電回饋式液壓抽油機(jī)系統(tǒng)仿真及控制研究

胡宜春 王進(jìn) 邱婷婷 齊靜 侯亞鵬

摘 要：針對(duì)當(dāng)前節(jié)能型液壓抽油機(jī)的研究，大多數(shù)學(xué)者、專家以蓄能器和飛輪作為主要儲(chǔ)能元件，節(jié)能效果同傳統(tǒng)抽油機(jī)相比有一定改進(jìn)。本文提出一種新型節(jié)能抽油機(jī)，基于以往液壓抽油機(jī)系統(tǒng)二次調(diào)節(jié)靜液技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合變頻回饋技術(shù)，主要適用于無級(jí)調(diào)速、長沖程工況等環(huán)境。文中對(duì)該系統(tǒng)的組件及工作原理進(jìn)行介紹，并對(duì)抽油機(jī)各主要元件和液壓系統(tǒng)建模及控制策略進(jìn)行分析，針對(duì)位移、速度仿真曲線存在的問題提出解決方法。

關(guān)鍵詞：電回饋式液壓抽油機(jī);二次調(diào)節(jié);能量回收

Abstract： In view of the current research on energy saving hydraulic pumping units， most scholars and experts use accumulators and flywheels as main energy storage elements， and the simultaneous interpreting results show that the energy saving effect is improved compared with the traditional pumping units. In this paper， a new energy-saving pumping unit was proposed， which was based on the secondary regulation hydrostatic technology of the previous hydraulic pumping unit system， combined with frequeney conversion feedback technology， and was mainly suitable for the environment of stepless speed regulation， long stroke working condition and so on. This paper introduced and analyzed the system components and working principle， analyzed the modeling and control strategy of the main components and hydraulic system of the pumping unit， and put forward solutions to the problems existing in the displacement and speed simulation curve.

Keywords： electric feedback hydraulic pumping unit; secondary adjustment; energy recovery

隨著節(jié)能機(jī)械的大力發(fā)展，石油開采設(shè)備也逐步進(jìn)入節(jié)能化發(fā)展，抽油機(jī)作為油田開采的主要設(shè)備，其經(jīng)濟(jì)性和安全性也日益得到關(guān)注。剛度大、功重比高、整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊是當(dāng)前節(jié)能型液壓抽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。國內(nèi)外專家學(xué)者多以二次元件泵/馬達(dá)為主要?jiǎng)恿υ?，依靠蓄能器及飛輪進(jìn)行能量儲(chǔ)備[3-4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜繼海教授等人利用液壓元件泵/馬達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與液壓能的相互轉(zhuǎn)換和傳動(dòng)，并將成果轉(zhuǎn)嫁于液壓抽油機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)中[5-6]。劉海昌采用飛輪儲(chǔ)能型二次調(diào)節(jié)流量耦聯(lián)系統(tǒng)，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在飛輪中[7]。然而，以蓄能器為主要儲(chǔ)能元件的系統(tǒng)技術(shù)能量密度相對(duì)較低;飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)且節(jié)能效果不理想。因此，本文以液壓抽油機(jī)節(jié)能系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種電回饋式液壓抽油機(jī)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的高效節(jié)能效果提供一定的理論參考。

1 電回饋式液壓抽油機(jī)工作原理

電回饋式液壓抽油機(jī)的工作原理是通過雙饋異步電機(jī)及泵馬達(dá)進(jìn)行能量交互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)抽油桿的上、下沖程運(yùn)動(dòng)。

1.1 抽油桿上沖程

抽油桿上沖程為雙饋異步電機(jī)通過變頻回饋單元將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)過泵馬達(dá)進(jìn)一步將能量轉(zhuǎn)換為液壓能，驅(qū)動(dòng)抽油桿上行，沖程速度由泵馬達(dá)斜盤傾角調(diào)節(jié)。

1.2 抽油桿至上極限位置

抽油桿至上極限位置的工作原理是抽油桿將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為液壓能驅(qū)動(dòng)泵馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過異步電機(jī)和變頻回饋單元，進(jìn)一步將能量轉(zhuǎn)換為電能，并同時(shí)回收換向過程中的制動(dòng)能。

