2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心;
3. 渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司;
4. 大庆钻探工程公司钻井三公司
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment;
3. Tarim Drilling Company Branch, CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited;
4. Daqing Drilling & Exploration engineering Corporation No.3 Drilling Company
0 引言
常规石油钻机刹车制动产生的能量属于短时间大载荷能量,传统储能装置无法回收,只能经能耗制动消耗掉,这就造成能源的浪费;由于钻井过程中井底钻头面对的地质环境不断变化,导致钻机需要的能量发生波动,这时如果发电机不能及时响应,就会对钻机电网造成冲击,严重时会中断钻机正常工作,还会造成用电设备的损坏,增加生产成本。
目前相关研究提出了采用能量回收和再应用的方式解决此类问题,这类回收策略多基于电机参数或地层变化的冲击载荷等方面考虑。笔者在分析钻机作业特点的基础上,采用双储能控制系统的制动能量回收方法,并进行理论对比和现场测试验证。
1 钻机制动能量回收方法 1.1 钻机再生能量和载荷波动原因钻机工作过程就是各类钻井设备(以下简称钻具)不断提升和下落的过程。提升过程是柴油机提供能量给电机,电能被转换成势能提升钻具;下落过程就是钻具在自身重力作用下,通过电机控制下放的过程。在这2个过程中,如果电机给定速度小于电机实际运行速度,且电机的电磁转矩方向与转速方向相反,就会由钻具带动电机进入发电工作模式,向上一级反馈转换为电能形式的再生制动能量,如图 1所示;同时打钻过程中载荷变化受地质因素影响较大,造成公共直流母线上能量波动。如果载荷发生跃变,而发电机无法及时响应,就会触发保护措施,强制限制电能输出,这样会影响正常打钻工作。因此,在生产运行阶段如何将浪费的能量有效回收,并将增大的载荷作为发电机的有效补充,从而优化电能质量,保证钻机的稳定运行是当前研究的热点[1-12]。
1.2 双储能控制系统的控制策略
根据能量从储能元件流入和流出将双储能控制系统的功能分为充电和放电2大部分。为了满足不同能量需求,引入超级电容组(以下简称超级电容)和蓄电池组(以下简称蓄电池)组合的双储能元件,并通过DC/DC模块(直流-直流的转换模块,完成电能在2种不同电压等级之间的转换),连接到公共直流母线上(见图 2虚线框部分)作为储能单元;同时加入监控单元完成对整个系统的监测和控制。其中超级电容可以大电流充放,满足载荷突变的情况;蓄电池充放稳定,更适用于长时间持续储能[13-16]。因此,在实际工作中,需要根据公共直流母线电压和电流变化确定系统的控制方案(见图 3和图 4)。
由图 3和图 4可以看出,控制方案都是将检测的公共直流母线电压变化作为充放电流程启动的依据。当电压达到设定值时,再检测母线电压和电流是否大幅波动,并根据结果确定是由1#DC/DC还是2#DC/DC控制对应的储能元件工作。储能元件工作期间,会在一定时间内检测母线电压是否恢复,若恢复则储能单元停止工作;如果没有恢复则检测对应储能元件的状态,如果状态允许则继续工作,否则转换到其他储能元件或由第三方设备介入。
