來源：儲能科學與技術(shù), 2021, 10(3): 1088-1094 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0331儲能系統(tǒng)與工程

基于儲能飛輪的油井發(fā)電機功率補償與節(jié)能應用祝保紅，李光軍, 李樹勝, 崔亞東

進口柴油發(fā)電機組品牌排行榜

北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 101300Power compensation and energy saving application of oil well generator based on energy storage flywheelZHU Baohong

,, LI Guangjun, LI Shusheng, CUI YadongBeijing Honghui International Energy Technology Development Co. , Ltd. , Beijing 101300, China

摘要基于油田供電系統(tǒng)，研究了負載增減頻繁和負荷沖擊值較大情況下，發(fā)電機的功率響應不足問題。基于儲能飛輪的技術(shù)特點，利用儲能飛輪對絞車的功率需求進行功率補償。本工作針對存在的問題做出目標優(yōu)化設計，提出了絞車功率斜率分配調(diào)節(jié)方案，并搭建具體的實驗平臺進行驗證。實驗結(jié)果表明，投入飛輪可以使發(fā)電機的功率曲線得到較好地平滑，減少了機組功率投入約500 kW，提高了燃油效率和電源質(zhì)量，同時兼顧回收利用下鉆過程的勢能，達到節(jié)能減排效果。關(guān)鍵詞： 飛輪儲能 ; 功率響應補償 ; 能量回收AbstractBased on the power supply system of oil field, this paper studies the problem of insufficient power response of generator in the case of frequent load increase and decrease and large load shock value. Based on the technical characteristics of the energy storage flywheel, the power demand of the winch is compensated by the energy storage flywheel. Aiming at the existing problems, this paper carries out the objective optimization design and proposes a power slope distribution regulation scheme for winch, and builds a specific experimental platform for verification. Experimental results show that, input flywheel makes the power curve of the generator better smooth, reduces the power input of the unit about 500kW, improves fuel efficiency and power quality, at the same time, the potential energy of the drilling process is recycled,the effect of energy conservation and emission reduction is achieved.Keywords： flywheel energy storage ; power response compensation ; energy recoveryPDF (2629KB)北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com元數(shù)據(jù)多維度評價相關(guān)文章導出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文本文引用格式祝保紅, 李光軍, 李樹勝, 崔亞東.基于儲能飛輪的油井發(fā)電機功率補償與節(jié)能應用.儲能科學與技術(shù)[J], 2021, 10(3): 1088-1094 doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0331ZHU Baohong.Power compensation and energy saving application of oil well generator based on energy storage flywheel.Energy Storage Science and Technology[J], 2021, 10(3): 1088-1094 doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0331隨著油氣開采逐步市場化，節(jié)能提效技術(shù)顯得尤為重要，鉆井供電系統(tǒng)節(jié)能減排的發(fā)展趨勢主要有：①設備高效匹配和預防性維護；②利用新技術(shù)節(jié)能；③余熱回收與減排一體化[1]。油氣開采的方式分為機械鉆機和電動鉆機，隨著社會發(fā)展電驅(qū)動方式將成為主要應用方式，電驅(qū)動還分為燃油和燃氣兩種發(fā)電方式，然而電驅(qū)動對于負載突增和突降的工況，電能質(zhì)量會產(chǎn)生瞬間突變，使設備經(jīng)常運行在非額定條件下。并且目前油田鉆井作業(yè)中的動力安排都是依靠操作人員的工作經(jīng)驗，為保證安全生產(chǎn)，動力冗余現(xiàn)象嚴重，不可避免地就造成動力過剩和動力不足，從而加劇機器零件的老化，造成油耗增加[1]，長此以往，必將影響安全生產(chǎn)和工作效率。儲能技術(shù)是目前電力系統(tǒng)提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的主要途徑[2]?；诠β拭芏鹊目紤]，超導儲能、飛輪儲能和超級電容更適合于鉆井平臺沖擊負荷的工況，但是由于超導儲能成本昂貴、維護困難、能量密度不高，所以并不適用鉆井平臺；超級電容能量密度低，且輸出特性軟、成本偏高而不適用于鉆井平臺。飛輪儲能裝置是一種利用高轉(zhuǎn)速大慣量轉(zhuǎn)子進行機械能存儲并且可以進行機電能量轉(zhuǎn)換的裝置。隨著儲能技術(shù)的興起，飛輪儲能作為其中的一種，以其響應速度快、功率不受限制、體積小易移動的優(yōu)點，被逐漸開發(fā)應用在各個領(lǐng)域,主要應用目標在UPS不間斷電源、地鐵能量回收、電力調(diào)峰等領(lǐng)域[3]。飛輪儲能應用于微電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電源質(zhì)量[4-5]，目前只有清華大學實現(xiàn)了單臺1 MW飛輪儲能在鉆井平臺的示范工程，但是由于飛輪轉(zhuǎn)速低、體積和重量較大，移動性能受限。本文采用全磁懸浮技術(shù)為支撐的高速小型化飛輪儲能裝置，以功率調(diào)節(jié)補償為應用兼顧能量回收，用于改善發(fā)電機組的功率響應特性，提高了發(fā)電機組的運行效率及電能質(zhì)量和設備壽命，同時實現(xiàn)節(jié)能減排目標。1 鉆井平臺系統(tǒng)組成1.1　鉆井平臺電氣結(jié)構(gòu)對于電動鉆機平臺一般采用發(fā)電機組成微電網(wǎng)，通過整流柜輸出直流母線，供變頻單元驅(qū)動伺服電機工作。以ZJ70D為例其電氣結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其中絞車由兩臺800 kW電機驅(qū)動。圖1

