液壓抽油機系統(tǒng)節(jié)能研究

范文明，宋錦春，劉艷梅

(東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110819)

0 前言

抽油機是油田采油的主要生產(chǎn)設備。隨著國家油氣資源的不斷開發(fā)，油層開采深度逐年加大，油田含水量的增多及稠油開采等問題不多出現(xiàn)，傳統(tǒng)的石油開采設備已不能滿足油田后期開采工藝需求。目前開采工藝過程，采用大載荷、長沖程、低沖次的工藝方法。其中應用液壓系統(tǒng)本身具有的剛度大、功率質量好提高節(jié)能效果，滿足油田開采工藝的液壓抽油機能夠提高石油產(chǎn)品的競爭力。因此，東北大學研制了液壓能量回收技術的液壓抽油機，這也是液壓能量回收傳動技術在油田采油設備方面的應用［1］。

1 液壓能量回收工作原理

液壓抽油機系統(tǒng)工作原理如圖1所示。它的工作過程分為上沖程和下沖程兩部分。

上沖程:主液壓泵1與蓄能器3共同作用，為單作用液壓缸6供油，當達到上行程控制開關所限定的行程位置后，觸發(fā)行程開關，控制電磁換向閥4換向，完成抽油過程;系統(tǒng)開始下行運動。

圖1 液壓系統(tǒng)工作原理圖

下沖程:在下沖程時，主泵1向蓄能器充液，蓄能器存儲主泵間歇功率，并利用系統(tǒng)下降勢能驅動液壓馬達7，并帶動輔助泵8，使其向蓄能器充液，實現(xiàn)回收系統(tǒng)勢能動作要求，并轉化為液壓能存儲在蓄能器中，為下次抽油動作積蓄能量，當蓄能器3達到最大工作壓力時，控制順序閥2動作，實現(xiàn)對主泵1的卸荷。當單作用液壓缸運動至下行程控制開關所限定的行程位置時，控制電磁換向閥換向，即完成一次沖程。重復以上過程。

液壓系統(tǒng)主要參數(shù)［1］:工作壓力p=26．5 MPa，電動機:Y180L-4B35功率P=22 kW;主泵:40SCY14-1B額定流量40 L/min;輔助泵:NB4-G40F，額定流量60 L/min排量40 mL/r;定量馬達排量107 mL/r;蓄能器:NXQ-A-100L/40-L-Y兩個容積200 L;最大沖程1．5 m;提升最大負載FN=250 kN;沖次4次/min;周期時間T=15 s。

2 液壓系統(tǒng)實驗研究

實驗所用的主要儀器是美國派克-漢尼芬的兩種工業(yè)用的system20和EM20(Electronic Condition Monitor)傳感器，以及與之相配套的手持式監(jiān)控器，可以同時測量流量、壓力和溫度。

圖2 整體抽油機外形圖

EM20代表了便攜式液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測領域的最新技術，是一種先進的基于微處理器的電子監(jiān)控器，具有相當?shù)目煽啃?、便攜性和易于操作性。

2．1 實驗裝置

該液壓節(jié)能抽油機系統(tǒng)的試驗機主要由機械、液壓和電氣部分構成。

液壓系統(tǒng)主要由5個部分組成:動力裝置包括電動機、主泵、回收能量部分、執(zhí)行機構、控制調節(jié)機構、輔助元件和工作介質。

機械結構組成:機械結構主要包括機架部分和導向車，機架部分包括主體機架和底座，導向車包括主輪、導向輪、側板、導軌。

2．2 實驗方案

由系統(tǒng)原理可知，重物下降的重力勢能通過帶動馬達轉動進行能量的回收，回收的能量經(jīng)過輔助泵存儲在蓄能器中。實驗使用的EM20和system20傳感器可以直接測出接口的流量和壓力。

(1)在輔助泵出口處安裝傳感器，如圖3所示。

圖3 輔助泵出口傳感器的連接圖

(2)在蓄能器出口安裝傳感器，如圖4所示。

圖4 蓄能器管路傳感器的連接圖

(3)在主泵出口處安裝傳感器，如圖5所示。

圖5 主泵出口傳感器的連接圖

實驗過程中需要記錄的數(shù)據(jù)有:負載、蓄能器充氮壓力、蓄能器出口壓力、主泵和輔助泵出口壓力、主泵和輔助泵出口流量、負載上升時間、負載下降時間、主泵工作壓力以及小時能耗。為了獲得較為準確又有說服力的數(shù)據(jù)，進行了2次實驗，并且為了獲得設備正常運轉所消耗的電功率，每次實驗進行時間為1 h。

