基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

馮旭驊，段曉飛，鄒 濤，李 飛，陳湘陵，侯尉生

(1.西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西 西安 710065； 2.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 新疆 烏魯木齊 830000；3.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司克拉瑪依鉆井公司 新疆 克拉瑪依 834009)

0 引 言

石油鉆機(jī)起下鉆工況中的載荷呈現(xiàn)脈沖波動(dòng)特性[1]，以燃油(氣)發(fā)電機(jī)組成的動(dòng)力電站在應(yīng)對(duì)短時(shí)沖擊載荷時(shí)存在諸如瞬態(tài)響應(yīng)速度慢、機(jī)械沖擊大、冒黑煙影響機(jī)組壽命；動(dòng)力容量配置偏大，運(yùn)行操作中能量狀態(tài)缺乏檢測(cè)手段[2]；管柱處理間隙燃油空耗高，鉆具下放勢(shì)能沒有回收利用等問題。本文通過分析電動(dòng)鉆機(jī)燃油(氣)發(fā)電機(jī)組性能、鉆機(jī)負(fù)載特性，將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)和能源管理技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)鉆機(jī)微電網(wǎng)控制，研究?jī)?chǔ)能單元的容量配置和微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量控制策略。

1 飛輪儲(chǔ)能電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

微電網(wǎng)作為一種新型電網(wǎng)，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和科學(xué)用電的合理性[3]，將電動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)與微電網(wǎng)系統(tǒng)有效結(jié)合就構(gòu)成了石油鉆機(jī)微電網(wǎng)系統(tǒng)。石油鉆機(jī)微電網(wǎng)作為特殊的一種微電網(wǎng)，是集燃油(氣)發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷和能源管理系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)單元。在石油鉆探方面，日本充分利用海岸線上清潔的風(fēng)力發(fā)電建立了近海石油鉆機(jī)微電網(wǎng)系統(tǒng)[4]。儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用在石油鉆探行業(yè)已經(jīng)涉足，如加拿大AKA公司開發(fā)的用于柴油發(fā)電機(jī)組及小電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)某?jí)電容ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)。2015年12月27日，中國石化石油工程公司研發(fā)的ZJ30DC側(cè)鉆井超級(jí)電容儲(chǔ)能修井機(jī)項(xiàng)目開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2016年11月17日，中原石油工程鉆井三公司與清華大學(xué)聯(lián)合研制應(yīng)用于機(jī)械鉆機(jī)的飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)是由燃油(氣)發(fā)電機(jī)組、鉆機(jī)電控系統(tǒng)、負(fù)荷、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)(EMS)構(gòu)成的新型電網(wǎng)。通過對(duì)鉆機(jī)全部載荷實(shí)時(shí)管理，飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)能量進(jìn)行調(diào)控，遇載荷突變時(shí)釋放能量，調(diào)節(jié)平順機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源有效合理地調(diào)度管理，如圖1所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 電動(dòng)鉆機(jī)應(yīng)用方案

目前微電網(wǎng)常用的結(jié)構(gòu)有直流、交流以及混合微電網(wǎng)三種[5]，為同時(shí)實(shí)現(xiàn)與交、直流電動(dòng)鉆機(jī)平臺(tái)應(yīng)用，系統(tǒng)與鉆機(jī)動(dòng)力電站能量交互分為600VAC和810VDC兩種接入形式。

1.3.1 接入600VAC方案

與鉆機(jī)動(dòng)力電站600VAC動(dòng)力連接，鉆機(jī)能源管理系統(tǒng)( EMS )對(duì)鉆機(jī)全部載荷實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)電機(jī)組在低功段運(yùn)行時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)鉆機(jī)載荷突增時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置釋放能量，通過雙向變流器將能量輸出到600VAC母排，與發(fā)電機(jī)組共同供電，適用于直流電動(dòng)鉆機(jī)，如圖2所示。

圖2 直流電動(dòng)鉆機(jī)微電網(wǎng)方案

1.3.2 接入810VDC方案

與鉆機(jī)810VDC動(dòng)力連接，鉆機(jī)能源管理系統(tǒng)( EMS )對(duì)鉆機(jī)全部載荷實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)電機(jī)組在低功段運(yùn)行或游車下放制動(dòng)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)鉆機(jī)載荷突增時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置釋放能量至810VDC母排,與發(fā)電機(jī)組共同供電，適用于交流電動(dòng)鉆機(jī)，如圖3所示。

