用于远程监视装置的能量收集系统.pdf

本发明涉及用于远程监视装置的能量收集系统。该系统可以包括热电装置，该热电装置可以将热能转换成电能。该系统还可以包括管道接口，其可以被布置在管道上，以使得经由该管道接口将从管道散发的热能热传导至热电装置。该系统还可以包括监视系统，其可以包括一个或更多个传感器，该传感器可以测量与油田部件相关联的一个或更多个属性。该监视系统可以从热电装置接收电能。

权利要求书1.  一种系统，包括：热电装置，其被配置成将热能转换成电能；管道接口，其被配置成布置在管道上，其中，经由所述管道接口将从所述管道散发的热能热传导至所述热电装置；以及监视系统，其包括一个或更多个传感器，所述传感器被配置成测量与油田部件相关联的一个或更多个属性，并且其中，所述监视系统被配置成从所述热电装置接收电能。2.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括呈弧形的第一侧。3.  根据权利要求2所述的系统，其中，所述弧形基本上与所述管道的形状的一部分匹配。4.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括紧固件，所述紧固件包括被配置成将所述管道接口耦接至所述管道的环形形状。5.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括突起，其中，所述热电装置的基部被配置成耦接至所述突起。6.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括具有与所述热电装置的基部基本上相同的表面积的突起。7.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括黄铜、铝或其任意组合。8.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道接口包括导热金属。9.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器包括一个或更多个压力传感器、一个或更多个温度传感器、一个或更多个填充水平传感器、一个或更多个流量传感器或其任意组合。10.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述监视系统被封闭在防爆容器中。11.  一种电路，包括：滤波部件，其被配置成从热电装置接收电能；能量存储装置，其被配置成经由所述滤波部件接收电能，其中，所述 能量存储装置被配置成输出连续的直流(DC)电压；传感器，其被配置成：经由所述能量存储装置接收DC电压，其中，所述DC电压被配置成向所述传感器供电；获取与油田部件的一个或更多个属性相关联的数据；以及将所述数据发送到另一监视系统或者路由器。12.  根据权利要求11所述的电路，其中，所述滤波部件被配置成：当所述能量存储装置包括小于第一阈值的电荷量时，将电能耦接至所述能量存储装置。13.  根据权利要求12所述的电路，其中，所述滤波部件被配置成：当电荷量大于第二阈值时，将电能与所述能量存储装置去耦。14.  根据权利要求11所述的电路，其中，所述电能包括未滤波的DC电压。15.  根据权利要求11所述的电路，其中，所述DC电压是连续的。16.  根据权利要求11所述的电路，包括防爆容器，其被配置成封闭所述滤波部件、所述能量存储装置以及所述传感器。17.  一种设备，包括：热电装置，其被配置成将热能转换成电能；管道接口，其耦接至所述热电装置，其中，所述管道接口被配置成布置在管道上，并且其中，经由所述管道接口将从所述管道散发的热能热传导至所述热电装置；以及紧固件，其被配置成将所述管道接口耦接至所述管道。18.  根据权利要求17所述的设备，其中，所述管道接口包括呈弧形的第一侧，所述弧形基本上与所述管道的形状的一部分匹配。19.  根据权利要求17所述的设备，其中，所述紧固件包括被配置成与所述管道的形状的一部分匹配的环形形状。20.  根据权利要求17所述的设备，其中，所述管道接口包括突起，所述突起被配置成耦接至所述热电装置的基部。

