УСТРОЙСТВО ГИДРОПРИВОДА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2018 года по МПК F04B47/04 F15B11/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к нефтедобывающему оборудованию, в частности к устройству гидропривода гидравлической насосной установки и к гидравлической насосной установке, содержащей такое устройство гидропривода.

Уровень техники

Современные технологии добычи нефти предполагают применение механизированного метода добычи, если нефть не может фонтанировать из эксплуатационной скважины из-за недостаточного внутреннего давления или по другим причинам, при этом в настоящее время, как правило, используют насосные установки со станками-качалками, также называемые глубинными насосными установками с балансирным приводом. Насосная установка со станком-качалкой состоит в основном из кривошипно-шатунного механизма, соединенного с балансиром, редуктора, трехфазного асинхронного двигателя, вспомогательных устройств и т.д. При добыче нефти такая насосная установка имеет низкий общий коэффициент полезного действия, небольшой коэффициент мощности и высокое потребление электрической энергии. Кроме того, насосная установка со станком-качалкой имеет большой размер, низкую эффективность энергосбережения, высокую стоимость, низкую производительность, а также она сложна в монтаже и техническом обслуживании.

В этой связи в китайском патенте CN 202181885 U раскрыта гидравлическая насосная установка, которая содержит вторичный гидравлический агрегат управления, гидравлический цилиндр, управляемый вторичным гидравлическим агрегатом управления для приведения насосной штанги в возвратно-поступательное движение, датчик для задания длины хода поршневого штока гидравлического цилиндра (т.е. насосной штанги), асинхронный двигатель, механически, т.е. с возможностью передачи движения, связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления, аккумулятор потенциальной энергии (в предпочтительном варианте выполненный в виде маховика), механически связанный с асинхронным двигателем, и управляющее устройство вторичного гидравлического агрегата управления, управляющее движением вторичного гидравлического агрегата управления в прямом и обратном направлении на основании сигналов, поступающих от датчика. При использовании подобной гидравлической насосной установки обеспечивается гибкость управления длиной хода и скоростью насосной штанги в соответствии с характеристиками нефтяной скважины, чем достигается выкачивание достаточного количества нефти и повышение дебита. Кроме этого, с помощью аккумулятора потенциальной энергии можно запасать потенциальную энергию и впоследствии высвобождать ее, что способствует снижению потребления электрической энергии и повышению эффективности нефтедобычи.

В известной гидравлической насосной установке маховик, асинхронный двигатель и вторичный гидравлический агрегат управления установлены на одном валу. При движении насосной штанги вниз вторичный гидравлический агрегат управления, действуя в режиме двигателя, приводит маховик во вращение, преобразуя потенциальную энергию насосной штанги и других компонентов, определяемую гравитационным потенциалом, в кинетическую энергию вращения. Таким образом, эффективность преобразования энергии в основном зависит от диапазона изменения скорости вращения маховика. В известной установке маховик связан с двигателем механически, т.е. маховик и ротор двигателя должны вращаться синхронно. Таким образом, диапазон изменения скорости маховика, имеющий ключевое значение для рекуперации энергии, непосредственно ограничивается диапазоном скоростей двигателя. Именно по этой причине желательно, чтобы двигатель имел максимально широкий диапазон изменения скорости. Поскольку синхронный двигатель имеет строго фиксированную скорость, предпочтение отдастся асинхронному двигателю, упомянутому выше. Однако даже для асинхронного двигателя допустимый диапазон изменения скорости все же ограничен. Это существенно ограничивает возможности рекуперации энергии.

С другой стороны, при фиксированном диапазоне изменения скорости способность к рекуперации энергии зависит только от момента инерции маховика. Это ведет к значительному увеличению размера и веса маховика, что создает большие проблемы в производстве и монтаже.

Этим диктуется потребность в надежной гидравлической насосной установке, которая имела бы простую конструкцию и высокую эффективность рекуперации энергии.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения была положена задача создания устройства гидропривода гидравлической насосной установки и гидравлической насосной установки, содержащей устройство гидропривода, в которых был бы устранен по меньшей мере один из описанных выше недостатков.

