抽油機液壓蓄能節能系統分析及控制策略

李連峰,隋秀偉,何光智

(1.中國石油大學(華東)機電總廠,山東東營257061;2.山東新匯建設集團,山東東營257091; 3.華北油田第四采油廠,河北廊坊065000) *

抽油機液壓蓄能節能系統分析及控制策略

李連峰1,隋秀偉2,何光智3

(1.中國石油大學(華東)機電總廠,山東東營257061;2.山東新匯建設集團,山東東營257091; 3.華北油田第四采油廠,河北廊坊065000)*

對比分析了目前常見的幾種抽油機節能方案,在此基礎上提出了液壓蓄能節能系統;重點分析了節能系統的液壓系統和機械系統,提出了液壓蓄能節能系統方案及控制策略。

抽油機;節能;控制策略

目前,抽油機的節能技術主要是采用節能抽油機、節能電機、節能配電箱3大類,但沒有解決電動機啟動轉矩遠大于實際運行轉矩的問題,所以抽油機仍存在“大馬拉小車”的現象[1-3]。要解決問題就要降低抽油機所用電動機的啟動轉矩,最理想的是實現電動機啟動轉矩與實際運行轉矩相等,使電動機工作在恒功率、滿負載的條件下。另一方面,由于常規游梁式抽油機平衡效果不理想,抽油機懸點負載的周期性變化會引起電動機輸出軸扭矩的正負周期性變化,電動機負扭矩的出現實際上使得電動機處于發電狀態,不僅會沖擊電網,還會造成電動機工作不平穩,加速電動機的損壞。液壓蓄能節能系統可解決以上2方面的問題,達到了節能目的。

1 液壓蓄能節能系統分析

液壓蓄能節能系統是基于液壓技術和動力合成技術,將二者很好地結合在一起,利用液壓技術回收抽油機系統正常工作時的主要能量損耗,并通過動力合成裝置,使這部分能量被充分利用到電動機的啟動過程以及抽油機的有功過程,可有效降低電動機的額定功率,進而實現抽油機電動機的恒功率、滿負載運行。液壓蓄能節能系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 液壓蓄能節能系統整體設計框圖

液壓蓄能節能系統從整體上可分為液壓系統和機械系統2個部分。液壓系統實現不同時刻儲能和放能的要求,機械系統實現動力合成。液壓系統部件包括液壓泵、液壓馬達、蓄能器及其他液壓輔件;機械系統部件包括動力合成裝置及其他機械輔件。系統的工作過程如圖2所示。在抽油機工作的1個沖程中,液壓馬達與液壓泵分時工作,根據曲柄軸的扭矩不斷地實現蓄能、放能,控制系統實現這2個工作過程的實時切換。

圖2 液壓蓄能節能系統工作過程

1.1 液壓系統

液壓蓄能節能系統的液壓系統是由液壓泵、液壓馬達、蓄能器等液壓部件構成的液壓主回路,其工作原理為:電磁單向閥斷開變量馬達液壓回路,機械動力帶動變量泵工作,經單向閥向蓄能器供油,根據壓力傳感器實時檢測的蓄能器進油壓控制變量泵排量;電磁單向閥打開變量馬達液壓回路,液壓油經電磁單向閥驅動變量馬達工作,根據壓力傳感器實時檢測的蓄能器出油壓控制變量馬達排量,進而控制變量馬達的輸出軸扭矩。溢流閥保證蓄能器運行時的安全壓力,壓力表可實時觀測蓄能器油壓。

a) 液壓泵 液壓泵的類型很多,按排量能否改變可分為定量泵和變量泵。根據節能方案設計目標,要保證電動機處于恒功率工作狀態,而電動機負載扭矩是跟隨曲柄軸扭矩周期性變化的,所以在該節能裝置中使用的液壓泵為變量泵,使變量泵的工作曲線跟隨曲柄軸負扭矩周期性變化,可以使電動機處于恒功率運行狀態。

b) 液壓馬達 液壓馬達與液壓泵類似,液壓馬達的工作過程就是液壓泵工作的逆過程。液壓馬達的類型也很多,按排量能否改變可分為定量馬達和變量馬達。根據節能方案設計目標,要保證電動機處于恒功率運行狀態下,而電動機負載扭矩跟隨曲柄軸扭矩周期性變化,所以在該節能裝置中使用的液壓馬達也應該為變量馬達,使變量馬達的工作曲線跟隨曲柄軸正扭矩周期性變化,可使電動機處于恒功率運行狀態。

c) 蓄能器 蓄能器作為儲存和釋放液壓能的裝置,其結構類型有多種,例如重錘式、彈簧式和氣體加載式等,分別在不同的場合使用。由于在液壓蓄能節能系統中,蓄能器的主要用途為蓄能和放能,所以可選用氣體加載式蓄能器及重錘式蓄能器。

