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钻机制动能量回收技术难点及其解决方案研究

更新时间:2018-11-20

董兴华1,2  马亚锋1,3  刘晶晶1

1.宝鸡石油机械有限责任公司  陕西 宝鸡 721000

2.国家油气钻井装备工程技术研究中心  陕西 宝鸡 721000

3.宝石机械宝石电气设备有限责任公司 北京 100192

摘要:石油钻机工作过程中产生的再生制动能量当前无法有效回收利用,这部分能量主要是接通到制动电阻,通过热能的方式损耗。但如果将这部分能量收集起来并作为主动力的补充,则能解决钻井的冲击响应问题,该系统能够抑制电能的波动、提高电能质量。本文通过分析钻机需求的基础上,提出一整套储能控制系统,并通过在simulink的仿真验证该系统可行。最后分析类似技术在钻机勘探行业目前无法推广的原因,并提出解决办法。

关键词:钻机;回收能量;储能装置;控制策略

0 引言

钻机是勘察和钻井的必备工具,它广泛应用于石油、页岩气、煤层气、可燃冰等的开采工作中。常规钻机在工作过程中产生的制动能量无法回收,多通过能耗制动的方式消耗掉,没有回收利用;同时由于地质变化造成公共直流母线上能量波动,一旦发电机无法及时响应,会触发保护措施,影响生产任务的顺利进行。

钻机工作的过程就是持续不断的钻井过程,所以在生产运行阶段如何将上述的能量有效存储,并在负荷存在缺口时,作为备用电能源及时补充,改善电网质量,以及由此产生的节约燃料、能源效率提高、成本减少则是用户的需求。

1 钻机制动能量产生的原因和回收难点

1.1 钻机制动能量产生的原因

钻机的生产运行就是不断对钻具进行重复拉升和下落的。拉升就是发电机提供电能给电动机,电能转成势能拉升钻具;下落就是钻具在自重作用下,通过电动机控制其下放。在这过程中如果司钻给定速度低于电动机真实运行速度,且电动机的电磁转矩方向与转速相反,电动机就会转变成发电机,反馈转换成电能的制动能量,这就导致公共直流母线能量增加,导致其电压升高,而无法工作 [1-11]。由于这部分能量具有时间短,能量密度大的特点,所以目前常规的做法是通过连接制动电阻,将这部分电能以热能的形式消耗掉(详见图1)。

1.2 钻机工作过程中负荷冲击产生的原因

在正常钻井作业过程中遇到跳钻、溜钻、卡钻等情况时由于负载变化,对钻机电控系统的电网造成冲击负荷,进而导致供电母线电压大幅波动,如果电压波动过大会触发相应断路器动作使得钻机中断工作,由此造成设备的损坏和生产周期的延长。

1.3 钻机能量回收的难点

钻机能量回收难的原因:以钻机起钻为例,随着地下钻具的逐根取出,会不断地产生短时制动能量,所以这就要求储能单元具有很好的适应性及频繁短时间快充能力,常规的储能元件很难满足这么高的要求;同时在正常钻进时,由于地下的环境复杂,所以钻机的公共直流母线电压一直处于波动状态,很不稳定。像蓄电池等储能元件都要求供能源要稳定,波动范围小,所以常规的储能元件也很难满足这种工况下的能量回收要求。

2 储能控制系统设计

储能控制系统的设计首先要分析需要收集能量的具体工况、持续时间和能量大小,然后才能进行储能元件容量选型,进而完成控制策略的制定,再进行相关的设计。

2.1 需要收集和使用的能量

这类能量主要分为两大类:制动过程中产生的能量和钻机正常钻进过程中的冲击响应能量。以下是对5000米钻机的相关数据分析。

由上图可以看出正常钻井中对冲击响应的能量需求是0.67kWh,最低的储能工况也能提供8.89kWh的能量,完全能满足正常钻井的能量需要,确保电网质量得到优化。

2.2 储能元件容量选型

根据1.3钻机能量回收难点”和“2.1需要收集和使用的能量”描述,本文引入双储能元件,包含超级电容和蓄电池2种。前者具有充放电迅速,寿命长,能进行短时间大电流的充放能力,但是缺点是单个超级电容无法存储很多的能量,而且造价昂贵;蓄电池具有能量存储密度高,技术成熟的优点,但对充放电输入、输出环境要求较高,无法单独满足钻机能量存储的要求。

2.3 储能策略的制定

储能控制系统总的功能分为充电(储能)和放电两大部分,所以根据上述特点构建了储能系统的硬件连接图(详见图1框起来部分)并对超级电容组及蓄电池充放电进行动态分配,从而确定系统的控制逻辑图(详见图2和图3)。

