CN116605768A - 一种重载合力提升系统及其合力提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重载合力提升系统及其合力提升方法，属于规模化新能源重力势能储能和重载提升设备技术领域，系统包括提升动力单元和控制单元；提升动力单元包括中间合力装置和分动力吊升装置，中间合力装置上设有动力输出点和位于四周的动力输入点，动力输入点设有水平检测装置；控制单元包括信息收集模块、信息处理模块和指令发出模块。方法包括S1、连接被吊物体；S2、发出零速待机指令，进入零速待机状态；S3、收集倾角信息、计算吊升速度并发出速度指令，分动力吊升装置运行并实时调节速度，直至动力输入点倾角为零；S4、调整吊升速度，直至达到指定位置。此方案解决了大功率单机重载提升装置开发难、生产难、设计难以及故障频发等问题。

Description

一种重载合力提升系统及其合力提升方法

技术领域

本发明涉及规模化新能源重力势能储能技术领域和重载提升设备技术领域，特别是涉及一种重载合力提升系统及其合力提升方法。

背景技术

新能源储能应用是新能源电力领域必不可少的电能存储环节，新能源电能的储能环节作用是将新能源发电设备发出的无法上网的富裕电能和峰谷电价中的低谷电价时段廉价电能存储起来，在用电高峰期，根据电网需求有序的释放出来，以满足社会用电的需求，因此需要一种能够长期频繁稳定工作且超高可靠性的大型电能储能装置。

规模储能方式大致分为化学储能和物理储能两个方向，在物理储能方向又分为位势储能和惯性储能等方式，在位势储能方式中除了利用地势差来建水库蓄水储能外，还可以使用往地下钻井，利用井深的位势差，在干枯空腔井筒内放置可上下移动的重物作为重力储能载体，井筒内的重物由井底至井口上下移动来完成重力势能储能。在重物质量不变的情况下，重物的垂直移动距离和重物所存储的位势重力势能大小成正比；在重物垂直移动距离不变的情况下，重物的质量大小和所存储的位势重力势能大小成正比。使用在地面钻井后由井内重物上下移动来储能这种方式，成熟的钻井垂直深度都超过5000米，重物的质量在150吨左右。单井即可存储大量的能量，若干个丛式井存储的能量将非常大。

新能源电源和传统能源在电力特性上存在明显的特性差异，即当提升装置启动过程中大功率设备出现负载过载超出新能源电源的瞬时负载过载能力时，会导致大功率设备启动完全失败，尤其是中小功率新能源电源内阻高，瞬时负载过载能力差，难以应对大功率设备，对于各类超大重载提升作业极为不利。随着新能源需求的增加，各类常规和非常规新能源储能井日益加深，提升负载越来越重，随之而来的问题便是高可靠性重载提升和提升设备提升时突发的负载过载程度增大问题，基于使用和安全需求，确保提升设备能够有效应对突发的大负载过载，提升设备功率也需相应增大。提升设备功率的增大，意味着提升设备体积和重量均会增大，零部件设计难度相应提高，故障率相应提高，能耗相应提高，瞬时过载动态增大，因此单纯从提高提升设备的功率角度开发生产提升设备，已经愈发难以应对超重提升和加速提升时突发负载过载增大的问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，发明一种重载合力提升系统及其合力提升方法，提出了一种全新的提升负载的方式，即通过将若干分动力吊升装置多方位排布在被吊物体周围，配合中间合力装置，在控制单元控制下按照协同运动方式合力提升被吊物体，代替原有大功率单机提升设备单独提升被吊物体，从而解决了大功率单机提升设备开发生产难，零部件设计难度高，生产成本大，故障率高等问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明公开了一种重载合力提升系统，包括提升动力单元和控制单元；所述提升动力单元包括整合起升重量的中间合力装置和若干分布在所述中间合力装置四周的分动力吊升装置，所述中间合力装置上设有用于连接被吊物体的动力输出点和数量与所述分动力吊升装置相匹配的动力输入点，所述动力输出点位于所述中间合力装置的力学中心点，所述动力输入点均匀分布在所述动力输入点的四周，所述动力输入点与所述分动力吊升装置的吊绳连接，所述动力输入点处设有水平检测装置；所述控制单元包括信息收集模块、用于计算吊升速度的信息处理模块以及能够发出零速待命指令和吊升速度指令的指令发出模块，所述信息收集模块与所述水平检测装置电连接，所述指令发出模块与所述分动力吊升装置电连接。