В качестве первого объекта настоящего изобретения предлагается устройство гидропривода гидравлической насосной установки, содержащее:

- двигатель,

- силовой орган для приведения насосной штанги (под насосной штангой также понимается колонна насосных штанг) в возвратно-поступательное движение,

- регулируемый насос, приводимый двигателем и гидравлически связанный с силовым органом,

- вторичный (вспомогательный) гидравлический агрегат управления, гидравлически связанный с силовым органом,

- аккумулятор энергии, механически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления,

- датчик для задания длины хода насосной штанги,

- первое управляющее устройство, приспособленное для того, чтобы на основании сигналов от датчика при опускании насосной штанги устанавливать производительность регулируемого насоса на ноль, а при подъеме насосной штанги - на положительное значение для приведения в действие силового органа, и

- второе управляющее устройство, приспособленное для того, чтобы на основании сигналов от датчика при опускании насосной штанги обеспечивать работу вторичного гидравлического агрегата управления в режиме двигателя для привода аккумулятора энергии с целью запасания энергии, а при подъеме насосной штанги - обеспечивать работу вторичного гидравлического агрегата управления в режиме насоса с приводом от аккумулятора энергии для приведения в действие силового органа.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения вторичный гидравлический агрегат управления представляет собой обратимый плунжерный насос, и/или аккумулятор энергии представляет собой маховик, и/или силовой орган включает в себя гидравлический цилиндр или гидравлическую лебедку.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первое управляющее устройство представляет собой первый управляющий клапан, гидравлически связанный с регулируемым насосом, и/или второе управляющее устройство представляет собой второй управляющий клапан, гидравлически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый и второй управляющие клапаны представляют собой пропорциональный предохранительный клапан, или пропорциональный реверсирующий клапан, или комбинацию обычного электромагнитного реверсирующего клапана и клапана для управления давлением.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения направление, в котором силовой орган тянет насосную штангу, находится на одной линии с направлением движения насосной штанги.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство гидропривода также содержит управляющий насос для подачи используемого для управления гидравлического масла (управляющей среды) в регулируемый насос через первый управляющий клапан и во вторичный гидравлический агрегат управления через второй управляющий клапан, причем управляющий насос механически связан с регулируемым насосом и расположен соосно с двигателем и регулируемым насосом.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения между регулируемым насосом и силовым органом предусмотрен обратный клапан, допускающий прохождение гидравлического масла только из регулируемого насоса в силовой орган, и/или между вторичным гидравлическим агрегатом управления и силовым органом предусмотрен гидравлически управляемый обратный клапан, удерживаемый в открытом состоянии при нормальном опускании насосной штанги, и препятствующий прохождению гидравлического масла из силового органа во вторичный гидравлический агрегат управления в случае остановки или нештатных ситуаций.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения датчик представляет собой аналоговый датчик или состоит из верхнего бесконтактного выключателя и нижнего бесконтактного выключателя.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство гидропривода также содержит делитель потока объемного типа (объемный синхронизатор расходов), обеспечивающий одновременное приведение в действие нескольких силовых органов.

В качестве второго объекта настоящего изобретения предлагается гидравлическая насосная установка, содержащая по меньшей мере одно устройство гидропривода.

В предлагаемом устройстве гидропривода обеспечивается развязка маховика и двигателя, вследствие чего маховик механически связан только с вторичным гидравлическим агрегатом управления, и это позволяет расширить диапазон изменения скорости маховика и тем самым повысить эффективность рекуперации энергии и уменьшить размер маховика. Такое решение обеспечивает простоту и надежность конструкции и позволяет использовать недорогой двигатель, что дополнительно уменьшает стоимость оборудования.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания принципов, отличительных признаков и преимуществ заявленного изобретения ниже приведено подробное описание его осуществления, поясняемое чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - упрощенная структурная схема устройства гидропривода гидравлической насосной установки в одном варианте осуществления изобретения,

на фиг. 2 - схематическое изображение силового органа, входящего в состав устройства гидропривода гидравлической насосной установки, в другом варианте его выполнения.

Осуществление изобретения

Ниже подробнее рассматриваются варианты осуществления изобретения, поясняемые чертежами и иллюстрирующие сущность предлагаемого технического решения.

На фиг. 1 приведена упрощенная структурная схема устройства 100 гидропривода гидравлической насосной установки в одном варианте его выполнения, который является иллюстративным, т.е. рассматривается лишь в качестве примера осуществления изобретения.

