內嵌式收油機油井油位動態控制機理及關鍵技術研究*

2018-10-23 10:31:20楊前明

機電工程 2018年10期

楊前明，李浩

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590)

0 引言

上世紀80年代至2000年，我國沿海共發生溢油量超50 t的重大溢油事故46起，總溢油量17 941 t[1]。大量原油泄漏，不僅造成石油資源巨大浪費，還導致了嚴重的海洋生態環境問題。

因此，海面溢油回收應急處理已成為目前亟待解決的問題。船攜式溢油回收裝備是溢油回收領域的重要裝備及重點研究對象，文獻[2-6]對船攜式溢油回收裝備進行了液壓動力與控制、掃油臂運動仿真；通過對掃油臂與圍油欄卷筒雙液壓馬達速度同步控制等問題的研究，給出了收油機裝備總體設計與控制方案，解決了收油機動力比例控制、運動同步性控制等技術問題。

收油機油井是積聚海面溢油的動態容器，客觀上需要吸油泵根據油井內積聚的溢油厚度自動調節其轉速，保障回收系統最佳作業效率及其運行最佳經濟性。目前，針對溢油回收裝備油井油位動態控制的研究未見相關報道。

據此，本文將提出收油機油井油位動態控制解決方案，并就其可行性進行驗證。

1 系統組成及控制原理

1.1 系統組成

動態斜面式收油機系統組成如圖1所示。

圖1 動態斜面式收油機系統組成簡圖①-吸油馬達；②-吸油泵；③，⑥-電液比例閥；④，⑤比例放大器；⑦-斜帶馬達；⑧-集油井；⑨-液位傳感器；⑩-垃圾回收倉；-斜帶

系統主要由收油機本體和電液控制組成。收油機本體主要由集油井、垃圾回收倉和斜帶組成，集油井是積聚溢油的動態容器，其結構上是一上下無封口的長方體薄壁存儲裝置，在其下方左側面設有出水口。

1.1.1 動態調節

溢油回收過程中，集油井內的油位高度是動態變化的，海面溢油厚度一定時，油位的升降取決于斜帶馬達和吸油馬達的轉速。當海面溢油量較大時，斜帶馬達轉速增加、油井內油層厚度相對提高，此時吸油泵馬達轉速也做相應增加，增大吸油泵輸出流量。反之，當海面溢油量較小時，斜帶馬達轉速、吸油泵馬達轉速則做相應減小調節，旨在減小吸油泵馬達流量，降低其功耗。

1.1.2 吸油泵比例控制

吸油泵比例控制系統主要包括臺達PLC、AD模塊、DA模塊、比例放大器、電液比例閥、吸油馬達、斜帶馬達、吸油泵和射頻電容液位傳感器。

當集油井內油位上升到一定高度時，吸油馬達①啟動，吸油泵②將溢油泵入至儲油艙中。理想狀態下，可認為集油井進油量q1、溢油泵入量q2分別與斜帶馬達、吸油馬達的轉速成正比。當q1>q2時，集油井內油位升高；當q1

1.2 集油井油位檢測

1.2.1 檢測原理

射頻電容液位計具有測量精度高、線性度好、抗干擾能力強等特點[7-8]，其基于電容感應原理，以井內溢油作為電介質，油位高度變化使液位計電容發生改變，引起射頻振蕩器輸出頻率變化，微控制器根據頻率變化計算輸出4 mA～20 mA標準模擬電流信號，其中4 mA為0%油位，20 mA為100%油位。

1.2.2 實現方法

為便于分析，本研究忽略油井內溢油自身重量及海面風浪對油井內油層的影響，并認為集油井內油水完全分離，即溢油完全浮在海水之上。為消除檢測過程中海水對油位檢測精度的影響，實現油井油位動態控制，本研究首先對油位高度進行劃分，油井油位劃分如圖2所示。

