石油钻机飞轮储能调峰混合动力关键技术及应用
成果信息
项目年度编号: 1900110098
限制使用: 国内
省市: 河南
中图分类号: TE922
成果类别: 应用技术
成果公布年份: 2019
关键词: 石油钻机 飞轮储能系统 动力调峰装置
成果简介: 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CO<sub>2</sub>)。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。
申报信息
推荐部门: 濮阳市科学技术局
相关人信息
完成单位: 中石化中原石油工程有限公司 清华大学
完成人: 杜广义 戴兴建 魏风勇 魏殿举 姜新建 牛跃进 李胜忠
行业及专利信息
应用行业名称: 矿山、冶金、建筑专用设备制造
应用行业码: 361
转让信息
投资信息
推广信息
推广情况说明: 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飞轮储能机组”与动力调峰装置配套,在中原石油工程有限公司钻井二公司70171ZY钻井队承钻的濮深21井进行了工业应用,该井设计井深4880m。动力调峰装置钻井工程应用时间2012年11月-2013年1月。 在濮深-21井钻井施工应用中,飞轮储能动力调峰装置与柴油发动机协同工作,低负荷时小功率吸收储存电能,冲击负荷的同时大功率释放电能驱动调峰电机,与柴油发动机同步输出与负荷匹配的脉冲波动负荷,柴油发动机受冲击幅度减少、在高效速率区间运行平稳,有效延长寿命、降低设备故障率。400kW/16MJ飞轮储能机组实现高频次可靠充放电运行,调峰电机协同承担突加重载工况中,柴油机转速突降减少了50%,重污染颗粒排放时间减少了60%。 濮深21井钻井工程技术服务收益2185万元,新增经济效益1442万元。 ② 文409井 “400kW/16MJ飞轮储能机组”与动力调峰装置配套,作为调峰系统的储能单元,在中原石油工程有限公司钻井二公司70171ZY钻井队承钻的文-409井进行了工业应用,该井设计井深4870m。施工时间2013年7月-11月。 在文-409井钻井施工中,飞轮储能动力调峰装置配合天然气发动机运行,天然气发动机在突增负荷时转速下降减少了50%。飞轮储能动力调峰装置与天然气发动机协同工作,释放电能驱动调峰电机和天然气发动机同步输出与负荷匹配的脉冲波动负荷。采用天然气燃料成本节约效果明显,大幅度降低排放。 文409井钻井工程技术服务收益2120万元,新增经济效益1399万元。 1.2 石油钻机能效特性监测技术应用 “钻机动力传动系统能效特性检测系统”在中石化中原石油工程有限公司钻井二公司40449队承钻的中原油田卫68-17、文33-侧107进行了应用,系统能够适应野外复杂环境,稳定可靠工作。实时监测收集混合动力钻机能量特性数据,快速实施数据分析,取得良好效果。 针对起下、钻作业流程,不同负载起钻时功率特性,不同负载起钻时能量特性,下钻时功率特性,下钻时能量特性,液力耦合器能耗,动力机组的瞬时功率,累计做功检测,基于大数据采集分析,提出了钻机动力优化方案,制定了混合动力运行发动机运行规程。 系统对钻井工况的状态识别准确,数据处理及能量特性分析可靠,准确获得了钻机运行状态变化,功率变化,能量转换、燃油消耗的实时特性,为新型混合动力钻机的能量回收、储存、利用控制提供基本的数据参考,为钻机优化配置和节能减排技术提供可靠数据。 上述两口井钻井工程技术服务收益1142万元,新增经济效益753万元。 1.3 石油钻机回收储能调峰混合动力技术 ① 卫453井、文23储4-8井、文23储4-9井 中石化中原石油工程公司钻井三公司中原项目部50446ZY钻井队承钻的中原油田卫453井、文23储4-8井、文23储4-9井。钻井工程中,进行了能量回收、飞轮储能、动力调峰新型节能钻机的工业应用。钻井周期36天、38天和43天,平均机械钻速11.77m/h,生产时效100%,纯钻时效19.35%。 新型钻机混合动力传动系统中的100-300kW绞车能量回收、1MW/60MJ(1000kW/60MJ)飞轮储能、1000kW动力调峰及自动电力控制系统高效、可靠运行。1MW/60MJ飞轮储能系统累计充放电运行15000次。工程应用效果如下: a. 改善钻机动力系统性能。使用飞轮储能装置调峰效果明显,在起下钻、开泵等工况下,降低了突变负荷对柴油机的冲击,载荷突升中柴油机钻速下降减少50%以上,保障了柴油机组平稳高效运行,延长了柴油机使用寿命。 b. 利用齿轮减速箱取代3#、4#柴油机的液力耦合器,降低能量传递损失,在起下钻工况时,减少热备柴油机组400kW的运行。 c. 能量回收利用使得上提空游车能耗降低30%。 d. 混合动力运行起、下钻工况井场噪声由原来的95分贝降至85分贝。 三口井钻井工程技术服务收入3006万元,各井综合节油率分别为17.4、13.3%、14.7%,新增效益2044万元。 1.4 石油钻机回收储能调峰混合动力技术 文23储4-1、4-2,4-3井钻井工程中,中石化中原石油工程公司钻井三公司中原项目部50446ZY钻井队采用电网电能驱动,与回收、储能、调峰系统可靠融合,钻机高效运行。 ①改善钻机动力系统性能。使用飞轮储能装置用谷顶峰效果明显,在起下钻、开泵等工况下,降低了突变负荷对电网的冲击,网电能源电动钻机机组平稳运行。 ②节能、降噪。采用网电能能源,能耗成本减少20%(网电成本低于自备柴油发电、调峰优化运行、下钻势能回收);井场噪声由原来的95分贝降至75分贝。 三口井工程技术服务收入3795万元,新增经济效益2580万元。 上述10井钻井产值合计1.22亿元。 1.5混合动力传动节能钻机装备技术 应用在柴油发动机、天然气发动机驱动机械钻机动力系统新装备中以及电动钻机动力传动系统,解决了柴油机冲击以及电网冲击过大、大修周期短、动力配置过冗余,实现了机械钻机和电动钻机的新动力优化装置配套,提高了钻机总体性能。 2016-2018年完成飞储能调峰混合动力系统的ZJ70D钻机、ZJ70LDB、ZJ70D钻机制造以及ZJ70LDB改ZJ70D钻机,产值1.008亿元,新增经济效益技术贡献率为0.31-0.26,合计新增经济效益2835万元。 综上所述,钻井工程及钻机装备产值共计2.228亿元,其中2016-2018年,钻井技术服务新增经济效益4625万元与钻机技术装备新增效益2835万元合计经济效益7460万元,实现新增利润1251万元。 1.6推广应用前景 数十台小批量产,成本降低,飞轮储能和动力调峰装置概算580万元/套,全面推广应用于中石化集团数百台老旧钻机技术改造,按5年完成100套规模计算,预计新增技术装备产值5.8亿元人民币,每年增加技术装备产值11600万元。100台混合动力技术改造钻机每年钻井工程技术服务产值可达50亿元,规模增收效益、环境效益巨大。
联系信息
联系单位名称: 中石化中原石油工程有限公司
联系单位地址: 河南省濮阳市华龙区中原路277号
邮政编码: 457000