飛輪儲能技術在液壓抽油機的應用

朱改新，武戰利，劉洋

飛輪儲能技術在液壓抽油機的應用

朱改新，武戰利，劉洋

（上海蘭石重工機械有限公司，上海201108）

簡要介紹飛輪在國外液壓抽油機儲能技術上的應用，分析飛輪在液壓抽油機上實現下行程能量回收的應用原理，以及實現飛輪在液壓抽油機儲能的技術條件。

飛輪；液壓抽油機；儲能

飛輪作為一種古老而又新興的能量儲存與平衡調節裝置，以其蓄能密度高、儲能容量易于控制、能量轉換響應快、效率高、無環境污染、使用壽命長等優點日益受到推崇。隨著新型高強度材料、低摩阻軸承技術、高溫超導及高能永磁材料、控制技術等取得重大進展，使得飛輪儲能技術的可靠性得以保障，飛輪儲能技術的應用范圍進一步得到拓展。利用飛輪儲存負載下行程重力勢能，特別是與飛輪配套的二次調節液壓傳動技術、控制技術的發展，為飛輪在液壓抽油機上應用奠定了基礎。

1 飛輪在液壓抽油機的應用情況

1979年俄羅斯專利產品，首次應用飛輪在液壓抽油機上，如圖1所示[1]，該抽油機的驅動系統電機、液馬達、液壓泵同軸布置，稱傳統型液壓變壓器（Hydraulic Transformer或稱液壓一次元件、初級元件），其下行程靠油管自重下行，從而使液壓缸有桿腔液壓油被加壓，驅動馬達帶動飛輪旋轉，飛輪蓄積重力勢能；上行程靠蓄能的飛輪和電機共同驅動液壓泵，帶動液壓缸活塞上行，完成油液被提升。

圖11979 年俄羅斯液壓抽油機專利結構簡圖

2011、2012、2013、2015年德國Bosch Rexroth持續改進型液壓抽油機專利產品，最終定型為如圖2所示原理圖，飛輪、電機、新型液壓變壓器（稱New Hydraulic Transformer或稱液壓二次元件、泵馬達）同軸布置。下行程靠油管自重下行，液壓缸有桿腔液壓油被加壓，驅動新型液壓變壓器（馬達工況）帶動飛輪旋轉，將下沖程能量回收至飛輪；上行程時，飛輪的儲存一定速度的能量和電機一起驅動新型液壓變壓器（泵工況）泵油升壓，帶動液壓缸活塞上行，完成油液被提升。圖3為德國Bosch Rexroth為液壓抽油機現場應用圖片。

圖2 德國Bosch Rexroth持續改進型液壓抽油機專利結構簡圖

圖3 德國Bosch Rexroth液壓抽油機現場應用圖片

2 液壓抽油機的能量分配原理分析

液壓抽油機運行能量分配原理是：下行程蓄積提升系統的重力勢能，經過能量轉換，和液壓動力系統共同承擔抽油泵提升系統的載荷，完成上行程，如此反復，實現油井油液的提升。下面分析抽油機提升系統的動力分配，如圖4所示。

圖4 抽油機提升系統的動力分配圖片

如何實現下行程提升系統能量的回收與轉換成為液壓抽油機發展的關鍵因素。飛輪儲能技術、新型液壓變壓器、液壓控制系統的日益完善，使飛輪在液壓抽油機的應用，再次成為熱點。

3 液壓抽油機采用飛輪儲能的技術分析[2]

3.1 液壓抽油機下行程提升系統的儲能分析

由液壓抽油機的結構原理分析可知，下行程提升系統的載荷P上=P靜上-P動上；液壓抽油機的行程為S；液壓抽油機下行程提升系統的儲能E=P下·S；液壓抽油機正常運行前和正常運行時，飛輪需液壓抽油機下行程提升系統的儲能E.

3.2 液壓抽油機下行程提升系統的能量轉換分析

飛輪是靠飛輪一定質量轉子的高速旋轉來存儲能量，飛輪的儲能原理公式是：

式中：J為飛輪的轉動慣量kg·m2；ω為飛輪轉子的角速度rad/s；

液壓抽油機啟動時，在電氣、液壓控制器指令下，飛輪和電動機接合，飛輪被電動機加速到設定的轉速，該設定速度為液壓抽油機下行程提升系統估算的需要儲能量。

液壓抽油機正常運行時，在電氣、液壓控制器指令下，新型液壓變壓器進入泵工況，同時儲能飛輪以一定的初速度和電動機接合，共同驅動新型液壓變壓器，泵高液壓缸油壓，帶動抽油泵提升系統完成上行程。這一過程當飛輪轉速低于電動機驅動速度時，飛輪和電動機脫開，電動機單獨驅動新型液壓變壓器在泵工況下完成上行程。

