朱改新，葛于國(guó)，張 媛，張 宜

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海201108）

蓄能器儲(chǔ)能技術(shù)在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用

朱改新，葛于國(guó)，張 媛，張 宜

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海201108）

簡(jiǎn)要介紹蓄能器在國(guó)外液壓抽油機(jī)儲(chǔ)能技術(shù)上的應(yīng)用，分析蓄能器在液壓抽油機(jī)上實(shí)現(xiàn)下行程能量回收的應(yīng)用原理，以及實(shí)現(xiàn)蓄能器在液壓抽油機(jī)儲(chǔ)能的技術(shù)條件。

液壓抽油機(jī)；蓄能器；儲(chǔ)能

蓄能器是將壓力流體的液壓能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)再由勢(shì)能轉(zhuǎn)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(chǔ)能量（在實(shí)際使用中又可細(xì)分為：作輔助動(dòng)力源，減小裝機(jī)容量；補(bǔ)償泄漏；作熱膨脹補(bǔ)償；作緊急動(dòng)力源；構(gòu)成恒壓油源）；緩和液壓沖擊壓力、熱脹吸收；吸收液壓脈動(dòng)壓力、力學(xué)平衡；系統(tǒng)壓力補(bǔ)償、保壓；短期容積補(bǔ)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(dá)）、液壓傳動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，使得蓄能器儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn)，蓄能器儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。利用蓄能器儲(chǔ)存下行程重力勢(shì)能在液壓抽油機(jī)上的應(yīng)用，正是石油礦場(chǎng)機(jī)械利用蓄能器提高能量利用率、節(jié)能的一個(gè)重要途徑。

圖11998 年加拿大液壓抽油機(jī)專利結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 2008年俄羅斯液壓抽油機(jī)專利結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 蓄能器在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用情況

1998年加拿大專利產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）[1]，下行程靠油管自重下行，液壓油驅(qū)動(dòng)蓄能缸活塞上行，蓄能腔蓄積重力勢(shì)能；在上行程時(shí)提供輔助動(dòng)力和動(dòng)力油泵共同完成油液舉升。

2008年俄羅斯專利產(chǎn)品（見(jiàn)圖2）[2]，下行程靠油管自重下行，液壓油被擠進(jìn)蓄能器，蓄積重力勢(shì)能；在上行程時(shí)提供輔助動(dòng)力和動(dòng)力油泵共同完成油液舉升。

美國(guó)專利產(chǎn)品（見(jiàn)圖3），電機(jī)、液馬達(dá)、液壓泵同軸布置，稱傳統(tǒng)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(qū)動(dòng)泵2（馬達(dá)工況）運(yùn)行，帶動(dòng)泵1（泵工況）向蓄能器泵壓，蓄積重力勢(shì)能；在上行程時(shí)蓄能器高壓油驅(qū)動(dòng)泵1（馬達(dá)工況）運(yùn)行，提供輔助動(dòng)力和電機(jī)一起共同驅(qū)動(dòng)泵2（泵工況）向液壓缸泵油，驅(qū)動(dòng)活塞上行，共同完成油液舉升。

意大利SIVAM公司生產(chǎn)的液壓抽油機(jī)（見(jiàn)圖4），下行程，液壓缸活塞在抽油桿及井液的重力勢(shì)能作用下，使液壓油升壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵使液壓油繼續(xù)升壓，向蓄能缸蓄能P1+P2；上行程，蓄能缸蓄能P1+P2經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵再次升壓至P1+P2+P3，驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞上行，實(shí)現(xiàn)上行程，完成油液舉升。

圖4 意大利SIVAM公司液壓抽油機(jī)原理簡(jiǎn)圖

德國(guó)Bosch Rexroth持續(xù)改進(jìn)型液壓抽油機(jī)專利產(chǎn)品（見(jiàn)圖5），電機(jī)、新型液壓變壓器（稱New Hydraulic Transformer或稱液壓二次元件、泵馬達(dá)）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(qū)動(dòng)新型液壓變壓器2（馬達(dá)工況）帶動(dòng)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(chǔ)存的能量驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器1（馬達(dá)工況）和電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)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(dòng)活塞上行，完成油液提升。

圖5 德國(guó)Bosch Rexroth液壓抽油機(jī)持續(xù)改進(jìn)專利結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 液壓抽油機(jī)的能量分配原理分析

