液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其脈動(dòng)的抑制

楊 波，安海超，田文朋

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；3.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202）

液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其脈動(dòng)的抑制

楊 波1,2,3，安海超1,2，田文朋1,2,3

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；3.三一重型能源裝備有限公司，北京 102202）

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式壓裂泵沖次高、易損件壽命短等缺點(diǎn)，提出了液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵，設(shè)計(jì)了“半開半閉式液壓系統(tǒng)”，建立了仿真模型，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)果表明：仿真模型準(zhǔn)確，液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵也可以實(shí)現(xiàn)高壓輸出，受液壓缸泄露、魏氏效應(yīng)、系統(tǒng)固有換向時(shí)間的影響，壓裂泵存在壓力和流量脈動(dòng)，且隨負(fù)載壓力的增大而增大。根據(jù)壓力和流量脈動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套由柱塞缸、氣缸和蓄能器組等構(gòu)成的氣缸式蓄能器脈動(dòng)抑制裝置，結(jié)果表明：該裝置能顯著抑制壓力和流量脈動(dòng)；且脈動(dòng)隨蓄能器容積或預(yù)充氣壓力的增大而減?。辉谠撗b置的作用下，液壓驅(qū)動(dòng)式三缸壓裂泵的壓力脈動(dòng)等效于機(jī)械式五缸壓裂泵。

振動(dòng)與波；壓裂泵；液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵；脈動(dòng)抑制；氣缸；蓄能器

在水力壓裂作業(yè)中，壓裂泵作為主要核心元件，其工作性能、壽命和可靠性至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外壓裂泵多采用以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為動(dòng)力端的機(jī)械式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)，有很多學(xué)者對(duì)此展開了深入系統(tǒng)的研究[1–2]，此類壓裂泵應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，但是壓力和流量呈諧波變化，現(xiàn)有機(jī)械式三缸泵和五缸泵的流量脈動(dòng)率分別為23.06%和7.05%[3]，當(dāng)遇到系統(tǒng)阻抗后，壓力脈動(dòng)更大；且沖次高，沖程短，振動(dòng)大[4]，柱塞、閥門等易損件磨損嚴(yán)重[5]，壽命低，尤其是當(dāng)負(fù)載壓力較大時(shí)，連桿分力將柱塞壓向柱塞缸壁，造成柱塞偏磨，凸輪機(jī)構(gòu)往復(fù)泵也具有類似問題[6]。而液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵也可實(shí)現(xiàn)高壓大排量輸出，且沖程長(zhǎng)、沖次低、受力均勻，易損件壽命長(zhǎng)。根據(jù)壓裂泵的特點(diǎn)，借鑒液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵原理，提出并設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)式三缸壓裂泵及其液壓系統(tǒng)，搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，并采用AME Sim仿真軟件對(duì)該液壓系統(tǒng)輸出壓力和流量特性進(jìn)行仿真，與試驗(yàn)曲線對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；然后在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套用于壓裂泵的氣缸式蓄能器脈動(dòng)抑制裝置，對(duì)壓裂泵進(jìn)行了壓力和流量脈動(dòng)抑制研究。

1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接決定了液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵工作性能的優(yōu)劣。液壓驅(qū)動(dòng)式三缸壓裂泵的液壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖

液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1－5分別驅(qū)動(dòng)大排量開式柱塞泵6－10；液壓缸33－38及其驅(qū)動(dòng)的柱塞缸組成Ⅰ－Ⅲ三組液壓缸-柱塞缸體。各柱塞泵出油合流后，經(jīng)大流量液動(dòng)滑閥30－32分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的液壓缸無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓缸活塞桿直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)柱塞，并通過吸液?jiǎn)蜗蜷y51－56和排液?jiǎn)蜗蜷y45－50的配合，實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵的吸液和排液。在每組液壓缸行程末端安裝有接近開關(guān)，電磁換向閥27－29的電磁鐵DT1－DT6根據(jù)接近開關(guān)的脈沖信號(hào)分別控制滑閥30－32的換向，從而控制三組液壓缸的啟動(dòng)與換向，實(shí)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵柱塞的往復(fù)吸液和排液過程。若更換柱塞改變柱塞與活塞的面積比，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的壓力和流量組合。

