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1、本科毕业设计（论文）开题报 告课题名称：节能式抽油机液压系统设计 学 院： 年级专业： 学生姓名： 指导教师： 填写日期： 年月日 一、本课题的意义及国内外研究动态一、本课题的意义及国内外研究动态1.课题的意义课题的意义自从石油制成品为动力的机器诞生以后，对石油的快速发展，给石油工业的崛起创造了条件。伴随着对石油开采量的增多，人们面对石油的开采问题，开凿出不同的油井。但大部分油井的石油是不能自流到地面。为此产生了解决油井生产举升的机器抽油机1。抽油机是用于开采石油的设备2，在开采石油的过程中，电能的消耗量不小，大约占采油成本的三分之一左右，所以降低采油成本的一个重要途径就是降低耗电成本。当今我
2、国的采油设备大多使用的是机械游梁抽油机。虽然机械游梁抽油机的结构相对简单，比较容易加工，能够长期开采作业，并且可靠性高，但是其也存在着一定的缺点，比如驴头的悬点惯性大，从而导致了平衡相对较难，并且采油的效率也不高，当油井较深和行程较长时，设备的体积和质量较大，特别是其平衡问题导致了大量的能耗，因此其采油的成本较高3。所以，只有在一定的程度上提高抽油机的节能率才能提升其在市场中的地位。近几年来，随着我国各油田越来越多地需要长冲程、低冲次的抽油机来提高产量。已研究开发出多种节能型液压抽油机。节能型液压抽油机具有易于实现长冲程、抽油杆速度可无级调速、节省钢材(自重仅为同规格游梁式抽油机的 1/4-1
3、/20)、有利于提高抽油泵的充满系数、容易实现自动化等优点。因此，继续加紧研制节能型液压抽油机，对于节约能源、满足油田采油需要，具有很重要的意义4.2.液压抽油机研究动态液压抽油机研究动态2.1 国外液压抽油机的研究动态国外液压抽油机的研究动态国外对液压抽油机的研究起始于 20 世纪 50 年代，由于当时液压水平的显著提高以及液压系统在生产生活中受到了广泛的应用，因此各式各样的结构和性能良好的液压抽油机不断地被研发出来5-10。20 世纪 60 年代初，一种新式的 Hydrox 液压抽油机试验完成，这种由美国开发的新产品的有效行程最长可达至 7.95m，能够在670-2032m 的深度范围内开
4、采作业。1965 年，前苏联开发完成 ATH 型油管平衡式液压抽油机，此种抽油机重量较轻，比较容易安装，而且可靠性好，在经过一年多的试验之后正式投入生产使用。20 世纪 70 年代后期，HEP 液压抽油机在加拿大开发完成，这种采油设备的负载缸活塞在向下和向上运行时速度可以分别进行控制，其有效行程的长度范围是1.625-4.267m，该型号的液压抽油机已经成为了产品系列。由 Mape 公司开发完成的一种机型，其行程可达至 10m，冲次能达到每分钟 5次，可承受的负载值的范围为 34.23-195.64kN。由 WGCO 公司开发完成的液压抽油机，其冲次最高可以达到每分钟 3 次，机身整体为低矮式
5、，147kW 的装机功率，使用寿命 40000 小时。此外，加拿大 Curtis Hoover Inc.研发完成了低架机型与高架机型长冲程抽油机，其有效行程可达 5.08m，而且在工作时可承担的负载极限值为 222.26kN，冲次可达到每分钟 12 次。2.2 国内液压抽油机的研究动态国内液压抽油机的研究动态国内从 60 年代开始对抽油机进行研发和设计11-12，1966 年，一个组成形式为“泵-缸”的新型节能机型的设计构想被正式发布。在这种结构组成的液压抽油机中，油管被用于平衡负载的重量，而且，由于油管的应用，使抽油机的行程得到了一定延长。到了 80 年代，由于国内油田的开采条件变得愈来愈复
