CN103414253B - 石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油钻井技术领域，具体的说是一种绞车变频拖动的石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置。该装置通过直流母线DC-link与石油电动钻机变频拖动系统相连接，它包括直流-交流DC/AC变换器、直流-直流DC/DC变换器、超级电容、检测控制系统，所述检测控制系统与所述直流母线DC-Link相连接，所述检测控制系统分别与所述直流-交流DC/AC变换器、所述直流-直流DC/DC变换器相连接，所述直流-直流DC/DC变换器的另一端与所述超级电容相连接。通过本发明的使用，充分回收利用了变频电动钻机起下钻时产生的再生制动能量，使得电动钻机的运行成本大幅降低，并更加环保，实现了节能减排，本发明可广泛的应用到石油电动钻机中。

Description

石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，具体的说是一种绞车变频拖动的石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置。
背景技术
石油钻井是一个高能耗、高投入、高污染的行业。降低钻井成本、解决环境污染、能量浪费的问题迫在眉睫。电动钻机的动力来源一般有三种方式：电网、柴油发电机组及燃气发电机组。现有电动钻机的电传动系统把起下钻的重力势能通过能耗制动的方式转变为热能消耗掉，没有利用这部分能量，造成了能量的浪费。
超级电容储能系统在欧美国家被普遍用于回收轨道交通的制动能量，节能达30%以上；在起重机、挖掘机上的能量回收利用也取得了良好的效果；在石油钻采行业，国内外依然采用能耗制动的方式，能量回收利用还是一片空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置，将变频电动钻机在起下钻时的制动再生能量回收再利用，以解决长期以来制动再生能量没有被回收利用，能量浪费的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置，该装置通过直流母线DC-link与石油电动钻机变频拖动系统相连接，该装置包括直流-交流DC/AC变换器、直流-直流DC/DC变换器、超级电容、检测控制系统，所述检测控制系统与所述直流母线DC-Link相连接，所述检测控制系统分别与所述直流-交流DC/AC变换器、所述直流-直流DC/DC变换器相连接，所述直流-交流DC/AC变换器的另一端MCC负载相连接，所述直流-直流DC/DC变换器的另一端与所述超级电容相连接，所述直流母线DC-Link分别与所述直流-交流DC/AC变换器、所述直流-直流DC/DC变换器相连接。
本发明的工作过程为：通过所述检测控制系统的控制，当电动钻机下钻时，钻具的再生制动能量经绞车的变频拖动装置转变为直流电能，储存于所述直流母线DC-Link中,随着直流母线DC-Link所储存电能的增加，所述直流母线DC-Link的电压升高，一部分电能由所述直流-交流DC/AC变换器送入MCC负载，带动MCC负载工作，另一部分由所述直流-直流DC/DC变换器送入所述超级电容储存，当所述直流母线DC-Link的电压值高于所设定的最高电压阈值时，由电动钻机的制动系统转换成热能消耗掉。当电动钻机起升时，将储存在所述超级电容中的电量，由所述直流-直流DC/DC变换器送入直流母线DC-Link，一部分供驱动绞车的变频装置使用，另一部分由所述直流-交流DC/AC变换器供给MCC负载使用。
通过本发明的使用，充分回收利用了石油变频电动钻机起、下钻具时产生的再生制动能量，供给使用发电机组供电的石油钻机作为动力，使得电动钻机的运行成本大幅降低，并更加环保，实现了节能减排，本发明可广泛的应用到各类钻机中。
附图说明
 图1是本发明的连接框图；
图2是本发明应用于带有变频拖动系统绞车的电动钻机时的系统框图；
图中：1、直流-交流DC/AC变换器，2、直流-直流DC/DC变换器，3、超级电容，4、检测控制系统，5、交流-直流AC/DC整流器，6、绞车变频拖动系统，7、制动系统，8、绞车机械系统，9、直流母线DC-Link， 10、MCC负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的叙述。
如图1所示的一种石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置，该装置通过直流母线DC-link 9与石油电动钻机变频拖动系统6相连接，该装置包括直流-交流DC/AC变换器1、直流-直流DC/DC变换器2、超级电容3、检测控制系统4，检测控制系统4与直流母线DC-Link 9相连接，检测控制系统4分别与直流-交流DC/AC变换器1、直流-直流DC/DC变换器2相连接，直流-交流DC/AC变换器1的另一端与MCC负载10相连接，直流-直流DC/DC变换器2的另一端与超级电容3相连接，直流母线DC-Link 9分别与直流-交流DC/AC变换器1、直流-直流DC/DC变换器2相连接。
