基于超級(jí)電容的海洋柴驅(qū)修井機(jī)改造設(shè)計(jì)研究

李剛

摘 ?要：該文根據(jù)目前國(guó)內(nèi)某平臺(tái)的修井機(jī)現(xiàn)狀，基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能與釋能原理，利用位能負(fù)載原理對(duì)柴油機(jī)改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的研究，電機(jī)反饋的再生能量通過變頻器直流母線對(duì)濾波電容充電從而使直流母線電壓升高，減少傳統(tǒng)采用電阻耗能或能量回饋電網(wǎng)的方式，利用小功率配電盤可滿足大功率電機(jī)使用要求，能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容中，能夠避免消耗在電阻上或回饋電網(wǎng)，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊和節(jié)約能量。

關(guān)鍵詞：修井機(jī) ?超級(jí)電容 ?能量轉(zhuǎn)換 ?設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：TE928 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（c）-0069-03

Research on Modification Design of Offshore Diesel Workover Rig Based on Super Capacitor

LI Gang

（COSL oilfield Production division， Tianjin， 300459 ?China）

Abstract： Research on modification design of offshore diesel work over rig based on super capacitor， the regenerative energy fed back by the motor charges the filter capacitor through the DC bus of the frequency converter， so as to increase the voltage of the DC bus， reduce the traditional way of resistance energy consumption or energy feedback to the grid， use the small power distribution board to meet the requirements of high-power motor， and use the energy stored in the super capacitor to avoid consumption on the resistance or feedback to the grid， reduce the impact on the grid and save energy.

Key Words： Workover rig;Supercapacitor;Energy conversion;Design research

為響應(yīng)海洋環(huán)保要求，節(jié)約能源，降低噪音污染，提高生產(chǎn)效率，中海石油某海上采油平臺(tái)提出將柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)修井機(jī)改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)修井機(jī)項(xiàng)目，但隨著調(diào)研的開展，平臺(tái)服役時(shí)間長(zhǎng)、配電盤容量及變壓器擺放空間等諸多問題限制了改造進(jìn)展，為降低改造成本，提高項(xiàng)目的可行性，基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能與釋能原理[1]，提出一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、操作維護(hù)方便并適用于現(xiàn)有修井機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

1 ?資源限制

1.1 電網(wǎng)功率限制

修井機(jī)在柴驅(qū)改電驅(qū)過程中，將原來2臺(tái)CAT CAT3406 2×269 kW的柴油機(jī)更換為600 kW的交流變頻電機(jī)，電氣化的修井機(jī)由于在提升油管過程中，電機(jī)需求功率大于目前該平臺(tái)海上配電盤所能提供30 kVA/50 kVA的功率，如果直接使用小功率變壓器，容易造成變壓器的損壞;如對(duì)變壓器進(jìn)行功率升級(jí)，會(huì)帶來成本的增加，造成很大資源浪費(fèi)。

1.2 平臺(tái)空間限制

由于該改造平臺(tái)為2004年投產(chǎn)平臺(tái)，服役時(shí)間超過16年，平臺(tái)變壓器房間位于平臺(tái)中甲板，內(nèi)部變壓器設(shè)備安裝已滿載，無法提供多余的空間增設(shè)變壓器。設(shè)置到平臺(tái)其他位置會(huì)造成安全隱患，且會(huì)減少變壓器壽命。

1.3 資源浪費(fèi)

即便對(duì)于目前的變壓器進(jìn)行擴(kuò)容改造，修井機(jī)屬于位能性負(fù)載，在修井機(jī)工作的過程中會(huì)出現(xiàn)再生制動(dòng)工作狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)），電動(dòng)機(jī)反饋的再生能量通過變頻器直流母線對(duì)濾波電容充電從而使直流母線電壓升高，傳統(tǒng)做法是采用電阻耗能或能量回饋電網(wǎng)的方式消除升高的電壓[2]。但這些措施存在能量浪費(fèi)和造成電網(wǎng)污染、效率低下的問題。