优选地，包括为所述提升动力单元和所述控制单元提供电能的供电单元，所述供电单元采用光伏太阳能供电装置、风力发电装置、地热发电装置、潮汐发电装置、发电机供电装置、蓄电池或电网供电。

优选地，所述指令发出模块采用先后顺序依次向对应的所述分动力吊升装置发出指令。

优选地，所述水平检测装置包括倾角传感器。

优选地，所述中间合力装置上自带为所述水平倾角传感器供电的电源。

优选地，所述分动力吊升装置包括塔吊，所述塔吊包括吊升基座，所述吊升基座上设有用于收卷所述吊绳的收卷机构和用于使所述吊绳悬垂的定滑轮。

优选地，所述吊升基座上设有发电装置，所述发电装置包括发电机或用于提升的电动机，所述发电机或电动机被下放重物拖动时工作在发电状态发电，所述发电机或电动机的输出轴上设有输入轮，所述输入轮与所述吊绳缠绕连接。

还公开了一种采用了重载合力提升系统的合力提升方法，包括以下步骤：

S1、将被吊物体与所述中间合力装置的动力输出点连接；

S2、所述指令发出模块对所述分动力吊升装置发出零速待机指令，所述分动力吊升装置均上电启动进入零速待机状态；

S3、所述信息收集模块收集所述水平检测装置发出的所述动力输入点的倾斜角度信息，所述信息处理模块根据所述倾斜角度信息计算出相应所述分动力吊升装置的吊升速度，所述指令发出模块根据所述吊升速度对相应的所述分动力吊升装置发出吊升速度指令，所述分动力吊升装置同时运行并安各自指令的速度上拉吊绳，并随着所述动力输入点的倾斜角度变化，所述信息处理模块实时计算吊升速度，所述指令发出模块实时发出新的吊升速度指令，所述分动力吊升装置按照新的指令实时改变上拉吊绳速度，直至各所述动力输入点的倾斜角度均为零后，各吊升速度保持一致；

S4、在上升过程中根据各所述动力输入点的倾斜角度改变实时调整吊升速度，直至所述被吊物体达到指定位置。

优选地，步骤S2中，所述指令发出模块安先后顺序依次发出零速待机指令，各所述分动力吊升装置先后依次上电启动进入零速待机状态。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明通过若干个分动力吊升装置和中间合力装置共同吊升一个被吊物体，进而将提升力进行了分摊，几个小功率的分动力吊升装置的吊升上限合力便可达到原本一个很大功率的单机吊升设备的吊升上限，即采用了一种将大功率提升设备分成若干相对小功率的设备，在应对日益增长的负载过载程度加深问题上，不再是单一增大功率的方式，可根据需求增加分动力吊升装置的数量，或适当增加各分动力吊升装置的功率，或增加数量和功率结合的方式，方案灵活多变，成本低，且多个小功率相较于大功率设备消耗能源低，解决了大功率单机提升设备开发生产难，设计要求和生产成本高以及能源消耗大的问题。

2.本发明在各分动力吊升装置开始吊升前，先由指令发出模块对各分动力吊升装置发出统一的零速待命指令，中间合力装置上的水平检测传感器实时检测中间合力装置的水平状态，水平检测传感器将测量到的数据发送到信息收集模块，信息处理模块运算得出吊升时的瞬态吊升速度，并由指令发出模块发出吊升速度指令，对输入动力点低于水平面的分动力吊升装置适当加速，对输入动力点高于水平面的适当减速，以保证整个中间合力装置呈水平状态稳定上升，达到平稳提升和下降的目的，以保证该装置长期稳定的运行。

