一种使用双电层电容器的钻井变频驱动系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，包括连接钻井电机的钻具设备，配备绞车电机的绞车；绞车电机和钻井电机分别通过绞车电机变频器和钻具电机变频器接在直流母线上；直流母线上通过DC‑DC变换器连接了一个双电层电容器，直流母线上还通过一个制动斩波器连接刹车电阻。绞车电机在启动和加速状态下，双电层电容器用于绞车电机的供电；绞车电机在释放制动电能状态下，双电层电容器通过直流母线进行充电。当双电层电容器充满后，由刹车电阻消耗额外的制动电能。本实用新型专利技术的优点是能为绞车的提升提供更多的可用功率；刹车电阻容量可大幅减小；同时允许发电机以更平稳的输出功率运行；保证了作业效率，并起到了对钻井电负荷削峰填谷的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钻井平台，更具体地说，涉及采用变频器驱动钻井系统的钻井平台。
技术介绍
钻井绞车作为钻井平台钻井系统必须配置的设备之一，其功能是提升和下放顶驱，并通过顶驱连接钻杆来完成起钻和下钻作业。在下放过程中系统进行制动刹车操作时，绞车电机相当于发电机，往电网回馈电能，在提升过程中则消耗电能。变频驱动系统因采用不可控二极管整流单元而不能将绞车电机制动产生的电能回馈到上一级交流主电网，因此传统的钻井变频驱动系统必须且仅能依靠接入刹车电阻来消耗回馈的电能。由于刹车电阻的抗腐蚀性较差，通常情况下它们布置于平台上的封闭处所，此时通过风冷方式冷却刹车电阻的效果较差，因此平台上需要提供大量冷却水来冷却刹车电阻。另一方面，为提高钻井作业效率，钻井绞车在提升作业初期会有一个短暂加速的过程，此时电机大幅增加扭矩输出，为避免骤加的负荷可能使在线发电机过载超速而停车或导致电网压降过大，平台电站系统需要确保足够多台数的发电机在线运行。传统的钻井变频驱动装置会存在以下问题：1、钻井平台运营经济性未达到最优化，足够台数的发电机在线运行虽然确保了钻井作业的效率，但是当钻井绞车平稳提升或作业间隙时，用电总负荷量将大幅下降，发电机将以低输出功率状态运行，此时柴油机的油耗不经济。在整个起钻作业中，随着钻井绞车提升、待机、下放等工况不断地转换，发电机始终在输出功率宽幅频繁震荡中运行，降低了柴油机组的稳定性。2、再生能量浪费，不环保，下钻时绞车电机处于能耗制动状态，这部分能量没有回馈到电网得到利用而被刹车电阻消耗掉；同时刹车电阻产生的热量需要大量冷却水来冷却，加大了资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术使用双电层电容器作为钻井变频驱动系统的蓄能装置，其目的是解决传统钻井平台制动能量浪费和钻井绞车加速提升作业中的功率需求问题。为了达到上述目的，本专利技术提供一种使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，包括连接钻井电机的钻具设备，以及实现所述钻具设备提升和下放、配备绞车电机的绞车；所述绞车电机和钻井电机分别通过绞车电机变频器和钻具电机变频器接入供电作用的直流母线；所述直流母线上通过DC-DC变换器连接了一个双电层电容器。所述双电层电容器，选用情况：厂家Maxwell，型号：125Vheavytransportationmoudle，若干组。优选方式下，所述直流母线上还通过一个制动斩波器连接刹车电阻。此外，所述绞车电机在启动和加速状态下，所述双电层电容器用于所述绞车电机的供电；所述绞车电机在释放制动电能状态下，所述双电层电容器由直流母线充电。所述绞车电机的启动和加速状态包括1、绞车电机起钻过程下启动加速，正转，电容器放电；2、绞车电机起钻过程下进入匀速，正转，电容器放电完毕，停止放电；3、绞车电机下钻制动过程下反转，电容器充电；4、绞车电机下钻制动过程下反转，电容器充满，充电终止；5、绞车电机未通电，静止，电容器不充电也不放电；6、绞车电机未通电，静止，其他钻井设备运行，电容器放电；7、绞车电机未通电，静止，其他钻井设备运行，电容器放电完毕，停止放电。此外，所述绞车电机在释放制动电能状态下，当双电层电容器充满后，断开DC-DC变换器，导通制动斩波器，控制刹车电阻消耗额外的制动电能。