Fig. 1 Oil platform power structure1.2　油井平臺起下鉆工作過程鉆探打井工作絞車在提升空游車和提升鉆桿的過程中，其功率波動在零功率至額定功率之間。提升過程發(fā)電機響應絞車功率需求，下放過程絞車變頻器反饋放電用電阻制動。以標準的一代鉆機70DB為例，其絞車提升和下放功率曲線如圖2北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com所示。圖2

Fig. 2 Trip-out and Drill-down process絞車的功率需求并不是平滑的曲線，而是帶有突變的曲線，發(fā)電機要提供絞車需求的功率，發(fā)電機的響應就會出現(xiàn)頻率突增和突減，響應曲線如圖3北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com所示。圖3

圖3 發(fā)電機響應功率曲線Fig. 3 Power generator response curve1.3　發(fā)電機功率響應不足問題如圖4北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com所示，發(fā)電機在遇到突變負載時，油門開度出現(xiàn)超調(diào)，柴油機會出現(xiàn)燃燒不充分冒黑煙，或頻率過沖，負載過重會出現(xiàn)停機現(xiàn)象。目前，石油機械鉆機通常配置3～4臺1200 kW柴油機或同等功率燃氣機組。鉆井施工中，每部鉆機平均月消耗柴油約120噸，由于柴油機結(jié)構(gòu)復雜，跑、冒、滴、漏嚴重，易出故障，維修量大[6-9]。圖4

