基于超级电容的海洋柴驱修井机改造设计研究

时间：2024-05-18

李刚

摘要：该文根据目前国内某平台的修井机现状，基于超级电容的储能与释能原理，利用位能负载原理对柴油机改为电机驱动的研究，电机反馈的再生能量通过变频器直流母线对滤波电容充电从而使直流母线电压升高，减少传统采用电阻耗能或能量回馈电网的方式，利用小功率配电盘可满足大功率电机使用要求，能量储存在超级电容中，能够避免消耗在电阻上或回馈电网，减小对电网的冲击和节约能量。

关键词：修井机超级电容能量转换设计研究

中图分类号：TE928 文献标识码：A文章编号：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

為响应海洋环保要求，节约能源，降低噪音污染，提高生产效率，中海石油某海上采油平台提出将柴油机驱动修井机改为电机驱动修井机项目，但随着调研的开展，平台服役时间长、配电盘容量及变压器摆放空间等诸多问题限制了改造进展，为降低改造成本，提高项目的可行性，基于超级电容的储能与释能原理[1]，提出一套结构简单、技术先进、操作维护方便并适用于现有修井机的设计方案。

1 资源限制

1.1 电网功率限制

修井机在柴驱改电驱过程中，将原来2台CAT CAT3406 2×269 kW的柴油机更换为600 kW的交流变频电机，电气化的修井机由于在提升油管过程中，电机需求功率大于目前该平台海上配电盘所能提供30 kVA/50 kVA的功率，如果直接使用小功率变压器，容易造成变压器的损坏;如对变压器进行功率升级，会带来成本的增加，造成很大资源浪费。

1.2 平台空间限制

由于该改造平台为2004年投产平台，服役时间超过16年，平台变压器房间位于平台中甲板，内部变压器设备安装已满载，无法提供多余的空间增设变压器。设置到平台其他位置会造成安全隐患，且会减少变压器寿命。

1.3 资源浪费

即便对于目前的变压器进行扩容改造，修井机属于位能性负载，在修井机工作的过程中会出现再生制动工作状态（发电状态），电动机反馈的再生能量通过变频器直流母线对滤波电容充电从而使直流母线电压升高，传统做法是采用电阻耗能或能量回馈电网的方式消除升高的电压[2]。但这些措施存在能量浪费和造成电网污染、效率低下的问题。

2 可行性方案

在不对原有变压器升级改造的范围内满足大功率电机的使用原则，提出可用一种超级电容器利用充放电储能原理解决以上问题，超级电容是新型储能元件，具有容量大、温度特性好、功率密度高等特点，利用小功率配电盘可满足大功率电机使用要求，修井机下放过程中的制动能量可以储存在超级电容中避免消耗在电阻上或回馈电网，当修井机向上提井管时超级电容发挥其功率特性以较大的功率向外释放能量，减小对电网的冲击和节约能量，如此反复地进行工作可有效节约能源[3]。

3 总体要求

根据现场的配电资源、修井机主要提升效率要求及满足主绞车功率及电压要求，超级电容设备必须满足以下特点。

（1）工作电压：DC420 V～DC650 V。

（2）额定功率：600 kW。

（3）工作时间：不小于10 s。

（4）充电输入功率（最大）：50 kW。

（5）充电输入电压：AC380 V。

（6）充电输出电压：650 V。

4 设计方案

超级电容储能系统安装在集装箱内，系统按照C4（室内、防潮、防盐雾、防霉变等）要求进行设计，如设备喷涂重防腐塑粉、采用不锈钢紧固件等。另外，在系统功能上，基于集装箱所能提供的一些功能，加上超级电容模块外置，控制柜内没有大量发热元/器件，因此该系统中不涉及照明、除湿及散热等方面的设计。

4.1 超级电容模块组设计

根据充电侧电压、输出电压、钻机使用电机功率及工作时间，通过超级电容能量转换公式计算如下。

PT=0.5CΔV2

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

按所需容量的1.5倍设计，即系统电容所需容量为48.76×1.5=73.14（F）。TS/M48V165FAA电容模块16个串联、8个并联之后的容量为 165/16×8=82.5（F）>73.14（F）。

650V88F超级电容模组工作电压区间储存的能量为：

0.5×82.5×（6502-4202）=10151（kWs）

为满足使用时间需求，配置4个650V88F的电容模块组，储能功率可达到（4×10151）kWs，具体电容储能机构构成见表1。

配置的超级电容储能系统的總容量为600 kW×10 s，系统由4个相互独立的125 kW×10 s超级电容储能支路组成，每个支路都可以作为独立的负载或电源被微电网能量管理系统直接调度。

