蓄能器儲能技術在液壓抽油機的應用

朱改新，葛于國，張 媛，張 宜

（上海蘭石重工機械有限公司，上海201108）

蓄能器儲能技術在液壓抽油機的應用

朱改新，葛于國，張 媛，張 宜

（上海蘭石重工機械有限公司，上海201108）

簡要介紹蓄能器在國外液壓抽油機儲能技術上的應用，分析蓄能器在液壓抽油機上實現下行程能量回收的應用原理，以及實現蓄能器在液壓抽油機儲能的技術條件。

液壓抽油機；蓄能器；儲能

蓄能器是將壓力流體的液壓能轉換為勢能儲存起來，當系統需要時再由勢能轉化為液壓能而做功的容器。

蓄能器具有的功用：回收能量、存儲能量（在實際使用中又可細分為：作輔助動力源，減小裝機容量；補償泄漏；作熱膨脹補償；作緊急動力源；構成恒壓油源）；緩和液壓沖擊壓力、熱脹吸收；吸收液壓脈動壓力、力學平衡；系統壓力補償、保壓；短期容積補償、增加流量；噪聲衰減。

隨著密封材料、皮囊材料等新材料不斷推陳出新，特別是新型液壓變壓器（稱New Hydraulic Transformer或稱液壓二次元件、泵馬達）、液壓傳動技術、控制技術的發展，使得蓄能器儲能技術的優越性得以充分展現，蓄能器儲能的應用范圍越來越廣。利用蓄能器儲存下行程重力勢能在液壓抽油機上的應用，正是石油礦場機械利用蓄能器提高能量利用率、節能的一個重要途徑。

圖11998 年加拿大液壓抽油機專利結構簡圖

圖2 2008年俄羅斯液壓抽油機專利結構簡圖

1 蓄能器在液壓抽油機的應用情況

1998年加拿大專利產品（見圖1）[1]，下行程靠油管自重下行，液壓油驅動蓄能缸活塞上行，蓄能腔蓄積重力勢能；在上行程時提供輔助動力和動力油泵共同完成油液舉升。

2008年俄羅斯專利產品（見圖2）[2]，下行程靠油管自重下行，液壓油被擠進蓄能器，蓄積重力勢能；在上行程時提供輔助動力和動力油泵共同完成油液舉升。

美國專利產品（見圖3），電機、液馬達、液壓泵同軸布置，稱傳統型液壓變壓器，下行程靠油管自重下行，液壓缸液壓油升壓，驅動泵2（馬達工況）運行，帶動泵1（泵工況）向蓄能器泵壓，蓄積重力勢能；在上行程時蓄能器高壓油驅動泵1（馬達工況）運行，提供輔助動力和電機一起共同驅動泵2（泵工況）向液壓缸泵油，驅動活塞上行，共同完成油液舉升。

意大利SIVAM公司生產的液壓抽油機（見圖4），下行程，液壓缸活塞在抽油桿及井液的重力勢能作用下，使液壓油升壓，電機驅動液壓泵使液壓油繼續升壓，向蓄能缸蓄能P1+P2；上行程，蓄能缸蓄能P1+P2經電機驅動液壓泵再次升壓至P1+P2+P3，驅動液壓缸活塞上行，實現上行程，完成油液舉升。

圖4 意大利SIVAM公司液壓抽油機原理簡圖

德國Bosch Rexroth持續改進型液壓抽油機專利產品（見圖5），電機、新型液壓變壓器（稱New Hydraulic Transformer或稱液壓二次元件、泵馬達）同軸布置。新型液壓變壓器在電氣、液壓控制器作用下，下行程靠油管自重下行，液壓缸有桿腔液壓油被加壓，驅動新型液壓變壓器2（馬達工況）帶動新型液壓變壓器1（泵工況）泵高有桿腔液壓油壓，將下沖程能量回收至蓄能器；上行程，蓄能器的儲存的能量驅動新型液壓變壓器1（馬達工況）和電機一起驅動新型液壓變壓器2（泵工況）泵高液壓缸有桿腔液壓油壓，帶動活塞上行，完成油液提升。

圖5 德國Bosch Rexroth液壓抽油機持續改進專利結構簡圖

2 液壓抽油機的能量分配原理分析

液壓抽油機運行能量分配原理是：下行程蓄積提升系統的重力勢能，經過能量轉換和液壓動力系統共同承擔抽油泵提升系統的載荷，完成上行程，如此反復，實現油井油液的提升。下面分析抽油機提升系統的動力分配：

