一種基於超級電容的修井機儲能系統的製作方法
2023-12-09 19:08:51
本實用新型涉及鑽井工程的儲能技術領域，具體是一種基於超級電容的修井機儲能系統。
背景技術：
在石油鑽井工程領域，修井機作業方式可歸納為三大類：
（1）起下作業：如油管、抽油杆、深井泵等井下作業設備及工具的起下，以及抽汲、撈砂、機械清蠟的起下等；
（2）旋轉作業：如鑽水泥塞，鑽砂堵，以及擴孔、重鑽、加深和修補套管等；
（3）液體循環作業：如衝砂、熱洗、擠水泥及循環泥漿等旋轉作業。
完成上述作業的設備，基本上分為起下設備（如通井機、輕型修井機等）；配有起升設備、旋轉設備和循環設備的中型、重型修井機和衝洗設備等。其中大部分修井作業內容依靠修井機即可完成。修井機是石油開採系統中的重要組成部分，鑽具提升時，外部動力如柴油發動機向絞車提升電機提供動力，電機帶動滾筒旋轉，提升鑽具；鑽具下放時，通過盤剎或再生制動使鑽具以低速下放。
目前修井機的動力來源主要是柴油發電機，只有極個別公司生產其他動力來源（如交流發電機、電網）的修井機。採用柴油機作為動力的修井機，行駛和作業共用一套動力系統，多採用車載柴油機+液力傳動箱，大噸位修井機採用雙機並車，以保證較大的輸出動力；小噸位修井機有底盤柴油機全功率取力，配液力變矩器和機械變速箱或純機械變速箱的方案。控制系統採用傳統的液、氣、電控方式。
以車載柴油發動機為動力，存在如下問題：（1）汙染嚴重，以XJ900型修井機為例，排汙5噸/年以上，柴油燃燒會產生大量的有害氣體，造成環境汙染；（2）使用、維護費用高，3-5萬元/年；（3）工作效率低，工作方式落後，柴油機空載時間為運轉時間的3倍以上；（4）成本高，根據實際生產情況，滿負荷工作時，一臺修井機每天需要大約200L柴油，按當前柴油價格6元/L計算，需要1200元/天；而採用電力修井機，滿負荷工作時，一臺修井機每天需要大約800度電，按當前工業用電價格1元/度計算，需要800元/天，與柴油修井機相比，運行成本降低三分之一左右。
因此，採用柴油機作為動力來源既不符合國家節能降耗的產業政策，也不符合環境保護的要求。隨著國家對節能減排的標準要求提高，傳統柴油式修井機需進行技術升級換代。新型變頻調速的車載電動修井機勢必會取代傳統柴油為動力作業的修井機。而井場電網多處於偏遠地區，一般僅能提供三相1140V、功率大約為50kW的電源。而絞車電機功率為三相400V、110kW，導致修井機工作時電網功率不足，速度達不到額定值，影響鑽井效率。
在將幾十噸的鑽具反覆上提、下放幾十米深的過程中，能量消耗巨大，尤其是在遊吊系統下放過程中剎車制動消耗的能量以熱能形式損失，造成了極大的能源浪費，再加上柴油發電機組有相當長的一端時間處於空載狀態，嚴重影響柴油機的燃油經濟性和使用壽命。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於超級電容的修井機儲能系統，基於超級電容將修井機在起降過程中產生的能量回收利用，同時使用離線能源對井場電網併網發電，補充偏遠地區的井場電網電能。
本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基於超級電容的修井機儲能系統，它包括離線電源、第一逆變器、發電機組、整流器、第二逆變器、電機、制動系統、制動電阻、直流變換器、超級電容和DSP控制器，所述離線電源的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述第一逆變器的交流輸出端通過井場電網與發電機組的輸入端連接，所述發電機組的輸出端與整流器的交流輸入端連接，所述整流器的第一直流輸出端與第二逆變器的輸入端連接，所述第二逆變器的交流輸出端與電機的輸入端連接，所述第二逆變器的控制端與所述的DSP控制器的電機驅動控制埠連接，所述的制動系統連接在所述整流器和第二逆變器之間的直流母線上，所述的制動電阻與制動系統連接，所述整流器的第二直流輸出端與直流變換器的第一輸入端連接，所述直流變換器的第二輸入端與離線電源的第二輸出端連接，所述直流變換器的輸入輸出端與超級電容模組的充放電埠連接，所述直流變換器的控制埠與所述DSP控制器的控制埠連接，所述的超級電容模組的電量信號輸出端與所述DSP控制器的檢測信號數據輸入端連接。
所述的離線電源為風力發電系統，所述的風力發電系統包括風力發電機組，所述的風力發電機組的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述風力發電機組的第二輸出端與直流變換器的第二輸入端連接。
所述的離線電源為光伏系統，所述的光伏系統包括光伏電池板和直流穩壓器，所述光伏電池板的輸出端與直流穩壓器的輸入端連接，所述直流穩壓的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述直流穩壓器的第二輸出端與直流變換器的第二輸入端連接。
進一步，還包括鉛酸蓄電池儲能系統，所述的鉛酸蓄電池儲能系統與離線電源的電能輸出端連接。
進一步，還包括超級電容監控系統，所述的超級電容監控系統的數據埠與超級電容的狀態檢測數據輸出埠連接。
所述的電機為絞車驅動電機、頂驅驅動電機、轉盤驅動電機、泥漿泵驅動電機或送鑽裝置驅動電機。
所述的超級電容器模組為串聯超級電容模組。
進一步，所述的串聯超級電容模組為8臺超級電容組串聯。
進一步，還包括電網開關，所述電網開關的一端連接離線電源，另一端連接井場電網。
