直流电动钻机势能利用与储能调峰系统研究

马西锋

中石化华北石油工程有限公司西部分公司

摘要：直流电动钻机通过辅助刹车和盘刹配合完成钻具下放，将大量的钻具重力势能转换成热量消耗掉；起、下钻工况中载荷具有大幅度波动特性，测试表明7000m钻机起下钻时功率波动幅度可达800KW，对发电机组造成较大的冲击。为降低起、下钻过程带来的载荷冲击、回收钻具势能并就地利用，提出应用于直流电动钻机的势能利用与储能调峰系统新方案。该系统将下放钻具的重力势能转化为电能并优先被电网在线负载利用，富余能量再通过超级电容存储；上提时将存储的能量释放出来与发电机组或网电协同为系统供电，实现节能减排。

关键词：直流钻机、势能利用、储能调峰、节能减排

Research on potential energy utilization and energy storage

peak regulation system of DC electric drill rig

Abstract: The load of the oil rig has a large fluctuation characteristic in the tripping conditions. The test shows that the power fluctuation range of the 7000m DC drilling rig can reach 800KW, which has a large impact on the generator set or the power grid. In order to reduce the impact of tripping load and save energy, the paper puts forward a new scheme of potential energy recovery and super capacitor energy storage system,to achieve the purpose of cutting peak and valley, while reducing system load surge on the impact of generating units or power grid to achieve the purpose of energy saving.

Keywords: DC drilling rig, potential energy recovery, super capacitor, energy saving

 0  引言

直流电动钻机由3~4台柴油发电机组提供动力，2台800KW直流串励电机驱动绞车。下放作业由辅助刹车与盘刹配合实现，绞车电机处于空转状态，大量的负载势能转化成热能消耗掉，造成了极大的能源浪费。在起下钻工况中存在“大马拉小车”、“大马拉重车”的恶劣情况，如100T钻具套管内起升时，柴油发电机功率由200KW上升至1000KW仅需要3~5s，游车行至最高点时绞车离合器突然脱开，柴油发电机输出功率由1000KW瞬间跌至200KW，负荷变化率极大^[1]。严重影响柴油机的使用寿命和经济性，也限制了天然气发电机在石油钻机上的应用。对于周期性变化的脉冲载荷特征，在动力系统中引入势能利用与超级电容储能调峰系统，既能使柴油发电机高效平稳运行，也可实现钻具重力势能的回收再利用。

1  系统概述

1.1  构成

势能利用与储能调峰系统由电机串/他励切换控制单元、直流电机控制单元、励磁控制单元、能量回馈单元、储能电容控制器和超级电容模组组成，其系统架构及示意图如图1、图2：

图1  势能利用与储能调峰系统架构                   图2  势能利用与储能调峰系统示意图

1.2  系统原理

绞车下放时，系统中的电机串/他励切换控制单元将绞车电机切换为他励模式，司钻通过操作下放手柄控制绞车下放速度，即控制绞车电机的回馈功率，实时调节电机的制动力矩，实现钻具平稳下放。直流电机控制单元将绞车电机发出的变化的直流电转换成恒定的直流电，优先回馈到600V交流母线供在线负载使用，多余能量通过储能电容控制器储存在超级电容模组里，实现势能利用。绞车上提时，电机串/他励切换控制单元控制绞车电机恢复至串励模式，通过能量回馈单元将超级电容模组里的能量快速回馈到SCR系统的600V交流母线上，与柴油发电机组协同为绞车提供动力，使柴油发电机运行平稳，实现动力调峰。

1.3 技术现状

2013年，中石化中原石油工程公司委托清华大学开发研制了世界上首套飞轮储能机械钻机，该钻机是通过在机械钻机的并车箱上加装了调峰电机，当绞车轻载或空载运行时，通过调峰电机向飞轮电池储存能量，当绞车提升时，飞轮电池驱动调峰电机与柴油机一起完成提升作业，从而减少了对柴油机的冲击，系统示意图如图3：