Fig. 4 Phenomenon of black smoke北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com為改善發(fā)電機功率特性，使整個微電網(wǎng)供電更加可靠穩(wěn)定，在直流母線側(cè)并入一套功率900 kW的飛輪儲能功率吸收和補償裝置，并且進行了現(xiàn)場運行實驗，取得較好實驗效果。2 飛輪儲能技術(shù)原理磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是新興的機械儲能技術(shù)，與傳統(tǒng)儲能方式(化學電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水儲能、超級電容儲能等)相比，具有充放電迅速、高功率密度、效率高、壽命長、放電深度高等優(yōu)點[10-12]。飛輪系統(tǒng)由永磁同步電機、高速轉(zhuǎn)子、外殼支撐結(jié)構(gòu)、真空保持系統(tǒng)、五自由度電磁控制執(zhí)行系統(tǒng)組成。磁懸浮軸承使其產(chǎn)生受控的非接觸磁場力來實現(xiàn)物體的懸浮，控制飛輪穩(wěn)定懸浮在額定轉(zhuǎn)速(本文轉(zhuǎn)子額定為175 Hz)。永磁同步電機作為能量輸入輸出通道傳遞能量，將實現(xiàn)電能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。電機驅(qū)動裝置采用電力變流器實現(xiàn)交直流變換，控制管理系統(tǒng)由總控系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)工況實現(xiàn)調(diào)度。飛輪轉(zhuǎn)子處于真空保持環(huán)境，以減少摩擦降低損耗。根據(jù)剛體動力學原理可知，高速旋轉(zhuǎn)的物體具有轉(zhuǎn)動動能，其公式如下E=12JW2(1)式中，J為轉(zhuǎn)動慣量；W為角速度。在轉(zhuǎn)動慣量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高具有的動能越大，并且呈現(xiàn)平方倍增長關(guān)系。圖5

Fig. 5 Structure of flywheel北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com3 功率補償技術(shù)方案設計調(diào)研結(jié)果顯示，根據(jù)每個階段的系統(tǒng)功率需求提前投入發(fā)電機，功率需求的預測一方面靠經(jīng)驗值，另一方面靠檢測到的電流需求值，當電流需求在高數(shù)值運行超過5 min后，就考慮增加發(fā)電機投入量，反之如果電流需求在低水平運行超過5 min后，就考慮減少發(fā)電機的投入量，一般情況機組處于較高功率冗余運行。并且功率響應隨著負載波動，電源頻率不穩(wěn)定。3.1　絞車功率需求分析鉆具的提升和下放，一般通過變頻器驅(qū)動電機，轉(zhuǎn)動絞盤實現(xiàn)，提升過程通常分為加速狀態(tài)、勻速狀態(tài)、減速狀態(tài)和停止狀態(tài)。狀態(tài)給定由司鉆臺人員根據(jù)工況通過手柄給定。不同載重和井內(nèi)工況都會對功率曲線造成影響，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換是隨機的。但是根據(jù)一般情況建立的絞車功率需求模型如圖6所示。圖6

Fig. 6 Power line for overall process tripping-up and drill-down of winch北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com3.2　發(fā)電機功率曲線優(yōu)化策略根據(jù)發(fā)電機的功率曲線分析，由于跟隨絞車的功率需求，功率響應徒增或突減，發(fā)電機就會出現(xiàn)冒黑煙和頻率閃降，從而造成燃油浪費，因此期望的發(fā)電機功率不因絞車的功率需求出現(xiàn)波動，呈現(xiàn)為發(fā)電機額定的響應特性。根據(jù)發(fā)電機特性，單位時間內(nèi)發(fā)電機頻率的變化越大，功率調(diào)整越大，如果想要保持發(fā)電機的頻率在小范圍內(nèi)波動，比如49～51 Hz之間，則需要將發(fā)電機單位時間內(nèi)的功率需求變化量降低到一定范圍內(nèi)，因此將發(fā)電機的功率需求平滑為發(fā)電機最佳的功率響應曲線，發(fā)電機的期望響應曲線如圖10中紅色線所示,將絞車的功率波動率超出發(fā)電機功率調(diào)整率的部分由飛輪系統(tǒng)響應。如圖7黑色功率線所示。圖7

