本發(fā)明主要涉及電動(dòng)修井機(jī)功率分配計(jì)算方法，特別涉及一種應(yīng)用超級(jí)電容組的電動(dòng)修井機(jī)作業(yè)系統(tǒng)功率計(jì)算和分配方法。

背景技術(shù)：

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，電動(dòng)修井機(jī)作業(yè)系統(tǒng)采用電力取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供能，但是目前大多油田場(chǎng)地電網(wǎng)功率在30kW—50kW左右，功率較低，若僅采用場(chǎng)地電網(wǎng)電力作為動(dòng)力源，會(huì)極大的限制修井機(jī)作業(yè)能力。為解決此問題，常在系統(tǒng)中并聯(lián)儲(chǔ)能設(shè)備，例如超級(jí)電容組、液壓蓄能器等，實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償，提高修井機(jī)作業(yè)系統(tǒng)功率。

目前現(xiàn)有的方案技術(shù)對(duì)功率補(bǔ)償式電動(dòng)修井機(jī)做出了詳細(xì)描述，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法等，但均未提出具體的功率計(jì)算和分配方法，難以確定超級(jí)電容組功率和組內(nèi)連接方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種功率補(bǔ)償式電動(dòng)修井機(jī)功率計(jì)算和超級(jí)電容組連接方法。本發(fā)明通過目標(biāo)工況的功率、轉(zhuǎn)矩、時(shí)間的要求，反向求解此工況下儲(chǔ)能設(shè)備功率，分析超級(jí)電容特性，確定超級(jí)電容組連接方法，有助于電動(dòng)修井機(jī)方案的進(jìn)一步實(shí)施。

優(yōu)選地，以附圖2為例，對(duì)超級(jí)電容組功率和組內(nèi)連接方式進(jìn)行分析計(jì)算，但本發(fā)明方法并不局限于附圖中的結(jié)構(gòu)方案，對(duì)采用超級(jí)電容組的功率補(bǔ)償式電動(dòng)修井機(jī)均適用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

1)作業(yè)工況分析：依據(jù)修井機(jī)的作業(yè)工況，分析確定需求功率、需求轉(zhuǎn)矩、提升速度等相關(guān)參數(shù)要求；

2)工作效率計(jì)算：將作業(yè)系統(tǒng)劃分為動(dòng)力與傳動(dòng)兩部分，依據(jù)其中各關(guān)鍵設(shè)備的效率，計(jì)算整體作業(yè)系統(tǒng)的工作效率；

3)求解輸入功率：依據(jù)作業(yè)工況需求，結(jié)合系統(tǒng)工作效率，反向求解系統(tǒng)輸入功率，按照分配原則計(jì)算超級(jí)電容組功率；

4)確定連接方式：分析超級(jí)電容組特性，根據(jù)限制條件和安全性考慮確定組內(nèi)連接方式。

本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述的步驟1)包括：

A.計(jì)算修井機(jī)目標(biāo)工況需求功率：

P_M＝mgv+mav，(1)

其中，P_M為目標(biāo)工況需求功率，m為井管總重，a為加速或減速過程的瞬時(shí)提升加速度，v為瞬時(shí)提升速度。參見圖3，可將修井機(jī)單周期作業(yè)分為四個(gè)階段，即加速階段、勻速階段、減速階段和卸管維修階段，其中起步加速階段需求轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，通過液力變矩器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，當(dāng)輸出功率達(dá)到額定功率后，變?yōu)楹愎β始铀?，因此公?1)又可表示為：

P_{M max}＝mg·v_M，(2)

其中，v_M為勻速過程的提升速度。

B.計(jì)算修井機(jī)目標(biāo)工況需求轉(zhuǎn)矩：

其中，T_M為加速階段需求轉(zhuǎn)矩，Te為勻速階段需求轉(zhuǎn)矩，同時(shí)由于工作初期井管重量大，為保證順利起步，公式(3)中的需求轉(zhuǎn)矩常取T_M＝(1.5～2)Te。

