飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在海洋鉆井平臺(tái)應(yīng)用可行性分析

李春 顏波 胡文俊 中海油田服務(wù)股份有限公司

海洋鉆井平臺(tái)以柴油機(jī)作為其主要?jiǎng)恿υ?，柴油消耗、二氧化碳排放量巨大。?guó)內(nèi)目前擁有70 余艘自升式鉆井平臺(tái)和20 余艘半潛式鉆井平臺(tái)，海洋鉆井平臺(tái)用能呈現(xiàn)短時(shí)間突起突降的特征，起下鉆、拔樁、升降船等作業(yè)具有持續(xù)時(shí)間短、啟停/循環(huán)次數(shù)多、瞬時(shí)功率大等特點(diǎn)，對(duì)主機(jī)的負(fù)荷突增突降變化要求高，往往造成主柴油機(jī)燃燒不充分，排煙管“冒黑煙”。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)陸續(xù)引入了儲(chǔ)能技術(shù)，旨在提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量，也是節(jié)能減排的重要途徑。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，逐漸形成了以物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能等不同方向的儲(chǔ)能技術(shù)，其中，典型技術(shù)包括飛輪儲(chǔ)能、鋰電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容及壓縮空氣儲(chǔ)能等。而鉆井平臺(tái)瞬時(shí)大功率存儲(chǔ)和施放的功率密度需求特性決定了超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容更適合于鉆井平臺(tái)沖擊負(fù)荷的工況。但是由于超導(dǎo)能量密度不高、儲(chǔ)能成本昂貴、維護(hù)困難，所以不是很適用于鉆井平臺(tái)；超級(jí)電容能量也有自身缺點(diǎn)，其密度低，且輸出特性軟、成本偏高，也不適用于鉆井平臺(tái)。比較而言，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在海洋鉆井平臺(tái)的適用性、可行性更高。

本文針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)不同運(yùn)行工況下的負(fù)荷波動(dòng)情況，提出了引入飛輪儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)電能的“削峰填谷”方案，可以平抑柴油機(jī)沖擊功率，改善機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，增加設(shè)備使用壽命，消除柴油機(jī)冒黑煙現(xiàn)象。同時(shí)，在平臺(tái)電力系統(tǒng)中，需要融入儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)的供電可靠性要求，提高運(yùn)行效率進(jìn)而減少運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量，能夠達(dá)到鉆井節(jié)能和降低運(yùn)行成本、減少碳排放的目的。

1 動(dòng)力儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 典型儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)

在我國(guó)和國(guó)際社會(huì)發(fā)展新能源、建設(shè)清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的大潮流和綠色發(fā)展新理念下，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅猛，隨著科技的不斷進(jìn)步，各種儲(chǔ)能技術(shù)層出不窮，根據(jù)充放電能量轉(zhuǎn)換形式，大致可分為物理儲(chǔ)能（抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能）、電化學(xué)儲(chǔ)能（電池儲(chǔ)能）、電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能）。

隨著新型材料的不斷發(fā)展、磁浮技術(shù)的進(jìn)步和電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的成功研制條件基本具備。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、維護(hù)性好、儲(chǔ)能密度高、使用壽命不受放電深度影響，越來(lái)越受到應(yīng)用單位關(guān)注。

1.2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)原理

飛輪儲(chǔ)能是一種物理儲(chǔ)能方式，利用高轉(zhuǎn)速大慣量轉(zhuǎn)子進(jìn)行機(jī)械能存儲(chǔ)并且可以進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置。隨著新型材料的應(yīng)用、磁浮技術(shù)的進(jìn)展和電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，最新的飛輪儲(chǔ)能研發(fā)方向是采用全磁懸浮技術(shù)為支撐的高速小型化飛輪儲(chǔ)能裝置。此方案克服了傳統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)速低、儲(chǔ)能效率不高，體積和重量較大、移動(dòng)性能受限等缺點(diǎn)。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所具備的動(dòng)能來(lái)存儲(chǔ)能量，通過(guò)電動(dòng)/發(fā)電一體化雙向高效電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的雙向變換。飛輪儲(chǔ)能屬于物理機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能有本質(zhì)的區(qū)別，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)本身是高速電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，儲(chǔ)能體為電機(jī)轉(zhuǎn)子，儲(chǔ)能公式為，其中J 為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 為轉(zhuǎn)子的角速度，因此飛輪儲(chǔ)能量只與轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相關(guān)，物理定律中物質(zhì)不會(huì)憑空消失，幾何尺寸不會(huì)產(chǎn)生變化，因此飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)是全壽命周期容量永久不變，這是與化學(xué)電池的本質(zhì)區(qū)別。

隨著高速電機(jī)控制技術(shù)、雙向逆變控制技術(shù)、復(fù)合碳纖維轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁懸浮軸承系統(tǒng)，目前的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速儲(chǔ)能及頻率調(diào)節(jié)的特性，75%深度充放電次數(shù)能夠達(dá)到 103 次/h。