液壓抽油機(jī)運(yùn)行能量分配原理是：下行程蓄積提升系統(tǒng)的重力勢(shì)能，經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換和液壓動(dòng)力系統(tǒng)共同承擔(dān)抽油泵提升系統(tǒng)的載荷，完成上行程，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)油井油液的提升。下面分析抽油機(jī)提升系統(tǒng)的動(dòng)力分配：

式中，F(xiàn)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(diǎn)加速度有關(guān)，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(duì)柱塞振動(dòng)載荷（影響較小）；F摩為油管、油柱對(duì)柱塞摩擦載荷。

上行程提升系統(tǒng)的載荷：F上=F靜上-F動(dòng)上

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

從上述計(jì)算分析來(lái)看，代入具體數(shù)值驗(yàn)證，下行程提升系統(tǒng)載荷為上行程抽油泵提升系統(tǒng)載荷的2/3，如何實(shí)現(xiàn)下行程提升系統(tǒng)能量的回收與轉(zhuǎn)換成為液壓抽油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。蓄能器儲(chǔ)能技術(shù)、新型液壓變壓器、液壓控制系統(tǒng)的日益完善，使蓄能器在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用，再次成為熱點(diǎn)。

3 液壓抽油機(jī)采用蓄能器儲(chǔ)能的技術(shù)分析

3.1 液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能分析

由液壓抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理分析可知，下行程提升系統(tǒng)的載荷F上=F靜上-F動(dòng)上。

式中，液壓抽油機(jī)的行程為S；液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能E=F下·S；液壓抽油機(jī)正常運(yùn)行前和正常運(yùn)行時(shí)，蓄能器需液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能為E.

3.2 液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能分析

傳統(tǒng)液壓變壓器到新型液壓變壓器的快速發(fā)展，為蓄能器在提升系統(tǒng)的能量回收創(chuàng)造了條件。

液壓抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓變壓器馬達(dá)泵運(yùn)行，蓄能器被加壓到設(shè)定的儲(chǔ)能壓力，該設(shè)定壓力為液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)估算的需要儲(chǔ)能量。

液壓抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，儲(chǔ)能蓄能器以一定的儲(chǔ)能壓力驅(qū)動(dòng)液壓變壓器泵馬達(dá)運(yùn)行，同時(shí)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)液壓變壓器馬達(dá)泵運(yùn)行，泵高液壓缸油壓，帶動(dòng)抽油泵提升系統(tǒng)完成上行程。這一過(guò)程當(dāng)蓄能器儲(chǔ)能壓力驅(qū)動(dòng)液壓變壓器泵馬達(dá)運(yùn)行速度低于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器馬達(dá)泵完成上行程。

當(dāng)達(dá)到上行極限位置時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，提升系統(tǒng)下行，液壓缸液壓油被加壓，驅(qū)動(dòng)液壓變壓器液壓泵馬達(dá)，帶動(dòng)液壓變壓器液壓馬達(dá)泵持續(xù)使蓄能器加壓儲(chǔ)能。

當(dāng)達(dá)到下行極限位置時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，儲(chǔ)能蓄能器以一定的儲(chǔ)能壓力驅(qū)動(dòng)液壓變壓器泵馬達(dá)運(yùn)行，同時(shí)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)液壓變壓器馬達(dá)泵運(yùn)行，泵高液壓缸油壓，帶動(dòng)抽油泵提升系統(tǒng)完成上行程。

3.3 液壓抽油機(jī)提升系統(tǒng)載荷不確定性，蓄能器儲(chǔ)能的適應(yīng)性分析

液壓抽油機(jī)的沖次取決于液壓變壓器的能量供應(yīng)，當(dāng)上、下行程提升系統(tǒng)的載荷發(fā)生變化時(shí)，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(shí)液壓系統(tǒng)流量保持基本不變，液壓系統(tǒng)壓力隨提升系統(tǒng)的載荷變化，即提升系統(tǒng)的載荷決定了液壓系統(tǒng)工作壓力。液壓系統(tǒng)通過(guò)電氣、液壓控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)新型液壓變壓器的自適應(yīng)節(jié)湊，使其能夠?qū)崿F(xiàn)提升系統(tǒng)的載荷變化引起的波動(dòng)，液壓系統(tǒng)適用于頻繁往復(fù)的變工況，也就是說(shuō)電氣、液壓控制器發(fā)出指令調(diào)節(jié)液壓變壓器出力，協(xié)調(diào)蓄能器儲(chǔ)被加壓的儲(chǔ)能量化值。

