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)工況復雜，涉及多工種、多專業(yè)，且能耗高。鉆機在提升下放鉆具的過程中，鉆具頻繁上提下放，連續(xù)制動。在上提過程中，發(fā)電機產(chǎn)生的電能傳遞給電動機，電能轉(zhuǎn)換成勢能拉動鉆具。鉆具在下放過程中釋放勢能，電動機進入發(fā)電模式，將已轉(zhuǎn)換為電能的再生制動能量反饋給前級[1-2]。目前，鉆機上常用的方法是將這部分能量接到制動電阻上，通過熱能形式消耗，會導致能量得不到有效回收，大量能量損耗。如何將下放過程中鉆具產(chǎn)生的電能收集到超級電容儲能單元中，并使其得到有效的再利用，是本文的主要研究內(nèi)容。

1 鉆機儲能系統(tǒng)的設計與工作原理分析

圖1為鉆機供電電網(wǎng)的單線圖。柴油發(fā)電機組GEN1～GEN4發(fā)出交流電提供鉆機的主動力。4臺發(fā)電機并機后經(jīng)過變壓器變壓后轉(zhuǎn)換成600 V交流電，再經(jīng)過變頻器變頻調(diào)速后變?yōu)轭l率可控的交流電，供給絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn)盤等設備的交流變頻電動機。絞車由兩個電機驅(qū)動，每個泥漿泵由兩臺電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤由一個電機驅(qū)動，均采用交-直-交傳動方式。本文依據(jù)鉆機設備的具體參數(shù)配置和鉆機在鉆井工況中的功率負荷特點，為減少鉆機運行中的能量損耗提出鉆機的儲能方案。

考慮各種蓄能裝置的特性，本文選擇超級電容器為絞車起升下放過程的儲能裝置。超級電容器的工作原理是通過極化電解質(zhì)來儲存能量，充電放電過程可逆，整個過程不發(fā)生任何的化學反應。它還具有電容量大、充放電壽命長、充電快、使用便捷、工作范圍寬、無污染以及免維護等優(yōu)勢。超級電容儲能系統(tǒng)主要回收鉆機制動時產(chǎn)生的能量，并提供起鉆和鉆進過程中需要的輸出能量，從而實現(xiàn)能量的有效回收。

2 儲能系統(tǒng)控制策略分析

超級電容儲能系統(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。通過比較，本文選取電壓控制方法。電壓控制法是將超級電容器并聯(lián)在直流母線兩端，通過實時檢測直流母線上電壓的浮動范圍，實現(xiàn)控制超級電容器的充放電操作。當直流母線電壓上升時，控制超級電容器進行充電。相反，當直流母線電壓下降時，控制超級電容器進行放電[3-5]。當鉆機的絞車提升鉆具處于驅(qū)動狀態(tài)時會從直流母線上吸收功率能量，導致直流母線上的電壓下降。此時，超級電容器會以放電的形式將存儲在其中的能量回饋到直流母線，以維持電壓的穩(wěn)定。當絞車持續(xù)提升鉆具時，超級電容器會一直放電，導致儲存的能量隨之減少。同時，兩端的電壓會降低，直流母線上的電壓也會相應降低。因此，只有當直流母線電壓一直下降，且僅當?shù)陀谡麟妷簳r，鉆機的絞車起升系統(tǒng)開始使用發(fā)電機提供的電壓。綜上，鉆機絞車處于驅(qū)動狀態(tài)時，超級電容器檢測到直流母線上的電壓低于發(fā)電機提供的整流電壓時，發(fā)電機開始對絞車進行供電。圖2和圖3分別為超級電容器充放電過程流程圖。

3 超級電容儲能系統(tǒng)樣機的開發(fā)

本文以超級電容儲能系統(tǒng)為具體研究對象，對石油鉆機進行等比例縮放及簡化設計和選型，搭建以超級電容器為儲能對象的絞車起升試驗裝置。在絞車升降作業(yè)時，驅(qū)動必須經(jīng)常制動負載。本文選用西門子四象限的SINAMICS S120系列變頻器，實現(xiàn)再生能量的回收。西門子提供了一種創(chuàng)新性解決方案，通過采用電容器（超級電容器）在直流環(huán)節(jié)存儲能量。這樣不僅可以降低輸入功率達80%，還可在電源故障時使得驅(qū)動仍可實現(xiàn)電動制動，以最大限度減少制動和能量損耗，提高鉆機提升系統(tǒng)的效率和可用性。

圖1 鉆機電網(wǎng)單線圖

圖2 超級電容儲能系統(tǒng)充電過程流程圖

圖3 超級電容儲能系統(tǒng)放電過程流程圖

超級電容器應用于鉆機驅(qū)動系統(tǒng)，可滿足快速吸收再生能量的需求。同時，超級電容所儲存的能量，還能夠?qū)崿F(xiàn)在驅(qū)動系統(tǒng)意外斷電時，絞車可以安全可控地停止，防止制動器急剎造成機械損傷或者鉆具甩出。與傳統(tǒng)方案對比，通過有效回收制動能量，可節(jié)能40%。

4 結語

本文主要介紹了在鉆機起升系統(tǒng)中應用超級電容儲能系統(tǒng)儲存制動能量，闡述實現(xiàn)該系統(tǒng)的控制策略進行改良設計及選型，并在后期進行了鉆機模型的樣機實驗。通過實際應用的效果可見，超級電容儲能系統(tǒng)可收集多余的制動電能，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。