说明书用于远程监视装置的能量收集系统
技术领域
本公开总体涉及为在油田环境中采用的无线传感器网络生成能量。更具体而言，本公开涉及在油田环境中采用能量收集系统。
背景技术
由于碳氢化合物是从油田和/或天然气田中的碳氢化合物储层中提取的，因此可以将所提取的碳氢化合物经由管道网输送到各种类型的装备、储罐等。例如，可以将所提取的碳氢化合物从井场经由管道网输送到各种处理站，处理站可以进行各阶段的碳氢化合物处理，以使所生产的碳氢化合物能够被使用或者被输送。
可以在井场处或者在管道网沿线的各种位置处收集与所提取的碳氢化合物相关的或者与输送、存储或者处理所提取的碳氢化合物的装备相关的信息。这个信息或者数据可以被用于确保井场或者管道安全运行并且所提取的碳氢化合物具有某个期望的量(如流量、温度)。可以使用监视装置来获取与所提取的碳氢化合物相关的数据，监视装置可以包括获取数据的传感器以及将该数据发送到计算装置、路由器以及其他监视装置等的发射器，以使得井场人员和/或场外人员可以查看并且分析该数据。
为了监视或者感测数据，传感器使用能源如电池来接收电力以进行其监视工作。某些无线传感器可以使用电池作为电源，以将由传感器获取的数据发送给其他传感器、计算装置、路由器等。然而，由于存储在电池中的能量有限，因此，现在人们认识到用于从传感器的周围环境收集能量的系统和方法是可取的。
发明内容
在一个实施方式中，一种系统可以包括热电装置，该热电装置可以将热能转换成电能。该系统还可以包括管道接口，该管道接口可以被布置在管道上，以使得经由该管道接口将从管道散发的热能热传导至热电装置。 该系统还可以包括监视系统，该监视系统可以包括一个或更多个传感器，该传感器可以测量与油田部件相关联的一个或更多个属性。该监视系统可以从热电装置接收电能。
在另一实施方式中，电路可以包括滤波部件，该滤波部件可以从热电装置接收电能。该电路还可以包括能量存储装置，该能量存储装置可以经由滤波部件接收电能，以使得该能量存储装置可以输出连续的直流(DC)电压。该电路还可以包括传感器，该传感器可以经由能量存储装置接收DC电压，以使得该DC电压可以向传感器供电。该传感器可以获取与油田部件的一个或更多个属性相关联的数据并且将该数据发送到另一监视系统或者路由器。
在又一实施方式中，设备可以包括热电装置，该热电装置可以将热能转换成电能。该设备还可以包括管道接口，该管道接口可以被耦接至热电装置，以使得该管道接口可以被布置在管道上。然后，可以经由管道接口将从管道散发的热能热传导至热电装置。该设备还可以包括紧固件，该紧固件可以将管道接口耦接至管道。
附图说明
在参照附图阅读如下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，贯穿附图，相似的附图标记表示相似的部分，在附图中：
图1示出了根据在本文中呈现的实施方式的可以生产并且处理碳氢化合物的示例碳氢化合物现场的示意图；
图2示出了根据在本文中呈现的实施方式的能量收集系统的立体图，该能量收集系统可以与图1的碳氢化合物现场中布置的监视系统一起被采用；
图3示出了根据在本文中呈现的实施方式将图2的能量收集系统耦接至图1的碳氢化合物现场中布置的监视系统的立体图；以及
图4示出了根据在本文中呈现的实施方式的电路的框图，该电路可以是图1的碳氢化合物现场中布置的监视系统的一部分。
具体实施方式
