CN112736976A - 一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统及其控制方法，所述方案通过内燃机驱动的发电机组提供石油钻机所需的动力源，通过蓄电池组储存动力源产生的电能单独或与动力源共同输出钻机作业时各种工况所需电能，通过超级电容快速充放电稳定微电网电压，应对钻机冲击性负载；石油钻机应用所述微电网系统后，可以采用柴油机或天然气机作为原动机，减少动力机组的配置容量，提高动力机组的工作效率，降低废气的排放，提高能量的利用率，实现节能减排的目的。

Description

一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统与控制方法

技术领域

本公开涉及石油电动钻机动力系统涉及的技术领域，尤其涉及一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统与控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于柴油发电机能够持续可靠的供电，因此目前石油钻机大多数选择多台柴油发电机机组并网运行，产生的电能通过电缆与控制房连接形成微电网，直接驱动绞车、钻盘、钻井泵及顶驱等主要钻井设备；

发明人发现现有的动力系统存在以下问题:

(1)由于地质环境条件复杂，为适应冲击负荷，石油钻机用柴油发电机组的动力容量配置往往高于正常的负荷需求。

(2)由于石油钻机在钻井过程中负荷随着地质环境的变化而波动，属于比较典型的冲击性负载，由于负荷波动引起的功率突变会使得汇流母线电压上下波动，有可能破坏微电网的稳定性，从而对石油钻机微电网造成恶劣的影响；同时当冲击负荷接入系统时，由于产生的感应电势反作用在柴油发电机组上，会对发电机组产生较大的瞬时扭矩冲击，从而降低柴油发电机组的寿命。

(3)石油钻机在作业时，除了正常钻进外，大部分时间用于起下钻、接单根等工作，此时柴油发电机组处于小负载甚至空载状态下，工作效率低、排放水平差。

(4)由于作业时冲击性负载的存在，石油钻机无法推广使用经济性和排放水平更好的天然气机作为动力源。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统与控制方法，所述方案通过内燃机驱动的发电机组提供石油钻机所需的动力源，通过蓄电池组储存动力源产生的电能并能单独或与动力源共同输出钻机作业时各种工况所需电能，通过超级电容快速充放电稳定微电网电压，有效解决了钻机冲击性负载问题。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，包括若干内燃机驱动的发电机组、蓄电池组、超级电容及微电网控制系统，所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，形成微电网并输出额定功率电能；

其中，所述超级电容在钻机稳定工况时接收微电网的电能进行充电，当钻机遇到冲击性负载时，通过超级电容快速放电补偿微电网，从而实现微电网的电压稳定。

进一步的，所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，所述组合方式包括：

发电机组单独输出电能；

或，发电机组直接输出电能，且蓄电池组接收发电机组输出的电能；

或，蓄电池组单独输出电能；

或，发电机组与蓄电池组共同输出电能。

进一步的，所述内燃机驱动的发电机组采用柴油机，与三相交流同步发电机组成发电机组；

进一步的，所述内燃机驱动的发电机组还可采用天然气机，与三相交流同步发电机组成发电机组；

进一步的，所述内燃驱动机的发电机组还可采用柴油机和天然气机的组合，与三相交流同步发电机组成发电机组。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其利用了上述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，所述方法包括：

将所述混合动力微电网与钻机电控系统连接；

在正常钻进作业时，所述微电网控制系统根据钻机功率需求控制发电机组与蓄电池组的不同组合，输出钻机所需电能；

正常钻进外的作业，由蓄电池组供电开启一台发电机组为井场提供电能，蓄电池组转为冲电状态；此时由于井场用电量较小，发电机组的主要为蓄电池组充电。

进一步的，当蓄电池组电量大于90％时，微电网控制系统将自动转为蓄电池供电，同时自动关闭发电机组。

进一步的，当蓄电池电量低于30％时，微电网控制系统将自动启动一台发电机组供电，同时蓄电池组转回充电状态。

进一步的，当处于紧急状态时或负载功率大于全部可用发电机组功率时，所述微电网控制系统控制蓄电池组重新进入放电状态，且在蓄电池组电量小于10％时，则限制负载，防止蓄电池组过度放电。

进一步的，当执行井场绞车或刹车作业时，利用超级电容和蓄电池组，实现用电设备在下放钻具时所产生能量的回收储存。

根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种石油电动钻探系统，包括电动钻机和微电网系统，所述微电网系统采用了上述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统。

