朱改新，武戰(zhàn)利，劉洋

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用

朱改新，武戰(zhàn)利，劉洋

（上海蘭石重工機(jī)械有限公司，上海201108）

簡要介紹飛輪在國外液壓抽油機(jī)儲(chǔ)能技術(shù)上的應(yīng)用，分析飛輪在液壓抽油機(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)飛輪在液壓抽油機(jī)儲(chǔ)能的技術(shù)條件。

飛輪；液壓抽油機(jī)；儲(chǔ)能

飛輪作為一種古老而又新興的能量儲(chǔ)存與平衡調(diào)節(jié)裝置，以其蓄能密度高、儲(chǔ)能容量易于控制、能量轉(zhuǎn)換響應(yīng)快、效率高、無環(huán)境污染、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)日益受到推崇。隨著新型高強(qiáng)度材料、低摩阻軸承技術(shù)、高溫超導(dǎo)及高能永磁材料、控制技術(shù)等取得重大進(jìn)展，使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的可靠性得以保障，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步得到拓展。利用飛輪儲(chǔ)存負(fù)載下行程重力勢能，特別是與飛輪配套的二次調(diào)節(jié)液壓傳動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，為飛輪在液壓抽油機(jī)上應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 飛輪在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用情況

1979年俄羅斯專利產(chǎn)品，首次應(yīng)用飛輪在液壓抽油機(jī)上，如圖1所示[1]，該抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、液馬達(dá)、液壓泵同軸布置，稱傳統(tǒng)型液壓變壓器（Hydraulic Transformer或稱液壓一次元件、初級(jí)元件），其下行程靠油管自重下行，從而使液壓缸有桿腔液壓油被加壓，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪蓄積重力勢能；上行程靠蓄能的飛輪和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)液壓泵，帶動(dòng)液壓缸活塞上行，完成油液被提升。

圖11979 年俄羅斯液壓抽油機(jī)專利結(jié)構(gòu)簡圖

2011、2012、2013、2015年德國Bosch Rexroth持續(xù)改進(jìn)型液壓抽油機(jī)專利產(chǎn)品，最終定型為如圖2所示原理圖，飛輪、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。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（馬達(dá)工況）帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將下沖程能量回收至飛輪；上行程時(shí)，飛輪的儲(chǔ)存一定速度的能量和電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器（泵工況）泵油升壓，帶動(dòng)液壓缸活塞上行，完成油液被提升。圖3為德國Bosch Rexroth為液壓抽油機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用圖片。

圖2 德國Bosch Rexroth持續(xù)改進(jìn)型液壓抽油機(jī)專利結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 德國Bosch Rexroth液壓抽油機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用圖片

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)的重力勢能，經(jīng)過能量轉(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，如圖4所示。

圖4 抽油機(jī)提升系統(tǒng)的動(dòng)力分配圖片

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。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、新型液壓變壓器、液壓控制系統(tǒng)的日益完善，使飛輪在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用，再次成為熱點(diǎn)。

3 液壓抽油機(jī)采用飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)分析[2]

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P上=P靜上-P動(dòng)上；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=P下·S；液壓抽油機(jī)正常運(yùn)行前和正常運(yùn)行時(shí)，飛輪需液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能E.

3.2 液壓抽油機(jī)下行程提升系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換分析

飛輪是靠飛輪一定質(zhì)量轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)來存儲(chǔ)能量，飛輪的儲(chǔ)能原理公式是：

式中：J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg·m2；ω為飛輪轉(zhuǎn)子的角速度rad/s；

液壓抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，飛輪和電動(dòng)機(jī)接合，飛輪被電動(dòng)機(jī)加速到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，該設(shè)定速度為液壓抽油機(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，新型液壓變壓器進(jìn)入泵工況，同時(shí)儲(chǔ)能飛輪以一定的初速度和電動(dòng)機(jī)接合，共同驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器，泵高液壓缸油壓，帶動(dòng)抽油泵提升系統(tǒng)完成上行程。這一過程當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速低于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)速度時(shí)，飛輪和電動(dòng)機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器在泵工況下完成上行程。

