CN109347145A - 一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；所述转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统。其优点表现在：本发明的一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。

Description

一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法

技术领域

本发明涉及天然气余压能技术领域，具体地说，是一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法。

背景技术

建设“清洁低碳、安全高效”的现代化能源体系为目标，是中国能源系统从化石能源向可再生能源转型的可行路径和必要步骤。天然气井口压力能开采周期长蕴藏丰富，属于清洁能源，如果天然气井口的压力能被有效经济的开采，不仅能够提升企业收益，而且能够推进企业的绿色发展。

在天然气井生产初期，井口采气树出口压力为20～70MPa，为达到输出压力，需要对高压天然气进行节流减压处理，压力能在节流过程中损失，未被利用。现有的天然气井口压力能主要利用形式为发电，一个天然气矿场有若干口天然气井且分布零散。但现有技术中，井口天然气压力能回收后发电质量不高，并网外输困难且并网设备价格高昂。如果采取有效措施提高发电质量降低并网成本，对于减少资源的浪费、提高天然气矿场企业效益有重要意义。

中国专利文献CN201310260259.5，CN201610130532.6，CN201620256012.5，CN201210020153.3，CN201220028663.0公开了天然器余压能相关发电的技术方案，上述专利井口天然压能发电基本方案：井口天然气压力能→膨胀机→发电机，将井口采天然气压力能转换为膨胀机转子旋转机械能及后续发电，但是存在以下缺陷和不足：发电机并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率相同，上述专利未阐述其发电机输出频率是否与电网频率一致，同时现有天然气井口压能发电技术中未提及一种变工况恒频发电技术。

井口采出天然气流量不稳定存在波动，在不影响天然气开采的情况下，回收压力能的膨胀机输出一个不恒定的转速给发电机。现有发电技术中，井口天然压能发电系统的电机很难实现输出与电网频率相同的电流，需整流逆变后才能并网外输，供用户使用。

但现有发电技术中的整流逆变环节，要消耗一部分电能，导致发电系统效率不高，且整流逆变器价格昂贵，不经济。

因此亟需一种天然气井口压力能发电系统，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种天然气井口压力能发电系统，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。

本发明的再一的目的是，提供一种利用天然气井口压力能发电系统发电系统的变速恒频发电控制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；所述的转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。

作为一种优选的技术方案，所述的发电系统包括天然气井、一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀；所述的天然气天然气井通过管道与一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀依次顺序连接；所述膨胀机的输出轴通过联轴器与绕线型三相异步发电机连接；所述的绕线型三相异步发电机的定子依次与变压器和三相工频的电网连接，并且绕线型三相异步发电机的转子依次与双向变流器和变压器、三相工频的电网连接。

作为一种优选的技术方案，所述的绕线型三相异步发电机的转子还与转速传感器、计算控制单元，双向变流器依次连接。

作为一种优选的技术方案，所述的转速传感器用于实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速；所述的双向变流器：在计算控制单元的作用下，调整绕线型三相异步发电机转子励磁电流频率，保持绕线型三相异步发电机的定子和转子输出的频率不变，使绕线型三相异步发电机输出电流的频率与电网相同；所述的计算控制单元用于比较输入的同步转速信号和转速传感器信号，并得到一个偏差信号，并依据偏差信号控制双向变流器馈入绕线型三相异步发电机转子电流频率的大小；所述的绕线型三相异步发电机用于将膨胀机转子旋转机械能转化为电能。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种天然气井口压力能变速恒频发电控制方法，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；当转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电机的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。

作为一种优选的技术方案，当井口采出天然气流量波动时，绕线型三相异步发电机的转子转速也随之变动；当转速传感器监测到绕线型三相异步发电机的转子转速产生变化时，并把转速信号传递给计算控制单元，计算控制单元通过双向变流器来调节使定子电流频率和电网频率保持恒定不变。

作为一种优选的技术方案，依据绕线型三相异步发电机的转子转速处于同步、亚同步、超同步情况，在计算控制单元控制下，双向变流器向转子馈入不同大小和向序的电流频率，保证绕线型三相异步发电机发出的电流频率与电网频率相同。

作为一种优选的技术方案，在对天然气井口压力能变速恒频发电之前，需要对井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程。

作为一种优选的技术方案，井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程如下：高压天然气从天然气井口采出，输送至一级针型调压阀调压，然后在水套炉中加热，随后膨胀机把高压天然气的压力能转换为转子旋转机械能，在膨胀机减压后的天然气进入二级针型调压阀调压，最后把减压后的天然气输送到集输管汇，完成井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送。

本发明优点在于：

1、本发明的一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。

2、对天然气的开采影响小，在回收天然气压力能发电的同时，减少整流逆变环节，避免电流损耗，发电系统效率得到提高；经济性好，闭环控制的变速恒频发电系统的变流器所需的变频器容量小、价格低。

