液压驱动压裂泵液压系统设计及其脉动的抑制

杨 波，安海超，田文朋

（1.长安大学 工程机械学院,西安 710064；2.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，西安 710064；3.三一重型能源装备有限公司，北京 102202）

液压驱动压裂泵液压系统设计及其脉动的抑制

杨 波1,2,3，安海超1,2，田文朋1,2,3

（1.长安大学 工程机械学院,西安 710064；2.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，西安 710064；3.三一重型能源装备有限公司，北京 102202）

针对传统机械式压裂泵冲次高、易损件寿命短等缺点，提出了液压驱动式压裂泵，设计了“半开半闭式液压系统”，建立了仿真模型，搭建了试验样机，结果表明：仿真模型准确，液压驱动式压裂泵也可以实现高压输出，受液压缸泄露、魏氏效应、系统固有换向时间的影响，压裂泵存在压力和流量脉动，且随负载压力的增大而增大。根据压力和流量脉动特点，设计了一套由柱塞缸、气缸和蓄能器组等构成的气缸式蓄能器脉动抑制装置，结果表明：该装置能显著抑制压力和流量脉动；且脉动随蓄能器容积或预充气压力的增大而减小；在该装置的作用下，液压驱动式三缸压裂泵的压力脉动等效于机械式五缸压裂泵。

振动与波；压裂泵；液压驱动往复泵；脉动抑制；气缸；蓄能器

在水力压裂作业中，压裂泵作为主要核心元件，其工作性能、寿命和可靠性至关重要。目前，国内外压裂泵多采用以曲柄连杆机构为动力端的机械式往复泵结构，有很多学者对此展开了深入系统的研究[1–2]，此类压裂泵应用广泛，技术成熟，但是压力和流量呈谐波变化，现有机械式三缸泵和五缸泵的流量脉动率分别为23.06%和7.05%[3]，当遇到系统阻抗后，压力脉动更大；且冲次高，冲程短，振动大[4]，柱塞、阀门等易损件磨损严重[5]，寿命低，尤其是当负载压力较大时，连杆分力将柱塞压向柱塞缸壁，造成柱塞偏磨，凸轮机构往复泵也具有类似问题[6]。而液压驱动往复泵也可实现高压大排量输出，且冲程长、冲次低、受力均匀，易损件寿命长。根据压裂泵的特点，借鉴液压驱动往复泵原理，提出并设计了液压驱动式三缸压裂泵及其液压系统，搭建了试验样机，并采用AME Sim仿真软件对该液压系统输出压力和流量特性进行仿真，与试验曲线对比分析，验证了模型的准确性；然后在此基础上，设计了一套用于压裂泵的气缸式蓄能器脉动抑制装置，对压裂泵进行了压力和流量脉动抑制研究。

1 液压系统的设计

液压系统的设计直接决定了液压驱动压裂泵工作性能的优劣。液压驱动式三缸压裂泵的液压系统工作原理简图如图1所示。

图1 液压系统工作原理简图

液压驱动压裂泵工作时，发动机1－5分别驱动大排量开式柱塞泵6－10；液压缸33－38及其驱动的柱塞缸组成Ⅰ－Ⅲ三组液压缸-柱塞缸体。各柱塞泵出油合流后，经大流量液动滑阀30－32分别进入对应的液压缸无杆腔，推动液压缸活塞杆直接驱动相应柱塞，并通过吸液单向阀51－56和排液单向阀45－50的配合，实现液压驱动压裂泵的吸液和排液。在每组液压缸行程末端安装有接近开关，电磁换向阀27－29的电磁铁DT1－DT6根据接近开关的脉冲信号分别控制滑阀30－32的换向，从而控制三组液压缸的启动与换向，实现液压驱动压裂泵柱塞的往复吸液和排液过程。若更换柱塞改变柱塞与活塞的面积比，可以实现更大范围的压力和流量组合。

将每组液压缸的有杆腔互相连接，是为了使各组液压缸的进油和回油流量相等、液压缸运动速度相同。此外，为降低输出流量脉动，设置初始状态时活塞和柱塞组合体的位置如图1所示，即：每组对应的液压缸活塞间隔1/3行程，实现错位换向。

与传统的液压驱动压裂泵的液压系统相比，该系统具有以下优点：

（1）使用多台发动机分别驱动大排量柱塞泵，并将输出的油液合流驱动压裂泵，可以方便地实现多台发动机的功率合流，降低了传统机械式压裂泵对单台发动机功率的要求。

（2）该液压系统为“半开半闭式液压系统”，即：将传统开式液压系统中的回油管与柱塞泵吸油管直接连接，齿轮泵出油经冷却系统后进入柱塞泵吸油管为主系统补油，多余的油液通过背压阀58流回液压油箱。这样设计的好处在于：与传统开式液压系统相比，背压阀58为柱塞泵6－10的吸油管提供了一定的背压，使得开式柱塞泵吸油管径可以减小，系统重量减轻；与传统闭式液压系统相比，由于使用的是开式柱塞泵，成本降低；同时，系统兼具开式和闭式液压系统的优点。