將每組液壓缸的有桿腔互相連接，是為了使各組液壓缸的進(jìn)油和回油流量相等、液壓缸運(yùn)動(dòng)速度相同。此外，為降低輸出流量脈動(dòng)，設(shè)置初始狀態(tài)時(shí)活塞和柱塞組合體的位置如圖1所示，即：每組對(duì)應(yīng)的液壓缸活塞間隔1/3行程，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位換向。

與傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵的液壓系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)大排量柱塞泵，并將輸出的油液合流驅(qū)動(dòng)壓裂泵，可以方便地實(shí)現(xiàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率合流，降低了傳統(tǒng)機(jī)械式壓裂泵對(duì)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的要求。

（2）該液壓系統(tǒng)為“半開半閉式液壓系統(tǒng)”，即：將傳統(tǒng)開式液壓系統(tǒng)中的回油管與柱塞泵吸油管直接連接，齒輪泵出油經(jīng)冷卻系統(tǒng)后進(jìn)入柱塞泵吸油管為主系統(tǒng)補(bǔ)油，多余的油液通過背壓閥58流回液壓油箱。這樣設(shè)計(jì)的好處在于：與傳統(tǒng)開式液壓系統(tǒng)相比，背壓閥58為柱塞泵6－10的吸油管提供了一定的背壓，使得開式柱塞泵吸油管徑可以減小，系統(tǒng)重量減輕；與傳統(tǒng)閉式液壓系統(tǒng)相比，由于使用的是開式柱塞泵，成本降低；同時(shí)，系統(tǒng)兼具開式和閉式液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

2 仿真模型的建立

根據(jù)圖1所示的液壓原理圖，在仿真軟件AMESim中按照等效原則，使用HCD庫(kù)元件分別建立液壓缸、柱塞缸、液動(dòng)滑閥的仿真模型，并按照信號(hào)傳輸過程構(gòu)建液壓系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)仿真模型

同時(shí)搭建試驗(yàn)樣機(jī)，在樣機(jī)和仿真模型中均使用節(jié)流閥加載，并在節(jié)流閥前安裝壓力傳感器。因壓裂液成分中90.6%都是水[7]，所以仿真和試驗(yàn)中均使用水近似代替壓裂液。

仿真參數(shù)按樣機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)置如下：柱塞泵等效排量為570 ml/r；齒輪泵等效排量為71 ml/r；各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min；液動(dòng)滑閥各通路額定流量為2 300 L/min，對(duì)應(yīng)的壓降為1.4 MPa；液壓缸缸徑為180 mm，活塞桿徑為120 mm，柱塞直徑為95.25mm，活塞等運(yùn)動(dòng)部件等效質(zhì)量為270 kg，液壓缸啟動(dòng)壓力為0.5 MPa，行程為1.1 m；吸液和排液?jiǎn)蜗蜷y開啟壓力為0.06 MPa；背壓閥開啟壓力為0.02 MPa。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

調(diào)整節(jié)流閥開口大小，當(dāng)負(fù)載工況為55 MPa時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵仿真與試驗(yàn)輸出壓力曲線如圖3所示。

由圖3可知：

（1）與機(jī)械式壓裂泵類似，液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵也可以實(shí)現(xiàn)高壓輸出，且沖次較低，因此易損件磨損輕微，壽命更長(zhǎng)。

（2）壓裂泵仿真壓力和試驗(yàn)壓力曲線變化趨勢(shì)相似，穩(wěn)定運(yùn)行后仿真誤差在±10%以內(nèi)，證明仿真模型可用、正確。

圖3 液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵輸出壓力及誤差曲線

（3）由于液壓缸的泄漏、在液壓缸換向時(shí)刻的魏斯特法爾效應(yīng)和系統(tǒng)固有換向時(shí)間的影響，壓裂泵存在壓力和流量脈動(dòng)。壓裂泵最大壓力為61.2 MPa，最小壓力為46.3 MPa，平均壓力為54.9 MPa，壓力脈動(dòng)為27.16%。