进一步的，所述微电网系统采用了上述的种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)由于本公开所述方案中包含超级电容应对钻井过程中的冲击负载，所以在钻机设计动力配置时可以不用考虑过高的富裕量，有效减少发电机组的台数。

(2)由于本公开所述方案中包含超级电容应对钻井过程中的冲击负载，发电机组可以使用天然气机作为动力源，解决了天然气机由于响应慢无法满足钻井工况问题。

(3)本公开所述方案在使用发电机组单独工作时，可以同时向蓄电池组充电，从而使发电机组可以持续运行在最佳排放和经济区间内，提高发电机组的效率，减少燃油消耗和尾气排放。

(4)本公开所述方案通过使用蓄电池单独供电或与发电机组共同供电，可以减少发电机组使用台数和时间，通过调整发电机组和蓄电池组的功率占比，使发电机组可以持续运行在最佳排放和经济区间内，提高发电机组的效率，减少燃油消耗和尾气排放。

(5)由于本公开所述方案包含超级电容应对钻井过程中的冲击负载，所以整个微电网运行平稳，避免发电机组在突加负荷工况下冒黑烟情况和突卸负载超速飞车危险，提高发电机组的使用可靠性。

(6)本公开所述方案利用蓄电池组和超级电容作为储能系统，可以将下放钻具等钻井作业过程中产生的能量进行回收，从而实现节能减排。

(7)本公开所述方案中的蓄电池组可以在钻机到达新井位时随时提供电源，因此可以取消辅助发电机组。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述的石油电动钻机电控系统示意图；

图2为本公开实施例一中所述的现有的石油电动钻机动力系统示意图；

图3为本公开实施例一中所述的改进后的石油电动钻机动力系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一：

本实施例的目的是提供一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统。

如图1所示，由于柴油发电机能够持续可靠的供电，因此目前石油钻机大多数选择多台柴油发电机机组并网运行，产生的电能通过电缆与控制房连接形成微电网，直接驱动绞车、钻盘、钻井泵及顶驱等主要钻井设备。

针对现有技术中存在的问题，本实施例中提供了一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，包括若干内燃机驱动的发电机组、蓄电池组、超级电容及微电网控制系统，所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，形成微电网并输出额定功率电能；

其中，所述超级电容在钻机稳定工况时接收微电网的电能进行充电，当钻机遇到冲击性负载时，通过超级电容快速放电补偿微电网，从而实现微电网的电压稳定。

具体的，所述发电机组可以采用柴油机作为原动机，其与三相交流同步发电机组成发电机组。

进一步的，本实施例中所述的发电机组可以采用天然气机作为原动机，降低废气的排放，提高能量的利用率，实现节能减排的目的。

需要说明的是，现有的石油电动钻机动力系统由于作业时冲击性负载的存在，其无法使用经济性和排放水平更好的天然气机作为动力源；而本实施例中通过超级电容有效应对了钻井过程中的冲击负载，发电机组可以使用天然气机作为动力源，解决了天然气机由于响应慢无法满足钻井工况问题。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述发电机组可以采用柴油机和天然气机的组合。

进一步的，由于配置了大功率蓄电池组，在钻机到达新井位时可以随时提供电源，因此可以取消如图2所示的现有石油电动钻机动力系统中的辅助发电机组。

可以理解的，根据不同型号钻机所需动力容量，可以配置1台、2台或者多台内燃机驱动的发电机组作为动力源；蓄电池组配置数量也可根据实际需要设置多组，与发电机组进行多种方式的组合；所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，所述组合方式包括但不限于以下组合方式：

方式1：发电机组单独输出电能，蓄电池处于空闲状态；

方式2：发电机组直接输出电能，且蓄电池组接收发电机组输出的电能；

方式3：蓄电池组单独输出电能，发电机组处于空闲状态；

方式4：发电机组与蓄电池组共同输出电能。

所述超级电容则根据钻机型号和地质情况不同选择多种配置容量，微电网控制系统可以根据钻机工况选择使用蓄电池供电，蓄电池与发电机组共同供电，或者发电机组单独供电，为钻机提供充足而稳定的电能。

