飛輪儲能技術(shù)在電驅(qū)鉆機(jī)上的應(yīng)用分析

孟慶瑩

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司電儀控中心天津300452）

飛輪儲能技術(shù)在電驅(qū)鉆機(jī)上的應(yīng)用分析

孟慶瑩

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司電儀控中心天津300452）

飛輪儲能技術(shù)已成為國際能源研究的熱點之一，主要針對飛輪儲能技術(shù)在電驅(qū)鉆機(jī)上的調(diào)峰作用的可行性為出發(fā)點進(jìn)行研究，并探討了飛輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，主要包括本體飛輪、轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)、發(fā)電/充電一體發(fā)電機(jī)、真空室。最終得出飛輪儲能系統(tǒng)在電驅(qū)鉆機(jī)上具有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景的結(jié)果。

飛輪儲能系統(tǒng)；電驅(qū)鉆機(jī)；電力調(diào)峰

1 引言

能源問題是歷來困擾人類的重大問題[1]。想解決能源問題，無非就是開源和節(jié)流兩個思路，開源就是不斷地發(fā)現(xiàn)新能源，不斷地發(fā)展能源獲取手段，提高能源轉(zhuǎn)化效率。而節(jié)流則是提高能源利用率，降低能源浪費。儲能系統(tǒng)就是依據(jù)能源節(jié)流的思路發(fā)展起來的，把多余的浪費掉的能量存儲起來，等需要的時候再釋放進(jìn)行有效的利用，這就是儲能系統(tǒng)的存在意義[2]。

海上采油平臺應(yīng)用的電驅(qū)鉆機(jī)工作包括起鉆和下鉆兩個過程[3-5]。在起鉆過程中的實際負(fù)載通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下鉆過程中的實際負(fù)載，這是由于不同的動作工況引起的。這種不同負(fù)載的情況由同樣的電機(jī)功率輸出，就使得在下鉆工況中，能量被嚴(yán)重浪費，而起鉆過程中，電機(jī)卻又負(fù)荷過重[6]。這會對柴油機(jī)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生惡劣影響[7]。在此種工況下長時間運行，柴油機(jī)會表現(xiàn)為，過負(fù)荷和欠負(fù)荷交替，柴油燃燒不完全，排煙黑度增加，柴油利用率降低導(dǎo)致柴油經(jīng)濟(jì)度降低，為達(dá)到相同額定需求功率柴油機(jī)能耗增加，長時間運行，降低柴油機(jī)壽命。

對于周期性欠負(fù)荷和過負(fù)荷交替運行的工況，可以采用儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)峰，在欠負(fù)荷時儲能系統(tǒng)吸收能量，在過負(fù)荷時儲能系統(tǒng)釋放能量，以此種方式使柴油機(jī)系統(tǒng)運行在平穩(wěn)的負(fù)荷中，達(dá)到功率調(diào)峰以及能量節(jié)流的作用[8]。

2 飛輪儲能技術(shù)原理

飛輪儲能技術(shù)作為新型物理儲能手段，它是一種將電能以飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動動能加以儲存的系統(tǒng)，系統(tǒng)存儲電能實際上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，系統(tǒng)釋放電能實際上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。完整的飛輪儲能裝置由飛輪轉(zhuǎn)子、徑向軸向磁軸承，轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、真空泵、及水冷系統(tǒng)組成。另外，在儲能系統(tǒng)之外一般還配備相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

存儲電能時，電機(jī)驅(qū)動飛輪通過增加飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提高其動能，由提供的電能通過飛輪旋轉(zhuǎn)變化為機(jī)械能存在飛輪本體中；釋放能量時，通過相應(yīng)控制手段將飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度降低同時驅(qū)動電機(jī)，以發(fā)電機(jī)的形式運行，將存儲在飛輪中的動能能轉(zhuǎn)換成電能輸出，一切能量的轉(zhuǎn)換都是通過控制飛輪本題旋轉(zhuǎn)的升速和降速，實現(xiàn)動能及電能的相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲能技術(shù)的儲能原理框圖如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理圖

