发电.pdf

上传人:b*** 文档编号:730174 上传时间:2018-03-08 格式:PDF 页数:34 大小:1.85MB
返回 下载 相关 举报
摘要
申请专利号:

CN200980130915.1

申请日:

2009.08.12

公开号:

CN102119256A

公开日:

2011.07.06

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):E21B 43/00申请公布日:20110706|||实质审查的生效IPC(主分类):E21B 43/00申请日:20090812|||公开

IPC分类号:

E21B43/00

主分类号:

E21B43/00

申请人:

因科基恩有限公司

发明人:

山姆·理查德·汉特; 布鲁斯·史蒂芬·珍昂

地址:

美国德克萨斯州阿比林市

优先权:

2008.08.14 US 61/188,943; 2009.04.30 US 12/433,240

专利代理机构:

北京法思腾知识产权代理有限公司 11318

代理人:

杨小蓉;高宇

PDF下载: PDF下载
内容摘要

根据本发明的技术方案,通过以下步骤实现发电:从产油井的井口收集废气,检测可以判断可用废气的变化的压力变化;以及,相应于可用废气的变化,调节原动机提供给发电机的扭矩,以改变发电机产生的电量。

权利要求书

1: 一种发电方法, 其特征在于, 所述方法包括 : 从产油井井口收集废气 ; 检测可以判断可用废气的变化的压力变化 ; 以及 相应于可用废气的变化, 调节原动机对发电机的扭矩, 以改变发电机的产电量。
2: 根据权利要求 1 所述的方法, 其特征在于, 所述方法进一步包括在用于向原动机提 供气流的储存器中储存废气。
3: 根据权利要求 1 所述的方法, 其特征在于, 所述方法进一步包括校准发电机产生的 电与有效输电网的功率之间的 AC 电压波形特征。
4: 根据权利要求 1 所述的方法, 其特征在于, 调节原动机所提供扭矩包括使用调节器 调节原动机的气流。
5: 根据权利要求 1 所述的方法, 其特征在于, 调节原动机所提供扭矩包括 : 相应于可用 废气的增加而增加原动机的气流, 以及相应于可用废气的减少而减少原动机的气流。
6: 根据权利要求 1 所述方法, 其特征在于, 调节原动机所提供扭矩包括 : 相应于检测压 力的增加而增加提供给原动机的调速器的脉冲宽度调制控制信号的占空比。
7: 根据权利要求 1 所述的方法, 其特征在于, 调节原动机所提供扭矩包括 : 相应于检测 压力的下降而降低加提供给原动机的调速器的脉冲宽度调制控制信号的占空比。
8: 一种发电控制系统, 其特征在于, 包括 : 控制电路, 所述控制电路用于接收可以判断从井口捕获气体的流速变化的信号, 并相 应于接收到的信号改变供给原动机的气体的流速。
9: 根据权利要求 8 所述的发电控制系统, 其特征在于, 进一步包括 : 用于检测两个 A.C. 电压波形之间的相位校正的相位比较器 ; 以及 用于相应于检测到的相位校正而调节脉冲宽度调制信号的占空比的脉冲宽度调制信 号发生器。
10: 根据权利要求 9 所述的发电控制系统, 其特征在于, 进一步包括 : 与所述控制电路、 相位比较器、 和脉冲宽度调制信号发生器连接的同步逻辑, 所述同步逻辑用于向所述脉冲宽度调制信号发生器提供控制信号, 以相应于相位比较 器检测到第一 A.C. 电压波形的相位相对于第二 A.C. 电压波形的相位领先而增加脉冲宽度 调制信号的占空比, 以及 相应于相位比较器检测到第一 A.C. 电压波形的相位相对于第二 A.C. 电压波形的相位 落后而降低脉冲宽度调制信号的占空比。
11: 根据权利要求 8 所述的发电控制系统, 其特征在于, 进一步包括 : 与所述控制电路连接、 并且用于相应于检测到的 A.C. 电压波形特征而产生输出信号 的传感电路。
12: 根据权利要求 11 所述的发电控制系统, 其特征在于, 所述传感电路用于向所述控 制电路提供相角、 频率、 和电压信息。
13: 根据权利要求 8 所述的发电控制系统, 其特征在于, 进一步包括 : 与所述控制电路连接、 并且用于产生可以判断从井口收集的气体的流速变化的信号的 传感电路。
14: 根据权利要求 13 所述的发电控制系统, 其特征在于, 所述传感电路包括压力传感 2 器。
15: 一种向有效电网输出功率的方法, 其特征在于, 所述方法包括 : 从井口收集废气 ; 向与发电机连接的原动机提供气体 ; 使发电机产生的功率与有效电网同步 ; 将发电机与有效电网连接 ; 检测从井口收集的气体的流速变化 ; 以及 相应于从井口收集的气体的流速变化而调节提供给原动机的气体的流速。
16: 根据权利要求 15 所述的方法, 其特征在于, 控制提供给原动机的气体的流速以接 近从井口收集的气体的流速。
17: 一种发电系统, 其特征在于, 包括 : 控制模块, 所述控制模块与发电机连接, 并且用于相应于燃料源的可用原料量的增加 而增加产电量, 以及相应于燃料源的可用原料量的减少而降低产电量, 所述发电机用于输出至少满足本地负载的需求部分的功率, 以及当产生的功率的量超 出本地负载的需求时向有效电网提供功率。
18: 根据权利要求 17 所述的发电系统, 其特征在于, 所述燃料源为油井。
19: 根据权利要求 17 所述的发电系统, 其特征在于, 所述燃料源为天然气井。
20: 根据权利要求 17 所述的发电系统, 其特征在于, 进一步包括 : 与发电机和所述控制模块连接、 并且用于检测故障情况的故障传感电路 ; 以及 连接发电机和有效电网的开关装置, 所述控制模块用于相应于所述故障传感电路检测 到故障情况而断开所述开关装置。 3 102119256 A CN 102119262 说 明 发电 书 1/14 页 与申请相关的交叉引用 [0002] 本申请要求 2008 年 8 月 14 日提交的第 61/188,943 号美国临时申请的申请日的 权益。通过引用, 第 61/188,943 号美国申请的内容作为本发明的部分而被整体包含。 [0001] 技术领域 [0003] 本发明涉及能量产生和守恒, 以及环境质量的改善, 具体地, 涉及由井口处收集的 气体产生电能。 背景技术 [0004] 最近全球变暖的趋势已将更多的注意集中在温室气体的排放和能量守恒。例如, 温室气体包括水蒸气、 二氧化碳、 臭氧、 一氧化二氮、 甲烷和含氯氟烃 (CFC)。最近的研究已 显示, 人类活动所导致的大气中温室气体浓度的增加极可能导致了大部分自 20 世纪中期 的全球平均温度上升。尽管比较各种气体对气候的影响的准确计量还在争论中, 但是联合 国政府间气候变化工作小组 (IPCC) 推荐的标准为使用二氧化碳作为参照点的全球变暖潜 能值 (GWP)。通常, 全球变暖潜能值提供了相对于每单位重二氧化碳的气体在一定时期内 对全球变暖的影响的指示。例如, 在所有时期内碳的 GWP 都为 1, 甲烷在 100 年的期限内的 GWP 为 25。因此, 在 100 年的时期内, 估计 1 公吨的甲烷的影响相当于 25 公吨的二氧化碳。 [0005] 例如, 温室气体源包括填埋物、 废水处理厂、 化工厂、 天然气加工厂、 天然气井、 和 油井。例如, 碳氢化合物的气体混合物通常指从天然油贮层泵出原油时释放的废气。这种 废气通常在油井处或附近排出或燃烧, 导致大气污染而无任何有益利用。 [0006] 存在减少或降低温室气体排出、 以及消除天然资源浪费的需求。 发明内容 根据本发明的技术方案, 通过以下步骤完成发电 : 从产油井的井口收集废气, 检测 可以判断可用废气的变化的压力变化, 相应于可用废气的变化调整原动机提供给发电机的 扭矩, 以改变发电机产生的电量。 [0008] 结合附图和以下说明阐明本发明的多种实施例的细节。 由说明和附图以及权利要 求, 本发明的其它特征、 目的和优点是显然的。 [0007] 附图说明 [0009] 图 1 为发电系统的系统框图。 [0010] 图 2 说明了包括调节器的发电系统的实施例。 [0011] 图 3 说明了包括储能罐的发电系统的实施例。 [0012] 图 4 为发电系统的系统状态框图。 [0013] 图 5 为自由运行模式的系统状态框图。 [0014] 图 6A 为负载连接序列的系统状态框图。

说明书


图 6B 为功率负载序列的系统状态框图。 图 7 为校正序列的系统状态框图。 图 8 为总线连接序列的系统状态框图。 图 9 为热电模式的系统状态框图。 图 10A ~ 10C 说明了 PID 算法的实例。 图 11 为自动发电控制系统的框图。 图 12 为具有断熔发电机的自动发电控制系统的框图。 图 13 为具有包括交换开关的混合保护装置的自动发电控制系统的框图。 图 14 为具有燃气轮机的自动发电控制系统的框图。 图 15 为可移动电厂的框图。

