王軍

(中石化華東石油局物資裝備處，南京210011)

摘要：根據超級電容在集裝箱起重機上使用的工作原理，對超級電容與常規儲能元器件進行比較，并對石油鉆機與集裝箱起重機的傳動原理進行對比分析，提出將超級電容應用到石油鉆機上的設想及后期對超級電容的關注重點和推廣使用的意義。

隨著人類社會的不斷進步，能源消耗也隨著不斷增長，人們一方面尋找替代化石燃料的可再生能源，以太陽能發電、風力發電、氫能發電為代表的新能源技術將導致能源領域的一場革命；另一方面，隨著人們節能與環保要求的不斷提高，各國正在不斷加強對能量貯存裝置的研究。超級電容器是一種綠色節能的新型器件，它以其廉價的制備、卓越的性能和廣泛的應用領域越來越受到人們的重視和青睞[1]。石油鉆井行業本身也是一個高能耗重污染的行業，因此，在考慮如何保證正常生產效益的同時，也要考慮如何盡可能地減少能源消耗，減少污染排放，特別是近幾年來，超級電容已作為儲能元件在港口起重機、電梯、電動汽車、風力發電等行業得到了廣泛的運用并得到了用戶的認可。本文針對超級電容在石油鉆機上的應用進行初步探討。

1超級電容原理及應用情況

1.1原理

超級電容器與常規電容器不同，其容量可達法拉級甚至數千法拉，它兼有常規電容器功率密度大、充電能量密度高的優點，可快速充放電，而且使用壽命長。另外，超級電容器是一種具有超級儲電能力，可提供強大脈沖功率的物理二次電源，它是根據電化學雙電層理論研制而成的，所以又稱雙電層電容器。其基本原理為：當向電極充電時，處于理想極化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小(一般<0.5mm)，再加之采用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍的增加，從而產生極大的電容量[1]。

1.2優點

表1為超級電容器、鉛酸蓄電池、電解電容器典型產品的性能指標對比[2-3]。作為新興能量儲存器件，超級電容器與蓄電池及普通電解電容器相比，具有明顯的優點。

a)電容量大 超級電容器屬于物理儲能器件，其充放電過程實質上就是導電離子在電極上的吸附和脫附過程，具有很大的功率密度，約為鉛酸蓄電池的20倍。

b)充放電速率快 超級電容器可以在數十秒或數分鐘的時間內完成快速充電或放電，而蓄電池在充放電過程中會受到參與電化學反應的離子擴散速度的限制，因而充放電速率慢。

c)循環壽命長 室溫條件下，超級電容器深度充放電時的充放電循環次數可達50萬次以上(可以工作90000h)，正常使用可以達到10a左右。

d)充放電效率高 超級電容器的等效串聯內阻很小，在充放電過程中的能量損耗小，因而具有很高的充放電效率，其充放電周期效率可以達到98%以上，有些甚至達到99%以上。

e)適應溫度范圍廣 超級電容器在能量的交換過程中不發生電化學反應，因此能夠在-40～70℃溫度范圍內正常工作。

f)符合安全環保要求 雙電層超級電容器使用的材料安全、無毒、環保。材料主要由碳組成，不含鉛、鉻等重金屬，不會對環境帶來污染，也不會對生產或使用人員造成傷害[3]。此外，超級電容器屬于靜止儲能器件，沒有轉動的機械部分，這樣在使用中非常安全可靠，不會帶來噪音、油品等環境污染。

1.3應用情況

a)在一些小功耗的電子設備和各種消費類電子產品中，超級電容器可以取代蓄電池，成為主電源或熱備用電源。例如，各種電動玩具、自動防故障裝置、存儲器、微處理器、系統主板、時鐘等。

b)由于超級電容的功率密度大，能夠在汽車啟動、加速、爬坡等過程中提供所需的峰值功率，滿足電機的峰值功率需求，并在剎車時將回饋的能量儲存起來。這樣，可以大幅度減小對蓄電池等儲能裝置的功率需求，節約了空間，減輕了質量；還可以增加汽車的一次充電運行距離，提高新型動力汽車的可行性和實用性。目前在上海、北京等大中型城市開始使用基于超級電容儲能的電動汽車(混合動力汽車)。