Fig. 7 Expectation curve for power of flywheel and genset圖8

Fig. 8 Add flywheel power supply structure圖9

圖9 現(xiàn)場設備Fig. 9 Actual device圖10

圖10 絞車的功率需求曲線北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.comFig. 10 Power need curve of winch3.3　絞車斜率調(diào)節(jié)控制策略實現(xiàn)PLC主控系統(tǒng)以0.1 s采樣速率采集絞車功率值，將功率變化量與絞車功率值以及絞車速率綜合后，劃分為六個工作狀態(tài)，控制程序根據(jù)狀態(tài)，調(diào)度飛輪功率快速跟蹤絞車功率變化，削峰填谷改善機組響應曲線，同時降低機組的最大功率投入。在減速和制動過程中飛輪通過變流器升速吸收能量，在絞車停止時通過發(fā)電機補充能量。具體方案如下文所述。將絞車加速10 s功率達到1600 kW的加速度與飛輪釋放900 kW功率加速度歸一化，即當絞車滿功率加速時飛輪在10 s時也達到最大功率輸出。系統(tǒng)采樣時間周期為T，采樣時間內(nèi)的絞車功率差值為?P，歸一化后的功率增長率系數(shù)計算如下f=(?P/T)/160×0.64(2)該策略的核心就是檢測絞車功率的增長率，將超出發(fā)電機額定響應的增長率部分由飛輪側(cè)響應，根據(jù)狀態(tài)分配表確定飛輪功率分配比例，功率分配表根據(jù)比例實現(xiàn)功率增減輸出，從而實現(xiàn)發(fā)電機功率的平穩(wěn)響應。表1工作狀態(tài)分類Table 1The classification of working status

新窗口打開|下載CSV表2功率分配Table 2Power allocation

注：PW北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com1為飛輪變流器當前功率；PW2為飛輪變流器前一刻功率；Pf1為發(fā)電機當前功率；Pf2為發(fā)電機前一刻功率；?P為絞車當前功率與前一刻功率差；P為飛輪自由升速功率增長速率；Max表示飛輪自由升速功率最大值。新窗口打開|下載CSV具體步驟如下：① 總控采集絞車驅(qū)動器功率和絞車電機速度、飛輪變流器功率、飛輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機側(cè)輸出功率以及發(fā)電機頻率數(shù)據(jù)；②根據(jù)周期采集的信息計算出?P，由式(2)計算出歸一化增長率；③將數(shù)據(jù)代入狀態(tài)表，得到系統(tǒng)當前狀態(tài)值；④將狀態(tài)值帶入功率分配表計算功率分配值，最后將飛輪系統(tǒng)功率值輸出到飛輪變流器。4 絞車功率斜率調(diào)節(jié)及現(xiàn)場實驗4.1　應用系統(tǒng)搭建現(xiàn)場一般由N臺發(fā)電機組成整個微供電系統(tǒng)，本次試驗在克鉆70511井隊進行，井口位于新疆白堿灘的瑪湖35號井，動力配置為4臺1200 kW濟柴動力機組。頂驅(qū)配置標準的一代鉆機70DB，兩臺ABB變頻器分別驅(qū)動兩臺800 kW絞車電機。70DB鉆機整個驅(qū)動過程設計為10 s的加速時間絞車功率從0增加至1600 kW額定功率，然后降到1200 kW維持勻速運行35 s，再以10 s時間減速至0 kW停止運行。經(jīng)計算所消耗能量為15.55 kW·h?？紤]飛輪儲能量滿足功率加速段部分功率輸出即可，因此以飛輪的單體儲能量為3 kW·h,放電深度為85%，共配備三臺飛輪作為儲能單元，即一次充放電的能量為7.65 kW·h能量。三臺飛輪電機提供900 kW功率輸出調(diào)節(jié)，通過PLC等設備采集調(diào)度飛輪充放電功率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場設備如圖8、圖9所示。4.2　起鉆工況應用效果起鉆從4100～1100 m進行飛輪投入與推出對比測試，圖10為重載情況下，操作人員通過兩次絞車加速完成的提鉆桿操作。圖11中未投入飛輪時發(fā)電機功率在響應絞車功率需求的瞬間發(fā)電機頻率跌落和突起十分明顯超過(50±1) Hz頻率范圍，最高頻率達到52 Hz。圖11

