液氮泵車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究液氮泵車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王顯彬，宋祎平

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007；2.東旭集團(tuán) 北京 100053)

液氮泵車被廣泛應(yīng)用于石油、頁巖氣和煤層氣等的開采行業(yè)，其與供水車、混砂車、管匯車等設(shè)備協(xié)同作業(yè)形成壓裂設(shè)備組，用于向井內(nèi)注入高壓、大排量的壓裂流體，將地層壓開，把支撐劑擠入裂縫中，使油氣從裂縫處流出，從而有效提高油氣井采收率[1-2]。傳統(tǒng)液氮泵車主要由底盤車、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱、高壓液氮泵、蒸發(fā)器、液氮增壓泵、液壓系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、輔助裝置等組成，其中液氮增壓泵是液氮泵車的核心部件之一[3]。

按照液氮蒸發(fā)方式的不同，液氮泵車分為直燃式和非直燃式。非直燃式液氮設(shè)備即熱回收式，系指蒸發(fā)器采用獨(dú)立的水蒸發(fā)系統(tǒng)，利用臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量加熱蒸發(fā)液氮。而直燃式設(shè)備采用柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)液氮[4]。本文以某石油鉆采設(shè)備有限公司生產(chǎn)PNT-640K直燃式液氮泵車為例，對(duì)臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)高壓五缸液氮泵機(jī)械傳動(dòng)部分進(jìn)行大膽創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一種基于液壓傳動(dòng)的液氮泵車液壓系統(tǒng)。

1 液氮泵車液壓系統(tǒng)總體方案

1.1 液氮泵車液壓系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該廠生產(chǎn)的PNT-640K液氮泵車臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)功率為700 kW，主要為柱塞泵和液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)包括閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)，通過臺(tái)上傳動(dòng)箱PTO取力驅(qū)動(dòng)，閉式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器風(fēng)扇；開式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)灌注泵、潤滑油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇馬達(dá)并為排出旋塞閥控制提供動(dòng)力等。本設(shè)計(jì)把一臺(tái)大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)拆分為兩臺(tái)371 kW的小發(fā)動(dòng)機(jī)，其總體布局如圖1所示。

圖1 液氮泵車總體布局圖

1.2 液氮五缸泵液壓系統(tǒng)

液氮五缸泵不再采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，而采用發(fā)動(dòng)機(jī)-液壓泵-液壓馬達(dá)-五缸柱塞泵的液壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，總傳動(dòng)效率為0.735。液壓泵從不同的發(fā)動(dòng)機(jī)取力，采用4個(gè)190變量液壓泵合流的方式驅(qū)動(dòng)4個(gè)160變量液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)通過分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)五缸液氮泵。

2 液氮泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

PNT-640K液氮泵車最大工作壓力為103.4 MPa，液氮泵的最大流量為433 L/min，其高壓液氮泵主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 PNT-640K液氮泵車作業(yè)參數(shù)表

由表1以及總傳動(dòng)效率可以得出，液氮泵的最大輸入功率為：

700×0.735=514.5 kW

高壓五缸液氮泵柱塞直徑為2英寸(50.8 mm)，沖程為2.25英寸(57.15 mm)，一個(gè)完整的沖程容積為0.58 L，容積效率按0.85計(jì)算，則一個(gè)沖程輸出0.492 L容積的液體。

由表1可以看出高壓五缸柱塞泵最大轉(zhuǎn)速為882 r/min。長時(shí)間工作時(shí)，4檔和5檔基本不推薦使用，五缸柱塞泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)在208～882 r/min之間，流量在103～433 L/min之間，最高工作壓力103.4 MPa。

由此可以得出高壓五缸柱塞泵的最大輸出功率為：

P0=PQ/60=103.4×433/60≈746 kW

式中，P0為五缸柱塞泵的最大輸出功率(kW)，P為額定工作壓力(MPa)，Q為泵的實(shí)際流量(L/min)。

2.2 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由圖1可以看出，車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)除了給高壓五缸液氮泵柱提供動(dòng)力外，還要為離心式增壓泵、蒸發(fā)器風(fēng)扇、液壓油冷卻風(fēng)扇、大泵動(dòng)力端潤滑、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇、燃油驅(qū)動(dòng)泵、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)等提供動(dòng)力。其功率分配如表2所示。