c)由于超級電容器的充發電速度快和功率密度大的儲能特點，使得超級電容被廣泛地應用到光伏、風力發電、燃料電池等分布式發電系統中，可以對系統起到瞬時功率補償的作用，并可以在發電中斷時作為后備電源，提高供電的穩定性、可靠性和供電質量，同時與柴油發電機組并用，可以減少發電機頻繁啟動和瞬間大功率輸出對設備的傷害。

d)超級電容器快速充放電和大電流的特點可以用于電梯、港口起重機等變頻驅動系統。當電梯加速上升時，能量緩沖器向驅動系統中的直流母線供電，提供電機所需的峰值功率；并在電梯減速下降過程中，吸收電機通過變頻器向直流母線回饋的能量。通過對港口集裝箱起重機的柴油發電機組和超級電容的容量進行匹配優化，使集裝箱起重機能有效地重復利用再生能量，起到了節能環保的作用。

2超級電容在電動鉆機上的應用分析[4-6]

電動鉆機的傳動原理與集裝箱起重機的傳動原理有非常相似之處，本文以ZJ70DB型電動鉆機的傳動原理來分析應用超級電容的可行性。

ZJ70DB型鉆機電傳系統是由多臺發電機組控制柜控制相應的柴油發電機組并網運行，向交流母排上輸出600VAC、50Hz交流電，采用進口西門子(或ABB)系列全數字矢量控制交流變頻調速裝置，由整流單元將交流母排上的600VAC交流電轉換成810VDC，輸出到直流母排上，由逆變單元將直流母排上的810VDC直流電轉換成電壓0～600VAC、頻率0～300Hz連續可調的交流電，采用一對一控制方式驅動交流變頻電動機，滿足絞車、轉盤、泥漿泵傳動的要求。

交流變頻電機帶動絞車實現在鉆進過程中的起下鉆作業，帶動轉盤實現在鉆進過程中的旋轉作業。在傳統的起下鉆作業和驅動轉盤旋轉時，都存在能耗制動的問題。在下鉆過程中，游動系統下放的勢能轉化為滾筒的動能，該動能通過主電機轉化為電能，電能通過變頻器的制動單元及制動電阻轉化為熱能散發，使鉆具以設定的速度平穩安全地下放；轉盤在正常鉆進過程中，一般要保證轉盤處于恒轉速運轉狀況之下，但由于井底地層原因，轉盤扭矩始終在發生變化，遇到跳鉆情況時，扭矩變化更加明顯，而扭矩變化直接影響到輸入功率的變化。在絞車的提放和轉盤扭矩的變化過程中，功率始終是處于波動當中，多出的部分則被能耗電阻消耗掉，即轉變成熱能消失掉。如果使用超級電容，可以將這部分能量收集起來，用于補充絞車提升和其他用電設備的需求。可以改造VFR房(MCC房)，在整流柜與逆變柜之間，加入超級電容與雙DC-DC變換器以達到儲存多余電能的目的。雙DC-DC變換器如圖1所示。

超級電容的選型可以參照電機額定參數，連接方式通過單體電容的串并混聯組合而成，結合了串聯分壓并聯增流的雙重優點，連接方式如圖2。

鉆機在空載情況下，游車大鉤的總質量約為10t，ZJ70DB型鉆機用于6000m井鉆進過程中，一般最大總質量約為200～250t(未考慮異常情況)。因此，鉆具在上提與下放過程中產生的能耗是相當大的，特別是在起下鉆過程中，若將柴油機浪費的動力能源及時儲存回收應用，從直接意義上節約了柴油消耗，從而降低成本消耗。如果能達到超級電容在集裝箱起重機上應用節能20%的效果，經濟效益將非常可觀。

3結語

本文借助于新型儲能技術對石油鉆井動力系統節約能源損耗進行了初步探討，介紹了超級電容、雙DC-DC變換器的基本原理和應用情況，聯系石油鉆井設備工作狀況，分析了能源回收再利用混合動力系統的可行性。如果將超級電容應用到鉆機上，既有效利用了回饋能量，又解決了由于能耗電阻消耗回饋能量而帶來的環境污染、噪音污染和熱污染等問題，達到節能減排的目的。

參考文獻：

[1]鐘海云，李薦，戴艷陽，等.新型能源器件：超級電容器發展最新動態[J].電源技術，2001，25(5)：367-370.

[2]馬仁志，魏秉慶，徐才錄，等.應用于超級電容器的碳納米管電極的幾個特點[J].清華大學學報：自然科學版，2000，40(8)：7-10.

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