3.本发明采用了分别先后使分动力吊升装置上电启动进入零速待机状态的方式，降低了启动电流，保证瞬时负载过载能力差的电源能够顺利启动提升系统，避免了传统大功率设备使用新能源电源时因为电源内阻大出现瞬时负载过载能力差而启动失效的问题。

4.本发明既可用于各种新能源重力势能储能井中也可以应用到石油能源生产井中，也可用于其他需要吊升物品的地方。

5.为了适应低碳经济，本发明用于势能储能的提升设备以风、光、潮汐等绿色新能源电源和网电峰谷电价的晚间廉价电力作为动力能源，在电能富裕或晚间电网廉价时段消耗电能提升重物，把电能转换为势能存储起来，在用电高峰时段下放重物，吊绳带动输入轮转动，继而驱动发电机发电，由势能发电，来补充电网的需求，达到消峰填谷的目的。

6.本发明的原理是将单台重载提升装置分解为若干个子提升装置，这若干个子提升装置提升力合力达到单台大功率重载提升装置的提升性能指标。带来的优势是：顺序上电，启动冲击电流是原单台重载提升装置的1/子提升装置台数，更适合新能源供电；制造难度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为合力提升系统的主视结构示意图；

图2为合力提升系统的俯视结构示意图；

图3为中间合力装置的俯视结构示意图。

附图标记说明：1、分动力吊升装置；2、中间合力装置；3、被吊物体；4、井口；5、动力输入点；6、动力输出点；7、吊绳；8、收卷机构；9、定滑轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种重载合力提升系统，如图1至图3所示，包括提升动力单元和控制单元。

提升动力单元包括分动力吊升装置1和中间合力装置2，分动力吊升装置1有若干个，且均匀环绕在中间合力装置2的四周，分动力吊升装置1的数量根据实际负载过载需求上限设置。中间合力装置2为一重量均匀分布的结构，该结构的特点是形状规则且中心点和重心点重合。中间合力装置2上设有动力输入点5和动力输出点6，动力输出点6位于中间合力装置2的中心点处。动力输入点5的数量与分动力吊升装置1的数量一致，且均匀环绕在动力输入点5的四周。动力输入点5处设有水平检测装置，用于实时测量中间合力装置2各动力输入点5处的倾斜角度。动力输入点5与分动力吊升装置1一一对应，并与对应的分动力吊升装置1的吊绳7连接。动力输出点6则用于与被吊物体3连接，具体连接方式有很多，可同样采用吊绳7连接，也可以采用刚性连接构件连接。

控制单元包括信息收集模块、信息处理模块以及指令发出模块。信息收集模块与水平检测装置电连接，用于收集水平检测装置发出的动力输入点5的倾斜角度的信息。信息处理模块用于根据动力输入点5的倾斜角度数值做出相应计算，并得到与动力输入点5对应的分动力吊升装置1的吊升速度。指令发出模块与分动力吊升装置1电连接，指令发出模块能够向各个分动力吊升装置1发送零速待命指令和吊升速度指令。

工作原理：

①被吊物体3吊升过程：

首先，指令发出模块对各分动力吊升装置1发出启动零速待机指令，分动力吊升装置1接收到零速待机指令后，均上电启动并进入零速待机状态，此时分动力吊升装置1均处于静止状态；

