抽油机液压蓄能节能系统分析及控制策略.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 2期 第 5 7页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI PME NT 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 5 7 ～ 6 0 o o 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 01 O 1 2 - 00 5 7 - 0 4 抽油机液压蓄能节能系统分析及控制策略 李连峰 ， 隋秀伟 ， 何光智。 1 ． 中国石油大学 华东机电总厂 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 ； 2 ． 山东新汇建设 集团 ， 山东 东 营 2 5 7 0 9 1 ； 3 ． 华北油 田 第 四采油 厂 ， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 摘要 对比分析 了目前常见的几种抽 油机 节能方案， 在此基础上提 出了液压蓄能节能系统 ； 重点分 析 了节 能 系统 的液 压 系统 和机械 系统 ， 提 出 了液 压蓄 能 节能 系统 方案及 控 制策 略 。 关键 词 抽 油机 ； 节能 ； 控 制 策略 中 图分类 号 TE 9 3 3 ． 1 文 献标 识码 A S y s t e m An a l y s i s a n d Co n t r o l f o r En e r g y S a v i ng o f Pu mp i n g Uni t Ac t u a t o r LI Li a n f e n g ， SU I Xi u we i ， HE Gu a n g z hi 。 1 ． To t a l Fa c t o r y o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g yi n g 2 5 7 0 6 1， Ch i n a； 2 ． S h a n d o n g X i n h u i Co n s t r u c t i o n Gr o u p， Do n g yi n g 2 5 7 0 9 1 ， C hi n a； 3 ． No ． 4 0i l Pr o d u t i o n Pl a n t ， Hu a b e i Oi l f i e l d， La n g fa n g 0 6 5 0 0 0， C hi n a Ab s t r a c t Compa r i s o n a n d a n a l ys i s ha v e be e n ma d e a mo ng s e v e r a l p um p i n g un i t e n e r gy s a vi ng， a n d s pe c i a l a na l y s i s ha s be e n ma de f o r hyd r a ul i c a c c u m ul a t o r s ys t e m ． The a na l y s i s o f e n e r gy s a v i n g a n d m e c h a ni c a l s ys t e ms i s e m p ha s i z e d t o pu t f o r wa r d s y s t e m a na l y s i s a nd c o nt r o 1 ． Ke y wo r ds pu m p i ng u ni t ； e n e r gy s a v i ng； c o nt r o l p r i nc i pl e 目前 ， 抽 油机 的 节 能技 术 主要 是 采 用 节 能抽 油 机 、 节 能 电机 、 节能 配 电箱 3大 类 ， 但 没 有 解 决 电动 机启动转矩远大于实际运行转矩 的问题 ， 所 以抽油 机仍 存在 “ 大 马拉 小 车 ” 的 现象 l 。 ] 。要 解 决 问题 就 要降低抽油机所用 电动机 的启动转矩 ， 最理想 的是 实现 电动 机启 动转 矩 与 实 际 运 行 转 矩 相 等 ， 使 电动 机工作在恒功率、 满负载的条件下。另一方面， 由于 常规 游梁 式抽 油机 平 衡 效 果 不 理 想 ， 抽 油 机 悬 点 负 载的周期性变化会引起电动机输出轴扭矩 的正负周 期 性 变化 ， 电动 机 负扭 矩 的 出现 实 际上 使 得 电动 机 处于 发 电状 态 ， 不仅 会 冲击 电 网 ， 还会 造成 电动机 工 作不平稳 ， 加速 电动机 的损坏。