王 順，黃亞農(nóng)，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205)

基于 AMESim 的一種雙作用往復(fù)抽油泵仿真研究

王 順，黃亞農(nóng)，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205)

以某型雙作用往復(fù)抽油泵為研究對(duì)象，利用 AMESim 軟件對(duì)其進(jìn)行建模仿真，主要分析雙作用抽油泵在工作過(guò)程中的出口流量特性與壓力特性，關(guān)鍵部件固定閥的開啟特性以及柱塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)固定閥閥球起跳位移的影響。仿真結(jié)果表明，雙作用往復(fù)抽油泵在排液時(shí)存在特殊的負(fù)流量與壓力波動(dòng)現(xiàn)象，固定閥的開啟特性與閥罩的實(shí)際故障破壞密切相關(guān)，該仿真結(jié)果對(duì)于雙作用往復(fù)抽油泵的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。

雙作用往復(fù)抽油泵；AMESim；負(fù)流量；固定閥；運(yùn)動(dòng)控制

0 引 言

潛油式直線電機(jī)往復(fù)抽油泵采油系統(tǒng)主要由直線電機(jī)、無(wú)桿抽油泵、控制柜組成。通過(guò)地面控制柜控制井下直線電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)抽油泵的柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)汲油功能[1]。

抽油泵按照一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)排油與吸油的次數(shù)劃分，可分為單作用抽油泵與雙作用抽油泵。與單作用抽油泵相比，雙作用往復(fù)抽油泵可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)減載和雙向做功，提高電機(jī)的承載能力和采油效率，滿足大排量和深井抽汲的需求[2 – 3]。目前對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙作用往復(fù)泵的研究多為非油井應(yīng)用的產(chǎn)品[4 – 6]，為了了解油井采用的雙作用泵工作特性，本文采用AMESim 軟件對(duì)某型號(hào)雙作用往復(fù)采油泵[3]進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究，仿真結(jié)果可對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)化提供一定的參考。

1 雙作用往復(fù)抽油泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

圖 1 為雙作用往復(fù)抽油泵的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理如下：直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在柱塞的向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上泵腔體積減小，壓力增大，位于柱塞上的游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥則打開，通過(guò)固定閥實(shí)現(xiàn)排油過(guò)程，同時(shí)下泵腔體積增大，壓力減小，由上泵腔排出的一部分油液在泵筒（與油管相通）內(nèi)部回流，通過(guò)下泵腔入口進(jìn)入下泵腔；在柱塞的向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上泵腔體積增大，壓力減小，固定閥關(guān)閉，位于柱塞上的游動(dòng)閥則打開，油液通過(guò)游動(dòng)閥進(jìn)入上泵腔實(shí)現(xiàn)吸油過(guò)程，同時(shí)下泵腔體積減小，壓力增大，下泵腔內(nèi)的油液通過(guò)下泵腔入口被排出到與油管相通的泵筒內(nèi)。

2 雙作用往復(fù)抽油泵仿真模型

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，在 AMESim 元件庫(kù)中選取相應(yīng)的模型，建立如圖 2 所示的仿真模型。

建模關(guān)鍵：雙作用往復(fù)抽油泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由潛油式直線電機(jī)動(dòng)子的輸出決定，在模型中利用帶有阻尼的大剛度彈簧模擬聯(lián)接，電機(jī)動(dòng)子的輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律由分段線信號(hào)源直接產(chǎn)生；游動(dòng)閥采用可移動(dòng)閥體驅(qū)動(dòng)液壓缸處理，模擬柱塞與閥體一體化的結(jié)構(gòu)；模型中各個(gè)元件的工作狀態(tài)按照實(shí)際工況設(shè)置為垂直。

模型假設(shè)條件如下：1）不考慮實(shí)際泄漏情況；2）不考慮實(shí)際井液的含砂含水等情況；3）不考慮世

紀(jì)結(jié)構(gòu)中的非關(guān)鍵過(guò)度尺寸；4）考慮管路阻尼的影響。

3 仿真與分析

3.1 仿真輸入?yún)?shù)