Как показано на фиг. 1, устройство 100 гидропривода содержит двигатель 1, регулируемый насос 2, механически связанный с двигателем 1 таким образом, что он приводится в действие двигателем 1, вторичный гидравлический агрегат 3 управления, маховик 4, механически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом 3 управления с возможностью совместного с ним вращения, силовой орган 5 для приведения насосной штанги или колонны (на чертежах не показана) в возвратно-поступательное движение, датчик 6 для задания длины хода насосной штанги, первый управляющий клапан 7 для управления регулируемым насосом 2 в соответствии с сигналами от датчика 6, и второй управляющий клапан 8 для управления режимом работы вторичного гидравлического агрегата 3 управления в соответствии с сигналами от датчика 6.

В иллюстративном варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 1, силовой орган 5 приводится в действие гидравлически, т.е. давлением жидкости, посредством подключенной к силовому органу 5 напорной гидравлической линии 9, с которой связаны совместно гидравлическая линия 91, ведущая от регулируемого насоса 2 и подключенная к его выходу Р, и гидравлическая линия 92, ведущая от вторичного гидравлического агрегата 3 управления и подключенная к его выходу Р.

Второй управляющий клапан 8 на основании сигнала от датчика 6 управляет режимом работы вторичного гидравлического агрегата 3 управления таким образом, чтобы при опускании насосной штанги гидравлический агрегат 3 управления работал в режиме двигателя. При этом вторичный гидравлический агрегат 3 управления за счет использования гравитационной потенциальной энергии насосной штанги и элементов конструкции силового органа 5, движущихся вниз вместе с насосной штангой, создает на своем выходном звене крутящий момент, раскручивая маховик 4. В то же время первый управляющий клапан 7, также на основании сигнала от датчика 6, управляет регулируемым насосом 2, одновременно, т.е. при опускании насосной штанги, устанавливая объемную подачу регулируемого насоса 2 предпочтительно на ноль, т.е. выключая регулируемый насос 2.

При достижении насосной штангой нижней мертвой точки своего рабочего хода и в начале подъема насосной штанги второй управляющий клапан 8 на основании сигнала от датчика 6 изменяет режим работы вторичного гидравлического агрегата 3 управления, переводя его на работу в режиме насоса. В то же время первый управляющий клапан 7 на основании сигнала от датчика 6 включает регулируемый насос 2 в работу с определенной (положительной) объемной подачей, так что двигатель 1 и маховик 4 действуют в качестве источников энергии, причем двигатель 1 обеспечивает привод регулируемого насоса 2, а маховик 4 вместе с вторичным гидравлическим агрегатом 3 управления, который в этот момент действует в качестве насоса, приводит в действие силовой орган 5 на подъем насосной штанги для подъема нефти.

Как описано выше, регулируемый насос 2 может включаться и выключаться, соответственно изменяя свою объемную подачу, посредством управляющего воздействия, реализуемого первым управляющим клапаном 7, а вторичный гидравлический агрегат 3 управления может переключаться между работой в режиме насоса и работой в режиме двигателя посредством управляющего воздействия, реализуемого вторым управляющим клапаном 8. Это позволяет посредством маховика 4 в достаточной мере использовать гравитационную потенциальную энергию насосной штанги, а также элементов конструкции силового органа 5, движущихся вниз вместе с насосной штангой, для содействия двигателю 1 в приведении насосной штанги в движение вверх, чем обеспечивается значительное сокращение потребления энергии двигателем 1.

Двигатель 1 может представлять собой обычный или асинхронный электрический двигатель.

Вторичный гидравлический агрегат 3 управления предпочтительно представляет собой обратимый плунжерный насос, режим работы которого может изменяться под действием второго управляющего клапана 8. В нормальном режиме работы он приводится в действие на своем входном звене (т.е. приводится маховиком 4) и таким образом работает в режиме насоса, вместе с регулируемым насосом 2 приводя насосную штангу в движение вверх для подъема нефти, а при опускании насосной штанги, сопровождающемся высвобождением ее потенциальной энергии, вторичный гидравлический агрегат 3 управления, работая в режиме двигателя, использует эту потенциальную энергию для создания на выходном конце крутящего момента, раскручивающего маховик 4 с целью запасания гравитационной потенциальной энергии, которая расходуется на последующий подъем насосной штанги.

