為研究儲能飛輪對游梁式抽油機性能的影響及節(jié)能效果，從理論上推導(dǎo)了影響電動機輸出功率的數(shù)學(xué)模型，并建立了飛輪儲能游梁式抽油機的虛擬樣機模型，采用ADAMS進(jìn)行仿真分析驗證了模型的可行性，并探討了不同傳動比和轉(zhuǎn)動慣量對游梁式抽油機性能的影響。結(jié)果表明：抽油機工作在上沖程時飛輪釋放能量，在下沖程時飛輪吸收能量；游梁式抽油機中安裝儲能飛輪可有效降低電機啟動扭矩，并減小電機扭矩、功率和速度的波動幅值；隨著儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量的增大各項參數(shù)的波動幅值均有所減小，但一定程度上延長了電機的啟動時間；通過計算電機功耗發(fā)現(xiàn)，在不同飛輪轉(zhuǎn)動慣量下，飛輪還可以抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，且隨著轉(zhuǎn)動慣量增大電機平均功率減小，使游梁式抽油機節(jié)能效果更為明顯。
關(guān)鍵詞： 游梁式抽油機；飛輪儲能；仿真分析；節(jié)能
游梁式抽油機一直占據(jù)著石油工業(yè)傳統(tǒng)機采設(shè)備的主導(dǎo)地位，由于游梁式抽油機的固有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機功率波動大，實際工作中效率比較低，生產(chǎn)電能損耗增加。因此，降低電力消耗，減少油氣生產(chǎn)成本是刻不容緩的議題。
許多學(xué)者對游梁式抽油機進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了節(jié)能提效的措施。王義龍等提出將“斷續(xù)供電”技術(shù)應(yīng)用于油田機采系統(tǒng)，能夠獲得明顯節(jié)能效果；Lu等提出雙脈沖寬度調(diào)制變頻器運用于游梁式抽油機，通過電機變頻運行達(dá)到節(jié)能效果；Tian等將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于抽油機節(jié)能控制系統(tǒng)中，并通過實驗證明了該系統(tǒng)的可行性和有效性；LYU等提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的游梁式抽油機節(jié)能系統(tǒng)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對游梁式抽油機節(jié)能提效方面的研究大多是通過電機控制和調(diào)參等方式對抽油機進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，對于加入儲能裝置來提高抽油機效率的研究相對較少。
飛輪儲能技術(shù)因其儲能效率高、儲能密度大、對環(huán)境無污染等優(yōu)點而備受關(guān)注，Mousavi等述了飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)的優(yōu)缺點并提出了今后發(fā)展該技術(shù)的具體途徑；飛輪控制技術(shù)和超導(dǎo)軸承技術(shù)的出現(xiàn)及Spiryagin等將飛輪儲能技術(shù)成功地運用于重載機車，為飛輪儲能技術(shù)在游梁式抽油機上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
鑒于傳統(tǒng)地面抽采設(shè)備游梁式抽油機的缺點，姜民政等提出飛輪儲能游梁式抽油機。飛輪儲能游梁式抽油機主要由飛輪、驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄，電機和傳動系統(tǒng)等組成。其原理示意圖見圖1，電機輸出軸上安裝有大小兩個帶輪，且大小帶輪軸通過離合器連接，大帶輪通過皮帶連接飛輪軸上的帶輪，小帶輪通過皮帶連接減速箱輸入軸上的帶輪。抽油機運行在上沖程時，飛輪釋放能量，在下沖程時飛輪吸收能量，使系統(tǒng)運轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，從而改善抽油機工作性能，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
目前，對于飛輪儲能游梁式抽油機的研究相對較少，更沒有具體的方案模型，缺少相關(guān)的驗證。因此，對飛輪儲能游梁式抽油機進(jìn)行研究分析，對提高油田生產(chǎn)效率和降低能耗有著重要意義。
1 虛擬樣機建模
1.1 仿真模型
根據(jù)動能定理，飛輪儲存的能量大小由式(1)可得
(1)
由式(8)和式(9)可知，安裝飛輪后，電動機的輸出峰值功率會減小，且與飛輪輸出功率呈反比；飛輪轉(zhuǎn)動慣量越大，電動機功率減少越明顯。
這里以某油田使用的CYJ10-3-37HB型游梁式抽油機為例，在建模時，對不影響分析的抽油機部分細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并做如下假設(shè)：①忽略不隨系統(tǒng)運動的小部件如螺栓、墊片等；②各零部件等效為剛體，不會發(fā)生形變；③不考慮各運動部件間的摩擦力和帶輪、齒輪和曲柄連桿機構(gòu)的能量損耗。
