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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft einen Förderpumpenantrieb, insbesondere Erdöl-Gestängepumpe
mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Antriebe für ölförderpumpen sind in mehreren Ausführungsformen bekannt.
Bei der sogenannten Pferdekopfpumpe treibt ein Elektromotor über ein Getriebe mit
Gewichtsausgleich das Fördergestänge an. Dabei ist die Hub- und Senkgeschwindigkeit
gleich und eine Energierückgewinnung nicht möglich. Um ein langsames Senken und
ein schnelleres Heben zu erzielen ist es auch bekannt, als Antrieb eine Zylinderpumpe
zu verwenden, deren kolbenstangenseitiger Raum mit dem Förderstrom einer hydraulischen
Pumpe beaufschlagt wird. Beim Senken wird das vom Kolben der Zylinderpumpe verdrängte
Flüssigkeitsvolumen über eine einstellbare Drossel zum Tank zurückgeführt. Auch
dabei ist eine Energierückgewinnung nicht möglich. Von diesem Stand der Technik
wird im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen.
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Bei einem anderen bekannten Förderpumpenantrieb ist oberhalb des Pumpenzylinders
ein Gasspeicher aufgebaut. Der Kolben des Pumpenzylinders ist mit einer zweiten
Kolbenstange versehen, die einen das Speichervolumen begrenzenden Kolben trägt.
Der Gasdruck im Speicher ist mindestens so groß, daß das Gewicht des Fördergestänges
ausgeglichen wird, wenn der Kolben des Pumpenzylinders in der oberen Totpunktlage
ist. Die beiden Zylinderräume des Pumpenzylinders sind an eine Axialkolbenpumpe
mit über den Nullpunkt verstellbarer Schrägscheibe angeschlossen. Zum Senken des
Kolbens wird die Axialkolbenpumpe in die eine Richtung verschwenkt und damit der
obere Zylinderraum des Pumpenzylinders mit Druckmittel beaufschlagt, wodurch der
Kolben nach unten verschoben und gleichzeitig das Gaspolster im Gauspeichen zusammengepreßt
wird. Es muß also zum Ausführen des@@@@@ zusammengepreßt wird. Es muß also zum Ausführen
hat
der Druck im Gas speicher den maximalen Druck erreicht und die Axialkolbenpumpe
wird über den Nullpunkt in die andere Verstellrichtung geschwenkt, wodurch sich
die Durchflußrichtung umkehrt und der untere Zylinderraum des Pumpenzylinders beaufschlagt
wird, so daß der Kolben nach oben fährt. Die Hubbewegung wird vom Druck im Gasspeicher
unterstützt, so daß von der Pumpe nur der Differenzdruck zwischen dem Speicherdruck
und dem Hebedruck ausgeglichen werden muß.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Förderpumpenantrieb,
insbesondere für Erdölförderpumpen so auszubilden, daß eine Energierückgewinnung
mit einer vereinfachten Bauweise und erhöhten Lebensdauer der Anlage ermöglicht
wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
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Ein derartiges hydraulisches System zum Antrieb eines Zylinders ist
an sich bekannt (P 32 02 015). In überraschender Weise werden bei Verwendung dieses
hydraulischen Antriebs systems zum Antrieb einer Förderpumpe, insbesondere Erdöl-Gestängepumpe
wesentliche Vorteile erzielt. So wird zum Ausführen der Hubbewegung des Pumpengestänges
Druckmittel einerseits aus dem Speicher entnommen und andererseits wird Druckmittel
von der ständig laufenden Pumpe geliefert. Bei der Senkbewegung des Pumpengestänges
dagegen wird der Speicher sowohl von der ständig laufenden Pumpe als auch von der
nun im Pumpenbetrieb arbeitenden zweiten hydrostatischen Maschine geladen. Bei entsprechender
Bemessung des Speichers kann somit die Leistung der ständig laufenden Pumpe und
damit die dem Antriebssystem ständig zuzuführende Energie verhältnismäßig gering
gehalten werden.