    具体实施方式
     典型地, 收集产油井的废气的可意识到的价值由于有限体积、 以有时缺少收集和 分配气体的基础结构而极低。在许多情况下, 废气收集的经济情况愿意以通过排放或燃烧 井口处或附近的气体、 而并非通过收集和分配处置来衡量。燃烧会导致不但影响大气而且 也引起附近居民的健康保健问题的污染。在一些地区, 在单独一年内燃烧的气体量可以提 供该区域内的城市、 和 / 或整个区域主要时间内的能量。除了环境影响外, 排出或燃烧井口 气体导致浪费自然资源。收集井口处的气体、 并且利用其发电不仅降低与石油或天然气生 产相关的温室气体排放、 而且可以通过将其转换为有用物质而防止浪费天然资源。 有时, 通 过将气体转化为可以在本地区使用、 和 / 或通过现有输电线传输的功率, 现场发电可以消 除将气体通过管线运送至中心站的需要和成本。 这对于由于自然环境约束从而安装气体管 线受到成本限制或不可能实现的地区是尤其有利的。
     图 1 为发电系统 100 的系统框图。天然气 120 为发动机 140 提供燃料, 所述发动 机 140 连接有发电机 160, 当其组装为单一设备 180 时, 通常被称作发动机驱动型发电机机 组、 或发电机组。尽管该实施例中的原动机天然气供能的内燃机 140, 但可以使用包括如燃 气涡轮、 水轮机、 蒸汽涡轮和 / 或柴油机的其它原动机。一般, 同步发电机由于其顺利地产 生有效和无功能量而较异步发电机优选。 目前设计如风涡轮发电机的较新的异步发电机具 有使无功发电成为可能的可选择功率因数设定。有时, 原动机的选择可以取决于可用气流 的量、 以及有效电网控制器所设定的限制。除了成本、 功率输出和效率的差异外, 不同类型 的原动机具有不同优点和缺点。 例如, 汽轮发电机较少受到简短情况的逆功率流、 即当没有 充足量的气体维持对发电机的正扭矩时所导致的损害。
     尤其当发电系统 100 位于如人口密集城市的负载中心附近时, 产生有效和无功功 率的能力也可以降低运输能量损失。除了降低有效发电厂必须产生的无功功率的量外, 分 布式发电也减少对新的高功率运输线的需求、 并降低与使用该线路相关的损失, 因此, 降低 了有效发电厂和加工制备运输线所需材料的加工厂的碳痕迹。
     图 1 所示实例中的发电机组 180 以自由运行模式运转, 从而使燃料 120 进入发电 机组 180 的流速改变, 导致了发电机 160 的功率输出的相应变化。产生的功率可以用于为 本地负载 190 提供能量, 和 / 或被供给有效电网 110。例如, 在均分负载模式中, 发电机组 功率输出与有效电网 110 同步, 并且经共用的电源总线 170 供给负载。随着负载的需求增加, 超过发电机 160 的功率输出, 负载 190 从有效电网 110 吸取更多功率。同样地, 随着负 载 190 的需求降低, 少于发电机 160 的功率输出, 产生的剩余功率被储存, 和 / 或供给有效 电网 110。
     在一些实施例中, 使用包括如调速轮、 水电和地热能存储设备的能量储存设备储 存剩余功率。其它能量储存设备包括蓄电池组、 超导磁能储存等。储存产生的多余功率对 于实用功率的需求和相应的实用率低的情况尤为有用。因此, 在高需求时期释放功率使有 效电网的用户收益, 并且由于高峰期实用率可以导致较高的收益率。 此外, 随着如风力发电 机的异步发电机变得更加普及, 为了补偿异步发电机所产生的功率的波动, 额外的运转备 用的需求可能增加。
     典型的发电电机组包括调节发动机的节流阀、 以调节流进发动机的燃料的调节 器。随流量增加, 发动机的速度增加, 产生了提供给发电机的扭矩的相应增加。这种扭矩的 增加导致了产生的功率的量的增加。 通常, 产生的功率的量相应于负载需求的变化而调节。 这样的原因之一为避免消耗超过满足本地负载要求所必须的燃料。 通过这种控制机制和手 动增加节流阀至最大, 例如使发电机的输出最大, 可以产生多余功率, 并供给有效电网。然 而, 这种实施取决于恒定的燃料流, 因此, 不能补偿燃料供应的变化。例如, 如果可用燃料 的量下降, 低于保持对最高速度的发电机施加正扭矩所必须的量, 则发电机将落入发动机 模式, 开始消耗有效电网的有效和无功功率。因为这就要求公用事业公司预计无功负载增 加、 并且实施应付这种增加的对策, 如通过在电网上安装静止无功补偿器或其它无功补偿 设备, 从而不期望这样。 此外, 不能维持使转子以同步转速转动的足够扭矩可以导致对发电 机和 / 或原动机的相当损害。 图 2 说明了包括调节器 211 的发电系统 200 的实施例, 其中, 增加节流阀, 从而相 应于可用燃料的增加产生的功率也增加, 反之亦然。基于井口 295 处或来自多个井口的气 体的流速判断燃料的可用性。使用包括如压力传感器 235 或流量传感器的传感电路可以检 测流速。 例如, 通过调节发动机 210 的节流阀控制发电机组 209 的燃料流速度接近井口 295 的最大自然流速。因此, 来自井口 295 的气体的流速增加导致发电机组 209 产生的功率增 加。
     发电机组 209 产生的功率可以用于满足如用于从产油井中抽油的泵 280 的本地负 载的需求。负载的类型可以取决于在发电场所发生的生产类型。例如, 油田生产的本地负 载也可以包括循环泵和盐水灌注泵。 与天然气生产相关的本地负载可以包括化学泵和电压 缩机。此外, 与气厂相关的负载也可以包括冷却装置、 压缩机、 循环泵、 盐水灌注泵和 / 或冷 凝器。 例如, 通过并联发电系统 200 和有效电网 265, 未被本地负载消耗的功率可以储存, 和 / 或供给有效电网 265。然而, 将发电机 215 与有效电源总线 265 连接之前, 为了使功率骤 增的危险和对发电机 215 的潜在破坏最小, 校正输出电压波形是重要的。例如, 可以使用包 括电流、 电压、 功率和 / 或 VAR 传感器的传感电路 241 和 261 检测 AC 电压波形特征。在产 生的功率与有效电网 265 的功率的频率、 相角、 和电压匹配后, 发电机电源总线 240 与有效 电源总线 260 连接, 并且将多余功率供给有效电网 265。 这样, 井口气体就转化为电功率, 消 除了燃烧的需要、 产生温室气体以及浪费自然资源。 对于天然气井的情况, 将气体转化为电 功率、 并将其供给电网 265 避免了铺设管线和 / 或将气体运输至厂区外的需要。
     图 3 说明了包括储存罐 330 的发电系统 300。尽管在该实施例中显示了罐, 但是,
     如连接井口和原动机的管道的各种类型的容器都可以使用。在操作中, 在井口 395 处收集 废气, 将其储存在储存罐 330 中。通过确保天然气的体积是可用的, 储存罐 330 用于防止在 如天然气供力的内燃机 310 的原动机的启动过程中供应管线 331 的瞬间清空或排出。压力 传感器 335 监测储存罐 330 内的气体压力, 并且提供井口 395 处的流速变化的指示。例如, 压力增加显示流入储存罐 330 的流速大于流出储存罐的流速。同样地, 压力的降低说明流 入储存罐 330 的流速低于流出储存罐的流速。 优选地, 使储存罐 330 内的气体压力达到允许 从井口 395 处流出最大量气体的压力。控制储存罐 330 的气流以随井口 395 的气流改变, 从而来自储存罐的气流接近井口的最大天然气流。
     例如, 可以通过流速或压力传感器测量气流。将压力测量值转换为尽管不经常但 也是典型的模拟的信号, 该信号随压力改变。典型的压力传感器提供 4 ~ 20mA 和 / 或 0 ~ 10V 的输出。然而, 相应于特定系统界面的需要, 可以使用其它的输出值范围或单位。可 以将该信号提供给发电机 315 的功率输出调节器, 以基于被检测的气流的变化调节功率输 出。例如, 可以放大信号, 并提供给内燃机 310 的调节器 311, 以增加或减少节流阀、 继而施 与发电机 315 的扭矩。在一些实施例中, 将信号供给多功能控制模块 (MCM)305 的输入端, 所述多功能控制模块监测气流、 并产生控制信号, 从而相应于气流的增加或降低而产生包 括如增加或减少发电机的功率输出的期望应答。 可以利用模拟电路和 / 或逻辑电路实施多功能模块 (MCM)。 优选地, 利用如可编程 逻辑控制器、 BASIC Stamp、 外部接口控制器的微控制器、 或包括如微处理器、 FPGA、 ASIC 等 的其它类型的逻辑处理器实施 MCM。此外, 优选地, MCM 包括通信端口、 和 / 或调制解调器, 以监测、 调节和控制对通讯网络的发电系统。此外, 在一些实施例中, MCM 可以由远程场所 重新编程。在此情况下, 优选地, MCM 提供安全保护模式, 其中系统管理员可以从远程输入 密码以开始上传控制软件, 并且闪现控制器。
     在描述的实施例中, 基于采自发电机电源总线 340 的测量值计算功率输出值。例 如, 利用包括如相应于测量电流输出 4 ~ 20mA DC 信号的电流传感器的传感电路 341 和 361 检测电流。例如, 通过利用降压变压器降频转换电压信号而利用传感电路 341 和 361 测量 电压。DC 电流和电压信号被供给计算产生的功率的 MCM 305 的输入端。可以以其它方式测 量功率输出。优选地, 使用 WATT-VAR 传感器测量功率输出。MCM 305 利用这些信号监测包 括如相角、 相位旋转和 / 或频率的其它输出特征。这些测量值也可以被用于检测包括如过 电压、 欠电压、 过电流、 欠电流、 相平衡、 电压平衡、 逆功率通量和 / 或不可接受的无功电流 的故障情况。同样的技术可以用于监测有效电源总线 360 的功率特征, 以及监测有效电网 365 上发生的故障情况。
     如来自产油井或天然气井的井口气体被用于为驱动发电机 315 的原动机供能。然 而, 如上所述, 发电机 315 的输出不是由负载 380 的需求决定。相反地, 当以热电联产模式 运行时, 功率输出由来自井口 395 的气体的流速决定。优选地, 驱动如天然气供能的内燃机 310 的原动机以利用最大量的可用气流, 消除排出或燃烧气体的需要。
