游梁式抽油機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

周 勇，陳香玉，簡(jiǎn) 霖，王扶輝，田德高，韓傳軍

（1新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500）

游梁式抽油機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)油氣開(kāi)采領(lǐng)域[1]。但受懸點(diǎn)變負(fù)載的影響，實(shí)際運(yùn)行功率波動(dòng)大、效率低，導(dǎo)致開(kāi)采成本增加[2]。鑒于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)效率低下的缺點(diǎn)，研究中將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)[3-4]。如圖1所示為添加飛輪儲(chǔ)能裝置的游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖[4]，與傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)相比，使用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的最大特點(diǎn)是幾乎不改變?cè)谐橛蜋C(jī)結(jié)構(gòu)，能降低前期投資成本，同時(shí)具備適應(yīng)性高、更換方便、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)[5]。但是，對(duì)于使用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的抽油機(jī)的研究比較少，更沒(méi)有具體的方案模型，缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論證[6]。所以，研究分析飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)對(duì)降低油氣開(kāi)采成本和提高抽油機(jī)效率有著重要意義。

圖1 飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of flywheel energy storage beam pumping unit

目前，許多學(xué)者[7]對(duì)抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，主要集中在采用新型電機(jī)、優(yōu)化抽油機(jī)結(jié)構(gòu)和使用變頻控制技術(shù)等。在采用新型電機(jī)方面，功率匹配與動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)的應(yīng)用，保證了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了功率利用率，但適應(yīng)性差，節(jié)能效果有限[7-8]；優(yōu)化抽油機(jī)結(jié)構(gòu)方面，可加入自動(dòng)調(diào)平衡機(jī)構(gòu)，雖然一定程度上提高了效率，但增加了抽油機(jī)動(dòng)載荷，降低了穩(wěn)定性[9-10]；在變頻控制技術(shù)方面，通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)軟啟動(dòng)，能減小裝機(jī)功率、降低沖擊、延長(zhǎng)使用壽命，但一次性投入成本高[11]。

本工作通過(guò)設(shè)計(jì)適用于游梁式抽油機(jī)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用動(dòng)力學(xué)仿真分析與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方式，對(duì)飛輪儲(chǔ)能抽油機(jī)進(jìn)行了可行性的分析研究。并設(shè)計(jì)了抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法，驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)的節(jié)能效果。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)理論分析及方案對(duì)比，在保證傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不作大改動(dòng)，且整體結(jié)構(gòu)足夠簡(jiǎn)單的前提下，提出了一種適用于游梁式抽油機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體布置方案。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總體方案布置如圖2所示。

圖2 抽油機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Flywheel energy storage system structure of pumping unit

其工作原理為：當(dāng)抽油機(jī)驢頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，抽油桿在重力的作用下會(huì)帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)，抽油桿的重力勢(shì)能通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給儲(chǔ)能飛輪；當(dāng)抽油機(jī)的驢頭向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛輪釋放能量，電機(jī)輸出扭矩降低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

該儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：①飛輪軸水平布置，飛輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且所需輔助零部件更少，制造成本更低，后期維護(hù)更方便，附加彎矩??；②只需在電機(jī)的輸出軸上加裝一個(gè)帶輪，在最大程度上不改變抽油機(jī)原有結(jié)構(gòu)的前提下，能適應(yīng)多種不同型號(hào)的抽油機(jī)。

2 飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)的樣機(jī)建模與仿真分析

2.1 多體系統(tǒng)建模理論

對(duì)于一個(gè)構(gòu)件，在平面坐標(biāo)系中只要三個(gè)約束就能完全確定其具體位置，而在空間坐標(biāo)系中需要6 個(gè)坐標(biāo)才能確定。考慮多體系統(tǒng)中存在各種約束，則多體系統(tǒng)力學(xué)模型的一般形式為

式中，q為位置坐標(biāo)矩陣；為加速度向量矩陣；Φ為位置坐標(biāo)的約束方程；Φq為約束方程的雅可比矩陣，為其轉(zhuǎn)置矩陣；λ拉格朗日乘子；A,B描述系統(tǒng)拓?fù)湫畔⒌木仃嚒?/p>

式稱(chēng)為歐拉-拉格朗日方程組，由于其方程個(gè)數(shù)多，通過(guò)傳統(tǒng)方法很難計(jì)算。多剛體系統(tǒng)的微分-代數(shù)方程為