當(dāng)達(dá)到上行極限位置時(shí)，在電氣、液壓控制器指令下，新型液壓變壓器進(jìn)入馬達(dá)工況，同時(shí)飛輪和電動(dòng)機(jī)脫開，此時(shí)提升系統(tǒng)下行，液壓缸液壓油被加壓，驅(qū)動(dòng)新型液壓變壓器，帶動(dòng)飛輪持續(xù)加速旋轉(zhuǎn)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，新型液壓變壓器進(jìn)入泵工況，同時(shí)儲(chǔ)能飛輪和電動(dòng)機(jī)接合，新型液壓變壓器泵高液壓缸油壓，驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)完成上行程。

如此反復(fù)完成油液提升。

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

液壓抽油機(jī)的沖次取決于新型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)，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，也就是說液壓控制器發(fā)出指令調(diào)節(jié)新型液壓變壓器出力，電氣、液壓控制系統(tǒng)向電機(jī)、飛輪指令接合或脫開，協(xié)調(diào)飛輪儲(chǔ)存能量的多少，亦即控制飛輪被加速、減速的量化值。

4 飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)條件

飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)條件的原理公式：

式中：m為飛輪的質(zhì)量kg；r為飛輪的旋轉(zhuǎn)半徑m；ωm為飛輪轉(zhuǎn)子的極限角速度rad/s；ρ為材料的密度kg/m3；δ為材料的最大抗拉強(qiáng)度Pa；e為飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，單位質(zhì)量轉(zhuǎn)子所存儲(chǔ)的能量習(xí)慣上稱為飛輪的極限儲(chǔ)能密度。

4.1 飛輪的結(jié)構(gòu)形式對儲(chǔ)能的影響分析

由上述公式分析可知，飛輪儲(chǔ)能大小除與飛輪的質(zhì)量有關(guān)外，還與飛輪上各點(diǎn)的速度有關(guān)，而且是平方的關(guān)系。因此提高飛輪的速度比增加質(zhì)量更有效。

另外，飛輪儲(chǔ)能大小也與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比例關(guān)系，因而提高飛輪儲(chǔ)能量的方法可以增大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的有兩種方法，即增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和增加飛輪質(zhì)量。

在通常設(shè)計(jì)情況下，在能量容量一定的情況下，盡量縮減飛輪的體積和質(zhì)量，這樣既可以減少飛輪體積大帶來的慣性問題，安全問題，以及所受阻力問題，又可以減少能量損失，因而增加飛輪存儲(chǔ)能量的方法多為提高飛輪轉(zhuǎn)速，減少飛輪質(zhì)量。

4.2 飛輪材料的選用

由于飛輪轉(zhuǎn)速的升高，在離心力作用下飛輪內(nèi)應(yīng)力不斷增大，由于受到飛輪材料許用應(yīng)力的限制，飛輪轉(zhuǎn)速不可能無限增加。為保證飛輪能夠安全可靠地工作，因而在選擇飛輪材料時(shí)必須進(jìn)行應(yīng)力分析。

飛輪儲(chǔ)能密度一方面材料的抗拉強(qiáng)度成正比，另一方面與飛輪材料密度成反比。因而增加飛輪的儲(chǔ)能密度應(yīng)該選用高強(qiáng)度比的材料制作飛輪，這正是早期飛輪儲(chǔ)能技術(shù)難以獲得進(jìn)展的重要原因。隨著高強(qiáng)度材料的出現(xiàn)，如高輕度碳纖維復(fù)合材料，其特征具有各向異性，沿纖維方向強(qiáng)度很高，而垂直纖維方向強(qiáng)度較低，因而充分利用復(fù)合材料沿纖維方向強(qiáng)度高的特點(diǎn)，制作的飛輪在抗拉強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度方面表現(xiàn)出的更加優(yōu)良特性。