2 ?可行性方案

在不對(duì)原有變壓器升級(jí)改造的范圍內(nèi)滿足大功率電機(jī)的使用原則，提出可用一種超級(jí)電容器利用充放電儲(chǔ)能原理解決以上問題，超級(jí)電容是新型儲(chǔ)能元件，具有容量大、溫度特性好、功率密度高等特點(diǎn)，利用小功率配電盤可滿足大功率電機(jī)使用要求，修井機(jī)下放過程中的制動(dòng)能量可以儲(chǔ)存在超級(jí)電容中避免消耗在電阻上或回饋電網(wǎng)，當(dāng)修井機(jī)向上提井管時(shí)超級(jí)電容發(fā)揮其功率特性以較大的功率向外釋放能量，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊和節(jié)約能量，如此反復(fù)地進(jìn)行工作可有效節(jié)約能源[3]。

3 ?總體要求

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的配電資源、修井機(jī)主要提升效率要求及滿足主絞車功率及電壓要求，超級(jí)電容設(shè)備必須滿足以下特點(diǎn)。

（1）工作電壓：DC420 V～DC650 V。

（2）額定功率：600 kW。

（3）工作時(shí)間：不小于10 s。

（4）充電輸入功率（最大）：50 kW。

（5）充電輸入電壓：AC380 V。

（6）充電輸出電壓：650 V。

4 ?設(shè)計(jì)方案

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在集裝箱內(nèi)，系統(tǒng)按照C4（室內(nèi)、防潮、防鹽霧、防霉變等）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如設(shè)備噴涂重防腐塑粉、采用不銹鋼緊固件等。另外，在系統(tǒng)功能上，基于集裝箱所能提供的一些功能，加上超級(jí)電容模塊外置，控制柜內(nèi)沒有大量發(fā)熱元/器件，因此該系統(tǒng)中不涉及照明、除濕及散熱等方面的設(shè)計(jì)。

4.1 超級(jí)電容模塊組設(shè)計(jì)

根據(jù)充電側(cè)電壓、輸出電壓、鉆機(jī)使用電機(jī)功率及工作時(shí)間，通過超級(jí)電容能量轉(zhuǎn)換公式計(jì)算如下。

PT=0.5CΔV2

C=2PT/ΔV2 =2×600000×10/（6502-4202）=48.76（F）

按所需容量的1.5倍設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)電容所需容量為48.76×1.5=73.14（F）。TS/M48V165FAA電容模塊16個(gè)串聯(lián)、8個(gè)并聯(lián)之后的容量為 165/16×8=82.5（F）>73.14（F）。

650V88F超級(jí)電容模組工作電壓區(qū)間儲(chǔ)存的能量為：

0.5×82.5×（6502-4202）=10151（kWs）

為滿足使用時(shí)間需求，配置4個(gè)650V88F的電容模塊組，儲(chǔ)能功率可達(dá)到（4×10151）kWs，具體電容儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)構(gòu)成見表1。

配置的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的總?cè)萘繛?00 kW×10 s，系統(tǒng)由4個(gè)相互獨(dú)立的125 kW×10 s超級(jí)電容儲(chǔ)能支路組成，每個(gè)支路都可以作為獨(dú)立的負(fù)載或電源被微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)直接調(diào)度。

4.2 600 kW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)布局

600 kW系統(tǒng)由2臺(tái)電氣控制屏和兩組電容架組成，1臺(tái)控制屏配合一組電容架，對(duì)稱排列在集裝箱兩側(cè)，中間預(yù)留通行過道，寬約1～1.3 m，控制柜固定在集裝箱內(nèi)靠近PCS側(cè)的端面處。

4.3 600 kW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 電容架

600 kW系統(tǒng)配置有4個(gè)電容架，每個(gè)電容架重量約200 kg，4個(gè)電容架兩兩進(jìn)行拼接，組成兩組電容架。每組電容架分為4層，每層分別布置16個(gè)模塊;層1和層2組成一個(gè)125 kW支路模組;層3和層4組成另一個(gè)125 kW支路模組。

電容模塊通過螺栓固定掛靠在電容架上，彼此相鄰的兩個(gè)模塊之間主要通過鍍鎳銅排進(jìn)行連接，固定在不同電容架上但在同層的電容模塊以及不同層的電容模塊之間采用120 mm2的阻燃電纜進(jìn)行連接，銅排裸露部分用熱縮絕緣護(hù)套進(jìn)行絕緣處理，正、負(fù)極接線柱處分別加裝紅、黑絕緣保護(hù)帽。

