韦敏，，李顺，贺启强，寸锡宏，任兆林，石琼

（1.中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东东营 257000；2.中国石化胜利油田分公司石油开发中心胜龙管理区，山东东营 257000；3.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营 257000）

进入21世纪，石油石化能源的大量使用已经严重影响全球环境和气候的可持续发展，开发新的可持续能源及能源存储系统已经成为当前科技发展的重要课题。当前主要的储能方式有三种，以化学电池为主的电化学储能、超级电容为主的电储能和飞轮储能为主的机械储能，飞轮储能是具有工业应用价值的典型储能方式[1-2]。

飞轮储能技术具以下优点：①功率密度大、储能密度高，满足电磁炮发射、电动汽车快速启动等需要短时、大功率供电领域的应用；②能量转换效率高，达85%~95%；③充放电速度快；④绿色环保，不受使用环境影响；⑤使用寿命长，其寿命和储能性能不受过度充、放电影响，飞轮电池寿命一般长达20年。因此，飞轮储能技术广泛应用于电力电网、新能源汽车、风力发电、航空航天等领域，随着复合材料技术、超导和磁悬浮技术以及电力电子新技术的快速发展，其应用范围还将扩大[3-8]。

目前，飞轮储能技术在石油工程上的应用研究相对较少，公开报道的仅有飞轮储能辅助钻井系统和飞轮储能液压抽油机系统[9-11]，现有技术还处于研发阶段、尚未实现大规模推广应用，未来还需加紧知识创新、实现技术突破，为实现该技术在石油工程上的大规模应用推广奠定技术基础。

1 飞轮储能原理

飞轮储能通过与电力电网连接实现电能与机械能的转换与存储，即将电机的转子与飞轮结合，由电机驱动飞轮至高速旋转，实现电能转为机械能；当系统需要飞轮供电，飞轮减速拖动电机发电，飞轮的机械能转换为系统电能；通过改变飞轮的转速，实现系统电能的反复存储与释放。当飞轮转速恒定，则处于能量保持状态[1-2]。

2 飞轮储能在石油工程上的应用可行性分析

近年来国内外开展了大量的飞轮储能技术的研究，包括航空航天、电力电网、分布式电网等领域[5-8]。目前，飞轮储能技术在石油工程上的应用研究相对较少，主要包括飞轮储能辅助钻井提升技术[9-10]和飞轮储能节能抽油机[11]，前者可以实现钻机负载调峰，达到钻机平稳运行的目的；后者则实现负载势能回收利用，进行节能减排生产。

2.1 飞轮辅助钻井动力提升技术

钻井作业是石油开发中的一项重要作业内容，一台钻机完整的动力机组通常由多台柴油机组成。钻井作业时柴油机组承受不稳定的突变负载，一方面功率突变可能导致发电机电压和机组频率出现急剧波动；另一方面，作业过程中的冲击负载引起的反电动势会危害发电机组，引起瞬时暂态扭矩冲击，最终降低机组使用寿命。借助负载调峰技术，一方面可以解决这类突变负载冲击问题，保证发电机组工作时平稳运行、高效运转；另一方面，可以提高发电机组利用率，实现节能减排生产。

普通钻井动力提升系统起下钻过程，钻杆及游车系统重力势能转化为制动系统的热能因无法利用而耗散；新的飞轮辅助钻井动力提升系统，在下钻工况，钻柱及游车系统重力势能经直流电机、逆变器逆变后转化为交流电，驱动永磁同步电机及飞轮加速，能量转化为飞轮动能实现存储；在起钻工况，飞轮减速、释放电能，经逆变器、驱动直流电机帮助钻机动力机组提升负载，在降低系统装机功率的同时，实现能量的回收和利用。现场应用测试表明，飞轮辅助钻井提升系统中，发电机组下钻工况中转速下降幅值减少50%，有效提高机组运行平稳性。

采用万向轴扭矩测试法，测得井场改进前、后的发电机组起、下钻工况功率运行图。图1是无负载调峰下钻功率波动曲线，下钻周期160 s，柴油机最低功率约200 kW、时长110 s，峰值功率则高达800 kW、时长20 s；图2是无负载调峰下起钻功率波动曲线，起钻周期220 s，峰值功率500 kW、时长100 s，最低功率100 kW、时长120 s。综合图1、2，无负载调峰下，发电机在下钻、起钻作业中功率波动幅值分别为600 kW、400 kW，功率波动幅值较大。

图1 无负载调峰下钻功率波动曲线

图2 无负载调峰起钻功率波动曲线

图3是有负载调峰下钻过程功率运行曲线，飞轮在低谷运行时储能120 s，高峰运行释放能量20 s。设定柴油机组平均功率350 kW，飞轮在低谷载荷可存储能量100~150 kW，在高峰载荷时输出400~450 kW，采用负载调峰技术系统装机容量可节省40%。在有负载调峰起钻工况下，如图4所示，飞轮在低谷运行储能120 s、高峰运行释放能量100 s，设定柴油机组平均功率400 kW，则飞轮在高峰负载时输出功率150 kW、低谷负载时储能185 kW。

