飞轮储能游梁式抽油机仿真分析
为研究储能飞轮对游梁式抽油机性能的影响及节能效果，从理论上推导了影响电动机输出功率的数学模型，并建立了飞轮储能游梁式抽油机的虚拟样机模型，采用ADAMS进行仿真分析验证了模型的可行性，并探讨了不同传动比和转动惯量对游梁式抽油机性能的影响。结果表明：抽油机工作在上冲程时飞轮释放能量，在下冲程时飞轮吸收能量；游梁式抽油机中安装储能飞轮可有效降低电机启动扭矩，并减小电机扭矩、功率和速度的波动幅值；随着储能飞轮转动惯量的增大各项参数的波动幅值均有所减小，但一定程度上延长了电机的启动时间；通过计算电机功耗发现，在不同飞轮转动惯量下，飞轮还可以抑制倒发电现象，且随着转动惯量增大电机平均功率减小，使游梁式抽油机节能效果更为明显。
关键词： 游梁式抽油机；飞轮储能；仿真分析；节能
游梁式抽油机一直占据着石油工业传统机采设备的主导地位，由于游梁式抽油机的固有结构，导致电机功率波动大，实际工作中效率比较低，生产电能损耗增加。因此，降低电力消耗，减少油气生产成本是刻不容缓的议题。
许多学者对游梁式抽油机进行了相关研究，并提出了节能提效的措施。王义龙等提出将“断续供电”技术应用于油田机采系统，能够获得明显节能效果；Lu等提出双脉冲宽度调制变频器运用于游梁式抽油机，通过电机变频运行达到节能效果；Tian等将小波神经网络应用于抽油机节能控制系统中，并通过实验证明了该系统的可行性和有效性；LYU等提出了一种基于物联网的游梁式抽油机节能系统。通过调研发现，目前对游梁式抽油机节能提效方面的研究大多是通过电机控制和调参等方式对抽油机进行节能优化，对于加入储能装置来提高抽油机效率的研究相对较少。
飞轮储能技术因其储能效率高、储能密度大、对环境无污染等优点而备受关注，Mousavi等述了飞轮储能系统(FESS)的优缺点并提出了今后发展该技术的具体途径；飞轮控制技术和超导轴承技术的出现及Spiryagin等将飞轮储能技术成功地运用于重载机车，为飞轮储能技术在游梁式抽油机上的应用奠定了基础。
鉴于传统地面抽采设备游梁式抽油机的缺点，姜民政等提出飞轮储能游梁式抽油机。飞轮储能游梁式抽油机主要由飞轮、驴头、游梁、横梁、连杆、曲柄，电机和传动系统等组成。其原理示意图见图1，电机输出轴上安装有大小两个带轮，且大小带轮轴通过离合器连接，大带轮通过皮带连接飞轮轴上的带轮，小带轮通过皮带连接减速箱输入轴上的带轮。抽油机运行在上冲程时，飞轮释放能量，在下冲程时飞轮吸收能量，使系统运转趋于平稳，从而改善抽油机工作性能，达到节能降耗的目的。
目前，对于飞轮储能游梁式抽油机的研究相对较少，更没有具体的方案模型，缺少相关的验证。因此，对飞轮储能游梁式抽油机进行研究分析，对提高油田生产效率和降低能耗有着重要意义。
1 虚拟样机建模
1.1 仿真模型
根据动能定理，飞轮储存的能量大小由式(1)可得
(1)
由式(8)和式(9)可知，安装飞轮后，电动机的输出峰值功率会减小，且与飞轮输出功率呈反比；飞轮转动惯量越大，电动机功率减少越明显。
这里以某油田使用的CYJ10-3-37HB型游梁式抽油机为例，在建模时，对不影响分析的抽油机部分细微结构进行简化，并做如下假设：①忽略不随系统运动的小部件如螺栓、垫片等；②各零部件等效为刚体，不会发生形变；③不考虑各运动部件间的摩擦力和带轮、齿轮和曲柄连杆机构的能量损耗。
首先用SolidWorks绘制简化后的零件模型并装配，然后将装配图导入ADAMS软件中。减速箱简化为一对耦合齿轮传动，不考虑齿轮轮齿间的相互作用力。图2所示为飞轮储能游梁式抽油机虚拟样机模型。
图1 飞轮储能抽油机虚拟样机模型