若液壓泵排量不變，繼續(xù)調(diào)整節(jié)流閥開口大小，得到各負(fù)載工況下壓裂泵輸出壓力及其壓力脈動(dòng)如表1所示。

由表1可知，壓力脈動(dòng)隨負(fù)載壓力的增大而增大。這是因?yàn)椋?/p>

（1）主要原因：隨著負(fù)載壓力的增大，液壓系統(tǒng)壓力增大，導(dǎo)致液壓缸泄漏量增大；而由于制造誤差的原因，每組液壓缸泄漏量不同，使得各組液壓缸運(yùn)動(dòng)速度不完全相同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的錯(cuò)位換向，導(dǎo)致流量和壓力脈動(dòng)增大。

（2）次要原因：隨著負(fù)載壓力和液壓系統(tǒng)壓力的增大，油液和壓裂液的壓縮性對(duì)輸出流量的影響逐漸增大，導(dǎo)致輸出流量和壓力脈動(dòng)增大。

因此，應(yīng)采取措施抑制液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)才能將其應(yīng)用于壓裂施工中。

4 脈動(dòng)抑制研究

對(duì)于壓裂泵這種變壓系統(tǒng)，一般采用蓄能器組[8]或在管路中增加蓄能器[9]抑制其壓力脈動(dòng)，但是壓裂泵具有高壓大流量的特點(diǎn)，若在其出口直接并接蓄能器組，則蓄能器組工作壓力過高，所需容積較大，不僅體積龐大，成本高，而且安全性能降低[10]。因此，設(shè)計(jì)了一套氣缸式蓄能器脈動(dòng)抑制裝置。工作時(shí)，該裝置與液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵出口并接，如圖4所示。其中，為了保持通用性，柱塞缸3、柱塞4與圖1中的柱塞缸39－44及其柱塞完全相同。氣缸有桿腔經(jīng)由氣體呼吸口7與大氣相通。

圖4 氣缸式蓄能器脈動(dòng)抑制裝置

初始狀態(tài)下，通過充氣閥9預(yù)先對(duì)氣缸無(wú)桿腔充壓，使氣缸無(wú)桿腔的壓力與蓄能器組10的最低預(yù)充氣壓力相等，氣缸活塞及其活塞桿和柱塞全部伸出。當(dāng)壓裂液壓力升高時(shí)，壓裂泵輸出的高壓流體經(jīng)進(jìn)液口1進(jìn)入壓裂液腔2，通過柱塞和氣缸活塞面積比減壓后壓縮氣缸無(wú)桿腔內(nèi)的氣體和蓄能器組10的氣囊，柱塞4、活塞桿5和活塞8向右移動(dòng)，氣缸無(wú)桿腔的體積減小，蓄能器組10的氣囊壓縮，使壓力不再升高；反之，當(dāng)壓裂液壓力降低時(shí)，氣缸無(wú)桿腔和氣囊內(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。氣缸無(wú)桿腔與蓄能器組10一起抑制壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)，可以減小蓄能器組10的容積。在55 MPa工況下，蓄能器入口壓力約為15.4 MPa，在AME Sim仿真模型中加入該裝置后可得該裝置對(duì)壓裂泵輸出壓力與流量脈動(dòng)改善效果如圖5所示。

表1 不同負(fù)載壓力工況對(duì)輸出壓力的影響

由圖5可得到以下結(jié)論：

（1）該裝置可顯著降低液壓驅(qū)動(dòng)壓裂泵的壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)。當(dāng)采用容積為30 L、預(yù)充氣壓力為13 MPa（簡(jiǎn)記為：30 L@13 MPa）的蓄能器時(shí)，壓力脈動(dòng)抑制效果最好，由27.16%降低到7.37%。

（2）當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力一定時(shí)，壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)隨蓄能器容積的增大而減??；當(dāng)蓄能器容積一定時(shí)，壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)隨蓄能器預(yù)充氣壓力的增大而減小。

同理，在AME Sim仿真模型中加入該裝置后，在45 MPa、30 MPa和20 MPa工況下，蓄能器入口壓力分別約為13.2 MPa、8.0 MPa、5.6 MPa，該裝置對(duì)壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)改善效果分別如圖6（a）－圖（c）所示。