3、整个发电系统体积小，质量轻，模块化，易于在采气井口有限的场地内安装和使用。

4、变工况适应性好，闭环控制的变速恒频发电系统能保持在较宽的井口天然气流量变化范围内捕获天然气压力能，提高了天然气压力能的利用率。

附图说明

附图1是本发明的一种天然气井口压力能发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.天然气井 2.一级针型调压阀

3.水套炉 4.膨胀机

5.二级针型调压阀 6.绕线型三相异步发电机

7.双向变流器 8.变压器

9.转速传感器 10.计算控制单元

实施例1

请参照图1，图1是本发明的一种天然气井1口压力能发电系统的结构示意图。一种天然气井1口压力能发电系统，所述的发电系统包括天然气井1、一级针型调压阀2、水套炉3、膨胀机4、二级针型调压阀5、绕线型三相异步发电机6、双向变流器7、变压器8、转速传感器9、计算控制单元10；所述的井通过管道与一级针型调压阀2、水套炉3、膨胀机4、二级针型调压阀5依次顺序连接；所述膨胀机4的输出轴通过联轴器与绕线型三相异步发电机6连接；所述的绕线型三相异步发电机6的定子依次与变压器8和三相工频的电网连接，并且绕线型三相异步发电机6的转子依次与双向变流器7和变压器8、三相工频的电网连接；所述的绕线型三相异步发电机6的转子还与转速传感器9、计算控制单元10，双向变流器7依次连接，其中转速传感器9、双向变流器7、计算控制单元10、绕线型三相异步发电机6的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统。

所述的发电系统中的各个元件功能如下：

一级针型调压阀2：对井口采出天然气进行调压，防止天然气压力过高而造成燃气水套炉3和膨胀机4的损坏。一级针型调压阀2：对井口采出天然气进行调压，防止天然气压力过高而造成燃气水套炉3和膨胀机4的损坏。

水套炉3：对井口采出的天然气进行加热。由于天然气在膨胀机4中把压力能转换为膨胀机4转子旋转机械能的同时会产生巨大冷能，容易形成霜冻，严重时候会发生冰堵，影响生产。所以天然气需在膨胀机4减压之前用水套炉3对其进行加热，提高温度防止冰堵。

膨胀机4：把井口采出高压天然气的压力能转换为膨胀机4转子旋转机械能。

二级针型调压阀5：调整膨胀机4的背压，控制减压后天然气的压力。由于集输管汇对天然气压力有下限要求，二级针型调压阀5保证天然气减压后的压力5～6MPa之间，才能输送给集输管汇。

绕线型三相异步发电机6：将膨胀机4转子旋转机械能转化为电能。

转速传感器9：用于实时监测绕线型三相异步发电机6的转子转速。

计算控制单元10：比较输入的同步转速信号和转速传感器9信号，并得到一个偏差信号，并依据偏差信号控制双向变流器7馈入绕线型三相异步发电机6转子电流频率的大小。

双向变流器7：在计算控制单元10的作用下，调整绕线型三相异步发电机6转子励磁电流频率，保持绕线型三相异步发电机6的定子和转子输出的频率不变，使电机输出电流的频率与电网相同。

变压器8：改变绕线型三相异步发电机6产出电能的电压，使其满足并网电压要求。

所述的发电系统的工作流程如下：

1.井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程：

高压天然气从天然气井1口采出，输送至一级针型调压阀2调压，然后在水套炉3中加热，随后膨胀机4把高压天然气的压力能转换为转子旋转机械能，在膨胀机4减压后的天然气进入二级针型调压阀5调压，最后把减压后的天然气输送到集输管汇，完成井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送。

2.发电机变速恒频发电系统与控制

1)发电流程：

转速传感器9、双向变流器7、计算控制单元10、绕线型三相异步发电机6形成一个闭环控制的变速恒频发电系统。转速传感器9实时监测绕线型三相异步发电机6的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元10。当转速偏离预定值时，计算控制单元10依据转速变化大小，控制双向变流器7馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电机6的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机6输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器8变压再并网，供用户使用。

2)发电机变速恒频发电原理：

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，则绕线型三相异步发电机6变速恒频发电工作时电机转速与定子、转子绕组电流频率关系的数学表达式(1)

上式中f₁为绕线型三相异步发电机6的定子电流频率，由于定子与电网相连，则f₁和电网频率相同；p为绕线型三相异步发电机6的极对数；n为绕线型三相异步发电机6转子的转速；f₂为双向变流器7馈入绕线型三相异步发电机6转子的电流频率。