式中，F桿慣為抽油桿慣性載荷；F油慣為抽油泵柱塞上油水混合物慣性載荷（影響較小和懸點加速度有關，但方向相反）；F管慣為油管伸縮引起的慣性載荷；F振為油管、油柱對柱塞振動載荷（影響較小）；F摩為油管、油柱對柱塞摩擦載荷。

上行程提升系統的載荷：F上=F靜上-F動上

式中，F油為抽油泵柱塞上油水混合物重；F壓為油管沉沒的油柱對柱塞下表面產生方向向上的壓力（對于油水井，沉沒壓力忽略不計）。

從上述計算分析來看，代入具體數值驗證，下行程提升系統載荷為上行程抽油泵提升系統載荷的2/3，如何實現下行程提升系統能量的回收與轉換成為液壓抽油機發展的關鍵因素。蓄能器儲能技術、新型液壓變壓器、液壓控制系統的日益完善，使蓄能器在液壓抽油機的應用，再次成為熱點。

3 液壓抽油機采用蓄能器儲能的技術分析

3.1 液壓抽油機下行程提升系統的儲能分析

由液壓抽油機的結構原理分析可知，下行程提升系統的載荷F上=F靜上-F動上。

式中，液壓抽油機的行程為S；液壓抽油機下行程提升系統的儲能E=F下·S；液壓抽油機正常運行前和正常運行時，蓄能器需液壓抽油機下行程提升系統的儲能為E.

3.2 液壓抽油機下行程提升系統的儲能分析

傳統液壓變壓器到新型液壓變壓器的快速發展，為蓄能器在提升系統的能量回收創造了條件。

液壓抽油機啟動時，在電氣、液壓控制器指令下，電動機驅動液壓變壓器馬達泵運行，蓄能器被加壓到設定的儲能壓力，該設定壓力為液壓抽油機下行程提升系統估算的需要儲能量。

液壓抽油機正常運行時，在電氣、液壓控制器指令下，儲能蓄能器以一定的儲能壓力驅動液壓變壓器泵馬達運行，同時和電動機共同驅動液壓變壓器馬達泵運行，泵高液壓缸油壓，帶動抽油泵提升系統完成上行程。這一過程當蓄能器儲能壓力驅動液壓變壓器泵馬達運行速度低于電動機驅動速度時，電動機單獨驅動新型液壓變壓器馬達泵完成上行程。

當達到上行極限位置時，在電氣、液壓控制器指令下，提升系統下行，液壓缸液壓油被加壓，驅動液壓變壓器液壓泵馬達，帶動液壓變壓器液壓馬達泵持續使蓄能器加壓儲能。

當達到下行極限位置時，在電氣、液壓控制器指令下，儲能蓄能器以一定的儲能壓力驅動液壓變壓器泵馬達運行，同時和電動機共同驅動液壓變壓器馬達泵運行，泵高液壓缸油壓，帶動抽油泵提升系統完成上行程。

3.3 液壓抽油機提升系統載荷不確定性，蓄能器儲能的適應性分析

液壓抽油機的沖次取決于液壓變壓器的能量供應，當上、下行程提升系統的載荷發生變化時，比如油液粘度變化、抽油泵砂卡、桿管接觸摩擦等影響上下行載荷，此時液壓系統流量保持基本不變，液壓系統壓力隨提升系統的載荷變化，即提升系統的載荷決定了液壓系統工作壓力。液壓系統通過電氣、液壓控制器自動調節新型液壓變壓器的自適應節湊，使其能夠實現提升系統的載荷變化引起的波動，液壓系統適用于頻繁往復的變工況，也就是說電氣、液壓控制器發出指令調節液壓變壓器出力，協調蓄能器儲被加壓的儲能量化值。

4 蓄能器儲能的技術條件

蓄能器儲能的技術條件的原理公式：

蓄能器的選取主要由蓄能器的容積和蓄能器的許用工作壓力決定。

蓄能器的正常工作壓力：P3=F下/A

蓄能器容納的液體的體積：Vx=lA

式中：A為蓄能器容納的液體的截面積；l為蓄能器容納的液體的高度。

設蓄能器在抽油機運行時提供的壓力波動控制在10%以內，則由手冊[3]可查得蓄能器工作時的壓力關系，可得到：

蓄能器回路的最小工作壓力：Pmin=0.9P3；蓄能器回路的最大工作壓力：Pmax=1.1P3；蓄能器的充氣壓力：P0=0.85Pmin；

蓄能器的工作過程按等溫過程計算，則所需的蓄能器的容積為：

5 新型液壓變壓器的出現為蓄能器儲能的創造了技術條件[3-4]

