时间：2008-7-4 16:24:08 来源：本站 作者：本站 编辑：
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抽油机液压节能项目简介
2006年8月，北京嘉捷恒信能源技术有限公司将拥有自主知识产权的“汽车液压节能技术”加以延伸和改进，成功研制出了游梁式抽油机液压节能装置。同时，在大港油田进行了现场试验，取得了双方满意的结果，现正在大港油田进行批量安装。
一、项目背景
北京嘉捷恒信能源技术有限责任公司是一家长期从事节能环保技术的高科技公司，公司研制的液压节能装置已经在北京城市公交车上得到应用，并获得了该技术的四项国家发明专利。公司的这项液压节能技术受到北京市公交总公司、北京市发改委和北京市科委的高度重视。现已进行产业化生产，并取得了节省车用燃料30%、动力增加25%、排放减少70%的实际效果。城市公交车经常工作在频繁制动和起动的城市路况，液压节能装置在车辆制动时回收将被浪费掉的制动动能，将其储存在液压储能元件中，在车辆起动或加速的过程中，再释放已储存的制动能量，驱动车辆行驶。
液压节能装置是一种可以回收和再利用惯性动能、制动动能、重力势能的装置，可以应用在车辆、抽油机、移动机械、电梯和机床等领域，主要目的是节省能源和提高主动力源的工作寿命。
一直以来，油田公司将节电降耗作为创建节约型企业的目标之一，采用多种措施实现节电降耗，特别是大力推广使用节电产品和积极参与节电项目科技攻关。针对油田方对节电产品的需要，我公司积极开展调研，创造性地将液压节能与传统节电方式结合应用到抽油机节能上，提出了新颖、独特、颇具竞争力的抽油机液压节能综合技术解决方案。
液压节能装置能够在游梁式抽油机从下冲程运动过程中回收部分重力势能，在上冲程运动过程中释放回收到的重力势能，提供驱动附加功率，达到减少电机实际使用功率、降低电机实际使用用电量的目的。
与城市公交车相比，在抽油机上应用液压节能装置更容易达到较高的节能效果，理由如下：
1、车辆行驶时的工况是极其多变的，而抽油机的工况循环是相对固定的，其工况是有规律可循的。因此，其节能控制要比车辆容易很多，易于合理选择液压元件的使用范围，在保证动力匹配优化的同时，提高液压元件的使用效率。
2、在城市公交车辆上安装该装置，对噪音和振动有比较高的要求，而抽油机工作环境对装置的噪音和振动要求要低一些，更加容易满足。
根据以上分析，我们对游梁式抽油机节能改造方案提出了如下技术要求：
1、基本不对原抽油机做结构改动；
2、高度集中的装置总成，占用空间小；
3、出现故障时，可简单快速地实现装置脱离，不影响抽油机正常运行；
4、液压技术成熟，维修简便、备件便宜；
5、节能效果明显。
基于上述要求，我们于2006年8月向大港油田提出了实施该技术方案的建议，开发出抽油机液压节能装置，并组织现场试验验证，最终获得油田方认可的节电效果。
二、项目介绍
（一）抽油机液压节能装置的基本原理
该液压节能装置由工作装置和辅助装置两部分组成，工作装置由液压缸、液压蓄能器、电控单元、位置传感器、压力传感器等组成。外形结构见下图：
实际工作图
（位于板835-8井,已安装液压节能装置的
CYJ-12-4.8-73HB型游梁式抽油机)
该液压节能装置通过液压缸连杆机构与抽油机游梁上安装的撞块实现非铰接连接，当抽油机光杆下行到负功区，通过抽油机游梁上的撞块与液压缸连杆机构的接触，使液压缸活塞杆向下运动,液压缸内部的油液进入液压蓄能器,机械能转变为液压能,实现能量储存。当抽油机光杆上行时，液压蓄能器内的油液流向液压缸, 推动液压缸活塞杆向上运动,液压能转变为机械能,实现能量释放。能量释放结束,液压缸连杆机构脱离抽油机游梁撞块。
