基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統

陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統

陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

針對石油鉆修機絞車在運行過程中存在的能量浪費問題，設計了一種基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統。給出了系統的整體設計方案，并分析了不同工況下能量流動的控制策略。

超級電容儲能裝置 鉆修機絞車 PLC 控制策略

隨著國家對節能環保、減排降噪要求的不斷提高，出現了由柴油發電機組供電的直流/交流驅動鉆修機，取代了傳統柴油機作為動力源的鉆修機。直流驅動的功率因數太低，系統無功過大，需要配備的柴油發電機組容量也相應很大，運營成本較高。交流驅動具有功率因數高、控制精度高等優點，適合油田作業，因此交流驅動鉆修機成為油田鉆修作業設備的首選。鉆修機絞車的功能是提升和下放管柱或工具。作業過程中，提升和下放作業時間與人工裝卸時間之比約為1∶2，意味著柴油發電機組在超過一半的時間是處于空載運行狀態的[1]。鉆修機無論在作業工況還是非作業工況，柴油發電機組始終消耗柴油進行發電，只是在輕載時消耗的柴油相比重載時少一點。鉆修機在工作過程中會將鉆具反復進行上提、下放。上提過程中鉆機必須做功，將幾十或上百噸的鉆具提升近30m，而且井越深鉆具越重。下降過程則是將上提轉化的機械能釋放掉，傳統做法有兩種：一種是為了追求下放速度，采用脫開動力的方式下放，這樣負載帶動游動系統自由落體，制動回饋能量由剎車制動消耗；另一種是采用絞車反方向給定速度下放，將機械勢能轉化為電能回饋到變頻器的直流母線，靠制動電阻以熱能形式消耗。兩種做法的制動回饋能量均以熱能形式消耗，造成了很大的浪費。

為此，設計一種基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統，將鉆機或修井機所做功轉化的機械能回收重利用，不僅可以節能減排，降低鉆井成本，還能降低對發電機組性能的要求。

1 基本原理

1.1 超級電容儲能原理

超級電容器基于雙電層工作原理，其結構如圖1所示。

圖1 超級電容結構示意圖

當外電壓加到超級電容器的兩個極板上時，正極板存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在兩個極板電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層即為雙電層，因此電容非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(通常為3V以下)；如果電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位，電解液將分解，超級電容器為非正常工作狀態。隨著超級電容器的放電，正負極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷相應減少。超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的。

1.2雙向DC/DC變流器的工作原理

雙向DC/DC變流器為雙向工作制，能夠實現電容功率補償系統到直流母線、直流母線到電容功率補償系統能量的雙向流動，完成修井提升作業的功率補償，并快速為電容功率補償系統補充能量。

變流器采用交錯并聯雙向Buck-Boost拓撲結構，如圖2所示，其中VG1～3、IGBT、SV1～3為電壓傳感器；L1、L2為儲能電感；RF1、RF2為放電電阻。采用兩重回路并聯方式，減小了流過單個開關管的電流等級，滿足功率需求；錯相控制可以有效減小等效電感值和輸出電流波紋。

圖2 雙向DC/DC變流器拓撲結構

圖2中，V1為電容補償裝置側電壓，V2為直流母線側電壓。正常工作時，V2高于V1，有利于提高超級電容器的利用率，在滿足正常運行所需的條件下盡量減小超級電容器的數量，提高儲能的經濟性。補償裝置儲能時，由井場電網為電容功率補償裝置快速充電，能量從直流母線側流向電容補償裝置側，變換器工作在Buck模式。修井作業提升階段功率補償時，電容功率補償裝置放電，能量從電容補償裝置側流向直流母線側，變換器工作在Boost模式。

正常工作時，這種拓撲結構能夠滿足使用要求。但在實際使用中發現，如果母線側電壓V2低于V1，即使不進行充放電控制，也會導致上橋臂直通。為此，在上橋臂串聯一個反向功率管，通過與下橋臂功率管的互補控制，保證即使母線側電壓V2低于V1，上橋臂也不會直通，保證了設備的安全。

2 控制系統設計

2.1總體方案

基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統的拓撲結構如圖3所示(不含輔助用電設備)。系統設有整流器、逆變器、雙向DC/DC變流器、超級電容器組、制動單元、制動電阻、主PLC及Profibus-DP等。

