CN110067790A - 一种重力势能转化再利用的装置及方法 - Google Patents

一种重力势能转化再利用的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种重力势能转化再利用的装置,包括两位三通换向阀,单向阀、增压缸组、增压缸组内部两位四通换向阀、活塞式蓄能器组、截止阀、辅助气瓶组、举升设备液压缸、溢流阀、电机油泵组、油箱a和油箱b,其特征在于:举升设备的液压缸的伸出腔油口通过回路逐序与两位三通换向阀、与单向阀串连,与活塞式蓄能器组并联,与两位三通阀串联,活塞式蓄能器组的气端口与辅助气瓶组串联,与增压缸组内部两位四通换向阀并联;增压后的液压油经增压管路通过单向阀汇入主系统油路,再次参与举升设备液压缸活塞杆的伸出;并联的活塞式蓄能器组的油端口连接在单向阀出口、两位三通换向阀进口和两位三通换向阀出口的联结点上。

Description

一种重力势能转化再利用的装置及方法
技术领域
本发明涉及液压类提升设备带载荷下放过程中能量的回收再利用领域,具体为一种重力势能转化再利用的装置及方法。
背景技术
在油气田液压类提升设备中,液压蓄能修井机做为一种节能减排的新型修井机慢慢的得到了油田的认可,例如专利号91106336.6 液压蓄能石油修井机,自提出液压蓄能概念,将下钻过程中的重力势能转化成液压能再次利用,一直没有实现过,现在所谓的液压蓄能,仅仅是在主系统并联一套蓄能系统,完成下钻过程中和其他辅助时间段内泵输出能量的储存,并没有完成重力势能和液压能的相互转化。也就违背了液压蓄能修井机的初衷,只是减小了装机功率,避免了大马拉小车的问题,而达不到节能目的,也不符合不符合国家当下节能政策。
发明内容
本发明的目的是提供一种重力势能转化再利用的装置及方法。克服上述已有技术存在的能量损失的问题,为液压举升设备提供一种节能方法和辅助装置。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的:
一种重力势能转化再利用的装置,包括两位三通换向阀(1)、(2)、(4)、(11)、(18),单向阀(3)、(13)、(17)、增压缸组(5)、增压缸组内部两位四通换向阀(6)、活塞式蓄能器组(7)、截止阀(8)、辅助气瓶组(9)、举升设备液压缸(10)、溢流阀(14)、电机油泵组(15)、油箱a(12)和油箱b(16),其特征在于:举升设备的液压缸(10)的伸出腔油口通过回路A逐序与两位三通换向阀(1)、(2)与单向阀(3)串连,与活塞式蓄能器组(7)并联,与两位三通阀(4)串联,活塞式蓄能器组(7)的气端口与辅助气瓶组(9)串联,与增压缸组(5)内部两位四通换向阀(6)并联;增压后的液压油经增压管路(C)通过单向阀(17)汇入主系统油路,再次参与举升设备液压缸(10)活塞杆的伸出;并联的活塞式蓄能器组(7)的油端口连接在单向阀(3)出口、两位三通换向阀(4)进口和两位三通换向阀(18)出口的联结点上。
所述举升设备液压缸(10)的伸出腔油口和两位三通换向阀(1)之间的管路上并联了两位三通换向阀(11),以便于两位三通换向阀(1)切换至上位、两位三通换向阀(11)切换至下位时形成差动油缸。
所述活塞式蓄能器组(7),由并联的1-30个活塞式蓄能器组合而成,所述辅助气瓶组(9),可以由并联或串联的1-30个辅助气瓶组合而成,其目的是根据液压举升设备的载荷情况,电机油泵组(15)输出的高压油通过单向阀(13)通过管路(B)和两位三通换向阀(18)的左位压入液压油压缩活塞调节活塞式蓄能器组(7)和辅助气瓶(9)整体的预充气压力,达到理想压力后关闭对应油端口截止阀(8),以达到最大转化能量的效果。
所述的活塞式蓄能器组(7)和辅助气瓶(9),可以由1-40个囊式蓄能器并联后替换实现同等功能。
所述的增压缸组(5)内部的单个增压缸设为由两位四通换向阀换向的双向增压缸且为定比增压缸。
所述的辅助气瓶(9)与蓄能器组(7)连接后打开截止阀(8),整个组合的或囊式蓄能器组的预充氮气压力大于3MPa。
