功率回收型液壓抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

何 剛

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海 201108）

抽油機(jī)是油田的一種重要設(shè)備，目前，我國(guó)大部分油田進(jìn)入開發(fā)中后期，油井供液量普遍不足，節(jié)能、提高采油效益成為采油企業(yè)的必然要求。油田迫切需求長(zhǎng)沖程、低沖次、節(jié)能降耗、自動(dòng)化程度高的采油裝備，這也成為當(dāng)今抽油機(jī)發(fā)展的主要方向?；谝簤憾卧夹g(shù)的功率回收型液壓抽油機(jī)，將液壓抽油機(jī)下行過程中的抽油泵的重力勢(shì)能吸收，并在抽油機(jī)上行過程中釋放，從而起到降低裝機(jī)功率，節(jié)能減排的作用。

1 工作原理

數(shù)控液壓抽油機(jī)由主機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 液壓抽油機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

電機(jī)、液壓二次元件1和液壓二次元件2通過聯(lián)軸器串聯(lián)在一起，電機(jī)和飛輪之間采用電磁離合器連接。電氣控制系統(tǒng)通過PLC控制液壓二次元件1和2、控制單元1和2，調(diào)節(jié)抽油機(jī)液壓缸的上行和下行；液壓抽油機(jī)下行過程中，液壓二次元1作為馬達(dá)工況，液壓缸下行，通過控制電機(jī)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(jī)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(jī)離合器或液壓二次元件2，將飛輪或蓄能器中的能量進(jìn)行釋放，與電機(jī)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(chǔ)能能力，以及和飛輪轉(zhuǎn)速、蓄能器壓力的關(guān)系，分別進(jìn)行飛輪單獨(dú)儲(chǔ)能、蓄能器單獨(dú)儲(chǔ)能以及兩者同時(shí)儲(chǔ)能試驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比分析。

2 飛輪儲(chǔ)能

液壓抽油機(jī)下行過程中，液壓二次元1作為馬達(dá)工況，液壓二次元件2斜盤擺角為零，電機(jī)離合器吸合，飛輪轉(zhuǎn)速逐步從ω1逐步提高到ω2，飛輪進(jìn)行儲(chǔ)能，液壓抽油機(jī)上行過程中，飛輪轉(zhuǎn)速從ω2逐步降低到ω1，釋放能量，這時(shí)電機(jī)離合器

斷開。飛輪能量公式如下：

式中：ω2——飛輪轉(zhuǎn)子的最大旋轉(zhuǎn)角速度；

ω1——飛輪轉(zhuǎn)子的最小旋轉(zhuǎn)角速度；

J——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 蓄能器儲(chǔ)能

液壓抽油機(jī)下行過程中，液壓二次元1作為馬達(dá)工況，液壓元件2作為泵工況，電機(jī)離合器斷開，蓄能器吸收液壓缸中的液壓油，儲(chǔ)存能量。在抽油機(jī)上行過程，液壓元件2作為馬達(dá)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(jī)一起為液壓缸上行提供能量。蓄能器的儲(chǔ)能E和所能釋放的功率P計(jì)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(shí)間。

蓄能器的有效容積△V計(jì)算公示如下：

4 飛輪和蓄能器儲(chǔ)能試驗(yàn)對(duì)比

通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)的載荷、沖程、沖次以及變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shù)，得出一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以抽油機(jī)載荷3.7t、沖程4m時(shí)為例，測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明，在特定載荷和沖程下，采用液壓二次元件儲(chǔ)存能量，工作效率要比僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)提高很多，此時(shí)能耗不僅沒有提高，反而有所降低。同時(shí)，在3.7t載荷下，飛輪儲(chǔ)能效果和利用率比蓄能器更好。

5 結(jié)論

通過液壓二次元件能夠有效地將抽油機(jī)下行過程中的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成飛輪的動(dòng)能或蓄能器的壓力能。由于飛輪的儲(chǔ)能和變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速有直接影響，轉(zhuǎn)速越高，能夠儲(chǔ)存的能量就越多，然而電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)本身的能耗以及液壓二次元件的能耗都會(huì)提高，此時(shí)節(jié)能效果并不十分明顯。試驗(yàn)表明，采用飛輪和蓄能器同時(shí)儲(chǔ)能，不管在何種工況下，節(jié)能效果均不明顯。而單獨(dú)采用飛輪儲(chǔ)能時(shí)，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(diǎn)，只適合小型抽油機(jī)的能量回收。對(duì)于大型抽油機(jī)而言，采用蓄能器儲(chǔ)能更加合理。由于蓄能器的工作壓力越高，系統(tǒng)發(fā)熱和功率損失就越高，節(jié)能效率沒有飛輪高。