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全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文檔作者：楊鑫張志強(qiáng) 田文朋吳軍郭軍文檔來源： 1．三一重型能源裝備有限公司 2．長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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2015年8月
第43卷第16期
機(jī)床與液壓
MACHINB TO0L &amp;amp; HYDRAULICS
Aug．2015
Vo1．43 No．16
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．16．024
全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
楊鑫 ，張志強(qiáng) ，田文朋 ，吳軍 ，郭軍
(1．三一重型能源裝備有限公司，北京102202；
2．長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064)
摘要：針對傳統(tǒng)的機(jī)械式壓裂車壽命短和成本高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種基于液壓傳動(dòng)的全液壓壓裂車，即采用發(fā)動(dòng)機(jī)一
液壓泵一液壓油缸一增壓缸的液壓傳動(dòng)方案。根據(jù)車輛工況需求，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)匹配計(jì)算及元器件選型。采用多臺(tái)
發(fā)動(dòng)機(jī)功率合流的形式以及取消機(jī)械傳動(dòng)的一些大部件，可以大大降低制造成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：全液壓壓裂車；液壓系統(tǒng)；參數(shù)計(jì)算；元件選型
中圖分類號(hào)：TE938 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-3881(2015)16-074-4
Design of Hydraulic System For Hydraulic Fracturing Truck
YANG Xin ，ZHANG Zhiqiang ，TIAN Wenpeng ，WU Jun ，GUO Jun
(1．Sany Heavy Energy Equipment Co．，Ltd．，Beijing 102202，China；2．Road Maintenance Equipment
National Engineering Laboratory，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China)
Abstract：To settle the shortcomings of short life span and high cost of traditional mechanical fracturing truck，hydraulic fracturing
truck based on hydraulic transmission Was designed．The hydraulic transmission scheme was engine—hydraulic pump—hydraulic cylinder—
pressure cylinder．The parameter matching of the hydraulic system and components selection were carried out according to the working
demands．Using the combination of several engines and canceling some big mechanical transmission parts，the manufacturing cost can
be greatly reduced which obvious economic benefit is brought．
Keywords：Hydraulic fracturing truck；Hydraulic system；Parameter calculation；Components selection
壓裂是油氣生產(chǎn)中不可缺少且行之有效的增產(chǎn)技
術(shù)．超過70％的油氣井需要壓裂技術(shù)才能收到較好
的開發(fā)效果。隨著復(fù)雜油氣藏、低滲透油田、煤層氣
田的開發(fā)及近年來國家提出的頁巖氣開發(fā)等非常規(guī)壓
裂的出現(xiàn)．對壓裂設(shè)備的要求越來越高。壓裂施工是
一成套施工設(shè)備協(xié)同作業(yè)來完成的，包括壓裂車、混
砂車、管匯車、儀表車等組成的壓裂機(jī)組，它向油氣
井內(nèi)注人大量高壓流體使井底地層具有足夠大的填砂
裂縫．以增加油氣的流動(dòng)性，從而提高油氣開采
率 。
目前，常見的壓裂車輸出功率為1．34～1．834
MW (1 800～2 500馬力)。均采用機(jī)械傳動(dòng)方式。上
車主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液力傳動(dòng)箱、液力變矩器(功率
低的不需要)、壓裂泵、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、儀表
