液压顶驱能量回收系统建模与求解.pdf
一 2 2 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第3 8卷第_6期 ●设计计算 液压顶驱能量 回收 系统建模与求解 叶哲伟 梁 政 张 梁 西南石油大学机电工程学院 摘要 针对液压驱动顶驱试 图利用刹车 时的部分能量,提出将液压顶驱制动 时的制动能量加 以回收利用,从而减少制动能量的部分浪费的构想,从理论 的角度建立 了能量 回收数学模 型。采 用 Ma t l a b编程求解微分方程,得到 了流入高压储能器的油液体积与时间的关系曲线、高压储能器 压力随时I“ 4的变化 曲线及主轴转速随时间的变化 曲线。结果表 明,采用能量 回收刹车系统可 以在 2 . 5 6 S内刹停,刹车减速过程平稳,进入储能器的油液体 积增加平缓 ,高压储 能器达到的最高压 力为2 O . 8 8 M P a 。 关键词 液压顶驱 能量 回收高压储能器数学模型 制动系统 0 引 言 顶驱是顶部驱动钻井装置的简称 ,可从井架空 间上部直接旋转钻柱 ,并沿井架 内专用导轨向下送 进 ,完成钻柱旋转钻进 、循环钻井液 、接立根 、上 卸扣和倒划眼等多种钻井操作 。该装置可节省钻井 时间 2 0 % ~2 5 % ,并可预 防卡钻事故 的发生 ,用 于钻斜 井 、钻 高 难度 定 向井 时 经 济效 益尤 为 显 著 。顶驱有液压 驱动和 电动机驱动之分。这是 指顶驱的主运动,即主轴的旋转运动驱动方式。这 2种顶驱 的辅助运 动大都是采用 液压执行元 件进 行 ,如管子处理装置 、平衡系统 、钻杆上卸扣装置 等。总体看来 ,这 2种顶驱驱动方式在同时向前发 展 ,都有各 自的发展空间 。 笔者主要针对液压驱动顶驱试图利用刹车时的 部分能量 ,提出将液压顶驱制动时的制动能量加 以 回收利用 ,从而减少制动能量的部分浪费的构想, 从理论的角度建立了能量回收数学模型,并就简单 的结构形式对模型进行了求解。 1 顶驱液压制动系统能量 回收原理 液压顶驱钻井装置有多个执行元件 ,包括执行 液压缸和液压马达 ,总体液压系统图较为复杂。根 据文献 [ 5 ]对液压闭式系统设计的相关论述,设 计了如图 1 所示 的主液压系统原理图。主传动采用 闭式系统 ,通过辅泵实现对闭式系统的补油以及热 油的置换 。系统中的主换向阀 l 9采用大流量盖板 式插装阀替代 ,替代原理图没有画出。通过组合可 以实现 1 2种位 置机能 ,且能十分灵活地控制并减 少压力损失 ,还可有效防止系统油温升高。 图 1 液压顶驱主传动 系统原理 1 一低压储能器 ;2 一二位三通电磁换 向阀;3 一盖板式插装 阀; 4一 压 力继 电器 ; 5、 8、 2 2、 2 5 一 单 向阀 ; 6、 7 一 主 泵 ; 9 一 压 力表 ; 1 O 一截止 阀; 1 1 、 1 3 一滤油器 ; 1 2 一辅泵 ; 1 4、 1 5 、 1 8 一溢流 阀 ; 1 6 一热交 换器; 1 7 一节流阀 ; 1 9 一 三位 四通 电磁换向阀 ; 2 O 一 主 马达 ; 21 、 2 4 一 二 位 二 通 电磁 换 向 阀 ; 2 3 一 高压 储 能 器 。 液压顶驱主传动系统 中能量回收系统主要 由低 压储能器 、液压 阀 3和 1 9、液压 马达和高压储能 基金项 目省部共建 “ 石油天然气装备”教育部重点实验室资助项目 2 0 0 6 T S 0 2 。 2 0 1 0年 第3 8卷 第6期 叶哲伟等液压顶驱能量回收 系统建模与求解 一 2 3一 器等组成 。当顶驱装置刹 车过程 开始 时,主泵 6 、 7停止供 油 ,马达在钻 柱惯性 的作 用下成 为泵 工 况 ,马达排油 口输 出高压油 ,高压储能器压力不断 升高 ;低压储能器不断 向马达进油 口补充低压油 , 使得低压储 能器压力不断降低 。通过马达的作用使 低压油油压升高 ,从而将液压能量 回收存储 到高压 储能器中。释放能量的过程为 高压储能器 中的高 压油经过 阀 2 4、阀 2 5再 到马达 ,最后 通过 阀 1 9 回到油箱。 总体来说 ,刹车过程马达减速 ,高压储能器压 力升高,低压 储能器 压力 降低。