一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；所述转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统。其优点表现在：本发明专利技术的一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。

A Gas Wellhead Pressure Energy Generation System and Variable Speed Constant Frequency Generation Control Method

The invention relates to a natural gas wellhead pressure energy power generation system, which comprises a speed sensor, a bidirectional converter, a calculation control unit, a winding three-phase asynchronous generator, a power grid and a transformer; the speed sensor, a bidirectional converter, a calculation control unit and the rotors of a winding three-phase asynchronous generator form a closed-loop controlled variable speed constant frequency power generation system. Unification. The advantages of the invention are as follows: a natural gas wellhead pressure energy generating system and a variable speed constant frequency generating control method can reduce the rectifier inversion link, adopt the variable speed constant frequency generating system and control method, so that the generator can produce the same current as the grid frequency in a wide range of wellhead natural gas flow, and directly connect to the grid after the variable voltage, for user's use.

【技术实现步骤摘要】
一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法
本专利技术涉及天然气余压能
，具体地说，是一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法。
技术介绍
建设“清洁低碳、安全高效”的现代化能源体系为目标，是中国能源系统从化石能源向可再生能源转型的可行路径和必要步骤。天然气井口压力能开采周期长蕴藏丰富，属于清洁能源，如果天然气井口的压力能被有效经济的开采，不仅能够提升企业收益，而且能够推进企业的绿色发展。在天然气井生产初期，井口采气树出口压力为20～70MPa，为达到输出压力，需要对高压天然气进行节流减压处理，压力能在节流过程中损失，未被利用。现有的天然气井口压力能主要利用形式为发电，一个天然气矿场有若干口天然气井且分布零散。但现有技术中，井口天然气压力能回收后发电质量不高，并网外输困难且并网设备价格高昂。如果采取有效措施提高发电质量降低并网成本，对于减少资源的浪费、提高天然气矿场企业效益有重要意义。中国专利文献CN201310260259.5，CN201610130532.6，CN201620256012.5，CN201210020153.3，CN201220028663.0公开了天然器余压能相关发电的技术方案，上述专利井口天然压能发电基本方案：井口天然气压力能→膨胀机→发电机，将井口采天然气压力能转换为膨胀机转子旋转机械能及后续发电，但是存在以下缺陷和不足：发电机并网运行时，要求发电机的输出频率与电网频率相同，上述专利未阐述其发电机输出频率是否与电网频率一致，同时现有天然气井口压能发电技术中未提及一种变工况恒频发电技术。井口采出天然气流量不稳定存在波动，在不影响天然气开采的情况下，回收压力能的膨胀机输出一个不恒定的转速给发电机。现有发电技术中，井口天然压能发电系统的电机很难实现输出与电网频率相同的电流，需整流逆变后才能并网外输，供用户使用。但现有发电技术中的整流逆变环节，要消耗一部分电能，导致发电系统效率不高，且整流逆变器价格昂贵，不经济。因此亟需一种天然气井口压力能发电系统，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，提供一种天然气井口压力能发电系统，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。本专利技术的再一的目的是，提供一种利用天然气井口压力能发电系统发电系统的变速恒频发电控制方法。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；所述的转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。作为一种优选的技术方案，所述的发电系统包括天然气井、一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀；所述的天然气天然气井通过管道与一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀依次顺序连接；所述膨胀机的输出轴通过联轴器与绕线型三相异步发电机连接；所述的绕线型三相异步发电机的定子依次与变压器和三相工频的电网连接，并且绕线型三相异步发电机的转子依次与双向变流器和变压器、三相工频的电网连接。作为一种优选的技术方案，所述的绕线型三相异步发电机的转子还与转速传感器、计算控制单元，双向变流器依次连接。作为一种优选的技术方案，所述的转速传感器用于实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速；所述的双向变流器：在计算控制单元的作用下，调整绕线型三相异步发电机转子励磁电流频率，保持绕线型三相异步发电机的定子和转子输出的频率不变，使绕线型三相异步发电机输出电流的频率与电网相同；所述的计算控制单元用于比较输入的同步转速信号和转速传感器信号，并得到一个偏差信号，并依据偏差信号控制双向变流器馈入绕线型三相异步发电机转子电流频率的大小；所述的绕线型三相异步发电机用于将膨胀机转子旋转机械能转化为电能。为实现上述第二个目的，本专利技术采取的技术方案是：一种天然气井口压力能变速恒频发电控制方法，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；当转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电机的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。作为一种优选的技术方案，当井口采出天然气流量波动时，绕线型三相异步发电机的转子转速也随之变动；当转速传感器监测到绕线型三相异步发电机的转子转速产生变化时，并把转速信号传递给计算控制单元，计算控制单元通过双向变流器来调节使定子电流频率和电网频率保持恒定不变。作为一种优选的技术方案，依据绕线型三相异步发电机的转子转速处于同步、亚同步、超同步情况，在计算控制单元控制下，双向变流器向转子馈入不同大小和向序的电流频率，保证绕线型三相异步发电机发出的电流频率与电网频率相同。作为一种优选的技术方案，在对天然气井口压力能变速恒频发电之前，需要对井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程。作为一种优选的技术方案，井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送流程如下：高压天然气从天然气井口采出，输送至一级针型调压阀调压，然后在水套炉中加热，随后膨胀机把高压天然气的压力能转换为转子旋转机械能，在膨胀机减压后的天然气进入二级针型调压阀调压，最后把减压后的天然气输送到集输管汇，完成井口采出高压天然气的压力能收集与减压外输送。本专利技术优点在于：1、本专利技术的一种天然气井口压力能发电系统及变速恒频发电控制方法，减少整流逆变环节，采用变速恒频发电系统及控制方法，使发电机在较宽的井口天然气流量变化范围内，产出与电网频率相同的电流，经变压后直接并网外输，供用户使用。2、对天然气的开采影响小，在回收天然气压力能发电的同时，减少整流逆变环节，避免电流损耗，发电系统效率得到提高；经济性好，闭环控制的变速恒频发电系统的变流器所需的变频器容量小、价格低。3、整个发电系统体积小，质量轻，模块化，易于在采气井口有限的场地内安装和使用。4、变工况适应性好，闭环控制的变速恒频发电系统能保持在较宽的井口天然气流量变化范围内捕获天然气压力能，提高了天然气压力能的利用率。附图说明附图1是本专利技术的一种天然气井口压力能发电系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的具体实施方式作详细说明。附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1.天然气井2.一级针型调压阀3.水套炉4.膨胀机5.二级针型调压阀6.绕线型三相异步发电机7.双向变流器8.变压器9.转速传感器10.计算控制单元实施例1请参照图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；其特征在于，所述的转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。

