新型节能液压抽油机驱动系统设计.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 7期 2 0 1 4年 7月 新型节能液压抽油机驱动 系统设计 范文明， 宋锦春 东北大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 沈阳l 1 0 8 1 9 摘要 传统的石油开采设备已不能满足油田后期开采工艺需求， 应用液压系统本身具有的刚度大、 功率质量比大代替 传统游梁式抽油机提高节能效果， 为此研发了液压能量回收技术的液压抽油机。液压能量回收系统是一种新型的节能液 压系统， 它能够回收惯性负载的制动动能和重力势能， 有着广阔的应用前景。设计新型节能液压抽油机具有势能负载的 液压能量回收系统， 其中利用液压马达、 液压泵和蓄能器结合进行回收负载的重力势能。计算和结果分析表明， 该系统具 有显著的节能效果， 这对实际应用有很大的指导意义。 关键词 液压蓄能器； 势能； 能量回收； 抽油机 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 7 0 0 6 8 0 4 De s i g n o f a Ne w En e r g y - Sa v i n g Dr i v i n g S y s t e m f o r Oi l Pu mp i n g Un i t P HAM Va n - mi n h ．S ONG J i n c h u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ＆A u t o m a t i o n ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T r a d i t i o n a l o i l d r i l l i n g e q u ip m e n t c o 2 n o t m e e t t h e d e m a n d o f o i lfie l d d r i l l i n g t e c h n o l o g y i n t h e l a t e p e r i o d ， and t h e a p p l ifi c a t i o n o f h y d r a u l i c s t e m i t s e lf h a s t h e adv ant a g e s o f b i g s t if f n e s s ，t h e p o w e r and m ass r a t i o b e i n g b i g g e r t h an c o n v e n t ion a l b e a mp u m p i n g u n i t t o i m p r o v e t h e e f f e c t ofe n e r gy s a v i n g , t h e r e f o r e i t d e v e l o p e d t h e h y d r a u l i c p u m p i n g u n i t w i t h h y d r a u l ic e n e r gy r e c o v e r y t e c h n o l o gy ．Hy d r au l ic e n e r g y r e c ov e r y s y s t e m i s a F l e w e n e r gy - s a v i n g h y d r au l i c s t e m．h C an r e c ove r b r a k i n gk i n e t ic e ner gy a n dg r avi t ati o n a l p ate n t i al e n e r gy o fi n e r t i al o ads ， w h ic h h as b r o ad a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s ． H e r e ， a new e ner g y - s avi n g h y d r aul ic p u m p i n g u n i t w i t h h y d r aul i c e n e r gy r e c ove r y s t e mf o r p o t e n t i a l e n e r gy o fv e rt i c al l o a d s W as des i g n e d ,i n w h ic h h y d r aul ic mo t o r s ，h y d r aul ic p u m p s and a c c u mu l ato r s w e r e a d o p t e d f o r gravi t a t i o n al p o t e n t i al e n e r gy r e c y c l i n g ． T h e c o m p u t ati o n a n d t h e a n al y s i s o ft h e r e s u l t s s h o w e d s i ifi c a n t e n e r gy- s avi n g e ff e c t , w h ic h c m b e c o n d u c i v e t o pr ac t ica l ap p l ication ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c Ac c u m u l a t o r s ； Po n fi a l En e r g y； E n e r g y Re c o v e r y； P u m p i n g Un i t 1引言 抽油机是油田采油的主要生产设备。