某平台钻井设备HPU液压站制冷系统升级改造

吴蕾

摘要：某钻井平台在正常作业过程中，经常出现钻井设备总HPU液压站的液压系统运转温度过高的情况，导致液压系统报警。钻井平台针对此问题进行调研分析，利用清洁泵站本体制冷冷却器、调整系统溢流阀压力、调整液压泵泵头压力、更换适合当地环境温度的液压油并补足油液等措施，但效果不明显。针对该平台的这套液压系统，需要结合多方面因素及该套液压系统的本身参数，计算相应的液压系统温升，从而进一步确定需要安装的制冷系统的形式，制冷能力等参数。

关键词：液压站；液压泵；液压系统；发热功率

DOI：10.12433/zgkjtz.20241252

一、综述

某平台将在科威特开展钻井作业。科威特常年平均温度在40℃，夏季一般环境温度为28～44℃，白天平均44℃，夜间平均28℃。最热时，正午气温高达53.2℃，地表温度达70℃。平台在正常作业期间，液压站会持续运转，一般情况是24h不停歇。鉴于这种情况，液压系统发热本身是必然趋势，外界环境因素的影响导致泵站温升加剧；根据设备操作手册的要求，该液压系统的工作环境温度不能超过45℃，设备在正常情况下使用 ISO/ASTM Viscosity Grade 46液压油，该液压油正常工作温度范围为-12～52℃。在国内，该液压系统可以正常工作，但无法满足国外作业要求。因此，平台增加了一套独立的冷却系统，用于强制性冷却液压系统。

二、液压系统的概述

液压系统可分为开路系统和闭路系统。钻井平台上90%的液压系统均为开路系统，即所有液压系统均配备了液压油箱，以便油路循环，并保证大型机械设备都能正常供油，同时还保证了液压系统有足够的散热，并保持工作稳定。

三、钻井设备HPU液压站

钻井平台钻井设备HPU液压站的信息参数：

液压站型号：HE100-4-150VHP-600G-AC

驱动电机：100HP TFEC Class 1 Div 1 防爆电机；100HP @ 1800 RPM（460/60/3）& 1500（380/50/3）

每台液压泵的最大理论量及工作压力：70GPM @ 5000PSI

系统工作压力：3000PSI

系统溢流阀设定压力：3300PSI

液压油箱容积：600 Gallon

冷却系统：有四个液压驱动风扇及风冷热交换器

报警保护系统：低油位报警，低油位液压泵电机关断，高温报警（87℃），高温液压泵电机关断（104℃）；在大多数情况下，HPU的理想操作温度是48.89℃（120℉）。

液压介质：ISO/ASTM Viscosity Grade 46液压油，使用环境温度为-12～52℃，油液运动粘滞度为6.9cSt @ 100℃，液压油倾点为-30℃。

四、液压系统的发热温升计算

液压泵的功率损失可根据公式（1）计算得出：

式（1）

单台液压泵参数（共四台）：

液压泵型号：PVG 150

单台套理论最大流量：9.16 in3/r

额定输出压力：5000psi

瞬时压力：5800psi

转速1800rpm时的额定流量（吸入压力稳定在14.7psi）：238.5 l/min

最大转速：2400 rpm

额定持续转速在1800rpm时，电机的输入功率：160.4 kW。

式（1）中，Tt为工作循环周期（S），设定液压泵的一个工作循环β周期为60s；z为投入工作液压泵的台数，按照四台液压泵同时运转的额定负荷计算；Pri为液压泵的输入功率（W），每台液压泵电机输入功率为160400w；ηPi为各台液压泵的总效率，每台液压泵的理论流量为70gpm（264.98Lpm），额定实际工作流量为63gpm（238.48Lpm），用实际流量比理论流量，可得泵的总效率为0.89；ti为第i台泵工作时间（S），此处以一分钟为单位，计算泵的发热量。

通过以上参数，使用公式（1）计算得液压泵的功率损失Ph1=70576w。

从得出的数据看出，同时运转四台液压泵时，液压系统的功率损耗很大，导致液压油箱升温更快，但如果减少泵的运转数量，由两台泵轮换着使用，则会大幅降低功率损失。也就是说，同时开四台液压泵，有效工作效率并不会比开两台液压泵效率更高，因为功率损耗也大幅增加了，会导致能源的过度浪费。

（一）液压执行元件的功率损失

式（2）

每个液压缸执行元件的输入功率：

Prj=24681.156w；Ph2=9872.46w；溢流阀的功率损失Ph3=Pyqvy。

液压系统的泵头输出压力被调节为2800psi，比溢流阀的压力低，可以认为溢流阀无溢流，没有功率损失。

因液压泵输出压力为2800psi，经过液压管路的弯曲断为局部阻力损失，经过管线的直线段为沿程阻力损失。根据经验值2800psi的输出压力，经过管段阀块后，压力损失在300psi左右，约2068427.73Pa。

