超级电容在石油钻机上的应用初步设想

王军

(中石化华东石油局物资装备处，南京210011)

摘要：根据超级电容在集装箱起重机上使用的工作原理，对超级电容与常规储能元器件进行比较，并对石油钻机与集装箱起重机的传动原理进行对比分析，提出将超级电容应用到石油钻机上的设想及后期对超级电容的关注重点和推广使用的意义。

随着人类社会的不断进步，能源消耗也随着不断增长，人们一方面寻找替代化石燃料的可再生能源，以太阳能发电、风力发电、氢能发电为代表的新能源技术将导致能源领域的一场革命；另一方面，随着人们节能与环保要求的不断提高，各国正在不断加强对能量贮存装置的研究。超级电容器是一种绿色节能的新型器件，它以其廉价的制备、卓越的性能和广泛的应用领域越来越受到人们的重视和青睐[1]。石油钻井行业本身也是一个高能耗重污染的行业，因此，在考虑如何保证正常生产效益的同时，也要考虑如何尽可能地减少能源消耗，减少污染排放，特别是近几年来，超级电容已作为储能元件在港口起重机、电梯、电动汽车、风力发电等行业得到了广泛的运用并得到了用户的认可。本文针对超级电容在石油钻机上的应用进行初步探讨。

1超级电容原理及应用情况

1.1原理

超级电容器与常规电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉，它兼有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电，而且使用寿命长。另外，超级电容器是一种具有超级储电能力，可提供强大脉冲功率的物理二次电源，它是根据电化学双电层理论研制而成的，所以又称双电层电容器。其基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小(一般<0.5mm)，再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量[1]。

1.2优点

表1为超级电容器、铅酸蓄电池、电解电容器典型产品的性能指标对比[2-3]。作为新兴能量储存器件，超级电容器与蓄电池及普通电解电容器相比，具有明显的优点。

a)电容量大 超级电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸附和脱附过程，具有很大的功率密度，约为铅酸蓄电池的20倍。

b)充放电速率快 超级电容器可以在数十秒或数分钟的时间内完成快速充电或放电，而蓄电池在充放电过程中会受到参与电化学反应的离子扩散速度的限制，因而充放电速率慢。

c)循环寿命长 室温条件下，超级电容器深度充放电时的充放电循环次数可达50万次以上(可以工作90000h)，正常使用可以达到10a左右。

d)充放电效率高 超级电容器的等效串联内阻很小，在充放电过程中的能量损耗小，因而具有很高的充放电效率，其充放电周期效率可以达到98%以上，有些甚至达到99%以上。

e)适应温度范围广 超级电容器在能量的交换过程中不发生电化学反应，因此能够在-40～70℃温度范围内正常工作。

f)符合安全环保要求 双电层超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。材料主要由碳组成，不含铅、铬等重金属，不会对环境带来污染，也不会对生产或使用人员造成伤害[3]。此外，超级电容器属于静止储能器件，没有转动的机械部分，这样在使用中非常安全可靠，不会带来噪音、油品等环境污染。

1.3应用情况

a)在一些小功耗的电子设备和各种消费类电子产品中，超级电容器可以取代蓄电池，成为主电源或热备用电源。例如，各种电动玩具、自动防故障装置、存储器、微处理器、系统主板、时钟等。

b)由于超级电容的功率密度大，能够在汽车启动、加速、爬坡等过程中提供所需的峰值功率，满足电机的峰值功率需求，并在刹车时将回馈的能量储存起来。这样，可以大幅度减小对蓄电池等储能装置的功率需求，节约了空间，减轻了质量；还可以增加汽车的一次充电运行距离，提高新型动力汽车的可行性和实用性。目前在上海、北京等大中型城市开始使用基于超级电容储能的电动汽车(混合动力汽车)。

c)由于超级电容器的充发电速度快和功率密度大的储能特点，使得超级电容被广泛地应用到光伏、风力发电、燃料电池等分布式发电系统中，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为后备电源，提高供电的稳定性、可靠性和供电质量，同时与柴油发电机组并用，可以减少发电机频繁启动和瞬间大功率输出对设备的伤害。

d)超级电容器快速充放电和大电流的特点可以用于电梯、港口起重机等变频驱动系统。当电梯加速上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的峰值功率；并在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈的能量。通过对港口集装箱起重机的柴油发电机组和超级电容的容量进行匹配优化，使集装箱起重机能有效地重复利用再生能量，起到了节能环保的作用。