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Bei Gestängepumpen ist mit der Möglichkeit zu rechnen, daß während
der Senkbewegung das Gestänge hängenbleibt. In diesem Fall soll auf das Gestänge
kein Druck ausgeübt werden.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem wird in diesem Fall selbsttätig
auf Nullhub zurückgeregelt, d.h. das Verdrängungsvolumen der im Pumpenbetrieb arbeitenden
zweiten hydrostatischen Maschine wird auf Null zurückgeregelt, so daß die Maschine
und damit das Gestänge stehenbleibt. Damit ein Ausschwenken des Stellkolbens der
Verstellvorrichtung der zweiten Maschine über den Nullhub in den anderen Schwenkbereich
hinein verhindert wird, ist ein Sperrglied vorgesehen.
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Damit ergibt sich auch eine lange Lebensdauer des Antriebssystems,
da zur Umsteuerung der verstellbaren hydrostatischen Maschine zum Heben und Senken
der Stellkolben nur in dem einen Schwenkbereich zwischen zwei Stellungen hin- und
herverschoben wird, die Maschine also nicht über die Mittellage hinaus in den anderen
Schwenkbereich umgestellt werden muß.
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Ferner ergibt sich eine automatische Leistungsregelung des Antriebssystems,
weil beim Ausführen der Hubbewegung und Auftreten eines erhöhten Widerstandes im
Pumpengestänge der Pumpendruck steigt, wodurch der Stellkolben der ersten hydrostatischen
Maschine im Sinne einer Volumenverringerung selbsttätig zurückgeregelt wird, so
daß die Pumpe mit verringertem Verdrängungsvolumen weiterläuft. Die Hubgeschwindigkeit
verringert sich. All diese Regelvorgängeergeben sich völlig selbständig ohne willkürliche
Eingriffe.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert, in der ein hydraulisches Antriebs system für eine Gestängepumpe
schematisch dargestellt ist.
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In der Zeichnung ist ein hydraulischer Pumpenzylinder 1 dargestellt,
dessen Kolben 2 über eine Kolbenstange 3 mit einem nicht dargestellten Pumpengestänge
verbunden ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine Erdölförderpumpe. Der kolbenseitige
Zylinderraum 3 ist mit dem Tank verbunden.
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Der kolbenstangenseitige Zylinderraum 4 ist an eine Druckleitung 5
angeschlossen, die zu zwei hydrostatischen Maschinen 6 und 7 führt. Die Maschine
6 weist ein konstantes Schluck- bzw. Fördervolumen auf, während die Maschine 7 mit
einer Verstelleinrichtung 8 zum Verändern des Schluck- bzw.
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Fördervolumens versehen ist. Die Verstelleinrichtung 8 besteht aus
einem Verstellzylinder 9, in dem ein Kolben 10 entgegen der Kraft einer Feder 11
entsprechend dem in der Zylinderkammer 12 vorhandenen hydraulischen Druck verschiebbar
ist. Der Zylinderraum 12 ist über eine Drosselstelle 14, die parallel zu einem Rückschlagventil
15 liegt, mit der Druckleitung 5 verbunden. Außerdem ist an den Zylinderraum 12
ein Speicher 16 angeschlossen.
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Beide hydrostatischen Maschinen 6 und 7 sind mechanisch gekuppelt
und arbeiten im Pumpenbetrieb, wenn sie von der Welle 16 her angetrieben sind. Dabei
fördern sie Strömungsmittel aus einem Tank in die Druckleitung 5 und in den kolbenstangenseitigen
Zylinderraum 4, so daß die Pumpe eine Hubbewegung ausführt. Nach Umsteuern des Antriebssystems
im oberen Totpunkt des Kolbens 2 folgt die Senkbewegung, bei der vom Kolben 2 aus
dem Raum 4 Strömungsmittel in die Leitung 5 und durch die Maschinen 6 und 7 in den
Tank verdrängt wird. Dabei arbeiten die Maschinen 6 und 7 im Motorbetrieb und treiben
die Welle 17 an.
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Sollte beispielsweise durch ein Klemmen des Gestänges der Pumpe der
Druck im Raum 4 bzw. der Leitung 5 über einen vorbestimmten Wert ansteigen, so öffnet
das Rückschlagventil 15 und der Druckanstieg in der Kammer 12 der Verstellvor-
richtung
8 verschiebt den Kolben 10 derart, daß das Fördervolumen der Maschine 7 verringert,
bis ggfs. das Fördervolumen der Maschine bis auf Null zurückgeregelt wird.