1.3 双储能控制系统的控制模式 1.3.1 控制模式根据钻机工况特点设计成电压闭环控制模式,也就是确保控制储能元件充放电过程中,公共直流母线上的电压保持稳定的控制模式。其控制原理如图 5所示,分为电压外环和电流内环2部分,电压外环用于确定充放电电流I设的值,电流内环用于调节充放电电流I输入值的大小。以大电流充电模式为例:电压外环作用是检测公共直流母线电压U母实际值,将实际值与前期的设定电压值U母设定值做比较,通过监控单元控制对储能元件充放电电流I设的初级设定(如果公共直流母线电压高于设定值,则监控单元判断需要电能输入,并输出特定的电流设定信号I设);电流内环的作用是检测储能元件充放电电流I母实际值,将其与电压外环设定的I设比较,并由监控单元输出信号I输入值给对应DC/DC模块(如果输入的I设信号显示大电流输入,且监控单元通过检测超级电容电压U超实际值来判断其内部能量,如果还未充满, 则监控单元选择由1#DC/DC模块并通过超级电容完成电流存储);同时监控单元检测超级电容U超实际值变化,如果超过限定值,则通过监控单元自动切换到制动电阻完成对多余电能的消耗(见图 3左侧部分)。通过以上方式存储或消耗多余电能,来确保公共直流母线的电压保持稳定。
1.3.2 能量传输和监控连接
双储能控制系统的控制和电能传输部分见图 6。
在这里加入监控单元完成对各设备的信号采集,并通过内部控制运算后,将控制信号发送给对应设备。
1.3.3 成本虽然双储能元件的铅酸蓄电池和超级电容性能可以互补,但两者成本相差巨大,同样容量的铅酸蓄电池价格是每kW·h千元级,而同样容量的超级电容价格大概是每kW·h 10万元级。因此,在确保满足钻机能量快速重放的前提下,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。
2 几种能量回收方法的比较目前关于这类制动能量的计算方法主要有3类:①依据制动能量经验计算公式,仅需引入具体电机参数计算;②依据油田用户反馈的地层变化的冲击载荷需求估算;③依据钻机具体工况特点,引入钻具等设备参数计算。
2.1 依据某厂家提供的公式计算结合变频器选型手册和相关经验公式,该公式仅需考虑电机参数,对具体钻井工况可以不考虑。以50DB钻机为例进行计算,将电机功率、电机额定转矩、负载转动惯量、电阻工作电压、转速代入下列公式分别求出减速时间tb、转矩Mb、制动吸收功率Pb。
(1) |
(2) |
(3) |
式中:J是负载转动惯量,Mb max是电机最大转矩,n是钻具下放速度。
2.2 冲击载荷响应的制动能量估算由于地质条件复杂,钻机正常钻进过程中负载变化不平稳,带有一定的波动性。随着冲击载荷的频率和强度不断增加,而柴油机本身响应存在滞后,就会造成冲击载荷触发保护装置,极端情况下会导致断路器跳闸,钻井作业被迫中断。因此,用户具体需求也可作为设计依据。
2.3 依据钻机特点进行的制动能量计算根据钻机打钻过程特点,综合考虑各工况影响(如钻深、机械效率和钻柱重力等),提出一套计算方法,具体计算过程如下。
首先确定钻具数据,具体包含钻杆平均重力、5 000 m钻机的钻杆总重力、轻载重力和对应下放速度、重载重力和对应下放速度、最大重力和对应下放速度,从逆变器到游吊系统的效率累加值η,然后计算下钻及制动功率。
下钻时产生的功率:
(4) |
式中:P下是钻具下放产生的功率,G载是钻具负载重力,G空是钻具空载重力,v下是下放速度,g重是重力加速度。
制动功率:
(5) |
式中:P阻是电阻吸收的功率,η是逆变器到游吊系统的效率。
制动电阻工作时间:
(6) |
式中:T阻是电阻制动时间,H制是逆变器到游吊系统效率。
2.4 结论第1种方法仅考虑电机本身,这样推导出的数据不能很好地体现钻机制动能量的实际需求;第2种方法根据地层冲击响应的功率需求具有局限性,不能满足钻机在不同环境的需求特点;第3种方法在钻机最常见3种工况基础上,设计推导公式并引入钻具等参数的计算结果更加符合实际情况。
只有明确了钻机具体的能量回收方法,才能进行下一步储能元件的选型设计。如:根据2.3节中制动电阻吸收的功率大小和对应的制动电阻工作时间长短,才能明确储能元件的储能值、充放电时间、超级电容和蓄电池的配比数量(超级电容配置数量至少满足一次快速充放电的要求)、DC/DC模块的选型。