2 仿真模型的建立

根据图1所示的液压原理图，在仿真软件AMESim中按照等效原则，使用HCD库元件分别建立液压缸、柱塞缸、液动滑阀的仿真模型，并按照信号传输过程构建液压系统的仿真模型如图2所示。

图2 液压系统仿真模型

同时搭建试验样机，在样机和仿真模型中均使用节流阀加载，并在节流阀前安装压力传感器。因压裂液成分中90.6%都是水[7]，所以仿真和试验中均使用水近似代替压裂液。

仿真参数按样机实际参数设置如下：柱塞泵等效排量为570 ml/r；齿轮泵等效排量为71 ml/r；各发动机转速为2 200 r/min；液动滑阀各通路额定流量为2 300 L/min，对应的压降为1.4 MPa；液压缸缸径为180 mm，活塞杆径为120 mm，柱塞直径为95.25mm，活塞等运动部件等效质量为270 kg，液压缸启动压力为0.5 MPa，行程为1.1 m；吸液和排液单向阀开启压力为0.06 MPa；背压阀开启压力为0.02 MPa。

3 仿真与试验结果对比分析

调整节流阀开口大小，当负载工况为55 MPa时，液压驱动压裂泵仿真与试验输出压力曲线如图3所示。

由图3可知：

（1）与机械式压裂泵类似，液压驱动式压裂泵也可以实现高压输出，且冲次较低，因此易损件磨损轻微，寿命更长。

（2）压裂泵仿真压力和试验压力曲线变化趋势相似，稳定运行后仿真误差在±10%以内，证明仿真模型可用、正确。

图3 液压驱动式压裂泵输出压力及误差曲线

（3）由于液压缸的泄漏、在液压缸换向时刻的魏斯特法尔效应和系统固有换向时间的影响，压裂泵存在压力和流量脉动。压裂泵最大压力为61.2 MPa，最小压力为46.3 MPa，平均压力为54.9 MPa，压力脉动为27.16%。

若液压泵排量不变，继续调整节流阀开口大小，得到各负载工况下压裂泵输出压力及其压力脉动如表1所示。

由表1可知，压力脉动随负载压力的增大而增大。这是因为：

（1）主要原因：随着负载压力的增大，液压系统压力增大，导致液压缸泄漏量增大；而由于制造误差的原因，每组液压缸泄漏量不同，使得各组液压缸运动速度不完全相同，无法实现理想的错位换向，导致流量和压力脉动增大。

（2）次要原因：随着负载压力和液压系统压力的增大，油液和压裂液的压缩性对输出流量的影响逐渐增大，导致输出流量和压力脉动增大。

因此，应采取措施抑制液压驱动压裂泵输出压力脉动才能将其应用于压裂施工中。

4 脉动抑制研究

对于压裂泵这种变压系统，一般采用蓄能器组[8]或在管路中增加蓄能器[9]抑制其压力脉动，但是压裂泵具有高压大流量的特点，若在其出口直接并接蓄能器组，则蓄能器组工作压力过高，所需容积较大，不仅体积庞大，成本高，而且安全性能降低[10]。因此，设计了一套气缸式蓄能器脉动抑制装置。工作时，该装置与液压驱动压裂泵出口并接，如图4所示。其中，为了保持通用性，柱塞缸3、柱塞4与图1中的柱塞缸39－44及其柱塞完全相同。气缸有杆腔经由气体呼吸口7与大气相通。

图4 气缸式蓄能器脉动抑制装置

初始状态下，通过充气阀9预先对气缸无杆腔充压，使气缸无杆腔的压力与蓄能器组10的最低预充气压力相等，气缸活塞及其活塞杆和柱塞全部伸出。当压裂液压力升高时，压裂泵输出的高压流体经进液口1进入压裂液腔2，通过柱塞和气缸活塞面积比减压后压缩气缸无杆腔内的气体和蓄能器组10的气囊，柱塞4、活塞杆5和活塞8向右移动，气缸无杆腔的体积减小，蓄能器组10的气囊压缩，使压力不再升高；反之，当压裂液压力降低时，气缸无杆腔和气囊内的气体膨胀将压裂液腔2内的压裂液排出，减缓压裂液压力下降。气缸无杆腔与蓄能器组10一起抑制压裂泵输出压力脉动，可以减小蓄能器组10的容积。在55 MPa工况下，蓄能器入口压力约为15.4 MPa，在AME Sim仿真模型中加入该装置后可得该装置对压裂泵输出压力与流量脉动改善效果如图5所示。

