功率回收型液压抽油机的设计与研究

何 刚

（上海兰石重工机械有限公司，上海 201108）

抽油机是油田的一种重要设备，目前，我国大部分油田进入开发中后期，油井供液量普遍不足，节能、提高采油效益成为采油企业的必然要求。油田迫切需求长冲程、低冲次、节能降耗、自动化程度高的采油装备，这也成为当今抽油机发展的主要方向。基于液压二次元件技术的功率回收型液压抽油机，将液压抽油机下行过程中的抽油泵的重力势能吸收，并在抽油机上行过程中释放，从而起到降低装机功率，节能减排的作用。

1 工作原理

数控液压抽油机由主机系统、液压系统、电气控制系统组成，其工作原理如图1所示。

图1 液压抽油机工作原理简图

电机、液压二次元件1和液压二次元件2通过联轴器串联在一起，电机和飞轮之间采用电磁离合器连接。电气控制系统通过PLC控制液压二次元件1和2、控制单元1和2，调节抽油机液压缸的上行和下行；液压抽油机下行过程中，液压二次元1作为马达工况，液压缸下行，通过控制电机离合器或液压二次元件2，可选择能量回到飞轮或蓄能器中。液压抽油机上行过程中，液压二次元2作为泵工况，液压缸上行，通过控制电机离合器或液压二次元件2，将飞轮或蓄能器中的能量进行释放，与电机一起做功，完成油液提升。为了更好地分析飞轮与蓄能器在不同情况下的储能能力，以及和飞轮转速、蓄能器压力的关系，分别进行飞轮单独储能、蓄能器单独储能以及两者同时储能试验，进行对比分析。

2 飞轮储能

液压抽油机下行过程中，液压二次元1作为马达工况，液压二次元件2斜盘摆角为零，电机离合器吸合，飞轮转速逐步从ω1逐步提高到ω2，飞轮进行储能，液压抽油机上行过程中，飞轮转速从ω2逐步降低到ω1，释放能量，这时电机离合器

断开。飞轮能量公式如下：

式中：ω2——飞轮转子的最大旋转角速度；

ω1——飞轮转子的最小旋转角速度；

J——飞轮转动惯量。

3 蓄能器储能

液压抽油机下行过程中，液压二次元1作为马达工况，液压元件2作为泵工况，电机离合器断开，蓄能器吸收液压缸中的液压油，储存能量。在抽油机上行过程，液压元件2作为马达工况，液压元件1作为泵工况，蓄能器释放液压油，和变频电机一起为液压缸上行提供能量。蓄能器的储能E和所能释放的功率P计算公示如下：

式中：p0——蓄能器的初始充气压力；

p1——蓄能器的最低工作压力；

p2——蓄能器的最高工作压力；

V0——初始充气压力下，蓄能器的容积；

t——蓄能器的释放时间。

蓄能器的有效容积△V计算公示如下：

4 飞轮和蓄能器储能试验对比

通过调节抽油机的载荷、冲程、冲次以及变频电机的转速范围、蓄能器的最低工作压力和最高压力、蓄能器释放速度等参数，得出一系列试验数据，以抽油机载荷3.7t、冲程4m时为例，测得的试验数据如表1所示。

表1 试验数据

试验表明，在特定载荷和冲程下，采用液压二次元件储存能量，工作效率要比仅电机驱动时提高很多，此时能耗不仅没有提高，反而有所降低。同时，在3.7t载荷下，飞轮储能效果和利用率比蓄能器更好。

5 结论

通过液压二次元件能够有效地将抽油机下行过程中的重力势能转化成飞轮的动能或蓄能器的压力能。由于飞轮的储能和变频电机的转速有直接影响，转速越高，能够储存的能量就越多，然而电机转速越高，电机本身的能耗以及液压二次元件的能耗都会提高，此时节能效果并不十分明显。试验表明，采用飞轮和蓄能器同时储能，不管在何种工况下，节能效果均不明显。而单独采用飞轮储能时，其受到液压二次元件的制约及其飞轮本身能量密度不够高的特点，只适合小型抽油机的能量回收。对于大型抽油机而言，采用蓄能器储能更加合理。由于蓄能器的工作压力越高，系统发热和功率损失就越高，节能效率没有飞轮高。