液氮泵车液压系统设计与研究液氮泵车液压系统设计与研究

王显彬，宋祎平

(1.福建船政交通职业学院 福建福州 350007；2.东旭集团 北京 100053)

液氮泵车被广泛应用于石油、页岩气和煤层气等的开采行业，其与供水车、混砂车、管汇车等设备协同作业形成压裂设备组，用于向井内注入高压、大排量的压裂流体，将地层压开，把支撑剂挤入裂缝中，使油气从裂缝处流出，从而有效提高油气井采收率[1-2]。传统液氮泵车主要由底盘车、发动机、传动箱、高压液氮泵、蒸发器、液氮增压泵、液压系统、管路系统、操作控制系统、辅助装置等组成，其中液氮增压泵是液氮泵车的核心部件之一[3]。

按照液氮蒸发方式的不同，液氮泵车分为直燃式和非直燃式。非直燃式液氮设备即热回收式，系指蒸发器采用独立的水蒸发系统，利用台上发动机废气热量加热蒸发液氮。而直燃式设备采用柴油机燃烧产生的热量来蒸发液氮[4]。本文以某石油钻采设备有限公司生产PNT-640K直燃式液氮泵车为例，对台上发动机通过传动箱驱动高压五缸液氮泵机械传动部分进行大胆创新，设计出一种基于液压传动的液氮泵车液压系统。

1 液氮泵车液压系统总体方案

1.1 液氮泵车液压系统总体方案设计

该厂生产的PNT-640K液氮泵车台上发动机功率为700 kW，主要为柱塞泵和液压系统提供动力。液压系统包括闭式系统和开式系统，通过台上传动箱PTO取力驱动，闭式系统驱动蒸发器风扇；开式系统驱动灌注泵、润滑油泵、燃油泵、散热风扇马达并为排出旋塞阀控制提供动力等。本设计把一台大功率的发动机拆分为两台371 kW的小发动机，其总体布局如图1所示。

图1 液氮泵车总体布局图

1.2 液氮五缸泵液压系统

液氮五缸泵不再采用传统的机械传动驱动方式，而采用发动机-液压泵-液压马达-五缸柱塞泵的液压传动驱动方式，总传动效率为0.735。液压泵从不同的发动机取力，采用4个190变量液压泵合流的方式驱动4个160变量液压马达，液压马达通过分动箱驱动五缸液氮泵。

2 液氮泵液压系统设计

2.1 设计要求

PNT-640K液氮泵车最大工作压力为103.4 MPa，液氮泵的最大流量为433 L/min，其高压液氮泵主要作业参数如表1所示。

表1 PNT-640K液氮泵车作业参数表

由表1以及总传动效率可以得出，液氮泵的最大输入功率为：

700×0.735=514.5 kW

高压五缸液氮泵柱塞直径为2英寸(50.8 mm)，冲程为2.25英寸(57.15 mm)，一个完整的冲程容积为0.58 L，容积效率按0.85计算，则一个冲程输出0.492 L容积的液体。

由表1可以看出高压五缸柱塞泵最大转速为882 r/min。长时间工作时，4档和5档基本不推荐使用，五缸柱塞泵的转速应在208～882 r/min之间，流量在103～433 L/min之间，最高工作压力103.4 MPa。

由此可以得出高压五缸柱塞泵的最大输出功率为：

P0=PQ/60=103.4×433/60≈746 kW

式中，P0为五缸柱塞泵的最大输出功率(kW)，P为额定工作压力(MPa)，Q为泵的实际流量(L/min)。

2.2 液压系统总体设计

由图1可以看出，车台发动机除了给高压五缸液氮泵柱提供动力外，还要为离心式增压泵、蒸发器风扇、液压油冷却风扇、大泵动力端润滑、发动机冷却风扇、燃油驱动泵、发电机、空压机等提供动力。其功率分配如表2所示。

表2 功率分配表 kW

由表2可以看出车台柴油机的实际输出功率为：

N输出=N额定-N增-N蒸-N电-N燃-N风-N润滑

= 625.62 kW

液压系统的传动效率：

η液压=75%～85%，计算时取85%；

分动箱的机械效率：

η分=95%～98%，计算时取97% ；

柴油机实际提供给大泵的功率：

N泵输入=N输出×η液压×η分= 625.62×85%×97%≈515.8 kW >514.5 kW

即泵输入功率大于柱塞泵要求输入的功率。

2.3 液压系统压力流量分析

(1)190泵组的总流量：

式中，Q1为4组变量泵的总流量(L/min)，q为单个泵的排量(mL/r)，n为转速(r/min)，ηv为分动箱的机械效率，计算时取97%。

(2)190泵组的恒功率点压力：

式中，P为190泵组在恒功率点的压力，N为恒功率点时液压泵功率(N=541 kW)。

(3)190泵组满功率时最大、最小输出流量：

式中，Pmin和Pmax分别为泵的最小和最大压力。

(4)五缸泵输出的最高、最低转速：

式中，iB为液氮泵驱动马达的总传动比，计算时取0.825；iF为分动箱的总传动比，计算时取0.6716。

(5)五缸泵输出的最大、最小扭矩：

液压泵转速为2100 r/min，液压泵始终在恒功率点工作，即全部有效利用发动机的功率为541 kW。利用电比例调节液压马达的排量，其马达排量、马达转度和五缸液氮泵的转速如表3所示。

表3 马达排量、马达转度和五缸液氮泵的转速

由表3可以看出当马达转速小于2419 r/min时，将变量马达排量稳定在160 mL/r，逐渐增大柱塞泵的排量至极限流量190 mL/r，马达转速和大泵转速都会随之升高。当马达转速大于2419 r/min时，此时需要通过减少变量马达的排量来提升马达转速和大泵转速。

大泵在不同转速下的流量和出口压力的关系如表4所示。

液氮泵消耗功率为575.8 kW，分动箱效率按97%计算，则五缸柱塞泵输入功率为541.2 kW，液氮泵实际排量的容积效率按85%计算，则大泵输出端功率为460 kW。

2.4 方案对比

分别把表1中的PNT-640K液氮泵车作业参数表中的机械驱动五缸柱塞泵和表4中的液压驱动五缸柱塞泵流量、压力绘成曲线进行对比，如图2所示。

由图2可以看出液压驱动五缸柱塞增压泵和机械驱动五缸柱塞增压泵，作用效果基本相当。

表4 大泵转速、流量、压力的关系转速/(r·min-1)流量/(L·min-1)压力/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)图2 液压驱动和机械驱动五缸柱塞泵对比图

3 小结

通过方案对比可以看出，本文设计的液压驱动液氮泵车液压系统在传动能力上可以达到原机械式传动箱驱动高压五缸液氮泵系统，由于液压传动具有机械传动无可比拟的技术和成本优势，相信液压驱动五缸柱塞增压泵会在液氮泵车上得到越来越广泛的应用。