所述的油箱a(12)的高度位置不低于举升设备液压缸(10)的活塞杆腔油口垂直距离向下4m,可高于活塞杆腔油口,油箱a(12)可用低压大排量的小功率电机油泵组替代。
一种重力势能转化再利用的方法,依据一种重力势能转化再利用的装置的重力势能转换管路来实现的:当举升设备液压缸(10)的活塞下行时且有一定的较重载荷F时,举升设备液压缸(10)伸出腔内部的液压油经两位三通换向阀(1)、(2)的上位和单向阀(3)进入活塞式蓄能器组(7)的油端口,此时两位三通换向阀(4)处于下位,两位三通换向阀(17)处于右位,两者均处于封闭状态,两位三通换向阀(11)处于上位,活塞杆腔内出现真空开始从邮箱a(12)内吸油至满腔,活塞式蓄能器组(7)内的活塞上行,举升设备载荷F下行产生的重力势能转化成液压能储存在活塞式蓄能器组(7)内,活塞上部的高压高纯度氮气被挤入辅助气瓶组(9),使辅助气瓶组(9)的压力升高,当举升设备的液压缸(10)活塞上行时,两位三通换向阀(4)切换至上位,导通增压缸组(5)管路,活塞式蓄能器组(7)内转化的液压能通过辅助气瓶组(9)的压力作用下及两位四通换向阀(6)的作用下使增压缸组(5)往复动作进行增压;增压后的液压油经增压缸的增压管路(C)流经单向阀(16)进入举升设备的主液压系统进入(P)管路,经过两位三通换向阀(1)的下位和两位三通换向阀(11)的下位组合成差动油缸,举升设备液压缸(10)的活塞杆伸出,此时两位三通换向阀(1)和(2)之间此时为断开状态,而两位三通换向阀(17)处于右位为封闭状态,使得活塞上行,整个过程完成储重力势能储存—转换—再利用的循环过程,有效的利用活塞杆顶部的载荷F产生的重力势能,节约能耗。
所述的举升设备的液压缸(10)和活塞式蓄能器组(7)之间设有两位三通换向阀(1)和(2),两位三通换向阀(1)的进口分别接举升设备液压回路(P)和两位三通换向阀(2)的进口,两位三通换向阀(2)的出口分别接油箱b(16)和活塞式蓄能器组(7),当载荷F作用于举升设备液压缸(10)的活塞杆在伸出腔产生的压力小于蓄能器组(7)的预充氮气压力时,两位三通换向阀(2)切换至下位直接连通油箱b(16),反之,两位三通换向阀(2)切换至上位通过单向阀(3)进入活塞式蓄能器组(7)。
所述的活塞式蓄能组(7)和增压缸组(5)之间设有换向阀(4),主要作用是导通活塞式蓄能器组(7)和增压缸组(5),对储存在活塞式蓄能器组(7)中的液压油进行增压后并入主系统(P)管路,完成重力势能的循环再利用。
本发明原理和优点是:
通过辅助气瓶组、活塞式蓄能器组和增压缸组组合,可以将下钻过程中下放时通过阀件的配合,使得重力势能通过做作用于活塞式蓄能器压缩预充的氮气,在起钻过程中,通过阀件的配合,压缩氮气作用于活塞式蓄能器组中的活塞将液压油压出直接作用于增压缸,增压缸输出高压液压油注入液压举升设备的液压缸举升要下井的单根油管,进而达到能量的循环利用,避免了下油井管柱重力势能的损失,节省了举升单根油管的液压能。
附图说明:
图1-本发明的安装结构示意图
图中:A、B、P-液压举升设备液压回路,C-增压缸的增压管路;1、2、4、11、18-两位三通换向阀 3、13、17-单向阀 5-增压缸组 6-增压缸换向阀 7-活塞式蓄能器组 8-截止阀9-辅助气瓶或囊式蓄能器组 10-举升设备液压缸 12-油箱a 14-溢流阀 15-电机油泵组 16-油箱b
具体实施方式:
为进一步公开本发明的技术方案,下面结合说明书附图通过实施例作详细说明:
一种重力势能转化再利用的方法,其特征在于 :依据一种重力势能转化再利用的装置的重力势能转换管路来实现的:当举升设备液压缸10的活塞下行时且有一定的较重载荷F时,举升设备液压缸10伸出腔内部的液压油经两位三通换向阀1、2的上位和单向阀3进入活塞式蓄能器组7的油端口,此时两位三通换向阀4处于下位,两位三通换向阀17处于右位,两者均处于封闭状态,两位三通换向阀11处于上位,活塞杆腔内出现真空开始从邮箱a12内吸油至满腔,活塞式蓄能器组7内的活塞上行,举升设备载荷F下行产生的重力势能转化成液压能储存在活塞式蓄能器组7内,活塞上部的高压高纯度氮气被挤入辅助气瓶组9,使辅助气瓶组9的压力升高,当举升设备的液压缸10活塞上行时,两位