一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，包括设备依托平台、平台上安装有控制室、变压器、润滑冷却系统、液氮柱塞泵、液氮蒸发器、液氮罐、高压管汇、低压管汇、液氮增压离心泵、冷却液泵、冷却液箱，此外平台上还安装有电驱动系统和控制系统。电驱动系统包括用于驱动液氮柱塞泵、液氮增压离心泵以及冷却液泵运转的电动机和相应的电动机驱动装置，控制系统包括用于控制电动机驱动装置的主动力控制系统以及用于控制润滑冷却系统的辅助动力控制系统。本发明采用电动机作为动力源，解决了现有液氮泵设备存在的关键部件国产化率低、作业成本高、发动机和变矩器配套困难、设备容易超限的缺陷和不足，便于推广使用。
【专利说明】一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备
【技术领域】
[0001]本发明属于石油钻采【技术领域】，涉及的一种氮气作业的关键设备，具体是一种电动驱大排量热回收式液氮泵设备。
【背景技术】
[0002]利用氮气对油井、油层进行处理具有安全、高效、成功率高的特点。不仅适用于常规油藏，并且在低压、低渗、粘土胶结等特殊油气藏中也有独到的作用。基于氮气密度低、稳定性好、易压缩等特点，它在提高采收率及钻井、射孔、增产措施和修井方面有着广泛的应用，例如氮气气举、氮气置换、混气压裂、混气酸化、氮气正负压射孔、氮气垫测试等。在天然气开采方面，氮气压裂技术效果显著，已成为天然气开采过程中必备技术，得到了广泛的应用。在煤层气开采方面，以氮气驱替煤层气的储层改造技术也已成为煤层气开采技术的发展方向之一。随着液氮设备应用领域的扩展，油气田用户对液氮设备的需求将会持续增加，市场潜力巨大。
[0003]氮气作业的关键设备是液氮泵设备。液氮泵设备主要有直燃式和非直燃式两种。目前，国内外液氮泵设备主要是直燃式的，直燃式液氮泵设备相对于热回收式液氮泵设备更容易实现大排量。随着压裂工艺和技术的不断进步，施工安全和油层气保护的相关要求越来越苛刻，液氮作业施工将在油田应用中越来越普遍，对液氮泵设备的安全性要求会越来越高。对于可燃性气体含量较高的油气井，明火加热易发生爆炸，存在安全隐患。因此大排量热回收式(非直燃式)液氮泵设备将是未来的主流设备。
[0004]国内生产的液氮泵设备其关键零部件均采用国外进口，国产化程度比较低，这种零部件进口，设备在国内组装的方法，虽然比直接进口能节省一定的成本，但核心技术并没有掌握，产品附加值低，与国外公司相比，没有竞争优势。
[0005]现有技术中，无论是进口产品还是国产设备，主要采用的是基于柴油发动机为原动力机的动力方案。存在的主要问题:1、当液氮泵设备的单机功率达到1500KW以上时，发动机成本迅速上升，选型困难；2、由于大功率的柴油机和变速箱尺寸重量大，不利于设备方案的设计和更大功率泵设备的开发，柴油机驱动方案成为制约新型液氮泵设备的开发瓶颈；3、配套的变矩器等元件选型范围窄、价格高、供货周期长，重要元器件(如发动机、变矩器、分动箱等)均需进口，不仅造成整机成本高昂，还阻碍了具有自主知识产权装备的开发；
4、大功率液氮泵设备运行时,燃油消耗大、作业成本高、噪音大、排放高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其结构简单、设计新颖合理、关键部件国产化率高、成本低、采购周期短、售后服务方便、自动化程度高，提高工作效率、能源供应方便、易于维护、工作可靠性高，解决了现有液氮泵设备存在的关键部件国产化率低、作业成本高、设备容易超限的缺陷和不足，便于推广使用。