图2 飞轮储能抽油机虚拟样机模型
为虚拟样机模型各部件间添加约束，如表1所示。
表1 各部件约束关系
1.2 仿真参数设置
用ADAMS软件的Adams Machinery模块中自带的电机作为动力输出源，选择分析法建立直流电机模型，其主要参数设置为额定电压380 V，极对数为4，励磁方式为并联，额定转速为750 r/min，额定功率为50 kW。
游梁式抽油机的冲次为每分钟5次，冲程为3 m。抽油机的悬点载荷由摩擦阻力、静载荷和动载荷组成，对于随悬点运动速度的变化而变化的动载荷在ADAMS软件中是不能直接创建的，选择用IF函数来模拟悬点载荷的变化。以悬点速度（设竖直向上为正方向）作为IF函数的变量，考虑到抽油机的额定悬点载荷为100 kN，这里设置最大悬点载荷为80 kN，最小悬点载荷为40 kN，如图3所示。
图3 悬点载荷与悬点速度变化图
抽油机和飞轮材料均选择碳素钢，其杨氏模量为2.1×1011 N/m2，泊松比为0.29，密度为7800 kg/m3。
2 仿真结果分析
2.1 仿真模型验证
为了保证抽油机仿真模型能实现所需要的功能，需对模型做如下验证。选择转动惯量为40 kg·m2的飞轮，电机输出轴与飞轮轴之间传动比（以下简称传动比）取1∶2进行仿真分析。图4为飞轮动能的变化和抽油机悬点位移变化曲线，由图可知：飞轮启动时间约为10 s，运行稳定后其动能会呈周期性变化，该抽油机模型的冲程约为2.8 m，冲次为每分钟5次。抽油机悬点向下运动时，飞轮动能增加；悬点向上运动时，飞轮动能减少，且在一个周期内飞轮吸收或释放的最大能量为120 kJ。仿真结果表明：该抽油机仿真模型的运行参数满足预设值，在上冲程时飞轮释放能量，在下冲程时飞轮吸收能量。
图4 飞轮动能与悬点位移
为验证安装飞轮后对抽油机悬点速度的影响，对使用飞轮前后的抽油机悬点速度进行对比分析，如图5所示。仿真结果表明：安装飞轮前，悬点在上冲程最大速度为0.81 m/s，在下冲程的最大速度为-0.91 m/s；安装飞轮后，抽油机上冲程时，最大悬点速度为0.88 m/s在下冲程时，最大悬点速度为-0.77 m/s，说明飞轮能增加悬点上行峰值速度，减小下行峰值速度。
图5 安装飞轮前后悬点速度对比
2.2 飞轮对电机启动的影响
为研究飞轮对电机启动时间的影响，对不同转动惯量和传动比的飞轮进行了分析，图6所示为不同转动惯量和传动比时对电机启动时间的影响曲线。其中图6(a)为使用不同转动惯量飞轮时，电机启动的时间曲线，结果表明：随着转动惯量的增大电机的启动时间延长，特别地，对于转动惯量为100 kg·m2的飞轮，电机要经过12 s才达到750 r/min的额定速度，但在未使用飞轮时，电机仅需约1 s即可达到额定转速。图6(b)为不同传动比时，电机启动的时间曲线，结果表明：传动比越大电机的启动时间越短，其中，传动比大于2时的电机启动时间与未安装飞轮时的接近。说明了传动比达到一定比例后，再增加传动比，几乎不影响电机的启动时间。
图6 不同转动惯量和传动比的电机启动曲线
为改善前述飞轮与抽油机同时启动时电机启动时间过长的问题，在电机输出轴与连接减速箱的皮带轮间安装离合器，来减少电机的启动载荷，其作用原理为：电机首先带动飞轮运动，当飞轮速度稳定后，该离合器闭合，将动力传递给减速箱，从而实现飞轮和抽油机的依次启动。
安装离合器前后对电机启动时间曲线影响如图7所示，仿真结果表明：对于转动惯量为40 kg·m2，传动比为1∶2的飞轮，安装离合器前电机从启动至达到额定转速需要6 s，当安装离合器后只需要4.5 s，启动时间缩短了1.5 s，说明安装离合器能起到缩短电机启动时间的效果。
