飞轮储能技术在海洋钻井平台应用可行性分析

李春 颜波 胡文俊 中海油田服务股份有限公司

海洋钻井平台以柴油机作为其主要动力源，柴油消耗、二氧化碳排放量巨大。国内目前拥有70 余艘自升式钻井平台和20 余艘半潜式钻井平台，海洋钻井平台用能呈现短时间突起突降的特征，起下钻、拔桩、升降船等作业具有持续时间短、启停/循环次数多、瞬时功率大等特点，对主机的负荷突增突降变化要求高，往往造成主柴油机燃烧不充分，排烟管“冒黑烟”。

近年来，国内外电力行业陆续引入了储能技术，旨在提高系统运行稳定性以及电能质量，也是节能减排的重要途径。针对不同的应用场景，逐渐形成了以物理储能、电化学储能以及电磁储能等不同方向的储能技术，其中，典型技术包括飞轮储能、锂电池储能、超级电容及压缩空气储能等。而钻井平台瞬时大功率存储和施放的功率密度需求特性决定了超导储能、飞轮储能和超级电容更适合于钻井平台冲击负荷的工况。但是由于超导能量密度不高、储能成本昂贵、维护困难，所以不是很适用于钻井平台；超级电容能量也有自身缺点，其密度低，且输出特性软、成本偏高，也不适用于钻井平台。比较而言，飞轮储能技术在海洋钻井平台的适用性、可行性更高。

本文针对海洋钻井平台不同运行工况下的负荷波动情况，提出了引入飞轮储能装置实现电能的“削峰填谷”方案，可以平抑柴油机冲击功率，改善机组运行环境，增加设备使用寿命，消除柴油机冒黑烟现象。同时，在平台电力系统中，需要融入储能系统，以满足系统的供电可靠性要求，提高运行效率进而减少运行的机组数量，能够达到钻井节能和降低运行成本、减少碳排放的目的。

1 动力储能技术现状

1.1 典型储能技术特点

在我国和国际社会发展新能源、建设清洁低碳、安全高效现代能源体系的大潮流和绿色发展新理念下，国内外储能技术发展迅猛，随着科技的不断进步，各种储能技术层出不穷，根据充放电能量转换形式，大致可分为物理储能（抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能）、电化学储能（电池储能）、电磁储能（超级电容储能、超导储能）。

随着新型材料的不断发展、磁浮技术的进步和电机变频调速技术的成熟，飞轮储能系统的成功研制条件基本具备。与其他储能技术相比，飞轮储能技术能量转换效率高、无污染、维护性好、储能密度高、使用寿命不受放电深度影响，越来越受到应用单位关注。

1.2 飞轮储能技术原理

飞轮储能是一种物理储能方式，利用高转速大惯量转子进行机械能存储并且可以进行机电能量转换的装置。随着新型材料的应用、磁浮技术的进展和电机变频调速技术的成熟，最新的飞轮储能研发方向是采用全磁悬浮技术为支撑的高速小型化飞轮储能装置。此方案克服了传统飞轮转速低、储能效率不高，体积和重量较大、移动性能受限等缺点。

飞轮储能技术利用旋转体高速旋转时所具备的动能来存储能量，通过电动/发电一体化双向高效电机，实现电能和动能的双向变换。飞轮储能属于物理机械储能技术，它与传统的电化学储能有本质的区别，飞轮储能技术本身是高速电机技术的应用，储能体为电机转子，储能公式为，其中J 为转子的转动惯量，ω 为转子的角速度，因此飞轮储能量只与转子最大转速以及转动惯量相关，物理定律中物质不会凭空消失，几何尺寸不会产生变化，因此飞轮储能技术的特点是全寿命周期容量永久不变，这是与化学电池的本质区别。

随着高速电机控制技术、双向逆变控制技术、复合碳纤维转子技术、磁悬浮轴承系统，目前的飞轮储能系统具有快速储能及频率调节的特性，75%深度充放电次数能够达到 103 次/h。