Qv为通过阀或管路的流量（m3.S-1）；qv=πr2v，因液压系统压力高，液压油粘度小，但液压管道较长，此处取5m/s较合适，管路内径为既定值，其通径为2-1/2”，管线外径为3.45”，不锈钢管的管线壁厚为10mm，由此可得其内径为67.63mm。计算可得，qv=1077L/min。管路的功率损失为Ph4=37128.2778w，根据进一步计算可得，Phr=117576.738w。

如果管路较长，用Phr=Ph1+Ph2+Ph3+Ph4计算发热功率时，也应考虑管路散热。

Phc=（K1A1+K2A2） ΔT，其中，K1为油箱散热系数；K2为管道散热系数；A1、A2为油箱、管道的散热面积（m2）；ΔT为油箱与环境温度之差（℃）。

根据公式Phc=（K1A1+K2A2） ΔT计算油箱散热，K1选择17；K2选择14；油箱的长、宽、高尺寸为3.048×1.172×1.079m，A1=16.252m2；

硬管外径为3.45”，即87.63mm，硬管的长度为100m，A2=27.516m2；

ΔT为油箱与环境温度之差（℃），最高环境温度为53.2℃，油箱在科威特室外环境下正常工作温度为87℃，ΔT=33.8℃。

根据计算可得，Phc=22358.97w.而液压系统发热功率为117576.738w，数据相差悬殊，只靠油箱本身散热已无法满足使用要求。若达热平衡，则Phr=Phc，油温不再升高，此时最大温差为：

环境温度为T0，则油温T=T0+ΔT。

冷却器散热面积，其中，K为冷却器的散热系数；Δtm为平均温升（℃），。

（二）液压系统散热器

该液压系统出厂时自行配置了四套小型散热器。

散热器型号参数：

厂家：HYDAC

型号：ELH 4 1.5 H22 S IBT 45 3

主液压泵供给冷却油泵流量：15 GPM

单个冷却器降温散热功率：16HP（11931w） @15 GPM

根据厂家手册可以确定，单台冷却器每分钟最大散热量为11931w，四台散热器同时工作时，最大散热量为47724w，油箱自身散热量为22359w，总共散热量为70083w，液压系统实际发热量为117577w。由此可得，液压系统存在严重的散热不足的现象，需要在原有散热器的基础上增加额外的散热系统，以满足正常作业要求。

（三）新散热器选型

考虑到设备运行的稳定性及经济性，此处优先选择PARKER的散热器。根据现场的实际情况，拟选散热器型号为LAC-078-8-B。

预估现场环境温度及液压站工作时的额定工作温度，最高环境温度为53.2℃，油箱在科威特室外环境下正常工作温度为87℃，因此，ΔT=33.8℃。根据设备性能曲线图可得，当冷却器循环液压油流量达到最大400 l/min时，其KW/℃比值可选为1.7倍，最大散热量为Pmax=57460w。根据以上计算得知，如果同时运行新散热器及液压站自带散热器，其总散热功率为P=127543w。

该液压站在极端天气情况下发热量为117577w，小于127543w。因此，该设备选型设计满足液压站在极度高温情况下的散热要求。

五、结论

经过钻台液压系统的工作性能的数据分析计算，最终选择加装独立的散热系统的方案，以达到降低系统温度、维持正常作业的目的，通过对设备的选型及分析，确定新加装的散热器能够满足液压站在极度高温环境下正常散热的工作要求，并保证液压站在高温环境下长时间持续运转。

平时使用中，预防设备高温的措施主要有：

一是制定定期检测油温计划，通过观察和触摸油箱，实时监测油温变化。根据厂家手册要求，定期更换液压油。

二是及时拆卸、检查和修理运转温度异常的阀块、泵或其他液压系统附件。

三是如果检查发现泄压阀或流量阀运行温度异常，应根据手册要求，及时拆卸检查阀块并调整阀块压力流量设定值。

四是逐步更换新的阀块等部件，因为新零件的材料热涨效率不一致，当温度升高时，系统极易发生卡阻。

五是通过点动的形式让管道内的热油逐步进入低温的泵或马达中，然后停止观察几分钟，直至热油将温度传递至泵体的所有零部件，使各个元部件温度保持一致。重复以上步骤，直至泵体的外部温度与管线的温度一致。

六是保持设备清洁，设备表面如果积有较厚的油垢，会妨碍设备表面散热。

七是当外部环境温度较高时，需要增加检查油温的频率及更换液压油的频次。查阅设备手册，使用适用于该环境温度的油品。

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