C.計(jì)算提升速度要求：

其中，由于加速和減速階段時(shí)間較短，所以可估計(jì)通常情況下單根油管長(zhǎng)約L＝10m，為保證工作效率，拔管時(shí)間應(yīng)小于(t₁+t₂+t₃)∈[20,40]s，因此，v_M≥(0.25～0.5)m/s。

本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述的步驟2)包括：

A.確定動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率：

η_a＝η₁·η₂·η₅·η₆，(5)

η_b＝η₃·η₄·η₅·η₆，(6)

其中，η_a為電網(wǎng)能量路徑的效率，η_b為超級(jí)電容組能量路徑的效率，η₁為場(chǎng)地電網(wǎng)功率效率，η₂為可控整流器效率，η₃為超級(jí)電容組功率效率，η₄為DC/DC穩(wěn)流電源效率，η₆為調(diào)速電機(jī)效率。

B.確定傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率：

η_t＝η₇·η₈·η₉·η₁₀·η₁₁，(7)

其中，η_t為傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率，η₇為分動(dòng)箱傳動(dòng)效率，η₈為液力變矩器效率，η₉為減速器傳動(dòng)效率，η₁₀聯(lián)軸器效率，η₁₁為絞車傳動(dòng)效率，因此可確定電網(wǎng)效率η_a·η_t和超級(jí)電容組效率η_b·η_t。

本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述的步驟3)包括：

A.求解輸入需求功率：

P_{M max}≤P_IN·η (8)

其中，P_{M max}為最大需求功率，η為作業(yè)系統(tǒng)整體動(dòng)力傳動(dòng)效率，P_IN為輸入需求功率，帶入式(2)、(5)、(6)和(7)，可求解輸入需求功率其中，P₁為井場(chǎng)電網(wǎng)輸出功率，P₃為超級(jí)電容組輸出功率。

B.分配超級(jí)電容組輸出功率：

已求得整理變形可得：

本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述的步驟4)包括：

A.分析超級(jí)電容特性：

修井機(jī)典型工況工作周期約為80s—150s，即工作頻譜集中在0.0067—0.125Hz之間，與超級(jí)電容在低頻段的純電容狀態(tài)匹配性良好；同時(shí)其功率密度大、壽命較長(zhǎng)，充放電次數(shù)可高達(dá)十萬次左右，且充放電效率高，廢棄后污染小。

B.確定超級(jí)電容組連接方式：

在確定超級(jí)電容組連接方式時(shí)，需注意三項(xiàng)限制條件，包括功率與能量損耗限制、充放電電壓電流限制和充電時(shí)間限制。

●在功率與能量損耗限制方面：

其中，Q為超級(jí)電容組輸出能量，U_work為正常工作電壓，由充電電壓決定，一般為(0.8～0.9)Ue，U_min為截止工作電壓，為延長(zhǎng)使用壽命，保證U_min≥0.5Ue，t為超級(jí)電容放電時(shí)間，單周期內(nèi)t＝t₁+t₂。由公式(9)可見，能量與電壓的平方呈線性關(guān)系，因此單個(gè)超級(jí)電容在保證壽命的情況下可利用約0.9²-0.5²＝56％的能量，因此超級(jí)電容組最大輸出能量Q_max≤0.28C·Ue²≤P₃·t，為保證超級(jí)電容組可提供最大輸出能量，所以帶入式(9)，由此確定超級(jí)電容數(shù)量的下限：

其中，n_min為超級(jí)電容組內(nèi)超級(jí)電容數(shù)量的下限，P_C為單個(gè)超級(jí)電容功率，且P_C≤U_work·I_max，即P_C≤0.9Ue·I_max。

●在充電時(shí)間限制方面：

Q_C＝P₁·η₁·η₂·η₄·t_C≥Q (12)

其中，Q_C為電網(wǎng)為超級(jí)電容組充入電能，t_C為充電時(shí)間，因此充電時(shí)間為：為保證修井機(jī)工作周期的連續(xù)性，充電需要在減速和卸管維修階段完成，即t_C≤t₃+t₄，由此可得：

