CN105064957A - 游梁式抽油机液压混合动力驱动***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种游梁式抽油机液压混合动力驱动***及其控制方法，属于油田采油设备的节能装置及控制方法。包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器，控制器采集蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，并存储至内部存储单元；根据所采集的抽油机曲柄转角信号，判断齿轮泵马达组是工作于泵工况还是马达工况；齿轮泵马达组排量计算，选取最接近q的方案并用于控制电磁换向阀组，由控制器控制电磁换向阀组，实现对齿轮泵马达组的排量控制。优点是：直接提高原驱动电机的功率因数，降低电动机的驱动功率，节约电能，结构简单，维护方便，可以在现有常规游梁式抽油机直接安装，降低成本，能高效地回收***能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种油田采油设备的节能装置及控制方法，特别涉及常规游梁式抽油机的动力单元以及该动力单元的液压***及控制方法。
背景技术
目前中国有抽油机井近10万台，耗电占油田总耗电量的1/3，年耗电100×108kWh左右。而游梁式抽油机在抽油机井机械设备中占90％，居于主导地位。由于其结构上特点，游梁式抽油机一直存在“大马拉小车”、能耗高的缺点。目前游梁式抽油机普遍采用四连杆机构，随着负载不断变化电动机负载转矩波动大，负载率变化大，导致功率因数和效率偏低。另外，负载通过电动机反馈回电网的电压对电网造成破坏。目前国内外减小抽油机动力***的负载波动常采用以下几种方法：(1)基于结构优化和复合平衡的方法：包括游梁下偏复合平衡、杠铃复合平衡、四连杆结构优化、电动机匹配优化等方法。(2)电动机节能：采用变频电动机、改变电动机机械特性、提高电动机负载率和功率因数等。这些方法虽然具有一定效果，但均无法从根本上解决结构不平衡而导致的电动机负载转矩波动问题。专利公告号CN203685785U所述的混合动力抽油机采用了一种单变量式液压泵驱动的并联式混合动力***，在一定程度上实现了电动机节能，但由于变量式液压泵响应速度慢的特点，节能效果受到了一定的限制。
发明内容
本发明提供一种游梁式抽油机液压混合动力驱动***及其控制方法，以解决因电动机负载率变化大和功率因数高而导致的高能耗问题，以及抽油机负载通过电动机向电网反馈电压对电网造成破坏的问题，提供了一种抽油机负载较低或反向负载时的***能量并在***负载较大时释放该能量以联合驱动负载的解决方案。
本发明采取的技术方案是：包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器，所述机械驱动单元结构是：驱动电机输出轴与齿轮泵马达组中的I号齿轮泵马达的输入轴通过联轴器刚性连接，其余各齿轮泵马达采用通轴连接，其共同输出轴通过超越离合器与皮带轮连接；
所述齿轮泵马达组共有n个不同排量的齿轮泵马达组成，n为大于2的自然数，可得到2n-1级排量级数，不包括零排量，齿轮泵马达的排量从小到大排列为q1、q2、q3…..qn，第n个齿轮泵马达的排量与最小排量的数学关系为：qn＝q1×2n-1；
所述超越离合器采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器；
所述驱动电机为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机匹配；
所述的液压蓄能单元由油箱、电磁换向阀组、溢流阀、蓄能器组成，其中油箱用于向***提供液压油液；
所述电磁换向阀组中采用的换向阀是具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换向阀；
所述蓄能器的体积是10L-40L；
所述的控制器用于采集信号，该信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，输出控制信号，该输出控制信号为电磁换向阀组的数字开关信号；
所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***的控制方法，包括下列步骤：
(1)信号检测：控制器采集蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，并存储至内部存储单元；
(2)工况选择：根据所采集的抽油机曲柄转角信号，判断齿轮泵马达组是工作于泵工况还是马达工况；
(3)齿轮泵马达组排量计算：根据液压马达转矩公式：T＝Pq/2π，其中转矩T为负载转矩与目标转矩的差值，P为压力检测表13检测的蓄能器压力信号，即可得目标排量q，从q1,q2,q3,q1+q2,q1+q3,q2+q3,q1+q2+q3，…q1+q2+q3+…qn中选取最接近q的方案并用于控制电磁换向阀组，由控制器控制电磁换向阀组，实现对齿轮泵马达组的排量控制。
本发明的优点是：
1.本发明所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***可直接提高原驱动电机的功率因数，降低电动机的驱动功率，节约电能。
2.本发明所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***结构简单，维护方便，可以在现有常规游梁式抽油机直接安装，降低成本。
3.本发明所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***及其控制方法采用n个(n为大于2的自然数)不同排量的齿轮泵马达可得到2n-1级(不包括零排量)排量级数，该种控制方法较现有抽油机液压节能***具有更快的响应速度，能高效地回收***能量。
