變頻鉆機儲能系統(tǒng)設(shè)計研究

魏永武，張燕，代炳曉，朱奇先

（1.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；2.渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津300280；3.渤海鉆探第五鉆井工程分公司，河北河間062465）

1 引言

2 下鉆工藝

變頻鉆機指石油鉆探裝置中絞車、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)、泥漿泵由變頻調(diào)速裝置拖動的電動鉆機，為目前石油鉆探行業(yè)比較普遍的裝備。鉆機工作過程中，有一個下鉆工藝，就是將鉆具從地面一根一根連續(xù)放到井底工作面。在這個過程中，有相當大的能量釋放。如果對此能量儲存或加以充分利用，將有明顯的節(jié)能效果，本文就變頻鉆機利用該能量問題進行研究。

下鉆為鉆井過程的必經(jīng)工藝之一，就是根據(jù)鉆井需要，將鉆頭等其他工具從地面下放到井下預定的位置，由于受井架高度的限制，只能一根一根往下放。其主要過程為：通過絞車、游動系統(tǒng)將大鉤提升至二層臺附近，裝好并提起鉆柱，在鉆桿下末端裝好鉆頭或工具等，按規(guī)定流程處理好下放所需的工藝要求，松開盤剎，鉆具在重力的作用下帶動大鉤、游車系統(tǒng)、絞車從二層臺逐漸加速降到鉆臺面附近，在距離鉆臺面一定位置時，開始施加剎車減速，經(jīng)過一定時間，在速度逐漸減小到零時使大鉤末端剛好達到預想位置，剎車停住大鉤，再按工藝流程處理好已到井下的鉆柱，松開鎖緊裝置，啟動絞車拖動裝置，將大鉤再次提升到二層臺附近，重復上一個過程，如此循環(huán)往復，直到將鉆頭或工具等下放到井底預定位置。

3 能量轉(zhuǎn)換

通過下鉆工藝的描述，大鉤提升時，通過絞車由拖動裝置輸入功率，這些能量有一部分因摩擦消耗在提升過程中，剩下部分以勢能存儲在大鉤上；大鉤、鉆具下放時，在重力的作用下，速度從零逐漸增大，儲存的勢能轉(zhuǎn)化為動能，這些能量有一部分因摩擦消耗在下放過程中，剩下部分以動能存儲在大鉤和鉆具上。井越深鉆具越重，儲存的動能也越多。為了停住鉆具，必須將儲存的動能轉(zhuǎn)移出去。

4 轉(zhuǎn)移方法

實現(xiàn)停住鉆具、轉(zhuǎn)移動能的方法很多，大多以機械或電氣制動的方式先轉(zhuǎn)換為機械能或電能再轉(zhuǎn)移消耗來實現(xiàn)。例如機械上采用的帶剎、盤剎、水剎等，通過摩擦絞車剎車片產(chǎn)生制動力，將滾筒的動能轉(zhuǎn)換為摩擦所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)移出去；或者電氣上采用的渦流剎、能耗剎等，將滾筒的動能轉(zhuǎn)換為電能再電氣制動轉(zhuǎn)換為熱能轉(zhuǎn)移出去。其中變頻鉆機的能耗剎最優(yōu)，主要是由于動能到電能的轉(zhuǎn)化由已有的拖動電機完成，不需要單獨的轉(zhuǎn)化裝置，可以簡化絞車的設(shè)計和鉆臺面的重量，并附帶有大鉤位置容易控制、停車準確的優(yōu)點。

5 用能模式

根據(jù)上面的敘述，無論是機械剎還是電氣剎，最后都以發(fā)熱而消耗掉，對于5 000 m以上的深井、超深井鉆探，由于下鉆次數(shù)很多，這種消耗非常可惜。因此產(chǎn)生了各種各樣利用此能的設(shè)想，例如對市網(wǎng)供電的變頻鉆機，采用AFE 變流將這部分能量回饋電網(wǎng)，或者設(shè)計一個儲能系統(tǒng)存起來等需要時再釋放出去。前者因AFE 變流裝置目前價格昂貴且工作時有沖擊電網(wǎng)的缺點還沒有推廣開，后者已有文獻提及和產(chǎn)品在其他行業(yè)的應用。

