飛輪儲能型液壓抽油機的系統設計

(1.國家采油裝備工程技術研究中心，山東 東營257200； 2.勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東 東營257200)①

采用曲柄連桿機構的游梁式抽油機是目前應用最為廣泛的機型，占國內機采井的80%左右。隨著油氣田開發的深入，游梁式抽油機運行效率低、調節不方便等問題越來越突出[1-3]。為此，需要研制新型抽油機，滿足節能減排的要求[4]。

與電動機可以逆向轉變為發電機一樣，軸向柱塞泵可以逆向轉變為液壓馬達，能夠實現能量的轉變[5-6]。新設計的抽油機結合上述技術，采用軸向柱塞泵作為能量回收裝置，飛輪作為能量儲存裝置，實現能量的回收儲存和再利用[7]。下沖程時，軸向柱塞泵將抽油桿和抽油泵的重力勢能推動井口液壓缸的液壓油回流而驅動軸向柱塞泵高速轉動，轉化并儲存為飛輪高速轉動的慣性勢能；上沖程時，飛輪釋放的動能和電動機一起驅動軸向柱塞泵向液壓缸供油，帶動抽油桿和抽油泵上行而實現采出液的舉升。

1 工作原理

飛輪儲能型液壓抽油機的系統原理如圖1所示。電動機輸出軸與軸向柱塞泵連接，通過交流接觸器控制電動機的通斷電；電動機尾軸與飛輪連接，通過電磁離合器控制飛輪與電動機尾軸的連接狀態；軸向柱塞泵的出口連接液壓缸的有桿腔，通過改變流經軸向柱塞泵的油流方向和大小控制液壓缸的運動方向和速度。液壓缸向下運動時，將抽油桿和抽油泵的重力勢能儲存到飛輪中；液壓缸上行時，飛輪的動能釋放與電動機一起驅動柱塞泵向液壓缸供油。電動機采用高滑差電動機，以適應能量儲存和釋放過程中飛輪的轉速變化。

1—軸向柱塞泵; 2—電動機; 3—電磁離合器 ; 4—飛輪 ; 5—液壓缸; 6—溢流閥。

具體工作過程如下：

1) 啟動階段(電動機做功，飛輪儲能)。控制器調節軸向柱塞泵，使得斜盤的夾角為零，柱塞泵不做功。電動機驅動飛輪轉速升高，飛輪儲存動能。

2) 上行程(飛輪做功，電動機不做功)。控制器調節軸向柱塞泵，使得斜盤的夾角由0°逐漸調節為正值。飛輪單獨驅動處于泵工況的柱塞泵向液壓缸的有桿腔供油，活塞上行。

3) 上行程(飛輪做功，電動機做功)。飛輪轉速降低到與電動機轉速相同以后，電動機和飛輪一起驅動處于泵工況的柱塞泵，向液壓缸的有桿腔供油，活塞上行直到上行程止點附近。控制器調節軸向柱塞泵，使得斜盤的夾角逐漸由正值轉變為0°。

4) 下行程(飛輪儲能，電動機不做功)。當液壓缸到達上行程止點后，控制器調節軸向柱塞泵，使得斜盤的夾角由0°變為負值。液壓缸有桿腔的液壓油回流，驅動處于馬達工況的軸向柱塞泵，將抽油桿和泵的重力勢能儲存到高速轉動的飛輪中，直到下行程止點。控制器調節軸向柱塞泵，斜盤夾角由負值變為0°。

5) 往復循環步驟2)、3)、4)，抽油機正常運轉，帶動抽油桿和抽油泵進行周期性的往復運動，完成舉升作業。

2 系統設計

飛輪儲能液壓抽油機的基本工況：懸點最大載荷Fmax=80 kN，最大沖程S=3 m，沖次n=4 min-1。當上下沖程速度相同時，懸點運動速度v=0.4 m/s。

2.1 液壓缸

液壓缸采用活塞桿向下伸出的安裝方式，有桿腔為工作油腔。根據基本工況，初選液壓缸的內徑D=0.08 m，活塞拉桿直徑d=0.05 m，行程L=3 m。

液壓缸的有桿腔的工作油壓最大值為

(1)

液壓缸的有桿腔最大流量為

(2)

式中：py為有桿腔的工作油壓，MPa；Ay為有桿腔截面積，m2。

經計算：有桿腔最大工作壓力py=25.6 MPa，最大流量Qy=73.5 L/min

2.2 軸向柱塞泵

軸向柱塞泵與油缸的有桿腔連接，屬于流量耦聯的關系。當載荷發生變化時，軸向柱塞泵的流量基本保持不變。系統的壓力隨著載荷而變化，即外載荷決定了系統的壓力。因此，軸向柱塞泵必須滿足液壓缸所需的最大流量和壓力[8]。