1.3 電力儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施，大幅促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了從商業(yè)化發(fā)展初期到規(guī)?；l(fā)展的轉(zhuǎn)變，總體上中國(guó)儲(chǔ)能的發(fā)展超出了業(yè)界預(yù)期。一是支持儲(chǔ)能的政策不斷出臺(tái)；二是儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)大幅增加；三是多種儲(chǔ)能技術(shù)取得重要進(jìn)展。國(guó)內(nèi)對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究起步較晚，20 世紀(jì)80 年代，國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)開始關(guān)注飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，90 年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已有公司開始運(yùn)營(yíng)從事飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，并取得了一系列成果，研制了一些單元設(shè)備，并且有部分飛輪產(chǎn)品已經(jīng)投入示范應(yīng)用，主要在軌道交通、UPS 備用電源等領(lǐng)域。其中2019 年飛輪產(chǎn)品首次在陸地石油鉆機(jī)上獲得應(yīng)用。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在許多領(lǐng)域都已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，特別是在美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，主要應(yīng)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(wǎng)電站，飛輪儲(chǔ)能還被應(yīng)用到太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)中。但總體而言，飛輪儲(chǔ)能在陸用電網(wǎng)電站的應(yīng)用比較成熟，在海工船舶等獨(dú)立電站上的應(yīng)用仍處于起步階段，工程化應(yīng)用較少。

2 海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)力負(fù)荷特點(diǎn)

2.1 典型鉆井工況功率波動(dòng)分析

海洋石油鉆井作業(yè)過(guò)程中，柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿?lái)源，長(zhǎng)期以來(lái)存在能耗大、冒黑煙、噪音大、鉆具下鉆時(shí)產(chǎn)生的巨大勢(shì)能無(wú)法回收利用，以及鉆井施工中突變負(fù)載對(duì)柴油機(jī)組產(chǎn)生沖擊、極大影響設(shè)備的使用壽命等突出問(wèn)題。

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

下鉆作業(yè)時(shí)，鉆具下放勢(shì)能變化從-524.3～-152kW 之間，提空游車時(shí)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(tái)在起下鉆過(guò)程中，鉆井絞車輸出端功率隨著起下鉆作業(yè)中不同狀態(tài)的變化，輸出功率也在勢(shì)能和沖擊負(fù)載中劇烈變化，絞車上提鉆井過(guò)程中鉆井負(fù)荷最大，空游車下放時(shí)，其輸出功率最小。

2.2 柴油機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的危害

海洋鉆井平臺(tái)上，柴油發(fā)電機(jī)作為鉆井作業(yè)的主要?jiǎng)恿?，為整個(gè)平臺(tái)提供鉆井工業(yè)用電以及平臺(tái)生活用電等，在平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行及安全作業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是保證平臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的“心臟”。在自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)用電負(fù)荷突增突減，如起下鉆、拔樁、升降船等作業(yè)，這些沖擊性負(fù)荷會(huì)使平臺(tái)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，造成多種問(wèn)題和危害：供電質(zhì)量嚴(yán)重下降，電網(wǎng)間電壓忽高忽低，電流不穩(wěn)定，降低電氣設(shè)備使用壽命；負(fù)荷突變會(huì)對(duì)柴油機(jī)組產(chǎn)生沖擊，造成燃油效率低下，出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，并且伴隨燃燒不充分、能耗大、噪音大和污染環(huán)境等問(wèn)題；柴油機(jī)負(fù)荷突變，其運(yùn)行狀態(tài)突變，會(huì)造成柴油機(jī)磨損嚴(yán)重，增加柴油機(jī)故障率；電網(wǎng)不穩(wěn)定引起的次生問(wèn)題，主電網(wǎng)用電過(guò)激可能會(huì)引起全船停電，為了應(yīng)對(duì)突發(fā)全船停電，平臺(tái)采用額外增加一臺(tái)柴油機(jī)的應(yīng)對(duì)措施，造成能源的過(guò)飽和和浪費(fèi)，燃油經(jīng)濟(jì)性降低。

3 海洋鉆井平臺(tái)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)方案

3.1 飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵匹配性技術(shù)

海洋鉆井平臺(tái)與陸地電力系統(tǒng)的作業(yè)工況環(huán)境存在較大差異，不能直接用儲(chǔ)能技術(shù)用于海洋鉆井平臺(tái)，還需針對(duì)海洋作業(yè)特點(diǎn)，在現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上完善其技術(shù)方案，優(yōu)化內(nèi)部軸承機(jī)構(gòu)的組成。

目前較成熟可推廣的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)廣泛采用磁懸浮技術(shù)，解決磁懸浮轉(zhuǎn)子在海洋鉆井平臺(tái)中的穩(wěn)定性是首要解決的問(wèn)題。海洋鉆井平臺(tái)受其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，往往長(zhǎng)期處于振動(dòng)、晃動(dòng)、傾斜等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以自升式平臺(tái)為例，平臺(tái)通過(guò)樁腿固定在地面，呈現(xiàn)懸臂式結(jié)構(gòu)，受風(fēng)、浪、流的組合作用下，呈現(xiàn)小幅度、高頻次的震動(dòng)，平臺(tái)配置的主要設(shè)備均需通過(guò)固定底座，焊接或用螺栓連接固定在平臺(tái)上。而飛輪儲(chǔ)能的主要儲(chǔ)能裝置為高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，其高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的微小振動(dòng)或傾斜，都將影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)性，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定狀態(tài)失效，能量損耗增加，轉(zhuǎn)換效率降低，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)，飛輪系統(tǒng)整個(gè)破壞撕裂。