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Dann fördert nur mehr die Konstantpumpe 6 Druckmittel in die Kammer
4, die Hubgeschwindigkeit verringert sich entsprechend, doch kann infolge des erhöhten
Drucks die Gestängepumpe weiterlaufen, solange die Maschine 20 in der Lage ist,
die mit erhöhtem Druck arbeitende Pumpe 6 anzutreiben. Sollte der Druck zu hoch
werden, dann bleibt die Anlage einfach stehen.
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Zur Vereinfachung des Antriebs kann auch auf die Maschine 6 verzichtet
werden.
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Erst wenn der in der Leitung 5 zulässige Nenndruck nicht überschritten
wird,- wird der Speicher 16 über die Drosselstelle 14 aufgeladen und der Kolben
10 von der Feder 11 in einer ein bestimmtes Fördervolumen der Maschine 7 einstellenden
Lage gehalten Mit der Welle 17 ist eine weitere hydrostatische Maschine 20 mechanisch
gekuppelt, die ebenfalls zur Einstellung ihres Verdrängungs- bzw. Schluckvolumens
mit einer Verstellvorrichtung 21 versehen ist, die aus einem in einem Zylinder 22
verschiebbaren Kolben 23 besteht, der zwei Zylinderräume 24 und 25 abteilt, die
über die Leitungen 26 und 27 mit je einem Anschluß einer als Signalgeber bzw. Tachomaschine
dienenden weiteren hydrostatischen Maschine 28 von konstantem Schluckvolumen verbunden
sind. Ferner sind die Leitungen 26 und 27 über je eine einstellbare Drosselstelle
29, 30 mit einem Wegeventil 31 verbunden, das drei Schaltstellungen und vier Anschlüsse
aufweist. Parallel zu den Drosselstellen 29 und 30 liegt je ein Rückschlagventil
32,
33, das jeweils sperrt, wenn die zugehörige Drosselstelle 29,
30 je nach Schaltstellung des Wegeventils 31 mit dem Tank verbunden ist. Auf diese
Weise ist jede Drosselstelle 29 bzw. 30 wirksam, wenn der entsprechende Zylinderraum
24 bzw. 25 mit dem Abfluß über das Wegeventil 31 verbunden ist. Dagegen ist die
Drosselstelle 29 bzw. 30 unwirksam, wenn das Wegeventil 31 so geschaltet ist, daß
der jeweilige Zylinderraum 24 bzw. 25 an eine Steuerdruckleitung 35 angeschlossen
ist.
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Der Arbeitsanschluß der hydrostatischen Maschine 20 ist an eine Druckleitung
36 angeschlossen, die mit einem hydraulischen Speicher 37 und über ein Rückschlagventil
38 mit einer Verstellpumpe 39 verbunden ist, die von einem Motor 40 angetrieben
wird. Über ein an die Druckleitung 36 angeschlossenes Druckreduzierventil 42 wird
in der Leitung 35 ein bestimmter Steuerdruck aufrechterhalten.
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Die Wirkungsweise des Antriebssystems ist folgende: In der gezeigten
Ausgangsschaltstellung des Mehrwegeventils 31 wirkt der Steuerdruck in der Leitung
35 über das sich öffnende Rückschlagventil 32 und die Leitung 26 im Raum 24 des
Verstellzylinders. Bei stillstehenden Maschinen 6, 7 und 20 stützt sich der Kolben
23 der Verstellvorrichtung auf den im Zylinderraum 25 herrschenden Druck ab. Die
Leitung 27 ist vom Wegeventil 31 abgesperrt.
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Es sei angenommen, daß die Pumpe 39 angetrieben wird und Druckmittel
in die Leitung 36 fördert, wodurch der Speicher 37 geladen wird und die Maschine
20 mit Druckmittel beaufschlagt wird. Dadurch wird die Maschine 20 angetrieben,
die an der Welle 17 ein Drehmoment abgibt, wodurch Strömungsmittel durch die Leitung
5 in den Pumpenzylinderraum 4 gedrück wird. Da die Tachomaschine 28 mit den Maschinen
6 und 20 starr gekuppelt ist, wird auch diese in Drehung versetzt,
wobei
je nach Drehrichtung über die Tachomaschine Druckmittel aus der Kammer 24 in die
Kammer 25 oder umgekehrt strömt, so daß sich der Kolben 23 um einen solchen Betrag
verstellen kann, daß von der Maschine 20 ein Moment erzeugt wird, das gleich, aber
entgegengesetzt zum Antriebsmoment der Maschinen 6 und 7 ist. In einer bestimmten
Lage des Kolbens 23 der Verstellvorrichtung gelangt somit die Maschine 20 zum Stillstand,
wobei sie an der Welle 17 ein Moment abgibt, das von den Maschinen 6 und 7 aufgenommen
wird, wobei in der Leitung 5 und im Raum 4 des Pumpenzylinders ein Druck erzeugt
wird, mit dem der Kolben 2 mit dem daran hängenden Pumpengestänge abgestützt wird.