及控制系統(tǒng)等組成[ 。壓裂泵多采用五缸柱塞泵，其
流量和壓力范圍覆蓋較小，且由于柱塞行程小而需要
頻繁換向，導(dǎo)致易損件壽命較短。整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)的組
成部件費(fèi)用昂貴，壓裂成本較高。針對以上主要弊
端．公司大膽創(chuàng)新．設(shè)計(jì)了全液壓傳動(dòng)的新型壓裂
車，用發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)接液壓泵直接驅(qū)動(dòng)液壓油缸的傳動(dòng)方
式，輸送缸參照混凝土泵車的泵送方式。采用多臺(tái)發(fā)
動(dòng)機(jī)功率合流的形式．以及取消了機(jī)械傳動(dòng)的一些大
部件，可以大大降低制造成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效
益。且混凝土泵車的泵送方式具有行程大、工作壓力
可變、易損件壽命長等優(yōu)點(diǎn)．提高了作業(yè)質(zhì)量和
效率。
對于該全液壓壓裂車。液壓系統(tǒng)尤其重要，決定
著該設(shè)備能否有效無誤地實(shí)現(xiàn)作業(yè)。設(shè)計(jì)一種滿足全
液壓壓裂車作業(yè)要求的液壓系統(tǒng)．并進(jìn)行關(guān)鍵元器件
的參數(shù)計(jì)算及選型。
1 液壓系統(tǒng)功能要求分析
1．1 恒定供油壓力、足夠供油流量
190油泵具有壓力切斷、恒功率和電控變排量功
能，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力31．5 MPa時(shí)，油泵的
壓力切斷功能起作用．油泵的斜盤傾角變小，流量變
小，使系統(tǒng)壓力降低至31．5 MPa以下(油泵的這3
種功能具有優(yōu)先級：第一是壓力切斷：第二是恒功
率：第三是電控變排量。也就是當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定
收稿日期：2014—07—07
作者簡介：楊鑫(1978一)，男，碩士，工程師，主要從事壓裂設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析等方面的研究。
E—mail：549688958@ qq．corn 。
第16期 楊鑫等：全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ·75·
壓力時(shí)壓力切斷先起作用，此時(shí)恒功率和電控變排量
不起作用：壓力在設(shè)定的壓力以內(nèi)時(shí)恒功率優(yōu)先于電
控變排量。當(dāng)油泵進(jìn)入恒功率時(shí)，壓力上升排量降
低，此時(shí)電控變排量不能控制油泵增加排量，但可以
減小排量)。
1．2 系統(tǒng)恒溫及保護(hù)
液壓系統(tǒng)油溫處于恒溫是由風(fēng)冷散熱器、油箱、
管路散熱來保證的。當(dāng)散熱功率與產(chǎn)生熱量的功率相
當(dāng)時(shí)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，溫度不會(huì)再升高。當(dāng)溫度
傳感器檢測到系統(tǒng)溫度超過設(shè)定的最高溫度(82 oC)
時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)斷電，整個(gè)系統(tǒng)不能運(yùn)行，等溫度
降低后可自動(dòng)恢復(fù)。
1．3 意外斷電保護(hù)
當(dāng)系統(tǒng)意外斷電時(shí)，輸送缸需立即停止工作，主
系統(tǒng)的電磁卸荷閥會(huì)將系統(tǒng)卸荷，防止系統(tǒng)壓力
吸料13
劇增。
1．4 壓力保護(hù)
壓力保護(hù)由油泵的壓力切斷功能和系統(tǒng)溢流閥功
能來完成。
1．5 過濾精度要求
系統(tǒng)利用5個(gè)回油過濾，避免液壓系統(tǒng)的雜質(zhì)進(jìn)
入油箱，同時(shí)有5個(gè)精度達(dá)到5 m的高壓油過濾器
保證這個(gè)系統(tǒng)液壓油清潔度達(dá)到納氏9級以上。
1．6 液位報(bào)警
液壓油箱裝有液位傳感器，當(dāng)油箱液位低于油箱
有效高度的1／2時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。
2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 確定液壓系統(tǒng)原理圖
根據(jù)對液壓系統(tǒng)所要完成的功能分析．確定全液
壓壓裂車液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
出料口
圖1 壓裂車液壓系統(tǒng)原理圖
該壓裂車液壓系統(tǒng)采用多泵合流為主系統(tǒng)供油， 器、風(fēng)扇泵高壓出口加精過濾器的方式保證液壓系統(tǒng)
可方便調(diào)整主系統(tǒng)的供油，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，并 的清潔。在每個(gè)主油泵泄油回路上均安裝有高效風(fēng)冷
且在主油路上設(shè)置蓄能器，緩沖系統(tǒng)壓力沖擊和短時(shí) 散熱器，保證系統(tǒng)油溫不致過高．溫度過高時(shí)控制系
間充放油。采用電比例控制變量泵，在安全壓力范圍 統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電，使整個(gè)系統(tǒng)停止工作。雙聯(lián)泵送油缸