本文就儲能系統(tǒng)在鉆采裝備行業(yè)上的設(shè)計、實用性等進行探討研究。

6 系統(tǒng)組成

儲能系統(tǒng)包括機械能轉(zhuǎn)換為電能環(huán)節(jié)、電能變換環(huán)節(jié)、儲存環(huán)節(jié)、消耗環(huán)節(jié)以及協(xié)調(diào)這些的控制環(huán)節(jié)和這些環(huán)節(jié)的總成箱體、冷卻裝置等。如果與變頻鉆機的電控系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計、配套最簡單也最經(jīng)濟。圖1 為與儲能設(shè)計有關(guān)的簡化系統(tǒng)圖。

圖1 簡化系統(tǒng)圖Fig.1 To simplify the system diagram

圖1中，GEN 為系統(tǒng)主電源；T 為變壓器；A1為AC/DC 變換器；A2 為DC/DC 變換器；A3 為超級儲能系統(tǒng)；A4 為檢測控制系統(tǒng)；A5 為AC/DC變流器；A6 為絞車變頻拖動系統(tǒng)；A7 為制動系統(tǒng)；A8 為大鉤及絞車機械系統(tǒng)；DC-Link 為直流母線；DWA，DWB為拖動絞車的變頻電機；BK為制動系統(tǒng)；CN為儲能系統(tǒng)；MCC為MCC負載。

7 儲能設(shè)計

以圖1代表的7 000 m變頻電動鉆機為例，儲能系統(tǒng)單獨成套，研究設(shè)計儲能系統(tǒng)、探討實用性、應用前景。

7.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

設(shè)計對象：配套7 000 m 變頻電驅(qū)動鉆機的儲能系統(tǒng)；下鉆最大井深：h1=6 000 m；采用5.5×2.54 cm與鉆桿計算重量，其在空氣中的每米重量ρ1=36 kg·m-1；鉆桿鋼的密度ρ2=7.85 t·m-3；每柱（3根）鉆桿長h2=27.4 m；每柱鉆桿在空氣中的重量：G1=ρ1h2=986 kg；下鉆時井眼內(nèi)泥漿的密度ρ3=1.2 t·m-3；每柱鉆桿在井內(nèi)所受浮力為

下鉆時大鉤上承受每柱鉆桿的實際重量：G3=G1-G2=830 kg；大鉤（每柱鉆桿）下放移動的距離：h3=27.5 m；第n次下鉆時的鉆桿重量：Gn=n·830=830n kg；井深為6 000 m 時n的最大取值為

絞車、滾筒、游動系統(tǒng)總機械效率ηj=0.7；變頻拖動電機效率ηd=0.95；DC/DC 裝置變換器效率ηDC=0.95；AC/DC 裝置變換器效率ηAC=0.95；絞車變頻器效率ηBP=0.98；空鉤重量G4=8 000 kg；重力加速度g ≈10 m·s-2；起下鉆周期T1=180 s；大鉤下放最長時間T2=60 s；大鉤提升最短時間T3=30 s。

MCC 正常消耗的功率為180～200 kW，為保證柴油機工作安全不游車、不飛車，下放制動時，預留100 kW 摩擦消耗給最大的并網(wǎng)柴油機數(shù)，因此由儲能系統(tǒng)提供給MCC的能量限制在最大PMCC=100 kW。

柴油市場價格約為每噸6 000～8 000元；鉆井用油按每噸6 000 元計算，柴油密度按0.8；根據(jù)CAT3512B 用戶說明書資料，柴油機在1 300～1 600 r/min，60%負載，工作250 h時，消耗柴油為41 000 L；折算每小時消耗柴油的費用為41 000÷250×0.8×6=787.2 元；CAT3512B 的額定功率為1 310 kW，60%的功率，不考慮從柴油到發(fā)電的效率，每kW·h電的費用為元；超級儲能電容器在66.3 F 時，按目前市場供應商報價，最低約為40萬元。

