(1.国家采油装备工程技术研究中心，山东 东营257200； 2.胜利油田高原石油装备有限责任公司，山东 东营257200)①

采用曲柄连杆机构的游梁式抽油机是目前应用最为广泛的机型，占国内机采井的80%左右。随着油气田开发的深入，游梁式抽油机运行效率低、调节不方便等问题越来越突出[1-3]。为此，需要研制新型抽油机，满足节能减排的要求[4]。

与电动机可以逆向转变为发电机一样，轴向柱塞泵可以逆向转变为液压马达，能够实现能量的转变[5-6]。新设计的抽油机结合上述技术，采用轴向柱塞泵作为能量回收装置，飞轮作为能量储存装置，实现能量的回收储存和再利用[7]。下冲程时，轴向柱塞泵将抽油杆和抽油泵的重力势能推动井口液压缸的液压油回流而驱动轴向柱塞泵高速转动，转化并储存为飞轮高速转动的惯性势能；上冲程时，飞轮释放的动能和电动机一起驱动轴向柱塞泵向液压缸供油，带动抽油杆和抽油泵上行而实现采出液的举升。

1 工作原理

飞轮储能型液压抽油机的系统原理如图1所示。电动机输出轴与轴向柱塞泵连接，通过交流接触器控制电动机的通断电；电动机尾轴与飞轮连接，通过电磁离合器控制飞轮与电动机尾轴的连接状态；轴向柱塞泵的出口连接液压缸的有杆腔，通过改变流经轴向柱塞泵的油流方向和大小控制液压缸的运动方向和速度。液压缸向下运动时，将抽油杆和抽油泵的重力势能储存到飞轮中；液压缸上行时，飞轮的动能释放与电动机一起驱动柱塞泵向液压缸供油。电动机采用高滑差电动机，以适应能量储存和释放过程中飞轮的转速变化。

1—轴向柱塞泵; 2—电动机; 3—电磁离合器 ; 4—飞轮 ; 5—液压缸; 6—溢流阀。

具体工作过程如下：

1) 启动阶段(电动机做功，飞轮储能)。控制器调节轴向柱塞泵，使得斜盘的夹角为零，柱塞泵不做功。电动机驱动飞轮转速升高，飞轮储存动能。

2) 上行程(飞轮做功，电动机不做功)。控制器调节轴向柱塞泵，使得斜盘的夹角由0°逐渐调节为正值。飞轮单独驱动处于泵工况的柱塞泵向液压缸的有杆腔供油，活塞上行。

3) 上行程(飞轮做功，电动机做功)。飞轮转速降低到与电动机转速相同以后，电动机和飞轮一起驱动处于泵工况的柱塞泵，向液压缸的有杆腔供油，活塞上行直到上行程止点附近。控制器调节轴向柱塞泵，使得斜盘的夹角逐渐由正值转变为0°。

4) 下行程(飞轮储能，电动机不做功)。当液压缸到达上行程止点后，控制器调节轴向柱塞泵，使得斜盘的夹角由0°变为负值。液压缸有杆腔的液压油回流，驱动处于马达工况的轴向柱塞泵，将抽油杆和泵的重力势能储存到高速转动的飞轮中，直到下行程止点。控制器调节轴向柱塞泵，斜盘夹角由负值变为0°。

5) 往复循环步骤2)、3)、4)，抽油机正常运转，带动抽油杆和抽油泵进行周期性的往复运动，完成举升作业。

2 系统设计

飞轮储能液压抽油机的基本工况：悬点最大载荷Fmax=80 kN，最大冲程S=3 m，冲次n=4 min-1。当上下冲程速度相同时，悬点运动速度v=0.4 m/s。

2.1 液压缸

液压缸采用活塞杆向下伸出的安装方式，有杆腔为工作油腔。根据基本工况，初选液压缸的内径D=0.08 m，活塞拉杆直径d=0.05 m，行程L=3 m。

液压缸的有杆腔的工作油压最大值为

(1)

液压缸的有杆腔最大流量为

(2)

式中：py为有杆腔的工作油压，MPa；Ay为有杆腔截面积，m2。

经计算：有杆腔最大工作压力py=25.6 MPa，最大流量Qy=73.5 L/min

2.2 轴向柱塞泵

轴向柱塞泵与油缸的有杆腔连接，属于流量耦联的关系。当载荷发生变化时，轴向柱塞泵的流量基本保持不变。系统的压力随着载荷而变化，即外载荷决定了系统的压力。因此，轴向柱塞泵必须满足液压缸所需的最大流量和压力[8]。

