電動修井機儲能供電裝置

張松（大慶油田有限責任公司裝備制造集團）

電動修井機儲能供電裝置

張松（大慶油田有限責任公司裝備制造集團）

摘要：針對XJ70DB電動修井機在油氣井井場作業(yè)時受變壓器容量影響及能量浪費的問題，研發(fā)了電動修井機儲能供電裝置，電動修井機在下放作業(yè)和裝卸被吊物時可利用電網(wǎng)電能給儲能供電裝置補充能量，從而達到在提升負載過程中為變頻器直流母線提供電能的目的。儲能供電裝置采用超級電容組為電能儲存單元，采用智能控制單元對充放電過程進行控制和監(jiān)視，是電動修井機在供電容量不足條件下理想的能量補充單元。

關鍵詞：電動修井機；智能控制單元；超級電容組；儲能供電；變頻器直流母線

修井機是油田修井作業(yè)的主要設備，用于對發(fā)生故障或損壞的油管、抽油桿、抽油泵等井下設備和工具的起下作業(yè)，大部分以柴油發(fā)動機作為原動力。與電動機驅(qū)動相比，柴油發(fā)動機驅(qū)動修井機整機效率低、功率利用率低；另外，修井作業(yè)中需要有被吊物裝卸的時間，修井機提升和下放作業(yè)時間與人工裝卸時間之比是1∶2，柴油機有66%左右時間處于空載運行狀態(tài)。

以交流變頻技術為基礎的電動修井機，實現(xiàn)了修井機原動力“油改電”，但目前井場變壓器容量在30～50 kVA，屬于小電網(wǎng)供電。受井場變壓器容量限制，配備電動機功率較小，影響了作業(yè)時效。同時，在修井機大鉤下放和減速過程中，負載勢能轉(zhuǎn)化為電能，系統(tǒng)通過制動電阻將這部分電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，造成一定的能量浪費。為使修井機在供電容量不足的現(xiàn)場條件下，正常發(fā)揮出應有的效能，需采用電容器組成的儲能供電裝置來補充現(xiàn)場能量的不足。

1　工作原理

由電網(wǎng)輸出的三相交流電源經(jīng)過整流器后，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，通過變頻器內(nèi)的直流母線供逆變器使用，逆變器的輸出驅(qū)動三相電動機，使修井機的電動機工作；同時，變頻器內(nèi)直流母線送到雙向直流變換器，使電流從超級電容組到直流母線，再從直流母線到超級電容組的雙向流動，完成提升作業(yè)的電能補償功能（圖1）。

圖1　儲能供電裝置工作原理圖

當修井機處于提升的工作狀態(tài)時，電動機負荷加大，在交流電源所提供的能量有限時，變頻器的母線電壓將下降，當超級電容儲能單元的電壓與母線電壓之差大于設定值時，經(jīng)智能單元進行控制，超級電傳容器儲能模組所儲存的能量將通過雙向直流變換器到變頻器的直流母線上，與原交流電源提供的能量共同為變頻器提供能量，當超級電容器的電容量足夠時就可以使直流母線所需的能量得到補償，使修井機在外接交流電源提供的能量不足的情況下，仍可以滿負荷工作。當修井機將負載提升出井口后進行懸停、卸扣作業(yè)時，電動機處于不工作狀態(tài)，對能量的需求大幅度的減少，此時交流電網(wǎng)的富余能量通過直流母線給超級電容儲能單元補充電能，為下一次的井管提升儲備能量。當修井機處于減速和下降狀態(tài)時，電動機處于再生制動狀態(tài)，將富余能量給超級電容組補充電能。

2　裝置結(jié)構(gòu)

儲能供電裝置主要由充電機、儲能單元和散熱裝置組成。

1）充電機。由儲能系統(tǒng)中的充電機的電路形式，采用穩(wěn)定可靠的三相全波可控智能整流模塊組成，具有電壓、電流、缺相等保護功能，并有可預置的自動充電功能。

2）儲能單元。儲能單元具有儲存和輸出電能的功能。當交流電網(wǎng)不能滿足修井機所需的功率時，需要由儲能系統(tǒng)來補充所缺的功率，補充功率的量為電容功率=需求的功率-電源提供的功率。

采用相同型號的超級電容串并聯(lián)來構(gòu)成超級電容組。假設超級電容器組由n個型號相同、特性一致的超級電容器單體串聯(lián)成1條支路，再由m條相同支路并聯(lián)組成，則超級電容組的電容量為

額定工作電壓：

式中：C——超級電容組的總?cè)萘?，F(xiàn)；

Ccell——超級電容單體容量，F(xiàn)；

Ue——超級電容組額定工作電壓，V；

Ucell——超級電容單體額定工作電壓，V。電動修井機儲能供電裝置采用功率型超級電容，工作電壓為2.7 VDC，工作溫度-40～65℃，充放電時間為4 s，充放電次數(shù)超過400萬次。把超級電容串并聯(lián)組成電容器組，再經(jīng)過智能控制單元對變頻器直流母線電壓進行監(jiān)測，當電能下降及反饋電能時實時補充和吸收電能。

整個儲能系統(tǒng)包括12個超級電容儲能模組，每個模組上安裝有平衡電路板，以保護儲能模組在充電時的安全；同時，智能控制單元根據(jù)需要，維修時也可將儲能系統(tǒng)儲存的能量泄放，以保證維修人員的安全。

3）散熱裝置。超級電容儲能系統(tǒng)的電氣有3個接口：交流三相電源輸入和保護地（4線）接口；直流母線正極（P），直流母線負極（N）接口；過壓、過流告警干接點接口（該系統(tǒng)提供2對轉(zhuǎn)換干接點，分別為系統(tǒng)過壓告警和系統(tǒng)過流告警）。

超級電容儲能系統(tǒng)的機柜中安裝有溫控風扇，當機柜內(nèi)的溫度超過設定值后風扇自動啟動散熱，用來保證超級電容工作在最佳環(huán)境溫度。

3　現(xiàn)場應用

XJ70DB電動修井機采用井場變壓器供電，配備儲能供電裝置，110 kW電動機，大鉤提升速度0～1.28 m/s，適用變壓器大于或等于30 kVA。2015 年10月29日在采油三廠試驗大隊北三東試驗站北2-321E81井上應用，完成全部作業(yè)消耗電能為309.6 kWh，按大慶油田用電單價0.638 1元/kWh計算，電費為197.56元。

去除因操作者熟練程度、試驗過程中基于安全角度下未采用重力溜車而采用倒擋方式，修井耗能約280 kWh。如果考慮重力下行時余電回饋電網(wǎng)（濾波后回饋計費用，不會污染電網(wǎng)），實際消耗電能約220 kWh，合計費用140.38元。而用常規(guī)柴油機驅(qū)動的修井機進行作業(yè)消耗油量約280 L，按5.98元/L計算，需要費用1 674.40元，所以配置儲能供電裝置的電動修井機節(jié)約燃料成本約90%。

參考文獻：

[1]徐剛，王樹龍，韓菊，等.基于功率補償?shù)碾妱有蘧畽C控制系統(tǒng)[J].機電工程技術，2013，42（9）：11-15.

[2]韓洪波，王維忠，張建軍，等.混合動力修井機研制與應用[J].石油礦場機械，2013，42（11）：76-80.

（編輯莊景春）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.013

作者簡介：張松，工程師，2005年畢業(yè)于黑龍江科技學院，從事油田特種汽車電氣設計工作，E-mail：zhangsong82511@163.com，地址：黑龍江省大慶油田裝備制造集團特種汽車研究所，163312。

收稿日期2015-11-12