范文明，宋錦春，劉艷梅

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽 110819)

0 前言

抽油機(jī)是油田采油的主要生產(chǎn)設(shè)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(shè)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(yīng)用液壓系統(tǒng)本身具有的剛度大、功率質(zhì)量好提高節(jié)能效果，滿足油田開采工藝的液壓抽油機(jī)能夠提高石油產(chǎn)品的競爭力。因此，東北大學(xué)研制了液壓能量回收技術(shù)的液壓抽油機(jī)，這也是液壓能量回收傳動技術(shù)在油田采油設(shè)備方面的應(yīng)用［1］。

1 液壓能量回收工作原理

液壓抽油機(jī)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(dāng)達(dá)到上行程控制開關(guān)所限定的行程位置后，觸發(fā)行程開關(guān)，控制電磁換向閥4換向，完成抽油過程;系統(tǒng)開始下行運(yùn)動。

圖1 液壓系統(tǒng)工作原理圖

下沖程:在下沖程時(shí)，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(qū)動液壓馬達(dá)7，并帶動輔助泵8，使其向蓄能器充液，實(shí)現(xiàn)回收系統(tǒng)勢能動作要求，并轉(zhuǎn)化為液壓能存儲在蓄能器中，為下次抽油動作積蓄能量，當(dāng)蓄能器3達(dá)到最大工作壓力時(shí)，控制順序閥2動作，實(shí)現(xiàn)對主泵1的卸荷。當(dāng)單作用液壓缸運(yùn)動至下行程控制開關(guān)所限定的行程位置時(shí)，控制電磁換向閥換向，即完成一次沖程。重復(fù)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(jī):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(dá)排量107 mL/r;蓄能器:NXQ-A-100L/40-L-Y兩個(gè)容積200 L;最大沖程1．5 m;提升最大負(fù)載FN=250 kN;沖次4次/min;周期時(shí)間T=15 s。

2 液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)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(shí)測量流量、壓力和溫度。

圖2 整體抽油機(jī)外形圖

EM20代表了便攜式液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的最新技術(shù)，是一種先進(jìn)的基于微處理器的電子監(jiān)控器，具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴⒈銛y性和易于操作性。

2．1 實(shí)驗(yàn)裝置

該液壓節(jié)能抽油機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)械、液壓和電氣部分構(gòu)成。

液壓系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成:動力裝置包括電動機(jī)、主泵、回收能量部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、輔助元件和工作介質(zhì)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)組成:機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架部分和導(dǎo)向車，機(jī)架部分包括主體機(jī)架和底座，導(dǎo)向車包括主輪、導(dǎo)向輪、側(cè)板、導(dǎo)軌。

2．2 實(shí)驗(yàn)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(dá)轉(zhuǎn)動進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中需要記錄的數(shù)據(jù)有:負(fù)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(fù)載上升時(shí)間、負(fù)載下降時(shí)間、主泵工作壓力以及小時(shí)能耗。為了獲得較為準(zhǔn)確又有說服力的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)，并且為了獲得設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的電功率，每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為1 h。

2．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

表1 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)用MATLAB的plot語句根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線。在系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在31 MPa時(shí)，曲線如圖6、7所示。

圖6 壓力曲線

圖7 流量曲線

2次實(shí)驗(yàn)中還獲得了抽油機(jī)系統(tǒng)的小時(shí)能耗:第一次實(shí)驗(yàn)獲得的能耗是21 kW，第二次實(shí)驗(yàn)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(shí)馬達(dá)以及輔助泵不工作，蓄能器出口壓力從29 MPa開始下降，達(dá)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(dá)旋轉(zhuǎn)，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(dá)到31 MPa后在附近波動，蓄能器此時(shí)處于充液狀態(tài)，壓力從26 MPa急速上升，達(dá)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(yīng)時(shí)間，最大流量可達(dá)到50 L/min，輔助泵輸出的平均流量為q2=48 L/min。