Fig. 11 Power curve of genset when flywheel uncovered投入飛輪后，功率曲線如圖12北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com、13、14所示，絞車的功率波動被飛輪吸收，油機以較緩的功率增長響應需求，絞車到勻速段后，飛輪功率逐漸下降，油機功率繼續(xù)增加，飛輪功率最后退到100 kW輸出，在絞車減速段，飛輪功率為正值充電，絞車勻速后再逐漸退到零。在此過程中發(fā)電機的頻率表現(xiàn)平穩(wěn)，波動未超過(50±1) Hz范圍。絞車在加速段到勻速段以及勻速段到減速段的400 kW功率陡降被飛輪系統(tǒng)完全吸收。圖12

Fig. 12 Power curve of winch when tripping-up北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com圖13

Fig. 13 Power curve of genset when flywheel covered圖14

Fig. 14 Power curve of flywheel4.3　下鉆工況應用效果在飛輪投入后，如圖15所示中前段絞車提升空游車功率有劇烈波動的工況下，由于飛輪投入將功率波動完全吸收(圖17左半段)，發(fā)電機側(cè)的頻率波動在49～50.5 Hz之間，且功率幾乎不增長，如圖16所示。圖15

Fig. 15 Winch power curve when tripping-up empty block and drilling-down圖16

Fig. 16 Power curve of genset when flywheel covered圖17

Fig. 17 Power curve of flywheel when flywheel covered北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com下放鉆桿時，絞車變頻器產(chǎn)生制動功率(如圖15所示負值段)，飛輪系統(tǒng)通過雙向變流器能將絞車的回饋功率全部吸收，飛輪轉(zhuǎn)速升高(圖17右半段)，前一時刻提升空游車過程飛輪提供的能量得到補充，下鉆時鉆桿勢能大于提升空游車消耗的1.5 kW·h能量，但是飛輪受最高轉(zhuǎn)速限制只能補充提升空游車過程損失的能量，到達飛輪儲能極限時停止儲能，多余的鉆桿勢能用傳統(tǒng)的制動電阻消耗。對比效果圖如15、16、17所示。綜上結(jié)果對比表明，飛輪投入后，通過改善發(fā)電機的功率響應，使電網(wǎng)電壓質(zhì)量提高，同時提高了發(fā)電機的燃油效率；將下鉆勢能回饋到飛輪中，在提鉆時釋放，進而達到節(jié)能減排的目的。

