而是存在一定的時間間隔。由圖4、圖5可知，當(dāng)t=0.127 s時，由于吸入閥沒有關(guān)閉，腔內(nèi)壓力基本不變，維持在0.1 MPa左右;當(dāng)t=0.127～0.133 s時，由于吸入閥關(guān)閉，壓力迅速上升;在t=0.133 s時，排出閥打開，腔內(nèi)壓力達(dá)到61.8 MPa;當(dāng)t=0.233 s時，排出閥關(guān)閉;當(dāng)t=0.233～0.241 s時，排出閥關(guān)閉，吸入閥開啟，壓力又很快下降到0.1 MPa左右，隨后進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖4 吸入、排出閥運(yùn)動規(guī)律曲線

圖5 柱塞腔內(nèi)壓力變化曲線

壓裂泵在工作時，由于壓裂液的可壓縮性造成的吸入、排出閥的開啟和關(guān)閉滯后，使得泵腔內(nèi)的壓力在一定的時間間隔內(nèi)是逐漸增大(減小)的。

4 結(jié)語

運(yùn)用AMESim軟件建立了某型壓裂泵的系統(tǒng)仿真模型，對模型進(jìn)行了合理的參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行了仿真，得出了柱塞和吸入、排出閥之間運(yùn)動的相對關(guān)系，吸入、排出閥與泵腔內(nèi)壓力的關(guān)系，并對產(chǎn)生滯后的原因進(jìn)行了分析。該研究為壓裂泵的進(jìn)一步優(yōu)化分析提供借鑒。

［1］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:2.

［2］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:5-6.

［3］趙勝，趙振東，葉長根，等.往復(fù)泵設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983:55-57.

［4］孫毅，姜繼海，程孟專，等.虛擬樣機(jī)技術(shù)在軸向柱塞泵運(yùn)動方向與分析中的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動，2010(2):25-27.

［5］劉金麗，廉自生.基于AMESim的礦用乳化液泵動態(tài)特性仿真［J］.煤礦機(jī)械，2012(8):53-55.