中国现有油田的采油 设备大部分是游梁式抽油机， 它具有机械结构复杂、 体积大、 传动 环节多、 效率低、 消耗能量大 全系统的总效率在国内一般的地区 只有 1 2 ～ 2 3 ％， 先进的地区至今也不到 3 0 ％。 美国的常规型抽油 机系统效率比较高，但也仅有 4 6 ％I I- 21 。这加大了开采石油的成 本， 据统计采油所用的能量消耗 占采油成本的 1 ／ 3 左右。此外， 随 着国家油气资源的不断开发， 油层开采深度逐年加大， 油田含水 量的增多及稠油开采等问题不多出现， 传统的石油开采设备已不 能满足油田后期开采工艺需求。要解决这一问题 ， 通常是改进以 往的开采工艺过程， 改用大载荷、 长冲程、 低冲次的工艺方法。因 此， 应用液压系统本身具有的刚度大 、 功率质量比大代替传统游 梁式抽油机提高节能效果， 满足油田开采工艺的液压抽油机能够 提高石油产品的竞争力。 为此某大学研发了液压能量回收技术的 液压抽油机， 这也是液压能量回收传动技术在油田采油设备方面 的应用 。 2液压能量回收工作原理 通过电磁换向阀及行程控制开关来完成系统 自动往复动作 要求， 在液压系统回油路中采用泵一马达结构回路， 配合蓄能器 回收系统势能， 并利用蓄能器工作压力控制液压泵顺序阀， 即可 实现对间歇功率的回收， 又可对主液压泵卸荷， 减少不必要的能 耗。系统先将重力势能转化为机械能并利用驱动功率回收机构， 来稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 0 作者简介 范文明， 1 9 8 3 一 ， 男， 越南河内人， 讲师， 博士研究生， 主要研究方向 液压传动； 宋锦春， 1 9 5 7 一 ， 男， 辽宁沈阳人， 教授， 博士， 博士生导师， 主要研究方向 机电液一体化 第 7期 范文明等 新型节能液压抽油机驱动 系统设计 使其转化为液压系统的压力能， 并作用于系统做功， 实现能量的 回收与利用。 对于这种回收系统，由于采用液压蓄能器子系统进行能量 回收，使得液压蓄能器内压力的变化与负载系统压力的变化无 关，因此避免了影响回程过程中动态响应的非线性变量因素， 使 系统能够稳定运行， 此外系统更容易实现对单负载和非变量负载 系统的控制， 能够更方便地实现重力势能的回收和重新利用。液 压抽油机系统工作原理， 如图 1 所示。它的工作过程分为上冲程 和下冲程两部分 。 上冲程 主液压泵 1 与蓄能器 3共同作用， 为单作用液压缸 6供油， 当达到上行程控制开关所限定的行程位置后， 触发行程 开关， 控制电磁换向阀4换向， 完成抽油过程 ； 系统开始下行运 动 。 1 ． 主液压泵 2 ． 电磁溢流阀 3 ． 蓄能器 4 ． 电磁换向阀 5 ．两通插装 阀 6 ．液压缸 7 ． 液压马达 8 ．辅助液压泵 图 1液压系统工作原理 图 Fi g ． 1 Th e Hy d r a u l i c S y s t e m P r i n c i p l e Dr a wi n g 下冲程 在下冲程时， 主泵 1向蓄能器充液 ， 蓄能器存储主 泵间歇功率， 并利用系统下降势能驱动液压马达 7 ， 并带动辅助 泵 8 ， 使其向蓄能器充液， 实现回收系统势能动作要求， 并转化为 液压 能存储在蓄能器 中， 为下次抽 油动作积蓄能量 ， 当蓄能器 3 达到最大工作压力时， 控制顺序阀2动作， 实现对主泵 1的卸荷。 当单作用液压缸运动至下行程控制开关所限定的行程位置时， 控 制电磁换向阀换向， 即完成一次冲程。重复以上过程。 3液压系统分析与计算 3 ． 1设计要求 给定的抽油机实际工况条件 最大冲程 1 ． 5 m， 提升最大负载 F 2 5 0 k N ， 冲次 4 rJ m i n ， 系统下行程运行时间h 6 s ， 系统上行程 运行时间 t l8 s ， 系统间歇运动时间 t j l s ， 系统周期时间 T 1 5 s 。 根据考察实际预计限定系统功率 W 2 2 k W。 3 ． 2相关变量计算 液压系统实际工作流量 口 丘 1 P t l 液压泵工作流量 蓄能器理论补充工作流量 9 △ g - ql 一 个周期内蓄能器补充油液体积 V a g A l g _ g 1 l 下降 t 时间内泵充人蓄能器油量 V A 1 g l g 2 X t 2 3 ． 3系统可行性分析与计算 为使系统达到预定的功率回收效果， 程中能使系统正常工作 。≥ 代入式 3 、 式 4 ， 得 q l g 2 ￡ 2 q - q 1 X t l 整理 ， 得 g 1 f l t 2 _q x t l - q 2 X t 2 即 q l q x t i - - q 2 X t 2 ／ T 2 3 4 与蓄能器能量释放过 5 代人式 1 、 式 2 、 式 3 ， 得 卫 P2 争 c 整理 。 得 竿 却 6 代人已知条件参数， 得 W-2 5 一 g 2 P 2 ／ r 7 通过式 7 可知道， 在系统工况条件确定后， 该液压采油系 统功率 W受液压系统工作压力P 、 蓄能器工作压力P ， 系统功率 回收时间t 和辅助液压泵充液流量 q 等因素综合影响，通过合 理选取各性能参数值 ，就可实现对该液压采油系统功率的最小 化 。 