三通换向阀4切换至上位,导通增压缸组5管路,活塞式蓄能器组7内转化的液压能通过辅助气瓶组9的压力作用下及两位四通换向阀6的作用下使增压缸组5往复动作进行增压;增压后的液压油经增压缸的增压管路C流经单向阀16进入举升设备的主液压系统进入P管路,经过两位三通换向阀1的下位和两位三通换向阀11的下位组合成差动油缸,举升设备液压缸10的活塞杆伸出,此时两位三通换向阀1和2之间此时为断开状态,而两位三通换向阀17处于右位为封闭状态,使得活塞上行,整个过程完成储重力势能储存—转换—再利用的循环过程,有效的利用活塞杆顶部的载荷F产生的重力势能,节约能耗。
在不利用本装置的情况下,电机油泵组输出的高压油直接通过单向阀和两位三通换向阀进入举升设备液压缸的伸出腔,使得活塞杆伸出,缩回时依靠载荷F的反作用力,配合两位三通换向阀的1的上位和两位三通换向阀2的下位直接将液压油泄至油箱,致使载荷F下行产生的重力势能白白浪费。
为方便理解,下面赋予本装置数字化进行描述,设定举升液压缸10伸出腔容积100L,活塞杆腔容积70L,F作为较重载荷时,作用于活塞杆致使举升设备液压缸10伸出腔的压力为15MPa;F作为较小载荷时,举升设备液压缸的10伸出腔和活塞杆腔组成差动油缸仅需6MPa即可完成举升设备液压缸10活塞杆的伸出,增压缸组5的增压比为1:2,辅助气瓶组9和蓄能器组7的预充压力为10MPa。初次举升设备液压缸10上行时,电机油泵组15输出的高压油通过单向阀13、两位三通换向阀1的下位进入举升设备液压缸10的伸出腔,活塞杆上行,活塞杆腔内的液压油通过两位三通换向阀11的上位回流至油箱a12,此时两位三通换向阀2切至下位,两位三通换向阀18切至右位;当活塞杆在较重载荷F的作用下下行时,可关闭电机油泵组15,举升设备液压缸10内的100L液压油通过两位三通电磁阀1、2的上位和单向阀3进入活塞式蓄能器组7的油端口,此时两位三通换向阀4处于下位,两位三通换向阀18处于右位,两者均处于封闭状态,两位三通换向阀11处于上位,活塞杆腔内出现真空开始从油箱a12内吸油至满腔,直至伸出腔内的100L液压油全部充入蓄能器组7内,完成重力势能转存为液压能的功能;此时卸掉较重载荷F,换为较轻载荷F,需要举升设备液压缸10活塞上行时,首先切换两位三通换阀18至右位,两位三通换向阀1至下位,两位三通换向阀11至下位,两位三通换向阀4切至上位,导通增压缸组5管路,活塞式蓄能器组7内转存的液压能通过辅助气瓶9的压力及两位系统换向阀6的作用下使增压缸组5往复运动进行增压,此时根据增压缸1:2的增压比,可输出约50L,20MPa的高压液压油,液压油通过管路C,沿图中箭头方向流经单向阀17至管路P,经两位三通换向阀1的下位进入举升设备液压缸10的伸出腔和活塞杆腔,形成差动油缸,此时仅需要30L(伸出腔容积减掉活塞杆腔容积),6MPa即可完成活塞杆的上行,增压后的液压油可以满足活塞杆上行所需要的压力、液压油油量,活塞杆到位后F切换至较重载荷,周而复始,完成重力势能的转化利用。

Claims (10)

1.一种重力势能转化再利用的装置,包括两位三通换向阀(1)、(2)、(4)、(11)、(18),单向阀(3)、(13)、(17)、增压缸组(5)、增压缸组内部两位四通换向阀(6)、活塞式蓄能器组(7)、截止阀(8)、辅助气瓶组(9)、举升设备液压缸(10)、溢流阀(14)、电机油泵组(15)、油箱a(12)和油箱b(16),其特征在于:举升设备的液压缸(10)的伸出腔油口通过回路A逐序与两位三通换向阀(1)、(2)与单向阀(3)串连,与活塞式蓄能器组(7)并联,与两位三通阀(4)串联,活塞式蓄能器组(7)的气端口与辅助气瓶组(9)串联,与增压缸组(5)内部两位四通换向阀(6)并联;增压后的液压油经增压管路(C)通过单向阀(17)汇入主系统油路,再次参与举升设备液压缸(10)活塞杆的伸出;并联的活塞式蓄能器组(7)的油端口连接在单向阀(3)出口、两位三通换向阀(4)进口和两位三通换向阀(18)出口的联结点上。
