变频电驱动钻机能量回收利用系统及控制方法与流程

本发明属于石油电动钻机动力系统，涉及一种变频电驱动钻机能量回收利用系统。本发明还涉及一种变频电驱动钻机能量回收利用系统的控制方法。

背景技术：

1、在日常钻井工作中，当钻进一定进尺或一段时间，为了更换磨损的钻头、提取岩心、排除井内故障、下套管及其他目的，需要将井内的钻具提升到地面，完成地面作业后又需要将钻具或套管下入井内，这个向井内下入钻具或套管的过程统称为下钻。在下钻过程中绞车及其负载的机械能，通过逆变器——电动机传动系统给直流母线回馈电能，使直流母线电压升高。为了抑制直流母线电压过高和保证绞车平稳运行，常规的办法是配置制动单元和制动电阻，当直流母线电压升高至某一阈值时接通制动电阻，电阻以发热的形式持续消耗掉绞车下放时回馈的能量。通过制动电阻以热能形式被消耗的能量约占整个钻井周期能耗的5％。采用能耗制动的变频电驱动钻机，无论是网电供电，还是柴油发电机组供电，都存在这种能量的浪费。

2、采用afe整流的变频系统可以将下钻制动产生的能量回馈到电网实现节能；但是由于以下原因，导致目前电动钻机基本不配置afe整流装置：

3、(1)afe整流的变频器自身造价比较高；

4、(2)afe整流的变频器应用于钻机电控系统本身还有技术缺陷；

5、(3)柴油机供电的钻机动力系统不允许回馈能量；

6、(4)网电供电的钻机电控系统回馈能量时候容易引起网电电压大幅波动；

7、因此研究一种成本适宜、体积较小的系统，能有效回收下钻过程中的机械能，将传统通过制动电阻以热能形式被消耗的能量进行回收，并将这些回收的能量实时用于mcc供电，节省钻机用电。随着钻井装备绿色化的发展，钻机能量回收利用技术在节能方面占据较大优势，或成为一种新的发展方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，解决了变频电驱动钻机下钻时机械能无法回收利用的问题，也在一定程度上解决了石油钻机额外的能量浪费的问题。

2、本发明的另一个目的是提供一种变频电驱动钻机能量回收利用系统的控制方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，包括节能柜、交流接触器、变压器、断路器、主控制器和ac400v mcc负载；

4、节能柜通过直流铜排连接到变频器直流母线上，用于接入直流电并将其逆变成交流，通过正弦波滤波器滤波后为接近正弦波的600v交流电；

5、交流接触器用于接通或断开节能柜与变压器原边的连接；

6、变压器用于将600v交流电降压为400v交流电；

7、断路器位于变压器的副边，通过ac400v电缆连接变压器副边和ac400v母线，用于接通变压器副边到ac400v母线，所述ac400v mcc负载通过ac400v电缆连接到ac400v母线，可即时消耗回馈的能量；

8、主控制器具有逻辑判断和通讯功能。

9、本发明的第一个技术方案的特点还在于：

10、其中节能柜包括直流熔断器、节能模块、正弦波滤波器和节能控制单元；节能控制单元通过通讯的方式控制节能模块的工作，直流熔断器用于能量回收利用系统的过流和短路保护；

11、其中节能模块为有源pwm脉宽调制igbt三相逆变桥，当直流母线电压升高时，将再生制动能量逆变成600v交流电，通过接触器、变压器和断路器回馈到ac400v母线；

12、其中交流接触器通过节能控制单元控制其通断，交流接触器通过ac600v电缆连接正弦波滤波器和变压器原边；

13、其中主控制器通过通讯电缆与节能控制单元进行通讯，为节能控制单元提供控制通道。

14、本发明的第二个技术方案是，一种变频电驱动钻机能量回收利用系统的控制方法，采用一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，具体按以下步骤实施：

15、步骤1，设定节能模块投入电压阈值和退出电压阈值；

16、步骤2，由主控制器判断当前钻井工况是否为起下钻工况，是，则进入下一步；否，则流程结束；

17、步骤3，当主控制器判断当前工况为起下钻工况时，给节能控制单元一个使能信号，节能模块将处于待命状态；

18、步骤4，节能控制单元实时监测直流母线的电压，当节能控制单元接到主控制器的使能信号后，判断直流母线的电压是否高于设定的节能模块投入电压阈值，是，则节能模块投入工作；否，则节能模块继续处于待命状态；

19、步骤5，节能模块投入工作后，节能控制单元判断直流母线电压是否低于设定的节能模块退出电压阈值，是，则节能模块退出工作；否，则节能模块继续工作；

20、步骤6，节能模块在工作投入状态时，同时监测并判断ac400v母线电压是否高于415v，是，则减少回馈能量；否，则保持当前回馈能量；

21、步骤7，当节能控制单元判断直流母线电压低于设定的节能模块退出电压阈值时，节能模块退出工作；

22、步骤8，钻机钻井完成后节能系统自动停机。

23、本发明的有益效果是：

24、本发明的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，当钻井为起下钻工况时，实现了直流母线电压高于设定的节能模块投入电压阈值时，节能模块自动投入工作；直流母线电压低于设定的节能模块退出电压阈值时，节能模块自动退出工作；回收变频电驱动钻机下钻时的机械能，并将其转换成电能实时用于mcc供电，回收利用的能量约占整个钻井周期能耗的5％。

技术特征：

1.一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，包括节能柜(3)、交流接触器(9)、变压器(10)、断路器(12)、主控制器(15)和ac400vmcc负载(14)；

2.根据权利要求1所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，所述节能柜(3)包括直流熔断器(4)、节能模块(5)、正弦波滤波器(6)和节能控制单元(7)；节能控制单元(7)通过通讯的方式控制节能模块(5)的工作，直流熔断器(4)用于能量回收利用系统的过流和短路保护。

3.根据权利要求2所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，所述节能模块(5)为有源pwm脉宽调制igbt三相逆变桥，当直流母线(1)电压升高时，将再生制动能量逆变成600v交流电，通过交流接触器(9)、变压器(10)和断路器(12)回馈到ac400v母线(13)。

4.根据权利要求2所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，所述交流接触器(9)通过节能控制单元(7)控制其通断，交流接触器(9)通过ac600v电缆(8)连接正弦波滤波器(6)和变压器(10)原边。

5.根据权利要求2所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，所述主控制器(15)通过通讯电缆(16)与节能控制单元(7)进行通讯，为节能控制单元(7)提供控制通道。

6.根据权利要求1所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，所述节能柜(3)通过直流铜排(2)或电缆连接变频器直流母线(1)；

7.一种变频电驱动钻机能量回收利用系统的控制方法，采用权利要求1～6所述的一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，其特征在于，具体按以下步骤实施：

技术总结
本发明公开了一种变频电驱动钻机能量回收利用系统，包括节能柜、交流接触器、变压器和断路器；节能柜内的节能模块接在变频器直流母线上，在下钻过程中绞车下放时，节能模块根据设定直流电压阈值投入工作，将直流电逆变为AC600V交流电，通过正弦波滤波器、交流接触器、变压器和断路器连接至AC400V母线，将下放制动能量回馈到AC400V母线，由AC400VMCC负载即时消耗掉，减少钻机主变压器端供应的能量，从而降低了钻机能耗，实现了能量的回收利用；本发明还公开了一种变频电驱动钻机能量回收利用系统的控制方法。

技术研发人员：郭振东,张鹏飞,安建钧,侯忠奎,高平
受保护的技术使用者：宝石电气设备有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15