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全液压压裂车液压系统设计

文档作者：杨鑫张志强田文朋吴军郭军文档来源： 1．三一重型能源装备有限公司 2．长安大学公路养护装备国家工程实验室，		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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2015年8月
第43卷第16期
机床与液压
MACHINB TO0L &amp;amp; HYDRAULICS
Aug．2015
Vo1．43 No．16
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2015．16．024
全液压压裂车液压系统设计
杨鑫 ，张志强 ，田文朋 ，吴军 ，郭军
(1．三一重型能源装备有限公司，北京102202；
2．长安大学公路养护装备国家工程实验室，陕西西安710064)
摘要：针对传统的机械式压裂车寿命短和成本高的缺点，设计出一种基于液压传动的全液压压裂车，即采用发动机一
液压泵一液压油缸一增压缸的液压传动方案。根据车辆工况需求，对液压系统进行了参数匹配计算及元器件选型。采用多台
发动机功率合流的形式以及取消机械传动的一些大部件，可以大大降低制造成本，具有明显的经济效益。
关键词：全液压压裂车；液压系统；参数计算；元件选型
中图分类号：TE938 文献标志码：B 文章编号：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
压裂是油气生产中不可缺少且行之有效的增产技
术．超过70％的油气井需要压裂技术才能收到较好
的开发效果。随着复杂油气藏、低渗透油田、煤层气
田的开发及近年来国家提出的页岩气开发等非常规压
裂的出现．对压裂设备的要求越来越高。压裂施工是
一成套施工设备协同作业来完成的，包括压裂车、混
砂车、管汇车、仪表车等组成的压裂机组，它向油气
井内注人大量高压流体使井底地层具有足够大的填砂
裂缝．以增加油气的流动性，从而提高油气开采
率 。
目前，常见的压裂车输出功率为1．34～1．834
MW (1 800～2 500马力)。均采用机械传动方式。上
车主要由发动机、液力传动箱、液力变矩器(功率
低的不需要)、压裂泵、燃油系统、润滑系统、仪表
及控制系统等组成[ 。压裂泵多采用五缸柱塞泵，其
流量和压力范围覆盖较小，且由于柱塞行程小而需要
频繁换向，导致易损件寿命较短。整个机械传动的组
成部件费用昂贵，压裂成本较高。针对以上主要弊
端．公司大胆创新．设计了全液压传动的新型压裂
车，用发动机联接液压泵直接驱动液压油缸的传动方
式，输送缸参照混凝土泵车的泵送方式。采用多台发
动机功率合流的形式．以及取消了机械传动的一些大
部件，可以大大降低制造成本，具有明显的经济效
益。且混凝土泵车的泵送方式具有行程大、工作压力
可变、易损件寿命长等优点．提高了作业质量和
效率。
对于该全液压压裂车。液压系统尤其重要，决定
着该设备能否有效无误地实现作业。设计一种满足全
液压压裂车作业要求的液压系统．并进行关键元器件
的参数计算及选型。
1 液压系统功能要求分析
1．1 恒定供油压力、足够供油流量
190油泵具有压力切断、恒功率和电控变排量功
能，当系统压力达到设定压力31．5 MPa时，油泵的
压力切断功能起作用．油泵的斜盘倾角变小，流量变
小，使系统压力降低至31．5 MPa以下(油泵的这3
种功能具有优先级：第一是压力切断：第二是恒功
率：第三是电控变排量。也就是当系统压力超过设定
收稿日期：2014—07—07
作者简介：杨鑫(1978一)，男，硕士，工程师，主要从事压裂设备的液压系统设计与系统动态分析等方面的研究。
E—mail：549688958@ qq．corn 。
第16期 杨鑫等：全液压压裂车液压系统设计 ·75·
压力时压力切断先起作用，此时恒功率和电控变排量
不起作用：压力在设定的压力以内时恒功率优先于电
控变排量。当油泵进入恒功率时，压力上升排量降
低，此时电控变排量不能控制油泵增加排量，但可以
减小排量)。
1．2 系统恒温及保护
液压系统油温处于恒温是由风冷散热器、油箱、
管路散热来保证的。当散热功率与产生热量的功率相
当时系统处于热平衡状态，温度不会再升高。当温度