內(nèi)可主動(dòng)控制系統(tǒng)的供油量，進(jìn)而可以主動(dòng)控制壓裂 采用自動(dòng)雙退活塞技術(shù)，方便易損件的更換和維修。
泵的輸送壓力。大泵的排量較大，泵的吸油13和出油 輸送缸可實(shí)現(xiàn)高低壓兩種方式的輸送，采用換向閥與
口處均不加吸油過濾器；所有回油箱油路加吸油過濾 單向閥配合完成兩種輸送方式的切換．保證了壓裂液
· 76· 機(jī)床與液壓 第43卷
的唯一輸送方向．滿足不同的工況要求。
2．2 確定液壓缸和液壓泵的參數(shù)
壓裂車屬非常規(guī)作業(yè)機(jī)械，作業(yè)工況變化較大，
為滿足極限工況要求．將輸送缸的輸送壓力設(shè)定為
140 MPa ]
， 液壓系統(tǒng)的最高工作壓力設(shè)定為35
MPa。
(1)確定液壓泵參數(shù)
車臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為5臺(tái)國三野發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為80
kW，轉(zhuǎn)速為2 100 r／min。底盤發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)國四日
野發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為280 kW。轉(zhuǎn)速為900 r／min。發(fā)動(dòng)
機(jī)總功率為680 kW。
油泵采取串泵的型式，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝2個(gè)190
串泵，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)上再串一個(gè)23 mL／r齒輪泵，為油
缸連通腔補(bǔ)油并給蓄能器充壓。做控制油源。
190油泵最高工作壓力設(shè)為35 MPa；齒輪泵最高
工作壓力設(shè)為16 MPa。
經(jīng)計(jì)算 ]：泵輸出流量為4 712 L／min，190油泵
恒功率點(diǎn)為20．3 MPa，齒輪泵流量為43．7 L／rain，
齒輪泵功率為1．7 kW。
(2)確定輸送液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)
標(biāo)桿壓裂泵出口最高壓力為140 MPa：最大流量
為330 m ／h，分為3．5 、3．75 、4 、4．5 、5 、6 。
液壓系統(tǒng)最高壓力35 MPa。由此可以得出油缸
無桿腔面積與輸送缸面積比為：S油缸無桿腔／S輸送缸=4。
由于油缸運(yùn)動(dòng)的線速度不能太高，高壓組油缸缸
徑、桿徑、行程設(shè)計(jì)為280、135、2 500 mm，輸送缸
缸徑為140 mm (無桿腔工作)；中壓組油缸缸徑、
桿徑、行程設(shè)計(jì)為280、135、2 500 mm，故輸送缸缸
徑為200 mm；低壓組油缸缸徑、桿徑、行程設(shè)計(jì)為
280、135、2 500 mm，輸送缸缸徑為280 mm (有桿
腔工作)。
壓力／MPa
圖2 油缸壓力與流量的關(guān)系曲線
圖2表示了此液壓式壓裂車和機(jī)械式壓裂車壓力
與流量的關(guān)系，其中曲線1表示機(jī)械式壓裂車的性
能。雖然此全液壓壓裂車選用的3種尺寸的油缸性能
曲線不連續(xù)、且變化范圍有限．但在對應(yīng)的工況下更
換柱塞，即可全部覆蓋機(jī)械式壓裂車整個(gè)壓力與流量
范圍，且可節(jié)約成本。即設(shè)計(jì)的全液壓壓裂車滿足
要求。
在此設(shè)計(jì)中考慮到要通過更換不同的輸送缸來實(shí)
現(xiàn)不同壓力和流量要求。把油缸設(shè)計(jì)成同一種油缸，
輸送缸設(shè)計(jì)成140、200、280 mm?？梢栽诓徊鹦队?
缸的情況下更換輸送缸．便于維護(hù)和用戶在不同油廠
工作時(shí)的不同壓力流量需求。
3 液壓元件選型設(shè)計(jì)
3．1 主控制閥、連通閥
主控制閥采用三位四通滑閥。此滑閥通流能力要
達(dá)到系統(tǒng)的最大流量。油缸有桿腔工作的時(shí)候，無桿
腔液壓油流量較大。經(jīng)計(jì)算：無桿腔連通采用2個(gè)
63的插裝閥并聯(lián)，局部流速達(dá)到8．2 m／s；有桿腔連
通采用與無桿腔相同的連接方式。
3．2 電磁卸荷溢流閥
19o油泵自身帶有壓力切斷，電磁卸荷溢流閥只
要滿足油泵在。排量時(shí)的流量即可。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需
要，19o油泵出廠時(shí)O排量約設(shè)置在總排量的lO％ 左
右，故用32通徑的電磁溢流閥即可。
3．3 190油泵出口單向閥
在每一個(gè)19o的出口設(shè)一個(gè)單向閥，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公
式 選取單向閥直徑
d：4．61x 萬 (1)
其中：d為單向閥直徑，p為系統(tǒng)流量， 為液壓油
流速(按照經(jīng)驗(yàn)取20 m／s)。經(jīng)計(jì)算需要25通徑的
單向閥。
3．4 高壓過濾器
高壓過濾器接在某一個(gè)油泵的出口，單個(gè)190泵
產(chǎn)生的最大流量為399 lMmin。
選型號(hào)為DFBN／HC800F10B1．1／．B6的壓油過濾
器，其最大流量為800 L／min，最大工作壓力為42
