張松（大慶油田有限責(zé)任公司裝備制造集團(tuán)）

電動(dòng)修井機(jī)儲(chǔ)能供電裝置

張松（大慶油田有限責(zé)任公司裝備制造集團(tuán)）

摘要：針對(duì)XJ70DB電動(dòng)修井機(jī)在油氣井井場(chǎng)作業(yè)時(shí)受變壓器容量影響及能量浪費(fèi)的問(wèn)題，研發(fā)了電動(dòng)修井機(jī)儲(chǔ)能供電裝置，電動(dòng)修井機(jī)在下放作業(yè)和裝卸被吊物時(shí)可利用電網(wǎng)電能給儲(chǔ)能供電裝置補(bǔ)充能量，從而達(dá)到在提升負(fù)載過(guò)程中為變頻器直流母線提供電能的目的。儲(chǔ)能供電裝置采用超級(jí)電容組為電能儲(chǔ)存單元，采用智能控制單元對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行控制和監(jiān)視，是電動(dòng)修井機(jī)在供電容量不足條件下理想的能量補(bǔ)充單元。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)修井機(jī)；智能控制單元；超級(jí)電容組；儲(chǔ)能供電；變頻器直流母線

修井機(jī)是油田修井作業(yè)的主要設(shè)備，用于對(duì)發(fā)生故障或損壞的油管、抽油桿、抽油泵等井下設(shè)備和工具的起下作業(yè)，大部分以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力。與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)修井機(jī)整機(jī)效率低、功率利用率低；另外，修井作業(yè)中需要有被吊物裝卸的時(shí)間，修井機(jī)提升和下放作業(yè)時(shí)間與人工裝卸時(shí)間之比是1∶2，柴油機(jī)有66%左右時(shí)間處于空載運(yùn)行狀態(tài)。

以交流變頻技術(shù)為基礎(chǔ)的電動(dòng)修井機(jī)，實(shí)現(xiàn)了修井機(jī)原動(dòng)力“油改電”，但目前井場(chǎng)變壓器容量在30～50 kVA，屬于小電網(wǎng)供電。受井場(chǎng)變壓器容量限制，配備電動(dòng)機(jī)功率較小，影響了作業(yè)時(shí)效。同時(shí)，在修井機(jī)大鉤下放和減速過(guò)程中，負(fù)載勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，系統(tǒng)通過(guò)制動(dòng)電阻將這部分電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，造成一定的能量浪費(fèi)。為使修井機(jī)在供電容量不足的現(xiàn)場(chǎng)條件下，正常發(fā)揮出應(yīng)有的效能，需采用電容器組成的儲(chǔ)能供電裝置來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)場(chǎng)能量的不足。

1　工作原理

由電網(wǎng)輸出的三相交流電源經(jīng)過(guò)整流器后，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，通過(guò)變頻器內(nèi)的直流母線供逆變器使用，逆變器的輸出驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)，使修井機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作；同時(shí)，變頻器內(nèi)直流母線送到雙向直流變換器，使電流從超級(jí)電容組到直流母線，再?gòu)闹绷髂妇€到超級(jí)電容組的雙向流動(dòng)，完成提升作業(yè)的電能補(bǔ)償功能（圖1）。

圖1　儲(chǔ)能供電裝置工作原理圖

當(dāng)修井機(jī)處于提升的工作狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷加大，在交流電源所提供的能量有限時(shí)，變頻器的母線電壓將下降，當(dāng)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的電壓與母線電壓之差大于設(shè)定值時(shí)，經(jīng)智能單元進(jìn)行控制，超級(jí)電傳容器儲(chǔ)能模組所儲(chǔ)存的能量將通過(guò)雙向直流變換器到變頻器的直流母線上，與原交流電源提供的能量共同為變頻器提供能量，當(dāng)超級(jí)電容器的電容量足夠時(shí)就可以使直流母線所需的能量得到補(bǔ)償，使修井機(jī)在外接交流電源提供的能量不足的情況下，仍可以滿負(fù)荷工作。當(dāng)修井機(jī)將負(fù)載提升出井口后進(jìn)行懸停、卸扣作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于不工作狀態(tài)，對(duì)能量的需求大幅度的減少，此時(shí)交流電網(wǎng)的富余能量通過(guò)直流母線給超級(jí)電容儲(chǔ)能單元補(bǔ)充電能，為下一次的井管提升儲(chǔ)備能量。當(dāng)修井機(jī)處于減速和下降狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，將富余能量給超級(jí)電容組補(bǔ)充電能。