     产生的电能可以直接被用于驱动泵 380 或其它设备、 储存和 / 或供给有效电网 365。 产生的功率输出也可以被用于补充有效提供的功率, 从而如果产生的电功率不足以满 足泵送需要, 则从有效电网 365 处获得必要的额外功率。如果产生的功率超过本地需要时, 多余功率被供给有效电网 365 和 / 或储存。
     图 4 为描述发电机系统的示例操作的系统状态框图 400。顺序的数字描述了与发 电系统 200 相关的操作细节, 然而, 可以相应于靶发电系统的组成、 特征和性能可以改变项 目和项目的顺序。
     如图 4 所示, 如处理步骤 410 所示, 在接合发电机之前, 首先启动如天然气供能的 内燃机 210 的原动机, 并且设置空转。发动机 210 的启动燃料可以由辅助罐、 井口气体或储 存器中的蓄气池提供。 在一些实施例中, 在转变到本地发电之前, 可以将有效电网功率供给 泵 280。在接合发电机 215 之前, MCM 205 监测发动机 210, 并且调节燃料流量至所需的设 定点。如处理步骤 415 所示, 达到设定点之后, 接合发电机 215, 并且如处理步骤 420 所示, 使发电机 215 加热由 MCM 205 所决定的时间。优选地, 为了确定系统 200 如预期运转, MCM 205 逐渐升高发电机 215 的转速, 使 MCM 205 监测频率对速度改变的应答。加热时间过去 后, 发电系统 200 进入自由运转状态 425。
     图 5 为描述如发电系统 200 的发电系统实施例的自由运行状态 425 的系统状态框 图 500。 如图所示, MCM 205 证实没有负载与发电机电源总线 240 连接, 并且如处理步骤 505 所示, 处理为监控发电机 215 产生的功率的频率。如处理步骤 510 所示, 使 MCM 205 实施例 如图 10A 所示的 PID 控制算法的控制环反馈机制, 以减少测量频率和通过计算的所需设定 点之间的误差, 然后输出控制信号 213( 未显示 ), 以调节发电机 215 的速度。 例如, MCM 205 产生具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。 放大信号 213, 并且将其传送给发动机 210 的调 节器 211, 以增加或减少节流阀。占空比的增加或减少导致速度的相应增加或降低。 在图 4 的处理步骤 430 的实施例中, 在达到所需频率并且维持稳定后, MCM 205 如 通过闭合连接如负载 280 的负载和发电机电源总线 240 的辅助电闸而接合本地负载。图 6A 为连接负载的示例系统状态框图 600A。在一些实施例中, 可能首先必须从有效电源总线 260 断开负载, 或者如下所述校正产生的功率和有效功率。图 6B 为给负载供能的示例系统 状态框图 600B。如处理步骤 625 所示, 连接负载后, MCM 205 继续监测并调节功率频率, 以 补偿任何偏差。
     负载需求的骤增或骤减增加 / 降低施于发电机的定子绕组的实际电流量。磁通量 的相应变化使转子轴因扭矩改变而加速或减速。 现有系统在尝试改变调节器设定之前检测 频率尖峰和 / 或速度变化, 因此导致较长拖延、 大的频率尖峰和对发电机和 / 或原动机的相 关磨损。典型的发电系统检测速度和 / 或频率的下降, 并尝试补偿。然而, 事件检测和事件 发展之间的耽搁会导致如频率尖峰的明显波动。 为了使这种效果最小, 在一些实施方式中, MCM 205 包括负载变化预测和补充系统 (LCACS)206, 所述补充系统用于监测由于任何骤增 或骤减而从发电机 215 吸取的电流, 并且以如检测到干扰幅度和持续时间所预测对抗转子 的增速或减速的方式改变控制信号 213 的特征 ( 如 LCACS 206 根据干扰的幅度和持续时间 所计算 )。例如, 当控制信号 213 为具有可变占空比的脉冲宽度调制信号时, 如维持恒定频 率所计算的控制脉冲的占空比与干扰的特征成比例地扩大 ( 增加或降低 )。在一个实施例 中, LCACS 206 包括检测干扰的置于传感电路 241 的电流传感器的第二线圈上的线绕电阻 器。流过电阻器的电流提供了跨过电阻的电压下降, 可以测量所述电压下降、 并提供给 MCM 205, 或者基于已知的电阻值由所述电压下降就可以计算电流。 优选地, 使用低电阻、 高精确 性的电阻器。在一些实施方式中, 传感电阻器上产生的所得电压通过模拟信号处理子系统 发送, 所述模拟信号处理子系统将信号规定为定子电流幅度差异的 DC 表征。条件信号发给
     MCM 205, 在 MCM 205 处条件信号解析为脉冲宽度调制占空比计算。尽管, 在该实施例中, 在 MCM 205 内执行 LCACS 206, 但是也可以使用 MCM 205 外部的逻辑电路执行 LCACS 206。
     测量和 / 或计算与检测转子或发动机速度向对比的电压和 / 或电流降低了 MCM205 对负载波动的应答时间。在一些情况下, 该应答时间由 32msec 减少到 4msec。在此情况下, 例如, 发电系统 200 能够在相对于 60Hz 系统的两个周期的四分之一周期内补偿波动。在 50Hz 系统中, 应答时间由 40msec 减少至 5msec。
     在一些图 3 中的程序处理 435 的实施例中, 在 MCM 205 判断功率输出稳定后, 监测 有效功率 260 一段时间 ( 可以为预定的、 计算的或随机的 ), 以确保总线是充电且稳定的。 在一些图 4 的处理步骤 440 的实施例中, 在 MCM 205 判断总线 240 和 260 是稳定的之后, 发 电系统 200 进入如图 6B 中程序处理 630 所述的同步序列。 图 7 为校正发电机 215 产生的功 率和有效电源总线 260 的示例性系统状态框图 700。该校正过程使发电机 215 的输出电压 波形与有效电网 265 的电压波形匹配。 自动同步逻辑调节发电机 215 产生的功率的频率, 以 与有效电源总线 720 的相角匹配。图 10 说明了自动同步逻辑执行 PID 算法的实施例。例 如, 可以通过基于用于检测相校正的相锁环电路的反馈执行 PID 控制算法在 MCM 205 内实 施自动同步逻辑。例如, 当进入同步序列时, MCM 205 实行图 10B 所示的 PID 算法。
     如图 10B 所示, 传感电路 241 和 261 包括接收来自发电机电源总线 240 和有效电 源总线 260 的电压波形的相检测器。将相检测器的输出供给校正算法, 校正算法输出在如 初始频率设定点的 +/-1%的可接受频率范围内的频率校正值。这样, 为了影响相校正的偏 移, 以较小增量调整频率设定点, 直至取得所需的相校正。
     开关装置 221 与发电机电源总线 240 和有效电源总线 260 连接。一些实施方式可 以包括用于增加保护的多个开关装置 221、 断路器、 和 / 或保险丝。连接开关装置控制继电 器 229, 以接合或断开所述开关装置 221, 从而连接或断开电源总线 240 和 260。例如, MCM 205 可以通过给继而接合开关装置 221 的开关装置控制继电器 229 通电而发出闭合指令, 从而连接两条总线。从 MCM 205 至开关装置控制继电器 229 的控制信号 227 的任何中断都 将使继电器 229 断电、 并使开关装置 221 断电, 从而使发电机电源总线 240 与有效电源总线 260 断开。
     图 8 说明了如可以在图 4 中的处理步骤 445 的一些实例中使用的示例性总线连接 序列 800。 如图所示, 在发电机电源总线 240 上检测到的频率和相角与有效电源总线 260 的 频率和相角匹配后, 发电系统 200 进行至图 8 所示的总线连接序列。 在启动对开关装置 221 的闭合指令之前, 如处理步骤 810 所示, MCM 205 推进调节器 211 以增加速度稍高于有效电 源总线 260 的频率。这样做降低了转子速度降低至匹配有效电网频率所必须的速度以下、 因而从电网 265 吸取有效和无功功率的风险。在启动闭合指令时, MCM 205 将控制信号 227 传送给开关装置控制继电器 229。如处理步骤 815 所述, 在接合开关装置 221 后, 发电机转 子的速度因其被锁定为同步转速而变慢, 并且由将维持调节器处于提前位置所产生的额外 扭矩将由发电机 215 转化为电流。 MCM 205 接着监测一段时间的 ( 可以为预定的、 计算的或 随机的 ) 功率输出, 同时维持对发电机 215 的正扭矩。
     在一些实施例中, 保护继电器系统 220 监测发电机电源总线 240 和有效电源总线 260 上的功率的电压、 电流、 频率和相角。保护继电器系统 220 包括在开关控制继电器 229 和 MCM 205 之间串联连接的开关 228。如果保护继电器系统 220 和 MCM205 都认同被监测的 AC 电压波形特征之间存在匹配, 则开关 228 闭合, 完成电路, 并且来自 MCM 205 的控制信 号 227 允许为开关装置控制继电器 229 通电。在一些实施方式中, 设定对比波形特征的容 许极限。在以上和以下描述的各个实施例中, 波形特征之间的完全匹配不是必须的。如上 所述, 当将发电机和有效电网连接、 以确保在发电机 215 上维持正扭矩时, 可以需要频率的 稍微增加, 以建立所需正滑动。
     保护继电器系统 220 也可以监测各种其它参数, 如包括线路故障、 过电压情况、 欠 电压情况、 过频率、 欠频率、 多相系统的相平衡、 逆功率流、 和 / 或无功电流。相应于这些测 量值, , MCM 和 / 或保护继电器系统 220 可以通过终止提供给开关装通过置控制继电器 229 的控制信号 227, 例如通过打开开关 228, 使开关装置 221 断电。
