抽油机液压蓄能节能系统分析及控制策略

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 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