對(duì)于雙作用往復(fù)抽油泵的工作環(huán)境以及結(jié)構(gòu)，已知的主要參數(shù)見表 1。

柱塞泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為勻加速、勻速、勻減速過(guò)程。其沖次為 8 次/min 時(shí)的周期速度曲線如圖 3 所示，上下行程均分為勻加速、勻速、勻減速，各階段均 1 s，停止 0.75 s，周期 T = 7.5 s。

3.2 雙作用泵出口流量仿真分析

泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)出口流量—柱塞速度曲線如圖 4所示。

通過(guò)曲線可以看出，出口流量隨著柱塞運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，并且趨勢(shì)一致。根據(jù)速度曲線物理含義，正值時(shí)表明柱塞上行，反之則為柱塞下行。圖 4表明，柱塞上行與下行過(guò)程中泵均在排油。在上行與下行過(guò)程中，勻速階段的流量分別為 29.239 6 L/min 和26.053 7 L/min，與理論計(jì)算值 28.952 9 L/min 和 25.786 2 L/min相比誤差分別為 0.99% 和 1.04%。

從圖 4 還可看出，柱塞在上行過(guò)程中，系統(tǒng)出口流量曲線出現(xiàn)了負(fù)值，根據(jù) AMESim 模型端口變量的意義可知，此時(shí)系統(tǒng)的出口出現(xiàn)了負(fù)流量。從負(fù)流量變?yōu)檎５倪^(guò)程，所經(jīng)歷的時(shí)間為 0.28 s。

柱塞上行過(guò)程中，泵的出口流量是通過(guò)固定閥排出的，在固定閥閥球還未開啟的過(guò)程中，上泵腔內(nèi)的流體出現(xiàn)壓縮，管路中的部分油液回流進(jìn)入下泵腔，補(bǔ)充由于壓縮所需的流體體積，因此在出口流量曲線上表現(xiàn)為負(fù)流量的現(xiàn)象。

與單作用泵相比，雙作用泵在結(jié)構(gòu)上存在著下泵腔，在柱塞上行的過(guò)程中，下泵腔可以回油，因此造成了雙作用泵出口特有的負(fù)流量現(xiàn)象。

3.3 雙作用泵出口壓力仿真分析

雙作用泵的出口壓力大小主要由泵掛深度 H 以及管路中的流體阻力決定，泵出口壓力—柱塞速度曲線示意圖如圖 5 所示。仿真系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始計(jì)算調(diào)整后，出口壓力大小在 17.892～17.997 MPa 之間波動(dòng)。

從圖 5 可看出，在柱塞上下運(yùn)動(dòng) 1 個(gè)周期內(nèi)，泵的出口壓力共出現(xiàn)了 4 個(gè)極值，分別為 17.892 MPa，17.997 MPa，17.910 MPa，17.988 MPa；壓力波動(dòng)周期與柱塞運(yùn)行周期一致，均為 7.5 s，但是響應(yīng)時(shí)間存在延遲，延遲時(shí)間 0.45 s 左右。

由于泵的出口壓力由靜壓與管路阻力組成，而后者受出口流量的影響。從圖 4 可知，上行程排量大于下行程，因此造成了泵出口壓力 2 次上升峰值的不等；流體壓力在柱塞上行與下行換向后 0.45 s 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，從下峰值上升，這是因?yàn)槌隹趬毫υ谥o止時(shí)存在釋放的過(guò)程，尚未釋放完全，隨著柱塞運(yùn)動(dòng)流體再次被壓縮，壓力隨之建立，造成了 2 次下峰值的不同。與單作用泵相比，雙作用泵在上下行程均可排油，因此造成了壓力波動(dòng)特有的 4 個(gè)峰值現(xiàn)象。

