基于液压传动的全液压压裂车的设计

基于液压传动的全液压压裂车的设计

0国产压裂车的主体压裂是原油生产中不可或缺的一项有效技术。超过70%的油气田需要压裂技术才能取得良好的开发效果。压裂施工是由压裂车、混砂车、管汇车、仪表车等成套设备组成。其中,压裂车承担了最重要的任务,设备的好坏直接影响了油田的开采。且随着复杂油气田、低渗透油田、煤层气田的开发以及近年来国家提出的页岩气开发等非常规压裂施工的出现,对压裂车的要求越来越高。常见压裂车输出功率为1490~1860kW,均采用机械传动方式,即上车主要由发动机、液力变矩器、变速箱、压裂泵、润滑系统、冷却系统和仪表及控制系统组成。其中大功率发动机、液力变矩器加变速箱、压裂泵等关键零部件均被国外少数几家企业垄断,售价高。据计算上述零部件成本占压裂车总成本的50%以上。因此,高成本、技术垄断等一直制约着国产压裂车的发展。三一重能首次提出了有别于以往机械传动的新传动方式———全液压传动,即把大功率发动机拆分成几个常见的小功率发动机,发动机带动多个液压泵合流之后驱动液压缸和输送缸,用输送缸泵送压裂液,解决压裂车成本高、技术长期被国外垄断的问题。1液压系统功能的确定常规2500型机械传动压裂车,其压裂泵出口最高压力约为140MPa左右;最大流量约为330m3/h,发动机功率为1860kW,且更大功率(2205kW以上)已成为压裂车发展新趋势。由此可见,如果要用全液压传动代替机械传动,液压系统必须具备能够满足作业要求的大功率(高压、大流量)的能力。整个系统按功能可分为三个部分:动力部分:发动机提供所需功率;传动部分:泵和阀控制油液的压力和流量;执行机构:油缸和输送缸。1.1原油系统原设计根据上述压裂车对液压系统的要求,设计了全液压压裂车,其液压原理图如图1。1.2发动机总功率传统2500型压裂车压裂泵输出功率为1860kW,在不降低压裂车功率的前提下设计全液压压裂车,其发动机总功率也设计为1980kW(其中一部分功率用于驱动散热器等辅助液压系统)。不同于传统压裂车用一台大功率发动机,此全液压压裂车共使用6台常规发动机,其中包括一台功率为280kW的底盘发动机,5台安装在上车功率为340kW的发动机。可大大降低成本,使装配国产发动机成为可能。1.3齿轮泵和ssc泵主油泵采取并联合流形式,用12个190cc/rev柱塞泵合流可满足为油缸提供所需液压油。每个发动机上串联安装2个190cc/rev主油泵和一个齿轮泵。其中,底盘发动机串联的齿轮泵为油缸连通腔换向补油并给蓄能器充压,做控制油源用。在每个主油泵泄油回路上安装高效风冷散热器。通过台上发动机串联的齿轮泵经风冷阀组后驱动散热器马达,为主油泵泄漏和系统溢流的液压油散热。控制油液处于热平衡状态,确保温度不会升高。主油泵的排量较大,泵的吸油口和出油口处均不加过滤器。采用回油箱油路加装过滤器、风扇泵高压出口加精过滤器的方式保证液压系统清洁度。1.4缸径、杆径、行程设计在此设计中考虑到要通过切换不同的输送缸来实现不同压力流量的要求,把油缸设计成同一种规格,输送缸设计成三种规格。故按照油缸缸径、杆径优选系列,油缸缸径、杆径、行程设计为280mm、135mm、3000mm,高、中、低输送缸缸径分别为140mm、200mm、280mm。采用换向阀和单向阀配合完成三种输送方式的自动切换。