4.3 支承軸承的技術(shù)應(yīng)用

飛輪需要保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，支承軸承在承受飛輪本體重量的同時(shí)，還要承受著飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的離心力，這就需要軸承性能優(yōu)良，支承軸承既要強(qiáng)度高，摩擦損耗也要盡量小，從而保持飛輪運(yùn)行穩(wěn)定性和儲(chǔ)能效率。

飛輪在用的軸承可分為普通軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承，統(tǒng)稱機(jī)械軸承，以及磁懸浮軸承等。

支撐強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊是機(jī)械軸承的突出優(yōu)點(diǎn)，適宜作為保護(hù)軸承，也可以作為短時(shí)間快速充放能量的支撐方式使用，但摩擦損耗大、承載的極限轉(zhuǎn)速低是機(jī)械軸承的缺點(diǎn)，因而在高轉(zhuǎn)速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的支撐方式選用機(jī)械軸承是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

無機(jī)械接觸的情況下承載是磁懸浮軸承無與倫比的特點(diǎn)，磁懸浮軸承無摩擦損耗，不但能提高儲(chǔ)能效率，而且能極大提高使用壽命，成為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳支承方式。永磁軸承、電磁軸承和超導(dǎo)磁軸承均被稱為磁懸浮軸承。

5 新型液壓變壓器的出現(xiàn)為飛輪儲(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)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是液壓能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換，理論上能無節(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，優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、效率高等。

恒壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不但可以無節(jié)流損失地獲取能量，而且可以和多個(gè)互不相關(guān)的負(fù)載接合，來控制調(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，能對惡劣的工作條件達(dá)到快速匹配，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)重力勢能、負(fù)載能量和制動(dòng)能的回收與重新利用。

5.1 新型液壓變壓器的調(diào)節(jié)原理

相對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，理論上沒有節(jié)流損失，具有良好的節(jié)能效果，其調(diào)節(jié)原理如下圖5所示。

圖5 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)型液壓變壓器來調(diào)節(jié)，則按路徑1進(jìn)行，壓力降低了，而流量沒改變，能量損失為：

如果采用液壓控制單元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：

由此可見，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。

其變壓原理與傳統(tǒng)變壓器的變壓原理一樣，也是通過改變排量的比值來實(shí)現(xiàn)變壓比的改變。

新型液壓變壓器的變壓比λ是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；

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 飛輪儲(chǔ)能在液壓抽油機(jī)的應(yīng)用前景

從1979年俄羅斯液壓抽油機(jī)專利產(chǎn)品，采用傳統(tǒng)型液壓變壓器，應(yīng)用效果并不理想，到德國Bosch Rexroth逐步完善的液壓抽油機(jī)專利產(chǎn)品，采用新型液壓變壓器和飛輪儲(chǔ)能巧妙結(jié)合，使得液壓抽油機(jī)迅速進(jìn)入量產(chǎn)的工業(yè)化時(shí)代。

利用飛輪儲(chǔ)能的液壓抽油機(jī)特點(diǎn)有：（1）儲(chǔ)能響應(yīng)快，飛輪被加速時(shí)間可控；（2）釋能反應(yīng)快，飛輪降速量化控制；（3）井液量不斷變化的趨勢有較好適應(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)的日臻完善，為飛輪在液壓抽油機(jī)上的應(yīng)用提供了良好的舞臺(tái)。

[1]SU661144ОПИСАНИЕИЗОЬРЕТЕНИЯКПАТЕНТУ. 05.1979.

[2]劉宇輝，姜繼海，劉慶和.基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓抽油機(jī)節(jié)能原理[J].機(jī)床與液壓，2004（10）：43-44.

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

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

The Application of the Flywheel Energy Storage System in the Hydraulic Pumping Unit

ZHU Gai-xin，WU Zhan-li，LIU Yang
（Shanghai LansShi Heavy Industry Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201108，China）

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

flywheel energy storage；the hydraulic pumping unit；energy recovery principle

TEP33

A

1672-545X（2017）07-0248-04

2017-04-12

朱改新（1971－），男，河南人，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，主要從事石油礦場機(jī)械研究工作。