圖3 交流電動(dòng)鉆機(jī)微電網(wǎng)方案

2 鉆機(jī)載荷波動(dòng)曲線測(cè)試

鉆機(jī)載荷波動(dòng)主要受起下鉆工況中絞車功率變化的影響，并且呈脈沖波動(dòng)特性。西部鉆探克拉瑪依鉆井公司在70511鉆井隊(duì)鉆井作業(yè)中，采用測(cè)量絞車電機(jī)輸出電流、電壓計(jì)算功率的方法，測(cè)得7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)起鉆工況絞車功率變化曲線，如圖4所示。起鉆周期為240～260 s，鉆具提升過程中絞車功率呈近似梯形變化，燃油機(jī)組冒黑煙突增，沖擊功率為654～1 370 kW(持續(xù)時(shí)間10 s)，維持功率366～973 kW(持續(xù)時(shí)間31 s)；空游車下放過程中絞車功率為175～397 kW(持續(xù)時(shí)間47 s)；絞車懸停(卸扣、排管)等待時(shí)間總長(zhǎng)為105～120 s。

7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)下鉆工況絞車功率變化如圖5所示，下鉆周期為220～240 s，鉆具下放過程中絞車功率呈近似倒梯形變化，絞車功率為-152～-525 kW(持續(xù)時(shí)間75 s)；空游車上提加速時(shí)燃油機(jī)組冒黑煙突增，沖擊功率為525 kW(持續(xù)時(shí)間10 s)，勻速運(yùn)行時(shí)維持功率210 kW(持續(xù)時(shí)間31 s)；絞車懸停(取管、上扣)等待時(shí)間總長(zhǎng)為95～115 s。

圖4 起鉆工況絞車功率特性采集

圖5 下鉆工況絞車功率特性采集

以國產(chǎn)石油專用燃油發(fā)電機(jī)燃油消耗曲線圖6可知，燃油機(jī)組最佳運(yùn)行點(diǎn)為額定功率的85%，起下鉆工況中的絞車脈沖突變載荷對(duì)燃油機(jī)組運(yùn)行極為不利，主要表現(xiàn)為：1)功率沖擊大，冒黑煙現(xiàn)象嚴(yán)重；2)機(jī)械沖擊大，影響機(jī)組壽命；3)運(yùn)行效率低，燃油空耗高。

圖6 燃油機(jī)組燃油消耗曲線

3 飛輪儲(chǔ)能電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

7 000 m自動(dòng)化鉆機(jī)起鉆作業(yè)最大沖擊功率PDWmax1=1 370 kW，空游車上提絞車最大沖擊功率PDWmax2=523 kW。依照GB 2820—90工頻柴油發(fā)電機(jī)組通用技術(shù)條件中規(guī)定的單臺(tái)機(jī)組加載特性要求，在儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方面以輸出功率曲線平滑動(dòng)力機(jī)組功率為目標(biāo), 考慮其經(jīng)濟(jì)性[6]。

根據(jù)起鉆工況調(diào)峰補(bǔ)償簡(jiǎn)化模型分析，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率為750 kW，可用儲(chǔ)電量至少為6 kW·h,如圖7所示。綜合考慮國內(nèi)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過各系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可行性論證，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用3臺(tái)飛輪陣列形式，單臺(tái)儲(chǔ)能飛輪技術(shù)參數(shù)見表1。

圖7 起鉆工況調(diào)峰補(bǔ)償簡(jiǎn)化模型

表1 儲(chǔ)能飛輪技術(shù)參數(shù)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用飛輪旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能來存儲(chǔ)能量，為物理儲(chǔ)能方式，如圖8所示。旋轉(zhuǎn)體為共軸的高速轉(zhuǎn)子和雙向電機(jī)轉(zhuǎn)子。雙向永磁同步電機(jī)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，將輸入電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能存儲(chǔ)；雙向電機(jī)

圖8 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸出。飛輪高速轉(zhuǎn)子在真空腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)具有功率密度高、無充放電次數(shù)限制、轉(zhuǎn)化效率高、無污染、免維護(hù)等特點(diǎn)[7-8]。高速真空儲(chǔ)能飛輪采用“五自由度”全磁懸浮控制技術(shù)，消除了摩擦損耗。為實(shí)現(xiàn)在真空腔體內(nèi)飛輪轉(zhuǎn)子大功率、高頻次放電時(shí)的熱平衡，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼采用 “插入式”安裝，磁鋼護(hù)套采用碳纖維材料，同時(shí)飛輪電機(jī)外殼護(hù)套增加刻槽及導(dǎo)風(fēng)罩，提升散熱率。

3.2 微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集系統(tǒng)和微電網(wǎng)能源控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)各負(fù)荷變化數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化需求，采用合理算法和控制策略調(diào)節(jié)飛輪儲(chǔ)能裝置充放電，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)能源有效合理的調(diào)度。