4 蓄能器儲(chǔ)能的技術(shù)條件

蓄能器儲(chǔ)能的技術(shù)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(shè)蓄能器在抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)提供的壓力波動(dòng)控制在10%以內(nèi)，則由手冊(cè)[3]可查得蓄能器工作時(shí)的壓力關(guān)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(guò)程按等溫過(guò)程計(jì)算，則所需的蓄能器的容積為：

5 新型液壓變壓器的出現(xiàn)為蓄能器儲(chǔ)能的創(chuàng)造了技術(shù)條件[3-4]

液壓變壓器是在液壓系統(tǒng)中用來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力改變的液壓元件，傳統(tǒng)型液壓變壓器是將電機(jī)、液壓泵和液馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器機(jī)械連接組成的。

新型液壓變壓器是隨著恒壓二次調(diào)節(jié)技術(shù)從節(jié)能的角度發(fā)展而產(chǎn)生的，二次元件馬達(dá)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(lián)系，是液壓能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換，這使得功率儲(chǔ)存和回收成為可能，理論上能無(wú)節(jié)流損失地傳送液壓能，能巧妙地將液壓泵和液馬達(dá)功能集成于一體，能同時(shí)控制負(fù)載壓力和流量的控制元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

液壓變壓器在壓力耦聯(lián)的恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中無(wú)節(jié)流損失地獲取能量，而且可以接多個(gè)互不相關(guān)的負(fù)載，來(lái)控制調(diào)節(jié)液壓執(zhí)行元件及負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，包括旋轉(zhuǎn)載荷和直線載荷，動(dòng)態(tài)性能好，控制性能好，能夠自適應(yīng)負(fù)載的變化，能對(duì)惡劣的工作條件達(dá)到快速匹配，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制動(dòng)能和重力勢(shì)能、負(fù)載能量的回收與重新利用，應(yīng)用前景十分廣闊。

新型液壓變壓器的調(diào)節(jié)原理：

相對(duì)于液壓閥控制的傳統(tǒng)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(méi)有節(jié)流損失，具有良好的節(jié)能效果，其調(diào)節(jié)原理如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)的壓力-流量曲線

當(dāng)需要將恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壓力PA調(diào)節(jié)到PB時(shí)，如果用液壓閥控制的傳統(tǒng)型液壓變壓器來(lái)調(diào)節(jié)，則按路徑1進(jìn)行，壓力降低了，而流量沒(méi)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(jìn)行調(diào)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(jiàn)，在恒壓網(wǎng)絡(luò)中采用液壓控制器控制新型液壓變壓器來(lái)調(diào)壓，與液壓閥控制的傳統(tǒng)型液壓變壓器調(diào)壓相比，理論上沒(méi)有能量損失，尤其在大流量，大功率系統(tǒng)中，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

其變壓原理與傳統(tǒng)變壓器的變壓原理一樣，也是通過(guò)改變排量的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)的調(diào)控下，適當(dāng)改變新型液壓變壓器的排量及方向就可以控制調(diào)節(jié)液壓執(zhí)行元件及負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，回收負(fù)載的能量，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)能量量化調(diào)節(jié)。

6 蓄能器儲(chǔ)能在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用前景

液壓抽油機(jī)的突出特點(diǎn)是：（1）大幅度降低抽油機(jī)裝機(jī)功率；（2）長(zhǎng)沖程、大載荷、能耗低、自適應(yīng)性好；（3）沖程沖次調(diào)節(jié)便捷，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)，上下行程速度可分別調(diào)節(jié)，能很好地適應(yīng)井況的變化；（4）啟停更加平穩(wěn)，啟、停電流小，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊；（5）安全性能高；（6）可減小抽油機(jī)體積、質(zhì)量和占地面積；

利用蓄能器儲(chǔ)能的液壓抽油機(jī)特點(diǎn)有：（1）儲(chǔ)能響應(yīng)快，蓄能器被加速時(shí)間可控；（2）釋能反應(yīng)快，蓄能器降速量化控制；（3）井液量不斷變化的趨勢(shì)有較好適應(yīng)性；（4）高效節(jié)能。

隨著新型液壓變壓器、液壓系統(tǒng)及液壓二次調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的不斷升級(jí)完善，加上蓄能設(shè)施不斷改進(jìn)，使用壽命逐步延長(zhǎng)，進(jìn)入20世紀(jì)10年代，液壓抽油機(jī)迅速進(jìn)入量產(chǎn)的工業(yè)化時(shí)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(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4]劉成強(qiáng)，姜繼海.新型液壓變壓器的研究現(xiàn)狀及展望[J].液壓與氣動(dòng)，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(dòng)，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(jí)工程師，主要從事石油礦場(chǎng)機(jī)械研究工作。