王顯彬，宋祎平

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007；2.東旭集團 北京 100053)

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

1 液氮泵車液壓系統(tǒng)總體方案

1.1 液氮泵車液壓系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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

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

2 液氮泵液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)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(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 PNT-640K液氮泵車作業(yè)參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速應(yīng)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(tǒng)總體設(shè)計

由圖1可以看出，車臺發(fā)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(fā)器風(fēng)扇、液壓油冷卻風(fēng)扇、大泵動力端潤滑、發(fā)動機冷卻風(fēng)扇、燃油驅(qū)動泵、發(fā)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(fēng)-N潤滑

= 625.62 kW

液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速：

式中，iB為液氮泵驅(qū)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(zhuǎn)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(fā)動機的功率為541 kW。利用電比例調(diào)節(jié)液壓馬達的排量，其馬達排量、馬達轉(zhuǎn)度和五缸液氮泵的轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3 馬達排量、馬達轉(zhuǎn)度和五缸液氮泵的轉(zhuǎn)速

由表3可以看出當(dāng)馬達轉(zhuǎn)速小于2419 r/min時，將變量馬達排量穩(wěn)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(zhuǎn)速和大泵轉(zhuǎn)速都會隨之升高。當(dāng)馬達轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和大泵轉(zhuǎn)速。

大泵在不同轉(zhuǎn)速下的流量和出口壓力的關(guān)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(yè)參數(shù)表中的機械驅(qū)動五缸柱塞泵和表4中的液壓驅(qū)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(qū)動五缸柱塞增壓泵和機械驅(qū)動五缸柱塞增壓泵，作用效果基本相當(dāng)。

表4 大泵轉(zhuǎn)速、流量、壓力的關(guān)系轉(zhuǎn)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(qū)動和機械驅(qū)動五缸柱塞泵對比圖

3 小結(jié)

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