1.3 电力储能应用现状

近年来，国家双碳战略的实施，大幅促进了储能技术和产业的发展，中国储能实现了从商业化发展初期到规模化发展的转变，总体上中国储能的发展超出了业界预期。一是支持储能的政策不断出台；二是储能系统的装机大幅增加；三是多种储能技术取得重要进展。国内对飞轮储能技术的研究起步较晚，20 世纪80 年代，国内机构开始关注飞轮储能技术，90 年代开始关键技术基础研究，经过多年发展，目前国内已有公司开始运营从事飞轮储能系统的实际应用开发，并取得了一系列成果，研制了一些单元设备，并且有部分飞轮产品已经投入示范应用，主要在轨道交通、UPS 备用电源等领域。其中2019 年飞轮产品首次在陆地石油钻机上获得应用。

飞轮储能技术在许多领域都已经有广泛的应用，特别是在美国、日本、德国等发达国家，飞轮储能技术已经发展得比较成熟，主要应用在以下方面：不间断电源（UPS）、轨道交通（地铁车辆）、航空航天、电网电站，飞轮储能还被应用到太阳能发电、风力发电等系统中。但总体而言，飞轮储能在陆用电网电站的应用比较成熟，在海工船舶等独立电站上的应用仍处于起步阶段，工程化应用较少。

2 海洋钻井平台动力负荷特点

2.1 典型钻井工况功率波动分析

海洋石油钻井作业过程中，柴油机作为主要动力来源，长期以来存在能耗大、冒黑烟、噪音大、钻具下钻时产生的巨大势能无法回收利用，以及钻井施工中突变负载对柴油机组产生冲击、极大影响设备的使用寿命等突出问题。

本文以某4300m 井深的井位进行了起下钻过程中的钻井绞车功率特性采集分析。起钻作业时，不同工况下绞车输出功率变化很大，空游车下放时，其特征输出功率从-396kW 降低至59kW,上提钻具时输出功率在1370～654kW 之间变化，提钻具维持功率973～355kW。

下钻作业时，钻具下放势能变化从-524.3～-152kW 之间，提空游车时绞车冲击功率为523～520kW,提空游车维持功率为207.6～210kW。

海洋钻井平台在起下钻过程中，钻井绞车输出端功率随着起下钻作业中不同状态的变化，输出功率也在势能和冲击负载中剧烈变化，绞车上提钻井过程中钻井负荷最大，空游车下放时，其输出功率最小。

2.2 柴油机负荷波动的危害

海洋钻井平台上，柴油发电机作为钻井作业的主要动力，为整个平台提供钻井工业用电以及平台生活用电等，在平台的稳定运行及安全作业中发挥着举足轻重的作用，是保证平台正常运转的“心脏”。在自升式钻井平台作业过程中，经常出现用电负荷突增突减，如起下钻、拔桩、升降船等作业，这些冲击性负荷会使平台电网电压产生剧烈波动，造成多种问题和危害：供电质量严重下降，电网间电压忽高忽低，电流不稳定，降低电气设备使用寿命；负荷突变会对柴油机组产生冲击，造成燃油效率低下，出现冒黑烟现象，并且伴随燃烧不充分、能耗大、噪音大和污染环境等问题；柴油机负荷突变，其运行状态突变，会造成柴油机磨损严重，增加柴油机故障率；电网不稳定引起的次生问题，主电网用电过激可能会引起全船停电，为了应对突发全船停电，平台采用额外增加一台柴油机的应对措施，造成能源的过饱和和浪费，燃油经济性降低。

3 海洋钻井平台应用储能技术方案

3.1 飞轮储能关键匹配性技术

海洋钻井平台与陆地电力系统的作业工况环境存在较大差异，不能直接用储能技术用于海洋钻井平台，还需针对海洋作业特点，在现有成熟技术的基础上完善其技术方案，优化内部轴承机构的组成。

