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        基于模糊PID控制的節(jié)能型復(fù)合液壓缸式抽油機設(shè)計

        2020-08-01 10:29:20侯巖光
        石油礦場機械 2020年4期
        關(guān)鍵詞:懸點油桿蓄能器

        侯巖光,趙 弘

        (中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249)①

        傳統(tǒng)抽油機存在耗能高、效率低、體積大、笨重、安裝維修困難等問題。為了改變這種現(xiàn)狀,抽油機研究重點逐漸轉(zhuǎn)向節(jié)能型舉升系統(tǒng)的研發(fā)。液壓抽油機具有運行平穩(wěn)、體積小、無極調(diào)速、結(jié)構(gòu)緊湊、動力更大等優(yōu)點[1-5],特別適用于深井、稠油井等特殊油井,大幅提高了產(chǎn)能及開采的經(jīng)濟性,因此得到了廣泛的應(yīng)用。但在生產(chǎn)過程中,抽油桿頻繁升降,上升過程中抽油桿由于自重導(dǎo)致重力勢能很大,下落過程中克服摩擦,重力勢能轉(zhuǎn)化為熱能[6-9],造成了能量損失,換向不平穩(wěn)的問題。

        本文采用恒功率可調(diào)變量泵的控制策略,設(shè)計了一種采用蓄能器回收能量的復(fù)合液壓缸式抽油機。在AMESim中搭建了系統(tǒng)模型,通過模糊PID控制優(yōu)化抽油桿速度特性曲線,使得抽油桿換向時速度趨于平穩(wěn),達到了很好的節(jié)能效果。

        1 結(jié)構(gòu)及工作原理

        本次設(shè)計的是無梁式液壓抽油機,采用復(fù)合缸作為動力執(zhí)行機構(gòu),采用液壓蓄能器進行蓄能,其系統(tǒng)組成如圖1所示。復(fù)合液壓缸的柱塞上部安裝與之相適應(yīng)的動滑輪支架,在支架上安裝合適的動滑輪,在缸筒上安裝定滑輪,構(gòu)成了液壓抽油機的外形結(jié)構(gòu)。

        1—抽油桿;2—懸繩器;3—液壓缸;4—滑輪;5—鋼絲繩;6—液壓系統(tǒng);7—底座。

        液壓抽油機的液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。復(fù)合液壓缸由大活塞缸和小柱塞缸構(gòu)成,有Q1,Q2,Q3個油腔,Q3腔的油口與液壓蓄能器相連,Q2、Q1腔的油口分別連接三位四通電液換向閥的2個油口。在換向閥的作用下,Q2、Q1油腔的油口分別交替連接高低油壓的油口[10]。溢流閥控制Q1油腔液壓蓄能器的最高壓力。

        1—液壓缸;2—蓄能器;3—電液換向閥;4—變量泵;5—單向閥;6—溢流閥。

        首次運行時,電液換向閥切換至左邊,高壓液壓油由液壓泵泵入Q1腔,Q2腔回油,液壓泵通過單向閥向Q3腔加壓,復(fù)合液壓缸的內(nèi)缸做舉升動作,開始上沖程;當(dāng)內(nèi)缸上升到極限位置時,換向閥切換到右邊,Q1腔回油,Q2腔由液壓泵加壓,內(nèi)缸向下運動,開始下沖程,Q3腔的液壓油在壓力的作用下進入蓄能器,進行儲能;當(dāng)抽油桿下行到極限位置時,換向閥切換到左邊,變量泵向Q1腔加壓,Q2腔回油,液壓蓄能器釋放能量,開始上沖程。如此循環(huán)往復(fù),實現(xiàn)抽油作業(yè)。

