氣缸式蓄能器對壓裂泵流體脈動的抑制作用

楊 波，繆雄輝，楊　鑫

（1.長安大學 工程機械學院，西安 710064；2.長安大學 公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，西安 710064；3.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202）

氣缸式蓄能器對壓裂泵流體脈動的抑制作用

楊 波1，2，3，繆雄輝3，楊鑫3

（1.長安大學 工程機械學院，西安 710064；2.長安大學 公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室，西安 710064；3.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202）

針對壓裂泵流量脈動較大帶來的問題，在分析壓裂泵脈動產(chǎn)生機理及其特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計可用于高壓大流量場合中的氣缸式蓄能器，建立氣缸式蓄能器回路數(shù)學模型，得到脈動流量的幅頻特性，仿真研究脈動抑制特性的影響因素，并對壓裂泵安裝氣缸式蓄能器前后的脈動流量進行對比分析，結(jié)果表明：氣缸式蓄能器可用于高壓大流量場合中，其脈動抑制特性隨氣缸預充氣壓力、氣缸直徑、蓄能器連接管長度的增加而減弱，隨氣缸行程、蓄能器連接管直徑的增加而增強；氣缸式蓄能器能顯著抑制壓裂泵流量脈動，可將機械式三缸壓裂泵的流量脈動由23.07%降至2.42%，將液壓驅(qū)動式三缸壓裂泵的流量脈動由33.33%降至3.22%；研究結(jié)果為高壓蓄能器的設(shè)計和使用提供了一種新的思路和方法。

振動與波；蓄能器；氣缸；壓裂泵；脈動抑制

壓裂泵被廣泛應用于石油和天然氣鉆采、增產(chǎn)壓裂作業(yè)中，但受限于自身工作原理，壓裂泵不可避免地會產(chǎn)生流量和壓力脈動，造成管線振動［1］、噪聲、發(fā)熱、元器件壽命縮短等不利影響。因此，需采取措施抑制壓裂泵流量脈動。目前，普遍采用在管路中增加蓄能器［2-5］來抑制流量脈動。但壓裂泵工作壓力一般高于60 MPa，普通的蓄能器并不能適用于壓裂泵高壓大流量的場合中［6-8］。所以，在分析壓裂泵脈動產(chǎn)生機理及其特點的基礎(chǔ)上，本文提出并設(shè)計了氣缸式蓄能器，對其脈動抑制動態(tài)特性進行分析，并對壓裂泵安裝該蓄能器前后流量脈動進行對比分析，取得了較好的抑制脈動效果。

1　壓裂泵脈動產(chǎn)生機理及其特點

壓裂泵是基于往復泵原理工作的，機械式壓裂泵和液壓驅(qū)動式壓裂泵的液力端結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別僅在于動力端。

圖1（a）所示為機械式單作用壓裂泵工作原理。動力端通過曲柄連桿機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線往復運動，經(jīng)十字頭驅(qū)動液缸柱塞，通過柱塞腔的容積變化實現(xiàn)高壓輸出。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，流體脈動小；缺點是沖次高，振動大，易損件壽命低，高壓下柱塞偏磨現(xiàn)象嚴重，難以實現(xiàn)高壓輸出。對曲柄連桿機構(gòu)進行運動學分析可知，機械式壓裂泵輸出流量呈諧波變化，且奇數(shù)缸比偶數(shù)缸的流量脈動小，屬于中低頻脈動。理論上，一般常用的機械式三缸泵和五缸泵流量脈動分別為23.07%和7.05%［9］。

圖1（b）所示為液壓驅(qū)動式壓裂泵工作原理。動力端由液壓缸及其液壓系統(tǒng)組成，液壓缸直接驅(qū)動柱塞，通過活塞與柱塞的面積比進行增壓降排，實現(xiàn)壓裂液的高壓輸出。優(yōu)點是沖次低、易損件壽命長，柱塞受力均勻，可實現(xiàn)高壓輸出；缺點是流體脈動大［10］。對液壓缸進行運動學分析可知，液壓驅(qū)動式壓裂泵在液壓缸勻速運動時，流量保持恒定不變，在液壓缸換向時刻流量產(chǎn)生斷流，從而造成流量脈動，其脈動大小與液壓系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)，屬于低頻脈動。在同一時刻，一般只允許一只液壓缸換向，所以，理論上，液壓驅(qū)動式三缸泵、四缸泵、五缸泵的流量脈動最大分別為33.33%、25%、20%。