3 飛輪儲能裝置充放電工況分析

經(jīng)調(diào)研，電驅(qū)鉆機(jī)起鉆工況下的功率如圖2所示。

圖2 起鉆工況

起鉆工況整個周期在150s~220s，正功300kW～600kW，持續(xù)50s～70s，負(fù)功維持在200kW，持續(xù)20s～30s，波谷在600kW~800kW。具體工況分析如下：第1s開始提鉆柱，經(jīng)過其妙提速，維持在200kW以上41s，經(jīng)過8s減速，第69s開始安裝卡瓦，鉆桿與鉆柱分離耗時25s，鉆桿平移并放下耗時26s，第122s吊鉤水平移回，經(jīng)21s到位，第143s空鉤下放，經(jīng)36s掛鉤到位，3s掛鉤于鉆柱連接，卸去卡瓦，第183s開始下一個周期。

經(jīng)調(diào)研，電驅(qū)鉆機(jī)下鉆工況下的功率如圖3所示。

圖3 下鉆工況

下鉆工況整個周期在130s~180s，正功300 kW~400kW，持續(xù)20s~30s，負(fù)功維持在300kW，持續(xù)40s~50s，波谷在600kW~ 1000kW。體工況分析如下：開始微提鉆柱去卡瓦6s，經(jīng)過18s提速鉆柱靜止，安裝卡瓦，空鉤上提24s，因為慣性原因，會產(chǎn)生一個500kW的反向尖峰，掛鉤水平移動取鉆桿并且移回調(diào)整位置，第131s開始安裝鉆桿，用時29s，第160s開始下一個下鉆周期。下鉆工況中的能量分布方式如圖4所示。

圖4 下鉆工況能量

下鉆工況，周期在130s~180s之間，功率峰值為300kW~ 400kW，功率波谷為600kW~1000kW，正功持續(xù)時間20s~30s，此時間段內(nèi)累計的能量基本維持在6MJ~7.5MJ，負(fù)功持續(xù)時間40s~ 50s，能量在9MJ~10MJ。在此期間，柴油機(jī)在絞車電機(jī)做正功時，功率波峰在700kW~800kW，其他時刻功率輸出基本維持在150kW。

起鉆工況中能量分布如圖5所示。

圖5 起鉆工況能量

起鉆工況，周期在150s~220s之間，功率峰值為300kW~ 600kW，功率波谷為600kW~800kW，正功持續(xù)時間50s~70s，此時間段內(nèi)累計的能量基本維持在10MJ~15MJ，負(fù)功持續(xù)時間20s~ 30s，能量在3MJ~5MJ。

在此期間，柴油機(jī)在絞車電機(jī)做正功時，功率波峰在600kW~ 1100kW，其他時刻功率輸出基本維持在100kW。

4 應(yīng)用于電驅(qū)鉆機(jī)的飛輪儲能系統(tǒng)

完整的飛輪儲能裝置由飛輪轉(zhuǎn)子、徑向軸向磁軸承，轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、真空泵、及水冷系統(tǒng)組成。另外，在儲能系統(tǒng)之外一般還配備相應(yīng)的控制系統(tǒng)。飛輪儲能系統(tǒng)各個部分的作用如下所述。

4.1 飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度和質(zhì)量直接關(guān)系到飛輪儲能裝置的容量，轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度越好，質(zhì)量越大，飛輪所能存儲的機(jī)械能越高。一般為提高飛輪容量特性，國內(nèi)外成熟的飛輪生產(chǎn)企業(yè)主要采用采用合金鋼提外層纏繞高強(qiáng)度玻璃纖維材料制成。

4.2 軸承

軸承是支撐飛輪本體和電機(jī)的裝置，并且要跟著飛輪轉(zhuǎn)子一同做高速旋轉(zhuǎn)，一般采用永磁軸承，電磁軸承或超導(dǎo)磁懸浮軸承，目的是為了降低飛輪旋轉(zhuǎn)的能量損耗，同時為了保護(hù)飛輪轉(zhuǎn)子還需設(shè)置保護(hù)軸承。

4.3 電動/發(fā)電機(jī)

為電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的輸出和輸入裝置，國內(nèi)成熟的飛輪企業(yè)大部分采用永磁無刷同步電動/發(fā)電電機(jī)，主要優(yōu)點在于可以無級變速實現(xiàn)充放電，保證飛輪轉(zhuǎn)子機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的連貫性。