3 双储能控制系统的应用根据前期理论分析、对控制策略和硬件的设计,将双储能控制系统集成到钻机的控制系统中,并于2016年秋季在山东省某区块油田5 000 m交流变频钻机上集成该控制系统。以下是该交流变频钻机逆变器输出端(连接绞车电机)测得的频率和电压波形。分别截取同一工作环境下使用双储能控制系统后的效果图(蓝色波形)和未使用双储能控制系统的效果图(红色波形)进行比较,来验证该系统的使用效果。
3.1 充电模式充电时间段钻具处于下钻制动过程,由于地层变化导致制动能量明显增大。从图 7a电压曲线可以看到:在0~16 s之间,钻具处于平稳工作过程,这时波动不明显,电压还是在600 V附近;在17~45 s之间,钻具处于下钻制动状态,由于地层的变化导致钻具无法平稳钻进,这时产生多余的制动能量从电机通过逆变器传输到公共直流母线上,但是这时公共直流母线无法消耗多余的制动能量导致电压升高(红色曲线升高到640 V左右,蓝色曲线仅升高到610 V左右)。从图 7b可以看到:在17~45 s之间,由于双储能控制系统的介入,无论是电压波形还是频率波形都趋稳,负载变化也不太明显(红色曲线升高到52 Hz左右,蓝色曲线仅升高到50.8 Hz左右)。在45 s后,整个制动下放过程结束,储能装置停止充电。
3.2 放电模式
放电时间段钻机正常钻进,由于地层变化会导致钻机负载突然增大。从图 8a电压波形曲线可以看到:在0~17 s之间,钻机正常钻进,这时冲击载荷依旧较小,波动不明显,电压还是在600 V附近;18~26 s之间由于负载需求突然增大,而柴油机来不及响应,导致公共直流母线电压降低(红色曲线降低到440 V左右,蓝色曲线仅降低到580 V左右)。从图 8b可以看到:在18~26 s之间,由于双储能控制系统的介入,无论是电压波形还是频率波形都趋稳,负载变化也不太明显(红色曲线降低到47 Hz左右,蓝色曲线仅降低到49.4 Hz左右)。在46 s后,由于整个负载需求降低到发电机可以提供的范围,所以储能装置停止放电。
综上所述,双储能控制系统的引入使得钻机控制系统的电压和频率更加趋稳,这也证明了双储能控制系统的有效性,设计的控制策略达到设计目的。
3.3 节能优势双储能系统的节能优势体现在以下几个方面:
(1) 钻机供电设备采购成本的节约。钻机起钻时绞车的能量需求小于储能元件储存的能量值,也就是仅靠存储的能量就能满足起钻作业的能量需求,这样可以降低对油田发电机组的能量需求,减少主动力设备的数量或降低规格。
(2) 制动能量有效回收。制动能量根据工况特点都回收到相应的储能元件中,并能根据钻机的能量需求缺口,由储能元件进行放电能量补充。能量的有效回收意味着燃油消耗降低。
(3) 延长设备运行寿命。由于地质条件复杂,钻机正常作业过程中必须面对各种能量对电网造成的冲击,如果冲击能量过大,又不能有效疏导,则会对钻机的相关设备造成损坏。而该系统降低了后期维护和更换设备的费用。
综上所述,该储能控制系统的引入既有效减小了正常钻井过程中冲击载荷和制动能量对控制系统的影响,也能确保对冗余能量的有效回收利用,降低发电机的燃油和保养费用;降低了对发电机的功率需求,进而减少前期的采购支出,也间接减少了后期设备的折旧和维护支出。该系统的引入确保全年单台钻机节省成本43.2万元以上。
4 结束语为解决石油钻机工作过程中产生的再生制动能量和公共直流母线的冗余能量不能有效回收利用,造成能源浪费的问题,提出采用能量回收和再利用的方式。通过分析钻机对储能控制系统的需求及对几种能量回收方法的比较,提出采用双储能控制系统的制动能量回收方法。现场应用结果表明:双储能控制系统既减小了正常钻井过程中冲击载荷和制动能量对控制系统的影响,也可确保对冗余能量的有效回收利用,降低发电机的燃油和保养费用;减少前期的采购费用,从而间接减少了后期设备的折旧和维护费用。该系统的引入全年可节省单台钻机成本43.2万元以上。
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