飛輪儲能技術在電驅鉆機上的應用分析

孟慶瑩

（中海油能源發展裝備技術有限公司電儀控中心天津300452）

飛輪儲能技術在電驅鉆機上的應用分析

孟慶瑩

（中海油能源發展裝備技術有限公司電儀控中心天津300452）

飛輪儲能技術已成為國際能源研究的熱點之一，主要針對飛輪儲能技術在電驅鉆機上的調峰作用的可行性為出發點進行研究，并探討了飛輪系統的結構組成，主要包括本體飛輪、轉子支承系統、發電/充電一體發電機、真空室。最終得出飛輪儲能系統在電驅鉆機上具有長遠的應用前景的結果。

飛輪儲能系統；電驅鉆機；電力調峰

1 引言

能源問題是歷來困擾人類的重大問題[1]。想解決能源問題，無非就是開源和節流兩個思路，開源就是不斷地發現新能源，不斷地發展能源獲取手段，提高能源轉化效率。而節流則是提高能源利用率，降低能源浪費。儲能系統就是依據能源節流的思路發展起來的，把多余的浪費掉的能量存儲起來，等需要的時候再釋放進行有效的利用，這就是儲能系統的存在意義[2]。

海上采油平臺應用的電驅鉆機工作包括起鉆和下鉆兩個過程[3-5]。在起鉆過程中的實際負載通常要遠遠高于下鉆過程中的實際負載，這是由于不同的動作工況引起的。這種不同負載的情況由同樣的電機功率輸出，就使得在下鉆工況中，能量被嚴重浪費，而起鉆過程中，電機卻又負荷過重[6]。這會對柴油機的使用壽命和經濟性產生惡劣影響[7]。在此種工況下長時間運行，柴油機會表現為，過負荷和欠負荷交替，柴油燃燒不完全，排煙黑度增加，柴油利用率降低導致柴油經濟度降低，為達到相同額定需求功率柴油機能耗增加，長時間運行，降低柴油機壽命。

對于周期性欠負荷和過負荷交替運行的工況，可以采用儲能系統進行調峰，在欠負荷時儲能系統吸收能量，在過負荷時儲能系統釋放能量，以此種方式使柴油機系統運行在平穩的負荷中，達到功率調峰以及能量節流的作用[8]。

2 飛輪儲能技術原理

飛輪儲能技術作為新型物理儲能手段，它是一種將電能以飛輪轉子的轉動動能加以儲存的系統，系統存儲電能實際上是電能轉化為機械能的過程，系統釋放電能實際上是機械能轉化為電能的過程。完整的飛輪儲能裝置由飛輪轉子、徑向軸向磁軸承，轉子支承系統、能量轉換裝置、真空泵、及水冷系統組成。另外，在儲能系統之外一般還配備相應的控制系統。

存儲電能時，電機驅動飛輪通過增加飛輪轉子的轉速提高其動能，由提供的電能通過飛輪旋轉變化為機械能存在飛輪本體中；釋放能量時，通過相應控制手段將飛輪轉子旋轉速度降低同時驅動電機，以發電機的形式運行，將存儲在飛輪中的動能能轉換成電能輸出，一切能量的轉換都是通過控制飛輪本題旋轉的升速和降速，實現動能及電能的相互轉換。飛輪儲能技術的儲能原理框圖如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統工作原理圖

3 飛輪儲能裝置充放電工況分析

經調研，電驅鉆機起鉆工況下的功率如圖2所示。

圖2 起鉆工況

起鉆工況整個周期在150s~220s，正功300kW～600kW，持續50s～70s，負功維持在200kW，持續20s～30s，波谷在600kW~800kW。具體工況分析如下：第1s開始提鉆柱，經過其妙提速，維持在200kW以上41s，經過8s減速，第69s開始安裝卡瓦，鉆桿與鉆柱分離耗時25s，鉆桿平移并放下耗時26s，第122s吊鉤水平移回，經21s到位，第143s空鉤下放，經36s掛鉤到位，3s掛鉤于鉆柱連接，卸去卡瓦，第183s開始下一個周期。

經調研，電驅鉆機下鉆工況下的功率如圖3所示。

圖3 下鉆工況

下鉆工況整個周期在130s~180s，正功300 kW~400kW，持續20s~30s，負功維持在300kW，持續40s~50s，波谷在600kW~ 1000kW。體工況分析如下：開始微提鉆柱去卡瓦6s，經過18s提速鉆柱靜止，安裝卡瓦，空鉤上提24s，因為慣性原因，會產生一個500kW的反向尖峰，掛鉤水平移動取鉆桿并且移回調整位置，第131s開始安裝鉆桿，用時29s，第160s開始下一個下鉆周期。下鉆工況中的能量分布方式如圖4所示。

圖4 下鉆工況能量

下鉆工況，周期在130s~180s之間，功率峰值為300kW~ 400kW，功率波谷為600kW~1000kW，正功持續時間20s~30s，此時間段內累計的能量基本維持在6MJ~7.5MJ，負功持續時間40s~ 50s，能量在9MJ~10MJ。在此期間，柴油機在絞車電機做正功時，功率波峰在700kW~800kW，其他時刻功率輸出基本維持在150kW。