2．3 實驗結果與分析

按照以上實驗方案進行了2次現(xiàn)場試驗后，通過EM20和2種型號的system20傳感器獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)。由于監(jiān)控器無法直接收集曲線，因此選取部分數(shù)據(jù)整理見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

由于重物下降并非是勻速，因此主泵、輔助泵、蓄能器出口的壓力和流量時刻都在變化著，測量儀器還不能夠輸出流量壓力變化曲線，無法直觀的。因此應用MATLAB的plot語句根據(jù)各種實驗數(shù)據(jù)繪制曲線。在系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在31 MPa時，曲線如圖6、7所示。

圖6 壓力曲線

圖7 流量曲線

2次實驗中還獲得了抽油機系統(tǒng)的小時能耗:第一次實驗獲得的能耗是21 kW，第二次實驗獲得的能耗是20．5 kW。

由壓力曲線可以看出，在最初的8 s，蓄能器和主泵工作以使配重上升，此時馬達以及輔助泵不工作，蓄能器出口壓力從29 MPa開始下降，達到26 MPa后在附近波動;隨后的6 s，配重在重力的作用下下降，帶動馬達旋轉，從而帶動輔助泵工作，輔助泵出口處壓力從零開始急速上升達到31 MPa后在附近波動，蓄能器此時處于充液狀態(tài)，壓力從26 MPa急速上升，達到29 MPa后在附近波動。

輔助泵出口管路流量從零開始急速上升，忽略其響應時間，最大流量可達到50 L/min，輔助泵輸出的平均流量為q2=48 L/min。

對以上實驗結果進行分析計算，液壓系統(tǒng)功率回收回路工作參數(shù)及性能參數(shù)如下:

系統(tǒng)懸點載荷:FN=250 kN，工作行程s=1．5 m，液壓缸有效工作腔直徑D=110 mm，配重下降時間t2=8 s，輔助液壓泵輸出平均流量q2=48 L/min，輔助液壓泵輸出壓力p2=31 MPa，蓄能器總容積V0=2×100 L=200 L、充氣壓力p0=25 MPa、最低工作壓力p1=26．5 MPa、最高工作壓力p2=29 MPa。

已知能量回收回路中各工作參數(shù)與元件工作參數(shù)，分析驗算該節(jié)能型液壓抽油機的節(jié)能效率:

系統(tǒng)勢能下降功率:

輔助液壓泵輸出功率:

功率回收效率:

電機消耗平均功率:Pd=20．75 kW

由以上計算可得，系統(tǒng)回收功率約39．7%。該系統(tǒng)設計時作為性能對比的樣機是常規(guī)的游梁式抽油機CYJ12-3-53-HB，其工況參數(shù)為:懸點載荷120 kN，沖程3 m，沖次4次/min，電機功率37 kW。其電機功率消耗的是20．75 kW，則新型的節(jié)能型液壓抽油機裝機功率節(jié)省了約44%。

2．4 能量回收功率的原理分析

系統(tǒng)的能量回收機構的作用原理是負載在重力作用下下降，下降速度為:

輸入馬達的流量:

馬達泵流量:

式中:a為重力加速度;A為液壓缸無桿腔內(nèi)的有效面積;η為輔助泵總效率;V2為輔助泵排量;n2為輔助泵轉速;η'為馬達總效率;Vmd為馬達排量。

由式(7)可知，輔助泵的流量與配重下降時間的平方成正比。但是在運行實際中，重物下落時由于液壓缸中氣體的壓縮，以及機構之間的摩擦等因素，配重要受到很大的阻力，而且隨著重物下落位移的增大，阻力也有增大的趨勢，因此也存在著加速度為零的可能性。考慮到阻力的存在及其他因素的影響，根據(jù)實驗結果所得曲線，理論與實驗結果基本一致。

驗算上升過程中:

主液壓泵的輸出流量為:

系統(tǒng)理論上行工作流量:

系統(tǒng)上行需要蓄能器提供的流量:

蓄能器在系統(tǒng)上行過程中，最多可以向系統(tǒng)供油流量為:

