王軍

(中石化華東石油局物資裝備處，南京210011)

摘要：根據(jù)超級(jí)電容在集裝箱起重機(jī)上使用的工作原理，對(duì)超級(jí)電容與常規(guī)儲(chǔ)能元器件進(jìn)行比較，并對(duì)石油鉆機(jī)與集裝箱起重機(jī)的傳動(dòng)原理進(jìn)行對(duì)比分析，提出將超級(jí)電容應(yīng)用到石油鉆機(jī)上的設(shè)想及后期對(duì)超級(jí)電容的關(guān)注重點(diǎn)和推廣使用的意義。

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，能源消耗也隨著不斷增長(zhǎng)，人們一方面尋找替代化石燃料的可再生能源，以太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、氫能發(fā)電為代表的新能源技術(shù)將導(dǎo)致能源領(lǐng)域的一場(chǎng)革命；另一方面，隨著人們節(jié)能與環(huán)保要求的不斷提高，各國(guó)正在不斷加強(qiáng)對(duì)能量貯存裝置的研究。超級(jí)電容器是一種綠色節(jié)能的新型器件，它以其廉價(jià)的制備、卓越的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視和青睞[1]。石油鉆井行業(yè)本身也是一個(gè)高能耗重污染的行業(yè)，因此，在考慮如何保證正常生產(chǎn)效益的同時(shí)，也要考慮如何盡可能地減少能源消耗，減少污染排放，特別是近幾年來(lái)，超級(jí)電容已作為儲(chǔ)能元件在港口起重機(jī)、電梯、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)得到了廣泛的運(yùn)用并得到了用戶的認(rèn)可。本文針對(duì)超級(jí)電容在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

1超級(jí)電容原理及應(yīng)用情況

1.1原理

超級(jí)電容器與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)千法拉，它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電，而且使用壽命長(zhǎng)。另外，超級(jí)電容器是一種具有超級(jí)儲(chǔ)電能力，可提供強(qiáng)大脈沖功率的物理二次電源，它是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成的，所以又稱雙電層電容器。其基本原理為：當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小(一般<0.5mm)，再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬(wàn)倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量[1]。

1.2優(yōu)點(diǎn)

表1為超級(jí)電容器、鉛酸蓄電池、電解電容器典型產(chǎn)品的性能指標(biāo)對(duì)比[2-3]。作為新興能量?jī)?chǔ)存器件，超級(jí)電容器與蓄電池及普通電解電容器相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

a)電容量大 超級(jí)電容器屬于物理儲(chǔ)能器件，其充放電過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是導(dǎo)電離子在電極上的吸附和脫附過(guò)程，具有很大的功率密度，約為鉛酸蓄電池的20倍。

b)充放電速率快 超級(jí)電容器可以在數(shù)十秒或數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)完成快速充電或放電，而蓄電池在充放電過(guò)程中會(huì)受到參與電化學(xué)反應(yīng)的離子擴(kuò)散速度的限制，因而充放電速率慢。

c)循環(huán)壽命長(zhǎng) 室溫條件下，超級(jí)電容器深度充放電時(shí)的充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50萬(wàn)次以上(可以工作90000h)，正常使用可以達(dá)到10a左右。

d)充放電效率高 超級(jí)電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻很小，在充放電過(guò)程中的能量損耗小，因而具有很高的充放電效率，其充放電周期效率可以達(dá)到98%以上，有些甚至達(dá)到99%以上。

e)適應(yīng)溫度范圍廣 超級(jí)電容器在能量的交換過(guò)程中不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此能夠在-40～70℃溫度范圍內(nèi)正常工作。

f)符合安全環(huán)保要求 雙電層超級(jí)電容器使用的材料安全、無(wú)毒、環(huán)保。材料主要由碳組成，不含鉛、鉻等重金屬，不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染，也不會(huì)對(duì)生產(chǎn)或使用人員造成傷害[3]。此外，超級(jí)電容器屬于靜止儲(chǔ)能器件，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械部分，這樣在使用中非常安全可靠，不會(huì)帶來(lái)噪音、油品等環(huán)境污染。

1.3應(yīng)用情況

a)在一些小功耗的電子設(shè)備和各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，超級(jí)電容器可以取代蓄電池，成為主電源或熱備用電源。例如，各種電動(dòng)玩具、自動(dòng)防故障裝置、存儲(chǔ)器、微處理器、系統(tǒng)主板、時(shí)鐘等。

b)由于超級(jí)電容的功率密度大，能夠在汽車啟動(dòng)、加速、爬坡等過(guò)程中提供所需的峰值功率，滿足電機(jī)的峰值功率需求，并在剎車時(shí)將回饋的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。這樣，可以大幅度減小對(duì)蓄電池等儲(chǔ)能裝置的功率需求，節(jié)約了空間，減輕了質(zhì)量；還可以增加汽車的一次充電運(yùn)行距離，提高新型動(dòng)力汽車的可行性和實(shí)用性。目前在上海、北京等大中型城市開(kāi)始使用基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車(混合動(dòng)力汽車)。