圖1　壓裂泵工作原理簡圖

2　氣缸式蓄能器脈動抑制特性分析

2.1結(jié)構(gòu)和工作原理

根據(jù)壓裂泵輸出流量特點，設(shè)計氣缸式蓄能器并將其接入蓄能器系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　氣缸式蓄能器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

系統(tǒng)采用節(jié)流閥加載。氣缸有桿腔經(jīng)由氣體呼吸口6與大氣相通。初始狀態(tài)下，通過充氣閥9預先對氣腔8充壓，氣缸活塞及活塞桿全部伸出。當壓裂液壓力升高時，壓裂泵輸出的高壓流體經(jīng)進液口1進入壓裂液腔2，通過液缸柱塞和氣缸活塞面積比減壓后壓縮氣腔8，使其體積減小壓力不再升高；反之，當壓裂液壓力降低時，氣腔8內(nèi)的氣體膨脹將壓裂液腔2內(nèi)的壓裂液排出，減緩壓裂液壓力下降。

2.2脈動抑制動態(tài)特性分析

2.2.1氣缸式蓄能器受力平衡方程

設(shè)液缸柱塞、氣缸活塞面積分別為Ac、Ag，壓力分別為pc，pg。以氣缸活塞-柱塞運動體為研究對象，列出受力平衡方程，有

2.2.2蓄能器連接管路液柱受力平衡方程

設(shè)蓄能器連接管的長度為L1，直徑為d1，橫截面積為Aap，進入液缸和蓄能器連接管的流量為Q2；壓裂泵輸出壓力為p，流量為Q1；壓裂液密度為ρ，運動黏度為ν，體積彈性模量為E。以連接管內(nèi)液柱為研究對象，列出受力平衡方程，有［11］

將式（2）整理可得

2.2.3蓄能器流量平衡方程

2.2.4系統(tǒng)流量平衡方程

設(shè)系統(tǒng)主管路長度為L2，直徑為d2，橫截面積為Amp；節(jié)流閥流量系數(shù)為Cd，開口面積為Ao，通過節(jié)流閥的流量為Q，有

2.2.5氣腔氣體狀態(tài)方程

設(shè) pg0、Vg0為氣腔初始壓力和體積，pg、Vg為氣腔任意工作狀態(tài)下的壓力和體積，氣缸行程為L，由氣體狀態(tài)方程有

當使用氣缸式蓄能器吸收流體脈動時，可看作絕熱過程，則n=1.4，將式（7）在初始狀態(tài)點做泰勒展開［12］，略去高次項，并將式（8）、式（9）代入，有

將式（10）兩邊積分整理可得

2.2.6壓裂泵流量脈動傳遞函數(shù)及幅頻特性

設(shè)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定點為p0，系統(tǒng)穩(wěn)定后的流量為

將式（1）-式（12）聯(lián)立求解，經(jīng)線性處理、拉氏變換后，可得系統(tǒng)輸出流量與壓裂泵輸出流量的傳遞函數(shù)為

式（13）就是壓裂泵系統(tǒng)接入氣缸式蓄能器后輸出流量的完整數(shù)學模型。氣缸式蓄能器吸收脈動的性能與氣缸的缸徑、行程、活塞及其運動件質(zhì)量、預充壓力、負載等特性有關(guān)。當管路等結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，蓄能器固有頻率ωa僅與蓄能器預充氣壓力 pg0有關(guān)。

由式（13）可得系統(tǒng)幅頻特性為

式（14）即為氣缸式蓄能器安裝前后系統(tǒng)流量脈動幅值比。由式（14）可知，當流量脈動頻率ω＜ωa時，氣缸式蓄能器吸收脈動的效果隨ω的增大而增強；當ω=ωa時，氣缸式蓄能器吸收脈動效果最好，此時流量脈動幅值最小，為

當ω＞ωa時，氣缸式蓄能器吸收脈動的效果隨ω的增大而逐漸減弱。

2.3脈動抑制仿真研究

設(shè)置仿真參數(shù)如表1所示，根據(jù)式（13）、式（14）在Matlab中進行仿真研究得到以下結(jié)果。

（1）其他參數(shù)不變，改變氣缸式蓄能器預充氣

表1　仿真參數(shù)

壓力pg0，氣缸式蓄能器脈動抑制特性如圖3所示。由圖3可知，對于低頻脈動，當流量脈動頻率一定時，氣缸式蓄能器脈動抑制特性隨氣缸預充氣壓力的增大而減弱，但是預充氣壓力過小時，氣缸壓力彈簧剛度較弱。