实施例2

为了便于理解本发明的技术方案，下面具体描述三相异步发电机的转子转速处于同步、亚同步、超同步情况下，如何保证绕线型三相异步发电机6发出的电流频率与电网频率相同。

n₁为绕线型三相异步发电机6转子的同步转速，该转速下发电机发出的电频率刚好与电网频率相同，此时双向变流器7不向绕线型三相异步发电机6转子馈入交频电流。

当井口采出天然气流量降低时，转速传感器9监测到绕线型三相异步发电机6的转子转速n小于同步转速n₁，此时绕线型三相异步发电机6处于亚同步速运行。

当井口采出天然气流量上升时，转速传感器9监测到绕线型三相异步发电机6的转子转速n大于同步转速n₁，此时绕线型三相异步发电机6处于超同步速运行；

若绕线型三相异步发电机6的极对数p＝2，绕线型三相异步发电机6的定子电压频率f₁＝50Hz，k_p为转速传感器9在每20ms所记入的矩形脉冲数。

则双向变流器7输出给的转子励磁电流频率f₂，与k_p的数学关系式为：

(1)绕线型三相异步发电机6亚同步速时，在计算控制单元10控制下双向变流器7馈入绕线型三相异步发电机6转子的电流频率为

(2)绕线型三相异步发电机6超同步速时，在计算控制单元10控制下双向变流器7馈入绕线型三相异步发电机6转子的电流频率为

依据绕线型三相异步发电机6的转子转速处于同步、亚同步、超同步情况，在计算控制单元10控制下，双向变流器7向转子馈入不同大小和向序的电流频率，保证绕线型三相异步发电机6发出的电流频率与电网频率相同，实现天然气井1口压力能变工况下的变速恒频发电。

本发明的一种天然气井1口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用；对天然气的开采影响小，在回收天然气压力能发电的同时，减少整流逆变环节，避免电流损耗，发电系统效率得到提高；经济性好，闭环控制的变速恒频发电系统的变流器所需的变频器容量小、价格低；整个发电系统体积小，质量轻，模块化，易于在采气井口有限的场地内安装和使用；变工况适应性好，闭环控制的变速恒频发电系统能保持在较宽的井口天然气流量变化范围内捕获天然气压力能，提高了天然气压力能的利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；其特征在于，所述的转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。

2.根据权利要求1所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的发电系统还包括天然气井、一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀、管道、联轴器；所述的天然气天然气井通过管道与一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀依次顺序连接；所述膨胀机的输出轴通过联轴器与绕线型三相异步发电机连接；所述的绕线型三相异步发电机的定子依次与变压器和三相工频的电网连接，并且绕线型三相异步发电机的转子依次与双向变流器和变压器、三相工频的电网连接。

3.根据权利要求2所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的绕线型三相异步发电机的转子还与转速传感器、计算控制单元，双向变流器依次连接。

4.根据权利要求2所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的转速传感器用于实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速；所述的双向变流器：在计算控制单元的作用下，调整绕线型三相异步发电机转子励磁电流频率，保持绕线型三相异步发电机的定子和转子输出的频率不变，使绕线型三相异步发电机输出电流的频率与电网相同；所述的计算控制单元用于比较输入的同步转速信号和转速传感器信号，并得到一个偏差信号，并依据偏差信号控制双向变流器馈入绕线型三相异步发电机转子电流频率的大小；所述的绕线型三相异步发电机用于将膨胀机转子旋转机械能转化为电能。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的天然气井口压力能发电系统发电系统的变速恒频发电控制方法，其特征在于，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；当转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电机的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。

6.根据权利要求5所述的压力能变速恒频发电控制方法，其特征在于，当井口采出天然气流量波动时，绕线型三相异步发电机的转子转速也随之变动；当转速传感器监测到绕线型三相异步发电机的转子转速产生变化时，并把转速信号传递给计算控制单元，计算控制单元通过双向变流器来调节使定子电流频率和电网频率保持恒定不变。

7.根据权利要求6所述的压力能变速恒频发电控制方法，其特征在于，依据绕线型三相异步发电机的转子转速处于同步、亚同步、超同步情况，在计算控制单元控制下，双向变流器向转子馈入不同大小和向序的电流频率，保证绕线型三相异步发电机发出的电流频率与电网频率相同。

8.根据权利要求5所述的压力能变速恒频发电控制方法，其特征在于，在对天然气井口压力能变速恒频发电之前，需要对井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程。

9.根据权利要求8所述的压力能变速恒频发电控制方法，其特征在于，井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程如下：高压天然气从天然气井口采出，输送至一级针型调压阀调压，然后在水套炉中加热，随后膨胀机把高压天然气的压力能转换为转子旋转机械能，在膨胀机减压后的天然气进入二级针型调压阀调压，最后把减压后的天然气输送到集输管汇，完成井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送。