其中修井機(jī)工作周期時(shí)間比同時(shí)考慮效率因素，由此可知超級(jí)電容組的有效功率上限P₃≤(2.2～3.2)P₁，由此確定超級(jí)電容數(shù)量的上限：

其中，n_max為超級(jí)電容數(shù)量的上限。

●在充電電壓電流限制方面：

U³＝n_x·U_work (15)

I₃＝n_y·Ie (16)

其中，U₃為超級(jí)電容組總電壓，為保證安全，常令U₃≤450V，Ue為單個(gè)超級(jí)電容額定電壓，即充放電時(shí)電壓最大值，為保證使用壽命，超級(jí)電容使用電壓一般為(0.5～0.9)Ue，n_x為超級(jí)電容串聯(lián)個(gè)數(shù)，I₃為輸出總電流，Ie為單個(gè)超級(jí)電容輸出電流，其上限值與工作允許溫升有關(guān)，允許溫升越大，Ie越大，n_y為超級(jí)電容并聯(lián)行數(shù)，由此確定超級(jí)電容組內(nèi)連接方式在保證前兩限制條件下，n_x與n_y近似取整。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1.首次對(duì)功率補(bǔ)償式電動(dòng)修井機(jī)具體的功率計(jì)算和分配方法做出了詳細(xì)描述，并將過程公式化、流程化，便于套用；

2.考慮系統(tǒng)的安全性，提出了決定超級(jí)電容組內(nèi)連接方式的三項(xiàng)限制條件，包括功率與能量損耗限制、充放電電壓電流限制和充電時(shí)間限制，便于正確選擇超級(jí)電容組內(nèi)連接方式；

3.整體計(jì)算方法詳細(xì)規(guī)范，有助于電動(dòng)修井機(jī)方案的進(jìn)一步實(shí)施。

附圖說明

圖1為計(jì)算方法流程圖。

圖2為基于超級(jí)電容的作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3為修井機(jī)典型目標(biāo)工況圖。

其中：1—電網(wǎng)，2—可控整流器，3—超級(jí)電容組，4—DC/DC穩(wěn)流電源，5—逆變器，6—調(diào)速電機(jī)，7—分動(dòng)箱，8—液力變矩器，9—減速器，10—聯(lián)軸器，11—絞車；圖2中實(shí)線為放電路線，虛線為充電路線，各字母含義P—功率，U—電壓，I—電流，η—效率，i—傳動(dòng)比，ω—轉(zhuǎn)速，下標(biāo)e代表額定，下標(biāo)M代表負(fù)載，其他數(shù)字下標(biāo)與元件序號(hào)一一對(duì)應(yīng)；圖3中t₁為加速階段時(shí)間，t₁₁為恒轉(zhuǎn)矩加速階段時(shí)間，t₁₂為恒功率加速階段時(shí)間，t₂為勻速階段時(shí)間，t₃為減速階段時(shí)間，t₄為卸管維修階段時(shí)間。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

1)設(shè)定修井機(jī)目標(biāo)工況要求，分析確定相關(guān)參數(shù)

參見圖3，可將修井機(jī)單周期作業(yè)分為四個(gè)階段，即加速階段、勻速階段、減速階段和卸管維修階段，其中起步加速階段先經(jīng)歷恒轉(zhuǎn)矩加速，當(dāng)達(dá)到額定功率后，變?yōu)楹愎β始铀?，根?jù)公式(2)計(jì)算需求功率，得到同時(shí)為保證工作效率，拔管時(shí)間應(yīng)小于20—40s，因此，

參見圖2，根據(jù)公式(3)、(4)可知絞車提升井管需求轉(zhuǎn)矩為其中，T_M為加速階段需求轉(zhuǎn)矩，Te為勻速階段需求轉(zhuǎn)矩，同時(shí)由于工作初期井管重量大，為保證順利起步，常取T_M＝(1.5～2)Te。

