一种功率补偿式电动修井机功率计算方法与流程

本发明主要涉及电动修井机功率分配计算方法，特别涉及一种应用超级电容组的电动修井机作业系统功率计算和分配方法。

背景技术：

为实现节能环保，电动修井机作业系统采用电力取代柴油发动机供能，但是目前大多油田场地电网功率在30kW—50kW左右，功率较低，若仅采用场地电网电力作为动力源，会极大的限制修井机作业能力。为解决此问题，常在系统中并联储能设备，例如超级电容组、液压蓄能器等，实现功率补偿，提高修井机作业系统功率。

目前现有的方案技术对功率补偿式电动修井机做出了详细描述，包括结构设计和控制方法等，但均未提出具体的功率计算和分配方法，难以确定超级电容组功率和组内连接方式。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种功率补偿式电动修井机功率计算和超级电容组连接方法。本发明通过目标工况的功率、转矩、时间的要求，反向求解此工况下储能设备功率，分析超级电容特性，确定超级电容组连接方法，有助于电动修井机方案的进一步实施。

优选地，以附图2为例，对超级电容组功率和组内连接方式进行分析计算，但本发明方法并不局限于附图中的结构方案，对采用超级电容组的功率补偿式电动修井机均适用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1)作业工况分析：依据修井机的作业工况，分析确定需求功率、需求转矩、提升速度等相关参数要求；

2)工作效率计算：将作业系统划分为动力与传动两部分，依据其中各关键设备的效率，计算整体作业系统的工作效率；

3)求解输入功率：依据作业工况需求，结合系统工作效率，反向求解系统输入功率，按照分配原则计算超级电容组功率；

4)确定连接方式：分析超级电容组特性，根据限制条件和安全性考虑确定组内连接方式。

本发明提供的优选技术方案中，所述的步骤1)包括：

A.计算修井机目标工况需求功率：

P_M＝mgv+mav，(1)

其中，P_M为目标工况需求功率，m为井管总重，a为加速或减速过程的瞬时提升加速度，v为瞬时提升速度。参见图3，可将修井机单周期作业分为四个阶段，即加速阶段、匀速阶段、减速阶段和卸管维修阶段，其中起步加速阶段需求转矩波动较大，通过液力变矩器实现自适应，当输出功率达到额定功率后，变为恒功率加速，因此公式(1)又可表示为：

P_{M max}＝mg·v_M，(2)

其中，v_M为匀速过程的提升速度。

B.计算修井机目标工况需求转矩：

其中，T_M为加速阶段需求转矩，Te为匀速阶段需求转矩，同时由于工作初期井管重量大，为保证顺利起步，公式(3)中的需求转矩常取T_M＝(1.5～2)Te。

C.计算提升速度要求：

其中，由于加速和减速阶段时间较短，所以可估计通常情况下单根油管长约L＝10m，为保证工作效率，拔管时间应小于(t₁+t₂+t₃)∈[20,40]s，因此，v_M≥(0.25～0.5)m/s。

本发明提供的优选技术方案中，所述的步骤2)包括：

A.确定动力系统的能量效率：

η_a＝η₁·η₂·η₅·η₆，(5)

η_b＝η₃·η₄·η₅·η₆，(6)

其中，η_a为电网能量路径的效率，η_b为超级电容组能量路径的效率，η₁为场地电网功率效率，η₂为可控整流器效率，η₃为超级电容组功率效率，η₄为DC/DC稳流电源效率，η₆为调速电机效率。

B.确定传动系统传动效率：

η_t＝η₇·η₈·η₉·η₁₀·η₁₁，(7)

其中，η_t为传动系统传动效率，η₇为分动箱传动效率，η₈为液力变矩器效率，η₉为减速器传动效率，η₁₀联轴器效率，η₁₁为绞车传动效率，因此可确定电网效率η_a·η_t和超级电容组效率η_b·η_t。

本发明提供的优选技术方案中，所述的步骤3)包括：

A.求解输入需求功率：

P_{M max}≤P_IN·η (8)