液压蓄能节能系统 可解决 以上 2方面 的问题 ， 达 到 了节 能 目的 。 1 液压蓄能节能 系统分析 液压 蓄能 节能 系统 是基 于液 压技 术 和动 力合 成 技术 ， 将二者很好地结合在一起 ， 利用液压技术回收 抽 油 机 系统正 常 工作 时 的主 要 能 量 损 耗 ， 并 通 过 动 力合 成装 置 ， 使 这 部 分 能 量被 充分 利 用 到 电动 机 的 启动过程 以及抽油机的有功过程 ， 可有效降低 电动 机 的额定功率 ， 进而实现抽油机电动机的恒功率、 满 负载运行 。液压蓄能节能系统整体设计框 图如图 1 所示 。 图 1 液压蓄 能节 能系统整体设计框图 液压蓄能节能系统从整体上可分为液压系统和 机 械系 统 2个部 分 。液压 系统实 现不 同时刻储 能 和 放 能 的要求 ， 机 械 系 统 实 现 动 力 合 成 。液 压 系统 部 件 包括 液压 泵 、 液 压 马 达 、 蓄 能 器 及 其 他液 压 辅 件 ； 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 ～ 2 2 作 者简 介 李连峰 1 9 6 6 一 ， 男 ， 山东广 饶人 ， 工程师 ， 主要从事石油机械 的研 制及机 电设备 的管理工作 。 石 油矿 场机 械 2 0 1 0年 1 2月 机 械系统 部件 包括 动 力 合成 装 置 及 其他 机 械 辅 件 。 系统 的工 作过 程如 图 2所示 。在抽油 机工作 的 1个 冲程中， 液压马达与液压泵分时工作 ， 根据曲柄轴的 扭矩不断地实现蓄能、 放能 ， 控制系统实现这 2个工 作过程的实时切换。 电动机驱动液压泵 蓄能器初次蓄能 是 蓄能器驱动液压马达 配合 电动机启动负载 柄轴扭矩正j 液压马达 工作 释放能量 图 2 液压 蓄能节能 系统工作过程 1 ． 1液压 系统 液 压 蓄 能 节 能 系 统 的 液 压 系 统 是 由 液 压 泵 、 液压 马 达 、 蓄 能器 等 液 压 部 件 构 成 的液 压 主 回路 ， 其工作原理为 电磁单 向 阀断开 变量 马达液压 回 路 ， 机械动力带动变量泵工作 ， 经单 向阀向蓄能器 供油 ， 根据压 力传感器 实时检测 的蓄能 器进油 压 控制变量 泵排量 ； 电磁单 向阀打 开变量 马达液 压 回路 ， 液 压 油经 电磁 单 向 阀驱 动 变 量 马 达 工 作 ， 根 据压 力传 感 器 实 时检 测 的 蓄能 器 出油 压 控 制 变 量 马达 排 量 ， 进 而 控 制 变 量 马 达 的输 出 轴 扭 矩 。溢 流阀保证 蓄能器运 行时 的安 全压力 ， 压力 表可 实 时观 测 蓄能 器 油压 。 a 液 压泵 液 压泵 的类 型很 多 ， 按 排量 能 否 改变可分 为定 量泵 和变量 泵 。根 据节 能方 案设计 目 标 ， 要保证电动机处于恒功率工作状态， 而电动机负 载扭矩是 跟 随曲柄 轴 扭矩 周 期 性 变化 的 ， 所 以在 该 节能装置 中使用的液压泵为变量泵， 使变量泵 的工 作曲线跟随曲柄轴负扭矩周期性变化 ， 可以使 电动 机 处于恒 功率运 行状 态 。 b 液压 马达 液压 马 达 与 液压 泵 类 似 ， 液 压 马达 的工 作过程 就是 液压 泵工作 的逆 过程 。液压 马 达 的类型 也很 多 ， 按 排 量 能否 改 变 可 分为 定 量 马 达 和 变量马 达 。根 据 节 能方 案 设 计 目标 ， 要 保 证 电动 机处于恒功率运行状态下 ， 而 电动机负载扭矩跟随 曲柄轴扭矩周期性变化 ， 所 以在该节能装置 中使用 的液压马达也应该为变量马达 ， 使变量马达 的工作 曲线 跟随 曲柄轴 正扭 矩 周 期 性 变化 ， 可 使 电动 机处 于恒 功率 运行状 态 。 c 蓄能器 蓄能器作为储存和释放液压能的 装置 ， 其结 构类 型 有 多种 ， 例 如 重 锤式 、 弹 簧式 和 气 体加载式等， 分别在不同的场合使用 。由于在液压 蓄能 节能 系统 中 ， 蓄 能器 的主要用 途 为蓄能 和放 能 ， 所 以可选用 气体 加载式 蓄 能器及 重锤式 蓄 能器 。 液压 系统 除 了这 3个 主 要液 压 部件 外 ， 还 有油 箱 、 过 滤器 、 单 向阀 、 电磁单 向 阀、 卸荷 阀 以及 实时检 测蓄能器进出 口压力的压力传感器等 ， 可根据实际 的需要 选择 合适 的液压 辅件 。 1 ． 