CN108910734A - 一种混合动力装置 - Google Patents

Abstract

一种混合动力装置，由发动机、变速箱、滚筒、周转轮系、定轴轮系、第一电机、第二电机、逆变器、电池等部分组成。发动机与周转轮系的齿圈相连接，周转轮系的太阳轮与定轴轮系的第一齿轮同轴固定连接，定轴轮系的第一齿轮同时与定轴轮系的第二齿轮和第三齿轮相互啮合，第一电机与第二齿轮相连接，第二电机与第三齿轮相连接，周转轮系的行星架与变速箱的输入轴相连接。与普遍采用的常规修井机相比，可以将发动机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能。采用能量密度较高的电池作为储能装置，能够储存较多的管柱下放释放出来的重力势能。

Description

一种混合动力装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气工业的修井设备，特别涉及一种混合动力装置。

背景技术

修井机最常见的一种作业是起升和下放管柱的作业。起升管柱的作业是间歇性的周期过程。修井机机动起升管柱的时间约占整个起单根周期的1/4，而卸扣、摆放单根等辅助作业时间则占3/4。机动起升管柱需要发动机大功率工作，而卸扣、摆放单根等辅助作业时发动机小功率工作。常规修井机为了满足快速起升管柱的需要，装机功率都较大。大功率发动机大部分时间是在小功率下工作，经济性差，发动机磨损严重。管柱从井下被提到地面储存了相当的重力势能，将管柱下放入井内时，储存的重力势能要释放出来，这些能量是相当大的。常规修井机不能回收这些能量，只能靠制动器将其变成热能消耗掉。所以常规修井机在起升和下放管柱的作业中都存在着能量浪费现象。申请号为201410201225.3的中国专利“并联转矩耦合式节能修井机”也可以解决这个问题，该机采用液压蓄能器回收管柱下放释放出来的重力势能。但液压蓄能器的能量密度较低，也就是单位体积所储存的能量较少，所以一定体积的液压蓄能器所储存的能量有限。而上千米的管柱下放入井内所释放出来的重力势能是很大的，但液压蓄能器因其能量密度较低，所以无法胜任储存如此多的管柱重力势能的重任。

发明内容

为了克服常规修井机在起升和下放管柱的作业中存在的能量浪费现象，同时克服申请号为201410201225.3的中国专利“并联转矩耦合式节能修井机”的上述缺点，本发明提供了一种混合动力装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混合动力装置，包括发动机、变速箱、滚筒、游车大钩、滚筒制动器、井架，其特殊之处在于还包括周转轮系、定轴轮系、第一电机、第二电机、逆变器、电池；所述周转轮系包括行星架、行星轮、太阳轮和齿圈，所述行星轮同时与所述太阳轮和所述齿圈相互啮合，所述齿圈固定安装在第一轴上，所述行星轮空套安装在所述行星架上，所述行星架固定安装在第二轴上；所述定轴轮系包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮同时与所述第二齿轮和所述第三齿轮相互啮合；所述第一齿轮与所述太阳轮同轴固定连接，并且一起空套安装在所述第二轴上；所述第一轴通过第一离合器与所述发动机的输出轴相连接，所述第一轴的外围安装有第一制动器；所述第二轴通过第二离合器与所述变速箱的输入轴相连接，所述第二轴的外围安装有第二制动器；所述第一电机与所述第二齿轮相连接，所述第二电机与所述第三齿轮相连接；所述电池与所述逆变器电连接，所述逆变器分别与所述第一电机和所述第二电机电连接；所述第一电机的功率小于所述第二电机的功率；所述第一电机和所述第二电机工作在电动机模式下，或工作在发电机模式下。

在起升管柱的辅助作业期间，发动机驱动第一电机和第二电机向电池中充电，储存能量。在起升管柱时，电池中的电能驱动第一电机和第二电机与发动机共同起升管柱。所以发动机的功率比常规修井机大为减小，大约仅为常规修井机的1/4。下放管柱时可将发动机关机，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动第一电机和第二电机向电池中充电，也就是将管柱的重力势能变为电池中的电能储存起来，实现了能量回收。