其中，P_{M max}为最大需求功率，η为作业系统整体动力传动效率，P_IN为输入需求功率，带入式(2)、(5)、(6)和(7)，可求解输入需求功率其中，P₁为井场电网输出功率，P₃为超级电容组输出功率。

B.分配超级电容组输出功率：

已求得整理变形可得：

本发明提供的优选技术方案中，所述的步骤4)包括：

A.分析超级电容特性：

修井机典型工况工作周期约为80s—150s，即工作频谱集中在0.0067—0.125Hz之间，与超级电容在低频段的纯电容状态匹配性良好；同时其功率密度大、寿命较长，充放电次数可高达十万次左右，且充放电效率高，废弃后污染小。

B.确定超级电容组连接方式：

在确定超级电容组连接方式时，需注意三项限制条件，包括功率与能量损耗限制、充放电电压电流限制和充电时间限制。

●在功率与能量损耗限制方面：

其中，Q为超级电容组输出能量，U_work为正常工作电压，由充电电压决定，一般为(0.8～0.9)Ue，U_min为截止工作电压，为延长使用寿命，保证U_min≥0.5Ue，t为超级电容放电时间，单周期内t＝t₁+t₂。由公式(9)可见，能量与电压的平方呈线性关系，因此单个超级电容在保证寿命的情况下可利用约0.9²-0.5²＝56％的能量，因此超级电容组最大输出能量Q_max≤0.28C·Ue²≤P₃·t，为保证超级电容组可提供最大输出能量，所以带入式(9)，由此确定超级电容数量的下限：

其中，n_min为超级电容组内超级电容数量的下限，P_C为单个超级电容功率，且P_C≤U_work·I_max，即P_C≤0.9Ue·I_max。

●在充电时间限制方面：

Q_C＝P₁·η₁·η₂·η₄·t_C≥Q (12)

其中，Q_C为电网为超级电容组充入电能，t_C为充电时间，因此充电时间为：为保证修井机工作周期的连续性，充电需要在减速和卸管维修阶段完成，即t_C≤t₃+t₄，由此可得：

其中修井机工作周期时间比同时考虑效率因素，由此可知超级电容组的有效功率上限P₃≤(2.2～3.2)P₁，由此确定超级电容数量的上限：

其中，n_max为超级电容数量的上限。

●在充电电压电流限制方面：

U³＝n_x·U_work (15)

I₃＝n_y·Ie (16)

其中，U₃为超级电容组总电压，为保证安全，常令U₃≤450V，Ue为单个超级电容额定电压，即充放电时电压最大值，为保证使用寿命，超级电容使用电压一般为(0.5～0.9)Ue，n_x为超级电容串联个数，I₃为输出总电流，Ie为单个超级电容输出电流，其上限值与工作允许温升有关，允许温升越大，Ie越大，n_y为超级电容并联行数，由此确定超级电容组内连接方式在保证前两限制条件下，n_x与n_y近似取整。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.首次对功率补偿式电动修井机具体的功率计算和分配方法做出了详细描述，并将过程公式化、流程化，便于套用；

2.考虑系统的安全性，提出了决定超级电容组内连接方式的三项限制条件，包括功率与能量损耗限制、充放电电压电流限制和充电时间限制，便于正确选择超级电容组内连接方式；

3.整体计算方法详细规范，有助于电动修井机方案的进一步实施。

附图说明

图1为计算方法流程图。

图2为基于超级电容的作业系统结构图。

图3为修井机典型目标工况图。

其中：1—电网，2—可控整流器，3—超级电容组，4—DC/DC稳流电源，5—逆变器，6—调速电机，7—分动箱，8—液力变矩器，9—减速器，10—联轴器，11—绞车；图2中实线为放电路线，虚线为充电路线，各字母含义P—功率，U—电压，I—电流，η—效率，i—传动比，ω—转速，下标e代表额定，下标M代表负载，其他数字下标与元件序号一一对应；图3中t₁为加速阶段时间，t₁₁为恒转矩加速阶段时间，t₁₂为恒功率加速阶段时间，t₂为匀速阶段时间，t₃为减速阶段时间，t₄为卸管维修阶段时间。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明：

