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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。
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。