4.2 600 kW超级电容储能系统布局

600 kW系统由2台电气控制屏和两组电容架组成，1台控制屏配合一组电容架，对称排列在集装箱两侧，中间预留通行过道，宽约1～1.3 m，控制柜固定在集装箱内靠近PCS侧的端面处。

4.3 600 kW超级电容储能系统设计

4.3.1 电容架

600 kW系统配置有4个电容架，每个电容架重量约200 kg，4个电容架两两进行拼接，组成两组电容架。每组电容架分为4层，每层分别布置16个模块;层1和层2组成一个125 kW支路模组;层3和层4组成另一个125 kW支路模组。

电容模块通过螺栓固定挂靠在电容架上，彼此相邻的两个模块之间主要通过镀镍铜排进行连接，固定在不同电容架上但在同层的电容模块以及不同层的电容模块之间采用120 mm2的阻燃电缆进行连接，铜排裸露部分用热缩绝缘护套进行绝缘处理，正、负极接线柱处分别加装红、黑绝缘保护帽。

另外，层1和层2支路模组、层3和层4之路模组中间固定有导轨，用来安装CMS的电压、温度及过压采集模块，具体见图1。

4.3.2 电气控制柜

电气控制柜内主要放置CMS的部分采集监控模块及储能系统的控制保护电气件等设备，600 kW系统包括2台控制柜，分为1#柜和2#柜。其中1#柜内电气器件包括工控机、控制保护组件、CMS组件、直流输入/输出接线端子和交流配电及通讯接线端子。2#柜内电气器件包括UPS不间断电源、控制保护组件、CMS组件、直流输入/输出接线端子和交流配电及通信接线端子。

电气控制柜采用前、后单开门设计方式，各125 kW储能支路的控制器、操作按钮/指示灯和600 kW储能系统控制器都安装固定于前面板上，无需开启柜门即可实现系统及各支路的控制，各操作按钮及指示灯下方均安装标识牌，用于显示其具体功能，辨识、方便操作。

4.3.3 UCM720V20F模组设计

模组由32个UCM48V165F模块组成，并按2个并联16个串联方式进行连接，4个支路共128个模块全部安装固定在电容架上[4]。

5 安全性、可靠性及环境适应性

5.1 安全性分析

超级电容储能系统所选用的电容单体全部已经过国家相关专业检测机构的安全符合性试验，长期运行期间不会出现火灾、爆炸等事故。电容储能系统中配置安装熔断器等保护装置，当负载出现短路或过载时可以保护系统;系统的接入与切除通过接触器实现，操作方便、安全;系统符合国家规定的抗震、撞击、绝缘、阻燃等相关安全性要求。

5.2 可靠性设计

5.2.1 结构的可靠性设计

超级电容模块采用水平安装方式，使用专门为抗震防滑设计的固定零件和高强度的冷轧圆钢丝杆紧密的固定在支撑板上，超级电容模块与支撑板间垫配置有2 mm厚的高绝缘性能环氧绝缘板，保证模块壳体与机柜壳体之间的良好绝缘性能。

5.2.2 接插件的可靠性设计

导线接头均采用专用冷压线鼻子处理，线鼻子完全插入接线端子孔内，紧固到位，保证接触牢靠。接线端子电压、电流等级满足线路需求并留有安全裕量，为有效保证其可靠性和安全性，每个接线端子孔内安装不超过两根导线。相邻2组接线端子同时使用短接条时，分隔处增加隔板或空端子，防止电气线路短路。

5.2.3 电缆的可靠性设计

电缆扎成线束，在机箱内铺设整齐。铺设不过紧、过松。电缆由线卡固定，严防摩擦及晃动。所有的连接导线均采用有资质的厂家生产的优质产品，直流母排、输入输出电缆根据通过的功率降额设计且采用导线截面积加倍的处理方法减少导线的直流电阻。数字信号线采用抗干扰的双绞线或双绞屏蔽线。

5.3 环境适应性设计

为保证超级电容储能系统长期使用的稳定性和可靠性[5]，该储能系统中的电容模块表面均涂有专用固体薄膜保护剂来加强环境适应性，系统中使用的各种印制电路板和其他电气、电子、零部件等均进行防护处理[6]。

6 结语

经论证，该设计方案能够满足超级电容储能系统的技术要求，超级电容储能系统模块化设计方式具有良好的安全性和可靠性，净化了供电电网，节省了能源，为海洋柴驱修井机改为电驱动修井机提供了新的解决方案，进一步推动了海洋修井机装备智能技术的创新发展，使其具备足够的能力来最大限度地提高修井作业效率。

参考文献