②信息收集模块收集各水平检测装置发出的动力输入点5的倾斜角度信息，信息处理模块根据此时各动力输入点5倾斜角度信息计算出，与各动力输入点5相应的分动力吊升装置1的吊升速度，指令发出模块根据吊升速度对相应的分动力吊升装置1发出吊升速度指令，分动力吊升装置1在接收吊升速度指令后同时启动并按指令的速度上拉吊绳7；其中吊升速度的大小与动力输入点5的倾斜程度有关系，动力输入点5高于水平面的保持一定吊升速度，动力输入点5低于水平面的提升吊速，且动力输入点5的倾斜角度大，则该位置的吊升速度大，动力输入点5的倾斜角度小，吊绳7的上拉速度就小。然后随着中间合力装置2的上升，根据动力输入点5的倾斜角度变化，信息处理模块实时计算吊升速度，指令发出模块实时发出新的吊升速度指令，分动力吊升装置1按照新的指令的速度上拉吊绳7，直至各动力输入点5的倾斜角度均为零后，各吊升速度保持一致，此时动力输入点5全部处于同一水平面内，中间合力装置2便呈水平状态，若初始状态下各动力输入点5就处于同一水平面，则各吊绳7的上拉速度可直接保持一致；

S4、在上升过程中根据各动力输入点5的倾斜角度改变实时调整吊升速度，直至被吊物体3达到指定位置。

③被吊物体3在下降过程：整个过程如上述吊升过程原理一样，此处不再做过多赘述。

其中，速度调节原理如下：设定合力输出速度(动力输入点5)为V₁，分力输出点(各动力输入点5)给定输出速度为V₂，当倾斜角度为0时：

V₁＝V₂

当倾角传感器得到初始倾斜角度为θ₁，即出现合力装置不平衡时：

V₂＝V₁*b*(1+sinθ₁)

其中b为经验参数，不同的合力装置与不同的动力输入点，b的取值不同。

本合力提升系统，通过若干个分动力吊升装置1和中间合力装置2共同吊升一个被吊物体3，进而将提升力进行了分摊，几个小功率的分动力吊升装置1的吊升上限便可达到原本一个很大功率的单机吊升设备的吊升上限，继而在应对日益增长的负载过载程度加深问题上，可根据需求增加分动力吊升装置1的数量，或适当增加各分动力吊升装置1的功率，或增加数量和功率结合的方式，无需再采用单一增大功率的方式，继而也解决了大功率设备开发生产难，设计要求高，设计成本高的问题。该系统既可用于各种势能储能井和能源生产井中，也可用于其他需要吊升物品的地方。

对于一些采用了新能源电源和蓄电池等电力能源的提升系统，为了避免提升系统在出现负载过载时，因启动电流需求大，而瞬时负载过载能力差电源又无法满足，而导致的无法启动提升系统情况，本实施例中，如图1至图3所示，指令发出模块采用先后顺序依次向对应的分动力吊升装置1发出启动零速待命指令，此时分动力吊升装置1会先后接收到零速待命指令，继而先后启动，因为每次启动的分动力吊升装置1的小功率提升装置功率均不大，继而相对降低了启动电流，能够保证各分动力吊升装置1能够顺利启动。

本实施例中，如图1至图3所示，水平检测装置包括倾角传感器，倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计，是一种非常精确的测量小角度的检测工具，用它可测量被测平面相对于水平位置的倾斜度。倾角传感器可以远程发送信号。

进一步，本实施例中，如图1至图3所示，中间合力装置2包括十字型基体，动力输入点5有四个分布在十字型基体的四个端头上，动力输出点6位于十字型基体的中心。相应的分动力吊升装置1便有四个分设在中间合力装置2四周。这一点可参考图2所示，在井口4四周设置四个分动力吊升装置1，四个分动力吊升装置1呈圆周排布，相邻两个分动力吊升装置1在圆周上的夹角为90度。当然上述只是一种具体的实施方式，分动力吊升装置1还可以设置五个，五个分动力吊升装置1呈圆周排布，两个分动力吊升装置1在圆周上的夹角为72度。亦或者设置三个分动力吊升装置1，三个分动力吊升装置1呈圆周排布，两个分动力吊升装置1在圆周上的夹角为120度。分动力吊升装置1数量根据需求自行添加或减少即可，此处不再做过多赘述。

此外，中间合力装置2并不限于上述十字型结构，实际上只要是重量均匀分布的结构均可，如圆形、正三角形、正方形、正六边形或米字形等等，作为优选地具体形状可与动力输入点5的数量匹配，如有五个动力输入点5时，就采用正五边形，有六个时采用正六边形，有八个时可采用正八边形或米字形。

