电动修井机储能供电装置

张松（大庆油田有限责任公司装备制造集团）

电动修井机储能供电装置

张松（大庆油田有限责任公司装备制造集团）

摘要：针对XJ70DB电动修井机在油气井井场作业时受变压器容量影响及能量浪费的问题，研发了电动修井机储能供电装置，电动修井机在下放作业和装卸被吊物时可利用电网电能给储能供电装置补充能量，从而达到在提升负载过程中为变频器直流母线提供电能的目的。储能供电装置采用超级电容组为电能储存单元，采用智能控制单元对充放电过程进行控制和监视，是电动修井机在供电容量不足条件下理想的能量补充单元。

关键词：电动修井机；智能控制单元；超级电容组；储能供电；变频器直流母线

修井机是油田修井作业的主要设备，用于对发生故障或损坏的油管、抽油杆、抽油泵等井下设备和工具的起下作业，大部分以柴油发动机作为原动力。与电动机驱动相比，柴油发动机驱动修井机整机效率低、功率利用率低；另外，修井作业中需要有被吊物装卸的时间，修井机提升和下放作业时间与人工装卸时间之比是1∶2，柴油机有66%左右时间处于空载运行状态。

以交流变频技术为基础的电动修井机，实现了修井机原动力“油改电”，但目前井场变压器容量在30～50 kVA，属于小电网供电。受井场变压器容量限制，配备电动机功率较小，影响了作业时效。同时，在修井机大钩下放和减速过程中，负载势能转化为电能，系统通过制动电阻将这部分电能转化为热能消耗掉，造成一定的能量浪费。为使修井机在供电容量不足的现场条件下，正常发挥出应有的效能，需采用电容器组成的储能供电装置来补充现场能量的不足。

1　工作原理

由电网输出的三相交流电源经过整流器后，将交流电源转换为直流电源，通过变频器内的直流母线供逆变器使用，逆变器的输出驱动三相电动机，使修井机的电动机工作；同时，变频器内直流母线送到双向直流变换器，使电流从超级电容组到直流母线，再从直流母线到超级电容组的双向流动，完成提升作业的电能补偿功能（图1）。

图1　储能供电装置工作原理图

当修井机处于提升的工作状态时，电动机负荷加大，在交流电源所提供的能量有限时，变频器的母线电压将下降，当超级电容储能单元的电压与母线电压之差大于设定值时，经智能单元进行控制，超级电传容器储能模组所储存的能量将通过双向直流变换器到变频器的直流母线上，与原交流电源提供的能量共同为变频器提供能量，当超级电容器的电容量足够时就可以使直流母线所需的能量得到补偿，使修井机在外接交流电源提供的能量不足的情况下，仍可以满负荷工作。当修井机将负载提升出井口后进行悬停、卸扣作业时，电动机处于不工作状态，对能量的需求大幅度的减少，此时交流电网的富余能量通过直流母线给超级电容储能单元补充电能，为下一次的井管提升储备能量。当修井机处于减速和下降状态时，电动机处于再生制动状态，将富余能量给超级电容组补充电能。

2　装置结构

储能供电装置主要由充电机、储能单元和散热装置组成。

1）充电机。由储能系统中的充电机的电路形式，采用稳定可靠的三相全波可控智能整流模块组成，具有电压、电流、缺相等保护功能，并有可预置的自动充电功能。

2）储能单元。储能单元具有储存和输出电能的功能。当交流电网不能满足修井机所需的功率时，需要由储能系统来补充所缺的功率，补充功率的量为电容功率=需求的功率-电源提供的功率。

采用相同型号的超级电容串并联来构成超级电容组。假设超级电容器组由n个型号相同、特性一致的超级电容器单体串联成1条支路，再由m条相同支路并联组成，则超级电容组的电容量为

额定工作电压：

式中：C——超级电容组的总容量，F；

Ccell——超级电容单体容量，F；

Ue——超级电容组额定工作电压，V；

Ucell——超级电容单体额定工作电压，V。电动修井机储能供电装置采用功率型超级电容，工作电压为2.7 VDC，工作温度-40～65℃，充放电时间为4 s，充放电次数超过400万次。把超级电容串并联组成电容器组，再经过智能控制单元对变频器直流母线电压进行监测，当电能下降及反馈电能时实时补充和吸收电能。

整个储能系统包括12个超级电容储能模组，每个模组上安装有平衡电路板，以保护储能模组在充电时的安全；同时，智能控制单元根据需要，维修时也可将储能系统储存的能量泄放，以保证维修人员的安全。

3）散热装置。超级电容储能系统的电气有3个接口：交流三相电源输入和保护地（4线）接口；直流母线正极（P），直流母线负极（N）接口；过压、过流告警干接点接口（该系统提供2对转换干接点，分别为系统过压告警和系统过流告警）。

超级电容储能系统的机柜中安装有温控风扇，当机柜内的温度超过设定值后风扇自动启动散热，用来保证超级电容工作在最佳环境温度。

3　现场应用

XJ70DB电动修井机采用井场变压器供电，配备储能供电装置，110 kW电动机，大钩提升速度0～1.28 m/s，适用变压器大于或等于30 kVA。2015 年10月29日在采油三厂试验大队北三东试验站北2-321E81井上应用，完成全部作业消耗电能为309.6 kWh，按大庆油田用电单价0.638 1元/kWh计算，电费为197.56元。

去除因操作者熟练程度、试验过程中基于安全角度下未采用重力溜车而采用倒挡方式，修井耗能约280 kWh。如果考虑重力下行时余电回馈电网（滤波后回馈计费用，不会污染电网），实际消耗电能约220 kWh，合计费用140.38元。而用常规柴油机驱动的修井机进行作业消耗油量约280 L，按5.98元/L计算，需要费用1 674.40元，所以配置储能供电装置的电动修井机节约燃料成本约90%。

参考文献：

[1]徐刚，王树龙，韩菊，等.基于功率补偿的电动修井机控制系统[J].机电工程技术，2013，42（9）：11-15.

[2]韩洪波，王维忠，张建军，等.混合动力修井机研制与应用[J].石油矿场机械，2013，42（11）：76-80.

（编辑庄景春）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.013

作者简介：张松，工程师，2005年毕业于黑龙江科技学院，从事油田特种汽车电气设计工作，E-mail：zhangsong82511@163.com，地址：黑龙江省大庆油田装备制造集团特种汽车研究所，163312。

收稿日期2015-11-12