液氮泵車液壓系統設計與研究液氮泵車液壓系統設計與研究

王顯彬，宋祎平

(1.福建船政交通職業學院 福建福州 350007；2.東旭集團 北京 100053)

液氮泵車被廣泛應用于石油、頁巖氣和煤層氣等的開采行業，其與供水車、混砂車、管匯車等設備協同作業形成壓裂設備組，用于向井內注入高壓、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]。傳統液氮泵車主要由底盤車、發動機、傳動箱、高壓液氮泵、蒸發器、液氮增壓泵、液壓系統、管路系統、操作控制系統、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。非直燃式液氮設備即熱回收式，系指蒸發器采用獨立的水蒸發系統，利用臺上發動機廢氣熱量加熱蒸發液氮。而直燃式設備采用柴油機燃燒產生的熱量來蒸發液氮[4]。本文以某石油鉆采設備有限公司生產PNT-640K直燃式液氮泵車為例，對臺上發動機通過傳動箱驅動高壓五缸液氮泵機械傳動部分進行大膽創新，設計出一種基于液壓傳動的液氮泵車液壓系統。

1 液氮泵車液壓系統總體方案

1.1 液氮泵車液壓系統總體方案設計

該廠生產的PNT-640K液氮泵車臺上發動機功率為700 kW，主要為柱塞泵和液壓系統提供動力。液壓系統包括閉式系統和開式系統，通過臺上傳動箱PTO取力驅動，閉式系統驅動蒸發器風扇；開式系統驅動灌注泵、潤滑油泵、燃油泵、散熱風扇馬達并為排出旋塞閥控制提供動力等。本設計把一臺大功率的發動機拆分為兩臺371 kW的小發動機，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

液氮五缸泵不再采用傳統的機械傳動驅動方式，而采用發動機-液壓泵-液壓馬達-五缸柱塞泵的液壓傳動驅動方式，總傳動效率為0.735。液壓泵從不同的發動機取力，采用4個190變量液壓泵合流的方式驅動4個160變量液壓馬達，液壓馬達通過分動箱驅動五缸液氮泵。

2 液氮泵液壓系統設計

2.1 設計要求

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參數如表1所示。

表1 PNT-640K液氮泵車作業參數表

由表1以及總傳動效率可以得出，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)，一個完整的沖程容積為0.58 L，容積效率按0.85計算，則一個沖程輸出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速為882 r/min。長時間工作時，4檔和5檔基本不推薦使用，五缸柱塞泵的轉速應在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為泵的實際流量(L/min)。

2.2 液壓系統總體設計

由圖1可以看出，車臺發動機除了給高壓五缸液氮泵柱提供動力外，還要為離心式增壓泵、蒸發器風扇、液壓油冷卻風扇、大泵動力端潤滑、發動機冷卻風扇、燃油驅動泵、發電機、空壓機等提供動力。其功率分配如表2所示。

表2 功率分配表 kW

由表2可以看出車臺柴油機的實際輸出功率為：

N輸出=N額定-N增-N蒸-N電-N燃-N風-N潤滑

= 625.62 kW

液壓系統的傳動效率：

η液壓=75%～85%，計算時取85%；

分動箱的機械效率：

η分=95%～98%，計算時取97% ；

柴油機實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為單個泵的排量(mL/r)，n為轉速(r/min)，ηv為分動箱的機械效率，計算時取97%。

(2)190泵組的恒功率點壓力：

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

(3)190泵組滿功率時最大、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、最低轉速：

式中，iB為液氮泵驅動馬達的總傳動比，計算時取0.825；iF為分動箱的總傳動比，計算時取0.6716。

(5)五缸泵輸出的最大、最小扭矩：

液壓泵轉速為2100 r/min，液壓泵始終在恒功率點工作，即全部有效利用發動機的功率為541 kW。利用電比例調節液壓馬達的排量，其馬達排量、馬達轉度和五缸液氮泵的轉速如表3所示。

表3 馬達排量、馬達轉度和五缸液氮泵的轉速

由表3可以看出當馬達轉速小于2419 r/min時，將變量馬達排量穩定在160 mL/r，逐漸增大柱塞泵的排量至極限流量190 mL/r，馬達轉速和大泵轉速都會隨之升高。當馬達轉速大于2419 r/min時，此時需要通過減少變量馬達的排量來提升馬達轉速和大泵轉速。

大泵在不同轉速下的流量和出口壓力的關系如表4所示。

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

2.4 方案對比

分別把表1中的PNT-640K液氮泵車作業參數表中的機械驅動五缸柱塞泵和表4中的液壓驅動五缸柱塞泵流量、壓力繪成曲線進行對比，如圖2所示。

由圖2可以看出液壓驅動五缸柱塞增壓泵和機械驅動五缸柱塞增壓泵，作用效果基本相當。

表4 大泵轉速、流量、壓力的關系轉速/(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 液壓驅動和機械驅動五缸柱塞泵對比圖

3 小結

通過方案對比可以看出，本文設計的液壓驅動液氮泵車液壓系統在傳動能力上可以達到原機械式傳動箱驅動高壓五缸液氮泵系統，由于液壓傳動具有機械傳動無可比擬的技術和成本優勢，相信液壓驅動五缸柱塞增壓泵會在液氮泵車上得到越來越廣泛的應用。