圖6 各工況下蓄能器參數(shù)對(duì)脈動(dòng)的影響

綜合圖5、圖6可得以下結(jié)論：

（1）當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力約為入口壓力的80%時(shí)，壓力脈動(dòng)和流量脈動(dòng)最小。

（2）蓄能器容積為30 L時(shí)，各工況下壓力脈動(dòng)最小。在55 MPa、45 MPa、30 MPa、20 MPa工況下，當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力分別為10 MPa～14 MPa、8 MPa～13 MPa、3 MPa～7 MPa、3 MPa～5 MPa時(shí)，壓力脈動(dòng)均小于10%。

（3）在氣缸無(wú)桿腔處，只需并聯(lián)2個(gè)容積為30 L、預(yù)充氣壓力分別為12 MPa和4 MPa的蓄能器即可將液壓驅(qū)動(dòng)式三缸壓裂泵輸出壓力脈動(dòng)降低到10%以內(nèi)，與機(jī)械式五缸壓裂泵壓力脈動(dòng)相當(dāng)。當(dāng)壓裂泵處于高壓工況時(shí)，30 L@12 MPa的蓄能器起主要作用；當(dāng)蓄能器處于低壓工況時(shí)，30 L@4 MPa的蓄能器起主要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式壓裂泵存在的沖次高、磨損嚴(yán)重、壽命低等問題，提出液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵；通過多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵實(shí)現(xiàn)功率合流驅(qū)動(dòng)壓裂泵，降低了傳統(tǒng)壓裂泵對(duì)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求；綜合開式和閉式液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“半開半閉式液壓系統(tǒng)”，重量輕，成本低，且兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。

（2）在AME Sim軟件中建立了仿真模型，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：液壓驅(qū)動(dòng)式壓裂泵也可以實(shí)現(xiàn)高壓輸出，但存在輸出壓力和流量脈動(dòng)，并隨著負(fù)載壓力的增大而增大，壓力脈動(dòng)最高可達(dá)27.16%。

（3）針對(duì)壓力和流量脈動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了一套氣缸式蓄能器脈動(dòng)抑制裝置。結(jié)果表明：該裝置可顯著降低壓力和流量脈動(dòng)，且脈動(dòng)隨蓄能器預(yù)充氣壓力或容積的增大而減??；使用2個(gè)容積為30 L、預(yù)充氣壓力分別為4 MPa和12 MPa的蓄能器即可將液壓式三缸壓裂泵的壓力脈動(dòng)降低到10%以內(nèi)，與機(jī)械式五缸壓裂泵的壓力脈動(dòng)相當(dāng)。

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Hydraulic System Design and Pulse Suppression of Hydraulic Drive Fracturing Pumps

YANGBo1,2,3,AN Hai-chao1,2,TIAN Wen-peng1,2,3
(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)

Aimed at the disadvantage that the traditional fracturing pumps have high frequency of stroke and short lifespan,the hydraulic drive fracturing pump is proposed.The half-open and half-close circuit hydraulic system is designed. Its simulation model and test prototype are built.The results show that the model is accurate.And the hydraulic drive fracturing pump can also achieve high pressure output.Because of the leakage of hydraulic cylinders,Westphal Phenomena and the natural switch time of the system,there exists pressure and flow pulsation in the fracturing pump.This pulsation increases with increasing of load pressure.According to the characteristics of the pressure and flow pulsation,the pulse suppression device,which consists of the piston cylinder,pneumatic cylinder and accumulator groups,is designed.The test results show that this device can significantly suppress the pressure and flow pulsation.And this pulsation decreases with the increase of the volume or pre-charged pressure of the accumulator.With the help of this device,the pulsation of the hydraulic drive fracturing pump with three cylinders is equivalent to the traditional fracturing pump with five cylinders.

vibration and wave;fracturing pump;hydraulic drive reciprocating pump;pulse suppression;cylinder; accumulator

TE938

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.010

1006-1355(2017)01-0044-05

2016-08-15

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAF07B08）

楊波（1988－），男，新疆維吾爾自治區(qū)奇臺(tái)縣人，博士研究生，研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制。E-mail:yangbo.228@163.com