本发明与现有技术相比有如下优点：（1）、与普遍采用的常规修井机相比，可以将发动机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能。（2）、与申请号为201410201225.3的中国专利“并联转矩耦合式节能修井机”相比，本发明利用电池来储存管柱下放释放出来的重力势能。因为电池的能量密度较高，所以相比液压蓄能器，电池能够储存较多的能量。也就是说相比液压蓄能器，电池更能胜任储存较多的管柱重力势能的重任。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详述。参见附图1，一种混合动力装置，包括发动机1、变速箱5、滚筒20、游车大钩21、滚筒制动器19、井架22，它还包括周转轮系6、定轴轮系11、第一电机15、第二电机16、逆变器23、电池24。周转轮系6包括行星架7、行星轮8、太阳轮9和齿圈10，行星轮8同时与太阳轮9和齿圈10相互啮合，齿圈10固定安装在第一轴4上，行星轮8空套安装在行星架7上，行星架7固定安装在第二轴25上。定轴轮系11包括第一齿轮12、第二齿轮13和第三齿轮14，第一齿轮12同时与第二齿轮13和第三齿轮14相互啮合，第二齿轮13的齿数和第三齿轮14的齿数多于第一齿轮12的齿数，第二齿轮13的齿数和第三齿轮14的齿数相等。第一齿轮12与太阳轮9同轴固定连接，并且一起空套安装在第二轴25上。第一轴4通过第一离合器2与发动机1的输出轴相连接，第一轴4的外围安装有第一制动器3；第二轴25通过第二离合器26与变速箱5的输入轴相连接，第二轴25的外围安装有第二制动器17。第一电机15与第二齿轮13相连接，第二电机16与第三齿轮14相连接。电池24与逆变器23电连接，逆变器23分别与第一电机15和第二电机16电连接。第一电机15的功率小于第二电机16的功率。第一电机15和第二电机16可工作在电动机模式下，也可工作在发电机模式下。当第一电机15和第二电机16工作在电动机模式下时，逆变器23的功能是将电池24 的直流电变为交流电输出给第一电机15和第二电机16；当第一电机15和第二电机16工作在发电机模式下时，逆变器23的功能是将第一电机15和第二电机16送来的交流电变为直流电储存在电池24中。

变速箱5能实现两档起升管柱，齿轮51、齿轮53空套在输入轴上，齿轮54、齿轮55固定安装在输出轴上，啮合套52位于齿轮51、齿轮53之间，啮合套52的左右拨动，可分别实现齿轮51或齿轮53的挂合，从而实现动力由齿轮54或齿轮55输出，实现两挡起升管柱。变速箱5输出的动力通过联轴器18驱动滚筒20旋转，通过游车大钩21起升管柱。

起升管柱时，管柱的重量是变化的，在逐渐减小。为了充分利用发动机能量，减小发动机装机功率，采用如下能量管理策略：在起升小重量管柱时，采用发动机1与第一电机15组成的A模式；在起升中等重量管柱时，采用发动机1与第二电机16组成的B模式；在起升大重量管柱时，采用发动机1与第一电机15和第二电机16组成的C模式。

在C模式下起升大重量管柱的工作过程如下。第一电机15和第二电机16都开机。在起升管柱的辅助作业期间，第二离合器26分离，滚筒制动器19将滚筒20刹住，第二制动器17接合将第二轴25刹住，则行星架7处于制动状态。第一制动器3处于松开（即解除制动）状态，接合第一离合器2，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12，第一齿轮12的动力分成两路进行传递，一路经第二齿轮13传给第一电机15，另一路经第三齿轮14传给第二电机16。此时，第一电机15和第二电机16工作在发电机模式下，第一电机15和第二电机16所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。在起升管柱时，第二离合器26接合，松开滚筒制动器19，第一制动器3和第二制动器17处于松开状态，第一离合器2处于接合状态，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8。电池24 的直流电通过逆变器23变为交流电输出给第一电机15和第二电机16，此时，第一电机15和第二电机16工作在电动机模式下。第一电机15将动力顺次传递至第二齿轮13、第一齿轮12，第二电机16将动力顺次传递至第三齿轮14、第一齿轮12。第一电机15与第二电机16共同传递到第一齿轮12上的动力再顺次传递至太阳轮9、行星轮8，与发动机1传递至行星轮8的动力耦合，然后该耦合动力顺次传递至行星架7、第二轴25、离合器26、变速箱5、滚筒20，驱动滚筒20旋转，通过游车大钩21起升管柱。所以发动机1的装机功率比常规修井机大为减小，大约仅为常规修井机的1/4。