[0007]为实现上述技术目的，本发明提供的方案是:一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，包括设备依托平台，所述的平台上安装有液氮泵设备控制室、润滑冷却系统、液氮柱塞泵、液氮蒸发器、液氮罐、用于氮气排出的高压管汇、用于液氮吸入的低压管汇、液氮增压离心泵、冷却液泵、冷却液箱，其特征在于:所述设备还安装有电驱动系统和控制系统，所述电驱动系统包括用于驱动液氮柱塞泵、液氮增压离心泵以及冷却液泵运转的液氮柱塞泵电动机、增压离心泵电动机和冷却液泵电动机，液氮柱塞泵电动机与液氮泵电动机驱动装置连接，增压离心泵电动机与增压离心泵电动机驱动装置连接，冷却液泵电动机与冷却液泵电动机驱动装置连接；所述控制系统包括用于控制电动机驱动装置的主动力控制系统以及用于控制润滑冷却系统的辅助动力控制系统，主动力控制系统和辅助动力控制系统均安装在控制柜中；所述液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置、主动力控制系统和辅助动力控制系统均通过外部电源供电；与设备热交换系统配套的尾气热交换器具有节温器。
[0008]而且，所述液氮柱塞泵电动机通过液氮泵电动机联轴器与液氮柱塞泵连接；所述增压离心泵电动机通过增压离心泵电动机联轴器与液氮增压离心泵连接；所述冷却液泵电动机通过冷却液泵电动机联轴器与冷却液泵连接。
[0009]而且，所述外部电源供电包括井场电源和/或发电机组。
[0010]而且，所述井场电源包括井场电网、与井场电网连接的变压器，该变压器安装在设备平台上，所述液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置、主动力控制系统和辅助动力控制系统均与该变压器联接。
[0011]而且，所述发电机组的数量为一台，或，发电机组的数量为多台，且多台所述发电机组相互并联。
[0012]而且，所述发电机组由涡轮发动机驱动。
[0013]而且，所述液氮柱塞泵电动机、增压离心泵电动机和冷却液泵电动机均为交流电动机或直流电动机，所述的液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置为与前述电动机配套的交流电动机驱动装置或直流电动机驱动装置。
[0014]而且，所述交流电动机驱动装置为变频器；所述直流电动机驱动装置为可控硅。
[0015]而且，所述尾气热交换器吸收车载平台上涡轮发动机发电时排出的尾气，和/或井场其它设备在作业过程中排放的尾气。
[0016]本发明与现有技术相比具有以下优点:
1)本发明采用电动机作为动力源后，将传统设备上的液压系统取消，结构更简单，设计更具合理性；
2)关键部件国产化率高、成本低、采购周期短、售后服务方便:本发明中电动机和相应的变频器、可控硅等在国内均有成熟的产品，选型方便，可以根据液氮泵的功率选择合适的电动机的功率，用电动机驱动装置驱动电动机时，整体造价比发动机方案低；
3)自动化程度高，提高工作效率:在电动机驱动装置驱动下，电动机可在不同功率下输出，从而保持最佳的能源利用率，使作业能耗降到最低，节能减排效果好，同时可以实现扭矩、转速的各种匹配输出方式，易于提高液氮泵设备的自动化控制水平和效率；
4)能源供应方便:本发明采用电力驱动方式，可以直接利用井场电网供电，节省燃油运输；
5)易于维护:本发明采用电动机作为动力源，与大功率的柴油机相比，该电驱方案维护简单，控制指标少，大大减少了日常维护工作量和成本；
6)工作可靠性高:电动机系统的可靠性远高于柴油机系统，交流电动机可以实现20年免维护，电动机驱动装置无论是采用变频器还是可控硅，均可保证长期不间断运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的实施方式示意图。
