《石油钻机飞轮储能调峰混合动力关键技术及应用》

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1.技术开发背景:钻机是石油勘探开发的大型关键装备,中国约有石油钻机2500台,年消耗柴油150万吨以上,节能减排空间巨大。钻机混合动力、先进储能调峰运行新技术能够显著提升钻机应对复杂井况的能力,是解决变工况冲击负荷损害设备、动力过冗余、传动效率低以及卡钻解除能力弱等难题的关键支撑技术。

2010-2015年,中原石油工程公司联合清华大学开展《机械钻机负载调峰装置研制》研究,并承担中石化集团科技项目《大容量飞轮储能钻机动力调峰装置研制》。2014-2016年,承担国家科技支撑计划课题《大型机械能-电能转换回收利用关键技术研究及示范》。

通过下钻势能回收、飞轮储能、柴油发动机/调峰电机混合动力创新发明,实现“移谷补峰”、发动机工况平稳、传动无级调速以及减配动力容量、研制出复杂井况应对能力更强的长寿命低能耗钻机,完成钻井工程应用并推广。

2.主要研究内容:

2.1大容量飞轮储能系统技术针对已有飞轮储能系统功率、能量、频繁充放电能力以及野外环境适应性不足的问题,发明了高承载力永磁轴承、大储能量变截面合金钢飞轮以及永磁卸载混合支承的双飞轮轴系,突破了MW级高效永磁电动发电机充放电控制技术,研制出了中国首套总储能60MJ、功率1000kW的高效飞轮储能系统,在调峰混合动力钻机的钻井应用中,稳定可靠高效运行,调峰效果显著。

2.2石油钻机动力传动系统能效检测技术针对钻井复杂工况能效特性数据匮乏的问题,提出了一种动力传动全系统的能效检测方案和算法,研制成功混合动力钻机运行38参数检测硬件和软件系统。通过多井钻井试验,发现了石油钻机功率时变、能量输运规律,检测数据为动力配置及运行优化、能效评价提供了重要依据。

2.3势能回收发电技术针对大量下钻势能无法回收利用问题,提出了绞车齿轮增速异步电机、整流发电控制新方案,研制出了效率高于90%的300kW能量回收发电系统,该系统与传统机械刹车系统协同运行,实现了势能回收利用。

2.4储能调峰混合动力传动控制技术针对钻机传动链长、动力过冗余、柔性不足和复杂工况冲击负载损害设备的突出问题,发明了以直流微电网为能量枢纽的混合动力传动新系统;提出了势能回收储存、调峰及混合动力管理策略;提出了混合动力传动系统的模糊控制算法。形成了调峰、电机与燃油/燃气发动机混合传动新技术。

2.5储能调峰混合动力钻机研制及应用基于飞轮储能调峰混合动力关键技术和机械钻机平台,增配调峰电机、势能回收发电装置、飞轮储能装置、混合动力司钻电控系统,研制出了混合动力传动新型钻机,通过了模拟钻井以及多口井钻井工程应用,实现了安全可靠、低能耗运行,有效延长了动力设备寿命。

卫453井等10口钻井工程应用证明了飞轮储能、调峰混合动力柔性动力运用技术的先进性。对比试验表明,适应复杂井况能力更强的混合动力运行模式与传统的机械传动模式耗油节省13-17%。

3.专利论文及科技成果鉴定:申请发明专利12项,授权7项;获得实用新型5项;科技成果鉴定2项;发表论文16篇。

4.主要经济技术指标:大容量飞轮储能系统充放电效率高于86%;势能回收发电系统效率高于90%;钻机混合动力运行能源成本节省高于10%。

5.应用推广及效益:应用于中原油田10口钻井工程以及新型钻机装备,实现了产值2.23亿元。近3年,创新钻井工程技术服务和钻机装备共新增经济效益7460万元。在石油钻井行业全面推广,可实现每年节油10万吨(约减排30万吨CO2)。大容量飞轮储能、混合动力技术可拓展应用于轨道交通、高铁、港口机械以及电网储能领域,具有广阔的应用前景。

成果说明

中石化中原石油工程有限公司2012年9月至2018年12月期间,成功开发石油钻机飞轮储能调峰混合动力关键技术,并在濮深21等10口井施工中进行了有效应用(主要应用见单位情况表),共取得钻井技术服务收益1.22亿元,混合动力新型钻机装备产值1.008亿元,两项合计2.228亿元。其中近三年(2016-2018年)新增经济效益7460万元。该关键技术提升了工程公司钻井装备性能,达到了能量回收利用及节能减排的预期目标。 1.1 石油钻机混合动力调峰运行技术应用 ① 濮深21井 “400kW/16MJ飞轮储

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