【技术特征摘要】
1.一种天然气井口压力能发电系统，所述的发电系统包括转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机、电网、变压器；其特征在于，所述的转速传感器、双向变流器、计算控制单元、绕线型三相异步发电机的转子形成一个闭环控制的变速恒频发电系统，转速传感器实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速，并把转速信号传递给计算控制单元；转速偏离预定值时，计算控制单元依据转速变化大小，控制双向变流器馈入对应的电流频率给绕线型三相异步发电的转子，来调整转子励磁电流频率，使绕线型三相异步发电机输出与电网频率相同的电流，最后通过变压器变压再并网，供用户使用。2.根据权利要求1所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的发电系统还包括天然气井、一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀、管道、联轴器；所述的天然气天然气井通过管道与一级针型调压阀、水套炉、膨胀机、二级针型调压阀依次顺序连接；所述膨胀机的输出轴通过联轴器与绕线型三相异步发电机连接；所述的绕线型三相异步发电机的定子依次与变压器和三相工频的电网连接，并且绕线型三相异步发电机的转子依次与双向变流器和变压器、三相工频的电网连接。3.根据权利要求2所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的绕线型三相异步发电机的转子还与转速传感器、计算控制单元，双向变流器依次连接。4.根据权利要求2所述的天然气井口压力能发电系统，其特征在于，所述的转速传感器用于实时监测绕线型三相异步发电机的转子转速；所述的双向变流器：在计算控制单元的作用下，调整绕线型三相异步发电机转子励磁电流频率，保持绕线型三相异步发电机的定子和转子输出的频率不变，使绕线型三相异步发电机输出电流的频率与电网相同；所述的计算控制单元用于比较输入的同步转速信号和转速传感器信号，并得到一个偏差信号，并依据偏差信号控制双向变流器馈入绕线型三相异步发电...

【专利技术属性】
技术研发人员：田野，聂磊，周雄，杨宇，纪成香，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50