图3 飞轮储能机械钻机运行示意图

截止目前，国内石油钻机领域基于飞轮和超级电容储能的案例都是在交流变频钻机和机械/复合钻机上，在直流电动钻机尚没有相关的应用。这种直流电动钻机势能回收与超级电容储能调峰系统的方案无疑对直流电动钻机是一场颠覆性的改变，是目前同类技术中最为先进的，也是最适应石油钻井工况，最为节能降耗的技术方案。

2  设计与研究

研究绞车直流电机电气特性，使其在上提时工作在串励电动状态，下放时工作在他励发电状态，并将回收的能量或利用超级电容储存或直接回馈电网，实现钻具下放重力势能的回收再利用；通过调整钻具下放的回馈功率来控制绞车电机制动扭矩，实现钻具平稳下放，从而实现取消电磁涡流刹车装置；根据掌握的起钻过程绞车电机功率曲线，通过对大功率超级电容储能控制的研究，控制超级电容充放电实现发电机动力调峰，绞车拖动钻具上提时，由发电机和超级电容共同为绞车电机提供能量，突增负载由超级电容承担，使发电机工作于最优状态，提高燃油经济性，在某些工况下还可减少并网发电机的数量；如网电供电时，可减轻对电网的冲击，减少变压器有载调压开关动作次数；并可与天然气发电机协同，满足钻机冲击负荷对动力系统的需求，实现绿色能源的利用，达到节能减排的目标。   

2.1  可行性分析

① 直流电动钻机绞车主电机参数

额定功率：         800KW（1085HP）

额定电压：         750V DC

额定电流：         1150A

额定转速：         970rpm

最大电流：         1600A

励磁方式：         串励

额定扭矩：         7876Nm

数量：             2台

② 直流电动钻机绞车电机分析

◇ 串励电机常用的能耗制动方法——自励^[2]，如图4。

图4 直流串励电机自励制动

效果：自励能耗制动开始时制动转矩较大，随着转速下降，电枢电动势和电流下降，同时磁通也减小，制动转矩下降很快，制动效果变弱，制动时间较长且制动不平稳。 

◇ 串励电机常用的能耗制动方法——他励^[2]，如图5。 

图5 直流串励电机他励制动

效果：此时该电机运行在发电状态，能耗制动时的机械特性为一直线，其制动过程与他励直流电动机的能耗制动完全相同，制动效果好，应用较广泛。

定性分析：从电机转速与扭矩的机械特性角度看，直流电动钻机绞车电机既然可拖动额定载荷的钻具上提，也可拖动额定载荷的钻具下放。 

③ ZJ70D钻机绞车滚筒技术参数

额定输入功率：                     1470kW

 最大快绳拉力：                     485kN

 钢丝绳直径：                       φ38mm（1 1/2〃）

     档数：                             4正4倒（无极调速）

 开槽滚筒尺寸（直径×长度）：         φ770×1310mm

     刹车盘尺寸（外径×厚度）：           φ1650×76mm

电磁涡流刹车额定制动力矩：         115000N.m

     捞砂滚筒用钢丝绳：                 φ14.5mm

     捞砂滚筒尺寸（直径×长度）：         φ400×1320mm

捞砂滚筒刹车鼓尺寸：               φ1608×220mm

外形尺寸

绞车主体：                         7370×3250×3216mm   

动力机组：                         6400×1580×1876mm

重量

绞车主体：                         44755 kg

动力机组：                         1246 kg  

表1 ZJ70D钻机绞车档位与速度表

2.2  传动系统

根据直流串励电机的工作特性，绞车上提时使电机工作在串励电动模式，绞车下放时巧妙地将电机励磁绕组和电枢绕组分开控制，使电机工作在他励发电模式。直流电机机械特性满足T_em=C_TΦI_a，其中T_em为电机输出扭矩，C_T为转矩常数，Φ为每极主磁通，I_a为电枢电流。电机运行时C_T为固定常数，磁通量Φ由电机励磁电流I_f决定，其输出扭矩由电枢电流I_a决定^[2]。绞车电机驱动负载下放时，通过分别调节直流电机电枢电流I_a和励磁电流I_f即可控制电机制动扭矩，实现绞车平稳下放及势能回馈。

