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 ． [ 2 ] 胡春梅 ，朱文琪 ．钻机顶部驱动电动机的现状 与腱 望 [ J ]．石油机械，2 0 0 3 ，3 1 8 5 7 5 9 ． [ 3 ] 张连山 ．液压和电驱动顶驱钻井特性分析与建议 [ J ]． 钻采T艺，2 0 0 0，2 3 3 6 6 7 1 ． [ 4 ] 张连山．国外液压驱动石油钻机的新进展 [ J ]． 油机械 ，2 0 0 0 ，2 8 2 5 25 4 [ 5 ] 周士吕．液压系统设计图集 [ M]．北京机械一 【 业 出版社 ，2 0 0 3 34 ． [ 6 ] 刘宝兴 ．工程热力学 [ M]．北京机械丁业f ⋯扳 社 ，2 0 0 6 4 1 4 2 ． [ 7 ] 机械设计手册编委会 ．机械设计手册 『 M]．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 3 ． [ 8 ] 王积伟 ．液压传动 [ M]．北京机械工业出版丰 _ 卜 ， 20 07 1 681 6 9． 第一作者简介叶哲伟，助教 ，生于 1 9 8 1年，2 0 0 8年 毕业于西南 石 油大 学机 械设 计 及 理论 专 业 ，获 硕 士学 位 ， 现从事石油机 械装备的教学与研究T作 。地址 6 1 0 5 0 0 四 川省成都 市。电话 0 2 8 8 3 0 3 2 9 4 9 。Ema i l y z w 0 1 3 5 1 2 6． c o m。 收稿 日期 2 0 0 91 02 3 本文编辑千} 4 0 庆 上接 第 1 3页 [ 7 ] C h i l d e r s M． S u rf a c e B O P ，s l i m ri s e o r c o n v e n t i o n a l 2 1 一 i n c h r i s e r w h a t i s t h e b e s t c o n c e p t t o u s e[ R]． S PE／I ADC 9 27 62，2 00 5． [ 8 ] A v e l a r C S ，S a n t o s O L A，R i b e i r o P R ． 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