飛輪儲能技術在海洋鉆井平臺應用可行性分析

李春 顏波 胡文俊 中海油田服務股份有限公司

海洋鉆井平臺以柴油機作為其主要動力源，柴油消耗、二氧化碳排放量巨大。國內目前擁有70 余艘自升式鉆井平臺和20 余艘半潛式鉆井平臺，海洋鉆井平臺用能呈現短時間突起突降的特征，起下鉆、拔樁、升降船等作業具有持續時間短、啟停/循環次數多、瞬時功率大等特點，對主機的負荷突增突降變化要求高，往往造成主柴油機燃燒不充分，排煙管“冒黑煙”。

近年來，國內外電力行業陸續引入了儲能技術，旨在提高系統運行穩定性以及電能質量，也是節能減排的重要途徑。針對不同的應用場景，逐漸形成了以物理儲能、電化學儲能以及電磁儲能等不同方向的儲能技術，其中，典型技術包括飛輪儲能、鋰電池儲能、超級電容及壓縮空氣儲能等。而鉆井平臺瞬時大功率存儲和施放的功率密度需求特性決定了超導儲能、飛輪儲能和超級電容更適合于鉆井平臺沖擊負荷的工況。但是由于超導能量密度不高、儲能成本昂貴、維護困難，所以不是很適用于鉆井平臺；超級電容能量也有自身缺點，其密度低，且輸出特性軟、成本偏高，也不適用于鉆井平臺。比較而言，飛輪儲能技術在海洋鉆井平臺的適用性、可行性更高。

本文針對海洋鉆井平臺不同運行工況下的負荷波動情況，提出了引入飛輪儲能裝置實現電能的“削峰填谷”方案，可以平抑柴油機沖擊功率，改善機組運行環境，增加設備使用壽命，消除柴油機冒黑煙現象。同時，在平臺電力系統中，需要融入儲能系統，以滿足系統的供電可靠性要求，提高運行效率進而減少運行的機組數量，能夠達到鉆井節能和降低運行成本、減少碳排放的目的。

1 動力儲能技術現狀

1.1 典型儲能技術特點

在我國和國際社會發展新能源、建設清潔低碳、安全高效現代能源體系的大潮流和綠色發展新理念下，國內外儲能技術發展迅猛，隨著科技的不斷進步，各種儲能技術層出不窮，根據充放電能量轉換形式，大致可分為物理儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能）、電化學儲能（電池儲能）、電磁儲能（超級電容儲能、超導儲能）。

隨著新型材料的不斷發展、磁浮技術的進步和電機變頻調速技術的成熟，飛輪儲能系統的成功研制條件基本具備。與其他儲能技術相比，飛輪儲能技術能量轉換效率高、無污染、維護性好、儲能密度高、使用壽命不受放電深度影響，越來越受到應用單位關注。

1.2 飛輪儲能技術原理

飛輪儲能是一種物理儲能方式，利用高轉速大慣量轉子進行機械能存儲并且可以進行機電能量轉換的裝置。隨著新型材料的應用、磁浮技術的進展和電機變頻調速技術的成熟，最新的飛輪儲能研發方向是采用全磁懸浮技術為支撐的高速小型化飛輪儲能裝置。此方案克服了傳統飛輪轉速低、儲能效率不高，體積和重量較大、移動性能受限等缺點。

飛輪儲能技術利用旋轉體高速旋轉時所具備的動能來存儲能量，通過電動/發電一體化雙向高效電機，實現電能和動能的雙向變換。飛輪儲能屬于物理機械儲能技術，它與傳統的電化學儲能有本質的區別，飛輪儲能技術本身是高速電機技術的應用，儲能體為電機轉子，儲能公式為，其中J 為轉子的轉動慣量，ω 為轉子的角速度，因此飛輪儲能量只與轉子最大轉速以及轉動慣量相關，物理定律中物質不會憑空消失，幾何尺寸不會產生變化，因此飛輪儲能技術的特點是全壽命周期容量永久不變，這是與化學電池的本質區別。

隨著高速電機控制技術、雙向逆變控制技術、復合碳纖維轉子技術、磁懸浮軸承系統，目前的飛輪儲能系統具有快速儲能及頻率調節的特性，75%深度充放電次數能夠達到 103 次/h。