3.2.1 功能

1)微電網(wǎng)能量監(jiān)控(SCADA) 實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)電網(wǎng)電源進(jìn)線、負(fù)荷、母線、儲(chǔ)能裝置及回路信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2)微電網(wǎng)調(diào)度管理 根據(jù)控制策略，制定調(diào)度指令進(jìn)行微電網(wǎng)運(yùn)行模式的控制。微電網(wǎng)控制器內(nèi)置微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制邏輯，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的作業(yè)工況和控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制，保證鉆機(jī)微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié) 通過通信接口控制飛輪儲(chǔ)能裝置的輸入、輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)電網(wǎng)削峰填谷和勢(shì)能回收。

4)自診斷系統(tǒng) 系統(tǒng)出現(xiàn)故障，通過自診斷程序及故障代碼方便地找出故障原因。

5)數(shù)據(jù)記錄及遠(yuǎn)程通訊接口 系統(tǒng)預(yù)留工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口，可提供各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。

3.2.2 控制軟件

智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要由核心算法軟件和監(jiān)控軟件模塊組成，對(duì)燃油(氣)發(fā)電機(jī)組、負(fù)載回路、飛輪儲(chǔ)能裝置設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，計(jì)算飛輪儲(chǔ)能裝置和動(dòng)力電站能量狀態(tài)，根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)能量需求，進(jìn)行能源合理調(diào)度，控制飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行模式，與鉆機(jī)動(dòng)力電站協(xié)同提供動(dòng)力，完成測(cè)量數(shù)據(jù)歸檔及統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，掌握鉆機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)。

3.2.3 控制流程

鉆機(jī)智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)采用基于絞車功率追蹤差值補(bǔ)償法，調(diào)節(jié)飛輪儲(chǔ)能裝置充、放電運(yùn)行模式以平滑鉆機(jī)電網(wǎng)功率波動(dòng)，控制流程如圖9所示。

圖9 絞車功率追蹤補(bǔ)償控制流程

3.3 總機(jī)成套

將儲(chǔ)能飛輪、磁懸浮控制系統(tǒng)、變流控制系統(tǒng)，信號(hào)采集系統(tǒng)、微電網(wǎng)控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)、變壓器、剎車系統(tǒng)等分倉布置集成在一座房體內(nèi)，如圖10所示。

圖10 基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)

4 油田工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 直流ZJ50D鉆機(jī)配套

由起鉆作業(yè)時(shí)系統(tǒng)功率曲線分析可知脈沖功率變化在500～700 kW之間，儲(chǔ)能飛輪投入補(bǔ)償輸出功率約340 kW，其余功率由燃油發(fā)電機(jī)組提供。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)補(bǔ)償動(dòng)作后，平抑燃油機(jī)組功率沖擊48%以上，明顯減輕了負(fù)載波動(dòng)對(duì)燃油機(jī)組的沖擊，如圖11所示。

圖11 起鉆作業(yè)(1 500 m)時(shí)系統(tǒng)功率曲線

4.2 交流ZJ70DB鉆機(jī)配套(燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組)

2019年5月7日至2019年6月25日，在西部鉆探克鉆70511隊(duì)承鉆的瑪湖35井(試驗(yàn)井段0～4 341 m，設(shè)計(jì)井深4 855 m)進(jìn)行第二口井工業(yè)性試驗(yàn)。該井隊(duì)機(jī)組配置為14臺(tái)AMC250GFJ6燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，單臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組額定容量為250 kW，總裝機(jī)容量為3.5 MW。

對(duì)比起鉆作業(yè)補(bǔ)償效果，儲(chǔ)能飛輪未投入補(bǔ)償時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組頻率波動(dòng)范圍為48.9～51.5 Hz；儲(chǔ)能飛輪投入補(bǔ)償時(shí)，最大平抑燃油發(fā)電機(jī)組沖擊功率730 kW，機(jī)組頻率波動(dòng)范圍改善為49.4～50.8 Hz，回收空游車下放勢(shì)能1.5 kW·h/柱，如圖12所示。

圖12 起鉆作業(yè)補(bǔ)償效果對(duì)比

對(duì)比下鉆作業(yè)補(bǔ)償效果，儲(chǔ)能飛輪未投入補(bǔ)償時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組頻率波動(dòng)范圍為48.6～51.8 Hz；儲(chǔ)能飛輪投入補(bǔ)償時(shí)，最大平抑燃油發(fā)電機(jī)組沖擊功率570 kW，機(jī)組頻率波動(dòng)范圍為49.79～50.5 Hz，回收鉆具下放勢(shì)能1.8 kW·h/柱(受限于上提空游車時(shí)的耗能)，如圖13所示。

