【摘 要】
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为了应对日益严峻的能源紧缺问题,本文从油田抽油机耗能的角度出发,针对游梁式抽油机节能系统进行研究。目前主流的油田节能技术有混合动力以及变速驱动。其中混合动力技术中以液压辅助动力较为典型。然而传统的液压辅助动力对采油系统中冲击载荷以及载荷切换导致的巨大波动缺乏有效的针对,单一的变速驱动仍存在扭矩波动大且部分重力势能的浪费。为了实现技术互补,充分汲取其优势,本文提出基于变速驱动和混合动力的耦合节能系统
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为了应对日益严峻的能源紧缺问题,本文从油田抽油机耗能的角度出发,针对游梁式抽油机节能系统进行研究。目前主流的油田节能技术有混合动力以及变速驱动。其中混合动力技术中以液压辅助动力较为典型。然而传统的液压辅助动力对采油系统中冲击载荷以及载荷切换导致的巨大波动缺乏有效的针对,单一的变速驱动仍存在扭矩波动大且部分重力势能的浪费。为了实现技术互补,充分汲取其优势,本文提出基于变速驱动和混合动力的耦合节能系统的模型,并从仿真与实物实验角度论述了该模型的正确性及可行性。本文研究内容如下:本文首先对游梁式抽油机的四连杆机构进行运动学分析,得出悬点运动规律;利用三维波动方程改进了悬点动力学模型;提出并建立常规抽油机变速驱动模型,其主要流程是:建立以提高电机综合节电率为目标的变速优化目标函数,将输入功率曲线进行傅里叶展开及优化,并在此基础上通过建立抽油机系统非线性耦合行为预测计算模型来优化变速驱动模型;为了验证模型效果,于Visual Basic 6.0建立仿真程序,选取CYJ10-3-37HB型抽油机进行恒速和变速仿真模拟。通过分析仿真模拟的两种工况的曲线,本文得到:变速驱动与传统驱动模式电机效率有较大提高,但仍存在扭矩波动,峰值载荷依旧比较高,部分情况出现负扭矩等问题。变速驱动提高了满泵率,并且模型的提出与分析为后文基于变速驱动和混合动力的耦合节能系统的建立奠定理论与模型基础。随后,本文阐述了基于变速驱动和混合动力的耦合系统的节能原理。在此基础上建立耦合系统的核心元件模型,其中包括泵/马达,蓄能器,扭矩耦合器等,并且求解出耦合系统电机效率方程。基于此方程,发掘出影响耦合节能系统的关键参数。由于某些元件参数变化规律与优化目标相反,为了达到全局最优的目标,以电机最低耗能为目标,拟定变量初始值及优化范围,采用模拟退火算法进行参数匹配。基于变速驱动电机模型的转速转矩控制要求,本文于AMESim建立考虑负荷率与效率关系的电机子模型,并在SIMULINK搭建其他子模块构成联合仿真系统。通过仿真结果分析,基于变速驱动和混合动力的耦合节能系统相较于传统驱动模式下转矩更平稳,电机的负载率得到提升,有效提高了电机工作效率。随着满泵率的提升,整体采汲效率也得到较大提升。由于混合动力系统冷启动的效果以及电机输出功率的稳定,耦合节能系统下能够较为明显地降低装机功率,由传统驱动模式下的37kW降到13.5kW。从仿真角度验证了模型的正确性。考虑到实际生产环境变速工况下转矩匹配效率较低的场景,本文提出基于模糊PI控制的耦合系统转矩匹配策略,设计了模糊PI控制器。接着搭建实物实验台,基于Lab VIEW编制实物实验控制程序,完成耦合节能系统实验。通过分析实验数据曲线,发现了耦合节能系统“削峰填谷”的作用,并通过前后比较传统驱动模式,变速驱动模式以及耦合节能系统驱动三种模式下电机的真实工作效率和装机功率,进一步验证了耦合节能系统模型的节能效果。并且从成本角度验证了该技术方案的可行性。通过本文的研究,基于变速驱动和混合动力的耦合节能系统的节能效果相较于传统模式和变速驱动模式均有不同幅度的提升。由于混合动力系统冷启动的作用,其中装机功率从37kW大幅减小到13.5kW。随着电机负载率的提高,电机效率由77%提升为92%,并且整个系统的采汲效率有所提升。本文的研究成果对油田抽油机节能系统的发展具有重要意义,为新型抽油机节能系统的研究提供了理论基础和科学依据。
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