飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及其在石油工程上的應(yīng)用

韋敏，，李順，賀啟強(qiáng)，寸錫宏，任兆林，石瓊

（1.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司石油開發(fā)中心勝龍管理區(qū)，山東東營 257000；3.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000）

進(jìn)入21世紀(jì)，石油石化能源的大量使用已經(jīng)嚴(yán)重影響全球環(huán)境和氣候的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)新的可持續(xù)能源及能源存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前科技發(fā)展的重要課題。當(dāng)前主要的儲(chǔ)能方式有三種，以化學(xué)電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能、超級(jí)電容為主的電儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能為主的機(jī)械儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能是具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的典型儲(chǔ)能方式[1-2]。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具以下優(yōu)點(diǎn)：①功率密度大、儲(chǔ)能密度高，滿足電磁炮發(fā)射、電動(dòng)汽車快速啟動(dòng)等需要短時(shí)、大功率供電領(lǐng)域的應(yīng)用；②能量轉(zhuǎn)換效率高，達(dá)85%~95%；③充放電速度快；④綠色環(huán)保，不受使用環(huán)境影響；⑤使用壽命長，其壽命和儲(chǔ)能性能不受過度充、放電影響，飛輪電池壽命一般長達(dá)20年。因此，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力電網(wǎng)、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域，隨著復(fù)合材料技術(shù)、超導(dǎo)和磁懸浮技術(shù)以及電力電子新技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍還將擴(kuò)大[3-8]。

目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在石油工程上的應(yīng)用研究相對(duì)較少，公開報(bào)道的僅有飛輪儲(chǔ)能輔助鉆井系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能液壓抽油機(jī)系統(tǒng)[9-11]，現(xiàn)有技術(shù)還處于研發(fā)階段、尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，未來還需加緊知識(shí)創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在石油工程上的大規(guī)模應(yīng)用推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 飛輪儲(chǔ)能原理

飛輪儲(chǔ)能通過與電力電網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，即將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪結(jié)合，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪至高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能；當(dāng)系統(tǒng)需要飛輪供電，飛輪減速拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，飛輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)電能；通過改變飛輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能的反復(fù)存儲(chǔ)與釋放。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速恒定，則處于能量保持狀態(tài)[1-2]。

2 飛輪儲(chǔ)能在石油工程上的應(yīng)用可行性分析

近年來國內(nèi)外開展了大量的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究，包括航空航天、電力電網(wǎng)、分布式電網(wǎng)等領(lǐng)域[5-8]。目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在石油工程上的應(yīng)用研究相對(duì)較少，主要包括飛輪儲(chǔ)能輔助鉆井提升技術(shù)[9-10]和飛輪儲(chǔ)能節(jié)能抽油機(jī)[11]，前者可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)負(fù)載調(diào)峰，達(dá)到鉆機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的目的；后者則實(shí)現(xiàn)負(fù)載勢(shì)能回收利用，進(jìn)行節(jié)能減排生產(chǎn)。

2.1 飛輪輔助鉆井動(dòng)力提升技術(shù)

鉆井作業(yè)是石油開發(fā)中的一項(xiàng)重要作業(yè)內(nèi)容，一臺(tái)鉆機(jī)完整的動(dòng)力機(jī)組通常由多臺(tái)柴油機(jī)組成。鉆井作業(yè)時(shí)柴油機(jī)組承受不穩(wěn)定的突變負(fù)載，一方面功率突變可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓和機(jī)組頻率出現(xiàn)急劇波動(dòng)；另一方面，作業(yè)過程中的沖擊負(fù)載引起的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)危害發(fā)電機(jī)組，引起瞬時(shí)暫態(tài)扭矩沖擊，最終降低機(jī)組使用壽命。借助負(fù)載調(diào)峰技術(shù)，一方面可以解決這類突變負(fù)載沖擊問題，保證發(fā)電機(jī)組工作時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行、高效運(yùn)轉(zhuǎn)；另一方面，可以提高發(fā)電機(jī)組利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排生產(chǎn)。

普通鉆井動(dòng)力提升系統(tǒng)起下鉆過程，鉆桿及游車系統(tǒng)重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)系統(tǒng)的熱能因無法利用而耗散；新的飛輪輔助鉆井動(dòng)力提升系統(tǒng)，在下鉆工況，鉆柱及游車系統(tǒng)重力勢(shì)能經(jīng)直流電機(jī)、逆變器逆變后轉(zhuǎn)化為交流電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)及飛輪加速，能量轉(zhuǎn)化為飛輪動(dòng)能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)；在起鉆工況，飛輪減速、釋放電能，經(jīng)逆變器、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)幫助鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)組提升負(fù)載，在降低系統(tǒng)裝機(jī)功率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量的回收和利用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試表明，飛輪輔助鉆井提升系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組下鉆工況中轉(zhuǎn)速下降幅值減少50%，有效提高機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性。