當達到上行極限位置時，在電氣、液壓控制器指令下，新型液壓變壓器進入馬達工況，同時飛輪和電動機脫開，此時提升系統下行，液壓缸液壓油被加壓，驅動新型液壓變壓器，帶動飛輪持續加速旋轉儲能。

當達到下行極限位置時，在電氣、液壓控制器指令下，新型液壓變壓器進入泵工況，同時儲能飛輪和電動機接合，新型液壓變壓器泵高液壓缸油壓，驅動提升系統完成上行程。

如此反復完成油液提升。

3.3 液壓抽油機提升系統載荷不確定性，飛輪儲能的適應性分析

液壓抽油機的沖次取決于新型液壓變壓器的能量供應，當上、下行程提升系統的載荷發生變化時，液壓系統流量保持基本不變，液壓系統壓力隨提升系統的載荷變化，即提升系統的載荷決定了液壓系統工作壓力。液壓系統通過電氣、液壓控制器自動調節新型液壓變壓器的自適應節湊，使其能夠實現提升系統的載荷變化引起的波動，液壓系統適用于頻繁往復的變工況，也就是說液壓控制器發出指令調節新型液壓變壓器出力，電氣、液壓控制系統向電機、飛輪指令接合或脫開，協調飛輪儲存能量的多少，亦即控制飛輪被加速、減速的量化值。

4 飛輪儲能的技術條件

飛輪儲能的技術條件的原理公式：

式中：m為飛輪的質量kg；r為飛輪的旋轉半徑m；ωm為飛輪轉子的極限角速度rad/s；ρ為材料的密度kg/m3；δ為材料的最大抗拉強度Pa；e為飛輪高速旋轉時產生的內應力達到材料抗拉強度極限值時，單位質量轉子所存儲的能量習慣上稱為飛輪的極限儲能密度。

4.1 飛輪的結構形式對儲能的影響分析

由上述公式分析可知，飛輪儲能大小除與飛輪的質量有關外，還與飛輪上各點的速度有關，而且是平方的關系。因此提高飛輪的速度比增加質量更有效。

另外，飛輪儲能大小也與飛輪的轉動慣量成正比例關系，因而提高飛輪儲能量的方法可以增大飛輪的轉動慣量。增加飛輪轉動慣量的有兩種方法，即增加飛輪轉動半徑和增加飛輪質量。

在通常設計情況下，在能量容量一定的情況下，盡量縮減飛輪的體積和質量，這樣既可以減少飛輪體積大帶來的慣性問題，安全問題，以及所受阻力問題，又可以減少能量損失，因而增加飛輪存儲能量的方法多為提高飛輪轉速，減少飛輪質量。

4.2 飛輪材料的選用

由于飛輪轉速的升高，在離心力作用下飛輪內應力不斷增大，由于受到飛輪材料許用應力的限制，飛輪轉速不可能無限增加。為保證飛輪能夠安全可靠地工作，因而在選擇飛輪材料時必須進行應力分析。

飛輪儲能密度一方面材料的抗拉強度成正比，另一方面與飛輪材料密度成反比。因而增加飛輪的儲能密度應該選用高強度比的材料制作飛輪，這正是早期飛輪儲能技術難以獲得進展的重要原因。隨著高強度材料的出現，如高輕度碳纖維復合材料，其特征具有各向異性，沿纖維方向強度很高，而垂直纖維方向強度較低，因而充分利用復合材料沿纖維方向強度高的特點，制作的飛輪在抗拉強度和儲能密度方面表現出的更加優良特性。

4.3 支承軸承的技術應用

飛輪需要保持高速運轉，支承軸承在承受飛輪本體重量的同時，還要承受著飛輪轉子在高速旋轉時引起的離心力，這就需要軸承性能優良，支承軸承既要強度高，摩擦損耗也要盡量小，從而保持飛輪運行穩定性和儲能效率。

飛輪在用的軸承可分為普通軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承，統稱機械軸承，以及磁懸浮軸承等。

支撐強度高、結構緊湊是機械軸承的突出優點，適宜作為保護軸承，也可以作為短時間快速充放能量的支撐方式使用，但摩擦損耗大、承載的極限轉速低是機械軸承的缺點，因而在高轉速飛輪儲能系統的支撐方式選用機械軸承是不恰當的。

無機械接觸的情況下承載是磁懸浮軸承無與倫比的特點，磁懸浮軸承無摩擦損耗，不但能提高儲能效率，而且能極大提高使用壽命，成為飛輪儲能系統的最佳支承方式。永磁軸承、電磁軸承和超導磁軸承均被稱為磁懸浮軸承。