根據液壓缸有桿腔的工作壓力和最大流量選擇斜盤式軸向柱塞泵，其工作壓力為28 MPa，1500 r/min時的排量為107 L/min，滿足設計要求。

液壓泵/馬達控制原理如圖2所示。斜盤式軸向柱塞泵的控制器采用具有兩個比例電磁鐵的比例閥。根據位置傳感器傳來的信號，對不同的比例電磁鐵通電，控制移動活塞的正反向移動，改變斜盤夾角的正負方向，保證液壓油流向改變時電動機和飛輪轉向不變。同時，通過控制比例電磁鐵的電流大小，控制移動活塞的移動量，改變斜盤夾角的大小，實現軸向柱塞泵的排量調節[9]。

1—軸向柱塞泵;2—移動活塞； 3—位移傳感器；4—比例閥；5—PID控制器。

2.3 飛輪

飛輪儲能是以慣性能的方式將能量儲存在高速旋轉的飛輪中。當轉矩的方向與飛輪轉向一致時，飛輪受到正向不平衡轉矩的作用而加速，轉矩的能量儲存為飛輪的動能。當轉矩的方向與飛輪轉向相反時，飛輪受到反向不平衡轉矩的作用而減速，動能釋放出來[10]。

上沖程，不考慮飛輪儲能時，系統上沖程提升所需最大功率即液壓缸的最大功率。

Ws=Fmax×S

(3)

式中：Ws為上沖程液壓缸舉升做功，N·m。

下沖程，液壓缸載荷作功轉化為液壓油的高壓回流，通過液壓馬達轉變為飛輪的轉動能儲存起來。在抽油機設計計算中，一般取下沖程的載荷為上沖程載荷的50%。

(4)

式中：Wx為下沖程抽油桿和抽油泵的重力勢能，N·m。

經計算，上沖程舉升液壓缸需要做功Ws=235 200 N·m，下沖程抽油桿和抽油泵儲存到飛輪中的能量為Wx=117 600 N·m。設計的飛輪應滿足的條件：在允許的轉速范圍內，儲存下沖程抽油桿和抽油泵的重力勢能。

根據要求，設計的飛輪主要參數如表1所示。

表1 飛輪的主要參數

飛輪采用環狀飛輪形式，轉動慣量為

(5)

式中：Jf為飛輪的轉動慣量，kg·m2。

經過計算所設計的飛輪的轉動慣量Jf=39.2 kg·m2。

選用的電動機為具有高滑差特性的四極三相異步電動機，工頻轉速為1 500 r/min，最高滑差率可達13%。轉速為

(6)

相應的角速度為

(7)

式中：n為電動機轉速，r/min；f為交流電頻率，Hz；k為極數；s為轉差率；ω為電動機的角速度，rad/s。

下沖程，電動機和飛輪從最低速逐漸升高至最高速，為飛輪儲能過程。上沖程，電動機和飛輪從最高速逐漸降低至最低速，為飛輪能量釋放過程。在下沖程到上沖程的一個工作循環中，飛輪儲存和釋放的能量為

(8)

式中：ΔE為飛輪儲存的能量，N·m；ωmax為電動機的最高角速度，rad/s；ωmin為電動機的最低角速度，rad/s。

經計算：ΔE=115 624.0>111 760 N·m。

飛輪的轉速在電動機轉速的±6%以內，飛輪能夠完成下沖程能量的儲存，能夠滿足高滑差電動機的運行工況。

2.4 電動機

由于采用飛輪儲能，驅動柱塞缸的液壓泵的能量由兩部分組成：飛輪釋放的動能和電動機的動能。需要的電動機功率為舉升液壓缸的總功率去除飛輪釋放的功率部分。其值為

(9)

式中：P為電動機功率，kW；T為沖程周期，沖次為4 min-1時取T=15 s；η為系統效率，取80%。

經計算，所需電動機的功率為19.6 kW。選用 22 kW三相異步電動機，型號為180M-4，工頻轉速1 500 r/m。為適應飛輪的速度變化范圍，電動采用MD1H高轉差率三相異步電動機，其轉差率可達7%～13%。

3 現場應用

2015年，在勝利油田東辛采油廠的43-9井進行了飛輪儲能型液壓抽油機的現場應用(如圖3)。

圖3 飛輪儲能型液壓抽油機實物

飛輪儲能型液壓油抽油機的現場應用數據如表2所示。

表2 飛輪儲能型液壓抽油機現場應用數據

與同一口油井的游梁式抽油機相比，液壓抽油機的質量不足前者的1/4，噸液耗電量為前者的3/4，平均單井日節電100 kW·h左右。該機型已出口36臺，使用效果良好。

4 結論

1) 通過軸向柱塞泵和飛輪實現下沖程時抽油桿和抽油泵重力勢能的回收再利用，降低了電動機的裝機功率。

2) 在工作過程中，電動機轉向不變，液壓泵/馬達與液壓缸之間為流量耦聯關系。當載荷發生變化時，液壓泵/馬達的流量基本保持不變，保證了系統運行的平穩性。

3) 現場應用中，液壓抽油機的沖次最高為4 min-1，載荷較小，限制了油井的產量，需要進一步研制大型液壓抽油機。

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