石油鉆機絞車儲能技術的研究

劉 鵬 丁 彬 李 磊 李云峰

（山東海洋工程裝備研究院有限公司，青島 266555)

石油鉆井行業工況復雜，涉及多工種、多專業，且能耗高。鉆機在提升下放鉆具的過程中，鉆具頻繁上提下放，連續制動。在上提過程中，發電機產生的電能傳遞給電動機，電能轉換成勢能拉動鉆具。鉆具在下放過程中釋放勢能，電動機進入發電模式，將已轉換為電能的再生制動能量反饋給前級[1-2]。目前，鉆機上常用的方法是將這部分能量接到制動電阻上，通過熱能形式消耗，會導致能量得不到有效回收，大量能量損耗。如何將下放過程中鉆具產生的電能收集到超級電容儲能單元中，并使其得到有效的再利用，是本文的主要研究內容。

1 鉆機儲能系統的設計與工作原理分析

圖1為鉆機供電電網的單線圖。柴油發電機組GEN1～GEN4發出交流電提供鉆機的主動力。4臺發電機并機后經過變壓器變壓后轉換成600 V交流電，再經過變頻器變頻調速后變為頻率可控的交流電，供給絞車、泥漿泵和轉盤等設備的交流變頻電動機。絞車由兩個電機驅動，每個泥漿泵由兩臺電機驅動，轉盤由一個電機驅動，均采用交-直-交傳動方式。本文依據鉆機設備的具體參數配置和鉆機在鉆井工況中的功率負荷特點，為減少鉆機運行中的能量損耗提出鉆機的儲能方案。

考慮各種蓄能裝置的特性，本文選擇超級電容器為絞車起升下放過程的儲能裝置。超級電容器的工作原理是通過極化電解質來儲存能量，充電放電過程可逆，整個過程不發生任何的化學反應。它還具有電容量大、充放電壽命長、充電快、使用便捷、工作范圍寬、無污染以及免維護等優勢。超級電容儲能系統主要回收鉆機制動時產生的能量，并提供起鉆和鉆進過程中需要的輸出能量，從而實現能量的有效回收。

2 儲能系統控制策略分析

超級電容儲能系統充放電常用的方法主要有直接功率控制法和電壓控制法兩種。通過比較，本文選取電壓控制方法。電壓控制法是將超級電容器并聯在直流母線兩端，通過實時檢測直流母線上電壓的浮動范圍，實現控制超級電容器的充放電操作。當直流母線電壓上升時，控制超級電容器進行充電。相反，當直流母線電壓下降時，控制超級電容器進行放電[3-5]。當鉆機的絞車提升鉆具處于驅動狀態時會從直流母線上吸收功率能量，導致直流母線上的電壓下降。此時，超級電容器會以放電的形式將存儲在其中的能量回饋到直流母線，以維持電壓的穩定。當絞車持續提升鉆具時，超級電容器會一直放電，導致儲存的能量隨之減少。同時，兩端的電壓會降低，直流母線上的電壓也會相應降低。因此，只有當直流母線電壓一直下降，且僅當低于整流電壓時，鉆機的絞車起升系統開始使用發電機提供的電壓。綜上，鉆機絞車處于驅動狀態時，超級電容器檢測到直流母線上的電壓低于發電機提供的整流電壓時，發電機開始對絞車進行供電。圖2和圖3分別為超級電容器充放電過程流程圖。

3 超級電容儲能系統樣機的開發

本文以超級電容儲能系統為具體研究對象，對石油鉆機進行等比例縮放及簡化設計和選型，搭建以超級電容器為儲能對象的絞車起升試驗裝置。在絞車升降作業時，驅動必須經常制動負載。本文選用西門子四象限的SINAMICS S120系列變頻器，實現再生能量的回收。西門子提供了一種創新性解決方案，通過采用電容器（超級電容器）在直流環節存儲能量。這樣不僅可以降低輸入功率達80%，還可在電源故障時使得驅動仍可實現電動制動，以最大限度減少制動和能量損耗，提高鉆機提升系統的效率和可用性。

圖1 鉆機電網單線圖

圖2 超級電容儲能系統充電過程流程圖

圖3 超級電容儲能系統放電過程流程圖

超級電容器應用于鉆機驅動系統，可滿足快速吸收再生能量的需求。同時，超級電容所儲存的能量，還能夠實現在驅動系統意外斷電時，絞車可以安全可控地停止，防止制動器急剎造成機械損傷或者鉆具甩出。與傳統方案對比，通過有效回收制動能量，可節能40%。

4 結語

本文主要介紹了在鉆機起升系統中應用超級電容儲能系統儲存制動能量，闡述實現該系統的控制策略進行改良設計及選型，并在后期進行了鉆機模型的樣機實驗。通過實際應用的效果可見，超級電容儲能系統可收集多余的制動電能，以節省空間，降低生產和制造成本，做到綠色環保節能。