下面将对一个或更多个具体实施方式进行描述。为了对这些实施方式提供简明的描述，在说明书中没有对实际实现的所有的特征都进行描述。应该理解的是，在任何这样的实际实现的开发中，如同在任何工程或者设计项目中那样，必须做出无数特定于该实现的决定以达到开发者的具体目标，如遵守与系统相关并且与业务相关的约束条件，约束条件从一个实现到另一个实现可以各不相同。而且，应该理解的是，这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员来说，仍然是设计、加工以及制造的例行工作。
当介绍本发明的各种实施方式的元件时，无数量限定的数量词以及“所述”意在表示存在一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意为包括性的，并且意味着除了所列出的元件之外，还可以存在另外的元件。
本公开内容的实施方式总体涉及用于向在碳氢化合物生产和/或处理现场中采用的监视系统的传感器和/或发射器供电的改进的系统和方法。通常，碳氢化合物生产和/或处理现场可以包括装备如千斤顶、电泵、歧管收集中心、分离器、储存罐、管道等。由于碳氢化合物生产/处理现场位于不容易到达的偏远地区并且可能包括大范围的区域(如陆地或者海洋)，因此贯穿碳氢化合物生产/处理现场可能没有随时可用的电源。而且，为了监视广阔的碳氢化合物生产/处理现场，在贯穿碳氢化合物生产/处理现场的各种位置处放置监视系统，以便为远程用户提供与装备的属性、碳氢化合物等相关的信息以供查看和分析。
每个监视系统可以包括传感器，传感器获取与碳氢化合物生产相关或者与处理碳氢化合物的装备相关联的数据。监视系统还可以包括发射器，发射器可以将由传感器获取的数据发送给路由器、另一监视系统、计算装置等。由于电源在碳氢化合物生产/处理现场处可能不是随时可用的，因此电池可以向监视系统的传感器和发射器供电。然而，存储在电池中的能量有限并且存储在电池中的电压会逐渐降低，使得电池不能为监视系统的部件提供足够的电量。因此，技师可以有规律地访问监视系统所可以位于的远程位置，以检查电池的状态或者更换监视系统的电池。
然而，有规律地检查状态或者更换电池可能增加与监视碳氢化合物生产/处理现场相关联的成本，并且还可能低效率地使用技师的时间。因此，在一个实施方式中，可以用能量收集装置而不是电池来向监视系统供电。亦即，可以将能量收集装置如热电装置耦接至位于碳氢化合物生产/处理 现场中的热能源处。热能源可以包括例如将所提取的碳氢化合物从井输送到碳氢化合物生产/处理现场中的各件装备的管道。能量收集装置可以将跨能量收集装置的表面的温度差转换成电能，该电能可以被输出到可以收集与生产或者处理所提取的碳氢化合物相关的数据的监视系统。
在某些实施方式中，可以将能量收集装置耦接至弧形导热接口，弧形导热接口可以被耦接至圆柱形的管道。因此，弧形导热接口可以在物理上与管道的弯曲部分接触，以确保从管道的弯曲部分散发的热能可以被有效地传递到能量收集装置。
而且，由于碳氢化合物生产/处理现场通常可以分类为危险场所，这里可能存在集中的易燃气体、蒸气或者粉尘，因此，可以将能量收集器和监视系统封闭在防爆容器中，以确保可以将来自能量收集器和监视系统的带电部件的任何电荷容纳在防爆容器中。因此，在一个实施方式中，监视系统可以包括滤波电路，该滤波电路可以从能量收集中接收电能，对该电能进行滤波，并且将经滤波的电能存储在电池中等。通过将滤波电路合并在监视系统中并且通过将监视系统封闭在防爆外壳中，能量收集器可以安全地向可以被布置在危险环境中的监视系统中的传感器和发射器供电。
通过介绍，图1示出了示例碳氢化合物现场10的示意图。碳氢化合物现场10可以是以下区域：碳氢化合物如原油和天然气可以被从地下提取、被处理和被存储。因此，碳氢化合物现场10可以包括多个井，以及可以对从井中提取的碳氢化合物的流动进行控制的多个井装置。在一个实施方式中，碳氢化合物现场10中的井装置可以包括千斤顶12、潜水泵14、井树16等。在经由井装置从表面提取碳氢化合物之后，所提取的碳氢化合物可以被分配到其他装置如井口分配歧管18、分离器20、储罐22等。在碳氢化合物现场10处，千斤顶12、潜水泵14、井树16、井口分配歧管18、分离器20以及储罐22可以经由管道网24而被连接在一起。因此，从储层提取的碳氢化合物可以经由管道网24而被输送到碳氢化合物现场10处的各种位置。
