基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統(tǒng)

陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統(tǒng)

陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

針對石油鉆修機絞車在運行過程中存在的能量浪費問題，設計了一種基于超級電容儲能的鉆修機絞車電控系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的整體設計方案，并分析了不同工況下能量流動的控制策略。

超級電容儲能裝置 鉆修機絞車 PLC 控制策略

隨著國家對節(jié)能環(huán)保、減排降噪要求的不斷提高，出現(xiàn)了由柴油發(fā)電機組供電的直流/交流驅動鉆修機，取代了傳統(tǒng)柴油機作為動力源的鉆修機。直流驅動的功率因數(shù)太低，系統(tǒng)無功過大，需要配備的柴油發(fā)電機組容量也相應很大，運營成本較高。交流驅動具有功率因數(shù)高、控制精度高等優(yōu)點，適合油田作業(yè)，因此交流驅動鉆修機成為油田鉆修作業(yè)設備的首選。鉆修機絞車的功能是提升和下放管柱或工具。作業(yè)過程中，提升和下放作業(yè)時間與人工裝卸時間之比約為1∶2，意味著柴油發(fā)電機組在超過一半的時間是處于空載運行狀態(tài)的[1]。鉆修機無論在作業(yè)工況還是非作業(yè)工況，柴油發(fā)電機組始終消耗柴油進行發(fā)電，只是在輕載時消耗的柴油相比重載時少一點。鉆修機在工作過程中會將鉆具反復進行上提、下放。上提過程中鉆機必須做功，將幾十或上百噸的鉆具提升近30m，而且井越深鉆具越重。下降過程則是將上提轉化的機械能釋放掉，傳統(tǒng)做法有兩種：一種是為了追求下放速度，采用脫開動力的方式下放，這樣負載帶動游動系統(tǒng)自由落體，制動回饋能量由剎車制動消耗；另一種是采用絞車反方向給定速度下放，將機械勢能轉化為電能回饋到變頻器的直流母線，靠制動電阻以熱能形式消耗。兩種做法的制動回饋能量均以熱能形式消耗，造成了很大的浪費。

為此，設計一種基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)，將鉆機或修井機所做功轉化的機械能回收重利用，不僅可以節(jié)能減排，降低鉆井成本，還能降低對發(fā)電機組性能的要求。

1 基本原理

1.1 超級電容儲能原理

超級電容器基于雙電層工作原理，其結構如圖1所示。

圖1 超級電容結構示意圖

當外電壓加到超級電容器的兩個極板上時，正極板存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在兩個極板電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層即為雙電層，因此電容非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3V以下)；如果電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位，電解液將分解，超級電容器為非正常工作狀態(tài)。隨著超級電容器的放電，正負極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷相應減少。超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩(wěn)定的。

1.2雙向DC/DC變流器的工作原理

雙向DC/DC變流器為雙向工作制，能夠實現(xiàn)電容功率補償系統(tǒng)到直流母線、直流母線到電容功率補償系統(tǒng)能量的雙向流動，完成修井提升作業(yè)的功率補償，并快速為電容功率補償系統(tǒng)補充能量。

變流器采用交錯并聯(lián)雙向Buck-Boost拓撲結構，如圖2所示，其中VG1～3、IGBT、SV1～3為電壓傳感器；L1、L2為儲能電感；RF1、RF2為放電電阻。采用兩重回路并聯(lián)方式，減小了流過單個開關管的電流等級，滿足功率需求；錯相控制可以有效減小等效電感值和輸出電流波紋。

圖2 雙向DC/DC變流器拓撲結構

圖2中，V1為電容補償裝置側電壓，V2為直流母線側電壓。正常工作時，V2高于V1，有利于提高超級電容器的利用率，在滿足正常運行所需的條件下盡量減小超級電容器的數(shù)量，提高儲能的經(jīng)濟性。補償裝置儲能時，由井場電網(wǎng)為電容功率補償裝置快速充電，能量從直流母線側流向電容補償裝置側，變換器工作在Buck模式。修井作業(yè)提升階段功率補償時，電容功率補償裝置放電，能量從電容補償裝置側流向直流母線側，變換器工作在Boost模式。

正常工作時，這種拓撲結構能夠滿足使用要求。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，如果母線側電壓V2低于V1，即使不進行充放電控制，也會導致上橋臂直通。為此，在上橋臂串聯(lián)一個反向功率管，通過與下橋臂功率管的互補控制，保證即使母線側電壓V2低于V1，上橋臂也不會直通，保證了設備的安全。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1總體方案

基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)的拓撲結構如圖3所示(不含輔助用電設備)。系統(tǒng)設有整流器、逆變器、雙向DC/DC變流器、超級電容器組、制動單元、制動電阻、主PLC及Profibus-DP等。