当 马达减 速为 0 时,马达进排油 口压差达到最大,此时能量 回收过 程结束 。为防止马达在压差作用下反转 ,需在此时 刻接通马达进排油 口。 2 顶驱液压制动系统能量回收数学 模型 2 . 1 模 型简 化 1 忽略能量 回收过程 油液在管路及各 阀门 处的压力损失 ; 2 不计马达在能量 回收过程中的机械损失 ; 3 不考虑回收能量过程 中油液的压缩性 。 2 . 2 数学 模 型建 立 为建立系统能量 回收过程的数学模型 ,下面分 段列写各阶段 的数学方程 。 2 . 2 . 1 流入 高压储能器 中油液与气囊压力及 气囊 体积 的关 系 刹车开始时 ,钻柱在惯性作用下带动马达 ,使 其成为泵工况 ,向高压储能器泵油,同时由低压储 能器向泵补油 。油液在流入 高压储能器 的过程 中, 储能器中气囊被压缩 ,储能气囊压缩过程即有等温 过程也有绝热过程 ,但 由于压缩过程 比较短 ,近似 拟定为绝热过程。 , k p I 。 一 V l P 。 P 2 P o 1 式 中P t 时刻 高压 储 能 器 气 囊 压 力 , MPa; V t 经过时间 t 流入高压储能器中的 油液体积 ,L; p 高压储能器 的充气压力 ,M P a ; 高压储能器容积 ,L ; P 高压储能器的最低工作压力 ,MP a ; 高压储能器在最低工作压力下的气囊 体积 ,L ; P 高压储能器 的最高工作压力,M P a ; 高压储能器在最高T作压力下的气囊 体积 ,L ; 多变指数 等温时取 k1 ,绝热 时取 k1 . 4 。 2 . 2 . 2 马达 进 出油 1 2 压 差 与刹 车过 程 阻 力矩 间 的 关 系 马达刹车过程成为泵工况 ,进 油 口压差取决 于马达本身特性参数 ,由丹尼逊轴向柱塞马达产品 说明书可知 7 9 . 7 A p £ 2 式中6 p t 马达进出油 口压差 ,MP a ; t 压差作用对马达产生的阻力矩 , N m 。 2 . 2 . 3 马达刹车过程的排 油量与时间的关系 刹车过程 中马达转速降低 ,马达进出油 口压差 不断增大,马达受到的反扭矩增加。马达在钻杆惯 性作用下 向高压储能器 中泵送高压油量与时间存在 如下关系 v t fo t [ 。 一 f 1 0 _ 5 d 3 式 中 6 - t 钻 杆减 加速 度 随 时 间的变 化 , r a d /s 。 2 . 2 . 4主轴 转速 与 马达 扭矩 的 关 系 主轴转速与马达扭矩存在一定的对应关系 ,刹 车初始阶段转速高 ,加速度小 ,马达扭矩小。刹车 即将结 束时 ,主轴转速 低 ,加 速度大 ,马达扭 矩 大。对应关系如下 2 T z t iJ e t 4 式中 顶驱传动箱的总传动比; . , 顶驱主轴 、齿 轮及钻杆绕 主轴的等效 转动惯量 ,k g m 。 2 . 2 . 5 储存到高压储能器 中的能量 _ t, 1 0 一 。 P 2 一P I V 1 / 一1 5 式中 刹 车前钻杆角速度 ,r a d / s 。 上述 5个方程构成了液压能量 回收系统完整的 数学模型 ,下面对数学模 型进行简化及实例求解。 3 数学模型简化及实例求解 3 . 1 模型简化 上面所列方 程表达 了能量 回收过程 的相互联 系 ,给出初始条件即可求解。但是求解过程十分烦 琐 ,甚至难以求解 ,需要对模型进行简化 。 .. 2 4. 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 刹车过程能量在很短的时间存储于高压储能器 中,高压储能器 的压力升高很快 ,而低压储能器主 要向马 达供 应 低压 油 ,整个 过 程压 力 变 化不 大 相对高压储能器 ,低压储能器 的压力变化相对 缓慢 ,整个过程的压差变化也小。因此 ,认为低压 储能器的压力变化与高压储能器的压力变化相比可 以忽略 ,即近似认为低压储能器的压力恒定 ,液压 马达的进油 口压力恒定。于是可以得到 △ p t P t 一2 . 5 6 以上计算推导得到 了高压储能器的外部特性参 数 ,可作为储能器的选择依据。