超級(jí)電容器（即雙層電容器）是一種新型儲(chǔ)能裝置，相比采用電化學(xué)原理的電池，其充放電過(guò)程完全沒(méi)有涉及到物質(zhì)的變化，所以其具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，適合需要通過(guò)快速充電/放電循環(huán)獲得峰值功率的應(yīng)用場(chǎng)景。超級(jí)電容器應(yīng)用于起下鉆作業(yè)，可使鉆機(jī)的基本負(fù)荷在幾秒鐘內(nèi)增加4倍，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的瞬時(shí)提速，且在起下鉆作業(yè)中能將鉆柱或套管的重力勢(shì)能回收，使鉆井成本進(jìn)一步降低，開(kāi)采效率得到提升。

01. 案例背景

NABORS公司下屬的CANRIG鉆機(jī)技術(shù)公司在2023年IADC世界鉆井大會(huì)上提出將超級(jí)電容器應(yīng)用于起下鉆作業(yè)，以緩解電氣系統(tǒng)電壓波動(dòng)、回收鉤載的重力勢(shì)能，降低電氣系統(tǒng)的運(yùn)維成本及起下鉆作業(yè)的能源消耗。從理論上講，超級(jí)電容器能夠緩解電壓波動(dòng)，進(jìn)而有助于降低電氣系統(tǒng)的運(yùn)維成本。

02. 應(yīng)用案例

1、CANRIG鉆機(jī)技術(shù)公司

在鉆機(jī)起下鉆作業(yè)過(guò)程中，高電壓的波動(dòng)會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器與某些電氣元件，并對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，從而導(dǎo)致過(guò)早故障。CANRIG公司將超級(jí)電容器運(yùn)用于鉆機(jī)的起下鉆作業(yè)，緩解了電氣系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)，使鉆機(jī)的電力質(zhì)量大幅提高。此外，下放游車時(shí)游車減速停于鉆臺(tái)，超級(jí)電容器能在該過(guò)程回收鉤載的重力勢(shì)能，儲(chǔ)存起來(lái)以供再次使用。采用超級(jí)電容器后，鉆機(jī)的充放電速度是電池的10倍以上，游車空掛從頂端下放至鉆臺(tái)平均可儲(chǔ)能2千瓦時(shí)。

圖源：Nabors ESG 2022-Sustainability-report

2、中車株洲電力機(jī)車有限公司

中車株洲電力機(jī)車有限公司(中車株機(jī)公司)研發(fā)的國(guó)內(nèi)第一個(gè)石油鉆井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在中原油田投入應(yīng)用，這是該系統(tǒng)在采油領(lǐng)域的一次成功嘗試。該儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)普通電網(wǎng)、勢(shì)能回饋和1臺(tái)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電，當(dāng)鉆井桿上提或其他需要時(shí)進(jìn)行放電。在鉆機(jī)下鉆過(guò)程中，可將八成左右的鉆井機(jī)下落勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能回饋再利用。該石油鉆井機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)一年時(shí)間研發(fā)成功，配備有1280只9500法拉單體超級(jí)電容，每次充電數(shù)十秒即可，充電次數(shù)達(dá)100萬(wàn)次，且無(wú)污染以及爆炸風(fēng)險(xiǎn)，是物理式儲(chǔ)能裝置的典型。

鉆機(jī)絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖(中車株機(jī)公司)

3、中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠

中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠把超級(jí)電容器應(yīng)用到鉆修機(jī)絞車上，控制系統(tǒng)增加了雙向DC-DC變換器，并使用超級(jí)電容器儲(chǔ)存能量。在鉆機(jī)起下鉆作業(yè)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組輸出交流電經(jīng)過(guò)整流和逆變過(guò)程變成了大小頻率可控的交流電，這個(gè)過(guò)程中間存在著兩次變換，過(guò)程為交流-直流-交流。超級(jí)電容器吸收多余的電能和下鉆時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，在起鉆作業(yè)時(shí)，也就是提升鉆柱過(guò)程中超級(jí)電容器釋放儲(chǔ)存的能量，達(dá)到節(jié)能的目的。

石油鉆修機(jī)絞車電控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4、國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心

國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心提出的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)采用了超級(jí)電容器和蓄電池組進(jìn)行儲(chǔ)能，系統(tǒng)中還包括 PLC、逆變器和制動(dòng)電阻。采用模糊控制對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行管理分配，使得電能的峰值得到有效抑制，提高了鉆機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)還可以對(duì)制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行較充分的回收和利用，降低了鉆井成本。

鉆機(jī)絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真

03.總體方案

鉆機(jī)絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用是當(dāng)鉆機(jī)絞車下放鉆柱(套管)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的制動(dòng)能量由儲(chǔ)能元件超級(jí)電容器以電能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)鉆機(jī)絞車提升鉆柱時(shí)，電機(jī)正常工作，將超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量以電能形式供給鉆機(jī)絞車運(yùn)行消耗。在實(shí)際工況中，電網(wǎng)電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低或升高時(shí)，也可以使用超級(jí)電容器對(duì)其提供或回收能量，這樣可以有效降低直流母線電壓波動(dòng)和減小超級(jí)電容器充放電過(guò)程帶來(lái)的影響。大部分的鉆機(jī)絞車控制系統(tǒng)在直流母線上并聯(lián)了制動(dòng)電阻，將電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的制動(dòng)能量以熱能方式消耗掉，可以有效避免直流母線電壓泵升，使鉆機(jī)絞車變頻器系統(tǒng)正常工作。

鉆機(jī)絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

鉆機(jī)絞車超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)、整流器、制動(dòng)電阻電路、逆變器、電機(jī)、雙向DC-DC變換器控制單元、雙向DC-DC變換器和超級(jí)電容器模塊。交流電網(wǎng)作用是給整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)提供電能；整流器主要是將電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；制動(dòng)電阻電路是避免直流母線電壓過(guò)高，起進(jìn)行降壓的功能，也可以消耗當(dāng)超級(jí)電容器充滿(或損壞)后剩余的能量；逆變器是將制動(dòng)電阻降壓后的直流電逆變?yōu)轭l率大小可控的交流電給電機(jī)使用；雙向DC-DC變換器是儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它兩側(cè)分別接直流母線和超級(jí)電容器模塊，使能量可以順利存儲(chǔ)到超級(jí)電容器模塊；電機(jī)是給起升鉆柱提供動(dòng)力，雙向DC-DC變換器控制單元可以控制雙向DC-DC變換器對(duì)超級(jí)電容器模塊進(jìn)行充放電；超級(jí)電容器模塊作為儲(chǔ)能單元，具有充放電速度快、循環(huán)次數(shù)多、容量大等多種優(yōu)點(diǎn)，可以有效地提高能量利用率。

超級(jí)電容器和雙向DC-DC模型

04.總體結(jié)論

超級(jí)電容器可有效回收鉆具或套管下放時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，而且通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，使直流母線電壓波動(dòng)范圍變小，電壓更加穩(wěn)定，鉆進(jìn)作業(yè)效率更高。從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看，我國(guó)是最早成立超級(jí)電容產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的國(guó)家，也是超級(jí)電容器的最大市場(chǎng)，超級(jí)電容器應(yīng)用于油氣開(kāi)采領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿?qiáng)勁。但是，超級(jí)電容器的能量密度相較電池低，價(jià)格卻比電池高，因此，在油氣開(kāi)采領(lǐng)域，超級(jí)電容器更適合作為能量回收的工具而非儲(chǔ)能工具使用。