2机械 系统 液压蓄能节能系统是将液压系统与机械系统有 机地结 合 。机械 系统 主要包 含动 力合成 装置及 控制 动力合 成装 置 ， 按 照 期望 方 式 动 作 的离 合 器 等机 械 辅 件 。动力合 成装 置 至 少 要有 2个 输 入 端 ， 例如 液 压 马达 与 电动机 的动 力 分 别作 为输 入 ， 合 成 扭矩 反 映在动 力合成 装置 的输 出轴上 。 在 动 力合 成 装置 的研究 中 ， 采 用 最 多 的是行 星 齿 轮传 动 ， 行 星齿 轮 有其 独 特 的优 点 结 构 紧凑 、 质 量轻、 体积小、 传动效率高、 运动平稳 、 抗 冲击振动、 工作可靠等 ， 而且适当选择行星传动 的类型以及配 齿方案 ， 便可实现用少数齿轮得到很 大的传动 比。 正是由于行星齿轮 的这种特性 ， 所 以行星齿轮系非 常适用于动力合成装置。由于行 星轮系几乎可以用 于一切 功率 和转速 范 围 ， 因此应 用 十分广 泛_ 4 ] 。 在 本文 所 述 的液 压 蓄能 节 能 系统 中 ， 液 压 马达 与 电动机 转 矩 合 成 驱 动 负 载 的差 动 轮 系 为 汇 流 装 置 ， 电动机与负载转矩合成驱动液压泵 的差动轮系 也属于汇流装置。所以， 本文所涉及的动力合成装 置是 基 于差动 轮系 的行 星齿轮传 动机 构 。 2 液压蓄能节能 系统控制策略 2 ． 1 系统状态 变量 的提 取 整个液压蓄能节能系统 的 目的是实现液压泵 、 液压 马达 的工作 曲线 实 时跟随 曲柄轴 扭矩 的变化 趋 势 ， 从而使得电动机处于恒功率运行状态下 。可见 ， 对液 压泵 、 液压 马 达 的控 制 依 据 是 曲柄 轴 扭 矩 。显 然 ， 以现场 的条 件 以及 从抽 油机 主体结 构来 看 ， 都 很 难实 现对 曲柄轴 扭矩 的实 时测量 。 求取 曲柄轴 扭矩 的抽 油机主 体模 型是一 个典 型 的多输入多输出系统， 各个输入变量之间又存在一 定的关系 ， 曲柄轴扭矩这一输 出是所 有输入 的综 合 响应 ， 受到 多个输 入量 的控制 ， 因此抽油 机 主体模 型 是多 变量耦合 系 统 。 第 3 9卷第 1 2期 李连峰 ， 等 抽 油机液压蓄能节能系统分 析及 控制策略 2 ． 2 液压 系统 控 制策 略 抽 油 机 启 动 时 ， 电 动机 启 动 扭 矩要 远 大 于 电动 机 正 常运行 时 的扭矩 ， 在 采用 液压 蓄 能节 能装 置后 ， 为最大程度降低 电动机 的额定功率 ， 蓄能器必须配 合电动机完成抽油机 的启动 。因此在抽油机启动之 前 ， 蓄 能器 必须 处 于可供 能状 态 ， 蓄 能器驱 动 液压 马 达 配合 小型 电动 机 共 同 提供 抽 油机 的启 动 扭 矩 ； 电 动机须 单独 带动 液 压 泵 工作 为 蓄 能器 供 能 ， 以便 为 抽油机系统启动做准备 。在 蓄能器 蓄满液压能 ， 或 者当蓄能器进 口压力达到一定值 时， 液压泵停止工 作 ， 与此 同时， 蓄能器开始释放能量， 配合电动机一 起 完成 抽油 机 的启动 过程 。 抽 油 机启 动 过 程 结束 后 ， 抽油 机 负 载 周 期性 变 化导致曲柄轴扭矩也呈现周期性变化 。曲柄轴扭矩 大 于零定 义 为正 扭 矩 ， 小 于 零 定 义 为 负 扭 矩 。曲柄 轴出现正扭矩时 ， 说明此时电动机在做正功 ， 此时使 液压马达配合 电动机一起工作 ， 带动四连杆机构拖 动抽 油杆抽 油 ； 曲柄 轴 出现 负扭 矩 时 ， 说 明此 时 电动 机在 做负 功 ， 四连 杆机 构拖 动 电动 机 ， 电机实 际处 于 发 电状态 ， 电动 机 长期 处 于 发 电状 态 对 电机 有 很 大 坏处 。为改变电动机 的发电状态 ， 使 电机此时同样 处于正扭矩状态 ， 需要液压泵辅助工作 ， 即四连杆机 构与 电动机 一 起拖 动 液 压 泵 工 作 ， 使 得 液 压 泵 为 蓄 能器提供液压油， 存储负扭 矩损失 的能量 。抽油机 启 动后 系统 控 制流 程 图如 图 3 所 示 。 图 3 抽 油机启 动后系统控制流程 2 ． 3 机械 系统控 制策 略 液压 蓄能 节能 系统 是依 靠液 压 系统来 驱 动机 械 系统完 成预 期 工作 的 ， 此 系统 机 械 部 分 主 要 是 液压 泵输人轴、 液压马达 的输 出轴与动力合成装置的连 接 。因正常运行时 ， 需适时控制液压泵 、 液压马达的 工作时段 ， 所以在液压系统与动力合成装置之问、 动 力合成装置输出轴与减速器之间应通过轴、 联轴器 与离合 器连 接 ， 以达 到 预期 工作 过程 。