本公开的主要目的是通过内燃机驱动的发电机组提供石油钻机所需的动力源，通过蓄电池组储存动力源产生的电能并能单独或与动力源共同输出钻机作业时各种工况所需电能，通过超级电容快速充放电稳定微电网电压，应对钻机冲击性负载。石油钻机应用本系统后，可以采用柴油机或天然气机作为原动机，减少动力机组的配置容量，提高动力机组的工作效率，降低废气的排放，提高能量的利用率，实现节能减排的目的。

实施例二：

本实施例的目的是一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法。

一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其利用了上述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，所述方法包括：

将所述混合动力微电网与钻机电控系统连接；

在正常钻进作业时，所述微电网控制系统根据钻机功率需求控制发电机组与蓄电池组的不同组合，输出钻机所需电能；

正常钻进外的作业，由蓄电池组供电开启一台发电机组为井场提供电能，蓄电池组转为冲电状态；此时由于井场用电量较小，发电机组的主要为蓄电池组充电。

具体的，采用柴油发动机或者天然气发动机作为原动机，与三相交流同步发电机组成发电机组安装在一个机房内；根据不同型号钻机所需动力容量，配置1台或2台或者多台发电机组。

进一步的，蓄电池组分为空闲状态、充电状态和放电状态；蓄电池组可根据实际需要设置1组或2组或者更多组，与发电机组进行多种方式的组合，可以分组充电或放电；所述多种方式的组合但不限于以下组合方式：

方式1：发电机组单独输出电能，蓄电池处于空闲状态；

方式2：发电机组直接输出电能，且蓄电池组接收发电机组输出的电能；

方式3：蓄电池组单独输出电能，发电机组处于空闲状态；

方式4：发电机组与蓄电池组共同输出电能。

当钻机到井场安装好动力设备后，可由蓄电池组供电开启一台发电机组为井场提供电能，蓄电池组转为冲电状态；此时由于井场用电量较小，因此发电机组的主要工作是给蓄电池组充电，发电机组可运行在最佳排放和经济区间内。

(1)当蓄电池组电量大于90％时，微电网控制系统将自动转为蓄电池供电，同时自动关闭发电机组。

(2)当蓄电池电量低于30％时，微电网控制系统将自动启动一台发电机组供电，同时蓄电池组转回充电状态。

钻机正常工作时，微电网控制系统实时监测蓄电池组电量状态和发电机组运行状态。根据钻井不同阶段所需电能不同，可以选择由蓄电池组单独供电，或者蓄电池组与一台或者多台发电机组共同供电，或者发电机组单独供电。

钻井工况所需功率小于蓄电池组最大输出功率时，由蓄电池组单独供电，所有发电机组关闭。当蓄电池组电量小于30％时，微电网控制系统将自动启动一台发电机组供电，同时蓄电池组转回充电状态。

钻井工况所需功率大于蓄电池组最大输出功率时，由蓄电池组与发电机组共同供电，，微电网控制系统将根据所需功率分配发电机组和蓄电池组的输出功率占比，发电机组可以使用一台也可多台并网，确保发电机组始终运行在最佳排放和经济区间内。当蓄电池组电量小于30％时，微电网控制系统将自动启动一台备用发电机组与其他发电机组并网供电，同时蓄电池组转回充电状态。当蓄电池电量达到90％时，微电网控制系统将自动启动蓄电池供电，同时关闭一台发电机组。

当处于紧急状态时，及负载功率大于全部可用发电机组功率时，微电网控制系统将自动使蓄电池组重新进入放电状态，但在蓄电池组电量小于10％时，需要限制负载，防止蓄电池组过度放电。

钻井过程中，在微电网遇到冲击负载时，超级电容根据微电网的电压变化及自身电压情况进行冲放电。当微电网电压低于设定电压时，超级电容进行快速发电。根据微电网电压变化情况，可设定超级电容不同的放电功率。

进一步的，超级电容和蓄电池组也可实现井场绞车、刹车等用电设备在下放钻具时产生的能量回收储存。

实施例三：

本实施例的目的是提供一种石油电动钻探系统。

一种石油电动钻探系统，其特征在于，包括电动钻机、微电网系统，所述微电网系统采用了上述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统。

进一步的，所述系统采用了上述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法。

进一步的，在石油钻机应用本混合动力微电网系统后，可以采用柴油机或天然气机作为原动机，减少动力机组的配置容量，提高发电机组的工作效率，降低废气的排放，提高能量的利用率，实现节能减排的目的。