液压节能装置通过电控单元指令其工作过程，原理见下图。电控单元主要由DSP微处理器芯片、数据采集电路和间歇供电硬件电路组成。 DSP芯片负责运算和管理电控液压装置的节能策略，采集抽油机位置信号、电机电流电压信号和液压缸和蓄能器压力信号,然后分析这些信号,作出液压缸回收释放策略以及电机的间歇供电策略,指令液压集成块工作和驱动电机间歇停止和工作
液压节能装置与抽油机的电气接口是通过安装在抽油机支架上的位置传感器实现，位置传感器用电线束与电控单元连接，该传感器将测取抽油机每一工作循环的位置信号，送入电控单元的DSP芯片，经过节电策略的运算，发出指令控制辅助液压能量再生装置进行再生能量回收和释放。
（二）项目实施的过程
1） 项目成功的关键在于科学的项目管理。在合同签定之后，公司立刻成立了以公司领导为负责人，总工程师为技术总监，内涵电控博士、机械设计工程师、液压专业工程师和工人技师等人员组成的项目团队，并制定了相应的职责、考核制度和沟通机制。接着，根据项目实际情况，以时间和里程碑节点要素，制定了项目进程规划，将整个进程分为抽油机现场条件与运行数据收集、技术调研方案设计确认、机械与液压结构设计加工装配和软件控制系统开发、装配调试和现场检测等关键节点，项目组全体成员以规划为要求，循序渐进，逐步推进。
2） 坚持现场测试。为掌握当前试验抽油机的结构、运营特点和井下负荷变化规律以及电机、抽油机与负载变化的匹配规律，项目组进行了三个多月持续的现场数据采样和分析加工工作，积累了大量的现场一线数据和设计参数，为保证成功制定节电策略，开发有效的软件控制系统打下了坚实的基础。
3）投入大量精力，组织进行技术调研和分析论证。为了解抽油机节能技术现状、实现障碍，规避研发风险，项目组负责人和骨干设计人员展开了全面的技术调研工作，遍查和研究了有关抽油机节能专利文献20余项，走访了西安、深圳、河北、广东、河南等同行业单位，以及哈工大、石油大学、中国农业大学等高等院校，掌握了技术前沿现状和发展趋势。通过比较和论证，项目组发现，游梁式抽油机工作效率不高，耗电严重。而针对此种现状，无论是抽油机生产厂家还是油田用户都进行了广泛和深入的节能研究，提出了许多行之有效的方法。目前市场上已有的改进方案要么集中于改进抽油机的结构，要么改变动力机的工作特性，要么增加抽油机的转动惯量，试图充分发挥其动能均衡作用，降低电动机承受扭矩的波动量，以达到节能的目的等。但是，由于设计思路单一，其节能效果依然有限。
项目组根据游梁式抽油机的工作特性和长期存在的问题，利用国际上先进并且成熟的液压技术，运用综合方法，进行技术改造，符合国际先进技术发展方向，能有效解决游梁式抽油机普遍存在的问题，于是，更坚定了独辟蹊径，融入液压技术，采用综合节电方法，产生1+1>2的组合效果的节电新方案。项目组坚信在不改变原抽油机机械结构和平衡配重的基础上，采用辅助液压节电装置，回收抽油机负功率余能，能够达到节省抽油机工作电能的目的。事实证明，前期的技术调研和技术创新思路决定了项目的成功。
（三）试验项目的基本成果
抽油机作为一个成熟产品，其节能努力犹如久嚼的干蔗，越是后者越难以获得收获。要突破，惟有发挥自我优势和技术创新。项目组以此为要求，在公司液压技术优势的基础上不断创新，使本项目取得了较好的项目成果。
1）节电效果显著，实现了合同目标。