1.3 電力儲能應用現狀

近年來，國家雙碳戰略的實施，大幅促進了儲能技術和產業的發展，中國儲能實現了從商業化發展初期到規模化發展的轉變，總體上中國儲能的發展超出了業界預期。一是支持儲能的政策不斷出臺；二是儲能系統的裝機大幅增加；三是多種儲能技術取得重要進展。國內對飛輪儲能技術的研究起步較晚，20 世紀80 年代，國內機構開始關注飛輪儲能技術，90 年代開始關鍵技術基礎研究，經過多年發展，目前國內已有公司開始運營從事飛輪儲能系統的實際應用開發，并取得了一系列成果，研制了一些單元設備，并且有部分飛輪產品已經投入示范應用，主要在軌道交通、UPS 備用電源等領域。其中2019 年飛輪產品首次在陸地石油鉆機上獲得應用。

飛輪儲能技術在許多領域都已經有廣泛的應用，特別是在美國、日本、德國等發達國家，飛輪儲能技術已經發展得比較成熟，主要應用在以下方面：不間斷電源（UPS）、軌道交通（地鐵車輛）、航空航天、電網電站，飛輪儲能還被應用到太陽能發電、風力發電等系統中。但總體而言，飛輪儲能在陸用電網電站的應用比較成熟，在海工船舶等獨立電站上的應用仍處于起步階段，工程化應用較少。

2 海洋鉆井平臺動力負荷特點

2.1 典型鉆井工況功率波動分析

海洋石油鉆井作業過程中，柴油機作為主要動力來源，長期以來存在能耗大、冒黑煙、噪音大、鉆具下鉆時產生的巨大勢能無法回收利用，以及鉆井施工中突變負載對柴油機組產生沖擊、極大影響設備的使用壽命等突出問題。

本文以某4300m 井深的井位進行了起下鉆過程中的鉆井絞車功率特性采集分析。起鉆作業時，不同工況下絞車輸出功率變化很大，空游車下放時，其特征輸出功率從-396kW 降低至59kW,上提鉆具時輸出功率在1370～654kW 之間變化，提鉆具維持功率973～355kW。

下鉆作業時，鉆具下放勢能變化從-524.3～-152kW 之間，提空游車時絞車沖擊功率為523～520kW,提空游車維持功率為207.6～210kW。

海洋鉆井平臺在起下鉆過程中，鉆井絞車輸出端功率隨著起下鉆作業中不同狀態的變化，輸出功率也在勢能和沖擊負載中劇烈變化，絞車上提鉆井過程中鉆井負荷最大，空游車下放時，其輸出功率最小。

2.2 柴油機負荷波動的危害

海洋鉆井平臺上，柴油發電機作為鉆井作業的主要動力，為整個平臺提供鉆井工業用電以及平臺生活用電等，在平臺的穩定運行及安全作業中發揮著舉足輕重的作用，是保證平臺正常運轉的“心臟”。在自升式鉆井平臺作業過程中，經常出現用電負荷突增突減，如起下鉆、拔樁、升降船等作業，這些沖擊性負荷會使平臺電網電壓產生劇烈波動，造成多種問題和危害：供電質量嚴重下降，電網間電壓忽高忽低，電流不穩定，降低電氣設備使用壽命；負荷突變會對柴油機組產生沖擊，造成燃油效率低下，出現冒黑煙現象，并且伴隨燃燒不充分、能耗大、噪音大和污染環境等問題；柴油機負荷突變，其運行狀態突變，會造成柴油機磨損嚴重，增加柴油機故障率；電網不穩定引起的次生問題，主電網用電過激可能會引起全船停電，為了應對突發全船停電，平臺采用額外增加一臺柴油機的應對措施，造成能源的過飽和和浪費，燃油經濟性降低。

3 海洋鉆井平臺應用儲能技術方案

3.1 飛輪儲能關鍵匹配性技術

海洋鉆井平臺與陸地電力系統的作業工況環境存在較大差異，不能直接用儲能技術用于海洋鉆井平臺，還需針對海洋作業特點，在現有成熟技術的基礎上完善其技術方案，優化內部軸承機構的組成。