Кроме того, устройство 100 гидропривода также содержит управляющий насос 10 для подачи в регулируемый насос 2 через первый управляющий клапан 7 гидравлического масла, используемого для управления, а именно - для управления регулируемым насосом 2, и для подачи во вторичный гидравлический агрегат 3 управления через второй управляющий клапан 8 гидравлического масла, используемого для управления, а именно - для изменения режима работы вторичного гидравлического агрегата 3 управления. Выходы Ρ регулируемого насоса 2, управляющего насоса 10 и вторичного гидравлического агрегата 3 управления, в частности их напорные патрубки, также связаны с предохранительными клапанами 11, 12 и 13, соответственно, чем обеспечивается защита от чрезмерно высокого давления. Управляющий насос 10 предпочтительно связан с регулируемым насосом 2 механически, т.е. с возможностью передачи движения. В этом случае предпочтительно, чтобы двигатель 1, регулируемый насос 2 и управляющий насос 10 были расположены соосно с обеспечением привода обоих насосов от одного двигателя 1, что позволяет сделать компоновку устройства 100 гидропривода в целом более компактной. Трансмиссионный вал, проходящий между двигателем 1, регулируемым насосом 2 и управляющим насосом 10, всегда вращается в одном направлении, а именно по часовой стрелке, как показано на фиг. 1. Разумеется, также возможно вращение в направлении против часовой стрелки.

В одном иллюстративном варианте осуществления изобретения гидравлическая линия 91, ведущая от регулируемого насоса, снабжена установленным в ней обратным клапаном 93, который во время работы допускает прохождение гидравлического масла только из регулируемого насоса 2 в напорную гидравлическую линию 9.

В одном иллюстративном варианте осуществления изобретения гидравлическая линия 92, ведущая от вторичного гидравлического агрегата управления, снабжена установленным в ней гидравлически управляемым обратным клапаном 94. Когда насосная штанга опускается в нормальном режиме, гидравлически управляемый обратный клапан 94 удерживается давлением в открытом состоянии, пропуская гидравлическое масло, движущееся между вторичным гидравлическим агрегатом 3 управления и силовым органом 5, в любом направлении соответственно режиму работы, а в случае нештатных ситуаций переключается в состояние, в котором он препятствует прохождению гидравлического масла от силового органа 5 к вторичному гидравлическому агрегату 3 управления. Это позволяет исключить проблему с безопасностью при случайном падении насосной штанги и движущихся с ней элементов конструкции силового органа 5.

В иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, силовой орган 5 включает в себя гидравлический цилиндр 51, неподвижно установленный на специальной опоре (на чертежах не показана), либо установленный непосредственно на скважинной фонтанной арматуре (на чертежах не показана). Гидравлический цилиндр 51 имеет открытый верхний конец и закрытый нижний конец. Нижний конец поршневого штока 52 гидравлического цилиндра расположен в гидравлическом цилиндре 51 с образованием скользящего маслонепроницаемого уплотнения, а верхний конец поршневого штока 52 гидравлического цилиндра выступает из гидравлического цилиндра 51 и снабжен подвижным блоком 53. Подвижный блок 53 содержит ось 531, неподвижно закрепленную на верхнем конце поршневого штока 52 гидравлического цилиндра, причем поршневой шток 52 гидравлического цилиндра проходит перпендикулярно оси 531, так что при возвратно-поступательном движении поршневого штока 52 гидравлического цилиндра вверх-вниз поршневой шток сообщает это движение оси 531. Подвижный блок также содержит шкив 532, установленный на оси 531 с возможностью вращения и огибаемый тяговым элементом 54, таким как проволочные тросы, ремни и т.п. Первый конец 541 тягового элемента 54 закреплен на опоре цилиндра или другой неподвижной части конструкции, а второй конец 542 тягового элемента по другую сторону от шкива 532 неподвижно присоединен к насосной штанге (например, с помощью подвесного устройства 55) для приведения насосной штанги в возвратно-поступательное движение.

При движении поршневого штока 52 гидравлического цилиндра вверх ось 531 движется вместе с ним, и за счет силы трения между тяговым элементом 54 и шкивом 532 и веса насосной штанги тяговый элемент 54 вместе со шкивом 532 поворачивается относительно оси 531 (на фиг. 1 - в направлении против часовой стрелки), вследствие чего второй конец 542 тягового элемента 54 поднимается и тем самым тянет насосную штангу вверх для подъема нефти, поскольку первый конец 541 тягового элемента 54 зафиксирован, а шкив 532 имеет возможность вращения относительно оси 531.

При движении поршневого штока 52 гидравлического цилиндра вниз ось 531 движется вместе с ним, и тяговый элемент 54 повторяет вращение шкива 532 в противоположном направлении (на фиг. 1 - в направлении по часовой стрелке) относительно оси 531, вследствие чего второй конец 542 тягового элемента 54 опускается, и насосная штанга движется вниз вместе с ним.

