CN109149627B - 一种石油钻机供电系统 - Google Patents

Abstract

一种石油钻机供电系统，采用独立微电网为所述石油钻机供电，通过启发式规则的专家策略对所述独立微电网的运行进行控制，在兼顾光伏发电、柴油机和储能约束的情况下，实现石油钻机供电系统的稳定可靠及经济运行。所述的独立微电网包括光伏电池板阵列、蓄电池储能和柴油机组；柴油机组与交流母线直连，光伏电池板阵列和蓄电池储能均通过DC/AC与交流母线相连或通过DC/DC与直流母线相连；交流母线通过AC/DC与直流母线相连。石油钻机为直流石油钻机或交流石油钻机；交流石油钻机与微电网交流母线直连；直流石油钻机与微电网直流母线直连。

Description

一种石油钻机供电系统

技术领域

本发明涉及一种石油钻机供电装置。

背景技术

随着人们对石油需求的不断增加，石油钻机作为石油开采的重要装备越来越得到重视。目前，石油钻机主要依靠柴油机组供电。由于柴油机在运行当中会产生噪声，且对环境有污染，在供电过程中如何减少柴油机的使用是一个重要的研究课题。而分布式发电的快速发展，给该问题的解决提供了契机。利用分布式光伏和储能，与柴油机协同运行，构建独立运行的微电网，可以提高供电的可靠性和经济性，对环境的污染也会大幅度降低。

中国专利201510535648.3公开了一种智能石油钻机，包括液压旋升式底座四角连接有液压步进式钻机移运装置，液压旋升式底座上连接有双节直立悬臂式井架，液压旋升式底座上连接有滚筒箱体一体化石油绞车，滚筒箱体一体化石油绞车的驱动电机通过液压联轴器与减速齿轮箱相连接，双节直立悬臂式井架两前立柱上连接有一体式游车顶驱，液压旋升式底座上连接有回转式井口送钻具装置，液压旋升式底座上连接有齿轮齿条式钻钳，液压旋升式底座侧面有径向柱塞泥浆泵和钻具自动排放处理装置。该石油钻机具有模块少，重量轻，运输方便，自动化程度高，运行成本低的特点。

中国专利201621222617.9公开了一种水动力石油钻机，包括正反转钻头，水动力旋转装置，钻杆，钻井液循环系统，地面上依然采用本技术领域技术员熟知的石油钻机设施，在钻杆与正反转钻头之间增加一个水动力旋转装置，钻杆与水动力旋转装置的活塞外壳固定连接，正反转钻头与水动力旋转装置的转芯的转芯下轴固定连接。该发明主要侧重于钻机本身的改良，没有涉及供电系统。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种石油钻机供电系统。本发明采用独立微电网作为石油钻机供电系统，通过启发式规则的专家策略对此独立微电网的运行进行控制，在兼顾光伏发电、柴油机和储能约束的情况下，实现石油钻机供电系统稳定可靠及经济运行。

本发明独立微电网包括光伏电池板阵列、蓄电池储能系统和柴油机组等发电单元。柴油机组与交流母线直连，光伏电池板阵列和蓄电池储能均通过DC/AC与交流母线相连或通过DC/DC与直流母线相连。交流母线通过AC/DC与直流母线相连。

本发明独立微电网为石油钻机供电。根据现场的需求不同石油钻机可以是直流石油钻机或交流石油钻机之一，两者一般不会同时存在。交流石油钻机采用交流母线的供电方式，交流石油钻机与微电网交流母线直连。直流石油钻机采用交直流混合母线的供电方式，直流石油钻机与微电网直流母线直连。

除石油钻机外，本发明独立微电网的供电对象还有营房负荷。营房负荷主要为生活区负荷，包括夏季空调、冬季电热器、做饭设备、供热水锅炉等。营房负荷与交流母线直连。

本发明独立微电网采用启发式规则专家策略的运行控制方法：

(1)当净负荷功率P_nd(t)≤0，说明光伏电池板阵列的输出功率能够满足负荷需求，此时使用过剩的光伏电池板功率给蓄电池储能系统充电，柴油机不启动。当过剩的光伏电池板功率超出蓄电池最大充电功率限制，或蓄电池SOC达到上限时，光伏电池板阵列限功率运行。

(2)当净负荷功率P_nd(t)＞0，即光伏电池板阵列的输出功率不足，计算该时刻蓄电池储能系统和柴油机的运维费用，在满足蓄电池的SOC、放电功率和柴油机输出功率区间约束的前提下，得出满足净负荷的最优电源组合和功率组合。

具体如下：

所述的光伏电池板的输出功率方程如下；

式中，P_pv为光伏电池板输出功率，P_pvr为光伏电池板的峰值功率，G_c为光伏电池板工作点的辐射强度，辐射强度额定值G_cr＝1kW/m²；T_c为光伏电池板表面温度，表面温度额定值T_cr＝25℃；k_t为功率温度系数，k＝-0.35％/K。