首先用SolidWorks繪制簡化后的零件模型并裝配，然后將裝配圖導(dǎo)入ADAMS軟件中。減速箱簡化為一對耦合齒輪傳動，不考慮齒輪輪齒間的相互作用力。圖2所示為飛輪儲能游梁式抽油機虛擬樣機模型。
圖1 飛輪儲能抽油機虛擬樣機模型
圖2 飛輪儲能抽油機虛擬樣機模型
為虛擬樣機模型各部件間添加約束，如表1所示。
表1 各部件約束關(guān)系
1.2 仿真參數(shù)設(shè)置
用ADAMS軟件的Adams Machinery模塊中自帶的電機作為動力輸出源，選擇分析法建立直流電機模型，其主要參數(shù)設(shè)置為額定電壓380 V，極對數(shù)為4，勵磁方式為并聯(lián)，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定功率為50 kW。
游梁式抽油機的沖次為每分鐘5次，沖程為3 m。抽油機的懸點載荷由摩擦阻力、靜載荷和動載荷組成，對于隨懸點運動速度的變化而變化的動載荷在ADAMS軟件中是不能直接創(chuàng)建的，選擇用IF函數(shù)來模擬懸點載荷的變化。以懸點速度（設(shè)豎直向上為正方向）作為IF函數(shù)的變量，考慮到抽油機的額定懸點載荷為100 kN，這里設(shè)置最大懸點載荷為80 kN，最小懸點載荷為40 kN，如圖3所示。
圖3 懸點載荷與懸點速度變化圖
抽油機和飛輪材料均選擇碳素鋼，其楊氏模量為2.1×1011 N/m2，泊松比為0.29，密度為7800 kg/m3。
2 仿真結(jié)果分析
2.1 仿真模型驗證
為了保證抽油機仿真模型能實現(xiàn)所需要的功能，需對模型做如下驗證。選擇轉(zhuǎn)動慣量為40 kg·m2的飛輪，電機輸出軸與飛輪軸之間傳動比（以下簡稱傳動比）取1∶2進(jìn)行仿真分析。圖4為飛輪動能的變化和抽油機懸點位移變化曲線，由圖可知：飛輪啟動時間約為10 s，運行穩(wěn)定后其動能會呈周期性變化，該抽油機模型的沖程約為2.8 m，沖次為每分鐘5次。抽油機懸點向下運動時，飛輪動能增加；懸點向上運動時，飛輪動能減少，且在一個周期內(nèi)飛輪吸收或釋放的最大能量為120 kJ。仿真結(jié)果表明：該抽油機仿真模型的運行參數(shù)滿足預(yù)設(shè)值，在上沖程時飛輪釋放能量，在下沖程時飛輪吸收能量。
圖4 飛輪動能與懸點位移
為驗證安裝飛輪后對抽油機懸點速度的影響，對使用飛輪前后的抽油機懸點速度進(jìn)行對比分析，如圖5所示。仿真結(jié)果表明：安裝飛輪前，懸點在上沖程最大速度為0.81 m/s，在下沖程的最大速度為-0.91 m/s；安裝飛輪后，抽油機上沖程時，最大懸點速度為0.88 m/s在下沖程時，最大懸點速度為-0.77 m/s，說明飛輪能增加懸點上行峰值速度，減小下行峰值速度。
圖5 安裝飛輪前后懸點速度對比
2.2 飛輪對電機啟動的影響
為研究飛輪對電機啟動時間的影響，對不同轉(zhuǎn)動慣量和傳動比的飛輪進(jìn)行了分析，圖6所示為不同轉(zhuǎn)動慣量和傳動比時對電機啟動時間的影響曲線。其中圖6(a)為使用不同轉(zhuǎn)動慣量飛輪時，電機啟動的時間曲線，結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)動慣量的增大電機的啟動時間延長，特別地，對于轉(zhuǎn)動慣量為100 kg·m2的飛輪，電機要經(jīng)過12 s才達(dá)到750 r/min的額定速度，但在未使用飛輪時，電機僅需約1 s即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖6(b)為不同傳動比時，電機啟動的時間曲線，結(jié)果表明：傳動比越大電機的啟動時間越短，其中，傳動比大于2時的電機啟動時間與未安裝飛輪時的接近。說明了傳動比達(dá)到一定比例后，再增加傳動比，幾乎不影響電機的啟動時間。
圖6 不同轉(zhuǎn)動慣量和傳動比的電機啟動曲線
為改善前述飛輪與抽油機同時啟動時電機啟動時間過長的問題，在電機輸出軸與連接減速箱的皮帶輪間安裝離合器，來減少電機的啟動載荷，其作用原理為：電機首先帶動飛輪運動，當(dāng)飛輪速度穩(wěn)定后，該離合器閉合，將動力傳遞給減速箱，從而實現(xiàn)飛輪和抽油機的依次啟動。
安裝離合器前后對電機啟動時間曲線影響如圖7所示，仿真結(jié)果表明：對于轉(zhuǎn)動慣量為40 kg·m2，傳動比為1∶2的飛輪，安裝離合器前電機從啟動至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速需要6 s，當(dāng)安裝離合器后只需要4.5 s，啟動時間縮短了1.5 s，說明安裝離合器能起到縮短電機啟動時間的效果。
圖7 安裝離合器前后對電機啟動影響
2.3 飛輪對電機特性的影響
為研究飛輪對電機特性的影響，對不同傳動比和轉(zhuǎn)動慣量的飛輪進(jìn)行了分析。圖8為不同傳動比時電機扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖8可知：傳動比小于1∶1時對電機的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速影響較大，且隨著傳動比的增大曲線波動越厲害；當(dāng)傳動比大于1∶1后，再改變傳動比對電機的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速影響較小，且出現(xiàn)曲線接近重合的現(xiàn)象。說明傳動比達(dá)到一定比例后，再增加傳動比，幾乎不影響電機的工作特性。