     再参考图 4, 一旦成功完成总线连接序列 445, 发电系统 200 进入热电联产模式 450, 即图 9 中更加详细描述的例子。 如图 9 所示, 如处理步骤 910 所示, 在热电联产模式中, MCM 205 通过控制对发动机 210 的调节器 211 维持电路 231 或任选的储存器 330 内的所需 气体压力。例如, 通过计算、 然后输出调节发电机 210 的节流阀的控制信号, 使 MCM 205 执 行控制环反馈算法, , 以减少测量压力和所需设定点之间的误差。
     图 10C 中说明了示例性控制环反馈算法。如图所示, 使用包括如功率传感器的传 感电路 241 测量由发电机 215 所产生的功率。然后, 从功率传感器采集的功率测量值的输 出被用于计算增加或降低所产生功率的校正值, 以匹配发电设定值。 在该实施例中, 优选发 电设定值设定为燃料消耗匹配如气体压力传感器所测的井口处可用气体的流速的值。 如上所述, 节流阀的增加导致管道的燃料流的增加, 反之亦然。在图 2 所述实施例 中, MCM 205 产生具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。该信号被扩大, 并传送给调节器, 以增加或减少节流阀。因为转子的速度维持稳定, 额外的节流阀产生导致发电机 215 所产 生的功率增加的扭矩增加。因此, 脉冲宽度调制信号的占空比的增加或降低分别导致了所 产生功率的相应增加或降低。尽管, 以上和以下所描述的实施例包括具有可变占空比的脉 冲宽度调制控制信号, 但是相应于速度控制电路界面要求可以使用其它类型的控制信号。
     在一些实施方式中, MCM 205 将燃料压力与上限和下限对比。例如, 可以相应于原 动机可接受的最大流速设定上限。优选地, 选择原动机, 以能以气体源处所预计的最大流 速消耗燃料。如果压力超过上限一段时间 ( 可以为预定的、 计算的或随机的 ), 例如 MCM 通 过启动额外的发电机而开始补偿的适当程序。 可以相应于提供产生足够满足本地负载所需 的最小流所估计的水平设定下限。在一些实施例中, 可以相应于提供产生足够对发电机的 正扭矩所需的最小流所估计的水平设定下限。 一旦检测到压力已经下降低于下限一段时间 ( 可以为预定的、 计算的或随机的 ), MCM 205 将终止对开关装置控制继电器 229 的控制信号 227, 从而使开关装置 221 断电, 并且使发电机 215 从有效电源总线 260 分离。在一些实施 例中 ( 例如一些以下所讨论的优选实施方式 ), 当燃料压力降至低于下限时, 本地负载 ( 如 泵 280) 从有效电源总线 ( 例如 260) 吸取功率。
     图 11 为自动发电控制系统 1100 的实施例。该系统包括具有优选的自动同步逻 辑的 MCM 1105、 与发电机 1115 连接的发动机 1110、 监视继电器 1120A 和 1120B、 开关装置 1121A 和 1121B 以及通信系统 1125。储存器 1130 与如向 MCM 1105 输出 DC 信号的压力传 感器的压力检测器 1135 连接。压力传感器 1135 的输出值典型地为具有优选的 4 ~ 20mA 范围的可变 DC 电流, 也可以以其它范围和 / 或单位表示。压力信号提供了流入和流出储存
     罐 1130、 因而为燃料可用性的指示。 储存罐 1130 为任选的, 并且不为示例系统的必须部分。 例如, 可以将压力检测器 1135 直接连接到提供燃料的管道。 燃料被提供给与发动机 1115 连 接的如天然气供能的内燃机的发动机 1110。发动机 1110 包括调节器 1111, 调节器 1111 接 收来自 MCM 1105 的信号 1113, 以推动或抑制发动机 1110 的速度。如前所述, 信号 1113 优 选为脉冲宽度调制信号。MCM 1105 经发动机状态总线 1112 监测发动机性能。优选地, 监测 包括如温度、 速度和 / 或油压的多个发动机参数。发电机 1115 与发电机电源总线 1140 连 接。通过包括能检测发电机 1115 所产生的功率的如电压、 电流、 频率和 / 或相的传感器电 路 1141 的监视继电器 1120A 监测发电机电源总线 1140。监视继电器 1120A 也与传感电路 1151 连接, 以监测与开关装置和本地负载连接的共用总线 1150。在该实施例中, 在发电机 1115 连接入线路之前, 共用总线 1150 最初由原动机 ( 未标示 ) 供能。共用总线 1150 也由 MCM 1105 利用传感电路 1151 监测。MCM 1105 将推动或抑制发电机 1115, 校正总线 1140 和 1150 之间的输出电压波形。在 MCM 1105 确定发电机 1115 的功率输出与共用总线 1150 同 步后, MCM 1105 经发出闭合指令。如果监视继电器 1120A 也检测到总线 1140 和 1150 为同 步的, 则监视继电器 1120A 将闭合, 使闭合指令传送给开关装置 1121A。
     在图 11 中也显示了第二开关装置 1121B 和监视继电器 1120B。开关装置 1121B 与 有效电源总线 1160 和共用总线 1150 连接。监视继电器 1120B 监测共用总线 1150 和有效 电源总线 1160, 并且当检测到同步时就闭合。传感电路 1161 和 1151 为监视继电器 1120B 和 MCM 1105 提供波形特征信息。MCM 1105 监测总线 1160 和 1150, 总线 1160 和 1150 推动 或抑制发动机 1110 的调节器 1111, 以使发电机 1115 的功率输出与有效电源总线 1160 的功 率输出同步。 优选地, 单 MCM 1105 为各个发动机 1110 提供调节器控制信号 1113, 从而共用 总线 1150 提供功率, 以维持各个发电机 1115 的同步输出。在一些实施例中, 例如在其中大 距离间隔与共用总线 1150 连接的发电机 1115 的实施例中, 对于各个发电机 1115 可以优选 具有单独的 MCM 1105。在此情况下, 优选地, 尤其当尝试使共用总线 1150 的功率与有效电 源总线 1160 的功率同步时, 提供连接 MCM 1105 的通信网络 1125, 以改进应答时间和对共用 总线 1150 的功率的控制。
     在共用总线 1150 上功率被校正后, 监视继电器 1120B 将闭合, 并且一个或多个 MCM 将对相应的开关装置 1121B 发出闭合指令。如上所述, 相应于燃料的可用性调节发电机功 率输出。 在该实施例中, 可以连接储存罐 1130, 以为一个或多个发动 1110 机提供燃料, 从而 增加可以消耗的燃料的量, 以匹配来自如天然气或产油井的可用燃料的量。
     图 12 为具有装有保险丝的发电机的自动发电控制系统 1200 的实施例。 系统 1200 包括具有优选的自动同步逻辑的 MCM 1205、 与发电机 1215 连接的发动机 1210、 辅助开关 1223、 监视继电器 1220、 开关设备 1221 以及通信系统 1225。储存器 1230 与向 MCM 1205 输 出如 DC 信号的如压力传感器的压力检测器 1235 连接。压力检测器 1235 的输出信号描述 为 4 ~ 20mA, 但是可以以不同的范围表示或以不同单位计数。压力信号提供了流入及流出 任选的、 但优选存储罐的气体、 进而为燃料可用性的指示。将燃料提供给如天然气供能的 内燃机的发电机 1210, 其与发电机 1215 连接。发电机 1210 包括调节器 1211, 所述调节器 1211 接收来自 MCM 1205 的控制信号 1213, 以推动或抑制发动机 1210 的速度 ( 即处于同步 模式 ) 或扭矩 ( 即处于热电联产模式 )。优选地, 控制信号 1213 为具有可变占空比的脉冲 宽度调制信号。MCM 经发动机状态总线 1212 监测包括如温度、 速度和 / 或油压的发动机性能。 在图 12 中, 发电机 1215 经辅助开关 1223 和内嵌保险丝 1222 与发电机电源总线 1240 连接。MCM 1205 经优选包括功率传感器的传感电路 1241 监测发电机电源总线 1240, 以测量发电机电源总线 1240 的功率。发电机电源总线 1240 与本地负载 1280、 和与有效电 源总线 1260 连接的开关设备 1221 连接。在该实施例中, MCM 1205 和监视继电器 1220 监 测发电机总线 1240 的故障和与有效电源总线 1260 的同步。 MCM 1205 在可接受的频率极限 范围内推动或抑制发电机 1215, 以校正总线 1240 和 1260 之间的输出电压波形。一旦确定 发电机 1215 的功率输出与有效电源总线 1260 同步, MCM 1205 就会发出闭合指令。如果监 视继电器 1220 也检测到总线 1240 和 1260 是同步的, 则监视继电器 1220 将闭合, 使闭合指 令传送给开关装置 1221。
     MCM 1205 和监视继电器 1220 将继续监测频率、 相校正和各种其它参数, 并且一旦 检测到故障情况, 就断开开关装置 1221。如上所述, 相应于燃料的可用性, 调整发电机功率 输出。 如果 MCM 1205 检测到没有足够的可用燃料的量维持对发电机 1215 的正扭矩, 则 MCM 1205 将打开辅助开关 1223, 从而使发电机 1215 与发电机电源总线 1240 和负载 1280 断开。 在标准状态下, 负载 1280 将继续由有效电源总线 1260 供能, 直至足够的燃料可用于通过断 开开关设备 1221、 及闭合辅助开关 1223 重新接合发电机 1215、 并重新初始化系统 1200, 以 重建电源总线 1240 和 1260 之间的同步。