圖2 油井油位劃分示意圖hh-高油位值；hg-中等油位值；hl-低油位值

圖2中，射頻電容液位傳感器安裝在集油井中心位置，通過事先校驗確定其油位檢測范圍為0～hmax，即集油井內油位在0～hmax之間動態變化。油位高度為0時，液位計輸出4 mA電流信號；油位高度為hmax時，液位計輸出20 mA電流信號。定義hl、hg、hh作為調控油井油位高度的3個油位臨界點。特定油位模數轉換如表1所示(對油位區間做以下規定：0～hl—低油位區間，hl～hh—中油位區間，hh～hmax—高油位區間)。

表1 特定油位模數轉換表

油井油位檢測程序如圖3所示。

圖3 油井油位檢測程序

首先筆者通過TO指令設置AD模塊CH1通道為4 mA～20 mA電流輸入，并設定CH1通道信號的平均次數為10次；收油作業時，液位傳感器根據油位變化輸出相應的電流信號，利用FROM指令讀取經AD模塊轉換后的數字量并存入數據寄存器D100，最后利用數據運算指令DEDIV、DEMUL及DINT進行運算處理，將實時油位(油位占比)存入數據寄存器D116，即實現了PLC對集油井油位的動態檢測。

1.3 電液控制

1.3.1 電液控制原理

馬達轉速電液控制原理如圖4所示。

圖4 馬達轉速電液控制原理圖

PLC根據斜帶馬達與吸油泵馬達轉速控制指令，經DA模塊和比例放大器處理后，將轉速指令設定值(DA模塊輸出電壓)轉換為調節電液比例閥閥口開度的電流信號，進行輸出流量調節，進而實現斜帶馬達與吸油泵馬達的轉速控制[9-10]。

1.3.2 油位動態分段轉速調節策略

收油機作業時，首先根據海面實際溢油量多少設定斜帶馬達轉速。即海面溢油量較大時，轉速指令設定值調高。反之轉速指令設定值調低。

(1)調節策略。油位調節的思想是實施“油位動態分段轉速調節策略”。首先給斜帶馬達一個相對恒定轉速指令值運行一段給定時間，如果油井油位檢測值大于其高位hh值時，吸油泵馬達自動調節其轉速至高油位對應指令值，執行吸油泵大流量運行程序；反之當檢測的油井油位低于其低位hl值時，吸油泵馬達自動調節其轉速至低油位對應指令值，執行吸油泵小流量運行程序。

馬達轉速與油位之間對應關系如表2所示。

表2 馬達轉速與油位關系表

通過控制斜帶馬達與吸油馬達轉速，確保油井內油位始終處于0～hmax之間，保障收油機最佳作業效率及運行最佳經濟性。

(2)實現方法。吸油泵馬達轉速控制系統原理框圖如圖5所示[11]。

圖5 吸油馬達轉速控制系統原理框圖

本研究分別把hl、hg、hh油位對應數字量寫入PLC數據寄存器D120、D130、D140，PLC將實際油位與寄存器內油位數據對比，根據比較結果，吸油泵馬達執行對應轉速指令。

吸油泵馬達轉速控制程序如圖6所示。

圖6 吸油泵馬達轉速控制程序

當油位高度等于hg時，啟動吸油泵馬達并執行中轉速指令。油位分段轉速控制策略的實施過程表述如下：

當油井油位升高至高位hh值時，吸油泵馬達執行高轉速指令，使油井油位下降，確保其不超過hmax；當油井油位下降至低位hl值時，吸油泵馬達執行低轉速指令。理論上吸油泵轉速控制的目標是在保證其流量與油井內實際溢油量相匹配的條件下，使其具有良好的經濟性。

2 數學建模

為確定控制系統性能，對系統進行穩定性分析，本研究首先建立其各組成環節及系統傳遞函數數學模型[12]，為仿真分析奠定基礎。G1(s)、G2(s)、G3(s)、G4(s)分別表示DA模塊、比例放大器、電液比例閥、液壓馬達的傳遞函數，系統為典型的電液比例開環控制。

2.1 DA模塊、比例放大器

DA模塊、比例放大器可視為比例環節，其傳遞函數分別如下：

DA模塊：

G1(s)=Kd

(1)

比例放大器：

G2(s)=Ke

(2)