6、杂，使得油田开采难度不断加大，因此油田的采油工艺需要不断地提高，这要求抽油机能不但承受大负载，而且冲程要求较长，冲次也需要足够大。80 年代在对一些油田进行充分考察的基础之上，国内海洋地质局设计研发成功了无游梁式液压抽油机。20 世纪 80 年代后期，YCJ-II 式抽油机在吉林工业大学开发完成，这种平衡式开采装置是由液压缸驱动，该机己经完成了相关试验。1992 年一种“泵一马达”组成的 YCJ12-10-2500 型抽油机在兰州石油机械研究所开发完成。1993 年，一种新型的液压抽油机结构方案问世，这种抽油机具有功率回收的功能，该方案是由浙江大学提出。同年基于“泵一马达”组成形式的长冲程液压
7、抽油机的设计方案由胜利油田提出。2003 年，刘长年开发成功了一种新型液压抽油机，这种抽油机为全状态调控型，对该机的控制是基于节流调速的方式来完成的13。2008 年，烟台大学与山东康达喷油泵有限公司联合研制了组合液压缸节能液压抽油机。这是一种组合液压缸与蓄能器相结合的液压抽油机，该抽油机在组合液压缸的结构上进行了创新，能够回收下行程时抽油杆释放出来的重力势能，在上行程时重新利用，具有显著的节能效果14-16。2009 年年末，哈尔滨工业大学、哈飞集团飞机设计研究所与大庆力神泵业有限公司通过将“二次调节静液传动技术”与“变频回馈技术”有机地与液压抽油机相结合，提出基于二次调节静液传动一变频回馈
8、技术的电能回馈型液压抽油机17。另外近些年还陆续申请了许多关于液压抽油机的专利。 1999 年哈尔滨工业大学和大庆采油二厂针对液压抽油机展开了设计研究工作，并于 2004 年合作研发成功了二次调节液压抽油机。3. .液压抽油机的特点液压抽油机的特点目前在国内各大油田中使用最广泛的开采装置是游梁式抽油机，其实物图如图1-1 所示。虽然它具有结构简单、工作可靠性高、方便维修等特点，但是当油井较深或者负载较大时，这种机型就往往很难满足冲程长和载荷大等要求。由于长冲程、大载荷的游梁抽油机具有尺寸过大、整机重量过重、受力状况变差以及可靠性降低等缺点。近些年来国内和国外都在努力研发长冲程和大载荷的抽油机，
9、在这些众多机型当中无游梁的液压抽油机是研究最多的一种。图 1-1 机械游梁式抽油机实物图由于液压传动独具的一些优点，比如功率密度大，机身尺寸小，工作时惯性小，运动灵活等，因此，在现代的工业生产中，液压传动技术己被广泛应用于各领域。应用液压传动技术的无游梁的液压抽油机能够增大油井产能并且在一定程度上延长了采油设备的寿命，并且对于稠油井及其后期开发更加具有优势。图 1-2 为无天轮和有天轮两种无游梁式液压抽油机的实物图。a）无天轮 b）有天轮图 1-2 无游梁式液压抽油机实物图与普通的机械游梁型抽油机相比，采用了液压传动技术的抽油机有以下特点.(1)冲程的长度和冲次可以实现无级调节。(2)可以在深
10、井或者稠油井中进行石油开采，并且满足大载荷要求。(3)当发生过载时具有保护作用，当由于抽油杆发生断裂而造成失载时自动停机。(4)节能效果好，效率较高。液压抽油机的缺点:(1)液压抽油机的寿命较短，需要每年大修并及时更换元件。(2)由于液压抽油机的液压系统存在泄漏损失，而且液压油每隔一段时间就需要更换，因此增加了采油成本。(3)对于液压抽油机的运行和保养，必须由有一定相关知识或者经验的技术员来实现。二、毕业设计（论文）的主要内容二、毕业设计（论文）的主要内容本设计需要解决的重点问题是设计一节能式抽油机液压系统。首先依据系统要求，拟定液压系统原理图，进行液压参数计算和选取元件，然后设计液压阀组装配
11、图及阀块图，油箱装配图，液压泵站装配图，最后完成设计说明书。三、研究步骤、方法及手段三、研究步骤、方法及手段1 研究采用的设计方法、手段研究采用的设计方法、手段由于我国液压式抽油机起步比较晚，可以借鉴参考国内外已经生产的液压式抽油机的成熟设计经验，使得设计工作简单迅速可靠。但其缺点是难以对设计有较大的创新。类比设计是机械产品设计中常用的一种方法，有两种类比方法：一是直接类比，即在某种较成熟的抽油机机构系列中，选取基本参数与设计要求相同或者基本接近的一组。再作适当的修改调整，作为设计的模板；另一类是参数类比，即在所有参数中选取合适的。这两种方法都是建立在已有的产品设计基础上。2 步骤步骤 A、