對以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)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(diǎn)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(shí)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?cè)莘eV0=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(yàn)算該節(jié)能型液壓抽油機(jī)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(jī)消耗平均功率:Pd=20．75 kW

由以上計(jì)算可得，系統(tǒng)回收功率約39．7%。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)作為性能對比的樣機(jī)是常規(guī)的游梁式抽油機(jī)CYJ12-3-53-HB，其工況參數(shù)為:懸點(diǎn)載荷120 kN，沖程3 m，沖次4次/min，電機(jī)功率37 kW。其電機(jī)功率消耗的是20．75 kW，則新型的節(jié)能型液壓抽油機(jī)裝機(jī)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(jī)構(gòu)的作用原理是負(fù)載在重力作用下下降，下降速度為:

輸入馬達(dá)的流量:

馬達(dá)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(zhuǎn)速;η'為馬達(dá)總效率;Vmd為馬達(dá)排量。

由式(7)可知，輔助泵的流量與配重下降時(shí)間的平方成正比。但是在運(yùn)行實(shí)際中，重物下落時(shí)由于液壓缸中氣體的壓縮，以及機(jī)構(gòu)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?？紤]到阻力的存在及其他因素的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得曲線，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

驗(yàn)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?yàn)閝Δ＞q'Δ，滿足系統(tǒng)的要求。

由以上分析可知，在抽油機(jī)實(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰炕厥招实挠绊懸蛩?/h3>

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(shí)驗(yàn)在調(diào)整不同的主要參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，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(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的節(jié)能實(shí)驗(yàn)

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(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力在26～31 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均值如表2。

表2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的實(shí)驗(yàn)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(jì)算可知，系統(tǒng)壓力在31 MPa附近時(shí)，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(dá)到42．7%，但是周期時(shí)間增大或減少，系統(tǒng)不能按照周期時(shí)間工作。系統(tǒng)最低可調(diào)為28 MPa，當(dāng)壓力低于28 MPa時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)間正常工作。

2．5．2 調(diào)節(jié)馬達(dá)排量的節(jié)能實(shí)驗(yàn)

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(dá)排量，收集輔助泵輸出壓力和流量，計(jì)算輸出功率。

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，馬達(dá)排量在某一個(gè)范圍時(shí)，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(dá)的排量在這個(gè)范圍之外，系統(tǒng)運(yùn)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(jī)構(gòu)能夠有效的工作，應(yīng)控制輔助液壓泵轉(zhuǎn)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(dá)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(dá)的排量在78～114．7 mL/r。為了回收盡可能多的功率，應(yīng)控制馬達(dá)的排量在范圍的小值附近，但同時(shí)考慮到系統(tǒng)的性能以運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此馬達(dá)的排量應(yīng)進(jìn)行合理的調(diào)整。結(jié)合樣本參數(shù)，實(shí)際工作時(shí)應(yīng)適當(dāng)選取馬達(dá)排量。

3 結(jié)論

針對東北大學(xué)研制了液壓能量回收技術(shù)的液壓抽油機(jī)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于液壓能量回收技術(shù)設(shè)計(jì)的液壓抽油機(jī)，能實(shí)現(xiàn)對負(fù)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(jī)抽油機(jī)負(fù)載需要功率跟相同型號的游梁抽油機(jī)降低了40%。并實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)已接近最佳情況工作，提高了系統(tǒng)理論價(jià)值。因此新型液壓節(jié)能抽油機(jī)更有經(jīng)濟(jì)上和實(shí)際上的應(yīng)用價(jià)值。

［1］范文明，宋錦春．新型節(jié)能液壓抽油機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)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(xué)出版社，2006．

［3］宋錦春．液壓技術(shù)實(shí)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(diào)節(jié)流量耦聯(lián)靜液垂直負(fù)載系統(tǒng)中液壓蓄能器的選擇計(jì)算［J］．液壓與氣動，2006(7):69-71．

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

［6］劉宇輝，姜繼海，劉慶和．基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓抽油機(jī)節(jié)能原理［J］．機(jī)床與液壓，2004(10):43-45．