對(duì)公式中的時(shí)間求一階和二階導(dǎo)，可分別得到速度和加速度約束方程，即微分-代數(shù)方程可化為

式中，v(q,t)為速度右項(xiàng)；a(q,,t)為加速度右項(xiàng)。

初始條件為

2.2 飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)樣機(jī)建模

本工作借助Solidworks建立三維模型，然后將其導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真軟件中。以CYJ10-3-37HB型游梁式抽油機(jī)為例，在繪制模型時(shí)，對(duì)該型游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)做了部分簡(jiǎn)化。沖程設(shè)置為3 m，沖次為5 次/min，所有零部件的材料均設(shè)置為碳素鋼，查閱相關(guān)資料碳素鋼的密度為7800 kg/m3，楊氏模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.29。所有設(shè)置完成后，即可得到基于飛輪儲(chǔ)能的游梁式抽油機(jī)的仿真模型，如圖3所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.27 kg·m2，電機(jī)輸出軸與飛輪軸間的傳動(dòng)比為1∶2。首先驗(yàn)證懸點(diǎn)載荷是否按預(yù)期的規(guī)律變化，如圖4所示，根據(jù)懸點(diǎn)載荷和速度隨時(shí)間變化曲線可知：在下沖程時(shí)，懸點(diǎn)載荷的大小為400 N，當(dāng)在上沖程時(shí)，懸點(diǎn)載荷的大小為800 N，因此懸點(diǎn)載荷的變化規(guī)律滿足預(yù)設(shè)值。

圖4 抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷曲線Fig.4 Suspended point load curve of pumping unit

圖5所示為加入和未加入飛輪時(shí)的電機(jī)功率對(duì)比曲線，由曲線可知，加入飛輪后電機(jī)功率曲線峰值由646 W 減小為517 W，電機(jī)的谷值功率由-361 W變?yōu)?296 W。說(shuō)明使用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)后能減小抽油機(jī)的電機(jī)功率波動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖5 電機(jī)功率對(duì)比曲線Fig.5 Motor power comparison curve

3 飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h3>

飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)的目的是研究基于飛輪儲(chǔ)能的節(jié)能技術(shù)在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用效果，驗(yàn)證該節(jié)能技術(shù)是否和前文研究的結(jié)論吻合，彌補(bǔ)基于飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)論證的空白，為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，對(duì)較大程度上提高抽油機(jī)系統(tǒng)效率和減少能源在開(kāi)采中的損耗具有重要意義。

該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的要求是在保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠的前提下，得到具有參考意義的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因?yàn)橛瘟菏匠橛蜋C(jī)型號(hào)類(lèi)型眾多，油井工況參數(shù)復(fù)雜多變，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室難以模擬實(shí)際工況，要得到可靠且有意義的數(shù)據(jù)并不容易。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)最大限度地模擬井下靜載荷、動(dòng)載荷和摩擦載荷，游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵訡YJ10-3-37HB型抽油機(jī)為參考，其基本尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 CYJ10-3-37HB型抽油機(jī)尺寸參數(shù)Table 1 Pumping unit size parameters of CYJ10-3-37HB type

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與搭建

根據(jù)飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，設(shè)計(jì)飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shí)驗(yàn)裝置主要包括游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?chǔ)能飛輪裝置、載荷模擬裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

飛輪儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)在滿足實(shí)驗(yàn)需求的前提下結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單[12]，其具體原則為：①使儲(chǔ)能飛輪裝置所需的零件盡量少；②對(duì)于不能使用標(biāo)準(zhǔn)件的部分應(yīng)使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單；③設(shè)計(jì)的零件滿足加工工藝的要求。

根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能飛輪結(jié)構(gòu)如圖6 所示，具體參數(shù)見(jiàn)表2，實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

圖6 飛輪裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of flywheel device

圖7 組裝完成的儲(chǔ)能飛輪實(shí)物圖Fig.7 The assembled energy storage flywheel

表2 Q235飛輪參數(shù)Table 2 Flywheel parameters of Q235

飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的懸點(diǎn)載荷模擬系統(tǒng)如圖8 所示，其主要組成部分有磁粉制動(dòng)器、位移和載荷傳感器、彈簧減震器、鋼絲繩、砝碼和支架等。

圖8 載荷模擬裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of load simulation device

飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置主體部分是基于CYJ10-3-37HB型游梁式抽油機(jī)的等比例縮小實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ｏw輪儲(chǔ)能抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下完成搭建和測(cè)試工作，實(shí)驗(yàn)裝置的懸點(diǎn)載荷和三相異步電機(jī)作為被測(cè)對(duì)象。如圖9所示為搭建好的實(shí)驗(yàn)裝置，從左至右分別包括三大部分：載荷模擬系統(tǒng)、游梁式抽油機(jī)和儲(chǔ)能飛輪裝置。