附图说明
图1是本发明所述的该液压混合动力驱动***的液压***图，图中是以3个齿轮泵马达为例；
图2是本发明所述的该液压混合动力驱动***控制方法所涉及的控制策略分析图；
图3是本发明所述的该液压混合动力驱动***安装位置图；
图4是本发明所述的该液压混合动力驱动***的机械结构图。
图中，驱动电机1，超越离合器2，I号齿轮泵马达3，II号齿轮泵马达4，III号齿轮泵马达5，皮带轮6，油箱7，I号换向阀8，II号换向阀9，III号换向阀10，溢流阀11，蓄能器12，压力检测表13，控制器14，齿轮泵马达组20，电磁换向阀组30。
具体实施方式
包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器14；
所述机械驱动单元结构是：驱动电机1输出轴与齿轮泵马达组20中的I号齿轮泵马达3的输入轴通过联轴器刚性连接，其余各齿轮泵马达采用通轴连接，其共同输出轴通过超越离合器2与皮带轮6连接；
所述齿轮泵马达组共有n个不同排量的齿轮泵马达组成，n为大于2的自然数，可得到2n-1级排量级数，不包括零排量，齿轮泵马达的排量从小到大排列为q1、q2、q3…..qn，第n个齿轮泵马达的排量与最小排量的数学关系为：qn＝q1×2n-1；
所述超越离合器2采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器；
所述驱动电机1为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机匹配；
所述的液压蓄能单元由油箱7、电磁换向阀组30、溢流阀11、蓄能器12组成，其中油箱7用于向***提供液压油液；
所述电磁换向阀组中采用的换向阀是具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换向阀；
所述蓄能器12的体积是10L-40L；
所述的控制器14用于采集信号，该信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，输出控制信号，该输出控制信号为电磁换向阀组30的数字开关信号。
所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)信号检测：控制器采集蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号A，并存储至内部存储单元；
(2)工况选择：根据所采集的抽油机曲柄转角信号，判断齿轮泵马达组20是工作于泵工况还是马达工况；
(3)齿轮泵马达组20排量计算：根据液压马达转矩公式：T＝Pq/2π，其中转矩T为负载转矩与目标转矩的差值，P为压力检测表13检测的蓄能器压力信号，即可得目标排量q，从q1,q2,q3,q1+q2,q1+q3,q2+q3,q1+q2+q3，…q1+q2+q3+…qn中选取最接近q的方案并用于控制电磁换向阀组，由控制器控制电磁换向阀组30，实现对齿轮泵马达组的排量控制。
下边参阅图1、图3、图4,对本发明作进一步说明。
所述的机械驱动单元由驱动电机1、超越离合器2、I号齿轮泵马达3、II号齿轮泵马达4、III号齿轮泵马达5、皮带轮6组成。其中驱动电机1为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机匹配。驱动电机1输出轴与I号齿轮泵马达3的输入轴通过联轴器刚性连接；I号、II号、III号齿轮泵马达3、4、5采用通轴连接，其共同输出轴通过超越离合器2与皮带轮6连接。超越离合器2可采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器，其作用如下：在抽油机启动时，驱动电机1反转给蓄能器12充能，驱动电机1反转时超越离合器2处于脱离状态；蓄能器12能量充满后，驱动电机1正转，利用蓄能器12内存储能量驱动液压泵-马达与电动机共同提升抽油杆，此时超越离合器2处于接合状态。I号、II号、III号齿轮泵马达3、4、5采用不同排量(排量为q1，q2,q3)，采用一端轴另一端孔的的定量式齿轮泵马达。皮带轮6为原游梁式抽油机驱动电动机输出轴上所连接的皮带轮，其作用为与减速器输入轴带轮相连以传递动力。
齿轮泵马达的排量q1、q2、q3…..qn之间具有数学关系为：qn＝q1×2n-1。
所述的液压蓄能单元由油箱7、I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10、溢流阀11、蓄能器12组成。油箱7向***提供液压油液。I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10采用具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换向阀。针对不同规格型号的抽油机，蓄能器12的体积选择在10L-40L之间变化。
所述的控制器采集信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，输出控制信号为如附图1所示的I号、II号、III号换向阀8、9、10的数字开关信号。
下面以驱动电机以驱动负载正向运动状态下，说明I号、II号、III号换向阀8、9、10对蓄能器12的充放能控制。
①.控制蓄能器释放能量
(1)I号换向阀8处于左位，II号换向阀9、III号换向阀10处于中位，对应I号齿轮泵马达3工作于马达状态，II号、III号齿轮泵马达4、5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1释放能量。