        2 設(shè)計計算

        2.1 恒功率可調(diào)變量泵控制策略

        變量泵的恒功率控制原理如圖3所示,由控制泵壓力源、控制變量缸、流量反饋信號、壓力反饋信號,目標功率5部分組成。

        圖3 恒功率變量泵控制原理

        本次設(shè)計采用斜盤式軸向變量柱塞泵,其具有可靠性高、功率密度大、噪聲低和自吸能力強的特點。斜盤式軸向變量柱塞泵的工作方式為通過調(diào)整泵內(nèi)斜盤傾角來達到控制排量的效果[11]。變量泵開始工作時,將其排量信號轉(zhuǎn)換為流量反饋信號,與系統(tǒng)的壓力反饋信號相乘,計算得到泵的實際輸出的功率。然后與目標功率作差,當(dāng)目標功率大于實際輸出功率時,輸入閥的電信號為正值,三位四通換向閥右位工作,控制變量缸的活塞向右移動,通過Rotary-linear元件將位移信號變換為轉(zhuǎn)角信號并反饋到變量泵,變量泵排量增大。由于電動機轉(zhuǎn)速恒定,進而變量泵流量增大,不換向工作時系統(tǒng)壓力不變,最終使變量泵的功率增大至目標功率[12];反之同理,由此實現(xiàn)恒功率控制。

        2.2 蓄能器設(shè)計

        復(fù)合液壓缸式抽油機采用蓄能器-復(fù)合液壓缸式的結(jié)構(gòu),設(shè)計參數(shù)如表1。

        表1 復(fù)合液壓缸式抽油機設(shè)計參數(shù)

        設(shè)計采用皮囊式蓄能器,其理想氣體狀態(tài)方程式為[13]:

        (1)

        (2)

        式中:[p0]為充氣壓力,MPa;V0為蓄能器容積,L;n為氣體狀態(tài)常數(shù);S*為液壓缸外缸活塞行程,取S*=2.5 m;ΔV為復(fù)合液壓缸的容積,L。

        計算得:ΔV=11.8 L。

        (3)

        提高蓄能器的利用效率[14],取系數(shù)0.9,即:[p0]=0.9p1,則:

        (4)

        (5)

        式中:pcp為平均工作壓力,MPa;

        令:

        (6)

        則:

        (7)

        p1=kp2

        (8)

        由此可知,確定了k的值,就可以確定p2、p1、[p0]的值。而k值與V0的值有關(guān),V0越大,k值就越大,p1就越接近p2。

        抽油機的沖次為4 min-1,可以把蓄能器的充能和放能的過程看成是絕熱的,取n=1.4;選取V0=60 L的蓄能器。計算可得:

        p1=kp2=8.9 MPa

        [p0]=0.9p1=8 MPa

        因此設(shè)定液壓蓄能器的初始充氣壓力為8 MPa,蓄能器的最大壓力為12.5 MPa,蓄能器的最小壓力為9 MPa,蓄能器的體積變化為11.8 L。

        3 基于AMESim的建模與仿真分析

        根據(jù)復(fù)合液壓缸設(shè)計參數(shù),選取電機和變量泵的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,溢流閥最小壓力設(shè)為15 MPa,建立AMESim仿真模型如圖4所示,仿真時間為60 s。

        圖4 AMESim仿真模型

        3.1 懸點運動情況分析

        抽油桿在上下行程的工作循環(huán)中,懸點載荷變化曲線、懸點位移變化曲線、懸點速度變化曲線如圖5~7所示。

        從圖5~7可以看出,懸點載荷最小值為60 kN,最大值為100 kN,在15 s的周期內(nèi)進行一個循環(huán),變化平穩(wěn)。懸點的位移在0~5 m內(nèi)不間斷循環(huán),即沖程為5 m、沖次為4 min-1。上、下行程工況切換時出現(xiàn)較大的速度波動,持續(xù)約2 s后,懸點速度穩(wěn)定為勻速運動,上行程工況中速度波動從0.29 m/s變化到0.34 m/s,速度穩(wěn)定以后為0.32 m/s;下行程工況中速度波動從-0.41 m/s變化到-0.30 m/s,懸點速度穩(wěn)定以后為-0.34 m/s,此處的速度波動是由于控制過程中的換向閥的延時造成。