2)依據(jù)作業(yè)系統(tǒng)中各設(shè)備效率，計(jì)算工作效率；

參見圖2，根據(jù)公式(5)，計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)中電網(wǎng)能量路徑的效率η_a＝η₁·η₂·η₅·η₆，根據(jù)公式(6)，計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)中超級(jí)電容組能量路徑的效率η_b＝η₃·η₄·η₅·η₆，根據(jù)公式(7)，計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率η_t＝η₇·η₈·η₉·η₁₀·η₁₁由此計(jì)算出電網(wǎng)效率η_a·η_t和超級(jí)電容組效率η_b·η_t。

3)求解輸入功率和超級(jí)電容組功率；

參見圖2，根據(jù)公式(8)，可得P₁₁＝P₁·η_a·η_t+P₃·η_b·η_t，其中井場(chǎng)電網(wǎng)輸出功率P₁一般為30kW—50kW，具體結(jié)合井場(chǎng)時(shí)間工況決定，P₃為超級(jí)電容組輸出功率，計(jì)算得

4)分析儲(chǔ)能設(shè)備特性，確定儲(chǔ)能設(shè)備連接方式

超級(jí)電容組3作為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，無法主動(dòng)調(diào)控其輸出功率、電壓和電流等參數(shù)。其中，輸出功率大小取決于負(fù)載需求，初始放電電壓取決于充電電壓，隨著放電過程的進(jìn)行，放電電壓不斷降低，放電電流大小滿足根據(jù)三項(xiàng)限制條件，即功率與能量損耗限制、充放電電壓電流限制和充電時(shí)間限制，可確定超級(jí)電容組內(nèi)數(shù)量及連接方式的限制條件：

在功率與能量損耗限制方面，由式(10)可知其中Q為超級(jí)電容組輸出能量，U_wo_rk為正常工作電壓，由充電電壓決定，一般為(0.8～0.9)Ue，U_min為截止工作電壓，為延長(zhǎng)使用壽命，保證U_min≥0.5Ue，t為超級(jí)電容放電時(shí)間，單周期內(nèi)t＝t1+t2。將上述結(jié)果帶入，為保證超級(jí)電容組可提供最大輸出能量，可確定超級(jí)電容數(shù)量的下限為其中P_C為單個(gè)超級(jí)電容功率，且P_C≤U_work·I_max，即P_C≤0.9Ue·I_max。

在充電時(shí)間限制方面，由式(12)、(13)知Q_C＝P₁·η₁·η₂·η₄·t_C≥Q且其中Q_C為電網(wǎng)為超級(jí)電容組充入電能，t_C為充電時(shí)間，因此充電時(shí)間為：為保證修井機(jī)工作周期的連續(xù)性，充電需要在減速和卸管維修階段完成，即t_C≤t₃+t₄，由此可得，其中修井機(jī)工作周期時(shí)間比同時(shí)考慮效率因素，由此可知超級(jí)電容組的有效功率上限P₃≤(2.2～3.2)P₁，可確定超級(jí)電容數(shù)量的上限為

在充電電壓電流限制方面，由式(15)、(16)知U₃＝n_x·U_work，其中U₃為超級(jí)電容組總電壓，為保證安全，常令U₃≤450V，Ue為單個(gè)超級(jí)電容額定電壓，即充放電時(shí)電壓最大值，為保證使用壽命，超級(jí)電容使用電壓一般為(0.5～0.9)Ue，n_x為超級(jí)電容串聯(lián)個(gè)數(shù)，I₃為輸出總電流，Ie為單個(gè)超級(jí)電容輸出電流，其上限值與工作允許溫升有關(guān)，允許溫升越大，Ie越大，n_y為超級(jí)電容并聯(lián)行數(shù)，由此確定超級(jí)電容組內(nèi)連接方式在保證前兩限制條件下，n_x與n_y近似取整。

經(jīng)上述計(jì)算過程可確定超級(jí)電容組輸出功率組內(nèi)超級(jí)電容數(shù)量組內(nèi)連接方式上在保證前兩限制條件下，n_x與n_y近似取整。