在B模式下起升中等重量管柱的工作过程如下。第一电机15关机，第二电机16开机。在起升管柱的辅助作业期间，第二离合器26分离，滚筒制动器19将滚筒20刹住，第二制动器17接合将第二轴25刹住，则行星架7处于制动状态。第一制动器3处于松开状态，接合第一离合器2，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12、第三齿轮14，由第三齿轮14将动力传给第二电机16。此时，第二电机16工作在发电机模式下，第二电机16所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。在起升管柱时，第二离合器26接合，松开滚筒制动器19，第一制动器3和第二制动器17处于松开状态，第一离合器2处于接合状态，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8。电池24 的直流电通过逆变器23变为交流电输出给第二电机16，此时，第二电机16工作在电动机模式下。第二电机16将动力顺次传递至第三齿轮14、第一齿轮12、太阳轮9、行星轮8，与发动机1传递至行星轮8的动力耦合，然后该耦合动力顺次传递至行星架7、第二轴25、离合器26、变速箱5、滚筒20，驱动滚筒20旋转，通过游车大钩21起升管柱。

在A模式下起升小重量管柱的工作过程如下。第一电机15开机，第二电机16关机。在起升管柱的辅助作业期间，第二离合器26分离，滚筒制动器19将滚筒20刹住，第二制动器17接合将第二轴25刹住，则行星架7处于制动状态。第一制动器3处于松开状态，接合第一离合器2，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12、第二齿轮13，由第二齿轮13将动力传给第一电机15。此时，第一电机15工作在发电机模式下，第一电机15所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。在起升管柱时，第二离合器26接合，松开滚筒制动器19，第一制动器3和第二制动器17处于松开状态，第一离合器2处于接合状态，发动机1将动力顺次传递至齿圈10、行星轮8。电池24 的直流电通过逆变器23变为交流电输出给第一电机15，此时，第一电机15工作在电动机模式下。第一电机15将动力顺次传递至第二齿轮13、第一齿轮12、太阳轮9、行星轮8，与发动机1传递至行星轮8的动力耦合，然后该耦合动力顺次传递至行星架7、第二轴25、离合器26、变速箱5、滚筒20，驱动滚筒20旋转，通过游车大钩21起升管柱。

在上述三种模式之中的某一模式下起升管柱时，当起升的管柱重量较小时，拨动啮合套52使齿轮53挂合，由齿轮55输出动力，即用变速箱的高挡位快速起升。当起升的管柱重量较大时，拨动啮合套52使齿轮51挂合，由齿轮54输出动力，即用变速箱的低挡位起升。

下放管柱时装置以三种模式工作。在下放管柱时，管柱的重量也是变化的，在逐渐增大。一开始下放的管柱重量较轻，此时只将第一电机15接合工作，在D模式下回收管柱下放释放出的重力势能。当管柱重量增加到一定程度，此时只将第二电机16接合工作，在E模式下回收管柱下放释放出的重力势能。当管柱重量再增加到一定程度，将第一电机15和第二电机16同时接合工作，在F模式下回收管柱下放释放出的重力势能，此时回收的重力势能最多。

在D模式下下放管柱时的操作过程如下。发动机1关机，第二电机16关机，第一电机15开机，第一制动器3接合将第一轴4和齿圈10刹住。第二制动器17处于松开状态，接合第二离合器26，松开滚筒制动器19，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动滚筒20转动，滚筒20转动的动力顺次传递至变速箱5、离合器26、第二轴25、行星架7、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12、第二齿轮13，由第二齿轮13将动力传给第一电机15。此时，第一电机15工作在发电机模式下，第一电机15所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。也就是将管柱的重力势能变为电池24中的电能储存起来。这部分回收能量可以重新利用，用其完成辅助作业期间的工作，如完成提升单根作业，带动油管钳上扣，驱动压气机，提供操纵离合器和制动器的能量等。以前这些工作都由发动机完成，现在由回收能量完成，大大节约了能源。这些被回收在电池中的电能较多，辅助作业期间的工作只能消耗一小部分，剩余的可用于其它作业，如抽油机的抽油作业等等。因为绝大部分作业都是使用电能来完成的，所以回收能量以电能的形式储存更易被其它作业所应用。