图6为常规直流电动钻机配置的电磁涡流刹车的T-n性能曲线，在励磁电流为75A时，最大输出扭矩为115KN·m。表2为控制绞车电机运行在他励模式时，所能够产生的制动扭矩。

图6 ZJ70D钻机电磁刹车 T-n性能曲线                     表2  绞车电机他励模式下与电磁刹车扭矩对照表

由表2计算可知，在不同档位下，绞车电机额定扭矩折算到滚筒侧的扭矩（滚筒计算扭矩）均大于滚筒额定扭矩，其中在Ⅰ档与Ⅱ档时还大于电磁涡流刹车扭矩，因此利用绞车主电机与盘刹配合可实现安全下放，从而取消电磁涡流刹车等辅助刹车。

2.3  超级电容储能

储能行业的快速发展，使得越来越多的储能媒介涌现出来，包括铅酸电池、铅炭电池、锂电池、飞轮电池、超级电容等，各储能媒介均有各自的技术特点，其功率密度、能量密度如表3：

表3 储能媒介参数与性能对比

由表3可见，铅酸电池、铅炭电池甚至锂电池可被广义的化为能量型器件，功率密度小，无法瞬时提供高功率。飞轮电池是靠大转动惯量的飞轮高速旋转来储存和释放电能，其动态响应特性较差。超级电容经历了近十几年的发展，功率密度可达几KW/KG，短时过载能力是额定的十倍以上，属于典型的功率型器件。可应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、电动工具、军工等领域已经得到广泛的应用，特别是在部分应用领域具有非常大的性能优势。超级电容的这一特点使其可轻松应对直流钻机起钻过程中所需要的突变功率，而钻具下放过程中所释放出的能量以10Kw.h为单位存储（单次下放回收能量较小），并且超级电容具有较高的使用寿命，深度充放电可达100万次，非常适合钻机频繁起下钻的作业工况。

钻井起下钻过程中功率突增突减频繁、变化幅度大。超级电容具有充放电速度快、功率密度高、使用寿命长等优越性能，特别适合起下钻作业工况。超级电容存储电量满足公式（其中W为超级电容电量，C为超级电容容量，U为超级电容电压）,在电容量一定时，超级电容存储的能量与其当前电压的平方成正比^[3]。

根据测试数据，现场设备技术数据，结构尺寸，设备造价等综合因素权衡考虑，选取调峰电能W、电容工作电压区间（U₂-U₁）、调峰功率（P）等参数，根据超级电容电量计算公式，计算出超级电容容量为46MJ。

起下钻作业时，绞车最大输出功率1200kW，单台发电机组作为动力源。考虑到发电机运行的稳定性和经济性，按照发电机组输出功率600KW、超级电容放电功率600kW的组合和发电机组输出功率300 KW、超级电容放电功率900KW的组合，充电功率持续400kW，软件仿真如下。

图7  充放电仿真图（放电功率600KW）                  图8 充放电仿真图（放电功率900KW）

超级电容配置容量46MJ，以400KW恒功率充电，所需时间为120S（电量0~100%）。由图7和图8可知，满足600KW放电76S，900KW放电53S，完全可承担绞车的突变负载，且充放电周期与常规钻机起下钻周期相吻合，能够满足钻机作业要求。

2.4  动力调峰

由湖南钻井公司作业的TP270井现场动力测试结果表明，直流电动钻机在起下钻过程中对电源造成很大的冲击，其输出曲线如下：

图9 起钻工况发电机输出功率曲线                            图10  下钻工况发电机输出功率曲线

图9表明，直流电动钻机驱动钻具上提时，柴油发电机功率台阶式直线上升，输出功率瞬间由200KW上升到1000KW,负荷变化率非常大，势能利用与储能调峰系统投用后，可快速响应并承担这部分冲击负载。图6表明总功率约1000KW,可由储能系统输出600KW，发电机组输出400KW。上提结束后的辅助作业阶段，发电机功率维持在200KW左右，此时可利用发电机的富余容量为超级电容充电，实现动力调峰。钻机在起钻作业时通常由1~2台发电机供电，引入该系统后在起钻工况的某些阶段可减少1台主柴油发电机组，有效降低作业成本。

