基于AMESim的連續(xù)混配撬負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真分析

，史青121212

(1.蘭州蘭石集團(tuán) 蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730314)

引言

伴隨大規(guī)模的頁巖氣勘探開發(fā)，壓裂作業(yè)需要大排量壓裂液攜帶砂粒泵注到井下。連續(xù)混配設(shè)備直接在施工現(xiàn)場(chǎng)配制壓裂液，形成高黏度的水粉混合壓裂液，能在3 min以內(nèi)完成壓裂液混配，并且可以根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整配方，殘液少，有效節(jié)省運(yùn)輸成本，提高壓裂液質(zhì)量，滿足了大型壓裂井場(chǎng)工廠化連續(xù)施工的要求，為頁巖氣大規(guī)模開發(fā)壓裂施工提供強(qiáng)大技術(shù)支持[1-2]。

液壓系統(tǒng)作為連續(xù)混配撬在壓裂作業(yè)中的液壓動(dòng)力源，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵。液壓技術(shù)在具有自身不可比擬優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也有效率較低，能量消耗大等不可忽視的缺點(diǎn)[3]。負(fù)載敏感系統(tǒng)以其高效、節(jié)能的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械等行業(yè)[4-6]。

本研究運(yùn)用AMESim軟件對(duì)連續(xù)混配撬中負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到不同工況條件下負(fù)載敏感泵的流量壓力曲線。

1 負(fù)載敏感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

負(fù)載敏感泵工作壓力和流量同時(shí)與負(fù)載壓力和系統(tǒng)所需流量相適應(yīng)，又稱為功率匹配泵。泵工作壓力比負(fù)載壓力稍高，泵輸出流量根據(jù)系統(tǒng)所需流量調(diào)節(jié)，無溢流損失[7-8]。負(fù)載敏感泵原理圖如圖1所示，該閥組由負(fù)載敏感閥芯(LS閥芯)和最高壓力調(diào)節(jié)閥芯(PC閥芯)以及閥體構(gòu)成，調(diào)節(jié)LS調(diào)節(jié)螺栓則能夠調(diào)節(jié)負(fù)載敏感閥的調(diào)定壓力，負(fù)載敏感閥的彈簧力較小且閥芯位移在調(diào)節(jié)過程中并不大，調(diào)定PC調(diào)節(jié)螺栓則能夠調(diào)節(jié)最高壓力調(diào)節(jié)閥的調(diào)定壓力。

1.負(fù)載敏感閥 2.最高壓力調(diào)定閥 3、4.變量缸 5.節(jié)流閥圖1 負(fù)載敏感泵原理圖

負(fù)載敏感閥的調(diào)定壓力是泵出口壓力與LS反饋回路壓力差Δp，通常該壓力范圍為1.5～2.5 MPa。壓差Δp值小，則系統(tǒng)壓力損失小，能源利用率高，但是控制難度大。壓差大，易于控制，但是壓力損失和能耗相應(yīng)變大。當(dāng)壓差Δp恒定時(shí)，負(fù)載壓力pL越大，液壓泵的輸出壓力p也隨之變大，系統(tǒng)效率提高[9]。

連續(xù)混配撬中，液添泵為清水和粉料的混合物添加殺菌劑、PH調(diào)節(jié)劑、黏土穩(wěn)定劑等液體添加劑，最終形成壓裂液基液輸送給混砂車以配置不同濃度的水基壓裂液[10]。其中，液添泵共有4臺(tái)，配有流量20～100 L/min液添泵3臺(tái)和流量50～400 L/min液添泵1臺(tái)。不同工況下，投入不同數(shù)量液添泵，并且液添泵扭矩也在不斷變化。因此，液壓系統(tǒng)中采用負(fù)載敏感泵通過負(fù)載敏感多路閥帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)液添泵工作。

2 AMESim模型搭建

AMESim基于直觀的圖形界面平臺(tái)，提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析[11-12]。

2.1 液添泵液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

本研究利用AMESim仿真軟件對(duì)液添泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和性能驗(yàn)證。根據(jù)液添泵液壓系統(tǒng)原理圖，考慮到計(jì)算效率進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，得到AMESim仿真模型如圖2所示。該模型可以通過調(diào)節(jié)可變節(jié)流閥給定信號(hào)大小模擬負(fù)載敏感多路閥閥口變化，通過減壓閥限定了節(jié)流閥進(jìn)出口壓差。

圖2 液添泵液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)液添泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，得到AMESim仿真模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

液壓馬達(dá)1～3負(fù)載轉(zhuǎn)矩為給定階躍值261 N·m，液壓馬達(dá)4負(fù)載轉(zhuǎn)矩為給定階躍值278 N·m，仿真第一階段仿真時(shí)間30 s，可變節(jié)流閥給定信號(hào)為1，即閥口全部打開。

3 AMESim仿真結(jié)果分析

圖3給出了仿真模型中第一階段負(fù)載敏感泵流量變化曲線，圖4給出了第一階段泵出口及馬達(dá)入口壓力變化曲線。

由圖3可知，泵出口流量穩(wěn)定在168.43 L/min。由圖4可知，負(fù)載敏感泵出口壓力為21.712 MPa，液壓馬達(dá)1(對(duì)應(yīng)負(fù)載為261 N·m)進(jìn)口壓力為19.334 MPa，液壓馬達(dá)4(對(duì)應(yīng)負(fù)載為278 N·m)進(jìn)口壓力為20.453 MPa。由于液壓馬達(dá)4的負(fù)載大于液壓馬達(dá)1的負(fù)載，液壓馬達(dá)4的進(jìn)口壓力大于液壓馬達(dá)1的進(jìn)口壓力，泵出口壓力與進(jìn)口壓力較大的馬達(dá)及液壓馬達(dá)4(對(duì)應(yīng)負(fù)載為278 N·m)的差值約為負(fù)載敏感閥的設(shè)定壓力1.4 MPa。