     图 13 为具有包括交换开关 1324 的混合保护装置的自动发电机控制系统 1300 的 实施例。该系统包括 : 具有优选的自动同步逻辑的 MCM 1305、 与发电机 1315 连接的发动 机 1310、 监视继电器 1320、 开关装置 1321、 交换开关 1324 和通信系统 1325。任选的储存器 1330 与向 MCM 1305 输出 DC 信号的如压力传感器的压力检测器 1335 连接。 压力检测器 1335 的输出信号再次描述为 4 ~ 20mA, 但是其可以表示为不同范围或以不同单位计数。所述压 力信号提供了流入和流出储存罐 1330 的气体、 继而为燃料可用性的指示。将燃料提供给与 发电机 1315 连接的如天然气动力的内燃机发动机 1310。发动机 1310 包括调节器 1311, 该 调节器 1311 接收 MCM 1305 的控制信号 1313, 以推动或抑制发动机 1310 的速度。优选地, 控制信号 1313 为具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。MCM 经发动机状态总线 1312 监测 包括如温度、 速度和 / 或油压的发动机性能。
     图 13 中的发电机 1315 经辅助开关 1323 和内嵌保险丝 1322 与发电机电源总线 1340 连接。发电机电源总线 1340 包括第一支路 1340A 和第二支路 1340B。MCM 135 经包括 压力传感器的传感电路 1341 检测发电机电源总线 1340, 以检测发电机 1315 产生的功率。 第一支路 1340A 与监视继电器 1320 所控制的断路器 1336 连接。当检测到接地故障或超电 流情况时, 监视继电器 1320 切断断路器 1336。开关设备 1321 与断路器 1336 和发电机电源 总线 1340 及有效电源总线 1360 连接。MCM 1305 和监视继电器 1320 监测第一支路 1340A 的故障和与有效电源总线 1360 的同步。 MCM1305 的自动同步逻辑在可接受的频率极限范围 内推动或抑制发电机 1315, 以校正总线 1340 和 1360 之间的输出电压波形。一旦确定发电 机 1315 的功率输出与有效电源总线 1360 同步, 则 MCM 1305 将发出闭合指令。如果监视继 电器 1320 也检测到总线 1340 和 1360 为同步的, 则监视继电器 1320 闭合, 从而向开关设备 1321 传送闭合指令。
     图 13 中的发电机电源总线 1340 也包括与交换开关 1324 连接的第二支路 1340B。
     交换开关 1324 使本地负载 1380 能够绕过开关设备 1321 直接与有效电源总线 1360 连接。 这 样, 在试运转序列过程中和在异常情况或维修循环中, 本地负载 1380 从有效电源总线 1360 获取功率。
     在启动发电系统 1300 之前, 有效功率可以用于为如从产油井抽油或从天然气井 抽取天然气的泵的本地负载 1380 供能。如上所述, 可以收集产油井产生的废气, 并作为燃 料供给发动机 1310。同样地, 可以收集天然气井的天然气, 并作为燃料供给发动机 1310。
     启动时, MCM 1305 启动发动机 1310, 并调节调节器 1311, 以使发动机 1310 维持在 空置状态。在一些实施方式中, 发动机 1310 的启动燃料可选地来自辅助罐或储存器 1330 的蓄气池。在接合发电机 1315 之前, MCM 1305 经发动机状态总线 1312 监测发动机 1310, 并且调节燃料流至所需设定点。达到设定点之后, 接合发电机 1315, 并使其加热 MCM 1305 所确定的时间。上述时间完成后, 发电系统 1300 在验证无负载连接后进入自由运转状态, 其中, MCM 1305 监测发电机 1315 所产生功率的频率。MCM 1305 通过计算、 然后输出如具有 可变占空比的脉冲宽度调制控制信号的控制信号执行 PID 控制算法, 以减少测量的频率和 需要设定点之间的误差, 以调节发电机 1315 的速度。扩大信号 1313, 并将其传送给发动机 1310 的调节器 1311, 以增加或减少节流阀, 直至产生所需频率。脉冲宽度调制信号的占空 比的增加或降低导致速度的相应增加或降低。增加或降低发动机 1310 的速度改变发电机 1315 内的转子的速度, 因而影响频率。
     一段时间 ( 可以为预定的、 计算的或随机的 ) 后, MCM 1305 发出将负载 1380 有效 从电源总线 1360 转移到发电机电源总线 1340 的交换指令。MCM 1305 包括负载变化预计 和补偿系统 (LCACS)1306。LCACS 1306 监测从发电机 1315 吸取的电流发生骤增或骤减, 并 且改变控制信号 1313 的特征, 以对抗负载干扰所导致的转子的预计增速或减速。控制信号 1313 的占空比与干扰的特征成比例扩大 ( 增加或降低 )。LCACS 1306 包括置于传感电路 1341 的电流传感器的第二线圈上的低电阻、 高精准性的线绕电阻器, 以检测干扰。 传感电阻 器上产生的所得电压通过模拟信号处理子系统发送, 所述模拟信号处理子系将信号制定为 定子电流的强度差异的 DC 代表。将规定信号发送给 MCM 1305, 在 MCM 1305 处所述信号被 解析为脉冲宽度调制占空比计算。在一些实例中, 测量与转子或发动机速度相对的电流已 发现将应答时间在 60Hz 系统中从约 32msec( 两个周期 ) 改进为约 4msec( 四分之一周期 )、 以及在 50Hz 系统中从约 40msec( 两个周期 ) 改进为约 5msec( 四分之一周期 )。
     在 MCM 1305 确定功率输出稳定后, 自动同步逻辑将发电机 1315 的输出电压波形 与有效电网的电压波形匹配。所述自动同步逻辑通过调节对调节器 1311 的脉冲宽度调制 控制信号, 调节发电机 1315 所产生的功率的频率和相角, 以匹配有效电源总线 1360 上呈现 的频率和相角。将发电机电源总线 1340 上检测的频率和相角与有效电源总线 1360 的功率 和相角匹配后, MCM 1305 推动调节器 1311, 以增加速度稍高于有效电源总线 1360 的频率。 如前所述, 这样做减少了转子速度降至低于匹配有效电网频率所必须的速度、 因而从电网 吸取无功功率的风险。然后 MCM 1305 尝试为开关设备控制继电器 1329 供电。如果监视继 电器 1320 也确定总线 1340 和 1360 是同步的, 并且无故障存在, 则监视继电器 1320 闭合, 从而完成电路, 并使 MCM 1305 为开关装置控制继电器 1329 供电。
     在开关装置 1321 接合后, 发电机转子的速度因其锁定为同步转速而减慢, 由保持 调节器 1311 处于推进位置所提供的额外转矩将由发电机 1315 转化为电流。MCM1305 优选地监测一段时间 ( 可以为预定的、 计算的或随机的 ) 的功率输出, 同时维持对发电机 1315 的正扭矩。监视继电器 1320 监测包括优选如线路故障、 过电压情况、 欠频率、 过频率、 欠电 压情况、 相平衡、 电压平衡、 逆功率流和 / 或无功电流的各种参数。相应于这些测量值, MCM 1305 和 / 或监视继电器 1320 通过断开开关设备 1321、 辅助开关 1323 和 / 或断路器 1336 可以将发电机 1315 与有效电源总线 1360 断开。
     在热电并联模式中, MCM 1305 通过控制发动机 1310 的调节器 1311 维持储存器 1330 内的所需压力。例如, MCM 1305 通过计算、 并调节控制信号 1313 而减少测量的压力与 所需设定点之间的误差, 其中, 优选地, 通过改变脉冲宽度调制控制信号的占空比调节控制 信号 1313。 扩大控制信号 1313, 并将其传送给发动机 1310 的调节器 1311, 以如通过调节节 流阀而增加或减少发动机 1310 的燃料流, 从而维持所需压力。如上所述, 当发电机 1315 与 有效电网同步时, 转子的速度维持恒定。因此, 额外的节流阀产生导致发电机 1315 所产生 的功率增加的扭矩增加。
     MCM 1305 对比燃料压力和发动机接受的最大流速所对应的上限。优选地, 选择发 动机 1310, 以能够消耗气体源处所预计的最大流。如果压力超过上限一段时间 ( 可以为预 定的、 计算的或随机的 ), 则 MCM 1305 可以如通过启动第二发电机的启动序列补偿。在一 些实施例中, MCM 1305 对比燃料压力和对应于提供维持发电机 1315 的正扭矩所必须的最 小流所估计的水平的临界极限。一旦检测到压力已将下降低于临界极限, 则 MCM 1305 通过 断开开关装置 1321 和 / 或通过打开辅助开关 1323 将发电机 1315 从有效电源总线 1360 断 开。负载 1380 由有效电源总线 1360 继续供能, 直至足够的燃料适于再接合发电机 1315 及 重新初始化系统 1300。
     在压力维持在界限内时, MCM 1305 相应于燃料可用性调节发电机功率输出。MCM 1305 和监视继电器 1320 将继续监测频率、 相校正及各种其它参数, 并且一但检测到可包括 如欠电压、 过电压、 欠电流、 过电流、 相不平衡、 欠频率、 电压不平衡、 逆功率和 / 或不可接受 的无功电流的故障情况, 就断开开关设备 1321 和 / 或断路器 1336。