4.4 電力轉(zhuǎn)換器

作用是在充電時將電能變換為直流點輸出給電機(jī)使飛輪升速，在放電時將輸出電能進(jìn)行相應(yīng)處理后供給負(fù)載，實現(xiàn)電能的快速輸出。

4.5 真空泵

由于飛輪本體工作時處于連續(xù)轉(zhuǎn)動的工況，若對飛輪倉不進(jìn)行處理的話，高轉(zhuǎn)速帶來的大風(fēng)阻會造成嚴(yán)重能量損失，所以在飛輪倉做成密閉空間，同時增加真空泵保證倉體內(nèi)的高真空度，這樣可以大大減小飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶來的風(fēng)阻問題，提高了系統(tǒng)效率。

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

飛輪儲能裝置中除上述主要部件外，還有磁軸承傳感器，飛輪轉(zhuǎn)子檢測系統(tǒng)、震動傳感器、真空度傳感器等一系列裝置。飛輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

本飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于鉆機(jī)起下鉆的能量回收及利用，考慮到目前鉆機(jī)所配備絞車功率及制動電阻功率大小，以及通過上述起下鉆能量分析結(jié)果，結(jié)合目前國內(nèi)成熟飛輪生產(chǎn)企業(yè)制作飛輪的先進(jìn)工藝，目前采取以下飛輪結(jié)構(gòu)。

飛輪整體采用永磁吸力軸承，由于永磁體的存在，可將飛輪轉(zhuǎn)子及電機(jī)質(zhì)量的80%～90%卸載掉，更加容易實現(xiàn)飛輪的磁懸浮狀態(tài)，同時電機(jī)采用徑向立式軸承，下端配有機(jī)械軸承保護(hù)飛輪轉(zhuǎn)子在不工作狀態(tài)下的穩(wěn)定，以此來減少軸承摩擦損耗。同時飛輪電機(jī)采用高轉(zhuǎn)速電機(jī)，工作轉(zhuǎn)速在13000r/min，同時可以在支持大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。飛輪儲能裝置配有水冷裝置，為其提供熱量交換，同時飛輪艙室內(nèi)采用高真空度密閉空間設(shè)計，配備真空泵，保持艙室內(nèi)真空度，以減小飛輪轉(zhuǎn)動的風(fēng)阻。

飛輪儲能裝置通過直流母排與鉆機(jī)電氣系統(tǒng)連接。直流母排額定電壓800V，飛輪設(shè)計額定功率315kW。充電時，飛輪儲能裝置檢測母線電壓，當(dāng)母線電壓超過額定電壓1.1倍時，飛輪控制單元發(fā)出指令，吸收下鉆工況時反饋回直流母線的電能，當(dāng)吸收滿時，剩余電能由制動電阻分擔(dān)；在放電時，飛輪控制單元檢測母線電壓信號及司鉆操作信號，當(dāng)母線電壓跌落為額定值的95%，同時檢測到司鉆進(jìn)行起鉆操作時，命令飛輪儲能裝置對直流母線放電，將能量及時補(bǔ)充給沖擊負(fù)載。當(dāng)飛輪儲能裝置能量下降到設(shè)定值時，停止對鉆機(jī)電氣系統(tǒng)放電，保護(hù)飛輪儲能裝置穩(wěn)定運行。待檢測到有充電工況時在進(jìn)行下一步啟動。

5 結(jié)論與展望

本文對電驅(qū)鉆機(jī)起下鉆工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時結(jié)合現(xiàn)有飛輪儲能技術(shù)設(shè)計出適用于鉆機(jī)調(diào)峰使用的飛輪儲能調(diào)峰裝置，并通過參數(shù)設(shè)定驗證了此設(shè)計的可行性。作為新型機(jī)械儲能的飛輪儲能技術(shù)目前還走在技術(shù)的最前端，其設(shè)計壽命長、支持大功率充放電、響應(yīng)時間快、系統(tǒng)效率高等特點是其在儲能領(lǐng)域的前景十分看好，同時擁有很好的市場前景，但目前我國飛輪儲能技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國際的差距還是不小，隨著材料學(xué)的革新及新型電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能技術(shù)會越來越趨于成熟，成本也會隨之下降，將會引領(lǐng)儲能領(lǐng)域走向新的未來。

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孟慶瑩，碩士研究生，助理工程師，主要從事海上平臺電氣設(shè)備相關(guān)研究工作。