光伏电池板阵列由多个光伏电池板串并联组成，其功率由多个光伏电池板功率累加得出。

所述的柴油机的能耗与功率的关系为：

O_d(t)＝aP_dr+bP_d(t) (2)

式中，O_d(t)为柴油机在t时刻的耗油量，a和b分别为系数，P_dr为额定功率，P_d(t)为t时刻的功率。

柴油机的运维费用C_od(t)为：

C_od(t)＝s_dO_d(t)+μ_dP_d(t) (3)

式中，s_d为燃料成本系数，μ_d为柴油机运维成本系数。

所述的蓄电池储能系统充放电模型如下：

电池充电时：

电池放电时：

式中，SOC(t)为蓄电池t时刻的荷电状态，δ为电池的自放电率，P_e(t)为蓄电池t时刻的功率，E_er为蓄电池容量，η_c为蓄电池充电效率，η_d为蓄电池放电效率，Δt为采样时间。

蓄电池的运维费用C_oe(t)为：

C_oe(t)＝μ_eP_e(t) (6)

式中，μ_e为蓄电池运维成本系数。

述的净负荷为负荷功率减去光伏阵列功率，具体如下：

P_nd(t)＝P_ld(t)-∑P_pv(t) (7)

式中，P_nd为净负荷功率，P_ld为负荷功率，P_pv为光伏电池板输出功率。

本发明可以减少柴油机组的使用，从而减少噪声和对环境的燃油污染。另外，采用本发明的独立微电网供电，具有更好的可靠性和经济性。

附图说明

图1为交流母线独立微电网拓扑结构图；

图2为交直流混合母线独立微电网拓扑结构图；

图3为交流石油钻机的负荷功率和光伏的功率；

图4为柴油机和蓄电池的功率；

图5为蓄电池储能的SOC。

具体实施方式

以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的独立微电网包括光伏电池板阵列、蓄电池储能系统和柴油机组等发电单元。独立微电网的供电负荷以石油钻机负荷为主，另外还存在营房负荷，石油钻机负荷根据现场的需求不同可以是直流石油钻机或交流石油钻机之一，两者一般不会同时存在。营房负荷主要为生活区负荷，包括夏季空调、冬季电热器、做饭设备、供热水锅炉等。

如图1所示，本发明独立微电网中，柴油机组与母线直连，光伏电池板阵列和蓄电池储能均通过DC/AC与母线相连。交流石油钻机采用交流母线的供电方式，交流石油钻机和营房负荷与母线直连。

如图2所示，交流石油钻机采用交直流混合母线的供电方式，柴油机组和营房负荷与交流母线直连，交流母线通过AC/DC与直流母线相连，直流石油钻机与直流母线直连，光伏电池板阵列和蓄电池储能均通过DC/DC与直流母线相连。

本发明实施例如下：

以峰值负荷为2000kW的交流石油钻机为分析对象，配置的蓄电池储能容量为2000kW*4h，柴油机的额定功率为2000kW，光伏的装机容量为2500kW。假定公式(2)中的系数a为0.0842L/kW，b为0.246L/kW，公式(3)中的燃料成本系数s_d为6元/L，柴油机运维成本系数μ_d为0.088元/kWh；公式(6)中的蓄电池运维成本系数μ_e为0.009元/kWh。进而可以得到公式(3)的柴油机的运维费用为C_od(t)＝1010.4+1.564P_d(t)，公式(6)的蓄电池的运维费用为C_oe(t)＝0.009P_e(t)，因此，柴油机的运维费用大于蓄电池的运维费用，因此优先使用蓄电池给负荷供电。

图3为交流石油钻机的负荷功率和光伏电池板阵列的输出功率。通过启发式规则的专家策略可以求柴油机和蓄电池的功率。

图4为柴油机和蓄电池的功率，图5为蓄电池储能的SOC。由于蓄电池的运维成本较低，因此优先使用蓄电池给石油钻机供电，当蓄电池储能的SOC到达下限0.2时，蓄电池停止放电，启动柴油机进行供电。当光伏电池板阵列的输出功率大于负荷功率时，即净负荷小于0时，给蓄电池充电。

本发明独立微电网采用启发式规则的专家策略的运行控制方法如下：

通过公式(3)和公式(6)确定柴油机和蓄电池在同等费用下的交汇功率P_c，假定净负荷功率小于交汇功率P_c时，蓄电池成本费用较低；当净负荷功率大于交汇功率P_c时，柴油机成本费用较低。

(1)当净负荷功率P_nd(t)≤0，说明光伏电池板阵列的输出功率能够满足负荷需求，此时柴油机不启动，使用过剩的光伏功率给蓄电池充电。当过剩的光伏功率超出蓄电池最大充电功率限制，或蓄电池SOC达到上限时，光伏电池板阵列限功率运行。