     图 14 为具有保险丝的发电机的自动发电控制系统 1400 的实施例。 系统 1400 包括 具有优选的自动同步逻辑的 MCM 1405、 与发电机 1415 连接的气涡轮 1410, 辅助开关 1423、 监视继电器 1420、 开关设备 1421 和通信系统 1425。任选的储存器 1430 与向 MCM 1405 输 出如 DC 信号的如压力传感器的压力检测器 1435 连接。压力检测器 1435 的输出信号描述 为 4 ~ 20mA, 但是其可以表示为不同范围或以不同单位计数。所述压力信号提供了流入和 流出储存罐的气体、 因而为燃料可用性的指示。将燃料提供给与发电机 1415 连接的涡轮 1410。涡轮 1410 包括接收 MCM 1405 的控制信号 1413 的燃料控制阀 1411, 以增加或降低涡 轮的燃料流, 因而增加或降低涡轮 1410 的转速。优选地, 控制信号 1413 为具有可变占空比 的脉冲宽度调制信号。然而, 可以使用相应于燃料控制阀设计的其它控制信号。例如, 数字 信号可以用于加速或减速燃料控制阀内的步进电机。
     在图 14 中, 发电机 1415 经辅助开关 1423 和内嵌保险丝 1422 与发电机电源总线 1440 连接。MCM 1405 经传感电路 1441 监测发电机电源总线 1440, 所述传感电路 1441 优选 包括测量 AC 电流的电流传感器、 和与发电机电源总线 1440 连接的适当分级的降压变电器。 发电机电源总线 1440 与本地负载 1480、 和与有效电源总线 1460 连接的开关设备 1421 连 接。在该实施例中, MCM 1405 和监视继电器 1420 监测发电机电源总线 1440 的故障和与有效电源总线 1460 的同步。MCM 1405 调节气涡轮 1410 的燃料流, 以推动或抑制发电机 1415 中的转子。 MCM 1405 执行控制环反馈程序, 以校正总线 1440 和 1460 之间的输出电压波形。 一旦确定发电机 1415 的功率输出与有效电源总线 1460 同步, MCM 1405 就会发出闭合指令。 如果监视继电器 1420 也检测到总线 1440 和 1460 是同步的, 则监视继电器 1420 将闭合, 使 闭合指令传送给开关装置 1421。
     MCM 1405 和监视继电器 1420 将继续监测频率、 相校正和各种其它参数, 并且一旦 检测到故障情况, 就断开开关装置 1421。如其它实施例所述, 相应于燃料的可用性, 调整发 电机功率输出。如果 MCM 1405 检测到没有足够的可用燃料维持对发电机 1415 的正扭矩, 则 MCM 1405 将打开辅助开关 1423, 从而使发电机 1415 与发电机电源总线 1440 和负载 1480 断开。在标准状态下, 负载 1480 将继续由有效电源总线 1460 供能, 直至足够的燃料可用于 通过断开开关设备 1421、 及闭合辅助开关 1423 再接合发电机 1415、 以及重新初始化系统 1400, 以重建电源总线 1440 和 1460 之间的同步。
     图 15 为可移动电厂的框图。在图 15 中, 电厂 1500 置于包括如滑行装置或拖车的 移动平台 1501 之上。发电厂 1500 任选地包括用于转换发电机 1515 的功率输出的电力变 压器 1564, 以匹配有效电源总线 1560 上的功率需求。 例如, 电力变压器 1564 可以增频变换 或降频变换发电机 1515 的功率输出。该实施方式减少了提供基础设施或有效连接改变以 容纳电厂 1500 的公用事业公司的负担。此外, 可移动平台 1501 利用电厂 1500 从一个地点 到另一地点的位置迁移。 在一些实施方式中, 以上描述的示例发电系统也包括在重新启动图 4 所描述的操 作序列之前由 MCM 205 执行的诊断和 / 或重新启动检验程序。例如, 如果发电机 215 停止 运行, 则 MCM 205 确定停止运行的原因, 并且决定是否开始启动。导致系统故障的情况可以 包括如温度过热、 低油或油压、 和 / 或缺乏燃料。如果停止运行的原因为温度过热、 或低油 或油压, 则 MCM 就拖延启动序列, 直至操作员清理上述情况。如果停止运行的原因为如发动 机 210 的检测器所检测的燃料缺乏, 则 MCM 205 利用压力传感器所收集信息确认上述情形, 周期性检查还原压力, 并且开始处理步骤 410 所描述的启动序列。
     图 11、 12、 13、 14 和 15 的示例发电系统 1100、 1200、 1300、 1400 和 1500 也分别包括 通信端口 1126、 1226、 1326、 1426 和 1526, 所述通信端口 1126、 1226、 1326、 1426 和 1526 分 别用于传送包括相应于远端 1190A、 1190B、 1290A、 1290B、 1390B、 1490A、 1490B、 1590A、 1590B 的如状态信息和 / 或警报提醒的数据, 以及用于接收来自远端的控制信号。通信选择包括 如 PSTN、 DSL、 CATV、 BPL 和 / 或无线服务。优选地, 发电系统 1100、 1200、 1300、 1400 和 1500 是经基于管理和利用如推特 (twitter)、 email、 文本信息的信息服务或其它通用信息服务 而推动网络的因特网可进入的。该信息服务使系统与操作员通信状态和故障情况信息。例 如, 可以自动生成 email 以报告故障情况、 停止运行情况和 / 或运行状态。基于网络的管 理任选地使操作人员监控远程的燃料源的可用性、 原动机性能、 发电机性能、 系统性能和局 限、 以及情况异常。此外, 通信系统 1125、 1225、 1325、 1425 和 1525 任选地使系统管理员手 动控制和 / 或重新装配发电系统 1100、 1200、 1300、 1400 和 1500, 以使系统故障时间最短, 并 且通过先发系统监控预料问题。因此, 利用上述自监测、 自校正特征, 发电系统 1100、 1200、 1300、 1400 和 1500 在运行中可以是无人看管的。
     为了维持对本地负载的功率供给, 在一些实施例中, 发电机包括标准发电机控制
     器和 MCM。对于其中远程重新编程 MCM 的情况, 在这些实施例之中, 发电机可以利用调节频 率的常规控制器继续运行。
     已经描述了本发明的多个实施例。 然而, 可以理解可以进行多种改变, 而不偏离本 发明的实质和范围。上述公开的系统和方法可以适于其它燃料源和发电系统。例如, 可以 用以水流开关取代压力传感器的水电发电机取代内燃机和发电机。因此, 其它实施例在以 下权利要求的范围内。
     附加实施例和实施方式可以包括以下特征和方案 :
     根据本发明的技术方案, 通过以下步骤实现发电 : 从产油井的井口收集废气, 检测 可以判断可用废气的变化的压力变化 ; 以及, 相应于可用废气的变化, 调节原动机提供给发 电机的扭矩, 以改变发电机产生的电量。 在一些实施方式中, 废气可以储存在用于为原动机 提供气流的储存器内。此外, 有时发电可以包括校正发电机产生的电与有效电网上的功率 之间的 AC 电压波形特征。
     有些情况下, 调节原动机提供的扭矩可以利用调节器通过调节原动机的气流而实 现。 有些情况下, 通过相应于可用废气的增加而增加原动机的气流、 以及相应于可用废气的 减少而减少原动机的气流可以实现调节原动机所提供的扭矩。此外, 调节原动机所提供的 扭矩有时可以包括相应于检测压力的增加而增加提供给原动机的速度调节器的脉冲宽度 调制控制信号的占空比。 再进一步, 在一些实施方式中, 可以通过相应于检测压力的降低而 减少提供给原动机的速度调节器的脉冲宽度调制控制信号的占空比实现调节原动机所提 供的扭矩。 根据本发明的再一技术方案, 发电控制系统包括控制电路, 所述控制电路用于接 收可以判断从井口收集的气体的流速变化的信号, 以及相应于接收到的信号改变提供给原 动机的气体流速。在一些实施方式中, 发电控制系统也包括用于检测两个 A.C. 电压波形 之间相位校正的相位比较器, 和用于相应于检测到的相位校正调节脉冲宽度调制信号的占 空比的脉冲宽度调制信号发生器。发电系统的一些实施例可以包括与控制电路连接的同 步逻辑、 相位比较器、 和脉冲宽度调制信号发生器。有时, 同步逻辑适于为所述脉冲宽度调 制信号发生器提供控制信号, 从而相应于相检测器检测到第一 A.C. 电压波形相对于第二 A.C. 电压的相领先时, 增加脉冲宽度调制信号的占空比, 以及相应于相检测器检测到第一 A.C. 电压波形相对于第二 A.C. 电压的相落后时, 减少脉冲宽度调制信号的占空比。
     在一些实施方式中, 所述发电系统也包括与控制电路连接的传感电路。 有时, 传感 电路适于相应于检测到的 A.C. 电压波形特征而产生输出信号。在一些实施例中, 传感电路 适于为控制电路提供相角、 频率和电压信息。 在一些实施例中, 传感电路适于产生可以判断 从井口收集的气体的流速变化的信号。例如, 所述传感电路可以为压力传感器。
     根据本发明的再一技术方案, 通过从井口收集气体、 向与发电机连接的原动机提 供气体、 使发电机产生的功率和有效电网同步、 将发电机与有效电网连接、 检测从井口收集 的气体的流速变化、 以及相应于所述从井口收集的气体的流速变化而调节提供给原动机的 气体流速, 向有效电网供给功率。在有些实施例中, 控制提供给原动机的气体流速, 以接近 从井口收集的气体的流速。
     根据本发明的再一技术方案, 发电系统包括控制模块, 所述控制模块与发电机连 接, 并且使其相应于从燃料源获得的可用燃料量的增加而增加产生的功率的量, 并且相应
     于从燃料源获得的可用燃料量的减少而降低产生的功率的量。 使所述发电机提供至少满足 本地负载的需求部分的功率, 并且当产生的功率的量超过本地负载的需求时, 向有效电网 提供功率。在一些实施例中, 燃料油为油井和 / 或天然气井。
     在一些实施例中, 发电系统包括故障传感电路, 所述故障传感电路与发电机和控 制模块连接, 并且适于检测故障情况 ; 以及与有效电网连接的开关设备, 所述控制模块相应 于故障传感电路检测故障情况而断开开关设备。

