节能液压泵及配套设施的研制及应用
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摘要：在能源日益紧张的今天，节能降耗也是企业降本增效的永恒主题。目前油田的抽油机生产系统效率较低、能耗较大，大大增加了原油开采的成本，降低了原油生产的经济效益。通过研发及应用节能液压泵系统实现节能降耗的目的，具有较好的应用前景。
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0085-03
在低碳环保生产的今天，石油行业既是生产能源的行业，又是能耗较大的行业。目前国内自喷井较少，绝大多数油井在采用有杆泵采油。在有杆泵采油过程中耗费在杆柱自重、杆柱摩擦、地面设备上的损耗较大。而目前所使用的各种无杆泵又受部分技术条件及设计原理的影响节能效果不明显，如水力喷射泵、电潜式离心泵、直线电机式柱塞泵等。因此急需一种更加节能的无杆泵抽油系统。
1 传统抽油设备的特点及存在问题
（1）经久耐用、维护方便，全世界80%采用常规有杆抽油泵，中国90%采用常规有杆抽油泵。（2）下行阻力大，抽油杆偏磨十分严重，容易造成抽油杆断脱和油管漏失。（3）系统效率低，抽油机的主要功率，大部分消耗在机械传动中，一般有用功仅为20%～40%。（4）泵效低。（5）受气体影响严重，甚至出现气锁。（6）维护成本高，传统抽油机地面部分体积庞大，维护繁琐，成本高。
2 节能液压泵原理
针对上述缺点利用地面下入液压管与油井油管形成液压液与油管内地层液U型管的原理，超低能耗地将地下原油举升至地面。地面动能只需克服地层液在油管内的摩阻、液压液在液压管内的摩阻、地层液到达地面后需举升的水头。
图1 节能液压泵示意图
3 地面液压系统
3.1 地面液压系统方案
地面液压系统实施其主要由控制器、液压控制阀、液压泵、变频电机、流量计、信号放大器等组成，其可实现井下液压泵的动力供给、采油的自动控制、产量自动计量显示等功能。其中，控制器由PLC、触摸屏、变频器、继电器等组成，可通过操作面板按钮或触摸屏实现自动循环采油、单步运行以及手动调试控制。液压泵站采用旁置式，结构简单、可靠、维修方便。
3.2 液控系统原理及功能
地面液压系统的原理如图2所示，其中，三位五通电磁阀（6）可实现井下液压泵的上行、下行以及任意位置的停止；调速阀（3、4）和（2、5）二位二通电磁阀组成井下液压泵上行和下行的调速，以实现上行运行时间和下行运行时间的调整；电磁阀（7）和溢流阀（8）组成压力控制回路，溢流阀用于限定系统压力，电磁阀用于系统卸荷，以便空载时迅速启动。
3.3 液压站
据经验数据，由于系统油箱有效存储量大于250L（见计算部分），故采用旁置式结构，同时采用冷却器对液压油进行强制冷却（热天），寒冷天时采用加热器加热，保持恒温。其中，蓄能器可选配。
4 系统设计、计算
4.1 液压泵最大工作压力计算
液压泵的最大工作压力可由式（1）确定：
图2 液压原理图
（1）
其中：表示系统最大有效工作压力（Pa）；表示液压管沿程压力损失（Pa）；∑ΔPv表示系统局部压力损失（Pa）；表示控制阀类等部件压力损失（Pa）。
4.1.1 最大有效工作压力。由于每冲次提升的原油为3m，故很容易计算得最大有效工作压力为3300Pa。
4.1.2 沿程压力损失。液压油在液压管道中流动时，要受到粘性阻力的作用而消耗能量。其大小由式（2）计算可得：
（2）
其中：表示管道长度（），这里取2000；表示液压管内径（），这里取0.015，外径取0.025；表示平均流速（），这里取2.1；表示液压油密度（kg/m3）， 这里取900；表示沿程压力损失系数。液压油在连续液压管中的雷诺数可由式（3）计算。
Re=Vd/υ （3）
其中：υ表示液压油运动粘度（mm2/s），这里暂取25（HM油）；表示液压管内径（m），这里取0.015；表示平均流速（），这里取2.1；由式（3）计算可得，由此可判断该流动状态为层流，故可计算，再由式（2）可得沿程压力损失15.88MPa。
4.1.3 局部压力和阀类等损失。根据经验计算可得局部压力和阀类等损失为：
MPa
由以上可知液压泵最大工作压力至少约需要18MPa。
4.2 液压泵最大流量计算
液压泵的最大流量可由式（4）确定：
（4）
其中：表示系统泄漏系数，这里按大流量处理，故取。
表示表示液压执行元件的最大总流量
（m3/s），本系统采用了节流阀和调速阀等来调节系统的流速，故需加上溢流阀的最小溢流量，故据经验取最小溢流量为3L/min。
若日产液量为18方，按每天工作20h，可得系统的理论流量为0.9m3/h。这样可得地面液压泵的最大流量为
1.08m3/h，即18L/min。
4.3 液压泵站设计
根据地面液压泵所需最大工作压力18MPa和最大流量1.08Nm3/h，并考虑安全系数，设计额定流量32L/min，压力为35MPa，配额定功率/级为10kW/4的三相交流异步电动机，液压泵采用柱塞泵（双）。
根据计算，油箱容量至少为800L，故可设计油箱有效存储量为1000L。
4.4 上行、下行时间验算
当系统额定压力达到35MPa，额定流量32L/min时，对于内径为15mm的液压管，管内流速可达8.5m/s，按这计算上行10s内向井下液压泵注入的流量可达15L>3.75L（井下液压泵3m行程所需油液体积），满足要求。同样，下行时流量可达7.5L>3.75L，亦满足要求。
5 现场应用
将该系统在XX井试用，该井采用抽油机采油时，泵挂1700m，电机功率为30kW，实际输入功率为10～15kW，功率利用率为50%左右，日耗电量为230kWh。而采用此种液压采油泵地面输入功率为5.5kW，日计算用电量为110kW，年可节电43800kWh。
6 结语
节能液压泵在设计上减少了传递构件，同时合理地利用了液压管柱内液压重力及其能量传递功能，大大地节约了能耗。
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