1.3 抽油桿下沖程至下極限位置

抽油桿下沖程至下極限位置：重復(fù)1.1、1.2沖程過程，進(jìn)行相關(guān)能量轉(zhuǎn)換。圖1為電回饋式液壓抽油機(jī)原理圖。

2 電回饋式液壓抽油機(jī)系統(tǒng)建模及仿真

為滿足抽油機(jī)系統(tǒng)不同工況要求，本文的泵馬達(dá)采用主軸變轉(zhuǎn)速流量控制方式，并建立液壓抽油機(jī)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

2.1 抽油桿運(yùn)動(dòng)速度仿真

從圖3可以看出，系統(tǒng)換向時(shí)刻速度曲線略有波動(dòng)，上沖程波動(dòng)階段最大幅度波峰可達(dá)0.65 m/s，波谷為0.56 m/s左右;下沖程波動(dòng)階段最大幅度波峰可達(dá)0.66 m/s，波谷為0.58 m/s左右，然后穩(wěn)定在0.6 m/s。而造成其波動(dòng)的主要原因?yàn)閼T性力及加速度突變而形成的沖擊，根本原因是系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性較弱。

2.2 抽油桿運(yùn)動(dòng)速度控制策略

將反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，比例、積分、微分（Proportion Integral Differential，PID）聯(lián)合AMEsim仿真平臺(tái)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。針對(duì)速度仿真曲線問題，其控制策略為：得出抽油桿實(shí)際運(yùn)行速度與期望速度的比值，并對(duì)泵馬達(dá)實(shí)時(shí)進(jìn)行流量補(bǔ)償，形成速度-流量閉環(huán)控制系統(tǒng)。結(jié)合Simulink仿真得到速度曲線如圖5所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后的抽油桿運(yùn)行速度基本消除超調(diào)、振蕩等問題，下沖程于1.3 s時(shí)抽油桿達(dá)到穩(wěn)定，上沖程于11.5 s時(shí)抽油桿達(dá)到穩(wěn)定。通過此方法有效控制了超調(diào)和振蕩兩個(gè)主要影響抽油機(jī)工作的因素。

2.3 抽油桿運(yùn)動(dòng)位移仿真

圖6為抽油桿運(yùn)動(dòng)位移曲線。從圖6可以看出，抽油機(jī)系統(tǒng)工況下的沖程及沖次要求基本符合設(shè)計(jì)要求，但隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加，位移曲線呈下降趨勢(shì)，當(dāng)誤差累積到一定值時(shí)，存在抽油桿撞擊液壓缸頂部的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 抽油桿運(yùn)動(dòng)位移控制策略

圖7為液壓抽油機(jī)極限位置控制模型。規(guī)定抽油桿上極限位置為0.1 m，下極限位置為5.6 m，當(dāng)其實(shí)際位移超出規(guī)定極限位置則信號(hào)啟動(dòng)。抽油桿運(yùn)動(dòng)位移控制策略為：設(shè)抽油桿實(shí)際位移輸入值為[y]，規(guī)定上、下極限位移輸入值為[x];通過對(duì)抽油桿每1/2周期節(jié)點(diǎn)下的[y]和[x]進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，并及時(shí)修正抽油桿位移當(dāng)量，從而起到限定位移范圍的作用。得到的液壓抽油機(jī)位移曲線如圖8、9所示。

從圖中可以看出，在10、30、40 s上極限位置時(shí)，位移控制策略模塊啟動(dòng)，從50 s后位移范圍逐步增加，并穩(wěn)定在規(guī)定位移范圍內(nèi)，有效規(guī)避了原有系統(tǒng)抽油桿撞擊到液壓缸頂部的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

單一的電回饋式液壓抽油機(jī)系統(tǒng)抽油桿速度響應(yīng)存在波動(dòng)、系統(tǒng)延滯不穩(wěn)定等問題，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID控制優(yōu)化可較好地解決抽油桿速度響應(yīng)波動(dòng)等情況的發(fā)生。

單一的電回饋式液壓抽油機(jī)系統(tǒng)抽油桿位移響應(yīng)存在撞擊液壓缸頂部風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施液壓抽油機(jī)極限位置控制策略后，有效解決了該問題。

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