基于超级电容储能的钻修机绞车电控系统

陈 健

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

基于超级电容储能的钻修机绞车电控系统

陈 健

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

针对石油钻修机绞车在运行过程中存在的能量浪费问题，设计了一种基于超级电容储能的钻修机绞车电控系统。给出了系统的整体设计方案，并分析了不同工况下能量流动的控制策略。

超级电容储能装置 钻修机绞车 PLC 控制策略

随着国家对节能环保、减排降噪要求的不断提高，出现了由柴油发电机组供电的直流/交流驱动钻修机，取代了传统柴油机作为动力源的钻修机。直流驱动的功率因数太低，系统无功过大，需要配备的柴油发电机组容量也相应很大，运营成本较高。交流驱动具有功率因数高、控制精度高等优点，适合油田作业，因此交流驱动钻修机成为油田钻修作业设备的首选。钻修机绞车的功能是提升和下放管柱或工具。作业过程中，提升和下放作业时间与人工装卸时间之比约为1∶2，意味着柴油发电机组在超过一半的时间是处于空载运行状态的[1]。钻修机无论在作业工况还是非作业工况，柴油发电机组始终消耗柴油进行发电，只是在轻载时消耗的柴油相比重载时少一点。钻修机在工作过程中会将钻具反复进行上提、下放。上提过程中钻机必须做功，将几十或上百吨的钻具提升近30m，而且井越深钻具越重。下降过程则是将上提转化的机械能释放掉，传统做法有两种：一种是为了追求下放速度，采用脱开动力的方式下放，这样负载带动游动系统自由落体，制动回馈能量由刹车制动消耗；另一种是采用绞车反方向给定速度下放，将机械势能转化为电能回馈到变频器的直流母线，靠制动电阻以热能形式消耗。两种做法的制动回馈能量均以热能形式消耗，造成了很大的浪费。

为此，设计一种基于超级电容储能的石油钻修机绞车电控系统，将钻机或修井机所做功转化的机械能回收重利用，不仅可以节能减排，降低钻井成本，还能降低对发电机组性能的要求。

1 基本原理

1.1 超级电容储能原理

超级电容器基于双电层工作原理，其结构如图1所示。

图1 超级电容结构示意图

当外电压加到超级电容器的两个极板上时，正极板存储正电荷，负极板存储负电荷，在两个极板电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层即为双电层，因此电容非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)；如果电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位，电解液将分解，超级电容器为非正常工作状态。随着超级电容器的放电，正负极板上的电荷被外电路泄放，电解液界面上的电荷相应减少。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的。

1.2双向DC/DC变流器的工作原理

双向DC/DC变流器为双向工作制，能够实现电容功率补偿系统到直流母线、直流母线到电容功率补偿系统能量的双向流动，完成修井提升作业的功率补偿，并快速为电容功率补偿系统补充能量。

变流器采用交错并联双向Buck-Boost拓扑结构，如图2所示，其中VG1～3、IGBT、SV1～3为电压传感器；L1、L2为储能电感；RF1、RF2为放电电阻。采用两重回路并联方式，减小了流过单个开关管的电流等级，满足功率需求；错相控制可以有效减小等效电感值和输出电流波纹。

图2 双向DC/DC变流器拓扑结构

图2中，V1为电容补偿装置侧电压，V2为直流母线侧电压。正常工作时，V2高于V1，有利于提高超级电容器的利用率，在满足正常运行所需的条件下尽量减小超级电容器的数量，提高储能的经济性。补偿装置储能时，由井场电网为电容功率补偿装置快速充电，能量从直流母线侧流向电容补偿装置侧，变换器工作在Buck模式。修井作业提升阶段功率补偿时，电容功率补偿装置放电，能量从电容补偿装置侧流向直流母线侧，变换器工作在Boost模式。

正常工作时，这种拓扑结构能够满足使用要求。但在实际使用中发现，如果母线侧电压V2低于V1，即使不进行充放电控制，也会导致上桥臂直通。为此，在上桥臂串联一个反向功率管，通过与下桥臂功率管的互补控制，保证即使母线侧电压V2低于V1，上桥臂也不会直通，保证了设备的安全。

2 控制系统设计

2.1总体方案

基于超级电容储能的石油钻修机绞车电控系统的拓扑结构如图3所示(不含辅助用电设备)。系统设有整流器、逆变器、双向DC/DC变流器、超级电容器组、制动单元、制动电阻、主PLC及Profibus-DP等。