(2)II号换向阀9处于左位，I号换向阀8、III号换向阀10处于中位，对应II号齿轮泵马达4工作于马达状态，I号、III号齿轮泵马达3、5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q2释放能量。
(3)III号换向阀10处于左位，I号换向阀8、II号换向阀9处于中位，对应III号齿轮泵马达5工作于马达状态，I号、II号齿轮泵马达3、4空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q3释放能量。
(4)I号换向阀8、II号换向阀9处于左位，III号换向阀10处于中位，对应I号、II号齿轮泵马达3、4工作于马达状态，III号齿轮泵马达5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q2释放能量。
(5)I号换向阀8、III号换向阀10处于左位，II号换向阀9处于中位，对应I号、III号齿轮泵马达3、5工作于马达状态，II号齿轮泵马达4空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q3释放能量。
(6)II号换向阀9、III号换向阀10处于左位，I号换向阀8处于中位，对应II号、III号齿轮泵马达4、5工作于马达状态，I号齿轮泵马达3空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q2+q3释放能量。
(7)I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10处于左位，对应I号、II号齿轮泵马达、III号齿轮泵马达3、4、5工作于马达状态，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q2+q3释放能量。
②.控制蓄能器回收能量
(1)I号换向阀8处于右位，II号换向阀9、III号换向阀10处于中位，对应I号齿轮泵马达3工作于泵状态，II号、III号齿轮泵马达4、5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1回收能量。
(2)II号换向阀9处于右位，I号换向阀8、III号换向阀10处于中位，对应II号齿轮泵马达4工作于泵状态，I号、III号齿轮泵马达3、5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q2回收能量。
(3)III号换向阀10处于右位，I号换向阀8、II号换向阀9处于中位，对应III号齿轮泵马达5工作于泵状态，I号、II号齿轮泵马达3、4空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q3回收能量。
(4)I号换向阀8、II号换向阀9处于右位，III号换向阀10处于中位，对应I号、II号齿轮泵马达3、4工作于泵状态，III号齿轮泵马达5空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q2回收能量。
(5)I号换向阀8、III号换向阀10处于右位，II号换向阀9处于中位，对应I号、III号齿轮泵马达3、5工作于泵状态，II号齿轮泵马达4空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q3回收能量。
(6)II号换向阀9、III号换向阀10处于右位，I号换向阀8处于中位，对应II号、III号齿轮泵马达4、5工作于泵状态，I号齿轮泵马达3空转，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q2+q3回收能量。
(7)I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10处于右位，对应I号、II号齿轮泵马达、III号齿轮泵马达3、4、5工作于泵状态，蓄能器12通过齿轮泵马达组以排量q1+q2+q3回收能量。
下面结合图2以游梁式抽油机驴头的一个运动周期为例对本发明所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***的控制方法进行说明：
图2中，根据负载与电动机目标输出转矩的对比，将抽油机驴头的一个运动周期划分为5个阶段：阶段T1，负载转矩大于目标转矩，齿轮泵马达工作于马达工况以输出转矩驱动负载。根据液压马达转矩公式：其中转矩T为负载转矩与目标转矩的差值，P为压力检测表13检测的蓄能器压力信号，即可得目标排量q，从q1,q2,q3,q1+q2,q1+q3,q2+q3,q1+q2+q3中选取最接近q的方案并按上述换向阀控制策略控制I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10。阶段T2，负载转矩小于目标转矩，齿轮泵马达工作于泵工况以回收***多余能量。阶段T3，负载转矩小于目标转矩，齿轮泵马达工作于马达工况以输出转矩驱动负载。阶段T4，负载转矩小于目标转矩，齿轮泵马达工作于泵工况以回收***多余能量。阶段T5，负载转矩小于目标转矩，齿轮泵马达工作于马达工况以输出转矩驱动负载。完成一个周期后，重复该五个阶段对I号换向阀8、II号换向阀9、III号换向阀10的控制，以实现对I号、II号、III号齿轮泵马达3、4、5的控制。控制器对该五个阶段的判断通过采集抽油机曲柄轴转角信号并与控制器内部存储数据之间的比较实现。
具体应用例
下面分别以n＝3，q1＝10ml、q2＝20ml、q3＝40ml和n＝4,q1＝8ml、q2＝16ml、q3＝32ml、q4＝64ml为例对本发明所述的混合动力抽油机进行说明。下文所述的泵马达排量均表示泵马达组的组合等效排量。
