一种基于超级电容的修井机储能系统的制作方法

本实用新型涉及钻井工程的储能技术领域，具体是一种基于超级电容的修井机储能系统。

背景技术：

在石油钻井工程领域，修井机作业方式可归纳为三大类：

（1）起下作业：如油管、抽油杆、深井泵等井下作业设备及工具的起下，以及抽汲、捞砂、机械清蜡的起下等；

（2）旋转作业：如钻水泥塞，钻砂堵，以及扩孔、重钻、加深和修补套管等；

（3）液体循环作业：如冲砂、热洗、挤水泥及循环泥浆等旋转作业。

完成上述作业的设备，基本上分为起下设备（如通井机、轻型修井机等）；配有起升设备、旋转设备和循环设备的中型、重型修井机和冲洗设备等。其中大部分修井作业内容依靠修井机即可完成。修井机是石油开采系统中的重要组成部分，钻具提升时，外部动力如柴油发动机向绞车提升电机提供动力，电机带动滚筒旋转，提升钻具；钻具下放时，通过盘刹或再生制动使钻具以低速下放。

目前修井机的动力来源主要是柴油发电机，只有极个别公司生产其他动力来源（如交流发电机、电网）的修井机。采用柴油机作为动力的修井机，行驶和作业共用一套动力系统，多采用车载柴油机+液力传动箱，大吨位修井机采用双机并车，以保证较大的输出动力；小吨位修井机有底盘柴油机全功率取力，配液力变矩器和机械变速箱或纯机械变速箱的方案。控制系统采用传统的液、气、电控方式。

以车载柴油发动机为动力，存在如下问题：（1）污染严重，以XJ900型修井机为例，排污5吨/年以上，柴油燃烧会产生大量的有害气体，造成环境污染；（2）使用、维护费用高，3-5万元/年；（3）工作效率低，工作方式落后，柴油机空载时间为运转时间的3倍以上；（4）成本高，根据实际生产情况，满负荷工作时，一台修井机每天需要大约200L柴油，按当前柴油价格6元/L计算，需要1200元/天；而采用电力修井机，满负荷工作时，一台修井机每天需要大约800度电，按当前工业用电价格1元/度计算，需要800元/天，与柴油修井机相比，运行成本降低三分之一左右。

因此，采用柴油机作为动力来源既不符合国家节能降耗的产业政策，也不符合环境保护的要求。随着国家对节能减排的标准要求提高，传统柴油式修井机需进行技术升级换代。新型变频调速的车载电动修井机势必会取代传统柴油为动力作业的修井机。而井场电网多处于偏远地区，一般仅能提供三相1140V、功率大约为50kW的电源。而绞车电机功率为三相400V、110kW，导致修井机工作时电网功率不足，速度达不到额定值，影响钻井效率。

在将几十吨的钻具反复上提、下放几十米深的过程中，能量消耗巨大，尤其是在游吊系统下放过程中刹车制动消耗的能量以热能形式损失，造成了极大的能源浪费，再加上柴油发电机组有相当长的一端时间处于空载状态，严重影响柴油机的燃油经济性和使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超级电容的修井机储能系统，基于超级电容将修井机在起降过程中产生的能量回收利用，同时使用离线能源对井场电网并网发电，补充偏远地区的井场电网电能。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于超级电容的修井机储能系统，它包括离线电源、第一逆变器、发电机组、整流器、第二逆变器、电机、制动系统、制动电阻、直流变换器、超级电容和DSP控制器，所述离线电源的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述第一逆变器的交流输出端通过井场电网与发电机组的输入端连接，所述发电机组的输出端与整流器的交流输入端连接，所述整流器的第一直流输出端与第二逆变器的输入端连接，所述第二逆变器的交流输出端与电机的输入端连接，所述第二逆变器的控制端与所述的DSP控制器的电机驱动控制端口连接，所述的制动系统连接在所述整流器和第二逆变器之间的直流母线上，所述的制动电阻与制动系统连接，所述整流器的第二直流输出端与直流变换器的第一输入端连接，所述直流变换器的第二输入端与离线电源的第二输出端连接，所述直流变换器的输入输出端与超级电容模组的充放电端口连接，所述直流变换器的控制端口与所述DSP控制器的控制端口连接，所述的超级电容模组的电量信号输出端与所述DSP控制器的检测信号数据输入端连接。

所述的离线电源为风力发电系统，所述的风力发电系统包括风力发电机组，所述的风力发电机组的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述风力发电机组的第二输出端与直流变换器的第二输入端连接。

所述的离线电源为光伏系统，所述的光伏系统包括光伏电池板和直流稳压器，所述光伏电池板的输出端与直流稳压器的输入端连接，所述直流稳压的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述直流稳压器的第二输出端与直流变换器的第二输入端连接。