航行工況下飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)子部件的快速固定及解鎖裝置也是關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。海洋鉆井平臺(tái)通常需要間歇性的移動(dòng)，在一個(gè)井位作業(yè)期間，平臺(tái)處理短期內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可為平臺(tái)作業(yè)提供輔助，但平臺(tái)前往下一個(gè)井位期間，就需要進(jìn)入拖航工況?？紤]磁懸浮轉(zhuǎn)子的特殊性，拖航期間需避免轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與底座、系統(tǒng)外殼等固定間之間的碰撞，避免系統(tǒng)部件的損害及磨損。同時(shí)，為考慮系統(tǒng)操作與維護(hù)的簡(jiǎn)易性，還需設(shè)計(jì)一套快速解鎖裝置，以便平臺(tái)到達(dá)井位進(jìn)入作業(yè)過(guò)程中，快速接觸轉(zhuǎn)子固定，恢復(fù)儲(chǔ)能狀態(tài)。

為匹配鉆井平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)和原有平臺(tái)電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化協(xié)同控制，綠色負(fù)載系統(tǒng)與平臺(tái)電網(wǎng)間能量的存儲(chǔ)和釋放，并具備快速切換能力，實(shí)現(xiàn)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載變化高效補(bǔ)償，而不影響平臺(tái)現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)。

3.2 飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用潛在經(jīng)濟(jì)性

海洋鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期處理鉆井作業(yè)狀態(tài)，通過(guò)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)施，可以有效平抑工況變化帶來(lái)的負(fù)荷沖擊，降低柴油機(jī)油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本文以某JU2000E 型自升式鉆井平臺(tái)為例進(jìn)行分析，其配備5 臺(tái)卡特彼勒3516B 柴油機(jī)，該機(jī)型平均燃油耗率為205 g/kWh。投入2 組飛輪儲(chǔ)能裝置，單臺(tái)儲(chǔ)能功耗300kW。以井深5000m 工況，按典型鉆井正常起下鉆作業(yè)計(jì)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(yè)以各10 趟計(jì)，則每口井可節(jié)省燃油約9.2t，以每平臺(tái)每年作業(yè)9 口井計(jì)算，可至少節(jié)省燃油約82.8t/a（相當(dāng)于121.44tce），節(jié)約費(fèi)用約58 萬(wàn)元/a，并可至少減少大約257.86t/a 二氧化碳排放。

利用飛輪儲(chǔ)能裝置，可以有效的改善平臺(tái)電網(wǎng)質(zhì)量，提高發(fā)電機(jī)組利用率。由于飛輪儲(chǔ)能裝置投入后，平抑減少柴油發(fā)電機(jī)組的沖擊負(fù)荷及負(fù)載波動(dòng)，提高了平臺(tái)電網(wǎng)質(zhì)量及設(shè)備運(yùn)行可靠性。減少功率沖擊，可實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)柴油機(jī)功率平均輸出，改善機(jī)組冒黑煙現(xiàn)象，增加柴油機(jī)使用壽命，且提高了燃油效率，可適時(shí)減少一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的投入，并可相應(yīng)減少機(jī)組維修成本。

飛輪儲(chǔ)能裝置可節(jié)省變頻鉆機(jī)直流母線剎車電阻的維護(hù)成本。由于飛輪儲(chǔ)能裝置投入后，可回收變頻電機(jī)的回饋能量，替代了變頻鉆機(jī)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(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，各類用能領(lǐng)域正廣泛探索儲(chǔ)能技術(shù)推動(dòng)能耗利用率提升方案。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因其以轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能，隨著磁懸浮技術(shù)、碳纖維和玻璃纖維負(fù)荷材料的引進(jìn)，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在頻繁快速充放電的工況場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)愈加明顯。本文也在陸地探索飛輪儲(chǔ)能利用的基礎(chǔ)上提出了海洋鉆井平臺(tái)利用飛輪儲(chǔ)能的可行性，分析了該技術(shù)應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)及潛在效益。

海洋鉆井平臺(tái)面臨特殊的環(huán)境特點(diǎn)，平臺(tái)整體時(shí)刻處于振動(dòng)、搖晃或傾斜狀態(tài)，攻克飛輪儲(chǔ)能狀態(tài)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是將飛輪儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于海洋鉆井平臺(tái)的必要條件，一方面可以拓展飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)研究發(fā)展和應(yīng)用范圍，另一方面也可以充分發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能裝置能源損耗低、充放電速度快、維護(hù)成本低、安全性高的特點(diǎn)，大幅提升海洋鉆井平臺(tái)的燃油轉(zhuǎn)換效率，降低能耗與二氧化碳排放。