石油钻机绞车储能技术的研究

2021-06-01李云峰

现代制造技术与装备 2021年4期

刘鹏丁彬李磊李云峰

（山东海洋工程装备研究院有限公司，青岛 266555)

石油钻井行业工况复杂，涉及多工种、多专业，且能耗高。钻机在提升下放钻具的过程中，钻具频繁上提下放，连续制动。在上提过程中，发电机产生的电能传递给电动机，电能转换成势能拉动钻具。钻具在下放过程中释放势能，电动机进入发电模式，将已转换为电能的再生制动能量反馈给前级[1-2]。目前，钻机上常用的方法是将这部分能量接到制动电阻上，通过热能形式消耗，会导致能量得不到有效回收，大量能量损耗。如何将下放过程中钻具产生的电能收集到超级电容储能单元中，并使其得到有效的再利用，是本文的主要研究内容。

1 钻机储能系统的设计与工作原理分析

图1为钻机供电电网的单线图。柴油发电机组GEN1～GEN4发出交流电提供钻机的主动力。4台发电机并机后经过变压器变压后转换成600 V交流电，再经过变频器变频调速后变为频率可控的交流电，供给绞车、泥浆泵和转盘等设备的交流变频电动机。绞车由两个电机驱动，每个泥浆泵由两台电机驱动，转盘由一个电机驱动，均采用交-直-交传动方式。本文依据钻机设备的具体参数配置和钻机在钻井工况中的功率负荷特点，为减少钻机运行中的能量损耗提出钻机的储能方案。

考虑各种蓄能装置的特性，本文选择超级电容器为绞车起升下放过程的储能装置。超级电容器的工作原理是通过极化电解质来储存能量，充电放电过程可逆，整个过程不发生任何的化学反应。它还具有电容量大、充放电寿命长、充电快、使用便捷、工作范围宽、无污染以及免维护等优势。超级电容储能系统主要回收钻机制动时产生的能量，并提供起钻和钻进过程中需要的输出能量，从而实现能量的有效回收。

2 储能系统控制策略分析

超级电容储能系统充放电常用的方法主要有直接功率控制法和电压控制法两种。通过比较，本文选取电压控制方法。电压控制法是将超级电容器并联在直流母线两端，通过实时检测直流母线上电压的浮动范围，实现控制超级电容器的充放电操作。当直流母线电压上升时，控制超级电容器进行充电。相反，当直流母线电压下降时，控制超级电容器进行放电[3-5]。当钻机的绞车提升钻具处于驱动状态时会从直流母线上吸收功率能量，导致直流母线上的电压下降。此时，超级电容器会以放电的形式将存储在其中的能量回馈到直流母线，以维持电压的稳定。当绞车持续提升钻具时，超级电容器会一直放电，导致储存的能量随之减少。同时，两端的电压会降低，直流母线上的电压也会相应降低。因此，只有当直流母线电压一直下降，且仅当低于整流电压时，钻机的绞车起升系统开始使用发电机提供的电压。综上，钻机绞车处于驱动状态时，超级电容器检测到直流母线上的电压低于发电机提供的整流电压时，发电机开始对绞车进行供电。图2和图3分别为超级电容器充放电过程流程图。

3 超级电容储能系统样机的开发

本文以超级电容储能系统为具体研究对象，对石油钻机进行等比例缩放及简化设计和选型，搭建以超级电容器为储能对象的绞车起升试验装置。在绞车升降作业时，驱动必须经常制动负载。本文选用西门子四象限的SINAMICS S120系列变频器，实现再生能量的回收。西门子提供了一种创新性解决方案，通过采用电容器（超级电容器）在直流环节存储能量。这样不仅可以降低输入功率达80%，还可在电源故障时使得驱动仍可实现电动制动，以最大限度减少制动和能量损耗，提高钻机提升系统的效率和可用性。