2超级电容在电动钻机上的应用分析[4-6]

电动钻机的传动原理与集装箱起重机的传动原理有非常相似之处，本文以ZJ70DB型电动钻机的传动原理来分析应用超级电容的可行性。

ZJ70DB型钻机电传系统是由多台发电机组控制柜控制相应的柴油发电机组并网运行，向交流母排上输出600VAC、50Hz交流电，采用进口西门子(或ABB)系列全数字矢量控制交流变频调速装置，由整流单元将交流母排上的600VAC交流电转换成810VDC，输出到直流母排上，由逆变单元将直流母排上的810VDC直流电转换成电压0～600VAC、频率0～300Hz连续可调的交流电，采用一对一控制方式驱动交流变频电动机，满足绞车、转盘、泥浆泵传动的要求。

交流变频电机带动绞车实现在钻进过程中的起下钻作业，带动转盘实现在钻进过程中的旋转作业。在传统的起下钻作业和驱动转盘旋转时，都存在能耗制动的问题。在下钻过程中，游动系统下放的势能转化为滚筒的动能，该动能通过主电机转化为电能，电能通过变频器的制动单元及制动电阻转化为热能散发，使钻具以设定的速度平稳安全地下放；转盘在正常钻进过程中，一般要保证转盘处于恒转速运转状况之下，但由于井底地层原因，转盘扭矩始终在发生变化，遇到跳钻情况时，扭矩变化更加明显，而扭矩变化直接影响到输入功率的变化。在绞车的提放和转盘扭矩的变化过程中，功率始终是处于波动当中，多出的部分则被能耗电阻消耗掉，即转变成热能消失掉。如果使用超级电容，可以将这部分能量收集起来，用于补充绞车提升和其他用电设备的需求。可以改造VFR房(MCC房)，在整流柜与逆变柜之间，加入超级电容与双DC-DC变换器以达到储存多余电能的目的。双DC-DC变换器如图1所示。

超级电容的选型可以参照电机额定参数，连接方式通过单体电容的串并混联组合而成，结合了串联分压并联增流的双重优点，连接方式如图2。

钻机在空载情况下，游车大钩的总质量约为10t，ZJ70DB型钻机用于6000m井钻进过程中，一般最大总质量约为200～250t(未考虑异常情况)。因此，钻具在上提与下放过程中产生的能耗是相当大的，特别是在起下钻过程中，若将柴油机浪费的动力能源及时储存回收应用，从直接意义上节约了柴油消耗，从而降低成本消耗。如果能达到超级电容在集装箱起重机上应用节能20%的效果，经济效益将非常可观。

3结语

本文借助于新型储能技术对石油钻井动力系统节约能源损耗进行了初步探讨，介绍了超级电容、双DC-DC变换器的基本原理和应用情况，联系石油钻井设备工作状况，分析了能源回收再利用混合动力系统的可行性。如果将超级电容应用到钻机上，既有效利用了回馈能量，又解决了由于能耗电阻消耗回馈能量而带来的环境污染、噪音污染和热污染等问题，达到节能减排的目的。

参考文献：

[1]钟海云，李荐，戴艳阳，等.新型能源器件：超级电容器发展最新动态[J].电源技术，2001，25(5)：367-370.

[2]马仁志，魏秉庆，徐才录，等.应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点[J].清华大学学报：自然科学版，2000，40(8)：7-10.

[3]王善磊.电梯系统中超级电容储能的研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[4]马铭.基于超级电容的起重机峰值动力与惯性能量回收系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[5]薛小军.基于超级电容的车辆制动能量回收系统的仿真研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[6]陈如恒.破除旧观念创造新钻机(八)[J].石油矿场机械，2008，37(10)：1-7