项目组研制的YJ-2110型液压节能装置安装在大港油田采油四厂一队板835-8井的CYJ-12-4.8-73HB游梁式抽油机上,到2007年9月为止,YJ-2110型液压节能装置在板835-8井进行了大约7个月的节电试验，装置运行可靠，工作稳定。第三方检测（大港油田集团检测评价中心）,于2007年6月23日上午在天津大港油田采油四厂一队板835-8井现场进行，检测结果为：
有功节电率： 9.32 %
无功节电率： 31.94 %
综合节电率： 10.17 %
＂检测报告＂见后附件1。
检测现场和检测结果分析见附件２＂检测现场和节电试验测试曲线分析＂
检测完成后，现该装置正在板835-8井进行可靠性实验，至今已安全运行三个多月。
2）由于该装置所具有的技术独创性，公司已经向国家专利局申报了国家发明专利，现已被受理。受理函见附件３。
3）通过该项目，进一步巩固和形成了新的关键技术包括：
I、 由液压执行元件和液压蓄能元件组成的核心驱动技术。
II、 液压装置的节电策略。优化节电控制策略和基于自适应理论的算法等液压装置的节电策略和优化算法
项目成果的取得来源于我公司技术优势的发挥和技术创新理念的落实。进一步说，就是将用于汽车能量回收助力的专有技术，应用于游梁式抽油机的节能技术改造，开发出游梁式抽油机液压能量回收助力技术，达到节省电能、延长电机使用寿命的效果。
三、经济技术分析
（一）投资效益分析
任何技术的价值都是通过实际应用最终体现出来的。项目组开发的抽油机液压节能装置不但拥有先进的高新技术，而且，投入实际装备，还能够为油田带来可预期的经济价值和良好的节能环保等社会效益。
以单台计算，CYJS12-4.8-73HB型游梁式抽油机现配置三项异步电机，额定功率35kw，实际使用功率约16kw。如果CYJS12-4.8-73HB型游梁式抽油机按全年350天，每天24小时连续运行计算，每年耗电134400度电，每度工业用电为0.70元，每年的电费为94080.00元。如安装液压能量回收节能装置节电10%，则每年节省电费9408.00元，估计辅助液压节能装置批量装备成本为37000.00元，基于以上估算，不到四年时间就可以收回液压节能装置的成本。若安装液压节能装置节电15%，则每年节省电费14112.00元，两年多一点时间就可收回全部投资。
（二）使用寿命分析
由于液压节能装置的结构较为简单，使用机械和液压的元器件少，因此大大提高了装置本身的可靠性，降低了维护维修成本。影响装置可靠性的主要部件是液压缸，由于采用差动液压缸油路设计，基本消除液压缸活塞与液压缸缸体之间磨损对其寿命和可靠性的影响。影响液压缸寿命的主要因素表现在液压缸前端密封圈磨损，同时由于采用的高压液压缸，使用在低压工况，而且是非连续工作工况，从而有效提高了液压缸的使用寿命。液压节能装置的全部机械总成，在设计合理的前提下，可以保证与抽油机机械结构的同等使用寿命。
（三）维护难易分析
液压节能装置的机械液压部分模块化结构设计使维护十分便利，关键零部件采取冗余和降额设计提高了使用寿命，也减少了维修次数，同时设计时也充分考虑到关键件的必要适时的维护。此外，与原抽油机并联的连接方式，可使得在抽油机在原态工作不停机情况下，对液压节能装置的机械液压部件进行维护。如对液压缸前端密封圈更换维护时，更换时间短、费用低。正常使用情况下，液压缸至少连续工作五十万次，更换密封圈一次，更换时间不超过４０分钟。
维护维修时不影响抽油机正常运行，小的故障可现场及时解决，大的故障采用更换液压节能装置总成的方法解决，更换后的总成，在后方维护和维修后全部可以在不影响节电效果前提下继续使用。
