，史青121212

(1.蘭州蘭石集團 蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點實驗室, 甘肅 蘭州 730314)

引言

伴隨大規(guī)模的頁巖氣勘探開發(fā)，壓裂作業(yè)需要大排量壓裂液攜帶砂粒泵注到井下。連續(xù)混配設備直接在施工現場配制壓裂液，形成高黏度的水粉混合壓裂液，能在3 min以內完成壓裂液混配，并且可以根據需要現場調整配方，殘液少，有效節(jié)省運輸成本，提高壓裂液質量，滿足了大型壓裂井場工廠化連續(xù)施工的要求，為頁巖氣大規(guī)模開發(fā)壓裂施工提供強大技術支持[1-2]。

液壓系統(tǒng)作為連續(xù)混配撬在壓裂作業(yè)中的液壓動力源，其設計的優(yōu)劣是關系到液壓系統(tǒng)能否可靠工作的關鍵。液壓技術在具有自身不可比擬優(yōu)勢的同時，也有效率較低，能量消耗大等不可忽視的缺點[3]。負載敏感系統(tǒng)以其高效、節(jié)能的特點被廣泛應用于工程機械、礦山機械等行業(yè)[4-6]。

本研究運用AMESim軟件對連續(xù)混配撬中負載敏感液壓系統(tǒng)進行仿真，得到不同工況條件下負載敏感泵的流量壓力曲線。

1 負載敏感系統(tǒng)結構及原理

負載敏感泵工作壓力和流量同時與負載壓力和系統(tǒng)所需流量相適應，又稱為功率匹配泵。泵工作壓力比負載壓力稍高，泵輸出流量根據系統(tǒng)所需流量調節(jié)，無溢流損失[7-8]。負載敏感泵原理圖如圖1所示，該閥組由負載敏感閥芯(LS閥芯)和最高壓力調節(jié)閥芯(PC閥芯)以及閥體構成，調節(jié)LS調節(jié)螺栓則能夠調節(jié)負載敏感閥的調定壓力，負載敏感閥的彈簧力較小且閥芯位移在調節(jié)過程中并不大，調定PC調節(jié)螺栓則能夠調節(jié)最高壓力調節(jié)閥的調定壓力。

1.負載敏感閥 2.最高壓力調定閥 3、4.變量缸 5.節(jié)流閥圖1 負載敏感泵原理圖

負載敏感閥的調定壓力是泵出口壓力與LS反饋回路壓力差Δp，通常該壓力范圍為1.5～2.5 MPa。壓差Δp值小，則系統(tǒng)壓力損失小，能源利用率高，但是控制難度大。壓差大，易于控制，但是壓力損失和能耗相應變大。當壓差Δp恒定時，負載壓力pL越大，液壓泵的輸出壓力p也隨之變大，系統(tǒng)效率提高[9]。

連續(xù)混配撬中，液添泵為清水和粉料的混合物添加殺菌劑、PH調節(jié)劑、黏土穩(wěn)定劑等液體添加劑，最終形成壓裂液基液輸送給混砂車以配置不同濃度的水基壓裂液[10]。其中，液添泵共有4臺，配有流量20～100 L/min液添泵3臺和流量50～400 L/min液添泵1臺。不同工況下，投入不同數量液添泵，并且液添泵扭矩也在不斷變化。因此，液壓系統(tǒng)中采用負載敏感泵通過負載敏感多路閥帶動液壓馬達轉動，由此驅動液添泵工作。

2 AMESim模型搭建

AMESim基于直觀的圖形界面平臺，提供了一個系統(tǒng)級工程設計的完整平臺，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析[11-12]。

2.1 液添泵液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

本研究利用AMESim仿真軟件對液添泵系統(tǒng)進行仿真分析和性能驗證。根據液添泵液壓系統(tǒng)原理圖，考慮到計算效率進行適當簡化，得到AMESim仿真模型如圖2所示。該模型可以通過調節(jié)可變節(jié)流閥給定信號大小模擬負載敏感多路閥閥口變化，通過減壓閥限定了節(jié)流閥進出口壓差。

圖2 液添泵液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

2.2 仿真參數的設置

根據液添泵液壓系統(tǒng)設計計算，得到AMESim仿真模型參數設置如表1所示。

液壓馬達1～3負載轉矩為給定階躍值261 N·m，液壓馬達4負載轉矩為給定階躍值278 N·m，仿真第一階段仿真時間30 s，可變節(jié)流閥給定信號為1，即閥口全部打開。