表1 AMESim模型主要參數(shù)設(shè)定

圖3 負(fù)載敏感泵流量變化曲線

圖4 仿真第一階段泵出口及馬達(dá)入口壓力變化曲線

仿真第二階段，仿真時(shí)間共為30 s，馬達(dá)1～4負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置如表2所示。得到了第二階段泵出口及馬達(dá)入口壓力變化曲線如圖5所示。

表2 仿真第二階段馬達(dá)1～4負(fù)載設(shè)定

圖5 仿真第二階段泵出口及馬達(dá)入口壓力變化曲線

由圖5可知，在變負(fù)載工況下，泵出口壓力隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而實(shí)時(shí)變化。在0～10 s和21～30 s區(qū)間，馬達(dá)4負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于馬達(dá)1～3負(fù)載轉(zhuǎn)矩，泵出口壓力與馬達(dá)4進(jìn)口壓力保持一定差值(負(fù)載敏感閥設(shè)定值)。在11～20 s區(qū)間，馬達(dá)1～3負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于馬達(dá)4負(fù)載轉(zhuǎn)矩，泵出口壓力與馬達(dá)1～3進(jìn)口壓力保持一定差值(負(fù)載敏感閥設(shè)定值)。泵出口壓力始終隨負(fù)載較大的馬達(dá)進(jìn)口壓力變化。

仿真第三階段，將第一階段中液壓馬達(dá)3、4所對(duì)應(yīng)的可變節(jié)流閥閥口給定信號(hào)均減小為0.5，即閥口打開一半，得到第一、三階段負(fù)載敏感泵流量變化曲線如圖6所示。仿真發(fā)現(xiàn)，負(fù)載敏感泵出口流量穩(wěn)定在131.71 L/min，相比于仿真第一階段，負(fù)載敏感泵流量減小了36.72 L/min。

根據(jù)閥口壓力流量計(jì)算公式:

(1)

式中，Q—— 通過流量

Cd—— 閥口流量系數(shù)

A—— 閥口過流面積

Δp—— 閥進(jìn)出口壓差

ρ—— 油液密度

圖6 負(fù)載敏感泵流量變化曲線

由于液壓馬達(dá)3、4對(duì)應(yīng)可變節(jié)流閥給定信號(hào)減半，閥口過流面積A減小，而其進(jìn)出口壓差Δp由于減壓閥的限定保持不變，因此通過可變節(jié)流閥流量減小，即通過負(fù)載流量減小。同時(shí)因?yàn)榭勺児?jié)流閥閥口變小，如果泵排量保持不變，則泵出口壓力增大，可變節(jié)流閥進(jìn)出口壓差增大，推動(dòng)負(fù)載敏感閥閥芯向右移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)斜盤傾角減小，負(fù)載敏感泵排量減小。即負(fù)載敏感泵流量與負(fù)載所需流量相匹配。

在仿真第二階段，根據(jù)功率計(jì)算公式及功率傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，得到液壓泵及馬達(dá)1～4功率之和對(duì)比曲線如圖7所示。

圖7 功率對(duì)比曲線曲線

由圖7可知，在第0～10 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為60.92 kW，馬達(dá)1～4輸入功率總和為54.26 kW，在第11～20 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為57.88 kW，馬達(dá)1～4輸入功率總和為50.42 kW，在第21～30 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為37.94 kW，馬達(dá)1～4輸入功率總和為28.49 kW，液壓泵輸出功率始終與液壓馬達(dá)所需功率相匹配。

4 結(jié)論

本研究通過AMESim軟件對(duì)連續(xù)混配撬中液添泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到泵出口壓力與負(fù)載及泵輸出流量與負(fù)載所需流量變化的曲線。得到結(jié)論如下：

(1) 泵輸出流量穩(wěn)定時(shí)，泵出口壓力與各負(fù)載中最大壓力差值為負(fù)載敏感閥的設(shè)定壓力；

(2) 流量按需分配，在泵最大流量允許范圍內(nèi)，泵輸出流量隨著負(fù)載所需流量的變化而變化，當(dāng)負(fù)載所需流量減小時(shí)，泵輸出流量隨之減小，反之亦然；

(3) 負(fù)載敏感泵輸出功率始終與負(fù)載所需功率相匹配，無溢流損失，達(dá)到節(jié)能效果。

連續(xù)混配撬液添泵液壓系統(tǒng)中，由于負(fù)載扭矩不斷發(fā)生變化，負(fù)載敏感泵的使用，有效解決了連續(xù)混配撬液添泵應(yīng)用過程中出現(xiàn)的能耗高，效率低等問題，液壓泵泵輸出功率始終與負(fù)載所需功率相匹配，達(dá)到節(jié)能效果。但在實(shí)際使用過程中，往往因?yàn)檫M(jìn)口廠商負(fù)載敏感泵、負(fù)載敏感多路閥價(jià)格居高不下，供貨周期長等問題受到限制，同時(shí)國產(chǎn)元件由于加工制造水平有限而可替代性不強(qiáng)，因此，液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)成為后續(xù)發(fā)展進(jìn)步亟待解決的問題之一。