（四）运行费用分析
液压节能装置正常运行时，除了电控部分外，像机械液压部分基本不耗电，同时电控部分采取低功耗设计，消耗很有限。而且通过电控系统自带的监控报警和安全保护系统，无需安排专人看护，只要纳入抽油机正常管理范畴即可。因此，该装置的运行费用主要是装置的维护费用，由于提高可靠性以及降额设计，延长使用寿命，液压节能装置的运行维护成本较低，装置总成的维护维修成本基本控制在装置总价格的3-5％。
总而言之，从经济效益角度看，该装置具有可预期的经济效益。
四、项目展望
（一）推广应用前景
综观全球，游梁式抽油机是世界各个油田普遍使用的抽油机机型，这种机型由于启动功率与运行功率的倍差、上下行功率的变化，使得“大马拉小车”、上下行平衡超标与高耗能的问题，始终没有得到很好地解决。尽管目前直线电机抽油机、双功率电机技术已经成熟，但一方面这些技术的推广普及尚需时日，另一方面运用这些技术的投入相对较高，因此应用投入较低的成熟技术，对游梁式抽油机进行节能改造是极具现实意义的。项目组相信，抽油机液压节能装置应运而生，是难得的正确解决方案。
而且，从市场需求和容量来看，我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，以水换油、以电换油是我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了很大比例。其能耗已占油田能耗的三分之一。全国每年耗电约四十二亿人民币。而在大港油田同样存在这一问题。在这种情况下，对现有抽油机进行节能改造无疑是投入少见效快的可选方案．有必要尽快实现该技术的产业化。装备具有节能效果的节能设备具有可预期的显著的经济效益，在我国也具有广阔的市场需求、明显的应用前景。
（二）技术发展潜力
与传统方式相比, 该液压节能装置的技术优势和发展潜力主要体现在如下几个方面:
1、有效利用抽油机发电态负功能量。液压节能装置可在消除发电态负功对抽油机不良影响的同时,将负功余能再生使用，降低抽油机提升过程的有功功率消耗，减少抽油机电机扭矩波动，改善抽油机周期载荷系数，起到抽油机调峰的二次平衡的效果．改善了抽油机机械结构受负功余能产生机械冲击的工作环境，提高机械使用寿命．
2、提高电机功率因数,减少电机的无功损耗。在降低抽油机有功能耗的同时,液压节能装置不改变原抽油机的冲程和冲次。
3、与原抽油机并联连接，不影响原抽油机的正常使用。液压能量回收节能装置是与原抽油机并联连接的节能装置,在液压能量回收节能装置需要维护维修和出现故障时不影响原抽油机的正常使用,从而保证抽油机的长期正常运行，不会因为液压能量回收节能装置维护维修而影响抽油机产量。在保留上述结构优势的同时，可以通过创新设计，实现液压能量回收节能装置与抽油机 “运行连接，按需断开”的新模式，以消除当二者断开连接，在运行过程中所带来的“硬”冲击与噪音干扰问题。
4、可适当降低装机功率。加装液压能量回收节能装置的抽油机可以适当降低抽油机电机的装机功率, 降低装机功率可以降低抽油机的成本和提高电机功率因数,有利于进一步提高电机的节电率,试验表明,液压节能装置可以减小抽油机电机的最大峰值功率。如此，可以根据井口负载变化和抽油机既定电机的配置状况，适当降低电机功率的配置参数，从而减少当前游梁式抽油机普遍存在的“大马拉小车”状况，降低抽油机购置成本，加速投资回收速度。但减小装机容量后,电机长期运行的温升效果需要经过一定的试验考核周期.