液壓系統除了這3個主要液壓部件外,還有油箱、過濾器、單向閥、電磁單向閥、卸荷閥以及實時檢測蓄能器進出口壓力的壓力傳感器等,可根據實際的需要選擇合適的液壓輔件。

1.2 機械系統

液壓蓄能節能系統是將液壓系統與機械系統有機地結合。機械系統主要包含動力合成裝置及控制動力合成裝置,按照期望方式動作的離合器等機械輔件。動力合成裝置至少要有2個輸入端,例如液壓馬達與電動機的動力分別作為輸入,合成扭矩反映在動力合成裝置的輸出軸上。

在動力合成裝置的研究中,采用最多的是行星齒輪傳動,行星齒輪有其獨特的優點:結構緊湊、質量輕、體積小、傳動效率高、運動平穩、抗沖擊振動、工作可靠等,而且適當選擇行星傳動的類型以及配齒方案,便可實現用少數齒輪得到很大的傳動比。正是由于行星齒輪的這種特性,所以行星齒輪系非常適用于動力合成裝置。由于行星輪系幾乎可以用于一切功率和轉速范圍,因此應用十分廣泛[4-5]。

在本文所述的液壓蓄能節能系統中,液壓馬達與電動機轉矩合成驅動負載的差動輪系為匯流裝置,電動機與負載轉矩合成驅動液壓泵的差動輪系也屬于匯流裝置。所以,本文所涉及的動力合成裝置是基于差動輪系的行星齒輪傳動機構。

2 液壓蓄能節能系統控制策略

2.1 系統狀態變量的提取

整個液壓蓄能節能系統的目的是實現液壓泵、液壓馬達的工作曲線實時跟隨曲柄軸扭矩的變化趨勢,從而使得電動機處于恒功率運行狀態下?？梢?對液壓泵、液壓馬達的控制依據是曲柄軸扭矩。顯然,以現場的條件以及從抽油機主體結構來看,都很難實現對曲柄軸扭矩的實時測量。

求取曲柄軸扭矩的抽油機主體模型是一個典型的多輸入多輸出系統,各個輸入變量之間又存在一定的關系,曲柄軸扭矩這一輸出是所有輸入的綜合響應,受到多個輸入量的控制,因此抽油機主體模型是多變量耦合系統。

2.2 液壓系統控制策略

抽油機啟動時,電動機啟動扭矩要遠大于電動機正常運行時的扭矩,在采用液壓蓄能節能裝置后,為最大程度降低電動機的額定功率,蓄能器必須配合電動機完成抽油機的啟動。因此在抽油機啟動之前,蓄能器必須處于可供能狀態,蓄能器驅動液壓馬達配合小型電動機共同提供抽油機的啟動扭矩;電動機須單獨帶動液壓泵工作為蓄能器供能,以便為抽油機系統啟動做準備。在蓄能器蓄滿液壓能,或者當蓄能器進口壓力達到一定值時,液壓泵停止工作,與此同時,蓄能器開始釋放能量,配合電動機一起完成抽油機的啟動過程。

抽油機啟動過程結束后,抽油機負載周期性變化導致曲柄軸扭矩也呈現周期性變化。曲柄軸扭矩大于零定義為正扭矩,小于零定義為負扭矩。曲柄軸出現正扭矩時,說明此時電動機在做正功,此時使液壓馬達配合電動機一起工作,帶動四連桿機構拖動抽油桿抽油;曲柄軸出現負扭矩時,說明此時電動機在做負功,四連桿機構拖動電動機,電機實際處于發電狀態,電動機長期處于發電狀態對電機有很大壞處。為改變電動機的發電狀態,使電機此時同樣處于正扭矩狀態,需要液壓泵輔助工作,即四連桿機構與電動機一起拖動液壓泵工作,使得液壓泵為蓄能器提供液壓油,存儲負扭矩損失的能量。抽油機啟動后系統控制流程圖如圖3所示。

圖3 抽油機啟動后系統控制流程

2.3 機械系統控制策略

液壓蓄能節能系統是依靠液壓系統來驅動機械系統完成預期工作的,此系統機械部分主要是液壓泵輸入軸、液壓馬達的輸出軸與動力合成裝置的連接。因正常運行時,需適時控制液壓泵、液壓馬達的工作時段,所以在液壓系統與動力合成裝置之間、動力合成裝置輸出軸與減速器之間應通過軸、聯軸器與離合器連接,以達到預期工作過程。整個過程中,機械系統必須與液壓系統緊密配合,從而實現系統正常工作。