2　裝置結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能供電裝置主要由充電機(jī)、儲(chǔ)能單元和散熱裝置組成。

1）充電機(jī)。由儲(chǔ)能系統(tǒng)中的充電機(jī)的電路形式，采用穩(wěn)定可靠的三相全波可控智能整流模塊組成，具有電壓、電流、缺相等保護(hù)功能，并有可預(yù)置的自動(dòng)充電功能。

2）儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)能單元具有儲(chǔ)存和輸出電能的功能。當(dāng)交流電網(wǎng)不能滿足修井機(jī)所需的功率時(shí)，需要由儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)充所缺的功率，補(bǔ)充功率的量為電容功率=需求的功率-電源提供的功率。

采用相同型號(hào)的超級(jí)電容串并聯(lián)來(lái)構(gòu)成超級(jí)電容組。假設(shè)超級(jí)電容器組由n個(gè)型號(hào)相同、特性一致的超級(jí)電容器單體串聯(lián)成1條支路，再由m條相同支路并聯(lián)組成，則超級(jí)電容組的電容量為

額定工作電壓：

式中：C——超級(jí)電容組的總?cè)萘?，F(xiàn)；

Ccell——超級(jí)電容單體容量，F(xiàn)；

Ue——超級(jí)電容組額定工作電壓，V；

Ucell——超級(jí)電容單體額定工作電壓，V。電動(dòng)修井機(jī)儲(chǔ)能供電裝置采用功率型超級(jí)電容，工作電壓為2.7 VDC，工作溫度-40～65℃，充放電時(shí)間為4 s，充放電次數(shù)超過(guò)400萬(wàn)次。把超級(jí)電容串并聯(lián)組成電容器組，再經(jīng)過(guò)智能控制單元對(duì)變頻器直流母線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電能下降及反饋電能時(shí)實(shí)時(shí)補(bǔ)充和吸收電能。

整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括12個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能模組，每個(gè)模組上安裝有平衡電路板，以保護(hù)儲(chǔ)能模組在充電時(shí)的安全；同時(shí)，智能控制單元根據(jù)需要，維修時(shí)也可將儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量泄放，以保證維修人員的安全。

3）散熱裝置。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣有3個(gè)接口：交流三相電源輸入和保護(hù)地（4線）接口；直流母線正極（P），直流母線負(fù)極（N）接口；過(guò)壓、過(guò)流告警干接點(diǎn)接口（該系統(tǒng)提供2對(duì)轉(zhuǎn)換干接點(diǎn)，分別為系統(tǒng)過(guò)壓告警和系統(tǒng)過(guò)流告警）。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的機(jī)柜中安裝有溫控風(fēng)扇，當(dāng)機(jī)柜內(nèi)的溫度超過(guò)設(shè)定值后風(fēng)扇自動(dòng)啟動(dòng)散熱，用來(lái)保證超級(jí)電容工作在最佳環(huán)境溫度。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

XJ70DB電動(dòng)修井機(jī)采用井場(chǎng)變壓器供電，配備儲(chǔ)能供電裝置，110 kW電動(dòng)機(jī)，大鉤提升速度0～1.28 m/s，適用變壓器大于或等于30 kVA。2015 年10月29日在采油三廠試驗(yàn)大隊(duì)北三東試驗(yàn)站北2-321E81井上應(yīng)用，完成全部作業(yè)消耗電能為309.6 kWh，按大慶油田用電單價(jià)0.638 1元/kWh計(jì)算，電費(fèi)為197.56元。

去除因操作者熟練程度、試驗(yàn)過(guò)程中基于安全角度下未采用重力溜車而采用倒擋方式，修井耗能約280 kWh。如果考慮重力下行時(shí)余電回饋電網(wǎng)（濾波后回饋計(jì)費(fèi)用，不會(huì)污染電網(wǎng)），實(shí)際消耗電能約220 kWh，合計(jì)費(fèi)用140.38元。而用常規(guī)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的修井機(jī)進(jìn)行作業(yè)消耗油量約280 L，按5.98元/L計(jì)算，需要費(fèi)用1 674.40元，所以配置儲(chǔ)能供電裝置的電動(dòng)修井機(jī)節(jié)約燃料成本約90%。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯莊景春）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.013

作者簡(jiǎn)介：張松，工程師，2005年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，從事油田特種汽車電氣設(shè)計(jì)工作，E-mail：zhangsong82511@163.com，地址：黑龍江省大慶油田裝備制造集團(tuán)特種汽車研究所，163312。

收稿日期2015-11-12