本发明可以单独成套与原电动钻机电控系统相连接后使用，也可以嵌入到绞车由变频装置拖动的电动钻机电控系统中使用。
下面根据附图2，以ZJ70DB型钻机为例，对本发明采用嵌入式连接方法的工作过程进行说明。
根据钻井工艺要求，电动钻机的下钻周期平均为180秒，由下放60秒，提升30秒，上、卸扣及其它约90秒组成；MCC负载10为电机控制中心，负荷为300kW～500kW。设定好直流母线DC-Link 9的存储电压的第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值，其中第一阈值﹤第二阈值﹤第三阈值﹤第四阈值。
当钻机大钩挂接重物下放时，钻具的重力势能通过变频电机DWA、变频电机DWB收集，由绞车变频拖动系统6转换为直流电能后存储在直流母线DC-Link 9中，当直流母线DC-Link 9中的直流电压值V升高至第一阀值时，在检测控制系统4的控制下，直流-交流DC/AC变换器1开始工作，为MCC负载10提供电能；当直流母线DC-Link 9中的直流电压值V继续升高至第三阀值时，检测控制系统4控制直流-直流变换器2投入运行，将直流母线DC-Link 9上的部分电能存储于超级电容3中；当直流母线DC-Link 9中的直流电压值V升高至第四阀值时，制动系统7同时自动投入工作，将多余的电能通过制动电阻消耗掉。
当钻机空钩提升或上卸扣时，直流母线DC-Link 9的电压值V下降至第四阀值时，制动系统7停止工作；直流母线DC-Link 9的电压值V下降至第二阀值时，在检测控制系统4的控制下,超级电容3向直流-直流DC/DC变换器2释放能量，供MCC负载10及直流母线DC-Link 9上的其他负载使用，通过检测控制系统4的监控，当直流母线DC-Link 9上电压值V低于第二阀值或超级电容3无电时，超级电容3放电结束，通过检测控制系统4的控制，使直流-直流DC/DC变换器2停止工作；当直流母线DC-Link 9上电压值V低于第一阀值时，直流-交流DC/AC变换器1停止工作，等待下一个工作周期的开始。
起下钻是钻机工作的重要环节，通常打一口井需要数十次这样的过程。本发明的周期性循环工作，可显著节省电能，降低能耗，与同等常规钻机相比，一次全程起下钻过程可节省能耗10%以上。
以上所述的仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其他等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种石油电动钻机再生制动能量的回收利用装置，该装置通过直流母线DC-link（9）与石油电动钻机绞车变频拖动系统（6）相连接，其特征在于：该装置包括直流-交流DC/AC变换器（1）、直流-直流DC/DC变换器（2）、超级电容（3）、检测控制系统（4），所述检测控制系统（4）与所述直流母线DC-Link（9）相连接，所述检测控制系统（4）分别与所述直流-交流DC/AC变换器（1）、所述直流-直流DC/DC变换器（2）相连接，所述直流-交流DC/AC变换器（1）的另一端与MCC负载（10）相连接，所述直流-直流DC/DC变换器（2）的另一端与所述超级电容（3）相连接，所述直流母线DC-Link（9）分别与所述直流-交流DC/AC变换器（1）、所述直流-直流DC/DC变换器（2）相连接；
    设定好直流母线DC-Link（9）的存储电压的第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值，其中第一阈值﹤第二阈值﹤第三阈值﹤第四阈值；当钻机大钩挂接重物下放时，钻具的重力势能通过变频电机DWA、变频电机DWB收集，由绞车变频拖动系统（6）转换为直流电能后存储在直流母线DC-Link（9）中，当直流母线DC-Link（9）中的直流电压值V升高至第一阀值时，在检测控制系统（4）的控制下，直流-交流DC/AC变换器（1）开始工作，为MCC负载（10）提供电能；当直流母线DC-Link（9）中的直流电压值V继续升高至第三阀值时，检测控制系统（4）控制直流-直流变换器（2）投入运行，将直流母线DC-Link（9）上的部分电能存储于超级电容（3）中；当直流母线DC-Link （9）中的直流电压值V升高至第四阀值时，制动系统（7）同时自动投入工作，将多余的电能通过制动电阻消耗掉；当钻机空钩提升或上卸扣时，直流母线DC-Link （9）的电压值V下降至第四阀值时，制动系统（7）停止工作；直流母线DC-Link （9）的电压值V下降至第二阀值时，在检测控制系统（4）的控制下,超级电容（3）向直流-直流DC/DC变换器（2）释放能量，供MCC负载（10）及直流母线DC-Link （9）上的其他负载使用，通过检测控制系统（4）的监控，当直流母线DC-Link （9）上电压值V低于第二阀值或超级电容（3）无电时，超级电容（3）放电结束，通过检测控制系统（4）的控制，使直流-直流DC/DC变换器（2）停止工作；当直流母线DC-Link （9）上电压值V低于第一阀值时，直流-交流DC/AC变换器（1）停止工作，等待下一个工作周期的开始。
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