圖3 基于超級電容儲能的石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)的拓撲結構

正常作業(yè)時，柴油發(fā)電機組發(fā)出的交流電經(jīng)整流器整流成平滑的直流電，經(jīng)逆變器逆變成頻率可調(diào)的交流電為絞車電機提供動力。與傳統(tǒng)電驅絞車電控裝置相比，增加了雙向DC/DC變流器和超級電容器組。超級電容器組經(jīng)雙向DC/DC變流器吸收發(fā)電機組發(fā)出的電能和制動產(chǎn)生的能量。

2.2能量流動控制分析和控制策略

根據(jù)鉆修機的不同工況，設計了相應的控制策略，控制超級電容處在充電、放電的合適狀態(tài)。超級電容的充放電工況有3種，如圖4所示。

圖4 超級電容充、放電工況

鉆修機的作業(yè)工況有起鉆、下鉆、下套管和打鉆4種。下面就針對這4種工況分析超級電容的充、放電工況下的控制策略。

2.2.1起鉆工況

起鉆工況下，絞車拉動井筒內(nèi)剩余管柱上行(重載)，對應圖4b的放電工況1，超級電容和柴油發(fā)電機同時向系統(tǒng)供電。當超級電容的狀態(tài)SOC(State of Charge)高于設定值時，超級電容滿功率輸出；反之超級電容關閉。

空鉤下行時，對應圖4a的充電工況，制動回饋能量導致直流母線電壓升高，當瞬時電壓升高到制動單元的閾值時，制動電阻投入，強制母線電壓；瞬時電壓降到閾值以下時，通過雙向DC/DC變流器向超級電容充電；同時柴油發(fā)電機組發(fā)出的電能也通過整流器和雙向DC/DC變流器向超級電容充電，當超級電容的狀態(tài)SOC為1時，關閉雙向DC/DC變流器，停止向超級電容充電。

2.2.2下鉆、下套管和打鉆工況

下鉆、下套管和打鉆工況均含有下放管柱(重載)和上提管柱(輕載)過程。

下放管柱(重載)時，絞車拉動井筒內(nèi)剩余管柱下行，對應圖4a的充電工況，制動回饋能量導致直流母線電壓升高，當瞬時電壓升高到制動單元的閾值時，制動電阻投入，強制母線電壓；瞬時電壓降到閾值以下時，通過雙向DC/DC變流器向超級電容充電，當超級電容的狀態(tài)SOC為1時，關閉雙向DC/DC變流器，停止向超級電容充電。

上提管柱(輕載)時，對應圖4c的放電工況2，超級電容通過雙向DC/DC向絞車傳動系統(tǒng)供電，下放管柱(重載)產(chǎn)生的能量不小于上提管柱(輕載)需要的能量，此時柴油發(fā)電機可以停止工作。

3 基于PLC的主控系統(tǒng)

基于超級電容儲能裝置的電驅石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)中的各個部件，均為獨立的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用S7-300 PLC作為主控制器，S120變頻器作為從站，采用Profibus-DP總線實現(xiàn)二者的通信；雙向DC/DC變流器與超級電容器組作為獨立系統(tǒng)，通過DP/DP Coupler與主PLC進行主-主通信，完成實時信息交互。整個系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡結構如圖5所示。

圖5 基于PLC的主控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

主控制器可以查詢單個超級電容的實時電壓、電流、溫度及報警等信息。根據(jù)不同工況的實際狀態(tài)，控制雙向DC/DC變流器對超級電容的充放電，同時采集實時充放電的功率、電流及報警等信息。

4 結束語

傳統(tǒng)鉆修機在鉆修井作業(yè)間歇期，柴油發(fā)電機組發(fā)出的電能除供輔助電機工作外，均以柴油機發(fā)熱方式消耗掉；絞車下放時制動回饋能量要么被剎車消耗，要么被制動電阻消耗，造成了較大浪費。筆者提出的基于超級電容儲能裝置的電驅石油鉆修機絞車電控系統(tǒng)，配置了雙向DC/DC變流器、超級電容器組和能量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆修機作業(yè)間歇期內(nèi)柴油機發(fā)出的多余電能和制動回饋能量被存儲釋放，達到了節(jié)能的目的。

[1] 吉順平.西門子現(xiàn)場總線通信原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

ElectricalControlSystemforDrillingRigDrawworksBasedonSuper-capacitorEnergyStorage

CHEN Jian

(SINOPECSJPetroleumMachineryCo.,Jingzhou434024,China)

Considering the energy waste of drilling rig drawworks in the operation, a super-capacitor energy storage-based electrical control system was designed for drawworks, including the system’s overall design scheme. The control strategy for energy flow under different working conditions was analyzed.

super capacitor energy-storage device, drilling rig drawworks,PLC, control strategy

TH862

B

1000-3932(2016)05-0526-04

2016-04-08(修改稿)