5、自动化水平和可靠性高、维护方便。由于液压节能装置的结构较为简单，通过提高可靠性及降额设计，延长使用寿命，液压节能装置的运行维护方便。而且，数据采集与远程传输功能可以得到进一步的扩展应用，电控系统自带的监控、报警和安全保护系统在得到进一步优化之后也能够提升整体装置的自动化控制水平。
6、优化的节电控制策略和优化算法 ，可进一步提升节电效果。
对现有节电控制策略和优化算法加以改进完善。在现有控制系统“每时采集、同时计算、适时控制”运行模式的基础上，可以采用标准化、系列化设计，根据不同型号抽油机和井口负载变化相关的共同规律，通过统一算法，制定若干控制策略系列组合，然后保持控制策略的相对固定，以此简化算法，提高系统运行效率，减少成本支出。
应用与推广该技术符合国家提出的节能和持续发展战略，有相当的社会价值。国务院日前制定的《节能减排综合性工作方案》明确指出，国家将重点实施钢铁、有色、石油石化、化工、建材等重点耗能行业余热余压利用、节约和替代石油、电机系统节能、能量系统优化，以及工业锅炉(窑炉)改造等．一场以节能减排为主题的管理革命开始了。我公司将一如既往，秉承专业节能的技术优势，为客户节能，增加效益，美化形象。
综上所述，衷心希望以我们的努力获得油田合作方的认可，并以此项目为契机，加深与油田的合作，尽快推动项目成果的实际应用，为中国油田建设的辉煌业绩添砖加瓦，为我国石油节能事业贡献一份力量。
总结报告――附件1 ＂检测报告＂
总结报告――附件２＂检测现场和节电试验测试曲线分析＂
一．三方检测的测试现场照片
二．从以下两图是液压节能装置现场节电试验测试曲线，由图可以看出使用液压节能装置后，节电机理和节能效果。
不使用液压能量回收节能装置的抽油机在一个冲程中的消耗电能图
使用液压能量回收节能装置的抽油机在一个冲程中的消耗电能图
液压节能装置可有效利用抽油机发电态负功能量,在消除发电态负功对抽油机不良影响的同时,将负功余能再生使用，降低抽油机提升过程的有功功率消耗，减少抽油机电机扭矩波动，改善抽油机周期载荷系数，起到抽油机调峰的二次平衡的效果．改善了抽油机机械结构受负功余能产生机械冲击的工作环境，提高机械使用寿命。板835-8井CYJ-12-4.8-73HB游梁式抽油机在不使用液压节能装置时,一个冲程内的电机的发电负功能量占其全部能量的6-8%.使用液压节能装置后,通过回收使电机发电的机械能量,基本消除电机的发电态,降低抽油机电机发电态是对电网的污染。
总结报告---附件3国家发明专利受理函
总结报告---附件４公司介绍与技术优势
北京嘉捷恒信能源技术有限责任公司是一家长期从事节能环保技术的高科技公司，公司研制的液压节能装置已经在北京城市公交车上得到应用，并获得了该技术的四项国家发明专利。公司的这项液压节能技术受到北京市公交总公司，北京市发改委和北京市科委的高度重视。现已进行产业化生产，并取得了节省车用燃料30%、动力增加25%、排放减少70%的实际效果。城市公交车经常工作在频繁制动和起动的城市路况，液压节能装置在车辆制动时回收将被浪费掉的制动动能，将其储存在液压储能元件中，在车辆起动或加速的过程中，再释放已储存到制动能量，驱动车辆行驶。
液压节能装置是一种可以回收和再利用惯性动能、制动动能、重力势能的装置，可以应用在车辆、抽油机、移动机械、电梯和机床等领域，主要目的是节省能源和提高主动力源的工作寿命。
液压节能装置能够在游梁式抽油机从下冲程运动过程中回收部分重力势能，在上冲程运动过程中释放回收到的重力势能，提供驱动附加功率，达到减少电机实际使用功率、降低电机的实际使用用电量的目的
与城市公交车相比，在抽油机上应用液压节能装置更容易达到较高的节能效果，理由如下：
3、车辆行驶时的工况是极其多变的，而抽油机的工况循环固定的，其工况是有规律可循的。因此，其节能控制要比车辆容易很多，易于合理选择液压元件的使用范围，在保证动力匹配优化的同时，提高液压元件的使用效率。