当井的井底洞压不足以将碳氢化合物提取至表面时，千斤顶12可以机械地将该碳氢化合物(如石油)提升出井。潜水泵14可以是可以浸入碳氢化合物液体中的组件，该碳氢化合物液体可以被泵送。因此，潜水泵14可以包括密封式电动机，以使得液体不能穿透密封层而进入电动机中。此外，密封式电动机可以将碳氢化合物从地下区域或者储层推送到表面。
井树16或者采油树可以是阀、管以及被用于天然自流井的小配件的 组件。因此，井树16可以被用于油井、气井、注水井、水处理井、注气井、凝液井等。井口分配歧管18可以收集碳氢化合物，其可能已经由千斤顶12、潜水泵14以及井树16所提取，以使得所收集的碳氢化合物可以被送至碳氢化合物现场10中的各种碳氢化合物处理区域或者存储区域。
分离器20可以包括压力容器，压力容器可以将从油井和气井生产的井流体分离成分离的气体成分和液体成分。例如，分离器20可以将由千斤顶12、潜水泵14或者井树16提取的碳氢化合物分离成石油成分、天然气成分以及水分。在分离了碳氢化合物之后，可以将每种分离的成分存储在特定的储罐22中。存储在储罐22中的碳氢化合物可以经由管道24而被输送到输送交通工具、精炼厂等。
碳氢化合物现场10还可以包括监视系统26，监视系统26可以被放置在碳氢化合物现场10中的各种位置处，以监视或者提供与碳氢化合物现场10的某些方面相关的信息。因此，监视系统26可以是控制器、远程终端单元(RTU)或者可以包括通信能力、处理能力等的任何计算装置。监视系统26可以包括传感器或者可以被耦接至各种传感器，该传感器可以监视与碳氢化合物现场10处的部件相关联的各种属性。接着，监视系统26可以分析与该部件相关联的各种属性并且可以控制该部件的各种工作参数。例如，监视系统26可以测量碳氢化合物现场10中的井或者部件(如储罐22)的压力或者压差。监视系统26还可以测量在碳氢化合物现场10中的部件内部存储的物质的温度、由碳氢化合物现场10中的部件提取的或者处理的碳氢化合物的量等。监视系统26还可以测量存储在部件如储罐22中的碳氢化合物的物位或者量。在某些实施方式中，监视系统26可以是由德克萨斯州休斯顿市(Houston，Texas)的公司制造的iSens-GP压力发射器、iSens-DP压力差发射器、iSens-MV多元发射器、iSens-T2温度发射器、iSens-L物位发射器或者Isens-IO弹性I/O发射器。
在一个实施方式中，监视系统26可以包括传感器，其可以测量压力、温度、填充水平、流量等。监视系统26还可以包括发射器如无线电发射器，该无线电发射器可以经由天线等对由传感器获取的数据进行发送。在一个实施方式中，监视系统26中的传感器可以是无线传感器，该无线传感器能够在多个监视系统26之间接收和发送数据信号。为了给传感器和发射器供电，监视系统26可以包括电池或者可以被耦接至连续的电源。 由于监视系统26可能被安装在条件恶劣的户外和/或易爆的危险环境中，因此可以将监视系统26封闭在防爆容器中，该防爆容器可以达到由美国电气制造商协会(NEMA)等建立的某些标准，如NEMA 4X容器、NEMA7X容器等。
监视系统26可以将由传感器获取的数据或者由处理器处理的数据发送到其他监视系统、路由器装置、数据采集与监视控制(SCADA)装置等。因此，监视系统26可以使用户能够监视碳氢化合物现场中的各种部件的各种属性而无需在物理上位于相应的部件附近。