(2)当P_c≥P_nd(t)＞0，P_c为交汇功率，P_nd(t)为净负荷功率，即光伏电池板阵列输出功率不足，由于此时蓄电池的成本较低，因此优先使用蓄电池放电。如果P_nd(t)-P_er≤0，则只使用蓄电池即满足供电需求，P_e(t)＝P_nd(t)，其中P_er为蓄电池的最大充放电功率。如果P_nd(t)-P_er＞0或者蓄电池SOC达到下限，则启动柴油机：如果0＜P_nd(t)-P_er≤P_dr，则柴油机功率补充差额功率，P_d(t)＝P_nd(t)-P_er；如果P_dr＜P_nd(t)-P_er，则柴油机满功率运行也不能满足要求，此时P_d(t)＝P_dr，并切出多余负荷。P_d(t)为柴油机t时刻的功率，P_dr为柴油机额定功率。

(3)当P_nd(t)＞P_c，此时柴油机的运行成本较低，因此优先使用柴油机供电。如果P_nd(t)-P_dr≤0，则只使用柴油机供电即可满足供电需求，P_d(t)＝P_nd(t)。如果P_nd(t)-P_dr＞0，此时净负荷功率大于柴油机的额定功率，投入蓄电池：如果P_nd(t)-P_dr＜P_er且SOC较高，蓄电池放电补充差额功率，P_e(t)＝P_nd(t)-P_dr；如果SOC较低不能满足放电需求，则切出多余负荷；如果P_nd(t)-P_dr＞P_er，则蓄电池按最大放电功率放电，即P_e(t)＝P_er，并切出多余负荷。P_nd(t)为净负荷功率，P_d(t)为t时刻的功率，P_dr为额定功率，P_e(t)为蓄电池t时刻的功率，P_er为蓄电池的最大充放电功率。

如果从公式(3)和公式(6)没有求得交汇功率，即一个发电单元的成本费用大于另一个发电单元的成本费用，那么优先使用成本费用较低的发电单元，当其不能满足供电需求时，再启动另一个发电单元供电。

Claims (1)

1.一种石油钻机供电系统，其特征在于：采用独立微电网作为所述石油钻机供电系统，通过启发式规则的专家策略对所述独立微电网的运行进行控制，在兼顾光伏发电、柴油机和储能约束的情况下，实现石油钻机供电系统的稳定可靠及经济运行；

所述的独立微电网包括光伏电池板阵列、蓄电池储能和柴油机组；柴油机组与交流母线直连，光伏电池板阵列和蓄电池储能均通过DC/AC与交流母线相连或通过DC/DC与直流母线相连；交流母线通过AC/DC与直流母线相连；

石油钻机为直流石油钻机或交流石油钻机；交流石油钻机与微电网交流母线直连；直流石油钻机与微电网直流母线直连；

所述的独立微电网的供电对象还有营房负荷，营房负荷与交流母线直连；

所述的独立微电网采用启发式规则的专家策略的运行控制方法：

(1)当净负荷功率P_nd(t)≤0，说明光伏电池板阵列的输出功率能够满足负荷需求，此时使用过剩的光伏电池板功率给蓄电池储能系统充电，柴油机不启动；当过剩的光伏电池板功率超出蓄电池最大充电功率限制，或蓄电池SOC达到上限时，光伏电池板阵列限功率运行；

(2)当净负荷功率P_nd(t)＞0，即光伏电池板阵列的输出功率不足，计算该时刻蓄电池储能系统和柴油机的运维费用，在满足蓄电池的SOC、放电功率和柴油机输出功率区间约束的前提下，得出满足净负荷的最优电源组合和功率组合；

所述的光伏电池板的输出功率方程如下；

式中，P_pv为光伏电池板输出功率，P_pvr为光伏电池板的峰值功率，G_c为光伏电池板工作点的辐射强度，辐射强度额定值G_cr＝1kW/m²；T_c为光伏电池板表面温度，表面温度额定值T_cr＝25℃；k_t为功率温度系数，k＝-0.35％/K；

光伏电池板阵列由多个光伏电池板串并联组成，光伏电池板阵列功率由多个光伏电池板功率累加得出；

柴油机的能耗与功率的关系为：

O_d(t)＝aP_dr+bP_d(t)

式中，O_d(t)为柴油机在t时刻的耗油量，a、b为系数，P_dr为额定功率，P_d(t)为t时刻的功率；

柴油机的运维费用C_od(t)为：

C_od(t)＝s_dO_d(t)+μ_dP_d(t)

式中，s_d为燃料成本系数，μ_d为柴油机运维成本系数；

蓄电池储能系统充放电模型如下：

电池充电时：

电池放电时：

式中，SOC(t)为蓄电池t时刻的荷电状态，δ为电池的自放电率，P_e(t)为蓄电池t时刻的功率，E_er为蓄电池容量，η_c为蓄电池充电效率，η_d为蓄电池放电效率，Δt为采样时间；

蓄电池的运维费用C_oe(t)为：

C_oe(t)＝μ_eP_e(t)

式中，μ_e为蓄电池运维成本系数；

所述的净负荷为负荷功率减去光伏电池板阵列功率：

P_nd(t)＝P_ld(t)-∑P_pv(t)

式中，P_nd为净负荷功率，P_ld为负荷功率，P_pv为光伏电池板输出功率。

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