因為qΔ＞q'Δ，滿足系統(tǒng)的要求。

由以上分析可知，在抽油機實際工作過程中，系統(tǒng)上升提起重物的過程中，蓄能器為系統(tǒng)提供了大量的油液，由此可見蓄能器在能量回收過程中發(fā)揮著重要的作用。

2．5 實驗能量回收效率的影響因素

為了研究對液壓系統(tǒng)回路回收能量效率的影響因素，該實驗在調整不同的主要參數(shù)下進行試驗，獲取了多組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)來探討系統(tǒng)的回收效率，得到系統(tǒng)節(jié)能效果接近最佳的工作工況。

2．5．1 調節(jié)系統(tǒng)壓力的節(jié)能實驗

在配重為12．5 t，蓄能器充氣壓力25 MPa，主泵額定流量40 L/min的條件下，調節(jié)系統(tǒng)壓力在26～31 MPa，實驗數(shù)據(jù)均值如表2。

表2 調節(jié)系統(tǒng)壓力的實驗數(shù)據(jù)

由表2可得，輔助泵輸出功率最大為:-3

功率回收效率最高為:

經(jīng)過計算可知，系統(tǒng)壓力在31 MPa附近時，輔助泵輸出的功率較大，系統(tǒng)回收功率的效率比較高，最高回收功率達到42．7%，但是周期時間增大或減少，系統(tǒng)不能按照周期時間工作。系統(tǒng)最低可調為28 MPa，當壓力低于28 MPa時，系統(tǒng)壓力不足提不起配重;系統(tǒng)壓力在30、31 MPa才能按照設計時間正常工作。

2．5．2 調節(jié)馬達排量的節(jié)能實驗

在配重為12．5 t、系統(tǒng)壓力31 MPa，蓄能器充氣壓力25 MPa、主泵額定流量40 L/min的條件下，逐漸改變馬達排量，收集輔助泵輸出壓力和流量，計算輸出功率。

通過分析實驗數(shù)據(jù)，馬達排量在某一個范圍時，排量較小則輔助泵輸出流量大，功率回收效率高;排量較大則輔助泵輸出流量小，功率回收效率低。如果馬達的排量在這個范圍之外，系統(tǒng)運行呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，噪聲增大，輔助泵工作不穩(wěn)定。

為使系統(tǒng)功率回收機構能夠有效的工作，應控制輔助液壓泵轉速在1 000～1 450 r/min范圍內(nèi)，使其能夠有足夠的動力向蓄能器中充液。液壓馬達的排量范圍:

取η'=0．9，代入已知數(shù)據(jù)得:

78 mL/r≤Vmd≤114．7 mL/r

由理論分析可知，馬達的排量在78～114．7 mL/r。為了回收盡可能多的功率，應控制馬達的排量在范圍的小值附近，但同時考慮到系統(tǒng)的性能以運行的穩(wěn)定性，因此馬達的排量應進行合理的調整。結合樣本參數(shù)，實際工作時應適當選取馬達排量。

3 結論

針對東北大學研制了液壓能量回收技術的液壓抽油機樣機進行試驗研究。試驗結果表明，基于液壓能量回收技術設計的液壓抽油機，能實現(xiàn)對負載重物勢能的回收與重新利用，可以大大降低系統(tǒng)的安裝功率，已研制的樣機抽油機負載需要功率跟相同型號的游梁抽油機降低了40%。并實驗研究證明液壓回收回路系統(tǒng)能回收39．7%重物下降勢能的能量。根據(jù)調節(jié)系統(tǒng)的影響因素實驗數(shù)據(jù)證明該液壓系統(tǒng)設計已接近最佳情況工作，提高了系統(tǒng)理論價值。因此新型液壓節(jié)能抽油機更有經(jīng)濟上和實際上的應用價值。

［1］范文明，宋錦春．新型節(jié)能液壓抽油機驅動系統(tǒng)設計［J］．機械設計與制造，2014(7):68-71．

［2］宋錦春，蘇東海，張志偉．液壓與氣壓傳動［M］．北京:科學出版社，2006．

［3］宋錦春．液壓技術實用手冊［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［4］姜繼海，郭娜，劉宇輝，等．二次調節(jié)流量耦聯(lián)靜液垂直負載系統(tǒng)中液壓蓄能器的選擇計算［J］．液壓與氣動，2006(7):69-71．

［5］張彥廷，孫緒振，張恩強，等．液壓抽油機關鍵參數(shù)分析及節(jié)能研究［J］．機床與液壓，2009，37(10):80-82．

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