4、在城市公交车辆上安装该装置，对噪音和振动有比较高的要求，而抽油机工作环境对装置的噪音和振动要求要低一些，更加容易实现。
根据以上分析，我们对游梁式抽油机节能改造方案提出了如下技术要求：
1、基本不对原抽油机做较大的结构改动；
2、高度集中的装置总成，占用空间小；
3 出现故障时，可简单快速地实现装置脱离，不影响抽油机正常运行；
4液压技术成熟，维修简便、备件便宜；
5 制造成本低，经济效益高；
6 节能效果明显。
基于上述要求，我们于2006年8月向大港油田提出了实施该技术的实验方案。
总结报告----附件５ 游梁式抽油机的工作原理
多数游梁式抽油机在每一个工作循环中，驱动电机均有出现负扭矩现象，抽油机出现负功区段，根据抽油机平衡调整的情况,通常有两个或一个负功区段,下图描述了出现两个负功区段的情况。在负功状态,能量传递发生倒流，通过曲柄向电机倒传递，电机将处于发电机运行状态。负扭矩一是使电机的平均效率和功率因数降低；二是使齿轮传动产生冲击载荷，影响驱动电机和减速器的使用寿命；三是增加电机的电力消耗。
如果不增加最小平均扭矩，而是将负功区域的产生的能量回收，再将这部分能量在驱动电机作正功时释放出来，帮助驱动电机共同驱动负载，就可以减小驱动电机实际工作功率，达到节省电能的目的，同时提高驱动电机和减速器工作寿命。
在抽油机一个工作循环中，辅助液压能量回收节能装置能够回收抽油机的负功能量分在两个区段，负功出现的第一区段为负功起始点
到
，负功出现的第二区段为负功起始点
到
，液压能量回收节能装置能够回收负功能量
为这两个区段负功能量之和，写成下式：
抽油机驱动电机一个工作循环需要的驱动能量
可以写成下式：
液压能量回收节能装置驱动抽油机电机工作的释放能量
为
如果液压能量回收节能装置向抽油机电机提供了附加再生驱动能量
，电机实际驱动能量
变为
节电效率
由下式给出
以上分析看出，节电效果主要受负功功率影响，负功能量愈大，节电效果愈明显。从图1可知，负功区域的面积和有效功区域面积比愈大，节电效果将愈明显。
总结报告――附件６
液压节能装置的组成及工作原理
该液压节能装置由工作装置和辅助装置两部分组成，工作装置由液压缸、液压蓄能器、电控单元、位置传感器、压力传感器等组成。外形结构见下图：
装置通过液压缸连杆机构与抽油机游梁上安装的撞块实现非铰接连接，当抽油机光杆下行到负功区，通过抽油机游梁上的撞块与液压缸连杆机构的接触，使液压缸活塞杆向下运动,液压缸内部的油液进入液压蓄能器,机械能转变为液压能,实现能量储存, 抽油机光杆上行时，液压蓄能器内的油液流向液压缸, 推动液压缸活塞杆向上运动,液压能转变为机械能,实现能量释放. 能量释放结束,液压缸连杆机构脱离抽油机游梁撞块。
液压节能装置通过电控单元指令其工作过程，原理见下图，电控单元主要由DSP微处理器芯片.数据采集电路和间歇供电硬件电路组成, DSP芯片负责运算和管理电控液压装置的节能策略,同时采集抽油机位置信号.电机电流电压信号和液压缸和蓄能器压力信号,然后分析这些信号,作出液压缸回收释放策略以及电机的间歇供电策略,指令液压集成块工作和驱动电机间歇停止和工作
液压节能装置与抽油机的电气接口是通过安装在抽油机支架上的位置传感器实现，位置传感器用电线束与电控单元连接，该传感器将测取抽油机每一工作循环的位置信号，送入电控单元的DSP芯片，经过节电策略的运算，发出指令控制辅助液压能量再生装置进行再生能量回收和释放 辅助装置由小功率电机、液压泵、溢流阀、两位两通电磁阀、开关阀和单向阀组成,主要目的是完成液压缸和液压蓄能器的初始充油和卸荷。打开该油路中的开关阀,液压泵通过单向阀向液压缸供油,此时如果两位两通电磁换向阀1通电,液压泵也可以向液压蓄能器供油,使液压蓄能器初始化在最低工作压力,液压缸处在最大行程位置.调节溢流阀可以调节液压蓄能器的最低工作压力。当两位两通电磁换向阀２通电时，液压节能装置卸荷，处于不工作状态。
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