表1 不同负载压力工况对输出压力的影响

由图5可得到以下结论：

（1）该装置可显著降低液压驱动压裂泵的压力脉动和流量脉动。当采用容积为30 L、预充气压力为13 MPa（简记为：30 L@13 MPa）的蓄能器时，压力脉动抑制效果最好，由27.16%降低到7.37%。

（2）当蓄能器预充气压力一定时，压裂泵输出压力脉动和流量脉动随蓄能器容积的增大而减小；当蓄能器容积一定时，压裂泵输出压力脉动和流量脉动随蓄能器预充气压力的增大而减小。

同理，在AME Sim仿真模型中加入该装置后，在45 MPa、30 MPa和20 MPa工况下，蓄能器入口压力分别约为13.2 MPa、8.0 MPa、5.6 MPa，该装置对压裂泵输出压力脉动改善效果分别如图6（a）－图（c）所示。

图6 各工况下蓄能器参数对脉动的影响

综合图5、图6可得以下结论：

（1）当蓄能器预充气压力约为入口压力的80%时，压力脉动和流量脉动最小。

（2）蓄能器容积为30 L时，各工况下压力脉动最小。在55 MPa、45 MPa、30 MPa、20 MPa工况下，当蓄能器预充气压力分别为10 MPa～14 MPa、8 MPa～13 MPa、3 MPa～7 MPa、3 MPa～5 MPa时，压力脉动均小于10%。

（3）在气缸无杆腔处，只需并联2个容积为30 L、预充气压力分别为12 MPa和4 MPa的蓄能器即可将液压驱动式三缸压裂泵输出压力脉动降低到10%以内，与机械式五缸压裂泵压力脉动相当。当压裂泵处于高压工况时，30 L@12 MPa的蓄能器起主要作用；当蓄能器处于低压工况时，30 L@4 MPa的蓄能器起主要作用。

5 结语

（1）针对传统机械式压裂泵存在的冲次高、磨损严重、寿命低等问题，提出液压驱动式压裂泵；通过多台发动机驱动液压泵实现功率合流驱动压裂泵，降低了传统压裂泵对单台发动机的功率要求；综合开式和闭式液压系统的优缺点，设计了“半开半闭式液压系统”，重量轻，成本低，且兼具二者的优点。

（2）在AME Sim软件中建立了仿真模型，并与试验结果对比分析验证了仿真模型的准确性，仿真和试验结果表明：液压驱动式压裂泵也可以实现高压输出，但存在输出压力和流量脉动，并随着负载压力的增大而增大，压力脉动最高可达27.16%。

（3）针对压力和流量脉动问题，设计了一套气缸式蓄能器脉动抑制装置。结果表明：该装置可显著降低压力和流量脉动，且脉动随蓄能器预充气压力或容积的增大而减小；使用2个容积为30 L、预充气压力分别为4 MPa和12 MPa的蓄能器即可将液压式三缸压裂泵的压力脉动降低到10%以内，与机械式五缸压裂泵的压力脉动相当。

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Hydraulic System Design and Pulse Suppression of Hydraulic Drive Fracturing Pumps

YANGBo1,2,3,AN Hai-chao1,2,TIAN Wen-peng1,2,3
(1.School of Construction Machinery,Chang’an University,Xi’an 710064,China; 2.National Engineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment,Chang’an University, Xi’an 710064,China; 3.SANY Heavy Energy Machinery Co.Ltd.,Beijing 102202,China)

Aimed at the disadvantage that the traditional fracturing pumps have high frequency of stroke and short lifespan,the hydraulic drive fracturing pump is proposed.The half-open and half-close circuit hydraulic system is designed. Its simulation model and test prototype are built.The results show that the model is accurate.And the hydraulic drive fracturing pump can also achieve high pressure output.Because of the leakage of hydraulic cylinders,Westphal Phenomena and the natural switch time of the system,there exists pressure and flow pulsation in the fracturing pump.This pulsation increases with increasing of load pressure.According to the characteristics of the pressure and flow pulsation,the pulse suppression device,which consists of the piston cylinder,pneumatic cylinder and accumulator groups,is designed.The test results show that this device can significantly suppress the pressure and flow pulsation.And this pulsation decreases with the increase of the volume or pre-charged pressure of the accumulator.With the help of this device,the pulsation of the hydraulic drive fracturing pump with three cylinders is equivalent to the traditional fracturing pump with five cylinders.

vibration and wave;fracturing pump;hydraulic drive reciprocating pump;pulse suppression;cylinder; accumulator

TE938

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.010

1006-1355(2017)01-0044-05

2016-08-15

“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAF07B08）

杨波（1988－），男，新疆维吾尔自治区奇台县人，博士研究生，研究方向为液压传动与控制。E-mail:yangbo.228@163.com