MPa，完全滿足系統(tǒng)要求。
3．5 蓄能器
(1)系統(tǒng)中的蓄能器
系統(tǒng)中換向需要蓄能器，按照蓄能器充壓經(jīng)驗(yàn)公
式選取蓄能器：
(2)
3 3 2
第16期 楊鑫等：全液壓壓裂車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ·77·
P 為系統(tǒng)最低工作壓力，MPa；
n為充壓過程指數(shù)，取0．85；
P 為蓄能器氮?dú)鈮毫?，MPa。
經(jīng)計(jì)算工作系統(tǒng)總流量為8．5 L／s，換向時(shí)間按
0．1 s計(jì)算．則蓄能器在0．1 s內(nèi)需給系統(tǒng)補(bǔ)充的液壓
油體積為7．85 L，蓄能器工作容積按AV=7．85 L計(jì)
算。把上述數(shù)據(jù)代入上式得 為12．93 L。故選2個(gè)
10 L的蓄能器。
(2)吸收連通腔沖擊的蓄能器
為了吸收連通腔的脈沖，根據(jù)蓄能器經(jīng)驗(yàn)公式選
取蓄能器。
根據(jù)蓄能器經(jīng)驗(yàn)公式得蓄能器容積：
： —
4xQxp2x(O．
—
016 4xL-t)
V=一 X× 1l0I- 一 (I3’)-
”
P2-pl
式中： 為所需蓄能器容積，in ；
P，為蓄能器最高工作壓力，MPa；
P 為蓄能器最低工作壓力，MPa；
Q為系統(tǒng)流量，I11 ／s；
為管道長度，nl；
t為閥全開到全閉時(shí)間，s。
無桿腔工作時(shí)，有桿腔連通，經(jīng)計(jì)算此時(shí)需要蓄
能器提供4．3l L的流量；有桿腔工作時(shí)，無桿腔連
通，經(jīng)計(jì)算此時(shí)需要蓄能器提供12．5 L的流量。故
選10 L的蓄能器，每組油缸用1個(gè)蓄能器。
3．6 散熱器
根據(jù)熱量(能量)平衡原理，熱流體放出的熱
量等于冷流體吸收的熱量 ]。
Q=G熱xC熱×(t熱1一t熱2)=G冷xC冷×( 冷l—t冷2) (4)
式中：Q為換熱量，kW；
G熱為熱流體質(zhì)量流量，kg／s；
c熱為熱流體比熱容，J／(kg·oC)；
t熱。、‘熱：分別為熱流體進(jìn)、出t3溫度，℃ ；
G冷為冷流體質(zhì)量流量，kg／s；
c冷為冷流體比熱容，J／(kg·oC)；
t冷 、 冷2分別為熱流體進(jìn)、出口溫度，℃ 。
再根據(jù)質(zhì)量流量公式和傳熱公式：
G熱=V熱 p熱 (5)
G冷= 冷 (6)
=了V (7)
Ql=KxFxAt (8)
式中： 為體積流量，1TI ／s；
P為流體密度，kg／In ；
／為通流面積，in ；
Q。為換熱量，kw；
F為換熱面積，in 。
而平均溫差 可由對數(shù)平均溫差公式計(jì)算得出：
= (9)
ll1一
其中： ?為(t熱 一At冷2)與(t~2-At冷1)兩者中之
大值， 為(t熱。一At冷2)與( 熱2一At冷1)兩者中之
小值。
(10)
正常工作壓力取25 MPa。此時(shí)油泵容積效率取
為90％，經(jīng)計(jì)算油泵損失的功率為196．3 kW。系統(tǒng)
壓力損失約為1．3 MPa，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)功率損失為1．9
kW。故需散熱器的散熱功率為288．2 kW，選300 kW
的散熱器。
3．7 油箱容積計(jì)算
經(jīng)計(jì)算壓裂車液壓系統(tǒng)油泵總流量4 712 L／min．
按照液壓油20 S循環(huán)一次計(jì)算，即油泵工作20 s時(shí)
需要的液壓油體積約為1 570 L，取整后液壓油箱有
效容積為1 600 L。
4 結(jié)論
通過合理設(shè)計(jì)及詳細(xì)計(jì)算，合理匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率
及各液壓件參數(shù)。實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)性能及整機(jī)性能參
數(shù)最優(yōu)。通過拆分動(dòng)力、液壓實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、降低液力端
單向閥開啟和關(guān)閉的次數(shù)，降低了成本，提高了易損
件壽命。
參考文獻(xiàn)：
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石油天然氣學(xué)報(bào)，2008(10)：364—366，
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地質(zhì)與工程，2008，22(5)：106—107．
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[4]周士昌．液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖集[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版
社．2008．
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經(jīng)濟(jì)，2012(28)：176-178．
[7]李壯云．液壓元件與系統(tǒng)[M]．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版
社，2005．

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