c)由于超級(jí)電容器的充發(fā)電速度快和功率密度大的儲(chǔ)能特點(diǎn)，使得超級(jí)電容被廣泛地應(yīng)用到光伏、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)中，可以對(duì)系統(tǒng)起到瞬時(shí)功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時(shí)作為后備電源，提高供電的穩(wěn)定性、可靠性和供電質(zhì)量，同時(shí)與柴油發(fā)電機(jī)組并用，可以減少發(fā)電機(jī)頻繁啟動(dòng)和瞬間大功率輸出對(duì)設(shè)備的傷害。

d)超級(jí)電容器快速充放電和大電流的特點(diǎn)可以用于電梯、港口起重機(jī)等變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電梯加速上升時(shí)，能量緩沖器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線供電，提供電機(jī)所需的峰值功率；并在電梯減速下降過(guò)程中，吸收電機(jī)通過(guò)變頻器向直流母線回饋的能量。通過(guò)對(duì)港口集裝箱起重機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組和超級(jí)電容的容量進(jìn)行匹配優(yōu)化，使集裝箱起重機(jī)能有效地重復(fù)利用再生能量，起到了節(jié)能環(huán)保的作用。

2超級(jí)電容在電動(dòng)鉆機(jī)上的應(yīng)用分析[4-6]

電動(dòng)鉆機(jī)的傳動(dòng)原理與集裝箱起重機(jī)的傳動(dòng)原理有非常相似之處，本文以ZJ70DB型電動(dòng)鉆機(jī)的傳動(dòng)原理來(lái)分析應(yīng)用超級(jí)電容的可行性。

ZJ70DB型鉆機(jī)電傳系統(tǒng)是由多臺(tái)發(fā)電機(jī)組控制柜控制相應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，向交流母排上輸出600VAC、50Hz交流電，采用進(jìn)口西門(mén)子(或ABB)系列全數(shù)字矢量控制交流變頻調(diào)速裝置，由整流單元將交流母排上的600VAC交流電轉(zhuǎn)換成810VDC，輸出到直流母排上，由逆變單元將直流母排上的810VDC直流電轉(zhuǎn)換成電壓0～600VAC、頻率0～300Hz連續(xù)可調(diào)的交流電，采用一對(duì)一控制方式驅(qū)動(dòng)交流變頻電動(dòng)機(jī)，滿足絞車、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵傳動(dòng)的要求。

交流變頻電機(jī)帶動(dòng)絞車實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過(guò)程中的起下鉆作業(yè)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)作業(yè)。在傳統(tǒng)的起下鉆作業(yè)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，都存在能耗制動(dòng)的問(wèn)題。在下鉆過(guò)程中，游動(dòng)系統(tǒng)下放的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滾筒的動(dòng)能，該動(dòng)能通過(guò)主電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電能通過(guò)變頻器的制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)，使鉆具以設(shè)定的速度平穩(wěn)安全地下放；轉(zhuǎn)盤(pán)在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，一般要保證轉(zhuǎn)盤(pán)處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀況之下，但由于井底地層原因，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩始終在發(fā)生變化，遇到跳鉆情況時(shí)，扭矩變化更加明顯，而扭矩變化直接影響到輸入功率的變化。在絞車的提放和轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩的變化過(guò)程中，功率始終是處于波動(dòng)當(dāng)中，多出的部分則被能耗電阻消耗掉，即轉(zhuǎn)變成熱能消失掉。如果使用超級(jí)電容，可以將這部分能量收集起來(lái)，用于補(bǔ)充絞車提升和其他用電設(shè)備的需求?？梢愿脑霽FR房(MCC房)，在整流柜與逆變柜之間，加入超級(jí)電容與雙DC-DC變換器以達(dá)到儲(chǔ)存多余電能的目的。雙DC-DC變換器如圖1所示。

超級(jí)電容的選型可以參照電機(jī)額定參數(shù)，連接方式通過(guò)單體電容的串并混聯(lián)組合而成，結(jié)合了串聯(lián)分壓并聯(lián)增流的雙重優(yōu)點(diǎn)，連接方式如圖2。

鉆機(jī)在空載情況下，游車大鉤的總質(zhì)量約為10t，ZJ70DB型鉆機(jī)用于6000m井鉆進(jìn)過(guò)程中，一般最大總質(zhì)量約為200～250t(未考慮異常情況)。因此，鉆具在上提與下放過(guò)程中產(chǎn)生的能耗是相當(dāng)大的，特別是在起下鉆過(guò)程中，若將柴油機(jī)浪費(fèi)的動(dòng)力能源及時(shí)儲(chǔ)存回收應(yīng)用，從直接意義上節(jié)約了柴油消耗，從而降低成本消耗。如果能達(dá)到超級(jí)電容在集裝箱起重機(jī)上應(yīng)用節(jié)能20%的效果，經(jīng)濟(jì)效益將非?？捎^。

3結(jié)語(yǔ)

本文借助于新型儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)石油鉆井動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)約能源損耗進(jìn)行了初步探討，介紹了超級(jí)電容、雙DC-DC變換器的基本原理和應(yīng)用情況，聯(lián)系石油鉆井設(shè)備工作狀況，分析了能源回收再利用混合動(dòng)力系統(tǒng)的可行性。如果將超級(jí)電容應(yīng)用到鉆機(jī)上，既有效利用了回饋能量，又解決了由于能耗電阻消耗回饋能量而帶來(lái)的環(huán)境污染、噪音污染和熱污染等問(wèn)題，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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