在一个实施方式中，监视系统26可以被耦接至能量收集装置，该能量收集装置可以从其周围环境收集能量并且使用所收集的能量来生成电能。例如，图2示出了可以从在碳氢化合物现场10内的各种位置处可用的热能来生成电能的示例能量收集系统30。如图2所示，能量收集系统30可以包括热电装置32、管道接口34以及紧固件36。如上所述，热电装置32可以将热电装置32两侧上的温度差转换成电能如电压。通常，跨热电装置32而施加的温度梯度可以使热电装置32中的电荷载体从具有较高温度的一侧传播或者行进到具有较低温度的一侧。因此，热电装置32可以基于热电装置32的两侧之间的温度差而输出未滤波的(即不连续的、波动的)电压。在一个实施方式中，未滤波的电压可以是基于由热电装置32获取的能量而波动的直流(DC)电压。
如以上所讨论的那样，热电装置32可以物理上耦接至碳氢化合物现场10中布置的管道24。管道24由于其中输送的碳氢化合物以及周围环境的温度等原因通常包括大量的热能。在一个实施方式中，管道接口34可以将热电装置32热耦接至由管道24生成的热量。因此，管道接口34可以由导热材料组成，该导热材料可以有效地将热能从一侧传递到另一侧。示例导热材料可以包括黄铜、铝或者具有相对高的导热性的任何其他金属。
如图2所示，管道接口34的第一侧38可以包括突起39，该突起39可以被耦接至热电装置32的基部40。突起39的上表面可以是扁平的，以使得其可以被耦接至热电装置32的基部40的扁平的一侧，由此使可以与管道接口34接触的热电装置32的表面积最大化。另外，由于热是贯穿管道接口34而散发的，因此管道接口34可以被设计成使得最小量的材料被用于管道接口34的不包括突起39的部分。因此，经由管道接口34接收的热能的最大量可以提供给热电装置32。
在一个实施方式中，管道接口34的突起39可以被设计成使得热电装置32的基部40的表面可以基本上与管道接口34的突起39的表面对齐。亦即，可以将热电装置32的基部40布置在管道接口34的突起39的表面上，以使得热电装置32的基部40的表面区域可以在物理上接触到管道接口34的突起39的表面区域的大部分。
管道接口34的第二侧42可以呈弧形，以使得管道接口34的第二侧42可以与管道24的弧形或者圆柱形的一部分匹配。通过具有与管道24相同的弧形，管道接口34可以覆盖管道24的一部分的表面区域的大部分。接着，在管道24的这部分的表面处生成的热能可以通过管道接口34的突起39散发到热电装置32。
如图3所示，当管道接口34被放置在管道24上时，紧固件36可以环绕管道24而耦接。因此，紧固件36可以使管道接口34能够固定在管道24上。在一个实施方式中，管道接口34可以固定在管道24的顶部，以使通过管道接口34传导的热能的量最大化，这是由于热能通常向上升。以这种方式，管道接口34可以有效地将从管道24生成的热能热传导到热电装置32。紧固件36可以用任何金属材料制成，并且可以形成环形形状，该环形形状可以与管道24的弧形或者圆柱形匹配。紧固件36可以使用任何类型的紧固部件如螺钉、螺母等耦接至管道接口34。
图3示出了布置在管道24上并且耦接至监视系统26的能量收集系统30的立体图50。在一个实施方式中，热电装置32可以经由线缆52将电能输出到监视系统26。线缆52可以由任何导电材料组成，该导电材料可以将由热电装置32生成的电能传递到监视系统26。
在一个实施方式中，可以经由热分接或者压力分接而将监视系统26耦接至管道24，以使得可以在不中断管道24内的物质的流动的情况下将监视系统26的传感器连接至管道24。在任何情况下，监视系统26中布置的传感器可以包括压力传感器、流量传感器、温度传感器等。如上所述，监视系统26中的传感器可以是能够在监视系统26、路由器、计算装置等之间接收和发送数据信号的无线传感器。同样，如上所述，监视系统26还可以包括发射器，其可以将由传感器获取的数据发送到其他监视系统26、路由器、计算装置等。无线传感器和发射器可以经由天线54发送和接收数据信号。天线54可以是电气装置，其可以将由传感器获取的数据转换成数据信号如可以通过空气发送的无线电波。