传感器检测到系统温度超过设定的最高温度(82 oC)
时，控制系统自动断电，整个系统不能运行，等温度
降低后可自动恢复。
1．3 意外断电保护
当系统意外断电时，输送缸需立即停止工作，主
系统的电磁卸荷阀会将系统卸荷，防止系统压力
吸料13
剧增。
1．4 压力保护
压力保护由油泵的压力切断功能和系统溢流阀功
能来完成。
1．5 过滤精度要求
系统利用5个回油过滤，避免液压系统的杂质进
入油箱，同时有5个精度达到5 m的高压油过滤器
保证这个系统液压油清洁度达到纳氏9级以上。
1．6 液位报警
液压油箱装有液位传感器，当油箱液位低于油箱
有效高度的1／2时，系统报警。
2 液压系统设计
2．1 确定液压系统原理图
根据对液压系统所要完成的功能分析．确定全液
压压裂车液压系统原理图如图1所示。
出料口
图1 压裂车液压系统原理图
该压裂车液压系统采用多泵合流为主系统供油， 器、风扇泵高压出口加精过滤器的方式保证液压系统
可方便调整主系统的供油，提高整个系统的效率，并 的清洁。在每个主油泵泄油回路上均安装有高效风冷
且在主油路上设置蓄能器，缓冲系统压力冲击和短时 散热器，保证系统油温不致过高．温度过高时控制系
间充放油。采用电比例控制变量泵，在安全压力范围 统会自动断电，使整个系统停止工作。双联泵送油缸
内可主动控制系统的供油量，进而可以主动控制压裂 采用自动双退活塞技术，方便易损件的更换和维修。
泵的输送压力。大泵的排量较大，泵的吸油13和出油 输送缸可实现高低压两种方式的输送，采用换向阀与
口处均不加吸油过滤器；所有回油箱油路加吸油过滤 单向阀配合完成两种输送方式的切换．保证了压裂液
· 76· 机床与液压 第43卷
的唯一输送方向．满足不同的工况要求。
2．2 确定液压缸和液压泵的参数
压裂车属非常规作业机械，作业工况变化较大，
为满足极限工况要求．将输送缸的输送压力设定为
140 MPa ]
， 液压系统的最高工作压力设定为35
MPa。
(1)确定液压泵参数
车台发动机为5台国三野发动机，功率为80
kW，转速为2 100 r／min。底盘发动机为1台国四日
野发动机，功率为280 kW。转速为900 r／min。发动
机总功率为680 kW。
油泵采取串泵的型式，每台发动机安装2个190
串泵，底盘发动机上再串一个23 mL／r齿轮泵，为油
缸连通腔补油并给蓄能器充压。做控制油源。
190油泵最高工作压力设为35 MPa；齿轮泵最高
工作压力设为16 MPa。
经计算 ]：泵输出流量为4 712 L／min，190油泵
恒功率点为20．3 MPa，齿轮泵流量为43．7 L／rain，
齿轮泵功率为1．7 kW。
(2)确定输送液压缸的主要技术参数
标杆压裂泵出口最高压力为140 MPa：最大流量
为330 m ／h，分为3．5 、3．75 、4 、4．5 、5 、6 。
液压系统最高压力35 MPa。由此可以得出油缸
无杆腔面积与输送缸面积比为：S油缸无杆腔／S输送缸=4。
由于油缸运动的线速度不能太高，高压组油缸缸
径、杆径、行程设计为280、135、2 500 mm，输送缸
缸径为140 mm (无杆腔工作)；中压组油缸缸径、
杆径、行程设计为280、135、2 500 mm，故输送缸缸
径为200 mm；低压组油缸缸径、杆径、行程设计为
280、135、2 500 mm，输送缸缸径为280 mm (有杆
腔工作)。
压力／MPa
图2 油缸压力与流量的关系曲线
图2表示了此液压式压裂车和机械式压裂车压力
与流量的关系，其中曲线1表示机械式压裂车的性
能。虽然此全液压压裂车选用的3种尺寸的油缸性能
曲线不连续、且变化范围有限．但在对应的工况下更
换柱塞，即可全部覆盖机械式压裂车整个压力与流量
范围，且可节约成本。即设计的全液压压裂车满足
要求。
在此设计中考虑到要通过更换不同的输送缸来实
现不同压力和流量要求。把油缸设计成同一种油缸，
输送缸设计成140、200、280 mm。可以在不拆卸油
缸的情况下更换输送缸．便于维护和用户在不同油厂
工作时的不同压力流量需求。
3 液压元件选型设计
3．1 主控制阀、连通阀
主控制阀采用三位四通滑阀。此滑阀通流能力要
达到系统的最大流量。油缸有杆腔工作的时候，无杆
腔液压油流量较大。经计算：无杆腔连通采用2个
63的插装阀并联，局部流速达到8．2 m／s；有杆腔连
通采用与无杆腔相同的连接方式。
3．2 电磁卸荷溢流阀
19o油泵自身带有压力切断，电磁卸荷溢流阀只