根據(jù) 3.2 小節(jié)分析，泵出口流量仿真出現(xiàn)的負(fù)流量現(xiàn)象與固定閥的開啟相關(guān)，因此將進(jìn)一步對(duì)固定閥的開啟特性進(jìn)行研究并分析兩者之間的關(guān)系。

4 固定閥開啟特性仿真分析

固定閥的出口壓力與泵的出口壓力一致，固定閥入口壓力—閥球位移曲線如圖 6 所示。

從圖 6 可看出，固定閥在開啟瞬間，入口壓力大小從 1.0 MPa 左右激增為 18.0 MPa 左右，這是因?yàn)殚y口開啟，上泵腔與油管相通，承受 1 800 m 的液柱壓力；固定閥在閉合瞬間，入口壓力大小從 18.0 MPa左右銳減至 1.0 MPa 左右，其原因?yàn)殚y口關(guān)閉，上泵腔與 1 800 m 液柱隔斷，浸液深度 h 對(duì)應(yīng) 100 m 的液柱同時(shí)通過(guò)游動(dòng)閥的開啟進(jìn)入上泵腔，因此其壓力最終保持在 1.0 MPa 左右。

結(jié)合圖 6 和從圖 7 可看出，在固定閥開啟前，其入口壓力（即上泵腔壓力）從 0.968 MPa 快速增加至17.890 MPa（即泵的出口壓力），當(dāng)上泵腔壓力大于泵的出口壓力時(shí)，固定閥開啟，隨后入口壓力繼續(xù)上升但存在小幅波動(dòng)。從時(shí)間軸分布上來(lái)看，當(dāng)閥球位移大小處于曲線的上峰值時(shí)，壓力值大小處于曲線的下峰值，兩者剛好呈相反的趨勢(shì)，即閥球的跳動(dòng)頻率與壓力的波動(dòng)頻率一致，均為 9.09 Hz，跳動(dòng)周期為 0.11 s。

固定閥閥球位移 1 柱塞速度曲線如圖 8 所示。從圖中可知，閥球的開啟時(shí)間比柱塞上行時(shí)的初始時(shí)間滯后了 0.28 s，與負(fù)流量出現(xiàn)過(guò)程的時(shí)間一致。

為了驗(yàn)證上文所述的負(fù)流量特征，利用仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果互相校核。固定閥開啟延遲的時(shí)間內(nèi)，柱塞向上的運(yùn)動(dòng)位移為：

上泵腔內(nèi)壓力從 100 m 液柱突變?cè)鲋?1 800 m 液柱時(shí)，其壓力大小變化 ?p = ρg?h，根據(jù)液體體積彈性模量的意義，由此可求得固定閥開啟之前上泵腔內(nèi)流體壓縮的體積：

計(jì)算結(jié)果表明 ?V1≈ ?V2，證明泵出口流量出現(xiàn)的負(fù)流量現(xiàn)象是由固定閥開啟滯后使得上泵腔內(nèi)的流體壓縮所引起的。

從以上數(shù)據(jù)的分析過(guò)程可看出，雙作用往復(fù)泵的仿真結(jié)果與理論分析的數(shù)據(jù)相符，說(shuō)明了該模型的合理性。

5 固定閥閥球起跳位移影響因素研究

固定閥閥球的位移在開啟瞬間存在較大的波動(dòng)，而這種運(yùn)動(dòng)特性通常是不希望出現(xiàn)的。事實(shí)上，無(wú)論是有桿泵還是無(wú)桿泵，閥罩?jǐn)嗔讯际怯吞镌趯?shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的一類故障。造成該故障的原因之一如下：閥罩限制的起跳高度小于閥球在開啟瞬間的起跳高度，導(dǎo)致閥球與閥罩撞擊。長(zhǎng)時(shí)間頻繁撞擊導(dǎo)致閥罩、閥球表面受損，進(jìn)而由于井液腐蝕、沖刷等環(huán)境因素造成閥罩?jǐn)嗔?、閥球與閥座間的密封失效，最終致使抽油泵失效[7 – 8]。