采用萬向軸扭矩測(cè)試法，測(cè)得井場(chǎng)改進(jìn)前、后的發(fā)電機(jī)組起、下鉆工況功率運(yùn)行圖。圖1是無負(fù)載調(diào)峰下鉆功率波動(dòng)曲線，下鉆周期160 s，柴油機(jī)最低功率約200 kW、時(shí)長110 s，峰值功率則高達(dá)800 kW、時(shí)長20 s；圖2是無負(fù)載調(diào)峰下起鉆功率波動(dòng)曲線，起鉆周期220 s，峰值功率500 kW、時(shí)長100 s，最低功率100 kW、時(shí)長120 s。綜合圖1、2，無負(fù)載調(diào)峰下，發(fā)電機(jī)在下鉆、起鉆作業(yè)中功率波動(dòng)幅值分別為600 kW、400 kW，功率波動(dòng)幅值較大。

圖1 無負(fù)載調(diào)峰下鉆功率波動(dòng)曲線

圖2 無負(fù)載調(diào)峰起鉆功率波動(dòng)曲線

圖3是有負(fù)載調(diào)峰下鉆過程功率運(yùn)行曲線，飛輪在低谷運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能120 s，高峰運(yùn)行釋放能量20 s。設(shè)定柴油機(jī)組平均功率350 kW，飛輪在低谷載荷可存儲(chǔ)能量100~150 kW，在高峰載荷時(shí)輸出400~450 kW，采用負(fù)載調(diào)峰技術(shù)系統(tǒng)裝機(jī)容量可節(jié)省40%。在有負(fù)載調(diào)峰起鉆工況下，如圖4所示，飛輪在低谷運(yùn)行儲(chǔ)能120 s、高峰運(yùn)行釋放能量100 s，設(shè)定柴油機(jī)組平均功率400 kW，則飛輪在高峰負(fù)載時(shí)輸出功率150 kW、低谷負(fù)載時(shí)儲(chǔ)能185 kW。

圖3 負(fù)載調(diào)峰下鉆作業(yè)功率波動(dòng)曲線

圖4 負(fù)載調(diào)峰下起鉆作業(yè)功率波動(dòng)曲線

經(jīng)過飛輪儲(chǔ)能及負(fù)載調(diào)峰處理后，鉆井柴油機(jī)組下鉆、起鉆作業(yè)工程中功率基本穩(wěn)定，從而大幅提高設(shè)備性能、延長設(shè)備使用壽命。

2.2 飛輪儲(chǔ)能液壓抽油機(jī)技術(shù)

抽油機(jī)是采油工業(yè)中一項(xiàng)重要的機(jī)械設(shè)備。目前，全國總計(jì)大約有20萬臺(tái)抽油機(jī)，平均每天每臺(tái)抽油機(jī)耗電300 kW·h，以每臺(tái)抽油機(jī)節(jié)電10%計(jì)算，一天可節(jié)約600萬kW·h，由此可見節(jié)能生產(chǎn)在石油工業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義。

傳統(tǒng)磕頭式抽油機(jī)，普遍存在耗電大、日產(chǎn)量偏低等問題。隨著油田開發(fā)逐步進(jìn)入高含水特征的開發(fā)中后期，油層深度不斷下降，為保證產(chǎn)量，往往需要增加大負(fù)荷抽油機(jī)型，設(shè)備能耗、設(shè)備投資和生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。開發(fā)節(jié)能型抽油機(jī)一直以來都是石油科技工作者科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)。

結(jié)合飛輪儲(chǔ)能技術(shù)和抽油機(jī)舉升井下負(fù)載原理，哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先提出飛輪儲(chǔ)能型節(jié)能抽油機(jī)技術(shù)[11]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，其工作原理是：①電磁離合器和交流接觸器閉合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪加速；②飛輪加速至一定轉(zhuǎn)速后，交流接觸器斷開，液壓泵啟動(dòng)，飛輪驅(qū)動(dòng)液壓泵提升負(fù)載上升，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速降低、不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，電磁離合器斷開、交流接觸器閉合，由電動(dòng)機(jī)繼續(xù)提升負(fù)載，完成上沖程動(dòng)作；③當(dāng)液壓缸上行至換向位置處，電磁離合器閉合、交流接觸器斷開，負(fù)載驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)飛輪加速，負(fù)載重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為飛輪機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)下沖程動(dòng)作；④液壓缸下行至換向位置處，再次轉(zhuǎn)入步驟，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)工作周期。

