功率回收型液壓抽油機的設計與研究

何 剛

（上海蘭石重工機械有限公司，上海 201108）

抽油機是油田的一種重要設備，目前，我國大部分油田進入開發中后期，油井供液量普遍不足，節能、提高采油效益成為采油企業的必然要求。油田迫切需求長沖程、低沖次、節能降耗、自動化程度高的采油裝備，這也成為當今抽油機發展的主要方向。基于液壓二次元件技術的功率回收型液壓抽油機，將液壓抽油機下行過程中的抽油泵的重力勢能吸收，并在抽油機上行過程中釋放，從而起到降低裝機功率，節能減排的作用。

1 工作原理

數控液壓抽油機由主機系統、液壓系統、電氣控制系統組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 液壓抽油機工作原理簡圖

電機、液壓二次元件1和液壓二次元件2通過聯軸器串聯在一起，電機和飛輪之間采用電磁離合器連接。電氣控制系統通過PLC控制液壓二次元件1和2、控制單元1和2，調節抽油機液壓缸的上行和下行；液壓抽油機下行過程中，液壓二次元1作為馬達工況，液壓缸下行，通過控制電機離合器或液壓二次元件2，可選擇能量回到飛輪或蓄能器中。液壓抽油機上行過程中，液壓二次元2作為泵工況，液壓缸上行，通過控制電機離合器或液壓二次元件2，將飛輪或蓄能器中的能量進行釋放，與電機一起做功，完成油液提升。為了更好地分析飛輪與蓄能器在不同情況下的儲能能力，以及和飛輪轉速、蓄能器壓力的關系，分別進行飛輪單獨儲能、蓄能器單獨儲能以及兩者同時儲能試驗，進行對比分析。

2 飛輪儲能

液壓抽油機下行過程中，液壓二次元1作為馬達工況，液壓二次元件2斜盤擺角為零，電機離合器吸合，飛輪轉速逐步從ω1逐步提高到ω2，飛輪進行儲能，液壓抽油機上行過程中，飛輪轉速從ω2逐步降低到ω1，釋放能量，這時電機離合器

斷開。飛輪能量公式如下：

式中：ω2——飛輪轉子的最大旋轉角速度；

ω1——飛輪轉子的最小旋轉角速度；

J——飛輪轉動慣量。

3 蓄能器儲能

液壓抽油機下行過程中，液壓二次元1作為馬達工況，液壓元件2作為泵工況，電機離合器斷開，蓄能器吸收液壓缸中的液壓油，儲存能量。在抽油機上行過程，液壓元件2作為馬達工況，液壓元件1作為泵工況，蓄能器釋放液壓油，和變頻電機一起為液壓缸上行提供能量。蓄能器的儲能E和所能釋放的功率P計算公示如下：

式中：p0——蓄能器的初始充氣壓力；

p1——蓄能器的最低工作壓力；

p2——蓄能器的最高工作壓力；

V0——初始充氣壓力下，蓄能器的容積；

t——蓄能器的釋放時間。

蓄能器的有效容積△V計算公示如下：

4 飛輪和蓄能器儲能試驗對比

通過調節抽油機的載荷、沖程、沖次以及變頻電機的轉速范圍、蓄能器的最低工作壓力和最高壓力、蓄能器釋放速度等參數，得出一系列試驗數據，以抽油機載荷3.7t、沖程4m時為例，測得的試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

試驗表明，在特定載荷和沖程下，采用液壓二次元件儲存能量，工作效率要比僅電機驅動時提高很多，此時能耗不僅沒有提高，反而有所降低。同時，在3.7t載荷下，飛輪儲能效果和利用率比蓄能器更好。

5 結論

通過液壓二次元件能夠有效地將抽油機下行過程中的重力勢能轉化成飛輪的動能或蓄能器的壓力能。由于飛輪的儲能和變頻電機的轉速有直接影響，轉速越高，能夠儲存的能量就越多，然而電機轉速越高，電機本身的能耗以及液壓二次元件的能耗都會提高，此時節能效果并不十分明顯。試驗表明，采用飛輪和蓄能器同時儲能，不管在何種工況下，節能效果均不明顯。而單獨采用飛輪儲能時，其受到液壓二次元件的制約及其飛輪本身能量密度不夠高的特點，只適合小型抽油機的能量回收。對于大型抽油機而言，采用蓄能器儲能更加合理。由于蓄能器的工作壓力越高，系統發熱和功率損失就越高，節能效率沒有飛輪高。