5 結(jié)論根據(jù)測試，采用絞車功率斜率調(diào)節(jié)方式使飛輪系統(tǒng)在提下鉆過程中起到良好作用，實現(xiàn)了預期目標，該方法達到了以下三種效果。（1）通過飛輪功率補償，機組功率曲線得到很好的平滑，起到了功率濾波作用，油機冒黑煙現(xiàn)象得到極大改善，從而提高燃效比和電網(wǎng)質(zhì)量。（2）在勻速段飛輪承擔100 kW的功率負荷，最終機組的最大功率投入降低500 kW左右。（3）在空游車下放和鉆桿下放時能夠吸收1.5 kW·h電能，相當于將空游車上提下放的能量對沖利用，起到了一定的節(jié)能效果。但是在下鉆過程中，勢能沒有全部回收利用，如果采用直流交流雙向流動方式，可以及時將勢能用于微電網(wǎng)MCC的消耗，能夠更大程度的節(jié)省能量。此外，本次測試通過絞車的功率需求作為命令調(diào)度的依據(jù)，應用場景相應受限，如果飛輪與油機直接進行功率補償，將有助于飛輪應用層面的擴展。參考文獻 View Option[1]王海洋, 魏清泉, 杜金風, 等. 石油鉆井柴油機節(jié)能減排發(fā)展趨勢[J]. 設備管理與維修, 2017(11): 142-144.[本文引用: 2][2]程時杰, 文勁宇, 孫海順. 儲能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用[J]. 電氣應用, 2005, 24(4): 1-8, 19.[本文引用: 1]CHENG S J, WEN J Y, SUN H S. Application of power energy storage techniques in the modern power system[J]. Electrotechnical Application, 2005, 24(4): 1-8, 19.[本文引用: 1][3]劉付成, 李結(jié)凍, 李延寶, 等. 磁懸浮儲能飛輪技術(shù)研究及應用示范[J]. 上海節(jié)能, 2017(2): 80-84.[本文引用: 1]LIU F C, LI J D, LI Y B, et al. Research and application demonstration of maglev energy storage flywheel technology[J]. Shanghai Energy Conservation, 2017(2): 80-84.[本文引用: 1][4]李文逸, 宋以國. 儲能飛輪轉(zhuǎn)子的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 機械工程師, 2014(1): 104-106.[本文引用: 1]LI W Y, SONG Y G. Research status and development of rotor for flywheel energy storage system[J]. Mechanical Engineer, 2014(1): 104-106.[本文引用: 1][5]劉英軍, 劉暢, 王偉, 等. 儲能發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J]. 中外能源, 2017, 22(4): 80-88.[本文引用: 1]LIU Y J, LIU C, WANG W, et al. Analysis of development status and trend of energy storage technology[J]. Sino-Global Energy, 2017, 22(4): 80-88.[本文引用: 1][6]丁連生, 丁洪祥, 姜耀華, 等. 柴油機電子調(diào)速系統(tǒng)設計及其Matlab仿真[J]. 船海工程, 2005, 34(1): 38-41.[本文引用: 1]DING L S, DING H X, JIANG Y H, et al. Digital governor for diesel engines based on Matlab[J]. Ship & Ocean Engineering, 2005, 34(1): 38-41.[本文引用: 1][7]商義葉, 趙磊. 絞車變頻驅(qū)動系統(tǒng)能量回饋淺析[J]. 科技博覽, 2013,37(4): 404.SHANG Y Y, ZHAO L. Energy feedback analysis of winch variable frequency drive system[J]. Science Review, 2013, 37(4): 404.[8]陸浩, 周杰娜, 盧江宇杰, 等. 柴油發(fā)電機組調(diào)頻控制及功率交互振蕩的Matlab仿真研究[J]. 電氣技術(shù), 2011(6): 9-12.LU H, ZHOU J N, LU J, et al. Diesel generators frequency control and power interactive oscillation of Matlab simulation research[J]. Electrical Engineering, 2011(6): 9-12.[9]張輝. 深水半潛式鉆井平臺電力系統(tǒng)的設計研究[J]. 電工技術(shù), 2010(4): 43-44, 62.[本文引用: 1][10]戴興建, 鄧占峰, 劉剛, 等. 大容量先進飛輪儲能電源技術(shù)發(fā)展狀況[J]. 電工技術(shù)學報, 2011,26(7): 133-144.[本文引用: 1]DAI X J, DENG Z F, LIU G, et al. Review on advanced flywheel energy storage system with large scale[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(7): 133-144.[本文引用: 1][11]戴興建, 唐長亮, 張剴. 先進飛輪儲能電源工程應用研究進展[J]. 電源技術(shù), 2009, 33(11): 1026-1028.DAI X J, TANG C L, ZHANG K. Progress of advanced power system using flywheel energy storage[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009, 33(11): 1026-1028.[12]張剴, 徐旸, 董金平, 等. 儲能飛輪中的主動磁軸承技術(shù)[J]. 儲能科學與技術(shù), 2018, 7(5): 783-793.[本文引用: 1]ZHANG K, XU Y, DONG J P, et al. Application of active magnetic bearings in flywheel systems[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(5): 783-793.[本文引用: 1]北京發(fā)電機###http://www.1688baifa.com

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