為研究?jī)?chǔ)能飛輪對(duì)游梁式抽油機(jī)性能的影響及節(jié)能效果，從理論上推導(dǎo)了影響電動(dòng)機(jī)輸出功率的數(shù)學(xué)模型，并建立了飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，采用ADAMS進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證了模型的可行性，并探討了不同傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)游梁式抽油機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：抽油機(jī)工作在上沖程時(shí)飛輪釋放能量，在下沖程時(shí)飛輪吸收能量；游梁式抽油機(jī)中安裝儲(chǔ)能飛輪可有效降低電機(jī)啟動(dòng)扭矩，并減小電機(jī)扭矩、功率和速度的波動(dòng)幅值；隨著儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大各項(xiàng)參數(shù)的波動(dòng)幅值均有所減小，但一定程度上延長(zhǎng)了電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間；通過計(jì)算電機(jī)功耗發(fā)現(xiàn)，在不同飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下，飛輪還可以抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，且隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大電機(jī)平均功率減小，使游梁式抽油機(jī)節(jié)能效果更為明顯。
關(guān)鍵詞： 游梁式抽油機(jī)；飛輪儲(chǔ)能；仿真分析；節(jié)能
游梁式抽油機(jī)一直占據(jù)著石油工業(yè)傳統(tǒng)機(jī)采設(shè)備的主導(dǎo)地位，由于游梁式抽油機(jī)的固有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機(jī)功率波動(dòng)大，實(shí)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(duì)游梁式抽油機(jī)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(jī)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(yùn)用于游梁式抽油機(jī)，通過電機(jī)變頻運(yùn)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(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中，并通過實(shí)驗(yàn)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(jī)節(jié)能系統(tǒng)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)游梁式抽油機(jī)節(jié)能提效方面的研究大多是通過電機(jī)控制和調(diào)參等方式對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，對(duì)于加入儲(chǔ)能裝置來提高抽油機(jī)效率的研究相對(duì)較少。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因其儲(chǔ)能效率高、儲(chǔ)能密度大、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，Mousavi等述了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)的優(yōu)缺點(diǎn)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(chǔ)能技術(shù)成功地運(yùn)用于重載機(jī)車，為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在游梁式抽油機(jī)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(jī)的缺點(diǎn)，姜民政等提出飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)。飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)主要由飛輪、驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄，電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。其原理示意圖見圖1，電機(jī)輸出軸上安裝有大小兩個(gè)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(jī)運(yùn)行在上沖程時(shí)，飛輪釋放能量，在下沖程時(shí)飛輪吸收能量，使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)趨于平穩(wěn)，從而改善抽油機(jī)工作性能，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
目前，對(duì)于飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)的研究相對(duì)較少，更沒有具體的方案模型，缺少相關(guān)的驗(yàn)證。因此，對(duì)飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)進(jìn)行研究分析，對(duì)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(jī)建模
1.1 仿真模型
根據(jù)動(dòng)能定理，飛輪儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的輸出峰值功率會(huì)減小，且與飛輪輸出功率呈反比；飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，電動(dòng)機(jī)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(jī)為例，在建模時(shí)，對(duì)不影響分析的抽油機(jī)部分細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并做如下假設(shè)：①忽略不隨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的小部件如螺栓、墊片等；②各零部件等效為剛體，不會(huì)發(fā)生形變；③不考慮各運(yùn)動(dòng)部件間的摩擦力和帶輪、齒輪和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的能量損耗。
首先用SolidWorks繪制簡(jiǎn)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(jiǎn)化為一對(duì)耦合齒輪傳動(dòng)，不考慮齒輪輪齒間的相互作用力。圖2所示為飛輪儲(chǔ)能游梁式抽油機(jī)虛擬樣機(jī)模型。