圖13 下鉆作業(yè)補(bǔ)償效果對(duì)比

4.3 交流ZJ70DB鉆機(jī)配套(燃油發(fā)電機(jī)組)

2019年7月21日至2019年12月12日，在西部鉆探克鉆70511隊(duì)承鉆的瑪湖41井(試驗(yàn)井段0～4 360 m，設(shè)計(jì)井深4 950 m)進(jìn)行第三口井工業(yè)性試驗(yàn)。該井隊(duì)機(jī)組配置為4臺(tái)1200GF50型濟(jì)柴燃油發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)燃油發(fā)電機(jī)組額定容量為1 200 kW，總裝機(jī)容量為4.8 MW。

燃油發(fā)電機(jī)組組油門和頻率動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果表明，與燃油發(fā)電機(jī)組組成動(dòng)力微電網(wǎng)后，同負(fù)載情況下燃油機(jī)組油門開度減幅45%以上，電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍縮小50%以上，微電網(wǎng)電能質(zhì)量得到明顯改善，如圖14所示。

圖14 燃油發(fā)電機(jī)組組油門和頻率動(dòng)態(tài)特性

經(jīng)第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行燃油發(fā)電機(jī)組排煙組分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，起鉆工況時(shí)，同負(fù)載情況下燃油機(jī)組一氧化碳排放減少35.3%，排煙熱損失減少3.84%；下鉆工況時(shí)，同負(fù)載情況下燃油機(jī)組一氧化碳排放減少15.78%，排煙熱損失減少7.13%。燃油機(jī)組排煙熱損失減少，冒黑煙現(xiàn)象得到明顯改善，大幅減輕了負(fù)載波動(dòng)對(duì)燃油機(jī)組的沖擊。

通過對(duì)井隊(duì)在同井深同負(fù)載作業(yè)時(shí)燃油發(fā)電機(jī)組燃油消耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，單次起鉆節(jié)油約18.2%，單次下鉆節(jié)油約22.3%。同井深起下鉆作業(yè)中，可減少1臺(tái)熱備燃油發(fā)電機(jī)組，燃油發(fā)電機(jī)組燃油消耗統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 燃油發(fā)電機(jī)組燃油消耗統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論與展望

1)通過3口井的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可與燃油、燃?xì)夥植际桨l(fā)電機(jī)組組網(wǎng)，形成適用于交、直流電動(dòng)鉆機(jī)的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2)首創(chuàng)研制出國內(nèi)第1套基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)樣機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)總儲(chǔ)電量9 kW·h，輸出補(bǔ)償功率750 kW，放電響應(yīng)時(shí)間20 ms，充放電循環(huán)效率90%以上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足7 000 m電動(dòng)鉆機(jī)使用要求，電網(wǎng)頻率波動(dòng)減小50%以上，微電網(wǎng)電能質(zhì)量得到明顯改善；燃油機(jī)組油門開度減幅45%，燃油機(jī)組排放狀態(tài)得到明顯改善。

3)通過燃油消耗統(tǒng)計(jì)，與系統(tǒng)未進(jìn)行投入運(yùn)行相比，單次起鉆節(jié)油約18.2%，單次下鉆節(jié)油約22.3%。同井深起下鉆作業(yè)時(shí)，可減少1臺(tái)熱備燃油發(fā)電機(jī)組。以單個(gè)井隊(duì)月燃油消耗定額150 t，燃油價(jià)格7000元/t，每年作業(yè)10個(gè)月，起下鉆占全井周期15%計(jì)算，每年可節(jié)約燃油費(fèi)用31.5萬元以上。

4)實(shí)現(xiàn)變頻鉆機(jī)下放勢(shì)能回收，起鉆作業(yè)過程中空游車單柱下放回收勢(shì)能1.5 kW·h。下鉆作業(yè)過程中鉆具單柱下放回收勢(shì)能1.8 kW.h。以單個(gè)井隊(duì)作業(yè)一口6 000 m井深，單口井4 000 m以上起下鉆共計(jì)10次，每根鉆具28 m，每年完成3口井作業(yè)，總計(jì)回收利用勢(shì)能2.12萬度。

5)基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的電動(dòng)鉆機(jī)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)可再增加1臺(tái)雙向變流裝置，將回收能量轉(zhuǎn)換成400VAC交流電，供井場(chǎng)低壓系統(tǒng)使用，達(dá)到最大化的利用回收能量目的。

6)該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于網(wǎng)電末端補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)網(wǎng)電過弱調(diào)節(jié)或電動(dòng)修井機(jī)直接利用抽油機(jī)井口配電系統(tǒng)，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量及鉆(修)井機(jī)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。