整 个过 程 中 ， 机械系统必须与液压 系统 紧密配合 ， 从而实现系统 正常工 作 。 2 ． 4 控 制器 的设 计方 法 在 该 节能 系统 中 ， 无 论 是对 液压 系统 的控 制 ， 还 是对机械系统的控制 ， 旨在让被控对象快速跟随输 入命 令 ， 所 以 ， 此 节 能装 置 的控制 系统 实 际为一 运 动 控制系统 ， 即伺服系统。在伺服系统中， 输入信号不 断地 变 化 ， 系统 的任 务就 是尽 可 能迅 速 、 准 确地 去跟 踪输入信号的变化 。 由液压系统 、 机械系统 的分析可知， 液压系统可 采 用 P I D 控 制 方 式 ， 机 械 系 统 可 采 用 开 关 控 制 方 式 。开关控制是控 制系统 中最基本 的一 种控制模 式 ， 它 的输 出只有 2个 状 态 ， 即全 开 或 者 全 关 一 个 状态用于被控变量高于期望值 时的情况 ； 另一状态 用于被控变量低于设定点 的情况。针对本设计 ， 离 合器不停地打开、 关闭， 这种固定的高速循环状态会 加重设备的损耗从而降低其使用寿命。为了避免快 速地循 环 ， 可 以通 过 为 控 制器 增加 差 动 间隙 功 能 来 延长 2次动作之间的时 间， 使 每次被控变量超过或 低于设定点一定范 围之后才会更新控制操作。 由液压泵 、 液压马达排量的参考计算公式可知 ， 液压系统可采用比例控制方式 。比例控制输出的变 化和输入误差信号成 比例。液压泵、 液压马达的排 量控制可通过 1 个 比例 阀来实现 ， 比例阀的开启度 取 决于 期望 排 量 值 。期 望 排 量 越 大 ， 阀 门开 启度 越 大 ， 液 压 泵 、 液 压 马 达 的实 际 排 量 也 就越 大 。然 而 ， 在伺 服 系统 中要 求 系 统 的 静 态 误差 很 小 ， 甚 至不 允 许有 静 态误 差 。为 了减 小残 差 ， 因此 需要 在 比例 控 制方式中引入积分控制信号 ， 积分控制是 为消除 比 例控制中的固有残差而设计 的， 它根据残差 的绝对 值 而 逐渐 增大 控 制信 号 ， 所 以 积 分模 式 通 常与 比例 控制 模 式 一 起 在 闭 环 系 统 的 控 制 器 部 件 中 协 同 使用 。 由于此液压系统为伺服系统 ， 要求系统能更准 确 、 迅 速 地跟 随输入 信 号 的变化 ， 因此也 要求 比例 阀 能更快地从一个位置移动到另一个位置 。仅依靠 比 例 模式 是不 可 能实 现 快 速 移 动 的 ， 而且 比例 增 益过 高 ， 增 加 了系 统 的 不 平 稳 性 ， 会 有 超 调 以至 振 荡 发 生 。为了尽量减小超调量同时使被控变量快速跟随 输入信号变化， 还需要在 比例积分控制的基础上 引 入微分控制模式 。 在引入 P I D控制 以后 ， 液压蓄能节能系统控制 器 根据 曲柄 轴扭 矩 值 的正 负 ， 合 理 输 出 比例 控 制 阀 的控制 电流及离合器的开关信号 ， 使得系统运行时 ， 2 O 1 O年 第 3 9 卷 第 1 2期 第 6 O页 石 油矿 OI L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 O 1 2 - 0 0 6 0 0 4 空气锤钻头应用研究 刘权萍 ， 武友德 ， 孟英峰 ， 梁红 1 ． 四川工程职业技术学院 ， F U l l 德阳 6 1 8 0 0 0 ； 2 ． 西南石油大学 油气藏地质及 开发工程国家重点实验室 ， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 对空气锤钻头在 国外的应用进行 了调研。在冲击回转钻进 中， 根据地层条件不同选择不同的 端 面设 计平底 钻 头能很 好地控 制 井斜 ， 平 底钻 头的 钻速是 三 牙轮 钻 头 的 3 ～6倍 ， 但 平底 钻 头 径 向 磨损严重， 常用三牙轮进行扩眼。为解决钻头径向磨损 问题从而发展 了增强齿平底钻头， 在以陡倾 角而著 称 的 S t i l l w a t e r 、 Al l e g h e n y高原及 Ar k o ma 、 P e r mi a n 、 Ap p a l a c h i a n盆 地进 行 了大量试验 ， 结 果证明 与平底钻头相比， 钻速快， 寿命长 ， 成本低 ， 更耐磨 ， 能更好控制井斜和狗腿 严重度， 而且井 眼更平 滑 。 关 键词 钻 井空 气锤 ； 三 牙轮 钻 头 ； 平底 钻 头 ； 增 强齿平底 钻 头 ； 研 究 中图分 类号 TE 9 2 1 ． 