图10表明，下钻工况时绞车驱动空游车上提，绞车功率短时上升到800KW，功率变化快，但总能量需求较小，这部分冲击可由储能系统全部承担。绞车驱动钻具下放时，柴油发电机输出功率仅为200KW，工作效率低，此时可采用功率和油耗更小的400KW辅助发电机，配合本系统完成下钻作业，从而减小主柴油发电机组空转造成的能源浪费，回收的钻具势能或回馈到交流母线侧供钻机辅机实时使用或在超级电容里存储。

通过这种控制方式，可以减小电网或发电机的峰谷负荷差，优化资源配置，提高发电机和电网的经济性，达到节约能源的目的。

2.5能量回馈

绞车上提时，能量回馈单元工作在逆变模式，将超级电容模组释放的电能回馈到600V交流母线上，与交流母线并网输出；上提结束后，能量回馈单元工作在整流模式，利用交流母线的富余容量为超级电容充电。

能量回馈单元将超级电容模组存储的能量和直流电机回馈的能量变换成和600V交流母线同相位、同频率的交流电进行并网。采用的PWM和多重化技术使补偿到交流电源侧的电能谐波含量极低，不会对交流电源造成二次污染。采用的MPPT最大功率跟踪技术能够完成不同功率的回馈功能，防止出现回馈能量过多导致的电网崩溃等危险情况^[4]。

2.6实用性

本系统连接简单、操作方便、安全性高。

⑴ 系统自动判断运行情况，绞车上提时，超级电容模组和柴油发电机组共同为绞车提供电能；绞车下放时负载势能转化为电能，或回馈到交流母线侧供外围负载使用，或在超级电容模组中存储。

⑵ 系统串联在SCR房与绞车电机之间，不改变原SCR房电气连接结构，本系统出现故障时，自动切换回SCR系统运行方式，不影响井队作业。

⑶ 超级电容具有充放电功率大、循环寿命长的优点，深度充放电可达100万次，其折算寿命约为20年。

⑷ 在柴油发电机组或网电突然断电的情况下，超级电容模组中储存的能量可为钻机提供短时供电。

⑸ 系统可快速响应负载对发电机组或电网的冲击，SCR房内可取消软启动器，除砂泵、加重泵、灌注泵等大于55KW的电机直启造成的冲击可由本系统完全承担。

本项目研究不仅仅局限于直流电动钻机，也可直接应用于交流变频钻机（仅使用了本项目的部分功能），或经局部改动后可应用在在机械/复合钻机上，实现势能回收和动力调峰。无论在技术先进性、使用的可靠性和应用范围上，该项目都具有通用性和明显的优越性，具有大力推广的价值。

3  预期收益 

据统计，目前国内钻机约2000台，国外钻机总数约上万台，其中直流电动钻机国内约占25%，国外约占50%以上。即使仅有10%的国内直流电动钻机配置进行势能回收与超级电容储能调峰系统，其需求量就达50台，因此，开展本项目研究，具有推广前景。

以湖南钻井公司作业的TP270井为例，作业时间2015年10月到2016年2月，井深6500m，起下钻次数37次，单根立柱长度30m，游车+大钩重量16T。综合计算其起下钻作业情况，包括势能利用收益、刹车节能收益、调峰收益、起钻工况少开1台主柴油发电机节能收益、下钻工况利用辅助发电机供电节能收益，减少设备维护收益等，使用柴油发电机组供电时单口井可节省支出21.9万元，使用网电供电时单口井可节省支出11.6万元。另外，取消电磁涡流刹车或伊顿刹车及控制柜后，预计降低成本37万元。

4  研究结论

综上所述，直流电动钻机势能利用与储能调峰系统可以充分回收利用负载势能，通过削峰补谷的方式实现动力调峰，提高系统能源利用率，降低能源消