由图1可以看出储能系统包含储能元件(超级电容和蓄电池)及转换模块(#1DC/DC模块和#2DC/DC模块)两部分。

由图2和图3可以看出控制逻辑图都是通过检查公共直流母线电压变化来判断是否参与工作。当电压变化到预定值时,再判断电压和电流是否阶跃变化,并依据结果判断通过#1DC/DC#2DC/DC驱动相关的储能元件。储能元件工作时,不断检查公共直流母线电压值是否达到设定值,若达到,则相关单元暂停工作;若没有达到,则检查对应储能元件是否充满,若没有充满能量,则继续充电,否则切换到另一组储能元件或由制动电阻消耗掉。

3 储能控制系统的优化

3.1 测试背景

根据上述分析和对其进行系统设计,笔者将该系统集成到钻机的控制系统中,并基于simulink进行仿真测试。以下是通过仿真软件得到的电压波形,为了对比明显,同时截取了连接该系统的曲线图(粗线波形)和未连接该系统的曲线图(细线波形)进行比较,来进行验证。

3.2 充电模式

钻机处于制动下放时,从图4中电压曲线图可以看到从0~19s之间,钻机正常工作,这时曲线波动很小;在20~30s之间,这时钻机处于打钻制动状态,由于地层的改变使得钻机无法稳定钻进,这时产生冗余的制动能量从电动机传输到公共直流母线上,可这时直流母线无法吸收这些能量导致电压升高。在31s后,由于该下放过程结束,所以储能装置暂时停止工作。

3.3 放电模式

钻机工作过程中遇到地下冲击负荷的情况。从图5中电压波形曲线可以看到从0~18 s之间,钻机正常工作,这

时曲线波动很小;19~32s之间因为冲击导致负荷变大,此时发电机无法快速满足需求,使得直流母线电压值下降。在33s后,因为冲击响应结束,所以储能装置暂时停止工作。

通过对比电压曲线图能得出结论,该系统的使用,优化了电网质量,使得钻机工作更加平稳有效。

3.4 成本节约的计算

该系统的节能优势表现为以下几点:

3.4.1 降低发电机购买成本

根据表1可知,钻机起钻时(这里起钻时间按照30s考虑)绞车的能量需求是8.56kwh8.89kwh,也就是单凭超级电容中的能量就能满足一次起钻作业的能量需求,这就可以减少对发电机的数量或降低容量。

3.4.2 回收制动能量

原本经过能耗制动消耗的能量进行有效回收再利用,降低燃料的损耗。

3.4.3 延长设备使用寿命

钻机工作时,由于地质变化造成公共直流母线上能量波动,一旦发电机无法及时响应,会触发保护措施,进而对相关设备造成损坏。所以使用该系统后,减少了触发保护措施的频率,延长了设备后期保养的支出。

4 储能控制系统推广的瓶颈和解决办法

4.1 能量回收的瓶颈

相关技术在钻机行业没有得到推广最主要的原因是一

次采购成本过高,回收周期太长。但是笔者经过调研认为这里面有几点可以完善。

4.1.1 计算方式不全面

以往对储能系统回收成本的计算主要集中在对燃油消耗的节约上,导致回收周期过长,不具备商用价值。但这种回收计算方式没有考虑由于储能系统对电网质量的优化,使得设备使用寿命延长,降低了后期维护和更换设备的开支。

4.1.2 定位不准确

以往能量回收都是基于全部制动能量的回收,并且全部应用于钻机生产需要,由于超级电容的采购成本是约20/kWh,所以能量全部用超级电容存储的采购成本过于高昂。

4.2 解决办法

相对于超级电容,同样容量的铅酸蓄电池价格是千元级别/kWh,而且根据测算超级电容数量只要保证能应对钻井过程中的冲击响应(见表1),将会显著降低采购成本(见表2),剩余能量可以用蓄电池存储用于生活用电。所以在确保满足钻机应对地下冲击响应,保证电网优化的前提下,尽量采用蓄电池代替超级电容成为降低成本的一个有效措施。

由表2可以看出采用该解决办法后,回收周期降低到4年,满足商用需求。所以该系统集成到钻机控制系统中既完成对制动能量回收,而且使得以往常见的冲击负荷问题得到有效解决,同时减少了发电设备的能量需要,整体降低了生产成本,所以该系统在石油钻井行业具有良好的应用前景。

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第一作者简介:董兴华,性别:男,198309月出生,2017年毕业于长安大学获工程硕士学位,就职于宝鸡石油机械有限责任公司研究院,高级工程师,研究方向:钻井平台自动化控制、供配电和机电一体化。



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