Благодаря использованию подвижного блока 53 для передачи движения при перемещении поршневого штока 52 гидравлического цилиндра длина хода насосной штанги вдвое больше длины хода поршневого штока 52 гидравлического цилиндра. Таким образом, при неизменной длине хода насосной штанги можно значительно уменьшить длину гидравлического цилиндра 51 и его поршневого штока 52, обеспечивая тем самым уменьшение высоты и общего веса оборудования и облегчая транспортировку оборудования, а также его монтаж и наладку на месте эксплуатации, что делает предлагаемое устройство гидропривода подходящим для применения на таких объектах, как морские платформы, в условиях пустынной, заснеженной местности или в других жестких природных условиях, и, кроме того, повышается устойчивость конструкции насосной установки, улучшается ее ветроустойчивость.

Следует отметить, что для передачи движения можно использовать не обязательно одну ось 531 и не обязательно один шкив 532. Например, могут использоваться два шкива, установленных на соответствующих концах оси 531. Иначе говоря, для изменения кратности выигрыша в длине хода можно использовать комбинации нескольких осей и нескольких шкивов. Кроме того, в соответствии с требованием к длине хода также может использоваться комбинация неподвижных и подвижных блоков.

Как описано выше, в рассматриваемом примере осуществления изобретения для увеличения длины хода насосной штанги используется подвижный блок 53, но возможности осуществления изобретения этим примером не ограничиваются. При осуществлении изобретения для достижения аналогичного результата могут использоваться и другие формы блоков, например блок с цепными зубчатыми колесами, блок с ременным шкивом и т.п.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения направление, в котором тяговый элемент 54 тянет насосную штангу, находится на одной линии с направлением движения насосной штанги, что обеспечивает долговечность насосной штанги глубинного насоса и увеличивает срок ее эксплуатации.

Датчик 6 предпочтительно представляет собой датчик перемещения, например кодовый датчик угла поворота или числа оборотов. Кодовый датчик угла поворота или числа оборотов может быть установлен на подвижном блоке 53, например на шкиве 532 подвижного блока, и путем определения числа оборотов шкива 532 подвижного блока может определять достижение линейным перемещением тягового элемента 54 длины хода насосной штанги. В качестве датчика 6 могут использоваться и другие датчики перемещения, способные непосредственно изменять линейное перемещение тягового элемента 54 и задавать длину хода насосной штанги, например магнитоиндукционные средства обнаружения или могут использоваться, например, два нормально замкнутых или нормально разомкнутых бесконтактных выключателя, разнесенных в вертикальном направлении, таких как верхний бесконтактный выключатель 61 и нижний бесконтактный выключатель 62, показанные на фиг. 1. Длина хода насосной штанги определяется расстоянием между двумя бесконтактными выключателями. Датчик 6 также может представлять собой аналоговый датчик, способный определять не только крайнее положение насосной штанги в процессе ее возвратно-поступательного движения и направление ее перемещения, но и точное положение насосной штанги в любой момент времени, так что теоретически длину хода можно изменять в пределах максимального диапазона значений в любом положении насосной штанги.

В еще одном иллюстративном варианте осуществления изобретения силовой орган также может быть выполнен, как показано на фиг. 2. Силовой орган 5' включает в себя гидравлический цилиндр 51' и поршневой шток 52', совершающий внутри гидравлического цилиндра 51' возвратно-поступательное движение. Гидравлический цилиндр 51' установлен на соответствующей опоре 56. Гидравлический цилиндр 51' разделен верхним концом поршневого штока 52' на верхнюю и нижнюю камеры, причем верхняя камера связана с первой гидравлической линий 95, а нижняя камера - со второй гидравлической линией 96. Нижний конец поршневого штока 52' гидравлического цилиндра прикреплен к насосной штанге. На опоре 56 цилиндра расположены датчики 6', т.е. верхний бесконтактный выключатель 61' и нижний бесконтактный выключатель 62', для задания длины хода поршневого штока 52' гидравлического цилиндра (т.е. длины хода насосной штанги).

Кроме того, в еще одном иллюстративном варианте осуществления изобретения силовой орган может представлять собой гидравлическую лебедку, причем трос, ремень или иной тяговый элемент гидравлической лебедки может использоваться для приведения насосной штанги в возвратно-поступательное движение вверх-вниз.