要满足油泵在。排量时的流量即可。由于系统设计需
要，19o油泵出厂时O排量约设置在总排量的lO％ 左
右，故用32通径的电磁溢流阀即可。
3．3 190油泵出口单向阀
在每一个19o的出口设一个单向阀，根据经验公
式 选取单向阀直径
d：4．61x 万 (1)
其中：d为单向阀直径，p为系统流量， 为液压油
流速(按照经验取20 m／s)。经计算需要25通径的
单向阀。
3．4 高压过滤器
高压过滤器接在某一个油泵的出口，单个190泵
产生的最大流量为399 lMmin。
选型号为DFBN／HC800F10B1．1／．B6的压油过滤
器，其最大流量为800 L／min，最大工作压力为42
MPa，完全满足系统要求。
3．5 蓄能器
(1)系统中的蓄能器
系统中换向需要蓄能器，按照蓄能器充压经验公
式选取蓄能器：
(2)
3 3 2
第16期 杨鑫等：全液压压裂车液压系统设计 ·77·
P 为系统最低工作压力，MPa；
n为充压过程指数，取0．85；
P 为蓄能器氮气压力，MPa。
经计算工作系统总流量为8．5 L／s，换向时间按
0．1 s计算．则蓄能器在0．1 s内需给系统补充的液压
油体积为7．85 L，蓄能器工作容积按AV=7．85 L计
算。把上述数据代入上式得 为12．93 L。故选2个
10 L的蓄能器。
(2)吸收连通腔冲击的蓄能器
为了吸收连通腔的脉冲，根据蓄能器经验公式选
取蓄能器。
根据蓄能器经验公式得蓄能器容积：
： —
4xQxp2x(O．
—
016 4xL-t)
V=一 X× 1l0I- 一 (I3’)-
”
P2-pl
式中： 为所需蓄能器容积，in ；
P，为蓄能器最高工作压力，MPa；
P 为蓄能器最低工作压力，MPa；
Q为系统流量，I11 ／s；
为管道长度，nl；
t为阀全开到全闭时间，s。
无杆腔工作时，有杆腔连通，经计算此时需要蓄
能器提供4．3l L的流量；有杆腔工作时，无杆腔连
通，经计算此时需要蓄能器提供12．5 L的流量。故
选10 L的蓄能器，每组油缸用1个蓄能器。
3．6 散热器
根据热量(能量)平衡原理，热流体放出的热
量等于冷流体吸收的热量 ]。
Q=G热xC热×(t热1一t热2)=G冷xC冷×( 冷l—t冷2) (4)
式中：Q为换热量，kW；
G热为热流体质量流量，kg／s；
c热为热流体比热容，J／(kg·oC)；
t热。、‘热：分别为热流体进、出t3温度，℃ ；
G冷为冷流体质量流量，kg／s；
c冷为冷流体比热容，J／(kg·oC)；
t冷 、 冷2分别为热流体进、出口温度，℃ 。
再根据质量流量公式和传热公式：
G热=V热 p热 (5)
G冷= 冷 (6)
=了V (7)
Ql=KxFxAt (8)
式中： 为体积流量，1TI ／s；
P为流体密度，kg／In ；
／为通流面积，in ；
Q。为换热量，kw；
F为换热面积，in 。
而平均温差 可由对数平均温差公式计算得出：
= (9)
ll1一
其中： ⋯为(t热 一At冷2)与(t~2-At冷1)两者中之
大值， 为(t热。一At冷2)与( 热2一At冷1)两者中之
小值。
(10)
正常工作压力取25 MPa。此时油泵容积效率取
为90％，经计算油泵损失的功率为196．3 kW。系统
压力损失约为1．3 MPa，经计算系统功率损失为1．9
kW。故需散热器的散热功率为288．2 kW，选300 kW
的散热器。
3．7 油箱容积计算
经计算压裂车液压系统油泵总流量4 712 L／min．
按照液压油20 S循环一次计算，即油泵工作20 s时
需要的液压油体积约为1 570 L，取整后液压油箱有
效容积为1 600 L。
4 结论
通过合理设计及详细计算，合理匹配发动机功率
及各液压件参数。实现了液压系统性能及整机性能参
数最优。通过拆分动力、液压实现传动、降低液力端
单向阀开启和关闭的次数，降低了成本，提高了易损
件寿命。
参考文献：
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石油天然气学报，2008(10)：364—366，
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地质与工程，2008，22(5)：106—107．
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