[發明專利]游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統及其控制方法

在審

• 申請號: 201510489715.2
• 申請日: 2015-08-11
• 公開（公告）號: CN105064957A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發明（設計）人: 王昕;劉昕暉;梁燚杰
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21B43/00
• 分類號: E21B43/00;F16H47/02;F15B21/08;F15B1/02
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及一種油田采油設備的節能裝置及控制方法，特別涉及常規游梁式抽油機的動力單元以及該動力單元的液壓系統及控制方法。

背景技術

目前中國有抽油機井近10萬臺，耗電占油田總耗電量的1/3，年耗電100×10⁸kWh左右。而游梁式抽油機在抽油機井機械設備中占90％，居于主導地位。由于其結構上特點，游梁式抽油機一直存在“大馬拉小車”、能耗高的缺點。目前游梁式抽油機普遍采用四連桿機構，隨著負載不斷變化電動機負載轉矩波動大，負載率變化大，導致功率因數和效率偏低。另外，負載通過電動機反饋回電網的電壓對電網造成破壞。目前國內外減小抽油機動力系統的負載波動常采用以下幾種方法：(1)基于結構優化和復合平衡的方法：包括游梁下偏復合平衡、杠鈴復合平衡、四連桿結構優化、電動機匹配優化等方法。(2)電動機節能：采用變頻電動機、改變電動機機械特性、提高電動機負載率和功率因數等。這些方法雖然具有一定效果，但均無法從根本上解決結構不平衡而導致的電動機負載轉矩波動問題。專利公告號CN203685785U所述的混合動力抽油機采用了一種單變量式液壓泵驅動的并聯式混合動力系統，在一定程度上實現了電動機節能，但由于變量式液壓泵響應速度慢的特點，節能效果受到了一定的限制。

發明內容

本發明提供一種游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統及其控制方法，以解決因電動機負載率變化大和功率因數高而導致的高能耗問題，以及抽油機負載通過電動機向電網反饋電壓對電網造成破壞的問題，提供了一種抽油機負載較低或反向負載時的系統能量并在系統負載較大時釋放該能量以聯合驅動負載的解決方案。

本發明采取的技術方案是：包括機械驅動單元、液壓蓄能單元、控制器，所述機械驅動單元結構是：驅動電機輸出軸與齒輪泵馬達組中的I號齒輪泵馬達的輸入軸通過聯軸器剛性連接，其余各齒輪泵馬達采用通軸連接，其共同輸出軸通過超越離合器與皮帶輪連接；

所述齒輪泵馬達組共有n個不同排量的齒輪泵馬達組成，n為大于2的自然數，可得到2ⁿ-1級排量級數，不包括零排量，齒輪泵馬達的排量從小到大排列為q1、q2、q3…..qn，第n個齒輪泵馬達的排量與最小排量的數學關系為：qn＝q1×2^n-1；

所述超越離合器采用滾珠式超越離合器和棘輪式超越離合器；

所述驅動電機為三相異步交流電動機，其功率與型號與所采用的游梁式抽油機匹配；

所述的液壓蓄能單元由油箱、電磁換向閥組、溢流閥、蓄能器組成，其中油箱用于向系統提供液壓油液；

所述電磁換向閥組中采用的換向閥是具有Y型或P型中位機能的三位四通電磁換向閥；

所述蓄能器的體積是10L-40L；

所述的控制器用于采集信號，該信號包括蓄能器壓力信號、抽油機曲柄軸轉角信號，輸出控制信號，該輸出控制信號為電磁換向閥組的數字開關信號；

所述的游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統的控制方法，包括下列步驟：

(1)信號檢測：控制器采集蓄能器壓力信號、抽油機曲柄軸轉角信號，并存儲至內部存儲單元；

(2)工況選擇：根據所采集的抽油機曲柄轉角信號，判斷齒輪泵馬達組是工作于泵工況還是馬達工況；

(3)齒輪泵馬達組排量計算：根據液壓馬達轉矩公式：T＝Pq/2π，其中轉矩T為負載轉矩與目標轉矩的差值，P為壓力檢測表13檢測的蓄能器壓力信號，即可得目標排量q，從q1,q2,q3,q1+q2,q1+q3,q2+q3,q1+q2+q3，…q1+q2+q3+…qn中選取最接近q的方案并用于控制電磁換向閥組，由控制器控制電磁換向閥組，實現對齒輪泵馬達組的排量控制。

本發明的優點是：

1.本發明所述的游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統可直接提高原驅動電機的功率因數，降低電動機的驅動功率，節約電能。

2.本發明所述的游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統結構簡單，維護方便，可以在現有常規游梁式抽油機直接安裝，降低成本。

3.本發明所述的游梁式抽油機液壓混合動力驅動系統及其控制方法采用n個(n為大于2的自然數)不同排量的齒輪泵馬達可得到2ⁿ-1級(不包括零排量)排量級數，該種控制方法較現有抽油機液壓節能系統具有更快的響應速度，能高效地回收系統能量。

附圖說明

圖1是本發明所述的該液壓混合動力驅動系統的液壓系統圖，圖中是以3個齒輪泵馬達為例；