В одном простом иллюстративном варианте осуществления изобретения первый управляющий клапан 7 используется только для управления включением и выключением регулируемого насоса 2. При этом первый управляющий клапан 7 может представлять собой любое подходящее техническое средство, способное управлять включением и выключением регулируемого насоса 2. Предпочтительно, чтобы первый управляющий клапан 7, помимо управления включением и выключением регулируемого насоса 2, также мог регулировать объемную подачу регулируемого насоса 2. При этом первый управляющий клапан 7 может представлять собой, например, пропорциональный клапан, такой как пропорциональный предохранительный клапан или пропорциональный реверсирующий клапан и т.п., который имеет пропорциональный электромагнит 71, причем возбуждение пропорционального электромагнита определяется сигналами от датчика 6, обеспечивающими управление включением и выключением регулируемого насоса 2. Кроме того, объемная подача регулируемого насоса 2 может регулироваться посредством величины электрического тока, подаваемого на пропорциональный электромагнит 71, для изменения скорости движения насосной штанги. Первый управляющий клапан 7 также может представлять собой обычный электромагнитный реверсирующий клапан, или клапан для управления давлением, или их комбинацию. В этом случае скорость движения насосной штанги невозможно регулировать электрически, но допускается регулировка вручную.

Второй управляющий клапан 8 предпочтительно представлять собой пропорциональный клапан, например пропорциональный предохранительный клапан или пропорциональный реверсирующий клапан и т.п., который имеет два пропорциональных электромагнита 81, 82, причем возбуждение отдельных пропорциональных электромагнитов осуществляется на основании сигналов от датчика 6, чтобы переключать режимы работы вторичного гидравлического агрегата 3 управления, например, переключать режимы работы обратимого плунжерного насоса. Кроме того, объемная подача обратимого плунжерного насоса может регулироваться посредством величины электрического тока, подаваемого на пропорциональные электромагниты 81, 82, для изменения скорости движения насосной штанги. Аналогичным образом, второй управляющий клапан 8 может представлять собой обычный электромагнитный реверсирующий клапан, или клапан для управления давлением, или их комбинацию. В этом случае скорость движения насосной штанги невозможно регулировать электрически, но допускается регулировка вручную.

Устройство 100 гидропривода также содержит масляный резервуар для питания гидравлическим маслом регулируемого насоса 2, управляющего насоса 10, вторичного гидравлического агрегата 3 управления и т.д. Предпочтительно, чтобы все компоненты, нуждающиеся в питании гидравлическим маслом, были подключены к одному общему масляному резервуару, что еще более упрощает конструкцию и снижает затраты.

Ниже на примере устройства 100 гидропривода, показанного на фиг. 1, рассматривается один иллюстративный рабочий цикл устройства гидропривода.

В начале работы устройства гидропривода поршневой шток 52 гидравлического цилиндра находится в нижней мертвой точке своего хода, и датчик 6 выдает сигнал, указывающий на нахождение поршневого штока 52 гидравлического цилиндра в нижней мертвой точке. В этот момент первый управляющий клапан 7 принимает от датчика 6 сигнал на включение регулируемого насоса 2, а второй управляющий клапан 8 принимает от датчика 6 сигнал на перевод вторичного гидравлического агрегата 3 управления в режим насоса. При этом маховик 4 находится в состоянии покоя, и поэтому вторичный гидравлический агрегат 3 управления в качестве насоса фактически еще не работает. В этом случае перемещение поршневого штока 52 гидравлического цилиндра вверх обеспечивается только регулируемым насосом 2. Во время этого перемещения предпочтительно, чтобы первый управляющий клапан 7 выдавал на выходе малое давление с соответственно малым управляющим воздействием, обеспечивающим движение поршневого штока 52 гидравлического цилиндра с низкой скоростью, чтобы от двигателя не требовалось развивать большую мощность.

При достижении поднимающимся поршневым штоком 52 гидравлического цилиндра верхней мертвой точки своего хода датчик 6 выдает сигнал, указывающий на то, что поршневой шток 52 гидравлического цилиндра находится в верхней мертвой точке и пойдет вниз. Первый управляющий клапан 7 принимает от датчика 6 сигнал на установку объемной подачи регулируемого насоса 2 на ноль, а второй управляющий клапан 8 принимает от датчика 6 сигнал на приведение вторичного гидравлического агрегата 3 управления в действие в режиме двигателя с одновременным включением гидравлически управляемого обратного клапана 94. Вторичный гидравлический агрегат 3 управления преобразует гравитационную потенциальную энергию, высвобождающуюся при опускании поршневого штока 52 гидравлического цилиндра и движущихся вместе с ним элементов конструкции, в крутящий момент на своем выходном звене для раскручивания маховика 4 с целью запасания гравитационной потенциальной энергии.

