石油鉆機(jī)絞車儲(chǔ)能技術(shù)的研究

劉 鵬 丁 彬 李 磊 李云峰

（山東海洋工程裝備研究院有限公司，青島 266555)

石油鉆井行業(yè)工況復(fù)雜，涉及多工種、多專業(yè)，且能耗高。鉆機(jī)在提升下放鉆具的過(guò)程中，鉆具頻繁上提下放，連續(xù)制動(dòng)。在上提過(guò)程中，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能傳遞給電動(dòng)機(jī)，電能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能拉動(dòng)鉆具。鉆具在下放過(guò)程中釋放勢(shì)能，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，將已轉(zhuǎn)換為電能的再生制動(dòng)能量反饋給前級(jí)[1-2]。目前，鉆機(jī)上常用的方法是將這部分能量接到制動(dòng)電阻上，通過(guò)熱能形式消耗，會(huì)導(dǎo)致能量得不到有效回收，大量能量損耗。如何將下放過(guò)程中鉆具產(chǎn)生的電能收集到超級(jí)電容儲(chǔ)能單元中，并使其得到有效的再利用，是本文的主要研究?jī)?nèi)容。

1 鉆機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作原理分析

圖1為鉆機(jī)供電電網(wǎng)的單線圖。柴油發(fā)電機(jī)組GEN1～GEN4發(fā)出交流電提供鉆機(jī)的主動(dòng)力。4臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)后經(jīng)過(guò)變壓器變壓后轉(zhuǎn)換成600 V交流電，再經(jīng)過(guò)變頻器變頻調(diào)速后變?yōu)轭l率可控的交流電，供給絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤等設(shè)備的交流變頻電動(dòng)機(jī)。絞車由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)泥漿泵由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均采用交-直-交傳動(dòng)方式。本文依據(jù)鉆機(jī)設(shè)備的具體參數(shù)配置和鉆機(jī)在鉆井工況中的功率負(fù)荷特點(diǎn)，為減少鉆機(jī)運(yùn)行中的能量損耗提出鉆機(jī)的儲(chǔ)能方案。

考慮各種蓄能裝置的特性，本文選擇超級(jí)電容器為絞車起升下放過(guò)程的儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器的工作原理是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存能量，充電放電過(guò)程可逆，整個(gè)過(guò)程不發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)。它還具有電容量大、充放電壽命長(zhǎng)、充電快、使用便捷、工作范圍寬、無(wú)污染以及免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要回收鉆機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，并提供起鉆和鉆進(jìn)過(guò)程中需要的輸出能量，從而實(shí)現(xiàn)能量的有效回收。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電常用的方法主要有直接功率控制法和電壓控制法兩種。通過(guò)比較，本文選取電壓控制方法。電壓控制法是將超級(jí)電容器并聯(lián)在直流母線兩端，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線上電壓的浮動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)控制超級(jí)電容器的充放電操作。當(dāng)直流母線電壓上升時(shí)，控制超級(jí)電容器進(jìn)行充電。相反，當(dāng)直流母線電壓下降時(shí)，控制超級(jí)電容器進(jìn)行放電[3-5]。當(dāng)鉆機(jī)的絞車提升鉆具處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)從直流母線上吸收功率能量，導(dǎo)致直流母線上的電壓下降。此時(shí)，超級(jí)電容器會(huì)以放電的形式將存儲(chǔ)在其中的能量回饋到直流母線，以維持電壓的穩(wěn)定。當(dāng)絞車持續(xù)提升鉆具時(shí)，超級(jí)電容器會(huì)一直放電，導(dǎo)致儲(chǔ)存的能量隨之減少。同時(shí)，兩端的電壓會(huì)降低，直流母線上的電壓也會(huì)相應(yīng)降低。因此，只有當(dāng)直流母線電壓一直下降，且僅當(dāng)?shù)陀谡麟妷簳r(shí)，鉆機(jī)的絞車起升系統(tǒng)開始使用發(fā)電機(jī)提供的電壓。綜上，鉆機(jī)絞車處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器檢測(cè)到直流母線上的電壓低于發(fā)電機(jī)提供的整流電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)開始對(duì)絞車進(jìn)行供電。圖2和圖3分別為超級(jí)電容器充放電過(guò)程流程圖。

3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)的開發(fā)

本文以超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)為具體研究對(duì)象，對(duì)石油鉆機(jī)進(jìn)行等比例縮放及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和選型，搭建以超級(jí)電容器為儲(chǔ)能對(duì)象的絞車起升試驗(yàn)裝置。在絞車升降作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)必須經(jīng)常制動(dòng)負(fù)載。本文選用西門子四象限的SINAMICS S120系列變頻器，實(shí)現(xiàn)再生能量的回收。西門子提供了一種創(chuàng)新性解決方案，通過(guò)采用電容器（超級(jí)電容器）在直流環(huán)節(jié)存儲(chǔ)能量。這樣不僅可以降低輸入功率達(dá)80%，還可在電源故障時(shí)使得驅(qū)動(dòng)仍可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)制動(dòng)，以最大限度減少制動(dòng)和能量損耗，提高鉆機(jī)提升系統(tǒng)的效率和可用性。

圖1 鉆機(jī)電網(wǎng)單線圖

圖2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過(guò)程流程圖

圖3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程流程圖

超級(jí)電容器應(yīng)用于鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可滿足快速吸收再生能量的需求。同時(shí)，超級(jí)電容所儲(chǔ)存的能量，還能夠?qū)崿F(xiàn)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)意外斷電時(shí)，絞車可以安全可控地停止，防止制動(dòng)器急剎造成機(jī)械損傷或者鉆具甩出。與傳統(tǒng)方案對(duì)比，通過(guò)有效回收制動(dòng)能量，可節(jié)能40%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了在鉆機(jī)起升系統(tǒng)中應(yīng)用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存制動(dòng)能量，闡述實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行改良設(shè)計(jì)及選型，并在后期進(jìn)行了鉆機(jī)模型的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的效果可見，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可收集多余的制動(dòng)電能，以節(jié)省空間，降低生產(chǎn)和制造成本，做到綠色環(huán)保節(jié)能。