圖5 飛輪儲(chǔ)能型液壓抽油機(jī)原理

該技術(shù)通過將飛輪儲(chǔ)能和二次調(diào)節(jié)液壓技術(shù)相結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)了負(fù)載勢(shì)能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)，對(duì)于石油開發(fā)高能耗的現(xiàn)狀，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 推廣應(yīng)用之關(guān)鍵技術(shù)限制

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)能量利用率、避免了系統(tǒng)能量浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能生產(chǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但目前該技術(shù)的推廣還亟需包括飛輪材料、軸承、電機(jī)、充放電控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

3.1 飛輪

飛輪是系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，也是系統(tǒng)核心，要求具有高的比強(qiáng)度性能。現(xiàn)階段已經(jīng)開展金屬材料、復(fù)合材料飛輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究、充放電評(píng)價(jià)試驗(yàn)，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，未滿足工程應(yīng)用，還需要進(jìn)一步攻關(guān)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)材料的研發(fā)。

3.2 軸承

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，使用多軸系元件傳動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)用包括滾動(dòng)軸承、電磁軸承和高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承等多種軸承類型。工程系統(tǒng)中飛輪軸系轉(zhuǎn)速多為15 000~30 000 r/min。考慮系統(tǒng)轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，推薦優(yōu)選應(yīng)用高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承。但是，100 kW·h大容量級(jí)別的高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承還需要進(jìn)一步研發(fā)配套，為工程應(yīng)用規(guī)模推廣提供技術(shù)支撐。

3.3 電機(jī)

儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電機(jī)工作模式處于雙向變速運(yùn)行模式，即需要進(jìn)行發(fā)電和電動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此需要開展高速轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電磁分布優(yōu)化，減少功率損耗。對(duì)比異步電機(jī)、永磁電機(jī)、磁阻電機(jī)等特性，永磁電機(jī)更適合飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。新型電機(jī)及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化還有待技術(shù)突破，保證在工程實(shí)踐中能夠長周期、高效率運(yùn)行。

3.4 充放電控制

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電是AC－DC－AC模式，工作時(shí)網(wǎng)電側(cè)變流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后交直流逆變成系統(tǒng)需要的交流變頻電壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)。傳統(tǒng)雙電平結(jié)構(gòu)受電壓限制，無法滿足飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。未來，還需開展多電平變頻供電技術(shù)。

4 結(jié)論與展望

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為儲(chǔ)能技術(shù)研究的熱點(diǎn)并在現(xiàn)代工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在石油工程上的應(yīng)用還處于研發(fā)起步階段，尚未進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)規(guī)?；茝V應(yīng)用。石油工程鉆機(jī)目前試驗(yàn)電動(dòng)鉆機(jī)取代柴油機(jī)，能夠部分實(shí)現(xiàn)節(jié)能，減少二氧化碳排放，但是鉆井施工相對(duì)偏遠(yuǎn)，電動(dòng)鉆機(jī)無法脫離電網(wǎng)，適應(yīng)性存在較大局限。抽油機(jī)節(jié)能通常通過電機(jī)改造，抽油機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整，電機(jī)運(yùn)行控制等手段實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)舉升系統(tǒng)效率提升，受油田區(qū)塊和儲(chǔ)層特征差異，需要對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)節(jié)能效果不明顯。相對(duì)于其他節(jié)能技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性更高，低成本、長壽命、可回收等特征，更具備技術(shù)推廣優(yōu)勢(shì)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，能夠減少石油行業(yè)電能需求及二氧化碳排放，具備廣闊市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。由于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)需要對(duì)鉆機(jī)和抽油機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)配套改造，該技術(shù)沒有得到行業(yè)充分重視。

應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)石油工業(yè)的節(jié)能減排具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，國際社會(huì)及中國“碳中和”政策的出臺(tái)，要求石油行業(yè)研發(fā)推廣綠色低碳開發(fā)技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是未來推廣重點(diǎn)。隨著未來科研投入的加大及技術(shù)的進(jìn)一步成熟，將對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在石油工程上的大規(guī)模推廣應(yīng)用起到更好地促進(jìn)作用。未來，需要國家、科研院所和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，共同進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)普及提供試驗(yàn)田和應(yīng)用試點(diǎn)基地，為技術(shù)全面推廣應(yīng)用提供產(chǎn)學(xué)研一體化的行業(yè)標(biāo)桿。