发电.pdf_第1页
第1页 / 共34页
发电.pdf_第2页
第2页 / 共34页
发电.pdf_第3页
第3页 / 共34页
点击查看更多>>
资源描述

《发电.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《发电.pdf(34页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。

1、10申请公布号CN102119256A43申请公布日20110706CN102119256ACN102119256A21申请号200980130915122申请日2009081261/188,94320080814US12/433,24020090430USE21B43/0020060171申请人因科基恩有限公司地址美国德克萨斯州阿比林市72发明人山姆理查德汉特布鲁斯史蒂芬珍昂74专利代理机构北京法思腾知识产权代理有限公司11318代理人杨小蓉高宇54发明名称发电57摘要根据本发明的技术方案,通过以下步骤实现发电从产油井的井口收集废气,检测可以判断可用废气的变化的压力变化;以及,相应于可用废气。

2、的变化,调节原动机提供给发电机的扭矩,以改变发电机产生的电量。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2011021086PCT申请的申请数据PCT/US2009/0535672009081287PCT申请的公布数据WO2010/019678EN2010021851INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书14页附图17页CN102119262A1/2页21一种发电方法,其特征在于,所述方法包括从产油井井口收集废气;检测可以判断可用废气的变化的压力变化;以及相应于可用废气的变化,调节原动机对发电机的扭矩,以改变发电机的产电量。2根据权利要求1所述的方法,其。

3、特征在于,所述方法进一步包括在用于向原动机提供气流的储存器中储存废气。3根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法进一步包括校准发电机产生的电与有效输电网的功率之间的AC电压波形特征。4根据权利要求1所述的方法,其特征在于,调节原动机所提供扭矩包括使用调节器调节原动机的气流。5根据权利要求1所述的方法,其特征在于,调节原动机所提供扭矩包括相应于可用废气的增加而增加原动机的气流,以及相应于可用废气的减少而减少原动机的气流。6根据权利要求1所述方法,其特征在于,调节原动机所提供扭矩包括相应于检测压力的增加而增加提供给原动机的调速器的脉冲宽度调制控制信号的占空比。7根据权利要求1所述的方法,其特。

4、征在于,调节原动机所提供扭矩包括相应于检测压力的下降而降低加提供给原动机的调速器的脉冲宽度调制控制信号的占空比。8一种发电控制系统,其特征在于,包括控制电路,所述控制电路用于接收可以判断从井口捕获气体的流速变化的信号,并相应于接收到的信号改变供给原动机的气体的流速。9根据权利要求8所述的发电控制系统,其特征在于,进一步包括用于检测两个AC电压波形之间的相位校正的相位比较器;以及用于相应于检测到的相位校正而调节脉冲宽度调制信号的占空比的脉冲宽度调制信号发生器。10根据权利要求9所述的发电控制系统,其特征在于,进一步包括与所述控制电路、相位比较器、和脉冲宽度调制信号发生器连接的同步逻辑,所述同步逻。

5、辑用于向所述脉冲宽度调制信号发生器提供控制信号,以相应于相位比较器检测到第一AC电压波形的相位相对于第二AC电压波形的相位领先而增加脉冲宽度调制信号的占空比,以及相应于相位比较器检测到第一AC电压波形的相位相对于第二AC电压波形的相位落后而降低脉冲宽度调制信号的占空比。11根据权利要求8所述的发电控制系统,其特征在于,进一步包括与所述控制电路连接、并且用于相应于检测到的AC电压波形特征而产生输出信号的传感电路。12根据权利要求11所述的发电控制系统,其特征在于,所述传感电路用于向所述控制电路提供相角、频率、和电压信息。13根据权利要求8所述的发电控制系统,其特征在于,进一步包括与所述控制电路连。

6、接、并且用于产生可以判断从井口收集的气体的流速变化的信号的传感电路。14根据权利要求13所述的发电控制系统,其特征在于,所述传感电路包括压力传感权利要求书CN102119256ACN102119262A2/2页3器。15一种向有效电网输出功率的方法,其特征在于,所述方法包括从井口收集废气;向与发电机连接的原动机提供气体;使发电机产生的功率与有效电网同步;将发电机与有效电网连接;检测从井口收集的气体的流速变化;以及相应于从井口收集的气体的流速变化而调节提供给原动机的气体的流速。16根据权利要求15所述的方法,其特征在于,控制提供给原动机的气体的流速以接近从井口收集的气体的流速。17一种发电系统,。

7、其特征在于,包括控制模块,所述控制模块与发电机连接,并且用于相应于燃料源的可用原料量的增加而增加产电量,以及相应于燃料源的可用原料量的减少而降低产电量,所述发电机用于输出至少满足本地负载的需求部分的功率,以及当产生的功率的量超出本地负载的需求时向有效电网提供功率。18根据权利要求17所述的发电系统,其特征在于,所述燃料源为油井。19根据权利要求17所述的发电系统,其特征在于,所述燃料源为天然气井。20根据权利要求17所述的发电系统,其特征在于,进一步包括与发电机和所述控制模块连接、并且用于检测故障情况的故障传感电路;以及连接发电机和有效电网的开关装置,所述控制模块用于相应于所述故障传感电路检测。

8、到故障情况而断开所述开关装置。权利要求书CN102119256ACN102119262A1/14页4发电0001与申请相关的交叉引用0002本申请要求2008年8月14日提交的第61/188,943号美国临时申请的申请日的权益。通过引用,第61/188,943号美国申请的内容作为本发明的部分而被整体包含。技术领域0003本发明涉及能量产生和守恒,以及环境质量的改善,具体地,涉及由井口处收集的气体产生电能。背景技术0004最近全球变暖的趋势已将更多的注意集中在温室气体的排放和能量守恒。例如,温室气体包括水蒸气、二氧化碳、臭氧、一氧化二氮、甲烷和含氯氟烃CFC。最近的研究已显示,人类活动所导致的大。

9、气中温室气体浓度的增加极可能导致了大部分自20世纪中期的全球平均温度上升。尽管比较各种气体对气候的影响的准确计量还在争论中,但是联合国政府间气候变化工作小组IPCC推荐的标准为使用二氧化碳作为参照点的全球变暖潜能值GWP。通常,全球变暖潜能值提供了相对于每单位重二氧化碳的气体在一定时期内对全球变暖的影响的指示。例如,在所有时期内碳的GWP都为1,甲烷在100年的期限内的GWP为25。因此,在100年的时期内,估计1公吨的甲烷的影响相当于25公吨的二氧化碳。0005例如,温室气体源包括填埋物、废水处理厂、化工厂、天然气加工厂、天然气井、和油井。例如,碳氢化合物的气体混合物通常指从天然油贮层泵出原。

10、油时释放的废气。这种废气通常在油井处或附近排出或燃烧,导致大气污染而无任何有益利用。0006存在减少或降低温室气体排出、以及消除天然资源浪费的需求。发明内容0007根据本发明的技术方案,通过以下步骤完成发电从产油井的井口收集废气,检测可以判断可用废气的变化的压力变化,相应于可用废气的变化调整原动机提供给发电机的扭矩,以改变发电机产生的电量。0008结合附图和以下说明阐明本发明的多种实施例的细节。由说明和附图以及权利要求,本发明的其它特征、目的和优点是显然的。附图说明0009图1为发电系统的系统框图。0010图2说明了包括调节器的发电系统的实施例。0011图3说明了包括储能罐的发电系统的实施例。。