图3 负载调峰下钻作业功率波动曲线

图4 负载调峰下起钻作业功率波动曲线

经过飞轮储能及负载调峰处理后，钻井柴油机组下钻、起钻作业工程中功率基本稳定，从而大幅提高设备性能、延长设备使用寿命。

2.2 飞轮储能液压抽油机技术

抽油机是采油工业中一项重要的机械设备。目前，全国总计大约有20万台抽油机，平均每天每台抽油机耗电300 kW·h，以每台抽油机节电10%计算，一天可节约600万kW·h，由此可见节能生产在石油工业生产具有极其重要的意义。

传统磕头式抽油机，普遍存在耗电大、日产量偏低等问题。随着油田开发逐步进入高含水特征的开发中后期，油层深度不断下降，为保证产量，往往需要增加大负荷抽油机型，设备能耗、设备投资和生产成本进一步增加。开发节能型抽油机一直以来都是石油科技工作者科技创新的热点。

结合飞轮储能技术和抽油机举升井下负载原理，哈尔滨工业大学率先提出飞轮储能型节能抽油机技术[11]。该系统结构组成如图5所示，其工作原理是：①电磁离合器和交流接触器闭合，电机驱动飞轮加速；②飞轮加速至一定转速后，交流接触器断开，液压泵启动，飞轮驱动液压泵提升负载上升，当飞轮转速降低、不足以驱动负载时，电磁离合器断开、交流接触器闭合，由电动机继续提升负载，完成上冲程动作；③当液压缸上行至换向位置处，电磁离合器闭合、交流接触器断开，负载驱动液压马达旋转带动飞轮加速，负载重力势能转化为飞轮机械能，实现下冲程动作；④液压缸下行至换向位置处，再次转入步骤，系统进入下一个循环工作周期。

图5 飞轮储能型液压抽油机原理

该技术通过将飞轮储能和二次调节液压技术相结合，有效地实现了负载势能与机械能的相互转化，从而实现节能生产，对于石油开发高能耗的现状，具有广阔的应用前景。

3 推广应用之关键技术限制

飞轮储能系统可以实现机械能与电能的相互转换，提高了系统能量利用率、避免了系统能量浪费，实现了节能生产，具有广阔的市场应用前景。但目前该技术的推广还亟需包括飞轮材料、轴承、电机、充放电控制等方面的关键技术攻关。

3.1 飞轮

飞轮是系统的储能元件，也是系统核心，要求具有高的比强度性能。现阶段已经开展金属材料、复合材料飞轮的结构参数优化研究、充放电评价试验，二者各有优缺点，未满足工程应用，还需要进一步攻关飞轮储能系统材料的研发。

3.2 轴承

飞轮储能系统中，使用多轴系元件传动，系统应用包括滚动轴承、电磁轴承和高温超导磁悬浮轴承等多种轴承类型。工程系统中飞轮轴系转速多为15 000~30 000 r/min。考虑系统转速以及系统稳定性，推荐优选应用高温超导磁悬浮轴承。但是，100 kW·h大容量级别的高温超导磁悬浮轴承还需要进一步研发配套，为工程应用规模推广提供技术支撑。

3.3 电机

储能系统中，电机工作模式处于双向变速运行模式，即需要进行发电和电动两个状态转换，因此需要开展高速转子结构、电磁分布优化，减少功率损耗。对比异步电机、永磁电机、磁阻电机等特性，永磁电机更适合飞轮储能系统。新型电机及其结构优化还有待技术突破，保证在工程实践中能够长周期、高效率运行。

3.4 充放电控制

飞轮储能系统充放电是AC－DC－AC模式，工作时网电侧变流器将交流电转换为直流电，然后交直流逆变成系统需要的交流变频电压驱动系统电机。传统双电平结构受电压限制，无法满足飞轮储能系统。未来，还需开展多电平变频供电技术。

4 结论与展望

飞轮储能系统具有储能密度大、能量转换效率高、充放电速度快等优点，已成为储能技术研究的热点并在现代工业得到广泛应用。飞轮储能技术在石油工程上的应用还处于研发起步阶段，尚未进入现场规模化推广应用。石油工程钻机目前试验电动钻机取代柴油机，能够部分实现节能，减少二氧化碳排放，但是钻井施工相对偏远，电动钻机无法脱离电网，适应性存在较大局限。抽油机节能通常通过电机改造，抽油机结构调整，电机运行控制等手段实现抽油机举升系统效率提升，受油田区块和储层特征差异，需要对抽油机系统针对性的优化设计，系统节能效果不明显。相对于其他节能技术，飞轮储能系统采用机械结构，系统可靠性更高，低成本、长寿命、可回收等特征，更具备技术推广优势。飞轮储能技术的应用，能够减少石油行业电能需求及二氧化碳排放，具备广阔市场应用价值。由于飞轮储能技术需要对钻机和抽油机进行结构配套改造，该技术没有得到行业充分重视。

应用飞轮储能技术实现石油工业的节能减排具有极大的技术优势和广阔的应用前景，国际社会及中国“碳中和”政策的出台，要求石油行业研发推广绿色低碳开发技术，飞轮储能技术是未来推广重点。随着未来科研投入的加大及技术的进一步成熟，将对飞轮储能技术在石油工程上的大规模推广应用起到更好地促进作用。未来，需要国家、科研院所和企业联合开发，共同进行技术攻关和现场推广应用，为飞轮储能技术普及提供试验田和应用试点基地，为技术全面推广应用提供产学研一体化的行业标杆。