起鉆工況中能量分布如圖5所示。

圖5 起鉆工況能量

起鉆工況，周期在150s~220s之間，功率峰值為300kW~ 600kW，功率波谷為600kW~800kW，正功持續時間50s~70s，此時間段內累計的能量基本維持在10MJ~15MJ，負功持續時間20s~ 30s，能量在3MJ~5MJ。

在此期間，柴油機在絞車電機做正功時，功率波峰在600kW~ 1100kW，其他時刻功率輸出基本維持在100kW。

4 應用于電驅鉆機的飛輪儲能系統

完整的飛輪儲能裝置由飛輪轉子、徑向軸向磁軸承，轉子支承系統、能量轉換裝置、真空泵、及水冷系統組成。另外，在儲能系統之外一般還配備相應的控制系統。飛輪儲能系統各個部分的作用如下所述。

4.1 飛輪轉子

飛輪轉子的強度和質量直接關系到飛輪儲能裝置的容量，轉子材料的強度越好，質量越大，飛輪所能存儲的機械能越高。一般為提高飛輪容量特性，國內外成熟的飛輪生產企業主要采用采用合金鋼提外層纏繞高強度玻璃纖維材料制成。

4.2 軸承

軸承是支撐飛輪本體和電機的裝置，并且要跟著飛輪轉子一同做高速旋轉，一般采用永磁軸承，電磁軸承或超導磁懸浮軸承，目的是為了降低飛輪旋轉的能量損耗，同時為了保護飛輪轉子還需設置保護軸承。

4.3 電動/發電機

為電能與機械能轉換的輸出和輸入裝置，國內成熟的飛輪企業大部分采用永磁無刷同步電動/發電電機，主要優點在于可以無級變速實現充放電，保證飛輪轉子機械能與電能轉換的連貫性。

4.4 電力轉換器

作用是在充電時將電能變換為直流點輸出給電機使飛輪升速，在放電時將輸出電能進行相應處理后供給負載，實現電能的快速輸出。

4.5 真空泵

由于飛輪本體工作時處于連續轉動的工況，若對飛輪倉不進行處理的話，高轉速帶來的大風阻會造成嚴重能量損失，所以在飛輪倉做成密閉空間，同時增加真空泵保證倉體內的高真空度，這樣可以大大減小飛輪轉子旋轉帶來的風阻問題，提高了系統效率。

圖6 飛輪儲能系統結構圖

飛輪儲能裝置中除上述主要部件外，還有磁軸承傳感器，飛輪轉子檢測系統、震動傳感器、真空度傳感器等一系列裝置。飛輪系統結構圖如圖6所示。

本飛輪儲能系統應用于鉆機起下鉆的能量回收及利用，考慮到目前鉆機所配備絞車功率及制動電阻功率大小，以及通過上述起下鉆能量分析結果，結合目前國內成熟飛輪生產企業制作飛輪的先進工藝，目前采取以下飛輪結構。

飛輪整體采用永磁吸力軸承，由于永磁體的存在，可將飛輪轉子及電機質量的80%～90%卸載掉，更加容易實現飛輪的磁懸浮狀態，同時電機采用徑向立式軸承，下端配有機械軸承保護飛輪轉子在不工作狀態下的穩定，以此來減少軸承摩擦損耗。同時飛輪電機采用高轉速電機，工作轉速在13000r/min，同時可以在支持大的轉速范圍內工作。飛輪儲能裝置配有水冷裝置，為其提供熱量交換，同時飛輪艙室內采用高真空度密閉空間設計，配備真空泵，保持艙室內真空度，以減小飛輪轉動的風阻。

飛輪儲能裝置通過直流母排與鉆機電氣系統連接。直流母排額定電壓800V，飛輪設計額定功率315kW。充電時，飛輪儲能裝置檢測母線電壓，當母線電壓超過額定電壓1.1倍時，飛輪控制單元發出指令，吸收下鉆工況時反饋回直流母線的電能，當吸收滿時，剩余電能由制動電阻分擔；在放電時，飛輪控制單元檢測母線電壓信號及司鉆操作信號，當母線電壓跌落為額定值的95%，同時檢測到司鉆進行起鉆操作時，命令飛輪儲能裝置對直流母線放電，將能量及時補充給沖擊負載。當飛輪儲能裝置能量下降到設定值時，停止對鉆機電氣系統放電，保護飛輪儲能裝置穩定運行。待檢測到有充電工況時在進行下一步啟動。

5 結論與展望

本文對電驅鉆機起下鉆工況進行了詳細的分析，同時結合現有飛輪儲能技術設計出適用于鉆機調峰使用的飛輪儲能調峰裝置，并通過參數設定驗證了此設計的可行性。作為新型機械儲能的飛輪儲能技術目前還走在技術的最前端，其設計壽命長、支持大功率充放電、響應時間快、系統效率高等特點是其在儲能領域的前景十分看好，同時擁有很好的市場前景，但目前我國飛輪儲能技術與國外發達國際的差距還是不小，隨著材料學的革新及新型電機技術的發展，飛輪儲能技術會越來越趨于成熟，成本也會隨之下降，將會引領儲能領域走向新的未來。

參考文獻

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[8]Dalebout W,Olson M.Strength training apparatus with flywheel and related methods:U.S.Patent Application 14/213,793[P].2014-3-14.

孟慶瑩，碩士研究生，助理工程師，主要從事海上平臺電氣設備相關研究工作。