5 新型液壓變壓器的出現為飛輪儲能的創造了技術條件[3－4]

液壓變壓器是在液壓系統中用來實現壓力改變的液壓元件，傳統型液壓變壓器是將電機、液壓泵和液馬達通過聯軸器機械連接組成的；

新型液壓變壓器是隨著恒壓二次調節技術的發展而產生的，是液壓能和機械能互相轉換，理論上能無節流損失地傳送液壓能，能巧妙地將液壓泵和液馬達功能集成于一體，能同時控制負載壓力和流量的控制元件，優點是體積小、結構簡單、慣性小、動態響應快、效率高等。

恒壓網絡系統中不但可以無節流損失地獲取能量，而且可以和多個互不相關的負載接合，來控制調節液壓執行元件及負載的運動，包括旋轉載荷和直線載荷，動態性能好，控制性能好，能夠自適應負載的變化，能對惡劣的工作條件達到快速匹配，同時可實現重力勢能、負載能量和制動能的回收與重新利用。

5.1 新型液壓變壓器的調節原理

相對于液壓閥控制的傳統型液壓變壓器而言，新型液壓變壓器在液壓控制器作用下，理論上沒有節流損失，具有良好的節能效果，其調節原理如下圖5所示。

圖5 液壓系統的壓力-流量曲線

當需要將恒壓網絡系統的壓力PA調節到PB時，如果用液壓閥控制的傳統型液壓變壓器來調節，則按路徑1進行，壓力降低了，而流量沒改變，能量損失為：

如果采用液壓控制單元控制新型液壓變壓器，則按路線2進行調壓，即流量改變，壓力也改變，忽略管路損失，符合能量守恒方程：

由此可見，在恒壓網絡中采用液壓控制器控制新型液壓變壓器來調壓，與液壓閥控制的傳統型液壓變壓器調壓相比，理論上沒有能量損失，尤其在大流量，大功率系統中，具有獨特的優勢。

其變壓原理與傳統變壓器的變壓原理一樣，也是通過改變排量的比值來實現變壓比的改變。

新型液壓變壓器的變壓比λ是輸出壓力與輸入壓力的比值：

新型液壓變壓器流量為：

q=VA·n

式中：n為變壓器轉速；VA為變壓器處于A位置的排量；VB為變壓器處于B位置的排量；

由此可知，液壓控制器在電氣控制系統的調控下，適當改變新型液壓變壓器的排量及方向就可以控制調節液壓執行元件及負載的運動，回收負載的能量，同時能實現能量量化調節。

6 飛輪儲能在液壓抽油機的應用前景

從1979年俄羅斯液壓抽油機專利產品，采用傳統型液壓變壓器，應用效果并不理想，到德國Bosch Rexroth逐步完善的液壓抽油機專利產品，采用新型液壓變壓器和飛輪儲能巧妙結合，使得液壓抽油機迅速進入量產的工業化時代。

利用飛輪儲能的液壓抽油機特點有：（1）儲能響應快，飛輪被加速時間可控；（2）釋能反應快，飛輪降速量化控制；（3）井液量不斷變化的趨勢有較好適應性；（4）高效節能。

隨著新型液壓變壓器、液壓系統及液壓二次調節控制系統的日臻完善，為飛輪在液壓抽油機上的應用提供了良好的舞臺。

[1]SU661144ОПИСАНИЕИЗОЬРЕТЕНИЯКПАТЕНТУ. 05.1979.

[2]劉宇輝，姜繼海，劉慶和.基于二次調節技術的液壓抽油機節能原理[J].機床與液壓，2004（10）：43-44.

[3]盧紅影，姜繼海，于慶濤，等.液壓變壓器的特性分析[J].液壓與氣動，2005（8）：12-15.

[4]劉成強，姜繼海，于彩新，等.新型液壓變壓器的研究現狀及展望[J].液壓與氣動，2010（4）：40-42.

The Application of the Flywheel Energy Storage System in the Hydraulic Pumping Unit

ZHU Gai-xin，WU Zhan-li，LIU Yang
（Shanghai LansShi Heavy Industry Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

In this paper，flywheel energy storage system technology is used in the hydraulic pumping unit in abroad，analyzes the energy recovery principle of the flywheel energy storage system in the down stroke of the hydraulic pumping unit，and realizes the technical condition of the flywheel energy storage system in the hydraulic pumping unit.

flywheel energy storage；the hydraulic pumping unit；energy recovery principle

TEP33

A

1672-545X（2017）07-0248-04

2017-04-12

朱改新（1971－），男，河南人，本科學歷，高級工程師，主要從事石油礦場機械研究工作。