1)设定修井机目标工况要求，分析确定相关参数

参见图3，可将修井机单周期作业分为四个阶段，即加速阶段、匀速阶段、减速阶段和卸管维修阶段，其中起步加速阶段先经历恒转矩加速，当达到额定功率后，变为恒功率加速，根据公式(2)计算需求功率，得到同时为保证工作效率，拔管时间应小于20—40s，因此，

参见图2，根据公式(3)、(4)可知绞车提升井管需求转矩为其中，T_M为加速阶段需求转矩，Te为匀速阶段需求转矩，同时由于工作初期井管重量大，为保证顺利起步，常取T_M＝(1.5～2)Te。

2)依据作业系统中各设备效率，计算工作效率；

参见图2，根据公式(5)，计算动力系统中电网能量路径的效率η_a＝η₁·η₂·η₅·η₆，根据公式(6)，计算动力系统中超级电容组能量路径的效率η_b＝η₃·η₄·η₅·η₆，根据公式(7)，计算传动系统的传动效率η_t＝η₇·η₈·η₉·η₁₀·η₁₁由此计算出电网效率η_a·η_t和超级电容组效率η_b·η_t。

3)求解输入功率和超级电容组功率；

参见图2，根据公式(8)，可得P₁₁＝P₁·η_a·η_t+P₃·η_b·η_t，其中井场电网输出功率P₁一般为30kW—50kW，具体结合井场时间工况决定，P₃为超级电容组输出功率，计算得

4)分析储能设备特性，确定储能设备连接方式

超级电容组3作为储能设备时，无法主动调控其输出功率、电压和电流等参数。其中，输出功率大小取决于负载需求，初始放电电压取决于充电电压，随着放电过程的进行，放电电压不断降低，放电电流大小满足根据三项限制条件，即功率与能量损耗限制、充放电电压电流限制和充电时间限制，可确定超级电容组内数量及连接方式的限制条件：

在功率与能量损耗限制方面，由式(10)可知其中Q为超级电容组输出能量，U_wo_rk为正常工作电压，由充电电压决定，一般为(0.8～0.9)Ue，U_min为截止工作电压，为延长使用寿命，保证U_min≥0.5Ue，t为超级电容放电时间，单周期内t＝t1+t2。将上述结果带入，为保证超级电容组可提供最大输出能量，可确定超级电容数量的下限为其中P_C为单个超级电容功率，且P_C≤U_work·I_max，即P_C≤0.9Ue·I_max。

在充电时间限制方面，由式(12)、(13)知Q_C＝P₁·η₁·η₂·η₄·t_C≥Q且其中Q_C为电网为超级电容组充入电能，t_C为充电时间，因此充电时间为：为保证修井机工作周期的连续性，充电需要在减速和卸管维修阶段完成，即t_C≤t₃+t₄，由此可得，其中修井机工作周期时间比同时考虑效率因素，由此可知超级电容组的有效功率上限P₃≤(2.2～3.2)P₁，可确定超级电容数量的上限为

在充电电压电流限制方面，由式(15)、(16)知U₃＝n_x·U_work，其中U₃为超级电容组总电压，为保证安全，常令U₃≤450V，Ue为单个超级电容额定电压，即充放电时电压最大值，为保证使用寿命，超级电容使用电压一般为(0.5～0.9)Ue，n_x为超级电容串联个数，I₃为输出总电流，Ie为单个超级电容输出电流，其上限值与工作允许温升有关，允许温升越大，Ie越大，n_y为超级电容并联行数，由此确定超级电容组内连接方式在保证前两限制条件下，n_x与n_y近似取整。

经上述计算过程可确定超级电容组输出功率组内超级电容数量组内连接方式上在保证前两限制条件下，n_x与n_y近似取整。