2计算液压裂车整体运行能力的计算2.1高压缸无杆腔流量计算高压工况下(仅用无杆腔工作),油缸运行的速度、每分钟的换向次数,压裂车排量和压力为:式中:v为油缸运行的线速度;Q为主油泵额定流量;S为油缸有杆腔或者无杆腔的面积。由此可以计算出高压工况油缸无杆腔进油时的线速度为1.2m/s。式中:V为油缸的容积,h为油缸的行程。由此可以计算出油缸无杆腔的容积为184L。式中:t1为单个油缸走完一个行程需要的时间,由此可以计算出单个行程运行时间为2.43s。式中:n为油缸每分钟的换向次数;t2为油缸换向间隔需要的时间,在此处取0.1s,由此可以计算出高压工况油缸无杆腔运行一分钟换向次数为23.7次/min。无杆腔工作时压裂车最大排量,即液压系统压力为16.8MPa及以下,主油泵满排量工作时:式中:V排为压裂车的排量;V输送缸为输送缸单个行程的排量。由此可以计算出高压组油缸无杆腔在没有达到恒功率点时最大排量为65.84m3/h。当液压系统压力大于主油泵恒功率设定压力,其排量会减小,流量会随之改变:式中:Q泵为液压泵在恒功率点以上的流量;p恒为液压泵的恒功率点压力,16.8MPa;p为液压泵的实际工作压力;当液压系统最高压力为35MPa,输送缸出口压力140MPa,液压泵排量只有在恒功率点排量的48%,进而得出高压油缸无杆腔进油工况最大工作压力工作时压裂车排量为31.6m3/h。高压组油缸无杆腔工作时参数如表1所列。当高压工况油缸在恒功率点和最高工作压力之间工作时的压力和排量如表2所列。2.2油缸工作时的参数参照高压组油缸计算方法,可以计算出低压组油缸工作时(仅用无杆腔工作)的参数,如表3所列。当低压工况油缸有杆腔在恒功率点和最高工作压力之间工作时的作业能力如表4所列。2.3高工作压力的作业能力参照高压组油缸计算方法,可以计算出中压组油缸功能工作时(无杆腔工作和有杆腔工作)的参数如表5所列。当中压工况油缸无杆腔在恒功率点和最高工作压力之间工作时作业能力如表6所列。根据计算结果把高压组无杆腔、中压组无杆腔、中压组有杆腔、低压组有杆腔和机械式压裂泵五种工作形式绘成压力-排量曲线,如图2,其中横坐标代表压力MPa,纵坐标代表流量L/min。由压力、流量曲线可以看出,全液压压裂车的作业能力,即压力和排量曲线和传统机械传动压裂车的作业性能相同。主油泵的恒功率控制与发动机功率得到了良好的匹配,使得发动机在工作中处于最佳的功率油耗比状态。3液压传动的展望对比机械传统压裂车,液压传动式具有以下优点。(1)从作业能力(压力和排量)方面考虑,全液压压裂车的作业能力与传动机械式压裂车的作业能力相同,可以满足油井对高压、大流量的需求。(2)从成本方面考虑,打破了长久以来大功率发动机、液力变速箱和压裂泵等机械传动压裂车用核心零部件国外垄断的现状,使昂贵的压裂车成本明显下降,使装配国产件成为可能。(3)从燃油经济性方面考虑,液压传动较机械传动的一个明显优势是可以更好地适应发动机功率(恒功率控制),大幅度提高效率,减少燃油消耗,降低运营成本。(4)从维护方面考虑,传动机械式压裂车关键零部件集成性较高、体积重量较大,施工现场拆卸维修困难,必须到专业大修厂维修,费时费力,延误工期。而全液压压裂车,其关键零部件体积较小,现场维修更换较方便。(5)油井对压裂设备的要求越来越高,大功率已成为发展趋势。然而要想在传动机械压裂车上实现大功率,就需要在已经很庞大大、很复杂发动机和液力变速箱上进行改进升级,这无疑会增加开发难度,阻碍压裂设备的发展。而借鉴全液压的功率合流和切换输送缸思想,就可以开发出更大功率压裂车。全液压压