目前较成熟可推广的飞轮储能技术广泛采用磁悬浮技术，解决磁悬浮转子在海洋钻井平台中的稳定性是首要解决的问题。海洋钻井平台受其结构特点限制，往往长期处于振动、晃动、倾斜等复杂运动状态，以自升式平台为例，平台通过桩腿固定在地面，呈现悬臂式结构，受风、浪、流的组合作用下，呈现小幅度、高频次的震动，平台配置的主要设备均需通过固定底座，焊接或用螺栓连接固定在平台上。而飞轮储能的主要储能装置为高速转动的转子，其高速旋转过程中的微小振动或倾斜，都将影响转子系统的稳性，使转子稳定状态失效，能量损耗增加，转换效率降低，严重时甚至可能造成系统失稳，飞轮系统整个破坏撕裂。

航行工况下飞轮储能系统转子部件的快速固定及解锁装置也是关键技术点。海洋钻井平台通常需要间歇性的移动，在一个井位作业期间，平台处理短期内的稳定状态，飞轮储能系统可为平台作业提供辅助，但平台前往下一个井位期间，就需要进入拖航工况。考虑磁悬浮转子的特殊性，拖航期间需避免转子系统与底座、系统外壳等固定间之间的碰撞，避免系统部件的损害及磨损。同时，为考虑系统操作与维护的简易性，还需设计一套快速解锁装置，以便平台到达井位进入作业过程中，快速接触转子固定，恢复储能状态。

为匹配钻井平台电网系统，飞轮储能系统还需实现和原有平台电网间实现自动化协同控制，绿色负载系统与平台电网间能量的存储和释放，并具备快速切换能力，实现根据电网负载变化高效补偿，而不影响平台现有电网系统。

3.2 飞轮储能应用潜在经济性

海洋钻井平台长期处理钻井作业状态，通过飞轮储能技术的实施，可以有效平抑工况变化带来的负荷冲击，降低柴油机油耗，实现节能减排。本文以某JU2000E 型自升式钻井平台为例进行分析，其配备5 台卡特彼勒3516B 柴油机，该机型平均燃油耗率为205 g/kWh。投入2 组飞轮储能装置，单台储能功耗300kW。以井深5000m 工况，按典型钻井正常起下钻作业计算，平均每口井起下钻（包括短起）以及其他管柱处理排放等作业以各10 趟计，则每口井可节省燃油约9.2t，以每平台每年作业9 口井计算，可至少节省燃油约82.8t/a（相当于121.44tce），节约费用约58 万元/a，并可至少减少大约257.86t/a 二氧化碳排放。

利用飞轮储能装置，可以有效的改善平台电网质量，提高发电机组利用率。由于飞轮储能装置投入后，平抑减少柴油发电机组的冲击负荷及负载波动，提高了平台电网质量及设备运行可靠性。减少功率冲击，可实现钻井平台柴油机功率平均输出，改善机组冒黑烟现象，增加柴油机使用寿命，且提高了燃油效率，可适时减少一台柴油发电机组的投入，并可相应减少机组维修成本。

飞轮储能装置可节省变频钻机直流母线刹车电阻的维护成本。由于飞轮储能装置投入后，可回收变频电机的回馈能量，替代了变频钻机直流母线原配置的刹车电阻的作用，可以降低刹车电阻使用频率。

4 结语

储能技术发展迅速，各类用能领域正广泛探索储能技术推动能耗利用率提升方案。飞轮储能技术因其以转子储能，随着磁悬浮技术、碳纤维和玻璃纤维负荷材料的引进，飞轮储能技术在频繁快速充放电的工况场景中优势愈加明显。本文也在陆地探索飞轮储能利用的基础上提出了海洋钻井平台利用飞轮储能的可行性，分析了该技术应用于海洋钻井平台的关键技术点及潜在效益。

海洋钻井平台面临特殊的环境特点，平台整体时刻处于振动、摇晃或倾斜状态，攻克飞轮储能状态面临的关键技术问题，是将飞轮储能装置应用于海洋钻井平台的必要条件，一方面可以拓展飞轮储能技术的基础研究发展和应用范围，另一方面也可以充分发挥飞轮储能装置能源损耗低、充放电速度快、维护成本低、安全性高的特点，大幅提升海洋钻井平台的燃油转换效率，降低能耗与二氧化碳排放。