进一步，还包括铅酸蓄电池储能系统，所述的铅酸蓄电池储能系统与离线电源的电能输出端连接。

进一步，还包括超级电容监控系统，所述的超级电容监控系统的数据端口与超级电容的状态检测数据输出端口连接。

所述的电机为绞车驱动电机、顶驱驱动电机、转盘驱动电机、泥浆泵驱动电机或送钻装置驱动电机。

所述的超级电容器模组为串联超级电容模组。

进一步，所述的串联超级电容模组为8台超级电容组串联。

进一步，还包括电网开关，所述电网开关的一端连接离线电源，另一端连接井场电网。

本实用新型的有益效果是：本实用新型使用离线电源接入井场电网，既可以并网使用，向钻井工程供电网络输送电能，满足钻井作业需求，也可以离网使用，将所发电能储存到铅酸蓄电池系统中用于钻井现场照明使用或者工作人员日常使用，节约井场电能，方便不同的工况场景能源需求；使用超级电容模组回收钻具起降过程中的能量损失，超级电容器具有功率密度大、使用寿命长和充放电效率高的特点，能够收集修井机作业间歇期的柴油发电机发出的多余电能和制动回馈能量，降低对发电机组性能的需求，节能减排，降低钻井成本；使用电网开关控制离线电源是否接入井场电网，可以保障钻井工程供电系统的供电质量。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的实施例1的结构框图；

图3为本实用新型的实施例2的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于超级电容的修井机储能系统，它包括离线电源、第一逆变器、发电机组、整流器、第二逆变器、电机、制动系统、制动电阻、直流变换器、超级电容和DSP控制器，所述离线电源的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述第一逆变器的交流输出端通过井场电网与发电机组的输入端连接，所述发电机组的输出端与整流器的交流输入端连接，所述整流器的第一直流输出端与第二逆变器的输入端连接，所述第二逆变器的交流输出端与电机的输入端连接，所述第二逆变器的控制端与所述的DSP控制器的电机驱动控制端口连接，所述的制动系统连接在所述整流器和第二逆变器之间的直流母线上，所述的制动电阻与制动系统连接，所述整流器的第二直流输出端与直流变换器的第一输入端连接，所述直流变换器的第二输入端与离线电源的第二输出端连接，所述直流变换器的输入输出端与超级电容模组的充放电端口连接，所述直流变换器的控制端口与所述DSP控制器的控制端口连接，所述的超级电容模组的电量信号输出端与所述DSP控制器的检测信号数据输入端连接。

所述的离线电源为风力发电系统，所述的风力发电系统包括风力发电机组，所述的风力发电机组的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述风力发电机组的第二输出端与直流变换器的第二输入端连接。

所述的离线电源为光伏系统，所述的光伏系统包括光伏电池板和直流稳压器，所述光伏电池板的输出端与直流稳压器的输入端连接，所述直流稳压的第一输出端与第一逆变器的输入端连接，所述直流稳压器的第二输出端与直流变换器的第二输入端连接。

进一步，还包括铅酸蓄电池储能系统，所述的铅酸蓄电池储能系统与离线电源的电能输出端连接。

进一步，还包括超级电容监控系统，所述的超级电容监控系统的数据端口与超级电容的状态检测数据输出端口连接。

所述的电机为绞车驱动电机、顶驱驱动电机、转盘驱动电机、泥浆泵驱动电机或送钻装置驱动电机。

所述的超级电容器模组为串联超级电容模组。

进一步，所述的串联超级电容模组为8台超级电容组串联。

进一步，还包括电网开关，所述电网开关的一端连接离线电源，另一端连接井场电网。

传统柴油发电机的电能除了作有用功，其余部分大量以热能的形式损失，加上在绞车下放时的制动回馈能量被刹车消耗和制动电阻消耗，造成了巨大的能源浪费，严重影响柴油发电机组的运行经济成本，如果这部分能量能够收集起来进行二次利用，便能够实现节能减排。

本实用新型可用在修井机的作业过程中，发电机组发出的交流电经过整流器整流成直流电，直流电经过第二逆变器转变为频率可调的交流电驱动相应的电机带动相应的绞车系统、顶驱系统、转盘、泥浆泵或送钻系统，超级电容储能系统接在发电机组与第二逆变器之间的直流母线上，在工作过程中，DSP控制系统采集超级电容器模组的电压电流数据，对超级电容储能系统进行能量管理。在修井机上提钻具的工况下，绞车提升电机启动，发电机组发出的电能经整流、逆变向电机提供动力。由于井场电网提供的最大功率小于电机的额定功率，DSP控制系统控制超级电容储能系统释放能量、补偿功率。在修井下放钻具的工况下，绞车提升电机停止运行，井场电网或发电机组向超级电容提供充电功率，直至超级电容储存容量达到额定状态。与此同时，超级电容监控系统对超级电容模组实时监测，DSP控制系统和超级电容器监控系统可以通过总线实时通信，使监控系统监控整个系统的运行状态。

基于超级电容器进行充放电储能，其中双向直流变换器将发电机组空载时发出的多余的电能和制动系统在制动时产生的回馈能量转移到超级电容器模组中，监控系统和DSP控制器管理超级电容器模组的充放电过程，实现回收管理修井机作业间歇期柴油发电机发出的多余电能和制动系统运转时产生的回馈能量，达到节能减排的目的。

实施例1：如图2所示，在太阳能丰富地区，离线电源采用光伏发电系统，通过电网开关开启或关闭给井场电网输送电能，通过铅酸蓄电池系统将光伏电池产生的电能储存下来。

实施例2：如图3所示，在风力资源丰富的地区，离线电源采用风力发电机组，通过电网开关开启或关闭给井场电网输送电能，通过铅酸蓄电池系统将风力机组所发的电能储存下来。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。