进一步，本实施例中，如图1至图3所示，十字型基体上自带有供电电池，为水平传感器供电，可省去水平传感器与总电源的电源线连接，避免电线布设带来的重量分布不均的问题。需要注意的是设置供电电池时，需要保证十字型基体仍为重量均匀分布的结构，不能因为设置供电电池，导致十字形基体某一端重量较大，因此优选地可为每个水平传感器各自配制供电电池。当然也可以有别的解决办法，如在没有设置供电电池的地方设置配重块。

本实施例中，如图1至图3所示，分动力吊升装置1包括塔吊，塔吊包括吊升基座，吊升基座上设有用于收卷吊绳7的收卷机构和用于使吊绳7悬垂的定滑轮。吊升基座可采用筒式结构基座或桁架结构基座。收卷机构则可以采用卷扬机。

本实施例中，如图1至图3所示，本实施例中，如图1至图3所示，吊升基座上设有势能-电能转换装置，势能-电能转换装置包括发电机或用于提升的电动机，该电动机被下放重物拖动时工作在发电状态发电。所述发电装置的输出轴上设有输入轮，所述输入轮与所述吊绳缠绕连接。当吊绳7上提时，吊绳7上拉，由重载合力提升系统输出的提升动能转化为位势重力势能，当吊绳7下放时，带动输入轮转动，带动电动机或发电机的输出轴转动，继而进行发电，由势能转化为电能。

位势重力势能的公式：

Ep＝mgh

Ep为重力势能，m为移动物体的质量，g为地球表面重力加速度常数，h为物体距离参考平面的高度。

由以上公式得出：

在重物质量不变的情况下，重物的垂直移动距离和重物所存储的位势重力势能大小成正比；在重物垂直移动距离不变的情况下，重物的质量大小和所存储的位势重力势能大小成正比；g为重力加速度常数不变。

根据位势重力势能公式可以看出使用在地面钻井后由干枯空腔井内储能重物上下移动来储能这种方式，成熟的钻井垂直深度都超过5000米，重物的质量在150吨左右。提升系统提升井筒内重物后电能转换成势能，势能储能重物作为储能中间载体在井筒内高位存储起来；在需要时重物下行，重物下行带动发电机旋转发电，重力势能可控有序释放发电。

本实施例中，如图1至图3所示，本系统还包括供电单元，供电单元为提升动力单元和控制单元中的各设备提供电能。供电单元可采用光伏太阳能供电装置、风力发电装置、地热发电装置、潮汐发电装置、发电机供电装置、蓄电池或电网供电。

实施例2

本实施例提供了一种采用了实施例1中的重载合力提升系统的合力提升方法，包括以下步骤：

S1、将被吊物体3与中间合力装置2的动力输出点6连接；

S2、指令发出模块对分动力吊升装置1发出零速待机指令，分动力吊升装置1均上电启动进入零速待机状态；

S3、信息收集模块收集水平检测装置发出的动力输入点5的倾斜角度信息，信息处理模块根据倾斜角度信息计算出相应分动力吊升装置1的吊升速度，指令发出模块根据吊升速度对相应的分动力吊升装置1发出吊升速度指令，分动力吊升装置同时启动并安各自指令的速度上拉吊绳7，随着动力输入点5的倾斜角度变化，信息处理模块实时计算吊升速度，指令发出模块实时发出新的吊升速度指令，分动力吊升装置1按照新的指令实时改变上拉吊绳7速度，直至各动力输入点5的倾斜角度均为零后，各吊升速度保持一致；

S4、在上升过程中根据各动力输入点5的倾斜角度改变实时调整吊升速度，直至被吊物体3达到指定位置。

被吊物体3下降过程与上述吊升过程原理一致，此处不做赘述。

其中，速度调节原理如下：设定合力输出速度(动力输入点5)为V₁，分力输出点(各动力输入点5)给定输出速度为V₂，当倾斜角度为0时：

V₁＝V₂

当倾角传感器得到初始倾斜角度为θ₁，即出现合力装置不平衡时：

V₂＝V₁*b*(1+sinθ₁)