1 文 献标识 码 A Ap pl i c a t i o n o f Ai r Ha mme r Bi t L I U Qu a n p i n g ， WU Yo u d e ， MENG Yi n g f e n g ， L I ANG Ho n g 1 ． S i c h u a nE n g i n e e r i n g T e c h n i c a l C o l l e g e ， De y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o fO i l G a s Re s e r v o i r Ge o l o g y a n d Exp l o i t a t i o n， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t The i n ve s t i ga t i o n o f a l a r g e n umbe r of ma t e r i a l s a bo ut a i r h a m me r bi t a br o a d wa s c a r r i e d o n a c c o r di ng t o di f f e r e n t s t r a t a t o c ho o s e di f f e r e nt f a c e d e s i g n h a mm e r b i t c a n c o nt r o l we l l d e f l e c t i o n e a s i e r i n p e r c u s s i o n a n d r ot a r y d r i l l i ng， t he f l a t bo t t om b i t ROP i s t hr e e t o s i x t i me s o f Tr i c on e bi t ， b ut i t ha s s e r i ou s we a r o n t he b i t f a c e， a nd ne e d r e a m wi t h Tr i c o ne b i t ， t hu s d e v e l o pi n g 液 压泵 、 液压 马达之 间准确 切换 ； 同时 ， 液压 泵 、 液 压 马达工作在合 适 的排 量之下 ， 实现 了 系统 的 自动 控 制 。 3 结 语 近 年来 ， 抽 油 机节 能 技术 己经取 得 了显 著 的效 果 ， 目前 主要集 中在 改进抽 油机 结构 、 采用节 能驱 动 设 备 、 采用 节 能控 制装 置 、 采 用 节 能元 部 件 、 改 进 平 衡 方式 、 改进“ 三抽 ” 系统 部件 以及 采 用 高效 节 能 泵 等 方面 的研究 ， 以实 现节 能 目的 。本 文提 出 了液 压 蓄能节能方案 及控制 策略 ， 可为 同行提 供有益 的 参 考 。 参考文献 [ 1 3 李红才 ， 秦德 福 ， 鱼 岗， 等．节 能型超 低冲次抽 油机 技术研究 E J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 4 9 5 1 ． E 2 3 王全宾 ， 肖文生．直线 电机抽 油机 与游梁式 抽油 机工 作 性能对 比[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 2 7 3 0 ． [ 3 ] 王钊 ， 秦英 ， 李权 ， 等． 抽 油机节能 电机 的应用分 析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 8 5 8 6 1 ． [ 4 ] 何毅斌 ， 陈定方 ， 何小华．基 于热分析的低速 重载齿轮 传动冷却方 法 研究 [ J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 7 6 78． E 5 2 张晓东， 金连登．井下减速器传动方案分析 [ J ] ． 石油 矿场机 械， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 1 - 3 ． 收稿 E t 期 2 0 1 0 0 6 2 9 基金项 目 中石油集团公司“ 气体钻井技术相关基础研究” 项 目 o 3 A2 o 2 o 4 作者简介 刘权萍 1 9 7 9 一 ， 女 ， 四川 资 中人 ， 硕 士研 究生 ， 主要从 事欠平 衡钻 井装 备研究 ， E ma i l l i u q u a n p mg 6 5 5 s o h u ． c o rn。