電動儲能修井機超級電容配套技術研究

摘 要：以XJ250超級電容儲能修井機為例，通過調研修井作業(yè)流程，給出了起下管柱作業(yè)過程中各操作步驟的時間，確定了超級電容充放電的時間節(jié)點，并完成超級電容選型和參數(shù)匹配計算。在滿足輸出功率和儲能容量要求的基礎上，以“成本最低、利用率最高”為原則，優(yōu)化超級電容陣列組合方式，為電動儲能修井機超級電容匹配提供最佳陣列方案。

關鍵詞：超級電容；儲能修井機；匹配研究；陣列

中圖分類號：TE935 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.073

傳統(tǒng)修井機存在功率配置大、傳動效率低、污染嚴重等問題，目前，國內修井作業(yè)設備正朝著電驅方向發(fā)展。為了有效避免高壓接電引發(fā)的種種問題，相關人員研制了由井場變壓器供電的電驅修井機，并配備了超級電容儲能裝置解決絞車大功率起升管柱時變壓器容量不足的問題。配置超級電容容量和陣列組合時，存在容量冗余的問題。針對此問題，本文給出了超級電容選型和參數(shù)配置方案，并提出優(yōu)選最佳陣列組合的方法。

1 技術分析

超級電容儲能修井機電控系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。井場交流網電與超級電容儲存的電能通過直流母線進行并網。提升管柱時，系統(tǒng)通過監(jiān)測絞車電機功率控制DC/DC釋放電能，彌補功率波動，維持變壓器的穩(wěn)定輸出；下放管柱時，在管柱重力的作用下，絞車電機被反拖發(fā)電，與井場網電提供電能，共同為超級電容充電。調研XJ250修井機起升管柱作業(yè)，其工作循環(huán)流程為：掛吊卡—上提—安裝卡瓦—卸扣—下放單根—摘吊卡，各階段作業(yè)時長和節(jié)點如圖2所示。在不同噸位下，絞車上提時間為15～38 s，卸扣等輔助作業(yè)時間為55～60 s。由此可以確定，超級電容放電時間為38 s，充電時間為55 s。

2 匹配選型

2.1 超級電容選型

根據不同的作用原理，超級電容器主要分成雙電層型超級電容器、贗電容型超級電容器和鋰離子超級電容器3大類。超級電容選型需要綜合考慮電壓、功率密度、技術成熟度和壽命等因素。以寧波中車新能源科技有限公司生產的超級電容為例，其單體參數(shù)對比情況如表1所示。結合修井作業(yè)工況，經對比，選用技術成熟、功率密度比高、循環(huán)壽命長的雙電層超級電容單體。

由于超級電容器單體工作電壓不高，為了滿足設備的使用要求，在實際應用中，將多個超級電容器單體串聯(lián)起來，并配合電壓均衡和充放電穩(wěn)壓系統(tǒng)形成超級電容模組。

此處選用48 V、165 F模組，其基本參數(shù)如表2所示。

2.2 電壓范圍

因為直流母線側與超級電容端電壓不一致，所以，采用Buck-boost型雙向DC/DC變換器，等效原理如圖3所示。

為了便于將其工作狀態(tài)控制在單一升壓/降壓模式下，通常超級電容模組串聯(lián)最高電壓應低于直流母線側電壓波動下限。 《電能質量 供電電壓偏差》（GB/T 12325—2003）規(guī)定：三相380 V供電電壓偏差為標稱電壓的±7%，但一般井場用電情況比較難控制，通常套用220 V供電要求，即供電電壓偏差為標稱電壓的-10%～7%，即三相380 V電壓的實際波動范圍為342～406.6 V。經三相全橋不可控整流后，直流母線電壓范圍為461.7～548.9 V。

超級電容放電至電壓下限時，為了獲得相同的功率輸出，電壓越低，其放電電流越大，給元器件選型造成困難。因此，在滿足要求的前提下，應盡量提高工作電壓下限，通常取壓降50%，即模組工作電壓為24～48 V。

2.3 容量計算

修井作業(yè)最大功率輸出為提升管柱時，由圖1可知，絞車電機由井場變壓器與超級電容并網供電。由儲能裝置提供的功率為：

儲能裝置需要提供的能量為：

式（1）（2）中：Pc為超級電容輸出功率；P為電機最大功率；Pw為網電功率；PF為輔機功率；η為轉換效率；t為提升時間；ξ為功率折算系數(shù)。

超級電容模組經串聯(lián)形成串組，放電時電壓變化由U1到U2，釋放的能量可以表示為：

由此可以確定電容容量為：

3 模組陣列優(yōu)化

為了滿足設備輸出功率、電壓和儲能容量要求，通常采用超級電容模組串并聯(lián)的方式實現(xiàn)。由n個型號相同、特性一致的超級電容模組串聯(lián)，后經并聯(lián)形成m條支路，組成n×m超級電容陣列組合，其電壓關系可表示為：

電容總容量可表示為：

式（5）（6）中：U為超級電容額定總電壓；Um為超級電容模組額定電壓；C為超級電容總容量；Cm為超級電容模組容量。

由相關內容可以確定模組串聯(lián)后上限電壓為461.7 V，所以，采用48 V、165 F超級電容模組串聯(lián)數(shù)量可以為7串、8串或9串，其模組陣列對比情況如表3所示。由表3可知，采用8串4并陣列方式電容模組數(shù)量最少、體積最小，同時，其容量利用率為93.8%，因此，優(yōu)選這種方案。

4 結論

通過調研修井作業(yè)流程，給出了XJ250修井機起下管柱作業(yè)各操作步驟的時間節(jié)點，為超級電容儲能修井機電容參數(shù)匹配提供了依據。

根據雙向DC/DC變換器工作原理和超級電容的放電深度，確定了超級電容工作電壓上下限，給出了超級電容容量的計算方法。

以“費用最省、體積最小、利用率最高”為原則，通過優(yōu)化超級電容模組陣列組合方式，優(yōu)選最佳陣列方案。

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作者簡介：丁國棟（1989—），男，碩士，助理工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學（華東）機械工程專業(yè)，主要從事石油鉆修設備開發(fā)和設計工作。

〔編輯：白潔〕