2.4 控制器的設計方法

在該節能系統中,無論是對液壓系統的控制,還是對機械系統的控制,旨在讓被控對象快速跟隨輸入命令,所以,此節能裝置的控制系統實際為一運動控制系統,即伺服系統。在伺服系統中,輸入信號不斷地變化,系統的任務就是盡可能迅速、準確地去跟蹤輸入信號的變化。

由液壓系統、機械系統的分析可知,液壓系統可采用 PID控制方式,機械系統可采用開關控制方式。開關控制是控制系統中最基本的一種控制模式,它的輸出只有2個狀態,即全開或者全關:一個狀態用于被控變量高于期望值時的情況;另一狀態用于被控變量低于設定點的情況。針對本設計,離合器不停地打開、關閉,這種固定的高速循環狀態會加重設備的損耗從而降低其使用壽命。為了避免快速地循環,可以通過為控制器增加差動間隙功能來延長2次動作之間的時間,使每次被控變量超過或低于設定點一定范圍之后才會更新控制操作。

由液壓泵、液壓馬達排量的參考計算公式可知,液壓系統可采用比例控制方式。比例控制輸出的變化和輸入誤差信號成比例。液壓泵、液壓馬達的排量控制可通過1個比例閥來實現,比例閥的開啟度取決于期望排量值。期望排量越大,閥門開啟度越大,液壓泵、液壓馬達的實際排量也就越大。然而,在伺服系統中要求系統的靜態誤差很小,甚至不允許有靜態誤差。為了減小殘差,因此需要在比例控制方式中引入積分控制信號,積分控制是為消除比例控制中的固有殘差而設計的,它根據殘差的絕對值而逐漸增大控制信號,所以積分模式通常與比例控制模式一起在閉環系統的控制器部件中協同使用。

由于此液壓系統為伺服系統,要求系統能更準確、迅速地跟隨輸入信號的變化,因此也要求比例閥能更快地從一個位置移動到另一個位置。僅依靠比例模式是不可能實現快速移動的,而且比例增益過高,增加了系統的不平穩性,會有超調以至振蕩發生。為了盡量減小超調量同時使被控變量快速跟隨輸入信號變化,還需要在比例積分控制的基礎上引入微分控制模式。

在引入PID控制以后,液壓蓄能節能系統控制器根據曲柄軸扭矩值的正負,合理輸出比例控制閥的控制電流及離合器的開關信號,使得系統運行時,液壓泵、液壓馬達之間準確切換;同時,液壓泵、液壓馬達工作在合適的排量之下,實現了系統的自動控制。

3 結語

近年來,抽油機節能技術己經取得了顯著的效果,目前主要集中在改進抽油機結構、采用節能驅動設備、采用節能控制裝置、采用節能元部件、改進平衡方式、改進“三抽”系統部件以及采用高效節能泵等方面的研究,以實現節能目的。本文提出了液壓蓄能節能方案及控制策略,可為同行提供有益的參考。

[1] 李紅才,秦德福,魚 崗,等.節能型超低沖次抽油機技術研究 [J].石油礦場機械,2010,39(5):49-51.

[2] 王全賓,肖文生.直線電機抽油機與游梁式抽油機工作性能對比[J].石油礦場機械,2009,38(12):27-30.

[3] 王 釗,秦 英,李 權,等.抽油機節能電機的應用分析[J].石油礦場機械,2007,36(8):58-61.

[4] 何毅斌,陳定方,何小華.基于熱分析的低速重載齒輪傳動冷卻方法研究[J].石油礦場機械,2010,39(2): 76-78.

[5] 張曉東,金連登.井下減速器傳動方案分析 [J].石油礦場機械,2007,36(12):1-3.

System Analysis and Control for Energy-Saving of Pumping Unit Actuator

LI Lian-feng1,SUI Xiu-wei2,HE Guang-zhi3
(1.Total Factory of Mechanical and Electronic,China University ofPetroleum,Dongying257061,China; 2.Shandong Xinhui Construction Group,Dongying257091,China; 3.No.4Oil Prodution Plant,Huabei Oilf ield,L angf ang065000,China)

Comparison and analysis have been made among several pumping unit energy saving,and special analysis has been made for hydraulic accumulator system.The analysis of energy saving and mechanical systems is emphasized to put forward system analysis and control.

pumping unit;energy saving;control principle

1001-3482(2010)12-0057-04

TE933.1

A

2010-08-22

李連峰(1966-),男,山東廣饒人,工程師,主要從事石油機械的研制及機電設備的管理工作。