固定閥閥球在閥口開啟瞬間出現(xiàn)起跳位移劇烈變化這一現(xiàn)象，本文將對(duì)影響其起跳高度的因素進(jìn)行初步探討。

在本模型中，固定閥閥球的可移動(dòng)位移被限制為22 mm，即實(shí)際結(jié)構(gòu)中固定閥閥罩限制的閥球起跳高度。仿真結(jié)果表明，在閥口開啟瞬間，閥球起跳位移最大，可達(dá)到 16.45 mm。這說(shuō)明閥球在該運(yùn)動(dòng)規(guī)律下并沒有運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)。

調(diào)整雙作用抽油泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在其行程不變、停止換向時(shí)間不變的情況下，使其最大加速度分別為0.3 m/s2，0.4 m/s2，0.5 m/s2，0.6 m/s2，0.7 m/s2，0.8 m/s2，0.9 m/s2，同時(shí)將參數(shù)固定閥閥罩高度調(diào)整為 50 mm，其他參數(shù)不變，重新運(yùn)行仿真。不同啟動(dòng)加速度下，對(duì)應(yīng)固定閥閥球在開啟瞬間的最大起跳位移見表 2。

表2 固定閥閥球最大起跳位移Tab.2 The maximum motion displacement of fixed check-valve ball

從表 2 可看出，在泵掛深度一定，浸液深度一定的情況下，柱塞的加速度越大，閥球在開啟瞬間跳動(dòng)高度也越大。

對(duì)于該模型中的固定閥，當(dāng)加速度超過(guò) 0.8 m/s2時(shí)，閥球的最大起跳位移已經(jīng)超過(guò)了 0.022 m。為了減輕實(shí)物樣機(jī)產(chǎn)品中固定閥閥球與閥罩撞擊帶來(lái)的負(fù)面影響，推薦該工況下雙作用泵在運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)加速度不超過(guò) 0.7 m/s2。以 0.7 m/s2的加速度啟動(dòng)，相比以 0.6 m/s2啟動(dòng)，可以使雙作用泵往復(fù)運(yùn)行的周期減小至 6.9 s，沖次提高至 8.7 次/min，從而將最大產(chǎn)油量提高 10% 左右。

結(jié)合以上分析可知，確定合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于提高雙作用泵的壽命以及產(chǎn)量具有重要的意義。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）雙作用抽油泵的出口流量、壓力特性曲線，與單作用泵相比存在特有的負(fù)流量與壓力波動(dòng)現(xiàn)象。

2）固定閥的球體開啟位移與泵的運(yùn)行加速度密切相關(guān)，加速度越大，位移越大。閥球開啟過(guò)程可能會(huì)撞擊閥罩導(dǎo)致故障，閥罩高度應(yīng)與泵的運(yùn)行加速度匹配。

3）仿真表明本型號(hào)雙作用抽油泵固定閥閥罩高度有一定裕度，可以提高泵運(yùn)行速度減小運(yùn)行周期從而增加沖次，提高產(chǎn)油量 10% 左右。

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Simulation research based on AMESim for a double-acting reciprocating pump

WANG Shun, HUANG Ya-nong, LI Shen, YU Jun
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

In order to analyse the characteristic of output flow and pressure about a double-acting reciprocating pump, the opening characters for key component of fixed check valve and impact which the motion law of piston caused on valve ball's displacement, a simulation model is established in this paper with AMESim software. The simulation results not only indicate that special negative flow and pressure transformation would be appeared when the double-acting pump producting oil, fixed check-valve's characters has correlation with the failure in practice, but also have instructing meaning for the pump' motion control law optimization.

double-acting reciprocating pump；AMESim；negative flow；fixed check valve；motion control

TH137

A

1672 – 7619(2017)06 – 0105 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.021

2016 – 03 – 02；

2016 – 04 – 05

王順(1989 – )，男，碩士，研究方向?yàn)榇翱傮w優(yōu)化及系統(tǒng)技術(shù)。