3 ． 3 ． 1液压系统基本参数计算 根据上述计算， 令 p P 8 由式 7 ， 得 5 x p 9 式中 一预计限定系统功率 2 2 k W； s 液压缸的有效面积。 代人数据 y -0 ． 0 4 x 2 5 0 ．0 1 6 q g cP 2 1 0 根据系统工作要求，令蓄能器最低工作压力等于系统工作 压力 ， 即 p l p 由气态方程公式p 。 。 c ， 得 2 n ，p 根据蓄能器工作原理及工作状态参数，蓄能器向系统提供 7 0 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 7 J u l y ． 2 0 t 4 压力能源理论补充油液体积 VA I V 2 1 2 又根据上述可行性分析 ， 液压 系统应满足关系式 V△ g l q 2 x t 2 代人式 2 、 式 1 1 ， 得 ， 曼 代人已知参数值及变量假设条件p P ， 得 V , x 【 1 一 ] 6 x q z ⋯ 其中， n 1 ． 4 ， 蓄能器丁作在绝热过程中 t l m i n 根据式 1 o 和式 1 3 ， 并考虑系统性能及结构特点， 控制蓄 能器容积在 2 0 0 I 范围内， 综合考虑各影响因素 ， 由式 7 及式 1 3 ，得系统T作压力范围P≤2 8 ． 4 MP a 。根据抽油机的实际 况， 选定液压缸内径D I 1 0 mln 。经过验算， 确定系统工作压力为 p2 6． 5 MPa 。 3 _ 3 ． 2蓄能器的计算与选取 根据系统拟达到功率及上述确定的系统工作压力 ，并由上 述计算分析可选定蓄能器各丁作状态压力值， 详见如下 蓄能器 预充气工作压力 p o 2 5 M P a， 蓄能器最低工作压 力p l 2 6 ． 5 MP a ， 蓄能器最高工作压力p z 2 8 ． 5 M P a 根据 系统限定T作功率 W 2 2 k W 2 46 ． 3Umi n 选取主液压泵T作流量 q l 4 0 I J m i n 又根据上述计算执行缸尺寸参数 q A 1 07 l Jmi n 根据上述计算结果， 在一个运行周期内， 蓄能器向系统提供 压力能源 的理论充液体积 A q 叫 1 f I 1 0 7 - 4 0 x 8 9 I 南 1 1 得 f 1 4 Po l 『 t i p , 一 ㈨ ] 式中 n T作系数， 蓄能器工作在绝热过程 ￡ -- VA ／ t 2 -- 9 _ 40 5 0 1 1 mi n 1 5 为使系统功率回收机构能够有效的工作，使辅助液压泵转 速达到额定状态， 应控制回转马达转速在 1 0 0 0 ～ 1 4 5 0 r ／ m i n 范围 内， 以使辅助液压泵能够正常运行， 使其能够有足够的动力向蓄 能器 中充液 。 液压马达排量范围计算如下 一 V V A 9 L满足上述可行I 生 分析要求。 又由式 8 可知 筹 根据式 9 可知 5 代人已知计算数据， 得 y 2 2 2 8 _ 5 1 ． 2 8 根据上述分析计算可知 1 ． 0 7 5 1 ．2 8即满足设计要求。 泵一马达结构回路机械性能验算 根据上述分析计算结果，液压系统功率回收回路工作参数及 性能参数详见如下所示 q , 1 4 2 ．5 I ． ／ m i n ， 1 0 7 m1] r ， △ p 2 5 MP a ， V 2 4 0 mF r ， p 2 8 ． 5 MP a 根据已知能量回收回路中各工作参数与元件工作参数 ， 分 析验算该液压能量回收机构机械性能。 系统势能下降功率 一-2． 5 xl 0 5 x 6 2． 5 kW 液压马达输入功率 1o ’ q a p ， 2 5 x 1 4 2 ． 5 5 9 k W 液压马达输出转矩 击 I ， a p V ．a 一 4 2 5 _8 N m 辅助液压泵输出功率 P 2 ‘ q p 一 q 2 _- p x V 2 2 5 ． 3 k W 辅助液压泵工作转矩 亩p 亩 P 一 2 1 8 1 ．5 N m 通过上述计算可知， 液压系统回收近三分之一的系统势能， 大大提高了能量的回收利用率， 从而减低系统能耗 ， 且势能下降 功率输出转矩可驱动回收系统正常运行， 满足泵一马达结构回路 的运行需求。 通过对设计样机的对比分析与设计计算 ，该液压采油系统 工作功率在相同工况参数下， 其系统装机功率同比于传统游梁式 采油机构系统装机功率可降低近 4 0 ％。 4结论 按上述方法设计的工程样机在辽阳工厂进行了相应的测试 和试验。试验结果表明， 基于液压能量回收技术设计的液压抽油 机， 能实现对负载重物势能的回收与重新利用， 可以大大降低系 统的安装功率， 设计的抽油机负载需要功率降低了4 0 ％。该系统 便于现场的调试与测量， 能根据井况随时对冲程与冲次进行无级 的最佳调节。可以通过系统参数调整适应井况的变化， 保证整机 的最佳性能。设计为节能型液压抽油机的设计提供了参考。 参考文献 [ 1 ] 梁宏宝， 伊莲娜， 孟庆伟． 游梁式抽油机节能技术改造综述[ J ] ．应用能 源技术 ， 2 0 1 1 2 ． L i a n g Ho n g b a o ， Yi L i a n n a ， S u n Xu - 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