联立方程 1 ~ 4 和方程 6 得关于 t 的二阶微分方程 r 1 一 k t 一 I 一V t l B 7 其 中 , 簪 , B 2 .5 。 £ j L j 3 . 2实例 求解 3 . 2 . 1 基本参数 1 高压储 能器 的最高工作压力 的确定。由 于高压储能器、自 勺 压力很高,选用气囊式储能器,参 考文献 [ 7 ]可知 ,气囊式储能器 的公称压力高压 等级为 3 1 . 5 MP a ;参考这个数据,高压储能器 的 最高工作压力确定为 3 1 . 5 M P a 。 2 高压储能器最低工作压力和充气压力 的 确定。根据文献 [ 67 ]对储能器 的论 述,充气 压力应满足 0 . 9 p P 。0 . 2 5 p ,根据 以上条 件 , 初步确定高压储 能器的最低工作压力 为 1 0 MP a 。 此时 ,0 . 9 p 9 MP a ,0 . 2 5 p 27 . 9 MP a ,充气压 力 P 0 8 MP a 。 3 二阶微分方程初始条件确定 。首先 V t 表示的物理意义为经过时间 t 流人储能器 中油液 的体积 ;因此 t 表示 t 时刻油液流 向储能器 中的流量 。 显然 ,V 0 0 ; 0 0 . 5 0 . 51 0 L / s ;刹车前转速为 1 2 0 r / mi n 。 3 . 2 . 2 实例 数据 与 求解 笔者以某井深结构中第 3开的钻具组合为例进 行计算 ,不考虑钻柱与钻井液 、井壁之间的摩 阻。 钻柱组合设计为 3 1 4 . 1 m m钻头 3 1 4 . 1 IT l m非 旋转变径稳定 器 2 4 1 . 3 m m短 D C 1根 3 1 4 . 1 15 “1 1 3 1 非旋转变径稳定器 2 4 1 , 3 i n l ff l D C 1 根 1 2 m m螺旋稳定器 2 4 1 . 3 I i l m D C 6根 2 0 3 . 2 mm D C 6根 1 7 7 . 8 m m D C 1 5根 1 3 9 . 7 m m D P 。 将以上计算参数代人微分方程 7 和边界条 件中,得此实例的微分方程表达式为 , 一1 4 f 一 4 3 4 . 2 I 3 6 . 3 一 I 0 . 7 t J L J L 0 0 , 0 1 0 8 采用 Ma t l a b编程求解 微分方程 8 ,得 到经 过时间 t 流人高压储能器的油液体积与时间 t 的关 系 曲线 ,以及 t 时刻的瞬时流量曲线 ,见图 2 。 图 2流 入 高压 储 能 器的 油 液 体 积 和 瞬 时流 量 与 时 间 的 关 系 曲线 当 t 2 . 5 6 S时, t 到达最大值 ,最大值 为 1 4 . 8 4 L 。由函数关系容易判断最高点之后的曲 线是没有实际意义的。因为当时间达到 2 . 5 6 S时, 主轴已经刹车停止 ,而此时的最大值便是储存于高 压储能器中高压油的体积值。 综合上面的分析,说明采用能量 回收刹车系统 可以在 2 . 5 6 S内刹停。储存 的高压油液体积正好 占 工作容积的 ~ ,属于 文献 [ 8 ]推荐 的范围, 储能器也达到了经久耐用的目的。 为搞清楚能量 回收过程中储能器压力随时间的 变化关系 ,由方程 1 可知 P t 与 t 的 函数关系为 P t P 1 6 . 6 51 0 『 3 6 . 3 一 r L J 9 运用 Ma t l a b的绘图功能绘制 P t 的时间曲 线 ,见图 3 。由图及程序计算结果可知,当 t 2 . 5 6 S 时高压储能器的压力达到最大值,P t 2 0 . 8 8 MP a 。说明在液压能量回收刹车过程 中,高压储能 器达到的最高压力为 2 0 . 8 8 MP a 。因此刹车过程液 压马达受 到的反扭矩是连续增加 的,当压力达 到 2 0 . 8 8 MP a时马达停止。为防止此时刻马达 反转, 在刹停时刻必须控制马达进出油 口的压差。 由方程 3 求 得 主轴转速 随时 间 的变 化 曲 线 ,如图 4所示 。从上面的分析中已经知道 ,刹车 过程所需 的时间为 2 . 5 6 S ,因此 图 3 、图 4和 图 5 2 0 1 0年第3 8卷第6期 叶哲伟等液压顶驱能量回收 系统建模与求解 一 2 5一 中 t 2 . 