为了向监视系统中布置的传感器和发射器供电，来自管道24的热能 可以通过管道接口34散发到热电装置32。周围空气或者环境可能比管道24的温度低。因此，热电装置32可以使用周围空气与管道24之间的温度差来生成电能，其可以输出到耦接至监视系统26的线缆52。然而，如上所述，该电能可以是未经滤波的电压信号。有鉴于此，图4示出了可以对由热电装置32生成的电能进行滤波的电路60的框图，以使得电能可以被监视系统24内的部件使用。
现在参考图4，监视系统26可以经由线缆52接收由热电装置32生成的电能。如上所述，由热电装置32输出的电能可能是未经滤波的电压信号。亦即，该电能可能不是连续的或者稳定的能源。在一个实施方式中，该未经滤波的电能可以被监视系统26内的滤波部件62接收。该滤波部件62可以包括低通滤波器，该低通滤波器可以从接收的电能对高频信号进行滤波。接着，滤波部件62可以输出经滤波的信号以给存储装置如电池充电。
滤波部件62可以包括某些电路如开关，其可以将由热电装置32输出的电能耦接到能量存储装置64。通过将由热电装置32输出的电能耦接到能量存储装置64，滤波部件62可以使由热电装置32输出的电能能够作为连续的和可靠形式的能量而被输出到电路60的部件。在一个实施方式中，能量存储装置64可以是任何类型的电池。在另一实施方式中，能量存储装置64可以是超级电容器，该超级电容器可以将由热电装置32输出的电能内的能量存储。
在将能量存储在能量存储装置64中之后，能量存储装置64输出可以向监视系统26中的各种电子部件供电的稳定的或者连续的DC电压。例如，能量存储装置64可以耦接至传感器66，其可以对应于可以测量压力、温度、填充水平、流量等的上述传感器。因此，能量存储装置64可以向传感器66提供连续的DC电压，以使得传感器66可以具有足够量的能量来从所监视的部件获取数据并且将该数据发送到发射器部件68或者天线54，发射器部件68或者天线54可以将由传感器获取的数据66发送到其他监视系统、路由器装置、数据采集与监视控制(SCADA)装置等。
还可以将能量存储装置64耦接至发射器部件68，该发射器部件68可以将从传感器66接收的数据进行发送。在一个实施方式中，发射器部件68可以将从传感器66接收的数据转换成数据分组、数据信号等，以使得发射器68可以经由天线54将从传感器66接收的数据发送到其他监视系统、路由器装置、数据采集与监视控制(SCADA)装置等。
还可以将能量存储装置64耦接至处理器70。处理器70可以包括可以分析或者处理数据的任何类型的处理器。例如，处理器70可以处理从传感器66接收的数据以确定在由传感器66监视的部件上是否存在任何警告条件等。在一个实施方式中，处理器70可以经由天线54将经处理的数据发送到其他监视系统、路由器装置、数据采集与监视控制(SCADA)装置等。
在某些实施方式中，滤波部件62可以监视能量存储装置64的电荷的量并且可以对能量存储装置64的充电进行管理。亦即，当能量存储装置64具有低于某个低阈值的电荷时，滤波部件62可以将由热电装置32输出的电能耦接到能量存储装置64，直到能量存储装置64的电荷达到某个较高阈值为止。当能量存储装置64的电荷达到较高阈值时，滤波部件62可以将由热电装置32输出的电能从能量存储装置64断开。
通过将滤波部件62和能量存储装置64包括在电路监视系统的26内，可以将滤波部件62和能量存储装置64封闭在可以在碳氢化合物现场10中使用的防爆容器中。亦即，监视系统26可以从本质上安全地与热电装置32一起使用，因为由热电装置32输出的电能可以容纳在监视系统26的防爆容器内。因此，热电装置32可以贯穿碳氢化合物现场10或者其他危险的区域使用。
虽然在本文中仅例示和描述了本发明的某些特征，但是对于本领域普通技术人员来说，可以进行很多修改和变化。因此，应该理解的是，所附权利要求意在覆盖落入本发明的真正的精神中的所有这样的修改和变化。