[发明专利]一种功率补偿式电动修井机功率计算方法

摘要

本发明公开了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，属于电动修井机领域，其包括以下步骤：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超级电容数量及连接方式。

主权项

1.一种功率补偿式电动修井机功率计算方法，其包括以下步骤：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：依据作业系统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；其特征在于：在执行步骤1)时，分析修井机典型工况，依据单周期内四个阶段的工作特性，可确定：·目标工况下需求功率P_M＝mgv+mav，其中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；·目标工况下需求转矩在各阶段内不同，加速阶段需求转矩匀速阶段需求转矩其中D为绞车滚筒直径，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；·目标工况下提升速度可由公式确定，其中t₁为加速阶段时间，t₂为匀速阶段时间，t₃为减速阶段时间，v_M为拔管匀速阶段的提升速度，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；在执行步骤2)时，作业系统结构，可确定：·动力系统中电网能量路径的效率η_a＝η₁·η₂·η₅·η₆，超级电容组能量路径的效率η_b＝η₃·η₄·η₅·η₆，其中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，η₁—η₆大小可结合各设备性能参数确定；·传动系统传动效率η_t＝η₇·η₈·η₉·η₁₀·η₁₁，其中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；在执行步骤3)时，可确定：·输入功率P_IN·η≥P_M，其中，P_IN为输入功率，P_M为需求功率，η为作业系统整体动力传动效率，可求解输入功率其中P₁为井场电网输出功率，P₃为超级电容组输出功率；·依据输入功率整理后确定超级电容组输出功率在执行步骤4)时，依据三项限制条件，其包括以下内容：·确定超级电容数量下限n_min依据功率与能量损耗限制条件，可知其中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+t₃，将上述结果带入，为保证超级电容组可提供足够的输出功率和输出能量，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；·确定超级电容数量上限n_max依据充电时间限制条件，可知Q_C＝P₁·η₁·η₂·η₄·t_C≥Q且Q_C≥P₃·(t₁+t₂+t₃)，其中Q_C为电网为超级电容组充入电能，t_C为充电时间，整理可得充电时间：为保证修井机工作周期的连续性，充电需要在卸管维修阶段完成，即t_C≤t₃+t₄，由此可得其中修井机工作周期时间比可确定超级电容数量的上限为·确定超级电容组内连接方式依据充电电压电流限制条件，可知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，U_work为超级电容使用电压，为保证使用寿命常取U_work＝(0.5～0.9)Ue，其中Ue为单个超级电容额定电压，即充放电时电压最大值，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。