(1)n＝3，I号、II号、III号齿轮泵马达3、4、5排量为q1＝10ml、q2＝20ml、q3＝40ml，则可产生排量组合及对应的电磁换向阀状态(“+”表示电磁换向阀左侧或右侧电磁铁通电，“-”表示电磁换向阀两侧电磁铁均不通电)如表1所示。
表1
控制器根据计算泵马达排量对实际泵马达排量进行选择，选择程序参照四舍五入原则。计算泵马达排量为5.0ml/r—14.9ml/r时，控制泵马达排量为10ml/r；计算泵马达排量为15.0ml/r—24.9ml/r时，控制泵马达排量为20ml/r；计算泵马达排量为25.0ml/r—34.9ml/r时，控制泵马达排量为30ml/r；计算泵马达排量为35.0ml/r—44.9ml/r时，控制泵马达排量为40ml/r；计算泵马达排量为45.0ml/r—54.9ml/r时，控制泵马达排量为50ml/r；计算泵马达排量为55.0ml/r—64.9ml/r时，控制泵马达排量为60ml/r；计算泵马达排量大于65.0ml/r时，控制泵马达排量为70ml/r。
(2)n＝4，齿轮泵马达排量依次为q1＝8ml/r、q2＝16ml/r、q3＝32ml/r、q4＝64ml/r，则可产生排量组合及对应的电磁换向阀状态(“+”表示电磁换向阀左侧或右侧电磁铁通电，“-”表示电磁换向阀两侧电磁铁均不通电)如表2所示。
表2
控制器根据计算泵马达排量对实际泵马达排量进行选择，选择程序参照四舍五入原则。计算泵马达排量为0ml/r—11.9ml/r时，控制泵马达排量为8ml/r；计算泵马达排量为12.0ml/r—19.9ml/r时，控制泵马达排量为16ml/r；计算泵马达排量为20.0ml/r—27.9ml/r时，控制泵马达排量为24ml/r；计算泵马达排量为28.0ml/r—35.9ml/r时，控制泵马达排量为32ml/r；计算泵马达排量为36.0ml/r—43.9ml/r时，控制泵马达排量为40ml/r；计算泵马达排量为44.0ml/r—51.9ml/r时，控制泵马达排量为48ml/r；计算泵马达排量为52.0ml/r—59.9ml/r时，控制泵马达排量为56ml/r；计算泵马达排量为60.0ml/r—67.9ml/r时，控制泵马达排量为64ml/r；计算泵马达排量为68.0ml/r—75.9ml/r时，控制泵马达排量为72ml/r；计算泵马达排量为76.0ml/r—83.9ml/r时，控制泵马达排量为80ml/r；计算泵马达排量为84.0ml/r—91.9ml/r时，控制泵马达排量为88ml/r；计算泵马达排量为92.0ml/r—99.9ml/r时，控制泵马达排量为96ml/r；计算泵马达排量为100.0ml/r—107.9ml/r时，控制泵马达排量为104ml/r；计算泵马达排量为108.0ml/r—115.9ml/r时，控制泵马达排量为112ml/r；计算泵马达排量大于116.0ml/r时，控制泵马达排量为120ml/r。
Claims (7)
1.一种游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：包括机械驱动单元、液压蓄能单元、控制器，所述机械驱动单元结构是：驱动电机输出轴与齿轮泵马达组中的I号齿轮泵马达的输入轴通过联轴器刚性连接，其余各齿轮泵马达采用通轴连接，其共同输出轴通过超越离合器与皮带轮连接；
所述的液压蓄能单元由油箱、电磁换向阀组、溢流阀、蓄能器组成，其中油箱用于向***提供液压油液；
所述的控制器用于采集信号，该信号包括蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，输出控制信号，该输出控制信号为电磁换向阀组的数字开关信号。
2.根据权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：所述齿轮泵马达组共有n个不同排量的齿轮泵马达组成，n为大于2的自然数，可得到2n-1级排量级数，不包括零排量，齿轮泵马达的排量从小到大排列为q1、q2、q3…..qn，第n个齿轮泵马达的排量与最小排量的数学关系为：qn＝q1×2n-1。
3.根据权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：所述超越离合器采用滚珠式超越离合器和棘轮式超越离合器。
4.根据权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：所述驱动电机为三相异步交流电动机，其功率与型号与所采用的游梁式抽油机匹配。
5.根据权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：所述电磁换向阀组中采用的换向阀是具有Y型或P型中位机能的三位四通电磁换向阀。
6.根据权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***，其特征在于：所述蓄能器的体积是10L-40L。
7.如权利要求1所述的游梁式抽油机液压混合动力驱动***的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)信号检测：控制器采集蓄能器压力信号、抽油机曲柄轴转角信号，并存储至内部存储单元；
(2)工况选择：根据所采集的抽油机曲柄转角信号，判断齿轮泵马达组是工作于泵工况还是马达工况；
(3)齿轮泵马达组排量计算：根据液压马达转矩公式：T＝Pq/2π，其中转矩T为负载转矩与目标转矩的差值，P为压力检测表检测的蓄能器压力信号，得目标排量q，从q1,q2,q3,q1+q2,q1+q3,q2+q3,q1+q2+q3，…q1+q2+q3+…qn中选取最接近q的方案并用于控制电磁换向阀组，由控制器控制电磁换向阀组，实现对齿轮泵马达组的排量控制。
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