圖1 飛輪儲(chǔ)能抽油機(jī)虛擬樣機(jī)模型
圖2 飛輪儲(chǔ)能抽油機(jī)虛擬樣機(jī)模型
為虛擬樣機(jī)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(jī)作為動(dòng)力輸出源，選擇分析法建立直流電機(jī)模型，其主要參數(shù)設(shè)置為額定電壓380 V，極對(duì)數(shù)為4，勵(lì)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(jī)的沖次為每分鐘5次，沖程為3 m。抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷由摩擦阻力、靜載荷和動(dòng)載荷組成，對(duì)于隨懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化的動(dòng)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(diǎn)載荷的變化。以懸點(diǎn)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(jī)的額定懸點(diǎn)載荷為100 kN，這里設(shè)置最大懸點(diǎn)載荷為80 kN，最小懸點(diǎn)載荷為40 kN，如圖3所示。
圖3 懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)速度變化圖
抽油機(jī)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(yàn)證
為了保證抽油機(jī)仿真模型能實(shí)現(xiàn)所需要的功能，需對(duì)模型做如下驗(yàn)證。選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為40 kg·m2的飛輪，電機(jī)輸出軸與飛輪軸之間傳動(dòng)比（以下簡(jiǎn)稱傳動(dòng)比）取1∶2進(jìn)行仿真分析。圖4為飛輪動(dòng)能的變化和抽油機(jī)懸點(diǎn)位移變化曲線，由圖可知：飛輪啟動(dòng)時(shí)間約為10 s，運(yùn)行穩(wěn)定后其動(dòng)能會(huì)呈周期性變化，該抽油機(jī)模型的沖程約為2.8 m，沖次為每分鐘5次。抽油機(jī)懸點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛輪動(dòng)能增加；懸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛輪動(dòng)能減少，且在一個(gè)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(jī)仿真模型的運(yùn)行參數(shù)滿足預(yù)設(shè)值，在上沖程時(shí)飛輪釋放能量，在下沖程時(shí)飛輪吸收能量。
圖4 飛輪動(dòng)能與懸點(diǎn)位移
為驗(yàn)證安裝飛輪后對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)速度的影響，對(duì)使用飛輪前后的抽油機(jī)懸點(diǎn)速度進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。仿真結(jié)果表明：安裝飛輪前，懸點(diǎn)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(jī)上沖程時(shí)，最大懸點(diǎn)速度為0.88 m/s在下沖程時(shí)，最大懸點(diǎn)速度為-0.77 m/s，說明飛輪能增加懸點(diǎn)上行峰值速度，減小下行峰值速度。
圖5 安裝飛輪前后懸點(diǎn)速度對(duì)比
2.2 飛輪對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的影響
為研究飛輪對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的影響，對(duì)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)比的飛輪進(jìn)行了分析，圖6所示為不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)比時(shí)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的影響曲線。其中圖6(a)為使用不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間曲線，結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，特別地，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為100 kg·m2的飛輪，電機(jī)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(shí)，電機(jī)僅需約1 s即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖6(b)為不同傳動(dòng)比時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間曲線，結(jié)果表明：傳動(dòng)比越大電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間越短，其中，傳動(dòng)比大于2時(shí)的電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間與未安裝飛輪時(shí)的接近。說明了傳動(dòng)比達(dá)到一定比例后，再增加傳動(dòng)比，幾乎不影響電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。
圖6 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和傳動(dòng)比的電機(jī)啟動(dòng)曲線
為改善前述飛輪與抽油機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，在電機(jī)輸出軸與連接減速箱的皮帶輪間安裝離合器，來減少電機(jī)的啟動(dòng)載荷，其作用原理為：電機(jī)首先帶動(dòng)飛輪運(yùn)動(dòng)，當(dāng)飛輪速度穩(wěn)定后，該離合器閉合，將動(dòng)力傳遞給減速箱，從而實(shí)現(xiàn)飛輪和抽油機(jī)的依次啟動(dòng)。
安裝離合器前后對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間曲線影響如圖7所示，仿真結(jié)果表明：對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為40 kg·m2，傳動(dòng)比為1∶2的飛輪，安裝離合器前電機(jī)從啟動(dòng)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(dòng)時(shí)間縮短了1.5 s，說明安裝離合器能起到縮短電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的效果。
圖7 安裝離合器前后對(duì)電機(jī)啟動(dòng)影響
2.3 飛輪對(duì)電機(jī)特性的影響