圖9 總裝完成后的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental device after final assembly

在實(shí)驗(yàn)裝置搭建完成后，進(jìn)行了初步的運(yùn)行和測(cè)試，結(jié)果顯示該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，符合預(yù)期且能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)控制磁粉制動(dòng)器的電流來(lái)改變輸出扭矩大小以模擬懸點(diǎn)的動(dòng)載荷，在鋼絲繩末端懸掛砝碼模擬懸點(diǎn)的靜載荷，通過(guò)安裝在支架上且與鋼絲繩接觸的橡膠片模擬抽油桿與油井的摩擦力，通過(guò)減震器適當(dāng)減小載荷的慣性力以防止懸點(diǎn)載荷波動(dòng)過(guò)大，通過(guò)位移傳感器測(cè)量懸點(diǎn)位移，載荷傳感器測(cè)量懸點(diǎn)載荷，然后將測(cè)得的位移和載荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，即可得到懸點(diǎn)示功圖，也可得到懸點(diǎn)載荷隨時(shí)間的變化曲線，即可判斷施加的力是否合理。

參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，將測(cè)試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，剔除較大誤差的數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取一組，然后將數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入繪圖軟件中，采用最小二乘法繪制擬合曲線。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于飛輪儲(chǔ)能的游梁式抽油機(jī)能耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，開(kāi)展了相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，測(cè)得沖次為7 次/min，沖程為0.55 m，滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期。電機(jī)與儲(chǔ)能飛輪之間帶輪傳動(dòng)比為1∶1，儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.27 kg·m2。懸點(diǎn)載荷試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖10 所示，其中，最大載荷在800 N左右，最小載荷在400 N左右。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試懸點(diǎn)載荷Fig.10 Suspended point load tested experimentally

過(guò)濾掉干擾信號(hào)后的電機(jī)功率曲線如圖11 所示，該圖為加入飛輪和未加入飛輪時(shí)的電機(jī)功率隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，在未加入飛輪時(shí)，電機(jī)功率曲線的峰值約為782 W，谷值約為-448 W；加入飛輪后，電機(jī)功率曲線的峰值變?yōu)榧s620 W，谷值變?yōu)榧s-359 W；分析結(jié)果表明，在游梁式抽油機(jī)中使用儲(chǔ)能飛輪可以減小電機(jī)功率的波動(dòng)，即降低峰值和增加谷值，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象的發(fā)生，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電機(jī)功率對(duì)比曲線Fig.11 The motor power comparison curve tested in the experiment

分別對(duì)電機(jī)的功率曲線求積分，可以得到單周期內(nèi)抽油機(jī)消耗的電能。如圖12 所示為未加飛輪儲(chǔ)能裝置和加入飛輪儲(chǔ)能裝置后，抽油機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)所消耗的能量示意圖，通過(guò)對(duì)比分析可知：在未使用飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)，該抽油機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期需要約837 J 的能量，當(dāng)加入飛輪儲(chǔ)能裝置后，抽油機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)只消耗了約706 J的能量，單周期內(nèi)節(jié)約131 J電能，約占未加飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)消耗能量的15.7%。該結(jié)果表明，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在游梁式抽油機(jī)中的應(yīng)用可以顯著降低抽油機(jī)的能耗，飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)具有良好的節(jié)能效果。

圖12 單周期內(nèi)消耗的能量對(duì)比Fig.12 Comparison of energy consumed in a single cycle

4 結(jié) 論

（1）在保證對(duì)傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)盡量小的前提下，設(shè)計(jì)了適用于游梁式抽油機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在抽油系統(tǒng)的上沖程釋放能量、下沖程吸收能量。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，在懸點(diǎn)載荷的變化規(guī)律滿足預(yù)設(shè)值的情況下，加入飛輪后電機(jī)功率曲線峰值由782 W 減小為620 W，電機(jī)的谷值功率由-448 W變?yōu)?359 W。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，在游梁式抽油機(jī)中使用儲(chǔ)能飛輪可以減小電機(jī)功率的波動(dòng)，即降低峰值和增加谷值，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象的發(fā)生，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，增加飛輪儲(chǔ)能裝置能節(jié)約15%～16%的能量，節(jié)能效果明顯。