张紧器液压与驱动系统节能分析

　　海上油气田开采出的油气多数是通过管道输送至陆上加工并分别输送到用户,所以海底管道铺设是海洋石油开采的重要环节。张紧器是海洋管道铺设的关键设备,在深海区域作业的铺管船工作时间长[1-3],其能源供给受海洋环境影响,因此,在铺管作业过程中要尽可能的减少能耗。在铺管过程中,对张紧器张紧系统进行节能控制,将大大提高能源的利用率,节约铺管成本。张紧器张紧系统由液压夹紧系统和交流伺服电机驱动系统组成,通过分析液压系统的主要能耗因素,采用变量泵达到节能的目的;在交流伺服电机驱动系统中,根据张紧器工作特点,利用变频器对电机进行启停控制和运行过程中采用模糊控制减少电机能耗。

　　1　液压系统节能分析

　　液压系统节能的目的是提高系统能量的利用率降低系统能量消耗。液压系统中能量消耗Lx为无功功率与输入功率之比为:

式中:ηb为匹配效率;ηc为传输效率;ηm为液动机效率。

　　因执行元件为间隙密封式液压缸,所以ηm可取1,系统液压效率ηx=ηbηc,

　　由上式可以看出,过剩流量Δq和Δp是产生液压系统能耗的根本原因,所以,液压系统动力源输出的流量过剩和压力过剩是造成能耗的根本原因。在液压系统工作过程中使动力源输出压力、流量和系统相适应,实现功率适应控制,最大限度的提高匹配效率,是理想的节能办法[4]。

　　2　张紧器液压系统动力源及动力源控制

　　张紧器液压系统设计过程中,在保证系统可靠的前提下,无论在系统设计还是元件选型方面都按照节能降耗的理念设计。张紧器液压夹紧系统采用动力源驱动4个液压缸运行的模式[5],对于铺设深度为3 000m的铺管张紧器而言,在各个工作阶段液压缸所需系统提供流量和压力如表1所示。

 　经计算液压系统动力源排量大于197L/min、最大压力大于31·5MPa,且在液压缸快进、工进、保压、快退阶段输出流量各不相同所以张紧器液压系统为一高压大流量液压系统,选择合理的动力源对系统节能来讲更为关键。

　　综合分析液压系统动力源特性可用图1表示,各种动力源特性及效率为:

　　(1)定量泵+溢流阀:效率

　　(2)定量泵+压力匹配:效率

　　(3)变量泵+压力补偿:效率

　　(4)复合变量泵:效率

　　所以,张紧器液压系统动力源采用REXROTH公司生产的A7V·80·EL型高效、节能、大功率的复合变量泵,通过两个比例放大器输入控制信号分别进行流量和压力的开环控制。它在保证达到输入信号对应的流量时,使泵的出口压力最低。当压力达到控制信号设定压力时,泵实现零流量输出。这种复合变量泵不仅动态特性好,还可以通过电控调节变量泵的压力和流量,实现和系统良好的功率匹配[6]。