為研究飛輪對(duì)電機(jī)特性的影響，對(duì)不同傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪進(jìn)行了分析。圖8為不同傳動(dòng)比時(shí)電機(jī)扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖8可知：傳動(dòng)比小于1∶1時(shí)對(duì)電機(jī)的扭矩、功率和轉(zhuǎn)速影響較大，且隨著傳動(dòng)比的增大曲線波動(dòng)越厲害；當(dāng)傳動(dòng)比大于1∶1后，再改變傳動(dòng)比對(duì)電機(jī)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(dòng)比達(dá)到一定比例后，再增加傳動(dòng)比，幾乎不影響電機(jī)的工作特性。
圖8 不同傳動(dòng)比對(duì)電機(jī)扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的影響
圖9為使用不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪時(shí)電機(jī)扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的變化曲線，由圖9可知：游梁式抽油機(jī)安裝飛輪后能減小電機(jī)扭矩、功率和速度的波動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大曲線波動(dòng)越小。特別地，未安裝飛輪時(shí)，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為738～899 r/min；安裝轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍變?yōu)?92～866 r/min。說明游梁式抽油機(jī)安裝飛輪后，能減小電機(jī)最大輸出功率，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，并使電機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定。即仿真結(jié)果符合式(9)。
圖9 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)電機(jī)扭矩、功率和轉(zhuǎn)速的影響
為了更直觀的體現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，這里引入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)δ，即轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍與平均轉(zhuǎn)速的比值，其值越小表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行越平穩(wěn)。如式(10)所示
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)隨飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化曲線如圖10所示，由圖10知：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)隨著飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而減小，即飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)越小。
圖10 電機(jī)速度波動(dòng)系數(shù)隨飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化曲線
2.4 節(jié)能效果
對(duì)電機(jī)功率曲線求積分，可以計(jì)算出安裝不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量飛輪時(shí)的平均功率如圖11所示，結(jié)果表明：飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，電機(jī)的平均功率越小，未安裝飛輪時(shí)平均功率為42.96 kW，當(dāng)安裝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為100 kg·m2的飛輪時(shí)，平均功率僅為16 kW，節(jié)能效果明顯。所以，在游梁式抽油機(jī)中安裝飛輪可以降低電機(jī)的平均功率，且隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大電機(jī)平均功率變小。
圖11 安裝不同飛輪時(shí)電機(jī)平均功率
圖12所示為安裝不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪時(shí)，一個(gè)沖次內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸入能量和抽油機(jī)消耗的能量變化曲線。抽油機(jī)消耗的能量值等于懸點(diǎn)載荷做功的絕對(duì)值，對(duì)電動(dòng)機(jī)的電功率曲線求積分可得電動(dòng)機(jī)的輸入能量。由圖12可知，在抽油機(jī)負(fù)載不變的條件下，一個(gè)沖次內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸入能量隨安裝飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而減小。
圖12 安裝不同飛輪時(shí)電機(jī)輸入和抽油機(jī)消耗的能量
3 結(jié)論
（1）游梁式抽油機(jī)在安裝儲(chǔ)能飛輪裝置后，能有效降低電機(jī)的啟動(dòng)扭矩，降低安裝功率。
（2）隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)；傳動(dòng)比越大，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間越短，當(dāng)傳動(dòng)比大于2時(shí)，再增加傳動(dòng)比，幾乎不影響電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。
（3）使用飛輪能減小電動(dòng)機(jī)扭矩、功率和速度的波動(dòng)，且隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大波動(dòng)幅值越小。
（4）游梁式抽油機(jī)中安裝飛輪可以降低電動(dòng)機(jī)的平均功率，抑制倒發(fā)電現(xiàn)象，且隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大電機(jī)平均功率變小，飛輪儲(chǔ)能抽油機(jī)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(chǔ)能游梁式抽油機(jī)仿真分析[J].儲(chǔ)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?yàn)槭吞烊粴庋b備現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造與仿真，E-mail:[email protected]。