5 6 S 的部分曲线没有实际意义。 图 3 高压储 能器压力随时 间的 变化 曲线 ∽ ● 勺 日 一 \ 0 3 图4主轴转速随 时间的变化 曲线 4 结 论 1 数学模型 的建立 为选择高压储 能器提供 了理论 基础 。 2 采用液压 刹车能量 回收 系统 ,刹 车减速 过程平稳 。 曼 £ 蔓 芒曳 蔓芒 缝 曳芒 3 刹车过程 中进 入储能器 的油液体 积增加 平缓 ,高压储能器达到的最高压力为 2 0 . 8 8 MP a 。 参考文献 [ 1 ] 陈朝达 .顶部 驱动 钻井 系 统 [ M].北 京 石 fi t r 业 出版社 ,2 0 0 01 4 . 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We l l c o n t r o l a s p e c t s r e g a r d i n g s l e n de r we l l d ril l i n g wi t h s urfa c e a n d s u h s e a B O P [ R]. S P E 9 4 8 5 2 ,2 0 0 5 . [ 9 ] B r u n t G,E l s o n S ,N e w m a n T ,e t a 1 . S u rf a c e B O P e qu i pme nt de v e l o p men t f o r e x t e nd i n g t h e wa t e r de p t h c a pa bi l i t y o f a D.P. s e mi s u bme r s i b l e t o 1 0, 0 0 0 f t a nd b e y o n d[ R]. I A D C / S P E 8 7 1 0 9 ,2 0 0 4 . [ 1 O ] Ma s o n D L ,T h a r p W,Wi l i e C L . S u rf a c e B O P t e s t i n g a n d c o mp l e t i n g d e e p wa t e r we l l s d r i l l e d w i t h a s u r f a c e B O P r [ R]. S P E 8 7 1 1 1 ,2 0 0 4 . [ 1 1 ] S h a n k s E ,S c h r o e d e r J ,A m b r o s e B ,e t a 1 . S u rf a c e B O P f o r d e e p w a t e r mo d e r a t e e n v i r o n me n t d ri l l i n g o p e r a t i o n s f r o m a fl o a t i n g d r i l l i n g u n i t[ R]. O T C 1 4 2 6 5 , [ 1 2 ] [ 1 3 ] 芒 芒 2 0 02. Az a n c o t P,Ma g n e E,Z h a n g J . S u rfa c e BOPma n a g e n l e n t s y s t e md e s i g n g u i d e l i n e s[ R]. I A D C / S P E 7 4 531,2 0 02. 苏堪华 ,管志川,魏路,等 .深水水上防喷器钻 井系统水下井 口稳定性分析 [ J ].中国海上油气, 2 0 0 9,2 1 3 1 8 01 8 5 . 第一作者简介苏堪华,讲师,生于 1 9 7 8 年 ,2 0 0 9年 毕业 于 中国石油大学 华 东 油 气井工 程 业 ,获博 十学 位 ,主要研究方向为深水钻井技术 、油气井控技术等。地 址 4 0 1 3 3 1 重 庆 市 沙 坪 坝 区。E m a i l s u k a n h u a S O hu .C O R I 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 4 本文编辑丁莉萍