图7 安装离合器前后对电机启动影响
2.3 飞轮对电机特性的影响
为研究飞轮对电机特性的影响，对不同传动比和转动惯量的飞轮进行了分析。图8为不同传动比时电机扭矩、功率和转速的变化曲线，由图8可知：传动比小于1∶1时对电机的扭矩、功率和转速影响较大，且随着传动比的增大曲线波动越厉害；当传动比大于1∶1后，再改变传动比对电机的扭矩、功率和转速影响较小，且出现曲线接近重合的现象。说明传动比达到一定比例后，再增加传动比，几乎不影响电机的工作特性。
图8 不同传动比对电机扭矩、功率和转速的影响
图9为使用不同转动惯量的飞轮时电机扭矩、功率和转速的变化曲线，由图9可知：游梁式抽油机安装飞轮后能减小电机扭矩、功率和速度的波动，且转动惯量越大曲线波动越小。特别地，未安装飞轮时，电机最大正负扭矩为836 N·m和-386 N·m，最大正负功率为65 kW和-36 kW，电机转速波动范围为738～899 r/min；安装转动惯量为60 kg·m2的飞轮后最大正负扭矩控制在371～-135 N·m之间，最大正负功率降低到35 kW和-12 kW；电机转速波动范围变为792～866 r/min。说明游梁式抽油机安装飞轮后，能减小电机最大输出功率，抑制倒发电现象，并使电机运行更稳定。即仿真结果符合式(9)。
图9 不同转动惯量对电机扭矩、功率和转速的影响
为了更直观的体现电动机转速波动情况，这里引入电动机转速不均匀系数δ，即转速的波动范围与平均转速的比值，其值越小表示电动机运行越平稳。如式(10)所示
电动机转速不均匀系数随飞轮转动惯量变化曲线如图10所示，由图10知：电动机转速不均匀系数随着飞轮转动惯量的增大而减小，即飞轮转动惯量越大电机转速波动越小。
图10 电机速度波动系数随飞轮转动惯量变化曲线
2.4 节能效果
对电机功率曲线求积分，可以计算出安装不同转动惯量飞轮时的平均功率如图11所示，结果表明：飞轮转动惯量越大，电机的平均功率越小，未安装飞轮时平均功率为42.96 kW，当安装转动惯量为100 kg·m2的飞轮时，平均功率仅为16 kW，节能效果明显。所以，在游梁式抽油机中安装飞轮可以降低电机的平均功率，且随着转动惯量增大电机平均功率变小。
图11 安装不同飞轮时电机平均功率
图12所示为安装不同转动惯量的飞轮时，一个冲次内电动机的输入能量和抽油机消耗的能量变化曲线。抽油机消耗的能量值等于悬点载荷做功的绝对值，对电动机的电功率曲线求积分可得电动机的输入能量。由图12可知，在抽油机负载不变的条件下，一个冲次内电动机的输入能量随安装飞轮转动惯量的增大而减小。
图12 安装不同飞轮时电机输入和抽油机消耗的能量
3 结论
（1）游梁式抽油机在安装储能飞轮装置后，能有效降低电机的启动扭矩，降低安装功率。
（2）随着转动惯量的增大，电机的启动时间越长；传动比越大，电机的启动时间越短，当传动比大于2时，再增加传动比，几乎不影响电机的启动时间。
（3）使用飞轮能减小电动机扭矩、功率和速度的波动，且随着转动惯量的增大波动幅值越小。
（4）游梁式抽油机中安装飞轮可以降低电动机的平均功率，抑制倒发电现象，且随着转动惯量增大电机平均功率变小，飞轮储能抽油机节能效果明显，有广阔的应用前景。
引用本文： 韩传军,田德高,周勇.飞轮储能游梁式抽油机仿真分析[J].储能科学与技术,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.
第一作者及联系人：韩传军(1979—)，男，教授，研究方向为石油天然气装备现代设计、制造与仿真，E-mail:hanchuanjun@126.com。