表2 功率分配表 kW

由表2可以看出車臺(tái)柴油機(jī)的實(shí)際輸出功率為：

N輸出=N額定-N增-N蒸-N電-N燃-N風(fēng)-N潤滑

= 625.62 kW

液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)效率：

η液壓=75%～85%，計(jì)算時(shí)取85%；

分動(dòng)箱的機(jī)械效率：

η分=95%～98%，計(jì)算時(shí)取97% ；

柴油機(jī)實(shí)際提供給大泵的功率：

N泵輸入=N輸出×η液壓×η分= 625.62×85%×97%≈515.8 kW >514.5 kW

即泵輸入功率大于柱塞泵要求輸入的功率。

2.3 液壓系統(tǒng)壓力流量分析

(1)190泵組的總流量：

式中，Q1為4組變量泵的總流量(L/min)，q為單個(gè)泵的排量(mL/r)，n為轉(zhuǎn)速(r/min)，ηv為分動(dòng)箱的機(jī)械效率，計(jì)算時(shí)取97%。

(2)190泵組的恒功率點(diǎn)壓力：

式中，P為190泵組在恒功率點(diǎn)的壓力，N為恒功率點(diǎn)時(shí)液壓泵功率(N=541 kW)。

(3)190泵組滿功率時(shí)最大、最小輸出流量：

式中，Pmin和Pmax分別為泵的最小和最大壓力。

(4)五缸泵輸出的最高、最低轉(zhuǎn)速：

式中，iB為液氮泵驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的總傳動(dòng)比，計(jì)算時(shí)取0.825；iF為分動(dòng)箱的總傳動(dòng)比，計(jì)算時(shí)取0.6716。

(5)五缸泵輸出的最大、最小扭矩：

液壓泵轉(zhuǎn)速為2100 r/min，液壓泵始終在恒功率點(diǎn)工作，即全部有效利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為541 kW。利用電比例調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量，其馬達(dá)排量、馬達(dá)轉(zhuǎn)度和五缸液氮泵的轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3 馬達(dá)排量、馬達(dá)轉(zhuǎn)度和五缸液氮泵的轉(zhuǎn)速

由表3可以看出當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速小于2419 r/min時(shí)，將變量馬達(dá)排量穩(wěn)定在160 mL/r，逐漸增大柱塞泵的排量至極限流量190 mL/r，馬達(dá)轉(zhuǎn)速和大泵轉(zhuǎn)速都會(huì)隨之升高。當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速大于2419 r/min時(shí)，此時(shí)需要通過減少變量馬達(dá)的排量來提升馬達(dá)轉(zhuǎn)速和大泵轉(zhuǎn)速。

大泵在不同轉(zhuǎn)速下的流量和出口壓力的關(guān)系如表4所示。

液氮泵消耗功率為575.8 kW，分動(dòng)箱效率按97%計(jì)算，則五缸柱塞泵輸入功率為541.2 kW，液氮泵實(shí)際排量的容積效率按85%計(jì)算，則大泵輸出端功率為460 kW。

2.4 方案對(duì)比

分別把表1中的PNT-640K液氮泵車作業(yè)參數(shù)表中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)五缸柱塞泵和表4中的液壓驅(qū)動(dòng)五缸柱塞泵流量、壓力繪成曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

由圖2可以看出液壓驅(qū)動(dòng)五缸柱塞增壓泵和機(jī)械驅(qū)動(dòng)五缸柱塞增壓泵，作用效果基本相當(dāng)。

表4 大泵轉(zhuǎn)速、流量、壓力的關(guān)系轉(zhuǎn)速/(r·min-1)流量/(L·min-1)壓力/MPa10049.2103.420098.5103.4300147.7103.4350172.3103.4400196.9103.4450221.5103.4500246.1103.4550270.7101.9600295.393.4650319.986.2700344.680.1750369.274.7800393.870.1 Q/(L·min-1)圖2 液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)五缸柱塞泵對(duì)比圖

3 小結(jié)

通過方案對(duì)比可以看出，本文設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)液氮泵車液壓系統(tǒng)在傳動(dòng)能力上可以達(dá)到原機(jī)械式傳動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)高壓五缸液氮泵系統(tǒng)，由于液壓傳動(dòng)具有機(jī)械傳動(dòng)無可比擬的技術(shù)和成本優(yōu)勢，相信液壓驅(qū)動(dòng)五缸柱塞增壓泵會(huì)在液氮泵車上得到越來越廣泛的應(yīng)用。