[0018]其中，1、平台，2、控制室，2-1、液氮泵电动机驱动装置，2-2、增压离心泵电动机驱动装置，2-3、冷却液泵电动机驱动装置，2-4、控制柜，3、变压器，4、液氮柱塞泵电动机，5、液氮泵电动机联轴器，6、液氮柱塞泵，7、低压管汇，8、增压离心泵电动机，9、增压离心泵电动机联轴器，10、液氮增压离心泵，11、液氮罐，12、排出旋塞阀，13、高压管汇，14、液氮蒸发器，15、冷却液泵电动机，16、冷却液泵电动机联轴器，17、冷却液泵，18、冷却液箱，19、润滑冷却系统，20、井厂电源，21、尾气热交换器，22、节温器。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0020]本实施例提供一种电动驱大排量热回收式液氮泵设备，如图1、图2、图3所示，本发明包括设备依托平台1，所述的平台I上安装有液氮泵设备控制室2，润滑冷却系统19、液氮柱塞泵6、液氮蒸发器14、液氮罐11，以及用于氮气排出的高压管汇13和液氮吸入的低压管汇7、液氮增压离心泵10、冷却液泵17、冷却液箱18，平台I上还安装有电驱动系统和控制系统，所述电驱动系统包括用于驱动液氮柱塞泵6、液氮增压离心泵10以及冷却液泵17运转的液氮柱塞泵电动机4、增压离心泵电动机8和冷却液泵电动机15以及相应的电动机驱动装置，包括液氮泵电动机驱动装置2-1、增压离心泵电动机驱动装置2-2、冷却液泵电动机驱动装置2-3。所述控制系统包括用于控制电动机驱动装置的主动力控制系统以及用于控制润滑冷却系统19的辅助动力控制系统。主动力控制系统和辅助动力控制系统均安装在控制柜2-4中。电动机驱动装置、主动力控制系统和辅助动力控制系统均通过外部电源供电。
[0021]本发明的实施方式中还包括平台设备以外的必要装置。包括井厂电源20、节温器22以及与设备热交换系统配套的尾气热交换器21，该尾气热交换吸收的废气包括涡轮发动机发电时排出的尾气，也可以是井场其它设备在作业过程中排放的尾气。
[0022]进一步的，所述液氮柱塞泵电动机4通过液氮泵电动机联轴器5与液氮柱塞泵6连接；所述增压离心泵电动机8通过增压离心泵电动机联轴器9与液氮增压离心泵10连接；所述冷却液泵电动机15通过冷却液泵电动机联轴器16与冷却液泵17连接。
[0023]进一步的，所述外部电源供电包括井场电源20和/或发电机组。
[0024]进一步的，所述井场电源20包括井场电网、与井场电网连接的变压器3，该变压器3安装在设备平台I上，所述液氮泵电动机驱动装置2-1、增压离心泵电动机驱动装置2-2、冷却液泵电动机驱动装置2-3、主动力控制系统和辅助动力控制系统均与该变压器3联接。
[0025]进一步的，所述发电机组的数量为一台，或，发电机组的数量为多台，且多台所述发电机组相互并联。
[0026]进一步的，所述发电机组由涡轮发动机驱动。
[0027]进一步的，所述液氮柱塞泵电动机4、增压离心泵电动机8和冷却液泵电动机15均为交流电动机或直流电动机，所述的液氮泵电动机驱动装置2-1、增压离心泵电动机驱动装置2-2、冷却液泵电动机驱动装置2-3为与前述电动机配套的交流电动机驱动装置或直流电动机驱动装置。
[0028]进一步的，所述交流电动机驱动装置为变频器；所述直流电动机驱动装置为可控硅。
[0029]高温的冷却液由冷却液泵17从冷却液箱18中泵出，先流经液氮蒸发器14，此时和液氮热交换后冷却液温度下降变成低温冷却液，低温冷却液经过尾气热交换器21回收热量变成高温冷却液，高温冷却液回到冷却液箱18，然后再由冷却液泵17泵出，构成冷却液循环回路。液氮排量低时，冷却液流经液氮蒸发器14后温度仍然很高，节温器22会自动断开，不经过尾气热交换器21，直接回到冷却液箱18中。
[0030]工作原理:由设备液氮罐11提供液氮，也可由外部槽车或者液氮罐橇直接提供液氮。液氮由液氮增压离心泵10经过低压管汇7并通过一系列低温阀门控制最终进入液氮柱塞泵6的吸入口。液氮柱塞泵6运转后，将低压液氮经过柱塞泵增压成为高压液氮，高压液氮经过液氮蒸发器14吸收热量后变成常温高压氮气，然后经过高压管汇13的排出系统排出。
[0031]综上所述:本发明针对现有的液氮泵设备采用传统的柴油发动机作为动力源存在的燃油消耗大、发动机与变矩器配套困难、关键部件国产化率低等问题，提出了以电动机作为原动机，利用外部大量废热作为热交换热源，从而提高热交换率的电驱动大排量液氮泵设备方案，结构简单，设计新颖合理，配套方便，造价低，自动控制水平高，易于维护，工作可靠性高，能源供应方便，使用效果好，便于推广使用。
