一、课题来源与背景 目前，我国正处于能源结构战略调整的关键时期，加速推进天然气的合理开发利用、提高其在整个能源结构体系中的比重已经形成共识。在油气田钻探领域，如何调整能量供给形式、减少对燃油资源的消耗、降低对环境的污染、提高钻探过程的经济性是共同追求的目标。燃气资源具有的储备量大、经济性好、清洁等优势，应用于油气田钻探的燃气发电技术为实现上述目标提供了有效途径。 在钻井平台中，由于需要大功率的动力系统并长周期运行，采用天然气电站的动力系统在钻井动力成本、环保等方面更是具有显著优势。但是，针对天然气发电机组构成的电站动力系统在油田钻井过程中对一些冲击负载工况适应能力差，满足不了钻井平台的动力需求问题，严重的影响和制约了天然气电站在钻井平台动力中的应用。为此，中国石油集团济柴动力总厂为了解决天然气发电机组的这一问题，提出了"天然气电站动力冲击负载补偿与节能系统"项目，委托哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所进行此项目的理论研究与系统开发工作。 本项目的成功实施，将实现适应油气田钻井动力需求的高性能燃气发电微网，拓展燃气发电技术的应用领域。为实现燃气资源的合理高效利用、构建我国能源的可持续发展分布格局提供理论支持和技术保障。 二、技术原理 针对天然气发电系统冲击负载问题，研发出一种基于超级电容储能的适于冲击负载的系统结构，该系统能够实现瞬态功率流的平衡，快速提供负载所需的冲击功率。通过超级电容储能单元的高功率动态响应弥补天然气发动机输出功率动态响应低的问题，使系统实时处于瞬时功率平衡状态，保证了系统的供电质量，增强天然气发电系统对冲击性负载的适应能力。 三、性能指标 达到的技术指标如下： （1）8台350kW燃气发电机组并联运行无补偿系统能承受的最大冲击负载为500kW,加入补偿系统后能承受的最大冲击负载为1000kW； （2）单台机组100kW冲击负载瞬时调速率指标，无补偿系统时为12.3%（柴油机为5%），加入补偿系统后为4%（柴油机为5%）； （3）单台机组100kW冲击负载瞬时恢复时间，无补偿系统时为7.5s（柴油机为3s），加入补偿系统后为1s（柴油机为3s）； （4）800kW冲击负载所需的发电机组并联台数，无补偿系统时为13台，加入补偿系统后为5台； （5）机组平均带载率，无补偿系统时较低（留有较大储备应对冲击负载），加入补偿系统后较高（不需留有储备）； （6）长期运行经济性，无补偿系统时较低（机组带载率低，效率不高），加入补偿系统后较高（机组带载率高，效率高）； （7）投资成本，无补偿系统时较高（需要有考虑冲击负载的备用机组），加入补偿系统后较低（可减少4台机组，一台补偿系统成本相当于2台机组，可节省2台机组成本）。 四、技术的创造性与先进性 所研制的天然气电站动力冲击负载补偿与节能系统创造性的将超级电容储能系统与天然气电站相结合，用电气工程中的电储能技术解决天然气电站的动力冲击负载问题。经查阅国内外大量文献发现，没有发现相关报道。课题组提出的方案在原理、技术、工艺都具有创造性，达到了世界先进水平。 技术先进性主要体现在以下方面：燃气发动机本体结构优化设计及多系统多参数全工况协调控制技术、超级电容动态均衡与电能管理技术、冲击性负载快速识别技术、基于超级电容储能的燃气发电机组冲击性负载动态补偿、包含超级电容电能补偿单元组与燃气发电机组的钻井动力微网构建、功率均衡与稳定运行技术。这些相关的技术都申请了国家发明专利，并获得了授权。 五、技术的成熟程度，适用范围和安全性 天然气电站动力冲击负载补偿系统经过了严格的试验验证，在哈工大实验室进行了研制试验，在济柴总装分厂进行了严酷的突加负载可靠性试验，在塔里木油田哈16-5井进行钻井现场试验。整个补偿装置系统各项技术指标得到全面验证，各项功能与性能达到了设计要求。特别是发电补偿装置与天然气发动机发电系统作为一个有机整体装置进行了联合运行，实现了零故障运行，效果良好；联合运行的现场工况包括起钻、下钻和钻进等各种钻井工艺过程。经过严格的各环节试验验证和考核，天然气电站动力冲击负载补偿系统的技术成熟度达到了TRL9，以产品为载体通过实际应用。该系统主要适用于油田深井电动钻机天然气电站，也可用于其他领域的天然气电站。该系统能够极大的提高天然气电站的性能和可靠性，保障了油田钻井的不间断供电，提高了油田钻井生产的安全性。 六、应用情况及存在的问题 天然气电站动力冲击负载补偿系统在新疆塔里木油田的15个井队进行了应用，能够很好的适应井队使用环境。能够很好的适应钻进（单泵、双泵）、循环钻井液、倒划眼、接单根、起下钻及组织停工等井场工况。天然气电站动力冲击负载补偿系统保证了天然气电站在钻井工况下的正常运行，确保了电动钻机正常工作。以气代油节省了燃料的费用。

哈尔滨工业大学

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