圖3　預充氣壓力對脈動抑制特性的影響

（2）其他參數(shù)不變，分別改變氣缸直徑Dg、行程L，氣缸式蓄能器脈動抑制特性如圖4（a）、圖4（b）所示。由圖4可知，對于低頻脈動，當流量脈動頻率一定時，氣缸式蓄能器脈動抑制特性隨氣缸直徑的增大而減弱，隨行程的增加而增強。但是過小的氣缸直徑使氣體工作壓力過高，過長的行程導致氣缸式蓄能器體積較大。因此，需合理選擇氣缸直徑與行程。

圖4　氣缸參數(shù)對脈動抑制特性的影響

（3）其他參數(shù)不變，分別改變氣缸式蓄能器連接管直徑d1、長度L1，氣缸式蓄能器脈動抑制特性如圖5（a）、圖5（b）所示。

由圖5可知，氣缸式蓄能器脈動抑制特性隨蓄能器連接管直徑的增大而增強，隨長度的增加而減弱。

圖5　蓄能器連接管參數(shù)對脈動抑制特性的影響

綜上所述，氣缸式蓄能器在設(shè)計時應選擇合理的預充氣壓力，較長的氣缸行程，且氣缸直徑不宜太大，蓄能器連接管應短而粗。

2.4氣缸式蓄能器安裝前后對比分析

將氣缸式蓄能器分別安裝在機械式三缸壓裂泵和液壓驅(qū)動式三缸壓裂泵上，得到流量脈動抑制結(jié)果如圖6（a）、圖6（b）所示。由圖6可知，壓裂泵流量峰值顯著減小，流量脈動被顯著抑制。當流量穩(wěn)定后，機械式三缸壓裂泵脈動流量峰-峰值由342 L/min下降至36 L/min，流量脈動由23.07%下降至2.42%；液壓驅(qū)動式三缸壓裂泵脈動流量峰-峰值由904 L/min下降至87 L/min，流量脈動由33.33%下降至3.22%。

3　結(jié)語

（1）氣缸式蓄能器通過氣缸活塞與柱塞的面積比對負載減壓，可用于高壓大流量場合。

（2）當流量脈動頻率與氣缸式蓄能器固有頻率相等時，流量脈動幅值最小。而固有頻率與氣缸及其連接管結(jié)構(gòu)參數(shù)、預充氣壓力有關(guān)，在設(shè)計時應選擇合理的預充氣壓力，較長的氣缸行程，且氣缸直徑不宜太大，使用短而粗的管道與蓄能器連接。

（3）氣缸式蓄能器能顯著抑制壓裂泵流量脈動，可將機械式三缸壓裂泵的流量脈動由23.07%降至2.42%，將液壓驅(qū)動式三缸壓裂泵的流量脈動由33.33%降至3.22%。

圖6　壓裂泵流量脈動對比曲線

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Effect of Cylinder-typeAccumulator on Flow Pulsation Suppression of Fracturing Pumps

YANGBo1，2，3，MIAO Xiong-hui3，YANGXin3
（1.School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an 710064，China；2.National Engineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment，Chang’an University，Xi’an 710064，China；3.SANY Heavy Energy Machinery Co.Ltd.，Beijing 102202，China）

To solve the problems induced by the large flow pulsation of fracturing pumps，the cylinder-type accumulator suitable to high pressure and large flow is designed based on the pulsation mechanism and characteristics of the fracturing pumps.Mathematical model of the cylinder-type accumulator circuit is built and the frequency characteristic of the flow pulsation is obtained.Influence factors of pulse suppression ability are studied through the simulation and the flow pulsations of the fracturing pump with and without the cylinder-type accumulator are compared mutually.The results show that the cylinder-type accumulator is suitable for high pressure and large flow applications.Its pulse suppression ability decreases with the increasing of the precharge pressure，the cylinder diameter and the length of the accumulator’s connecting pipe，and increases with the increasing of the cylinder stroke and the diameter of the accumulator’s connecting pipe.The cylinder-type accumulator can significantly suppress the flow pulsation of the fracturing pump.With the help of the cylinder-type accumulator，the flow pulsation of a mechanical three-cylinder fracturing pump is reduced from 23.07%to 2.42%，and the flow pulsation of a hydraulic three-cylinder fracturing pump is reduced from 33.33%to 3.22%.This study provides a new idea for the design and application of the accumulators in high pressure and large flow situations.

vibration and wave；accumulator；cylinder；fracturing pump；pulse suppression

TH137.8+1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.036

1006-1355（2016）05-0175-04

2016-04-27

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2015BAF07B08）

楊波（1988-），男，新疆維吾爾自治區(qū)奇臺縣人，在讀博士研究生，主要研究方向液壓傳動與控制。E-mail:yangbo.228@163.com