При достижении опускающимся поршневым штоком 52 гидравлического цилиндра нижней мертвой точки своего хода датчик 6 выдает сигнал, указывающий на то, что поршневой шток 52 гидравлического цилиндра прибывает в нижнюю мертвую точку и пойдет вверх. Первый управляющий клапан 7 принимает от датчика 6 сигнал на включение регулируемого насоса 2, а второй управляющий клапан 8 принимает от датчика 6 сигнал на приведение вторичного гидравлического агрегата 3 управления в действие в режиме насоса. В результате двигатель 1 и вращающийся маховик 4 выступают в качестве источников энергии, приводя в действие, соответственно, регулируемый насос 2 и вторичный гидравлический агрегат 3 управления и совместно заставляя поршневой шток 52 гидравлического цилиндра двигаться вверх. Далее движение поршневого штока происходит циклически.

Во время описанного выше рабочего цикла гравитационная потенциальная энергия, высвобождающаяся в результате опускания поршневого штока 52 гидравлического цилиндра и движущихся вместе с ним элементов конструкции, запасается маховиком 4 и затем используется для приведения поршневого штока 52 гидравлического цилиндра в движение вверх, что позволяет в наибольшей степени использовать потенциальную энергию, высвобождающуюся при опускании, и экономить энергию.

В одном иллюстративном варианте осуществления изобретения, если вторичный гидравлический агрегат управления представляет собой обратимый плунжерный насос, то при задании угла установки наклонной шайбы положительным, например на значение +5° или +15°, гидравлический агрегат управления может работать в режиме насоса, а при задании угла установки наклонной шайбы отрицательным, например на значение -5° или -15°, гидравлический агрегат управления может работать в режиме гидромотора. На практике угол установки наклонной шайбы обратимого плунжерного насоса можно варьировать в соответствии с требованиями, предъявляемыми к регулированию объемной подачи насоса для управления скоростью движения насосной штанги вверх-вниз. Разумеется, возможные углы установки наклонной шайбы обратимого плунжерного насоса не ограничиваются приведенными выше значениями.

Кроме того, в одном иллюстративном варианте осуществления изобретения в гидравлическую линию 9 может быть включен делитель потока объемного типа (объемный синхронизатор расходов), посредством которого можно приводить в действие одновременно несколько силовых органов гидравлической насосной установки, что позволяет качать нефть одновременно из нескольких скважин.

Поскольку в соответствии с настоящим изобретением маховик механически связан не с двигателем, а с вторичным гидравлическим агрегатом управления, маховик имеет больший диапазон изменения скорости, благодаря чему маховик может запасать больше потенциальной энергии, что повышает эффективность рекуперации энергии и снижает требования, предъявляемые к мощности двигателя, и стоимость двигателя.

Необходимо отметить, что, хотя осуществление изобретения рассмотрено на примере использования маховика в качестве аккумулятора энергии, могут использоваться и другие виды аккумуляторов. Аккумулятор энергии и вторичный гидравлический агрегат управления больше механически не связаны с двигателем, что, по меньшей мере, снижает требования, предъявляемые к характеристикам двигателя, и позволяет расширить ассортимент двигателей, пригодных для применения в устройстве гидропривода.

Специалисту должны быть очевидны и другие преимущества изобретения, а также альтернативные варианты его осуществления. Возможности осуществления настоящего изобретения в пределах объема охраны, определяемой формулой изобретения, не ограничиваются приведенными в описании и на чертежах подробными сведениями и характерными конструктивными решениями. Напротив, осуществление специалистом изобретения в рамках объема его охраны возможно также при внесении в рассмотренные примеры различных изменений.