另外，層1和層2支路模組、層3和層4之路模組中間固定有導(dǎo)軌，用來安裝CMS的電壓、溫度及過壓采集模塊，具體見圖1。

4.3.2 電氣控制柜

電氣控制柜內(nèi)主要放置CMS的部分采集監(jiān)控模塊及儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制保護(hù)電氣件等設(shè)備，600 kW系統(tǒng)包括2臺(tái)控制柜，分為1#柜和2#柜。其中1#柜內(nèi)電氣器件包括工控機(jī)、控制保護(hù)組件、CMS組件、直流輸入/輸出接線端子和交流配電及通訊接線端子。2#柜內(nèi)電氣器件包括UPS不間斷電源、控制保護(hù)組件、CMS組件、直流輸入/輸出接線端子和交流配電及通信接線端子。

電氣控制柜采用前、后單開門設(shè)計(jì)方式，各125 kW儲(chǔ)能支路的控制器、操作按鈕/指示燈和600 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器都安裝固定于前面板上，無需開啟柜門即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及各支路的控制，各操作按鈕及指示燈下方均安裝標(biāo)識(shí)牌，用于顯示其具體功能，辨識(shí)、方便操作。

4.3.3 UCM720V20F模組設(shè)計(jì)

模組由32個(gè)UCM48V165F模塊組成，并按2個(gè)并聯(lián)16個(gè)串聯(lián)方式進(jìn)行連接，4個(gè)支路共128個(gè)模塊全部安裝固定在電容架上[4]。

5 ?安全性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性

5.1 安全性分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)所選用的電容單體全部已經(jīng)過國(guó)家相關(guān)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的安全符合性試驗(yàn)，長(zhǎng)期運(yùn)行期間不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸等事故。電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中配置安裝熔斷器等保護(hù)裝置，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或過載時(shí)可以保護(hù)系統(tǒng);系統(tǒng)的接入與切除通過接觸器實(shí)現(xiàn)，操作方便、安全;系統(tǒng)符合國(guó)家規(guī)定的抗震、撞擊、絕緣、阻燃等相關(guān)安全性要求。

5.2 可靠性設(shè)計(jì)

5.2.1 結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

超級(jí)電容模塊采用水平安裝方式，使用專門為抗震防滑設(shè)計(jì)的固定零件和高強(qiáng)度的冷軋圓鋼絲桿緊密的固定在支撐板上，超級(jí)電容模塊與支撐板間墊配置有2 mm厚的高絕緣性能環(huán)氧絕緣板，保證模塊殼體與機(jī)柜殼體之間的良好絕緣性能。

5.2.2 接插件的可靠性設(shè)計(jì)

導(dǎo)線接頭均采用專用冷壓線鼻子處理，線鼻子完全插入接線端子孔內(nèi)，緊固到位，保證接觸牢靠。接線端子電壓、電流等級(jí)滿足線路需求并留有安全裕量，為有效保證其可靠性和安全性，每個(gè)接線端子孔內(nèi)安裝不超過兩根導(dǎo)線。相鄰2組接線端子同時(shí)使用短接條時(shí)，分隔處增加隔板或空端子，防止電氣線路短路。

5.2.3 電纜的可靠性設(shè)計(jì)

電纜扎成線束，在機(jī)箱內(nèi)鋪設(shè)整齊。鋪設(shè)不過緊、過松。電纜由線卡固定，嚴(yán)防摩擦及晃動(dòng)。所有的連接導(dǎo)線均采用有資質(zhì)的廠家生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，直流母排、輸入輸出電纜根據(jù)通過的功率降額設(shè)計(jì)且采用導(dǎo)線截面積加倍的處理方法減少導(dǎo)線的直流電阻。數(shù)字信號(hào)線采用抗干擾的雙絞線或雙絞屏蔽線。

5.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為保證超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性和可靠性[5]，該儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電容模塊表面均涂有專用固體薄膜保護(hù)劑來加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，系統(tǒng)中使用的各種印制電路板和其他電氣、電子、零部件等均進(jìn)行防護(hù)處理[6]。

6 ?結(jié)語

經(jīng)論證，該設(shè)計(jì)方案能夠滿足超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)要求，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方式具有良好的安全性和可靠性，凈化了供電電網(wǎng)，節(jié)省了能源，為海洋柴驅(qū)修井機(jī)改為電驅(qū)動(dòng)修井機(jī)提供了新的解決方案，進(jìn)一步推動(dòng)了海洋修井機(jī)裝備智能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，使其具備足夠的能力來最大限度地提高修井作業(yè)效率。

參考文獻(xiàn)

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