圖3 基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統的拓撲結構

正常作業時，柴油發電機組發出的交流電經整流器整流成平滑的直流電，經逆變器逆變成頻率可調的交流電為絞車電機提供動力。與傳統電驅絞車電控裝置相比，增加了雙向DC/DC變流器和超級電容器組。超級電容器組經雙向DC/DC變流器吸收發電機組發出的電能和制動產生的能量。

2.2能量流動控制分析和控制策略

根據鉆修機的不同工況，設計了相應的控制策略，控制超級電容處在充電、放電的合適狀態。超級電容的充放電工況有3種，如圖4所示。

圖4 超級電容充、放電工況

鉆修機的作業工況有起鉆、下鉆、下套管和打鉆4種。下面就針對這4種工況分析超級電容的充、放電工況下的控制策略。

2.2.1起鉆工況

起鉆工況下，絞車拉動井筒內剩余管柱上行(重載)，對應圖4b的放電工況1，超級電容和柴油發電機同時向系統供電。當超級電容的狀態SOC(State of Charge)高于設定值時，超級電容滿功率輸出；反之超級電容關閉。

空鉤下行時，對應圖4a的充電工況，制動回饋能量導致直流母線電壓升高，當瞬時電壓升高到制動單元的閾值時，制動電阻投入，強制母線電壓；瞬時電壓降到閾值以下時，通過雙向DC/DC變流器向超級電容充電；同時柴油發電機組發出的電能也通過整流器和雙向DC/DC變流器向超級電容充電，當超級電容的狀態SOC為1時，關閉雙向DC/DC變流器，停止向超級電容充電。

2.2.2下鉆、下套管和打鉆工況

下鉆、下套管和打鉆工況均含有下放管柱(重載)和上提管柱(輕載)過程。

下放管柱(重載)時，絞車拉動井筒內剩余管柱下行，對應圖4a的充電工況，制動回饋能量導致直流母線電壓升高，當瞬時電壓升高到制動單元的閾值時，制動電阻投入，強制母線電壓；瞬時電壓降到閾值以下時，通過雙向DC/DC變流器向超級電容充電，當超級電容的狀態SOC為1時，關閉雙向DC/DC變流器，停止向超級電容充電。

上提管柱(輕載)時，對應圖4c的放電工況2，超級電容通過雙向DC/DC向絞車傳動系統供電，下放管柱(重載)產生的能量不小于上提管柱(輕載)需要的能量，此時柴油發電機可以停止工作。

3 基于PLC的主控系統

基于超級電容儲能裝置的電驅石油鉆修機絞車電控系統中的各個部件，均為獨立的控制系統。系統采用S7-300 PLC作為主控制器，S120變頻器作為從站，采用Profibus-DP總線實現二者的通信；雙向DC/DC變流器與超級電容器組作為獨立系統，通過DP/DP Coupler與主PLC進行主-主通信，完成實時信息交互。整個系統的控制網絡結構如圖5所示。

圖5 基于PLC的主控系統網絡結構

主控制器可以查詢單個超級電容的實時電壓、電流、溫度及報警等信息。根據不同工況的實際狀態，控制雙向DC/DC變流器對超級電容的充放電，同時采集實時充放電的功率、電流及報警等信息。

4 結束語

傳統鉆修機在鉆修井作業間歇期，柴油發電機組發出的電能除供輔助電機工作外，均以柴油機發熱方式消耗掉；絞車下放時制動回饋能量要么被剎車消耗，要么被制動電阻消耗，造成了較大浪費。筆者提出的基于超級電容儲能裝置的電驅石油鉆修機絞車電控系統，配置了雙向DC/DC變流器、超級電容器組和能量控制系統，實現了鉆修機作業間歇期內柴油機發出的多余電能和制動回饋能量被存儲釋放，達到了節能的目的。

[1] 吉順平.西門子現場總線通信原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2009.

ElectricalControlSystemforDrillingRigDrawworksBasedonSuper-capacitorEnergyStorage

CHEN Jian

(SINOPECSJPetroleumMachineryCo.,Jingzhou434024,China)

Considering the energy waste of drilling rig drawworks in the operation, a super-capacitor energy storage-based electrical control system was designed for drawworks, including the system’s overall design scheme. The control strategy for energy flow under different working conditions was analyzed.

super capacitor energy-storage device, drilling rig drawworks,PLC, control strategy

TH862

B

1000-3932(2016)05-0526-04

2016-04-08(修改稿)