钻井绞车混合动力仿真分析

高 辉，朱晖宇，熊良银

（1.上海船厂船舶有限公司，上海 202156；2.中国船舶集团公司第七〇八研究所，上海 200001）

0 引言

目前，钻井船或钻井平台多数采用变频控制的钻井绞车作为起升系统主要设备，当钻井绞车下放时，绞车需采取制动措施，通常采用刹车电阻来消耗掉能量，从而造成大量的能量损失。当绞车提升时,会对船舶发电机产生突加负载的情况。为了解决该能量损耗的问题，本文给出了电池混动方案，并以Tiger钻井船设备配置为例研究制定钻井绞车电池混动方案。

随着当代计算机技术的不断发展，将仿真与建模技术融入到能源研发当中，成为研发过程的重要工具之一。通过对仿真技术进行分析，设定出灵活的方案，分析智能优化参数，预测出系统设计的功能及研究成本，从而实现制造过程及测试过程。通过调研发现，目前可用于混合动力系统的仿真软件有ADVISOR，PSAT等。虽然这几种仿真软件都可以拓展用于船舶混合动力系统的仿真研究，但其模型的逻辑结构复杂，费用较高。基于此，本文主要研究基于Matlab软件环境建立仿真模型，以我司设计建造的钻井船为例，建立钻井绞车混合动力系统建模，研究钻井绞车混动方案[1]。

1 钻井绞车混合动力方案概述

以Tiger系列钻井为例，该船为工作水深5000 ft的8点锚泊定位钻井船，大钩载荷750 sh.t，钻井绞车配置4台1000 kW的变频电机。游吊系统配置14绳系滑轮组，最大提升载荷750 sh.t，空钩最大钩速为1.26 m/s。

通过增加1套电池组来吸收钻井绞车下放时的势能，并在绞车提升时释放电能，以此来实现钻井绞车能量回收和减少钻井绞车在负载提升或空钩高速提升时对发电机瞬时功率需求，最终实现钻井船起升系统的能力回收，并达到船舶电网削峰填谷的目的。

1.1 混合动力系统仿真模型

钻井绞车是大洋勘探船钻井系统核心部分，由于目前柴油发电机组发展状况的限制，考虑到制动能量的回收，混合绞盘的大部分解决方案是柴油发电机-电池混合系统，即绞盘驱动能源不仅是柴油机，也是电池中的一个来源。典型的简化混合钻井系统如图1所示，主要包括柴油发电机组、DC/DC转换器、蓄电池、电机及其控制器、多能控制系统（与钻井控制集成）系统）、齿轮箱和主齿轮箱等。这种结构的动力系统具有良好的动态性能和稳定性能，直流母线电压比较稳定，对驱动系统的要求低，当柴油发电机发生故障时，电力系统可由电池供电。电池寿命短，纯电条件和系统运行可靠性高；同时，电池可以吸收再生制动能量，提高系统效率。

图1 典型的钻井绞车混合动力系统

图1中，多能控制系统是钻井控制系统的一部分，是基于单片机或工控机的控制系统，组成工作状态信号，同时，基于特定的控制策略，控制混合动力系统中其他部件的运行。

混合绞车电力系统的仿真可分为正向仿真和反向仿真。逆向建模通常基于没有司钻模型的静止模型，根据大钩速度与时间曲线，采用迭代方法预测绞盘动力系统的性能，通常用于早期设计阶段。反向模拟从给定绞车吊钩速度的时间曲线开始，然后计算满足性能要求所需的功率输入或能耗，以计算每个系统组件的性能。逆向建模假设绞盘必须沿着给定的路径移动，因此无法计算出最佳性能，也无法制定控制策略。在正向仿真中，司钻模型根据所需的大钩速度、当前大钩速度以及各系统部件的状态[2]。预测仿真可以集成复杂的动态模型，用于详细的系统设计和动态行为建模，以及准确计算系统动态行为。主动建模特别适用于硬件设计和控制策略建模，仿真模型结构如图2所示。

图2 绞车混合动力系统仿真模型结构

基于Matlab 软件对混合动力系统进行了前向式建模仿真，仿真模型如图3 所示。将动力系统的各个模型进行模块化设计，将所得的模块进行应用，同时进行了图标封装。

图3 基于MATLAB的钻井绞车混合动力模型

图3中，动态系统各部分采用物理分析和数据处理相结合的方法，建立数学模型，一方面能反映系统的物理特性和动态特性，另一方面利用实验数据提高模型计算速度。同时，为了提高建模的准确性，模型的每个部分都必须通过实验数据进行验证。

1.2 钻井绞车混合动力系统仿真技术研究

钻井绞车混合动力系统的仿真技术，实际上就是在模型建立好后，选取合适的系统控制策略。从1.1节的系统框图可以看出，控制系统所采用的控制策略是根据司钻模型的输出指令和当前的运行情况来确定电机的输出功率或转矩参数。柴油发电机、DC/DC转换器和电池的状态，以及确定发动机的输出功率或扭矩，将目标扭矩发送给发动机及其控制器，使发动机以该扭矩工作。在整个控制过程中，控制算法遵循如下原则：

1）DC/DC转换器采用恒压控制，其目标电压可以从电池初始SOC和燃料电池发动机的运行状态在线检查。

2）保证每起下钻循环蓄电池SOC 起始值和终止值变化量△SOC 不大于0.0005，并使其保持在0.2～0.8的范围之间。

3）船舶发电机输出功率优先，在船舶发电机输出恒定功率后，动力系统功率需求不足的部分由蓄电池输出。

1.3 钻井船船混合动力仿真

本次仿真基于Tiger号钻井船的钻井绞车开展。

根据该船750 sh.t绞车功率特性曲线，设定运行工况，如图4所示钩载均为750 sh.t（理论曲线）；各工况下30～40次/时循环，每周运行20小时一次/两次。

图4 钻井绞车功率特性曲线

按照时间拟合的曲线如图5所示。

图5 钻井绞车功率时间曲线

在前节所述的系统模型上增加相关的电池组、斩波器和逆变器，其作用是吸收钻井绞车制动产生的能量，同时对大功率设备启动或加载时进行能量补偿，有效改善柴油发电机组运行特性，同时存储的能量还可以反馈到电网用于系统供电，即钻绞车相当于柴油发电机组的突载，钻绞车相当于柴油发电机组的突卸。

2 仿真计算

运行仿真计算后，得到结果如下：1）绞车起钻工况（见图6）。

图6 绞车起钻工况

可以看出，储能元件补偿了绞车上的动态负载，保持发电机功率恒定，下降时绞车的操作可以利用储能的能量制动循环，从而使绞车对发电机的最大需求峰值功率从5.8 MW大幅下降到2.2 MW附近。

2）绞车下钻工况（见图7）。

图7 绞车下钻工况

可以看出，储能元件补偿了绞车上的动态负载，保持发电机功率恒定，下降时绞车的操作可以利用储能的能量制动循环，从而使绞车对发电机的最大需求峰值功率从5 MW大幅下降到0附近。

3 结语

在配置钻井绞车作为起升系统的钻井船在集成了混合动力模块后，可实现船舶电网削峰填谷的功能，大大节约发电机的能源消耗，进而节约钻井船的运营成本。通过增加混合动力模块的方式也可降低发电机的装机容量，提高船舶电网的效率。同时配置了混合动力模块后可取消刹车电阻的配置，以及配套的冷却系统等，减少了能量的浪费。本方案可以为类似船型设计提供节能设计新思路，也可用于现有类似船舶的改造。