在E模式下下放管柱时的操作过程如下。发动机1关机，第一电机15关机，第二电机16开机，第一制动器3接合将第一轴4和齿圈10刹住。第二制动器17处于松开状态，接合第二离合器26，松开滚筒制动器19，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动滚筒20转动，滚筒20转动的动力顺次传递至变速箱5、离合器26、第二轴25、行星架7、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12、第三齿轮14，由第三齿轮14将动力传给第二电机16。此时，第二电机16工作在发电机模式下，第二电机16所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。也就是将管柱的重力势能变为电池24中的电能储存起来。

在F模式下下放管柱时的操作过程如下。发动机1关机，第一电机15和第二电机16开机，第一制动器3接合将第一轴4和齿圈10刹住。第二制动器17处于松开状态，接合第二离合器26，松开滚筒制动器19，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动滚筒20转动，滚筒20转动的动力顺次传递至变速箱5、离合器26、第二轴25、行星架7、行星轮8、太阳轮9、第一齿轮12，第一齿轮12的动力分成两路进行传递，一路经第二齿轮13传给第一电机15，另一路经第三齿轮14传给第二电机16。此时，第一电机15和第二电机16工作在发电机模式下，第一电机15和第二电机16所发的交流电通过逆变器23变为直流电储存在电池24中。也就是将管柱的重力势能变为电池24中的电能储存起来。

在上述三种模式之中的某一模式下下放管柱时，当下放的管柱重量较小时，拨动啮合套52使齿轮53挂合，由齿轮55输出动力，即用变速箱的高挡位下放。当下放的管柱重量较大时，拨动啮合套52使齿轮51挂合，由齿轮54输出动力，即用变速箱的低挡位下放。

Claims (2)

1.一种混合动力装置，包括发动机（1）、变速箱（5）、滚筒（20）、游车大钩（21）、滚筒制动器（19）、井架（22），其特征在于还包括周转轮系（6）、定轴轮系（11）、第一电机（15）、第二电机（16）、逆变器（23）、电池（24）；所述周转轮系（6）包括行星架（7）、行星轮（8）、太阳轮（9）和齿圈（10），所述行星轮（8）同时与所述太阳轮（9）和所述齿圈（10）相互啮合，所述齿圈（10）固定安装在第一轴（4）上，所述行星轮（8）空套安装在所述行星架（7）上，所述行星架（7）固定安装在第二轴（25）上；所述定轴轮系（11）包括第一齿轮（12）、第二齿轮（13）和第三齿轮（14），所述第一齿轮（12）同时与所述第二齿轮（13）和所述第三齿轮（14）相互啮合；所述第一齿轮（12）与所述太阳轮（9）同轴固定连接，并且一起空套安装在所述第二轴（25）上；所述第一轴（4）通过第一离合器（2）与所述发动机（1）的输出轴相连接，所述第一轴（4）的外围安装有第一制动器（3）；所述第二轴（25）通过第二离合器（26）与所述变速箱（5）的输入轴相连接，所述第二轴（25）的外围安装有第二制动器（17）；所述第一电机（15）与所述第二齿轮（13）相连接，所述第二电机（16）与所述第三齿轮（14）相连接；所述电池（24）与所述逆变器（23）电连接，所述逆变器（23）分别与所述第一电机（15）和所述第二电机（16）电连接；所述第一电机（15）的功率小于所述第二电机（16）的功率；所述第一电机（15）和所述第二电机（16）工作在电动机模式下，或工作在发电机模式下。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力装置，其特征在于所述第二齿轮（13）的齿数和所述第三齿轮（14）的齿数多于所述第一齿轮（12）的齿数，所述第二齿轮（13）的齿数和所述第三齿轮（14）的齿数相等。