本专利技术使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，包括连接钻井电机的钻具设备，以及实现所述钻具设备提升和下放、配备绞车电机的绞车；所述绞车电机和钻井电机分别通过绞车电机变频器和钻具电机变频器接入供电作用的直流母线；所述直流母线上通过DC-DC变换器连接了一个双电层电容器。所述直流母线上还通过一个制动斩波器连接一个刹车电阻。所述绞车电机在启动和加速状态下，所述双电层电容器用于所述绞车电机的供电；所述绞车电机在释放制动电能状态下，所述双电层电容器由直流母线充电，当双电层电容器充满后，断开DC-DC变换器，导通制动斩波器，控制刹车电阻消耗额外的制动电能。本专利技术的优点如下：1、相同电站容量下，本专利技术能为绞车的提升提供更多的可用功率，进而提升了起钻作业效率，节省钻井平台的作业时间。2、本专利技术中所需配置的刹车电阻容量较传统钻井变频系统大幅减小，降低了对平台冷却系统的冷却能力需求。3、本专利技术允许发电机以更平稳的输出功率运行，使得发电机更接近的工作在最佳油耗点上，可以降低发电机的油耗。4、本专利技术不但提高了钻井绞车的可用功率，保证了作业效率，还起到了对钻井电负荷削峰填谷的作用，为电网提供缓冲保护。附图说明图1是使用双电层电容器作为钻井变频系统设计示意图。图中，1、整流器，2、DC-DC变换器，3、制动斩波器，4、绞车电机变频器，5、直流母线，6、刹车电阻，7、双电层电容器，8、绞车电机，9、钻井电机，10、钻具电机变频器。具体实施方式如图1所示，起钻作业时，钻具从静止开始提升，绞车从制动状态转换为正转加速，绞车电机变频器4控制绞车电机8增加扭矩输出，此时导通直流母线5上连接双电层电容器7的DC-DC变换器2，双电层电容器7放电并为绞车电机8提供大脉冲电能，增加了绞车的可用功率，可以满足绞车电机8大扭矩输出时的功率需求。当钻井绞车停止加速进入悬停制动间歇，此时双电层电容器7停止放电并通过直流母线5进行充电，充满电后等待下一轮提升作业周期；下钻作业时，钻具下降，绞车电机8制动再生电能，此时导通DC-DC变换器2为双电层电容器充电，储存的电能可供绞车工作间隙时顶驱等设备的使用。当双电层电容器7充满后，断开DC-DC变换器2，导通制动斩波器3，控制刹车电阻6将额外的制动电能消耗掉。当钻具下降到合适位置时，钻具电机变频器10导通，钻具电机9开始工作。本专利技术中的双电层电容器(electronicdoublelayercapacitor)，是拥有高能量密度的电化学电容器，有远高于电池的功率密度，具有快速充放电特性。由于钻井绞车为间歇性工作，工作间歇可以满足双电层电容器的充电时间要求。以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术披露的技术范围内，根据本专利技术的技术方案及其专利技术构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，包括连接钻井电机(9)的钻具设备，以及实现所述钻具设备提升和下放、配备绞车电机(8)的绞车；所述绞车电机(8)和钻井电机(9)分别通过绞车电机变频器(4)和钻具电机变频器(10)接入供电作用的直流母线(5)；其特征在于，所述直流母线(5)上通过DC‑DC变换器(2)连接了一个双电层电容器(7)。

【技术特征摘要】
1.一种使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，包括连接钻井电机(9)的钻具设备，以及实现所述钻具设备提升和下放、配备绞车电机(8)的绞车；所述绞车电机(8)和钻井电机(9)分别通过绞车电机变频器(4)和钻具电机变频器(10)接入供电作用的直流母线(5)；其特征在于，所述直流母线(5)上通过DC-DC变换器(2)连接了一个双电层电容器(7)。2.根据权利要求1所述使用双电层电容器的钻井变频驱动系统，其特征在于，所述直流母线(5)上还通过一个制动斩波器(3)连接刹车电阻(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：林树良，刘跃强，王忠，王笑虹，李达，马学娜，
申请(专利权)人：大连船舶重工集团有限公司，
类型：新型
国别省市：辽宁;21