12、调研B、 设计C、 绘图四、初步设计与计算四、初步设计与计算1 设计目标设计目标节能式抽油机液压装置满足下列工艺技术参数的要求：(1)额定悬点载荷 120kN、最大冲程 5 m、最高冲次 3 次/min。(2)工作环境：野外撬装、频繁凹凸不平井场吊卸运输、环境温度：-4060。2 节能式液压抽油机能量回收方式的确定节能式液压抽油机能量回收方式的确定2.1 液压蓄能器储能液压蓄能器储能蓄能器储能型液压系统如图 2-1 所示。图 2-1 液压蓄能器储能原理图 这种能量回馈原理是通过把负载势能通过转换元件(二次元件)转换成液压能进行储存。该系统工作过程可分为上、下两个冲程，运行过程如图 2-1-1
13、所示。上冲程过程中，蓄能器 10 释放压力油给处于马达工况的泵/马达 2 提供辅助动力，和电动机共同带动处于泵工况的泵/马达 3，提供压力油驱动负载缸 11 上行。下冲程过程中，从负载缸 11 排出的油液为处于马达状态的泵/马达 3 提供辅助动力和电动机共同作用使处于泵状态的泵/马达 2 排出油液到蓄能器 10 中，供下个循环使用，因此便起到了节能作用。 图 2-1-1 蓄能储能型系统工作过程图2.2 飞轮能量储存飞轮能量储存图 2-2 所示为飞轮储存型节能原理。在该系统中的飞轮 10 在旋转过程中所具有的是机械能(动能)。当负载缸 5 活塞向上运行时，泵/马达 2 处于泵状态，电动机和飞轮共
14、同为泵/马达 2 提供动力，所以减小了一定的装机功率。当负载缸 5 活塞向下运行时，即对负载势能进行回收的过程，泵/马达 2 处于马达工况，负载缸 5排出压力油驱动马达 2 带动飞轮 10 转动，在这个过程中负载所具有的重力势能就转换成了飞轮的动能储存起来。图 2-2 飞轮储能型抽油机液压系统原理图2.3 电能储存电能储存图 2-3 所示为电能储存型节能抽油机运行原理。该回收方式是通过二次元件把负载中拥有的势能转换成电能储存起来。元件 1 是具有可逆性的电动机/发电机，泵/马达 2 与它同轴刚性联接。在负载缸上冲程过程中泵/马 2 达处于泵状态，电网提供电能给电动机驱动泵输出油液，使负载缸向上
15、运动;当负载缸 5 活塞下行时，泵/马达 2 处于马达状态，负载缸 5 活塞下行输出高压油驱动马达以超同步转速旋转，并带动发电机 1 发电，产生的电能进入电网，供其它元件或者系统使用。图 2-3 电能储存型抽油机系统原理图2.4 三种能量回收方式的比较三种能量回收方式的比较常用的飞轮主要包括金属制飞轮和超级飞轮两种类型。金属制飞轮主要为钢制材料，这种类型能量密度小，但是价格相对便宜，容易加工制造，并且连接方便，因此在工业中十分常用。第二种飞轮由碳素纤维制作而成，这种材料所具有的一个十分突出特点就是其比强度值很大，因此其能量密度值也很大，大约为钢制的 10倍。飞轮储存型附重相对来说比较轻，因此其
16、系统成本相对要小，其缺点是在技术上不易实现，而且节能效果一般，不如液压储存型好。目前电能回收技术在国内要得到广泛应用还比较困难。蓄电池储能方式综合性能不错，然而其所具有的缺点是功率密度小，并且在进行充放电时频率过低，因此无法对大功率进行快速转换和储存。液压储能方式要比其它两种方式能量密度低，然而其功率密度最大，可在上冲程这个短时间内提供足够液压能，而且，该方式储存时间相对较长，其系统中的元件己经十分成熟，而且应用可靠。比较以上三种不同的节能方法，由于蓄能器储能密度高，使用起来比较安全，而且价格相对也便宜，在实际工程应用中前景广阔，因此本课题主要研究利用蓄能器进行储能的液压技术，并将该技术应用于抽油机中。3 节能式