2.根据权利要求1所述的一种重力势能转化再利用的装置,其特征在于:所述举升设备液压缸(10)的伸出腔油口和两位三通换向阀(1)之间的管路上并联了两位三通换向阀(11),以便于两位三通换向阀(1)切换至上位、两位三通换向阀(11)切换至下位时形成差动油缸。
3.根据权利要求1所述的一种重力势能转化再利用的装置,其特征在于:所述活塞式蓄能器组(7),由并联的1-30个活塞式蓄能器组合而成,所述辅助气瓶组(9),可以由并联或串联的1-30个辅助气瓶组合而成,其目的是根据液压举升设备的载荷情况,电机油泵组(15)输出的高压油通过单向阀(13)通过管路(B)和两位三通换向阀(18)的左位压入液压油压缩活塞调节活塞式蓄能器组(7)和辅助气瓶(9)整体的预充气压力,达到理想压力后关闭对应油端口截止阀(8),以达到最大转化能量的效果。
4.根据权利要求书3中所述的活塞式蓄能器组(7)和辅助气瓶(9),可以由1-40个囊式蓄能器并联后替换实现同等功能。
5.根据权利要求1所述的一种重力势能转化再利用的装置,其特征在于:所述的增压缸组(5)内部的单个增压缸设为由两位四通换向阀换向的双向增压缸且为定比增压缸。
6.根据权利要求1所述的一种重力势能转化再利用的装置,其特征在于:所述的辅助气瓶(9)与蓄能器组(7)连接后打开截止阀(8),整个组合的或囊式蓄能器组的预充氮气压力大于3MPa。
7.根据权利要求1所述的一种重力势能转化再利用的装置,其特征在于:所述的油箱a(12)的高度位置不低于举升设备液压缸(10)的活塞杆腔油口垂直距离向下4m,可高于活塞杆腔油口,油箱a(12)可用低压大排量的小功率电机油泵组替代。
8.一种重力势能转化再利用的方法,其特征在于 :依据一种重力势能转化再利用的装置的重力势能转换管路来实现的:当举升设备液压缸(10)的活塞下行时且有一定的较重载荷F时,举升设备液压缸(10)伸出腔内部的液压油经两位三通换向阀(1)、(2)的上位和单向阀(3)进入活塞式蓄能器组(7)的油端口,此时两位三通换向阀(4)处于下位,两位三通换向阀(17)处于右位,两者均处于封闭状态,两位三通换向阀(11)处于上位,活塞杆腔内出现真空开始从邮箱a(12)内吸油至满腔,活塞式蓄能器组(7)内的活塞上行,举升设备载荷F下行产生的重力势能转化成液压能储存在活塞式蓄能器组(7)内,活塞上部的高压高纯度氮气被挤入辅助气瓶组(9),使辅助气瓶组(9)的压力升高,当举升设备的液压缸(10)活塞上行时,两位三通换向阀(4)切换至上位,导通增压缸组(5)管路,活塞式蓄能器组(7)内转化的液压能通过辅助气瓶组(9)的压力作用下及两位四通换向阀(6)的作用下使增压缸组(5)往复动作进行增压;增压后的液压油经增压缸的增压管路(C)流经单向阀(16)进入举升设备的主液压系统进入(P)管路,经过两位三通换向阀(1)的下位和两位三通换向阀(11)的下位组合成差动油缸,举升设备液压缸(10)的活塞杆伸出,此时两位三通换向阀(1)和(2)之间此时为断开状态,而两位三通换向阀(17)处于右位为封闭状态,使得活塞上行,整个过程完成储重力势能储存—转换—再利用的循环过程,有效的利用活塞杆顶部的载荷F产生的重力势能,节约能耗。
9.根据权利要求8所述的一种重力势能转化再利用的方法,其特征在于:所述的举升设备的液压缸(10)和活塞式蓄能器组(7)之间设有两位三通换向阀(1)和(2),两位三通换向阀(1)的进口分别接举升设备液压回路(P)和两位三通换向阀(2)的进口,两位三通换向阀(2)的出口分别接油箱b(16)和活塞式蓄能器组(7),当载荷F作用于举升设备液压缸(10)的活塞杆在伸出腔产生的压力小于蓄能器组(7)的预充氮气压力时,两位三通换向阀(2)切换至下位直接连通油箱b(16),反之,两位三通换向阀(2)切换至上位通过单向阀(3)进入活塞式蓄能器组(7)。
10.根据权利要求8所述的一种重力势能转化再利用的方法,其特征在于:所述的活塞式蓄能组(7)和增压缸组(5)之间设有换向阀(4),主要作用是导通活塞式蓄能器组(7)和增压缸组(5),对储存在活塞式蓄能器组(7)中的液压油进行增压后并入主系统(P)管路,完成重力势能的循环再利用。
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