根据液压缸有杆腔的工作压力和最大流量选择斜盘式轴向柱塞泵，其工作压力为28 MPa，1500 r/min时的排量为107 L/min，满足设计要求。

液压泵/马达控制原理如图2所示。斜盘式轴向柱塞泵的控制器采用具有两个比例电磁铁的比例阀。根据位置传感器传来的信号，对不同的比例电磁铁通电，控制移动活塞的正反向移动，改变斜盘夹角的正负方向，保证液压油流向改变时电动机和飞轮转向不变。同时，通过控制比例电磁铁的电流大小，控制移动活塞的移动量，改变斜盘夹角的大小，实现轴向柱塞泵的排量调节[9]。

1—轴向柱塞泵;2—移动活塞； 3—位移传感器；4—比例阀；5—PID控制器。

2.3 飞轮

飞轮储能是以惯性能的方式将能量储存在高速旋转的飞轮中。当转矩的方向与飞轮转向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速，转矩的能量储存为飞轮的动能。当转矩的方向与飞轮转向相反时，飞轮受到反向不平衡转矩的作用而减速，动能释放出来[10]。

上冲程，不考虑飞轮储能时，系统上冲程提升所需最大功率即液压缸的最大功率。

Ws=Fmax×S

(3)

式中：Ws为上冲程液压缸举升做功，N·m。

下冲程，液压缸载荷作功转化为液压油的高压回流，通过液压马达转变为飞轮的转动能储存起来。在抽油机设计计算中，一般取下冲程的载荷为上冲程载荷的50%。

(4)

式中：Wx为下冲程抽油杆和抽油泵的重力势能，N·m。

经计算，上冲程举升液压缸需要做功Ws=235 200 N·m，下冲程抽油杆和抽油泵储存到飞轮中的能量为Wx=117 600 N·m。设计的飞轮应满足的条件：在允许的转速范围内，储存下冲程抽油杆和抽油泵的重力势能。

根据要求，设计的飞轮主要参数如表1所示。

表1 飞轮的主要参数

飞轮采用环状飞轮形式，转动惯量为

(5)

式中：Jf为飞轮的转动惯量，kg·m2。

经过计算所设计的飞轮的转动惯量Jf=39.2 kg·m2。

选用的电动机为具有高滑差特性的四极三相异步电动机，工频转速为1 500 r/min，最高滑差率可达13%。转速为

(6)

相应的角速度为

(7)

式中：n为电动机转速，r/min；f为交流电频率，Hz；k为极数；s为转差率；ω为电动机的角速度，rad/s。

下冲程，电动机和飞轮从最低速逐渐升高至最高速，为飞轮储能过程。上冲程，电动机和飞轮从最高速逐渐降低至最低速，为飞轮能量释放过程。在下冲程到上冲程的一个工作循环中，飞轮储存和释放的能量为

(8)

式中：ΔE为飞轮储存的能量，N·m；ωmax为电动机的最高角速度，rad/s；ωmin为电动机的最低角速度，rad/s。

经计算：ΔE=115 624.0>111 760 N·m。

飞轮的转速在电动机转速的±6%以内，飞轮能够完成下冲程能量的储存，能够满足高滑差电动机的运行工况。

2.4 电动机

由于采用飞轮储能，驱动柱塞缸的液压泵的能量由两部分组成：飞轮释放的动能和电动机的动能。需要的电动机功率为举升液压缸的总功率去除飞轮释放的功率部分。其值为

(9)

式中：P为电动机功率，kW；T为冲程周期，冲次为4 min-1时取T=15 s；η为系统效率，取80%。

经计算，所需电动机的功率为19.6 kW。选用 22 kW三相异步电动机，型号为180M-4，工频转速1 500 r/m。为适应飞轮的速度变化范围，电动采用MD1H高转差率三相异步电动机，其转差率可达7%～13%。

3 现场应用

2015年，在胜利油田东辛采油厂的43-9井进行了飞轮储能型液压抽油机的现场应用(如图3)。

图3 飞轮储能型液压抽油机实物

飞轮储能型液压油抽油机的现场应用数据如表2所示。

表2 飞轮储能型液压抽油机现场应用数据

与同一口油井的游梁式抽油机相比，液压抽油机的质量不足前者的1/4，吨液耗电量为前者的3/4，平均单井日节电100 kW·h左右。该机型已出口36台，使用效果良好。

4 结论

1) 通过轴向柱塞泵和飞轮实现下冲程时抽油杆和抽油泵重力势能的回收再利用，降低了电动机的装机功率。

2) 在工作过程中，电动机转向不变，液压泵/马达与液压缸之间为流量耦联关系。当载荷发生变化时，液压泵/马达的流量基本保持不变，保证了系统运行的平稳性。

3) 现场应用中，液压抽油机的冲次最高为4 min-1，载荷较小，限制了油井的产量，需要进一步研制大型液压抽油机。

[1] 张清林.抽油机的现状、发展方向及其节能技术的探索[J].科技创新导报,2008(2):97.

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