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Soll nun die Hubbewegung eingeleitet werden, so wird das Wegeventil
31 z.B. in die Schaltstellung gebracht, in der die Steuerdruckleitung 35 über das
Rückschlagventil 33 und die Leitung 27 mit dem Zylinderraum 25 der Verstellvorrichtung
verbunden ist, während der gegenüberliegende Zylinderraum 24 über die einstellbare
Drossel 29 mit dem Tank verbunden ist. Über die Drosselstelle 29 kann nun Druckmittel
aus der Kammer 24 zum Tank abfließen, der Kolben 23 verstellt sich entsprechend,
so daß die Maschine 20 aus dem vorher geschilderten Zustand des stationären Gleichgewichts
weiter aus schwenkt und, vom Druckmittel in der Leitung 36 angetrieben, als Motor
arbeitet und die im Pumpenbetrieb arbeitenden Maschinen 6 und 7 antreibt, die Druckmittel
in den Pumpenraum 4 fördern. Die Pumpe führt eine Hubbewegung aus.
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Gleichzeitig wird auch die Tachomaschine 28 angetrieben und fördert
Strömungsmittel aus der Leitung 27 in die Leitung 26, so daß sich vor der Drosselstelle
29 ein Staudruck aufbaut, der vom Querschnitt der Drosselstelle 29 und von der durchströmenden
Steuerflüssigkeitsmenge festgelegt ist. Der Staudruck wirkt im Zylinderraum 24 des
Stellzylinders, bis der Druck einen Wert erreicht hat, bei dem sich Kolben 23
nicht
weiter verstellen kann, so daß die Maschine 20 nicht weiter verstellt wird und in
der erreichten Lage des Stellkolbens 23 der Hub des Pumpenzylinders ausgeführt wird.
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Hat der Kolben des Pumpenzylinders seine obere Totpunktlage erreicht,
so wird über einen nicht dargestellten Endschalter das Wegeventil 31 umgeschaltet,
so daß die Steuerdruckleitung 35 über das sich öffnende Rückschlagventil 32 und
die Leitung 26 mit dem Raum 24 des Stellzylinders verbunden ist, während der gegenüberliegende
Zylinderraum 25 über die Drosselstelle 30 mit dem Tank verbunden ist. Dadurch sinkt
der Druck im Raum 25 und der Steuerkolben 23 verschiebt sich aus der Hubstellung
zurück über die Stillstandstellung hinaus in die Senkstellung, bei der die Drehrichtung
der Maschinen um gekehrt ist. In dieser Lage des Kolbens 23 treibt das vom Gewicht
des Pumpengestänges aus der Pumpenkammer 4 verdrängte Druckmittel 5 die Maschinen
6 und 7 an, die nunmehr im Motorbetrieb arbeiten und die Maschine 20 antreiben,
die im Pumpenbetrieb arbeitet und damit Strömungsmittel in den Speicher 37 drückt.
Auch hier wird durch den an der Drossel 30 einstellbaren Strömungsquerschnitt die
Geschwindigkeit der Senkbewegung bestimmt. Die bei Drehung der Tachomaschine 28
von der Leitung 26 zur Leitung 27 verdrängte Flüssigkeitsmenge zusammen mit dem
Staudruck vor der Drosselstelle 30 baut in der Leitung 27 und damit im Zylinderraum
25 einen Druck auf, der eine weitere Verstellung des Stellkolbens 23 verhindert.
Ist die untere Endlage des Gestänges 3 erreicht, so erfolgt die Umschaltung des
Wegeventils 31 durch einen Endschalter.