[0032]以上为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施列所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，包括设备依托平台，所述的平台上安装有液氮泵设备控制室、润滑冷却系统、液氮柱塞泵、液氮蒸发器、液氮罐、用于氮气排出的高压管汇、用于液氮吸入的低压管汇、液氮增压离心泵、冷却液泵、冷却液箱，其特征在于:所述平台上还安装有电驱动系统和控制系统，所述电驱动系统包括用于驱动液氮柱塞泵、液氮增压离心泵以及冷却液泵运转的液氮柱塞泵电动机、增压离心泵电动机和冷却液泵电动机，液氮柱塞泵电动机与液氮泵电动机驱动装置连接，增压离心泵电动机与增压离心泵电动机驱动装置连接，冷却液泵电动机与冷却液泵电动机驱动装置连接；所述控制系统包括用于控制电动机驱动装置的主动力控制系统以及用于控制润滑冷却系统的辅助动力控制系统，主动力控制系统和辅助动力控制系统均安装在控制柜中；所述液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置、主动力控制系统和辅助动力控制系统均通过外部电源供电；与设备热交换系统配套的尾气热交换器具有节温器。
2.根据权利要求1所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述平台是车载平台，或橇装平台，或拖车平台。
3.根据权利要求2所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述尾气热交换器吸收车载平台上涡轮发动机发电时排出的尾气，和/或井场其它设备在作业过程中排放的尾气。
4.根据权利要求1所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述液氮柱塞泵电动机通过液氮泵电动机联轴器与液氮柱塞泵连接；所述增压离心泵电动机通过增压离心泵电动机联轴器与液氮增压离心泵连接；所述冷却液泵电动机通过冷却液泵电动机联轴器与冷却液泵连接。
5.根据权利要求1所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述外部电源供电包括井场电源和/或发电机组。
6.根据权利要求5所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述井场电源包括井场电网、与井场电网连接的变压器，该变压器安装在设备平台上，所述液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置、主动力控制系统和辅助动力控制系统均与该变压器联接。
7.根据权利要求5所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述发电机组的数量为一台，或，发电机组的数量为多台，且多台所述发电机组相互并联。
8.根据权利要求7所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述发电机组由涡轮发动机驱动。
9.根据权利要求1所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述液氮柱塞泵电动机、增压离心泵电动机和冷却液泵电动机均为交流电动机或直流电动机，所述的液氮泵电动机驱动装置、增压离心泵电动机驱动装置、冷却液泵电动机驱动装置为与前述电动机配套的交流电动机驱动装置或直流电动机驱动装置。
10.根据权利要求9所述的一种电驱动大排量热回收式液氮泵设备，其特征在于:所述交流电动机驱动装置为变频器；所述直流电动机驱动装置为可控硅。
【文档编号】F17D1/02GK103836343SQ201410099881
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】唐军, 余飞, 梁云, 汪承材, 董永, 刘尧, 李磊, 骆竖星 申请人:四机赛瓦石油钻采设备有限公司