本實用新型的有益效果是：本實用新型使用離線電源接入井場電網，既可以併網使用，向鑽井工程供電網絡輸送電能，滿足鑽井作業需求，也可以離網使用，將所發電能儲存到鉛酸蓄電池系統中用於鑽井現場照明使用或者工作人員日常使用，節約井場電能，方便不同的工況場景能源需求；使用超級電容模組回收鑽具起降過程中的能量損失，超級電容器具有功率密度大、使用壽命長和充放電效率高的特點，能夠收集修井機作業間歇期的柴油發電機發出的多餘電能和制動回饋能量，降低對發電機組性能的需求，節能減排，降低鑽井成本；使用電網開關控制離線電源是否接入井場電網，可以保障鑽井工程供電系統的供電質量。
附圖說明
圖1為本實用新型的結構框圖；
圖2為本實用新型的實施例1的結構框圖；
圖3為本實用新型的實施例2的結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖進一步詳細描述本實用新型的技術方案，但本實用新型的保護範圍不局限於以下所述。
如圖1所示，一種基於超級電容的修井機儲能系統，它包括離線電源、第一逆變器、發電機組、整流器、第二逆變器、電機、制動系統、制動電阻、直流變換器、超級電容和DSP控制器，所述離線電源的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述第一逆變器的交流輸出端通過井場電網與發電機組的輸入端連接，所述發電機組的輸出端與整流器的交流輸入端連接，所述整流器的第一直流輸出端與第二逆變器的輸入端連接，所述第二逆變器的交流輸出端與電機的輸入端連接，所述第二逆變器的控制端與所述的DSP控制器的電機驅動控制埠連接，所述的制動系統連接在所述整流器和第二逆變器之間的直流母線上，所述的制動電阻與制動系統連接，所述整流器的第二直流輸出端與直流變換器的第一輸入端連接，所述直流變換器的第二輸入端與離線電源的第二輸出端連接，所述直流變換器的輸入輸出端與超級電容模組的充放電埠連接，所述直流變換器的控制埠與所述DSP控制器的控制埠連接，所述的超級電容模組的電量信號輸出端與所述DSP控制器的檢測信號數據輸入端連接。
所述的離線電源為風力發電系統，所述的風力發電系統包括風力發電機組，所述的風力發電機組的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述風力發電機組的第二輸出端與直流變換器的第二輸入端連接。
所述的離線電源為光伏系統，所述的光伏系統包括光伏電池板和直流穩壓器，所述光伏電池板的輸出端與直流穩壓器的輸入端連接，所述直流穩壓的第一輸出端與第一逆變器的輸入端連接，所述直流穩壓器的第二輸出端與直流變換器的第二輸入端連接。
進一步，還包括鉛酸蓄電池儲能系統，所述的鉛酸蓄電池儲能系統與離線電源的電能輸出端連接。
進一步，還包括超級電容監控系統，所述的超級電容監控系統的數據埠與超級電容的狀態檢測數據輸出埠連接。
所述的電機為絞車驅動電機、頂驅驅動電機、轉盤驅動電機、泥漿泵驅動電機或送鑽裝置驅動電機。
所述的超級電容器模組為串聯超級電容模組。
進一步，所述的串聯超級電容模組為8臺超級電容組串聯。
進一步，還包括電網開關，所述電網開關的一端連接離線電源，另一端連接井場電網。
傳統柴油發電機的電能除了作有用功，其餘部分大量以熱能的形式損失，加上在絞車下放時的制動回饋能量被剎車消耗和制動電阻消耗，造成了巨大的能源浪費，嚴重影響柴油發電機組的運行經濟成本，如果這部分能量能夠收集起來進行二次利用，便能夠實現節能減排。
本實用新型可用在修井機的作業過程中，發電機組發出的交流電經過整流器整流成直流電，直流電經過第二逆變器轉變為頻率可調的交流電驅動相應的電機帶動相應的絞車系統、頂驅系統、轉盤、泥漿泵或送鑽系統，超級電容儲能系統接在發電機組與第二逆變器之間的直流母線上，在工作過程中，DSP控制系統採集超級電容器模組的電壓電流數據，對超級電容儲能系統進行能量管理。在修井機上提鑽具的工況下，絞車提升電機啟動，發電機組發出的電能經整流、逆變向電機提供動力。由於井場電網提供的最大功率小於電機的額定功率，DSP控制系統控制超級電容儲能系統釋放能量、補償功率。在修井下放鑽具的工況下，絞車提升電機停止運行，井場電網或發電機組向超級電容提供充電功率，直至超級電容儲存容量達到額定狀態。與此同時，超級電容監控系統對超級電容模組實時監測，DSP控制系統和超級電容器監控系統可以通過總線實時通信，使監控系統監控整個系統的運行狀態。
基於超級電容器進行充放電儲能，其中雙向直流變換器將發電機組空載時發出的多餘的電能和制動系統在制動時產生的回饋能量轉移到超級電容器模組中，監控系統和DSP控制器管理超級電容器模組的充放電過程，實現回收管理修井機作業間歇期柴油發電機發出的多餘電能和制動系統運轉時產生的回饋能量，達到節能減排的目的。
實施例1：如圖2所示，在太陽能豐富地區，離線電源採用光伏發電系統，通過電網開關開啟或關閉給井場電網輸送電能，通過鉛酸蓄電池系統將光伏電池產生的電能儲存下來。
實施例2：如圖3所示，在風力資源豐富的地區，離線電源採用風力發電機組，通過電網開關開啟或關閉給井場電網輸送電能，通過鉛酸蓄電池系統將風力機組所發的電能儲存下來。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當理解本實用新型並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本實用新型的精神和範圍，則都應在本實用新型所附權利要求的保護範圍內。