其中b为经验参数，不同的合力装置与不同的动力输入点，b的取值不同。

进一步，本实施例中，如图1至图3所示，步骤S2中，指令发出模块安先后顺序依次发出零速待机指令，各分动力吊升装置1先后依次上电启动进入零速待机状态。具体先后顺序，根据需要设置即可，即可顺时针先后，也可逆时针先后，也可穿插着的先后启动。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种重载合力提升系统，其特征在于，包括提升动力单元和控制单元；所述提升动力单元包括整合起升重量的中间合力装置和若干分布在所述中间合力装置四周的分动力吊升装置，所述中间合力装置上设有用于连接被吊物体的动力输出点和数量与所述分动力吊升装置相匹配的动力输入点，所述动力输出点位于所述中间合力装置的力学中心点，所述动力输入点均匀分布在所述动力输入点的四周，所述动力输入点与所述分动力吊升装置的吊绳连接，所述动力输入点处设有水平检测装置；所述控制单元包括信息收集模块、用于计算吊升速度的信息处理模块以及能够发出零速待命指令和吊升速度指令的指令发出模块，所述信息收集模块与所述水平检测装置电连接，所述指令发出模块与所述分动力吊升装置电连接。

2.根据权利要求1所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，包括为所述提升动力单元和所述控制单元提供电能的供电单元，所述供电单元采用光伏太阳能供电装置、风力发电装置、地热发电装置、潮汐发电装置、发电机供电装置、蓄电池或电网供电。

3.根据权利要求1所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，所述指令发出模块采用先后顺序依次向对应的所述分动力吊升装置发出指令。

4.根据权利要求3所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，所述水平检测装置包括倾角传感器。

5.根据权利要求4所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，所述中间合力装置上自带为所述水平倾角传感器供电的电源。

6.根据权利要求1所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，所述分动力吊升装置包括塔吊，所述塔吊包括吊升基座，所述吊升基座上设有用于收卷所述吊绳的收卷机构和用于使所述吊绳悬垂的定滑轮。

7.根据权利要求6所述的一种重载合力提升系统，其特征在于，所述吊升基座上设有发电装置，所述发电装置包括发电机或用于提升的电动机，所述发电机或电动机被下放重物拖动时工作在发电状态发电，所述发电机或电动机的输出轴上设有输入轮，所述输入轮与所述吊绳缠绕连接。

8.一种采用了如权利要求1-7任意一项所述的重载合力提升系统的合力提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将被吊物体与所述中间合力装置的动力输出点连接；

S2、所述指令发出模块对所述分动力吊升装置发出零速待机指令，所述分动力吊升装置均上电启动进入零速待机状态；

S3、所述信息收集模块收集所述水平检测装置发出的所述动力输入点的倾斜角度信息，所述信息处理模块根据所述倾斜角度信息计算出相应所述分动力吊升装置的吊升速度，所述指令发出模块根据所述吊升速度对相应的所述分动力吊升装置发出吊升速度指令，所述分动力吊升装置同时运行并安各自指令的速度上拉吊绳，并随着所述动力输入点的倾斜角度变化，所述信息处理模块实时计算吊升速度，所述指令发出模块实时发出新的吊升速度指令，所述分动力吊升装置按照新的指令实时改变上拉吊绳速度，直至各所述动力输入点的倾斜角度均为零后，各吊升速度保持一致；

S4、在上升过程中根据各所述动力输入点的倾斜角度改变实时调整吊升速度，直至所述被吊物体达到指定位置。

9.根据权利要求8所述的合力提升方法，其特征在于，步骤S2中，所述指令发出模块安先后顺序依次发出零速待机指令，各所述分动力吊升装置先后依次上电启动进入零速待机状态。