圖8 不同傳動比對電機扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的影響
圖9為使用不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪時電機扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖9可知：游梁式抽油機安裝飛輪后能減小電機扭矩、功率和速度的波動，且轉(zhuǎn)動慣量越大曲線波動越小。特別地，未安裝飛輪時，電機最大正負(fù)扭矩為836 N·m和-386 N·m，最大正負(fù)功率為65 kW和-36 kW，電機轉(zhuǎn)速波動范圍為738～899 r/min；安裝轉(zhuǎn)動慣量為60 kg·m2的飛輪后最大正負(fù)扭矩控制在371～-135 N·m之間，最大正負(fù)功率降低到35 kW和-12 kW；電機轉(zhuǎn)速波動范圍變?yōu)?92～866 r/min。說明游梁式抽油機安裝飛輪后，能減小電機最大輸出功率，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，并使電機運行更穩(wěn)定。即仿真結(jié)果符合式(9)。
圖9 不同轉(zhuǎn)動慣量對電機扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的影響
為了更直觀的體現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速波動情況，這里引入電動機轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)δ，即轉(zhuǎn)速的波動范圍與平均轉(zhuǎn)速的比值，其值越小表示電動機運行越平穩(wěn)。如式(10)所示
電動機轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)隨飛輪轉(zhuǎn)動慣量變化曲線如圖10所示，由圖10知：電動機轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)隨著飛輪轉(zhuǎn)動慣量的增大而減小，即飛輪轉(zhuǎn)動慣量越大電機轉(zhuǎn)速波動越小。
圖10 電機速度波動系數(shù)隨飛輪轉(zhuǎn)動慣量變化曲線
2.4 節(jié)能效果
對電機功率曲線求積分，可以計算出安裝不同轉(zhuǎn)動慣量飛輪時的平均功率如圖11所示，結(jié)果表明：飛輪轉(zhuǎn)動慣量越大，電機的平均功率越小，未安裝飛輪時平均功率為42.96 kW，當(dāng)安裝轉(zhuǎn)動慣量為100 kg·m2的飛輪時，平均功率僅為16 kW，節(jié)能效果明顯。所以，在游梁式抽油機中安裝飛輪可以降低電機的平均功率，且隨著轉(zhuǎn)動慣量增大電機平均功率變小。
圖11 安裝不同飛輪時電機平均功率
圖12所示為安裝不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪時，一個沖次內(nèi)電動機的輸入能量和抽油機消耗的能量變化曲線。抽油機消耗的能量值等于懸點載荷做功的絕對值，對電動機的電功率曲線求積分可得電動機的輸入能量。由圖12可知，在抽油機負(fù)載不變的條件下，一個沖次內(nèi)電動機的輸入能量隨安裝飛輪轉(zhuǎn)動慣量的增大而減小。
圖12 安裝不同飛輪時電機輸入和抽油機消耗的能量
3 結(jié)論
（1）游梁式抽油機在安裝儲能飛輪裝置后，能有效降低電機的啟動扭矩，降低安裝功率。
（2）隨著轉(zhuǎn)動慣量的增大，電機的啟動時間越長；傳動比越大，電機的啟動時間越短，當(dāng)傳動比大于2時，再增加傳動比，幾乎不影響電機的啟動時間。
（3）使用飛輪能減小電動機扭矩、功率和速度的波動，且隨著轉(zhuǎn)動慣量的增大波動幅值越小。
（4）游梁式抽油機中安裝飛輪可以降低電動機的平均功率，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，且隨著轉(zhuǎn)動慣量增大電機平均功率變小，飛輪儲能抽油機節(jié)能效果明顯，有廣闊的應(yīng)用前景。
引用本文： 韓傳軍,田德高,周勇.飛輪儲能游梁式抽油機仿真分析[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(04):1186-1192.
HAN Chuanjun,TIAN Degao,ZHOU Yong.Simulation analysis of flywheel energy storage beam pumping unit[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(04):1186-1192.
第一作者及聯(lián)系人：韓傳軍(1979—)，男，教授，研究方向為石油天然氣裝備現(xiàn)代設(shè)計、制造與仿真，E-mail:[email protected]。