Изобретение относится к области нефтедобывающего оборудования, в частности к устройству гидропривода гидравлической насосной установки. Устройство (100) гидропривода гидравлической насосной установки содержит двигатель (1), силовой орган (5) для приведения насосной штанги в возвратно-поступательное движение, регулируемый насос (2), приводимый двигателем (1) и гидравлически связанный с силовым органом (5), вторичный гидравлический агрегат (3) управления, гидравлически связанный с силовым органом (5). Аккумулятор (4) энергии механически связан с вторичным гидравлическим агрегатом (3) управления. Содержит датчик (6) для задания длины хода насосной штанги, первое управляющее устройство (7), приспособленное для того, чтобы на основании сигналов от датчика (6) при опускании насосной штанги устанавливать производительность регулируемого насоса (2) на ноль, а при подъеме насосной штанги - на положительное значение для приведения в действие силового органа (5). Второе управляющее устройство (8) приспособлено для того, чтобы на основании сигналов от датчика (6) обеспечивать работу вторичного гидравлического агрегата (3) управления в режиме двигателя для привода аккумулятора (4) энергии. Цель - запасание энергии, а при подъеме насосной штанги - обеспечение работы вторичного гидравлического агрегата (3) управления в режиме насоса с приводом от аккумулятора (4) энергии для приведения в действие силового органа (5). Также раскрыта соответствующая гидравлическая насосная установка. Гидравлическая насосная установка имеет высокую эффективность рекуперации энергии и является простой и надежной. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство гидропривода гидравлической насосной установки, содержащее:

- двигатель;

- силовой орган для приведения насосной штанги в возвратно-поступательное движение;

- регулируемый насос, приводимый двигателем и гидравлически связанный с силовым органом;

- вторичный гидравлический агрегат управления, гидравлически связанный с силовым органом;

- аккумулятор энергии, механически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления;

- датчик для задания длины хода насосной штанги;

- первое управляющее устройство, приспособленное для того, чтобы на основании сигналов от датчика при опускании насосной штанги устанавливать производительность регулируемого насоса на ноль, а при подъеме насосной штанги - на положительное значение для приведения в действие силового органа; и

- второе управляющее устройство, приспособленное для того, чтобы на основании сигналов от датчика при опускании насосной штанги обеспечивать работу вторичного гидравлического агрегата управления в режиме двигателя для привода аккумулятора энергии с целью запасания энергии, а при подъеме насосной штанги - обеспечивать работу вторичного гидравлического агрегата управления в режиме насоса с приводом от аккумулятора энергии для приведения в действие силового органа.

2. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что

- вторичный гидравлический агрегат управления представляет собой обратимый плунжерный насос, и/или

- аккумулятор энергии представляет собой маховик, и/или

- силовой орган включает в себя гидравлический цилиндр или гидравлическую лебедку.

3. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что

- первое управляющее устройство представляет собой первый управляющий клапан, гидравлически связанный с регулируемым насосом, и/или

- второе управляющее устройство представляет собой второй управляющий клапан, гидравлически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления.

4. Устройство гидропривода по п. 2, отличающееся тем, что

- первое управляющее устройство представляет собой первый управляющий клапан, гидравлически связанный с регулируемым насосом, и/или

- второе управляющее устройство представляет собой второй управляющий клапан, гидравлически связанный с вторичным гидравлическим агрегатом управления.

5. Устройство гидропривода по п. 3 или 4, отличающееся тем, что первый и второй управляющие клапаны представляют собой пропорциональный предохранительный клапан, или пропорциональный реверсирующий клапан, или комбинацию обычного электромагнитного реверсирующего клапана и клапана для управления давлением.

6. Устройство гидропривода по п. 3 или 4, отличающееся тем, что оно также содержит управляющий насос для подачи используемого для управления гидравлического масла в регулируемый насос через первый управляющий клапан и во вторичный гидравлический агрегат управления через второй управляющий клапан, причем управляющий насос механически связан с регулируемым насосом и расположен соосно с двигателем и регулируемым насосом.

7. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что направление, в котором силовой орган тянет насосную штангу, находится на одной линии с направлением движения насосной штанги.

8. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что

- между регулируемым насосом и силовым органом предусмотрен обратный клапан, допускающий прохождение гидравлического масла только из регулируемого насоса в силовой орган, и/или

- между вторичным гидравлическим агрегатом управления и силовым органом предусмотрен гидравлически управляемый обратный клапан, удерживаемый в открытом состоянии при нормальном опускании насосной штанги и препятствующий прохождению гидравлического масла из силового органа во вторичный гидравлический агрегат управления в случае остановки или нештатных ситуаций.

9. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что датчик представляет собой аналоговый датчик или состоит из верхнего бесконтактного выключателя и нижнего бесконтактного выключателя.

10. Устройство гидропривода по п. 1, отличающееся тем, что оно также содержит делитель потока объемного типа, обеспечивающий одновременное приведение в действие нескольких силовых органов.

11. Гидравлическая насосная установка, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство гидропривода по любому из предыдущих пунктов.