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Vorzugsweise wird von der Pumpe 39 etwa die Hälfte der für den Hub
erforderlichen Druckmittelmenge geliefert. Die andere Hälfte wird aus dem Speicher
entnommen, der beim Senken von beiden Pumpen 39 und 20 geladen wird. Die Verstellpumpe
39, der Speicher 37 und die Maschine 20 sind so bemessen, daß von der laufend angetriebenen
Verstellpumpe 39 eine
Strömungsmittelmenge geliefert wi.rd, die
zusammen mit der beim Entladen des Speichers 37 gelieferten Strömungsmittelmenge
ausreicht, die Maschine 20 so anzutreiben, daß die Hubbewegung des Pumpenzylinders
durchgeführt werden kann.
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Bei der Rückgewinnung der Energie beim Absenken des Pumpengestänges
wird von der Maschine 20 der Speicher 37 zusammen mit der Verstellpumpe 39 aufgeladen.
Abhängig von der erforderlichen Leistung der Pumpe einschließlich der Verluste wird
die Größe der Maschine 20 bestimmt, während die Energieaufteilung zwischen Pumpe
39 und Speicher 37, also die Abstimmung der Größe des Speichers 37 und der Leistung
der Pumpe 39 so optimiert wird, daß die Motorleistung 40 möglichst gering wird Ferner
läßt sich das System dadurch optimieren, daß der Arbeitsdruck in der Leitung 36
und damit in der Maschine 20 wesentlich höher gewählt wird als der Pumpendruck in
der Leitung 5. Der in der Leitung 5 bzw. der dem Pumpenzylinder zulässige Höchstdruck
ist aufgrund baulicher Gegebenheiten häufig verhältnismäßig gering, so daß es vorteilhaft
ist, die Verstellpumpe 39, die Maschine 20 und den Speicher 37 auf mindestens den
doppelten Druck auszulegen.
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Sollte während des Hubes der Gestängepumpe ein erhöhter Widerstand
auftreten, so steigt der Druck in der Leitung 5 und die Maschine 7 schwenkt in der
bereits beschriebenen Weise zurück. Gleichzeitig steigt das Drehmoment an der Welle
17 und die Maschine 20 schwenkt über die normale Hubstellung hinaus bis in die maximal
mögliche Stellung des Kolbens 23. Falls sich der Druck in der Leitung 5 noch weiter
erhöhen sollte, reicht das Drehmoment des Motors 20 nicht mehr aus, um die Pumpen
6 und 7 zu treiben, so daß die Maschine 20 schließlich stehen bleibt.
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Sollte dagegen bei der Senkbewegung das Gestänge hängenbleiben, so
wird aus dem Pumpenraum 4 kein Druckmittel mehr verdrängt und die Maschine 20 wird
nicht mehr angetrieben. Bei stillstehender Tachomaschine 28 wird der
Raum
25 über die Drossel 30 druckentlastet, bis der Stellkolben 23 in die Nullhubstellung
verschoben wird, in der er durch ein Einstellglied 43 festgehalten wird, so daß
er nicht in die andere Richtung verschwenkt werden kann. Bleibt also das Gestänge
beim Abwärtshub hängen, so bleiben die Maschinen selbsttätig stehen, und wird von
Seiten des Antriebs systems kein Druck auf den Pumpenzylinder bzw. das Pumpengestänge
ausgeübt.
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Die Energiezuführung kann mit einem E-Motor erfolgen, der eine leistungsgeregelte
Axialkolbenpumpe 39 antreibt.
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Die Leistung wird durch eine in der Pumpenverstellung integrierte
Druckabschneidung begrenzt, so daß die Pumpe beim Erreichen des eingestellten Druckes,
in ihre Nullförderung schwenkt. Der Abschneidedruck ist abhängig von dem zulässigen
Speicherdruck bei rückgeführter Energie aus dem Gestängerückhub. Es besteht die
Möglichkeit, bei Überschreiten des maximal zulässigen Speicherdruckes die Pumpe
39 so anzusteuern, daß sie in die Gegenrichtung schwenkt und damit als Hydromotor
den E-Motor 40 antreibt und überschüssige Energie an das Netz abgibt.
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Dabei muß das Rückschlagventil 38 entfallen. Die Leistungsaufnahme
aus dem Netz ist bei der verwendeten Pumpe konstant ohne Spitzen.