图3 基于超级电容储能的石油钻修机绞车电控系统的拓扑结构

正常作业时，柴油发电机组发出的交流电经整流器整流成平滑的直流电，经逆变器逆变成频率可调的交流电为绞车电机提供动力。与传统电驱绞车电控装置相比，增加了双向DC/DC变流器和超级电容器组。超级电容器组经双向DC/DC变流器吸收发电机组发出的电能和制动产生的能量。

2.2能量流动控制分析和控制策略

根据钻修机的不同工况，设计了相应的控制策略，控制超级电容处在充电、放电的合适状态。超级电容的充放电工况有3种，如图4所示。

图4 超级电容充、放电工况

钻修机的作业工况有起钻、下钻、下套管和打钻4种。下面就针对这4种工况分析超级电容的充、放电工况下的控制策略。

2.2.1起钻工况

起钻工况下，绞车拉动井筒内剩余管柱上行(重载)，对应图4b的放电工况1，超级电容和柴油发电机同时向系统供电。当超级电容的状态SOC(State of Charge)高于设定值时，超级电容满功率输出；反之超级电容关闭。

空钩下行时，对应图4a的充电工况，制动回馈能量导致直流母线电压升高，当瞬时电压升高到制动单元的阈值时，制动电阻投入，强制母线电压；瞬时电压降到阈值以下时，通过双向DC/DC变流器向超级电容充电；同时柴油发电机组发出的电能也通过整流器和双向DC/DC变流器向超级电容充电，当超级电容的状态SOC为1时，关闭双向DC/DC变流器，停止向超级电容充电。

2.2.2下钻、下套管和打钻工况

下钻、下套管和打钻工况均含有下放管柱(重载)和上提管柱(轻载)过程。

下放管柱(重载)时，绞车拉动井筒内剩余管柱下行，对应图4a的充电工况，制动回馈能量导致直流母线电压升高，当瞬时电压升高到制动单元的阈值时，制动电阻投入，强制母线电压；瞬时电压降到阈值以下时，通过双向DC/DC变流器向超级电容充电，当超级电容的状态SOC为1时，关闭双向DC/DC变流器，停止向超级电容充电。

上提管柱(轻载)时，对应图4c的放电工况2，超级电容通过双向DC/DC向绞车传动系统供电，下放管柱(重载)产生的能量不小于上提管柱(轻载)需要的能量，此时柴油发电机可以停止工作。

3 基于PLC的主控系统

基于超级电容储能装置的电驱石油钻修机绞车电控系统中的各个部件，均为独立的控制系统。系统采用S7-300 PLC作为主控制器，S120变频器作为从站，采用Profibus-DP总线实现二者的通信；双向DC/DC变流器与超级电容器组作为独立系统，通过DP/DP Coupler与主PLC进行主-主通信，完成实时信息交互。整个系统的控制网络结构如图5所示。

图5 基于PLC的主控系统网络结构

主控制器可以查询单个超级电容的实时电压、电流、温度及报警等信息。根据不同工况的实际状态，控制双向DC/DC变流器对超级电容的充放电，同时采集实时充放电的功率、电流及报警等信息。

4 结束语

传统钻修机在钻修井作业间歇期，柴油发电机组发出的电能除供辅助电机工作外，均以柴油机发热方式消耗掉；绞车下放时制动回馈能量要么被刹车消耗，要么被制动电阻消耗，造成了较大浪费。笔者提出的基于超级电容储能装置的电驱石油钻修机绞车电控系统，配置了双向DC/DC变流器、超级电容器组和能量控制系统，实现了钻修机作业间歇期内柴油机发出的多余电能和制动回馈能量被存储释放，达到了节能的目的。

[1] 吉顺平.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

ElectricalControlSystemforDrillingRigDrawworksBasedonSuper-capacitorEnergyStorage

CHEN Jian

(SINOPECSJPetroleumMachineryCo.,Jingzhou434024,China)

Considering the energy waste of drilling rig drawworks in the operation, a super-capacitor energy storage-based electrical control system was designed for drawworks, including the system’s overall design scheme. The control strategy for energy flow under different working conditions was analyzed.

super capacitor energy-storage device, drilling rig drawworks,PLC, control strategy

TH862

B

1000-3932(2016)05-0526-04

2016-04-08(修改稿)