        圖5 懸點載荷曲線

        圖6 懸點位移曲線

        圖7 懸點速度曲線

        3.2 恒功率控制策略驗證分析

        在系統(tǒng)未加蓄能器時,變量泵的實際輸出功率與目標功率曲線、變量泵的出口流量曲線、變量泵的出口壓力曲線、流量與壓力關(guān)系曲線如圖8~11所示。

        圖8 變量泵實際輸出功率與目標功率曲線

        圖9 變量泵出口流量曲線

        圖10 變量泵出口壓力曲線

        圖11 變量泵出口流量與壓力關(guān)系曲線

        由圖8~11可知,變量泵的實際輸出功率與目標功率基本重合。在上下行程工況切換時,懸點載荷變化導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力發(fā)生變化,變量泵的輸出功率在32.4~33.6 kW會有較小波動,功率恒定以后為33 kW,在實際工況中此功率波動在允許范圍內(nèi);變量泵在恒功率工作中壓力在7.1~14.3 MPa變化;變量泵在恒功率工作中流量在158~283 L/min變化;流量壓力曲線近似為雙曲線。

        由上述分析得:在所搭建的液壓系統(tǒng)中,變量泵的恒功率控制策略可行。

        3.3 蓄能器節(jié)能效果仿真分析

        蓄能器氣體體積曲線、氣體壓力變化曲線和液壓泵功率對比曲線如圖12~14所示。

        圖12 蓄能器氣體體積變化曲線

        圖13 蓄能器氣體壓力變化曲線

        圖14 液壓泵功率對比曲線

        由圖12~14可知,蓄能器在4個周期內(nèi)按照預(yù)定的設(shè)想循環(huán)。在剛開始的上沖程中,蓄能器為系統(tǒng)提供能量,使抽油桿能夠按照預(yù)定的軌跡上升。在下沖程,蓄能器吸收能量,體積減小,壓力增大,開始蓄能,等下一個沖程到來時,提供能量,不間斷地循環(huán)完成抽油過程;未安裝蓄能器液壓泵的功率在穩(wěn)定工作狀態(tài)時功率為33 kW,安裝蓄能器的液壓泵的功率在穩(wěn)態(tài)時為17 kW,節(jié)能48%。

        4 液壓系統(tǒng)模糊PID控制

        抽油桿自重較大,因而慣性較大,導(dǎo)致在上下行程工況切換時速度波動較大。在作業(yè)過程中抽油桿的速度波動越小,抽油機的性能越好。通過模糊PID控制變量泵的流量變化,進而減小懸點的速度波動,提高抽油機的性能。

        4.1 模糊PID控制原理及特點

        模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入,以PID參數(shù)KP、KI、KD為輸入滿足不同時刻誤差e和誤差變化率ec對PID參數(shù)的調(diào)整要求。模糊PID結(jié)構(gòu)原理如圖15所示[15]。

        圖15 模糊PID結(jié)構(gòu)原理

        4.2 懸點速度的模糊PID控制仿真

        模糊PID控制器加在控制變量缸的三位四通電磁換向閥前,選擇變量泵的實際輸出功率與目標功率的誤差e和誤差變化率ec作為輸入。AMEsim模糊PID控制聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)如圖16所示;在Simulink中模糊PID控制器如圖17所示。

        圖16 AMEsim模糊PID控制聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)

        圖17 Simulink模糊PID控制器

        4.3 模糊PID仿真結(jié)果分析

        在原有液壓系統(tǒng)中加入模糊PID控制器后,懸點速度變化曲線、速度超調(diào)量變化曲線如圖18~19所示。上行程速度波動階段幅度為0.325 m/s到0.315 m/s,下行程速度波動階段幅度為-0.350 m/s到-0.330 m/s,超調(diào)量由原來的20.6%降到2.94%。

        圖18 模糊PID控制懸點速度變化曲線

        圖19 速度超調(diào)量變化曲線

        5 結(jié)論

        針對節(jié)能型復(fù)合液壓缸式的抽油機,仿真結(jié)果證明變量泵的恒功率控制策略具有良好的工作特性,懸點速度滿足沖程要求;蓄能器的體積、壓力和泵功率對比曲線證明了液壓抽油機具有很好的節(jié)能效果,節(jié)能48%;模糊PID控制變量泵具有良好的流量特性,抽油桿換向時速度波動超調(diào)量由原來的20.6%降到2.94%。

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