3 AMESim仿真結果分析

圖3給出了仿真模型中第一階段負載敏感泵流量變化曲線，圖4給出了第一階段泵出口及馬達入口壓力變化曲線。

由圖3可知，泵出口流量穩(wěn)定在168.43 L/min。由圖4可知，負載敏感泵出口壓力為21.712 MPa，液壓馬達1(對應負載為261 N·m)進口壓力為19.334 MPa，液壓馬達4(對應負載為278 N·m)進口壓力為20.453 MPa。由于液壓馬達4的負載大于液壓馬達1的負載，液壓馬達4的進口壓力大于液壓馬達1的進口壓力，泵出口壓力與進口壓力較大的馬達及液壓馬達4(對應負載為278 N·m)的差值約為負載敏感閥的設定壓力1.4 MPa。

表1 AMESim模型主要參數設定

圖3 負載敏感泵流量變化曲線

圖4 仿真第一階段泵出口及馬達入口壓力變化曲線

仿真第二階段，仿真時間共為30 s，馬達1～4負載轉矩設置如表2所示。得到了第二階段泵出口及馬達入口壓力變化曲線如圖5所示。

表2 仿真第二階段馬達1～4負載設定

圖5 仿真第二階段泵出口及馬達入口壓力變化曲線

由圖5可知，在變負載工況下，泵出口壓力隨負載轉矩變化而實時變化。在0～10 s和21～30 s區(qū)間，馬達4負載轉矩大于馬達1～3負載轉矩，泵出口壓力與馬達4進口壓力保持一定差值(負載敏感閥設定值)。在11～20 s區(qū)間，馬達1～3負載轉矩大于馬達4負載轉矩，泵出口壓力與馬達1～3進口壓力保持一定差值(負載敏感閥設定值)。泵出口壓力始終隨負載較大的馬達進口壓力變化。

仿真第三階段，將第一階段中液壓馬達3、4所對應的可變節(jié)流閥閥口給定信號均減小為0.5，即閥口打開一半，得到第一、三階段負載敏感泵流量變化曲線如圖6所示。仿真發(fā)現，負載敏感泵出口流量穩(wěn)定在131.71 L/min，相比于仿真第一階段，負載敏感泵流量減小了36.72 L/min。

根據閥口壓力流量計算公式:

(1)

式中，Q—— 通過流量

Cd—— 閥口流量系數

A—— 閥口過流面積

Δp—— 閥進出口壓差

ρ—— 油液密度

圖6 負載敏感泵流量變化曲線

由于液壓馬達3、4對應可變節(jié)流閥給定信號減半，閥口過流面積A減小，而其進出口壓差Δp由于減壓閥的限定保持不變，因此通過可變節(jié)流閥流量減小，即通過負載流量減小。同時因為可變節(jié)流閥閥口變小，如果泵排量保持不變，則泵出口壓力增大，可變節(jié)流閥進出口壓差增大，推動負載敏感閥閥芯向右移動，進而推動斜盤傾角減小，負載敏感泵排量減小。即負載敏感泵流量與負載所需流量相匹配。

在仿真第二階段，根據功率計算公式及功率傳感器測得數據，得到液壓泵及馬達1～4功率之和對比曲線如圖7所示。

圖7 功率對比曲線曲線

由圖7可知，在第0～10 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為60.92 kW，馬達1～4輸入功率總和為54.26 kW，在第11～20 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為57.88 kW，馬達1～4輸入功率總和為50.42 kW，在第21～30 s區(qū)間，液壓泵輸出功率為37.94 kW，馬達1～4輸入功率總和為28.49 kW，液壓泵輸出功率始終與液壓馬達所需功率相匹配。

4 結論

本研究通過AMESim軟件對連續(xù)混配撬中液添泵系統(tǒng)進行仿真，得到泵出口壓力與負載及泵輸出流量與負載所需流量變化的曲線。得到結論如下：

(1) 泵輸出流量穩(wěn)定時，泵出口壓力與各負載中最大壓力差值為負載敏感閥的設定壓力；

(2) 流量按需分配，在泵最大流量允許范圍內，泵輸出流量隨著負載所需流量的變化而變化，當負載所需流量減小時，泵輸出流量隨之減小，反之亦然；

(3) 負載敏感泵輸出功率始終與負載所需功率相匹配，無溢流損失，達到節(jié)能效果。

連續(xù)混配撬液添泵液壓系統(tǒng)中，由于負載扭矩不斷發(fā)生變化，負載敏感泵的使用，有效解決了連續(xù)混配撬液添泵應用過程中出現的能耗高，效率低等問題，液壓泵泵輸出功率始終與負載所需功率相匹配，達到節(jié)能效果。但在實際使用過程中，往往因為進口廠商負載敏感泵、負載敏感多路閥價格居高不下，供貨周期長等問題受到限制，同時國產元件由于加工制造水平有限而可替代性不強，因此，液壓系統(tǒng)中的關鍵元件的國產化設計生產成為后續(xù)發(fā)展進步亟待解決的問題之一。