进一步的，本公开所述方案的主要优点包括：

所述微电网系统包含超级电容，用于应对钻井过程中的冲击负载，所以在钻机设计动力配置时可以不用考虑过高的富裕量，减少发电机组的台数；由于本系统包含超级电容应对钻井过程中的冲击负载，发电机组可以使用天然气机作为动力源，解决了天然气机由于响应慢无法满足钻井工况问题；使用发电机组单独工作时，可以同时向蓄电池组充电，从而使发电机组可以持续运行在最佳排放和经济区间内，提高发电机组的效率，减少燃油消耗和尾气排放；通过使用蓄电池单独供电或与发电机组共同供电，可以减少发电机组使用台数和时间，通过调整发电机组和蓄电池组的功率占比，使发电机组可以持续运行在最佳排放和经济区间内，提高发电机组的效率，减少燃油消耗和尾气排放；由于本系统包含超级电容应对钻井过程中的冲击负载，所以整个微电网运行平稳，避免发电机组在突加负荷工况下冒黑烟情况和突卸负载超速飞车危险，提高发电机组的使用可靠性；本系统蓄电池组和超级电容作为储能系统，可以将下放钻具等钻井作业过程中产生的能量进行回收，从而实现节能减排；本系统蓄电池组可以在钻机到达新井位时随时提供电源，因此可以取消辅助发电机组。

上述实施例提供的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统及控制方法可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，其特征在于，包括若干内燃机驱动的发电机组、蓄电池组、超级电容及微电网控制系统，所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，形成微电网并输出额定功率电能；

其中，所述超级电容在钻机稳定工况时接收微电网的电能进行充电，当钻机遇到冲击性负载时，通过超级电容快速放电补偿微电网，从而实现微电网的电压稳定。

2.如权利要求1所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，其特征在于，所述微电网控制系统用于控制发电机组与蓄电池组进行组合，所述组合方式包括：

发电机组单独输出电能；

或，发电机组直接输出电能，且蓄电池组接收发电机组输出的电能；

或，蓄电池组单独输出电能；

或，发电机组与蓄电池组共同输出电能。

3.如权利要求1所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，其特征在于，所述内燃机驱动的发电机组采用柴油机，与三相交流同步发电机组成发电机组；

或，所述内燃机驱动的发电机组采用天然气机，与三相交流同步发电机组成发电机组；

或，所述内燃驱动机的发电机组采用柴油机和天然气机的组合，与三相交流同步发电机组成发电机组。

4.一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其特征在于，其利用了如权利要求1-3任一项所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统，所述方法包括：

将所述混合动力微电网与钻机电控系统连接；

在正常钻进作业时，所述微电网控制系统根据钻机功率需求控制发电机组与蓄电池组的不同组合，输出钻机所需电能；

正常钻进外的作业，由蓄电池组供电开启一台发电机组为井场提供电能，蓄电池组转为冲电状态；此时由于井场用电量较小，发电机组的主要为蓄电池组充电。

5.如权利要求4所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其特征在于，当蓄电池组电量大于90％时，微电网控制系统将自动转为蓄电池供电，同时自动关闭发电机组。

6.如权利要求4所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其特征在于，当蓄电池电量低于30％时，微电网控制系统将自动启动一台发电机组供电，同时蓄电池组转回充电状态。

7.如权利要求4所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法，其特征在于，当处于紧急状态时或负载功率大于全部可用发电机组功率时，所述微电网控制系统控制蓄电池组重新进入放电状态，且在蓄电池组电量小于10％时，则限制负载，防止蓄电池组过度放电。

或，当执行井场绞车或刹车作业时，利用超级电容和蓄电池组，实现用电设备在下放钻具时所产生能量的回收储存。

8.如权利要求5所述的一种用于石油电动钻机的微电网控制方法，其特征在于，所述正常钻进外的作业包括起下钻、接单根。

9.一种石油电动钻探系统，其特征在于，包括电动钻机、微电网系统，所述微电网系统采用如权利要求1-4任一项所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网系统。

10.如权利要求9所述的一种石油电动钻探系统，其特征在于，所述系统采用了如权利要求5-8任一项所述的一种用于石油电动钻机的混合动力微电网控制方法。

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