液壓變壓器是在液壓系統中用來實現壓力改變的液壓元件，傳統型液壓變壓器是將電機、液壓泵和液馬達通過聯軸器機械連接組成的。

新型液壓變壓器是隨著恒壓二次調節技術從節能的角度發展而產生的，二次元件馬達和泵之間所接的蓄能器消除了二者之間流量和功率的直接聯系，是液壓能和機械能互相轉換，這使得功率儲存和回收成為可能，理論上能無節流損失地傳送液壓能，能巧妙地將液壓泵和液馬達功能集成于一體，能同時控制負載壓力和流量的控制元件，具有結構簡單、體積小、效率高、慣性小、動態響應快等優點。

液壓變壓器在壓力耦聯的恒壓網絡系統中無節流損失地獲取能量，而且可以接多個互不相關的負載，來控制調節液壓執行元件及負載的運動，包括旋轉載荷和直線載荷，動態性能好，控制性能好，能夠自適應負載的變化，能對惡劣的工作條件達到快速匹配，同時實現系統制動能和重力勢能、負載能量的回收與重新利用，應用前景十分廣闊。

新型液壓變壓器的調節原理：

相對于液壓閥控制的傳統型液壓變壓器而言，新型液壓變壓器在液壓控制器作用下，理論上沒有節流損失，具有良好的節能效果，其調節原理如圖6所示。

圖6 液壓系統的壓力-流量曲線

當需要將恒壓網絡系統的壓力PA調節到PB時，如果用液壓閥控制的傳統型液壓變壓器來調節，則按路徑1進行，壓力降低了，而流量沒改變，能量損失為：

如果采用液壓控制器控制新型液壓變壓器，則按路線2進行調壓，即流量改變，壓力也改變，忽略管路損失，符合能量守恒方程：

PAqA=PBqB

由此可見，在恒壓網絡中采用液壓控制器控制新型液壓變壓器來調壓，與液壓閥控制的傳統型液壓變壓器調壓相比，理論上沒有能量損失，尤其在大流量，大功率系統中，具有獨特的優勢。

其變壓原理與傳統變壓器的變壓原理一樣，也是通過改變排量的比值來實現變壓比的改變。

新型液壓變壓器的變壓比λ為輸出壓力與輸入壓力的比值：

新型液壓變壓器流量為：

q=VA·n

式中：n為變壓器轉速；VA為變壓器處于A位置的排量；VB為變壓器處于B位置的排量，則：

由此可知，液壓控制器在電氣控制系統的調控下，適當改變新型液壓變壓器的排量及方向就可以控制調節液壓執行元件及負載的運動，回收負載的能量，同時能實現能量量化調節。

6 蓄能器儲能在液壓抽油機的應用前景

液壓抽油機的突出特點是：（1）大幅度降低抽油機裝機功率；（2）長沖程、大載荷、能耗低、自適應性好；（3）沖程沖次調節便捷，易于實現無級調，上下行程速度可分別調節，能很好地適應井況的變化；（4）啟停更加平穩，啟、停電流小，減少對電網沖擊；（5）安全性能高；（6）可減小抽油機體積、質量和占地面積；

利用蓄能器儲能的液壓抽油機特點有：（1）儲能響應快，蓄能器被加速時間可控；（2）釋能反應快，蓄能器降速量化控制；（3）井液量不斷變化的趨勢有較好適應性；（4）高效節能。

隨著新型液壓變壓器、液壓系統及液壓二次調節控制系統的不斷升級完善，加上蓄能設施不斷改進，使用壽命逐步延長，進入20世紀10年代，液壓抽油機迅速進入量產的工業化時代。

[1]US5996688 HYDRAULIC PUMPJACK DRIVE SYSTEM FOR RECIPROCATING AN OIL WELL PUMP ROD[Z]，1997.

[2]RU2344319 ОПИСАНИЕ ИЗОЬРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ.[Z].2006

[3]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]劉成強，姜繼海.新型液壓變壓器的研究現狀及展望[J].液壓與氣動，2010（3）：40-42.

[5]盧紅影，姜繼海.液壓變壓器的特性分析[J].液壓與氣動，2005（8）：12-15.

The Application of the Accumulator in the Hydraulic Pumping Unit

ZHU Gai-xin，GE Yu-guo，ZHANG Yuan，ZHANG Yi
（Shanghai Lanshi Heavy Industry Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

In this paper，accumulator energy storage system technology is used in the hydraulic pumping unit in abroad，analyzes the energy recovery principle of the accumulator in the down stroke of the hydraulic pumping unit，and realizes the technical condition of the accumulator energy storage system in the hydraulic pumping unit.

the hydraulic pumping unit；accumulator；energy recovery principle

TE933

A

1672-545X（2017）08-0139-04

2017-05-09

朱改新（1971－），男，河南人，高級工程師，主要從事石油礦場機械研究工作。