式中：Kd—D/A模塊增益，V;Ke—比例放大器增益，A/V;

2.2 電液比例閥

電液比例閥的內部由先導級滑閥和主滑閥組成，先導級滑閥將比例電磁鐵的輸出功率加以轉換和放大，然后控制主滑閥功率級[13]。當電液比例閥固有頻率與液壓固有頻率接近時，其傳遞函數可以近似為二階振蕩環節，即：

(3)

式中：Ksv—電液比例閥的流量增益，m3/(s·A);qn—電液比例閥的In額定流量，m3/s;In—電液比例閥的額定電流，mA;ps—實際供油壓力，MPa;psn—通過額定流量時的規定閥壓降，psn=1 MPa；Q0—電液比例閥的空載流量，m3/s；ωsv—電液比例閥的固有頻率，rad/s;ξsv—電液比例閥的阻尼比。

2.3 吸油泵馬達

(4)

式中：Dm—液壓馬達的排量，m3/rad；Kce—包括泄漏在內的總壓力流量系數，m2·(s·Pa)-2；Vt—液壓馬達兩腔及連接管路總容積，m3；βe—液體等效體積彈性模量，取βe=700×106Pa；TL—外作用力矩在馬達軸上的折算值，N·m；Jt—液壓馬達軸上總等效轉動慣量，kg·m2；ωh—液壓馬達固有頻率，rad/s；ξh—液壓馬達阻尼比。

在系統穩態工作點附近，電液比例閥的流量線性方程經拉氏變換后可表述為：

Q(s)=KsvXv(s)

(5)

綜合式(4，5)，可得吸油泵馬達輸出角速度對流量、外力負載的傳遞函數分別為：

(6)

(7)

油機作業時，吸油泵馬達直接帶動吸油泵，外力負載TL在理想狀態下可認為是恒定的。因此忽略外力負載TL，只考慮系統流量q對吸油泵馬達轉速的影響，并結合式(1-3，6，7)，可得吸油泵馬達轉速控制系統傳遞函數方框圖如圖7所示。

圖7 吸油泵馬達轉速控制系統傳遞函數方框圖

根據圖7可得系統的開環傳遞函數為：

(8)

式(8)表述了馬達轉速與PLC輸出數字量d之間的關系。由此可知：系統供油壓力一定時，式中各參數均為常量，即吸油泵馬達的轉速完全取決于PLC的輸出數字量d。

3 系統仿真與實驗測試

3.1 系統仿真

本研究將吸油泵馬達轉速控制系統各環節傳遞函數導入Matlab仿真軟件中的Simulink軟件包，得到吸油泵馬達電液比例控制系統仿真模型[15]，將系統的各個參數分別帶入進行仿真分析，系統仿真原始參數如表3所示。

表3 原始參數取值表

吸油泵馬達轉速仿真曲線如圖8所示。

圖8 吸油泵馬達轉速仿真曲線

分析圖8可知：(1)當油位低于hl即0～30%油位時，吸油泵馬達轉速為320 r/min；(2)當油位處于hl～hh即30%～70%油位時，吸油泵馬達轉速為485 r/min；(3)當油位大于hh即70%～100%油位時，吸油泵馬達轉速為650 r/min。

顯然，通過調整吸油泵馬達轉速，調節吸油泵動態流量與油井油位的匹配性，可實現油井油位動態良好控制。

從圖8還可以看出：吸油泵馬達轉速電液控制系統響應速度快，到達穩態值時間為0.16 s，且輸出穩定、馬達轉速隨油井油位分段調節的跟隨性好，同時具有作業高效與良好的作業節能經濟性。

3.2 實驗驗證

為驗證油井油位動態控制方法的正確性，筆者構建了實驗測試系統。選用位移傳感器作為油井油位變化參考值，位移檢測范圍0～500 mm，輸出信號4 mA～20 mA；以DA模塊輸出電壓作為吸油泵馬達參考轉速。運行測試動態控制程序，記錄位移傳感器位移量、寄存器D116的現在值以及DA模塊的輸出電壓，如表4所示。