目前較成熟可推廣的飛輪儲能技術廣泛采用磁懸浮技術，解決磁懸浮轉子在海洋鉆井平臺中的穩定性是首要解決的問題。海洋鉆井平臺受其結構特點限制，往往長期處于振動、晃動、傾斜等復雜運動狀態，以自升式平臺為例，平臺通過樁腿固定在地面，呈現懸臂式結構，受風、浪、流的組合作用下，呈現小幅度、高頻次的震動，平臺配置的主要設備均需通過固定底座，焊接或用螺栓連接固定在平臺上。而飛輪儲能的主要儲能裝置為高速轉動的轉子，其高速旋轉過程中的微小振動或傾斜，都將影響轉子系統的穩性，使轉子穩定狀態失效，能量損耗增加，轉換效率降低，嚴重時甚至可能造成系統失穩，飛輪系統整個破壞撕裂。

航行工況下飛輪儲能系統轉子部件的快速固定及解鎖裝置也是關鍵技術點。海洋鉆井平臺通常需要間歇性的移動，在一個井位作業期間，平臺處理短期內的穩定狀態，飛輪儲能系統可為平臺作業提供輔助，但平臺前往下一個井位期間，就需要進入拖航工況。考慮磁懸浮轉子的特殊性，拖航期間需避免轉子系統與底座、系統外殼等固定間之間的碰撞，避免系統部件的損害及磨損。同時，為考慮系統操作與維護的簡易性，還需設計一套快速解鎖裝置，以便平臺到達井位進入作業過程中，快速接觸轉子固定，恢復儲能狀態。

為匹配鉆井平臺電網系統，飛輪儲能系統還需實現和原有平臺電網間實現自動化協同控制，綠色負載系統與平臺電網間能量的存儲和釋放，并具備快速切換能力，實現根據電網負載變化高效補償，而不影響平臺現有電網系統。

3.2 飛輪儲能應用潛在經濟性

海洋鉆井平臺長期處理鉆井作業狀態，通過飛輪儲能技術的實施，可以有效平抑工況變化帶來的負荷沖擊，降低柴油機油耗，實現節能減排。本文以某JU2000E 型自升式鉆井平臺為例進行分析，其配備5 臺卡特彼勒3516B 柴油機，該機型平均燃油耗率為205 g/kWh。投入2 組飛輪儲能裝置，單臺儲能功耗300kW。以井深5000m 工況，按典型鉆井正常起下鉆作業計算，平均每口井起下鉆（包括短起）以及其他管柱處理排放等作業以各10 趟計，則每口井可節省燃油約9.2t，以每平臺每年作業9 口井計算，可至少節省燃油約82.8t/a（相當于121.44tce），節約費用約58 萬元/a，并可至少減少大約257.86t/a 二氧化碳排放。

利用飛輪儲能裝置，可以有效的改善平臺電網質量，提高發電機組利用率。由于飛輪儲能裝置投入后，平抑減少柴油發電機組的沖擊負荷及負載波動，提高了平臺電網質量及設備運行可靠性。減少功率沖擊，可實現鉆井平臺柴油機功率平均輸出，改善機組冒黑煙現象，增加柴油機使用壽命，且提高了燃油效率，可適時減少一臺柴油發電機組的投入，并可相應減少機組維修成本。

飛輪儲能裝置可節省變頻鉆機直流母線剎車電阻的維護成本。由于飛輪儲能裝置投入后，可回收變頻電機的回饋能量，替代了變頻鉆機直流母線原配置的剎車電阻的作用，可以降低剎車電阻使用頻率。

4 結語

儲能技術發展迅速，各類用能領域正廣泛探索儲能技術推動能耗利用率提升方案。飛輪儲能技術因其以轉子儲能，隨著磁懸浮技術、碳纖維和玻璃纖維負荷材料的引進，飛輪儲能技術在頻繁快速充放電的工況場景中優勢愈加明顯。本文也在陸地探索飛輪儲能利用的基礎上提出了海洋鉆井平臺利用飛輪儲能的可行性，分析了該技術應用于海洋鉆井平臺的關鍵技術點及潛在效益。

海洋鉆井平臺面臨特殊的環境特點，平臺整體時刻處于振動、搖晃或傾斜狀態，攻克飛輪儲能狀態面臨的關鍵技術問題，是將飛輪儲能裝置應用于海洋鉆井平臺的必要條件，一方面可以拓展飛輪儲能技術的基礎研究發展和應用范圍，另一方面也可以充分發揮飛輪儲能裝置能源損耗低、充放電速度快、維護成本低、安全性高的特點，大幅提升海洋鉆井平臺的燃油轉換效率，降低能耗與二氧化碳排放。