7.2 設(shè)計計算

一柱鉆具下鉆時產(chǎn)生的能量為

在6 000 m時下鉆產(chǎn)生的能量為

在3 000 m時下鉆產(chǎn)生的能量為

下鉆時每柱鉆桿傳到變頻器直流母線的能量為

6 000 m時傳到直流母線的能量為

3 000 m時傳到直流母線的能量為

空鉤上提折算到直流母線的能量為

PMCC通過AC/DC 變換器在直流母線上需要的能量為

空鉤上提后到再次下鉆期間MCC消耗的能量為

2次下鉆期間需要的直流母線能量折算到儲能電容的能量為

下鉆到6 000 m時需要制動系統(tǒng)消耗的能量為

下鉆到3 000 m時需要制動系統(tǒng)消耗的能量為

制動能量為負說明母線能量已不足維持上提需要的能量，也不需要制動了。能量E14對應的鉆桿重量為

當制動功率為零時對應的井深為

需要配置的制動系統(tǒng)功率為

假定儲能電容最低工作電壓DC Umin=200 V，最高工作電壓DC Umax=700 V。

儲存E12能量，且工作在最高、低電壓時需要的電容為

下鉆到6 000 m 的過程中，儲存E12能量對應的DC/DC裝置功率為

按系列容量選擇DC/DC裝置功率450 kW。

7.3 裝置成本

75 F 時大約在50 萬元；450 kW 價格大約在40萬元；AC/DC裝置選擇為150 kW，價格大約在18萬元；房體總成本價格大約在15萬元；房內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)大約在10萬元；電纜及接插件大約在10萬元。

以上總成本約為143 萬元；如果考慮15%利潤，成套售價大約為165萬元，按170萬元預算。

7.4 計算說明

以上計算中對有些參數(shù)做了硬性規(guī)定，比如井深按6 000 m、鉆柱按5.5×2.54 cm、泥漿密度按1.2 等，實際鉆井作業(yè)、不同的井中這些參數(shù)可能會有差別，精確數(shù)據(jù)需要另行計算。

7.5 成本收回計算

以柴油發(fā)電機組供電的電動鉆機為例，170萬元投資需要節(jié)約170萬kW·h電才能收回成本。

需要制動的鉆柱數(shù)量為

超過制動功率為零的鉆柱數(shù)后下鉆儲存的總能量折算的電量為

提供E9能量需要的柱數(shù)為

從第1 柱到第42 柱鉆具下鉆期間，回饋的能量全部用于提供PMCC所需，沒有存儲到電容的能量。

第1柱到第42柱鉆具總共回饋的能量，折算成電量為

從第43柱到第140柱鉆具，下鉆時回饋的能量除提供PMCC外還有剩余，可以存儲到電容，在起鉆和MCC 負載中可以使用，由于這部分能量通過DC/DC裝置需要先存儲然后再放出，將經(jīng)過2 次裝置效率的減少，對于這98 次下鉆，超出PMCC外的能量總數(shù)為

可以再次在直流母線上使用的能量為

對應這98次PMCC使用的能量為

在這98次中總能量為

對應E19折算的電量為

6 000 m起下鉆中可利用的回饋總電量為

對應170萬kW·h電需要6 000 m起下鉆的次數(shù)為

如果每口井折算到6 000 m的起下鉆次數(shù)為50 次（每次起下鉆時間為2 d），2 230 次需要的井數(shù)為：N2=N1/50=45 口。

7.6 設(shè)計結(jié)果

投資170 萬元配置下鉆儲能系統(tǒng)，對于井深為6 000 m的鉆機，如果每年鉆井3口，需要15 a、最多16 a 的時間才可收回成本。單就目前在柴油發(fā)電機組供電的電動鉆機上看，難以推廣應用，雖然具有節(jié)能、環(huán)保價值，但成本回收周期太長，要想推廣，必須大大降低造價，即使造價在130萬元，仍然需要11 a到12 a。如果回收周期需在5 a 左右，則造價在35 萬元以下。當然這只是一種單純價值算法，沒有考慮柴油的運輸、管理、環(huán)境污染等成本。如果用在燃氣機組供電的電動鉆機上，可以解決其負載沖擊時熄火的問題，同時燃氣價格比柴油價格低很多，再加上燃氣環(huán)保等優(yōu)勢，有良好的應用前景。

8 結(jié)論

根據(jù)下鉆工藝要求和能量轉(zhuǎn)換的過程，以ZJ70DB變頻鉆機在井深6 000 m時，研究設(shè)計起下鉆儲能系統(tǒng)，通過具體計算分析，得出在以柴油發(fā)電機組供電的電動鉆機上單純按成本收回考慮，配置儲能系統(tǒng)沒有意義；由于網(wǎng)電更便宜，因此在市網(wǎng)供電的鉆機上也沒有意義；由于目前燃氣價格很低，在一些地方獲得容易，對環(huán)境污染也小，因此在由燃氣機組供電的電動鉆機上有一定的應用前景。