11、0012图4为发电系统的系统状态框图。0013图5为自由运行模式的系统状态框图。0014图6A为负载连接序列的系统状态框图。说明书CN102119256ACN102119262A2/14页50015图6B为功率负载序列的系统状态框图。0016图7为校正序列的系统状态框图。0017图8为总线连接序列的系统状态框图。0018图9为热电模式的系统状态框图。0019图10A10C说明了PID算法的实例。0020图11为自动发电控制系统的框图。0021图12为具有断熔发电机的自动发电控制系统的框图。0022图13为具有包括交换开关的混合保护装置的自动发电控制系统的框图。0023图14为具有燃气轮机的自动。

12、发电控制系统的框图。0024图15为可移动电厂的框图。具体实施方式0025典型地,收集产油井的废气的可意识到的价值由于有限体积、以有时缺少收集和分配气体的基础结构而极低。在许多情况下,废气收集的经济情况愿意以通过排放或燃烧井口处或附近的气体、而并非通过收集和分配处置来衡量。燃烧会导致不但影响大气而且也引起附近居民的健康保健问题的污染。在一些地区,在单独一年内燃烧的气体量可以提供该区域内的城市、和/或整个区域主要时间内的能量。除了环境影响外,排出或燃烧井口气体导致浪费自然资源。收集井口处的气体、并且利用其发电不仅降低与石油或天然气生产相关的温室气体排放、而且可以通过将其转换为有用物质而防止浪费天。

13、然资源。有时,通过将气体转化为可以在本地区使用、和/或通过现有输电线传输的功率,现场发电可以消除将气体通过管线运送至中心站的需要和成本。这对于由于自然环境约束从而安装气体管线受到成本限制或不可能实现的地区是尤其有利的。0026图1为发电系统100的系统框图。天然气120为发动机140提供燃料,所述发动机140连接有发电机160,当其组装为单一设备180时,通常被称作发动机驱动型发电机机组、或发电机组。尽管该实施例中的原动机天然气供能的内燃机140,但可以使用包括如燃气涡轮、水轮机、蒸汽涡轮和/或柴油机的其它原动机。一般,同步发电机由于其顺利地产生有效和无功能量而较异步发电机优选。目前设计如风涡。

14、轮发电机的较新的异步发电机具有使无功发电成为可能的可选择功率因数设定。有时,原动机的选择可以取决于可用气流的量、以及有效电网控制器所设定的限制。除了成本、功率输出和效率的差异外,不同类型的原动机具有不同优点和缺点。例如,汽轮发电机较少受到简短情况的逆功率流、即当没有充足量的气体维持对发电机的正扭矩时所导致的损害。0027尤其当发电系统100位于如人口密集城市的负载中心附近时,产生有效和无功功率的能力也可以降低运输能量损失。除了降低有效发电厂必须产生的无功功率的量外,分布式发电也减少对新的高功率运输线的需求、并降低与使用该线路相关的损失,因此,降低了有效发电厂和加工制备运输线所需材料的加工厂的碳。

15、痕迹。0028图1所示实例中的发电机组180以自由运行模式运转,从而使燃料120进入发电机组180的流速改变,导致了发电机160的功率输出的相应变化。产生的功率可以用于为本地负载190提供能量,和/或被供给有效电网110。例如,在均分负载模式中,发电机组功率输出与有效电网110同步,并且经共用的电源总线170供给负载。随着负载的需求增说明书CN102119256ACN102119262A3/14页6加,超过发电机160的功率输出,负载190从有效电网110吸取更多功率。同样地,随着负载190的需求降低,少于发电机160的功率输出,产生的剩余功率被储存,和/或供给有效电网110。0029在一些实。

16、施例中,使用包括如调速轮、水电和地热能存储设备的能量储存设备储存剩余功率。其它能量储存设备包括蓄电池组、超导磁能储存等。储存产生的多余功率对于实用功率的需求和相应的实用率低的情况尤为有用。因此,在高需求时期释放功率使有效电网的用户收益,并且由于高峰期实用率可以导致较高的收益率。此外,随着如风力发电机的异步发电机变得更加普及,为了补偿异步发电机所产生的功率的波动,额外的运转备用的需求可能增加。0030典型的发电电机组包括调节发动机的节流阀、以调节流进发动机的燃料的调节器。随流量增加,发动机的速度增加,产生了提供给发电机的扭矩的相应增加。这种扭矩的增加导致了产生的功率的量的增加。通常,产生的功率的。

17、量相应于负载需求的变化而调节。这样的原因之一为避免消耗超过满足本地负载要求所必须的燃料。通过这种控制机制和手动增加节流阀至最大,例如使发电机的输出最大,可以产生多余功率,并供给有效电网。然而,这种实施取决于恒定的燃料流,因此,不能补偿燃料供应的变化。例如,如果可用燃料的量下降,低于保持对最高速度的发电机施加正扭矩所必须的量,则发电机将落入发动机模式,开始消耗有效电网的有效和无功功率。因为这就要求公用事业公司预计无功负载增加、并且实施应付这种增加的对策,如通过在电网上安装静止无功补偿器或其它无功补偿设备,从而不期望这样。此外,不能维持使转子以同步转速转动的足够扭矩可以导致对发电机和/或原动机的相。

18、当损害。0031图2说明了包括调节器211的发电系统200的实施例,其中,增加节流阀,从而相应于可用燃料的增加产生的功率也增加,反之亦然。基于井口295处或来自多个井口的气体的流速判断燃料的可用性。使用包括如压力传感器235或流量传感器的传感电路可以检测流速。例如,通过调节发动机210的节流阀控制发电机组209的燃料流速度接近井口295的最大自然流速。因此,来自井口295的气体的流速增加导致发电机组209产生的功率增加。0032发电机组209产生的功率可以用于满足如用于从产油井中抽油的泵280的本地负载的需求。负载的类型可以取决于在发电场所发生的生产类型。例如,油田生产的本地负载也可以包括循环。

19、泵和盐水灌注泵。与天然气生产相关的本地负载可以包括化学泵和电压缩机。此外,与气厂相关的负载也可以包括冷却装置、压缩机、循环泵、盐水灌注泵和/或冷凝器。例如,通过并联发电系统200和有效电网265,未被本地负载消耗的功率可以储存,和/或供给有效电网265。然而,将发电机215与有效电源总线265连接之前,为了使功率骤增的危险和对发电机215的潜在破坏最小,校正输出电压波形是重要的。例如,可以使用包括电流、电压、功率和/或VAR传感器的传感电路241和261检测AC电压波形特征。在产生的功率与有效电网265的功率的频率、相角、和电压匹配后,发电机电源总线240与有效电源总线260连接,并且将多余功。

20、率供给有效电网265。这样,井口气体就转化为电功率,消除了燃烧的需要、产生温室气体以及浪费自然资源。对于天然气井的情况,将气体转化为电功率、并将其供给电网265避免了铺设管线和/或将气体运输至厂区外的需要。0033图3说明了包括储存罐330的发电系统300。尽管在该实施例中显示了罐,但是,说明书CN102119256ACN102119262A4/14页7如连接井口和原动机的管道的各种类型的容器都可以使用。在操作中,在井口395处收集废气,将其储存在储存罐330中。通过确保天然气的体积是可用的,储存罐330用于防止在如天然气供力的内燃机310的原动机的启动过程中供应管线331的瞬间清空或排出。压。

21、力传感器335监测储存罐330内的气体压力,并且提供井口395处的流速变化的指示。例如,压力增加显示流入储存罐330的流速大于流出储存罐的流速。同样地,压力的降低说明流入储存罐330的流速低于流出储存罐的流速。优选地,使储存罐330内的气体压力达到允许从井口395处流出最大量气体的压力。控制储存罐330的气流以随井口395的气流改变,从而来自储存罐的气流接近井口的最大天然气流。0034例如,可以通过流速或压力传感器测量气流。将压力测量值转换为尽管不经常但也是典型的模拟的信号,该信号随压力改变。典型的压力传感器提供420MA和/或010V的输出。然而,相应于特定系统界面的需要,可以使用其它的输出。

22、值范围或单位。可以将该信号提供给发电机315的功率输出调节器,以基于被检测的气流的变化调节功率输出。例如,可以放大信号,并提供给内燃机310的调节器311,以增加或减少节流阀、继而施与发电机315的扭矩。在一些实施例中,将信号供给多功能控制模块MCM305的输入端,所述多功能控制模块监测气流、并产生控制信号,从而相应于气流的增加或降低而产生包括如增加或减少发电机的功率输出的期望应答。0035可以利用模拟电路和/或逻辑电路实施多功能模块MCM。优选地,利用如可编程逻辑控制器、BASICSTAMP、外部接口控制器的微控制器、或包括如微处理器、FPGA、ASIC等的其它类型的逻辑处理器实施MCM。此。

23、外,优选地,MCM包括通信端口、和/或调制解调器,以监测、调节和控制对通讯网络的发电系统。此外,在一些实施例中,MCM可以由远程场所重新编程。在此情况下,优选地,MCM提供安全保护模式,其中系统管理员可以从远程输入密码以开始上传控制软件,并且闪现控制器。0036在描述的实施例中,基于采自发电机电源总线340的测量值计算功率输出值。例如,利用包括如相应于测量电流输出420MADC信号的电流传感器的传感电路341和361检测电流。例如,通过利用降压变压器降频转换电压信号而利用传感电路341和361测量电压。DC电流和电压信号被供给计算产生的功率的MCM305的输入端。可以以其它方式测量功率输出。优。

24、选地,使用WATTVAR传感器测量功率输出。MCM305利用这些信号监测包括如相角、相位旋转和/或频率的其它输出特征。这些测量值也可以被用于检测包括如过电压、欠电压、过电流、欠电流、相平衡、电压平衡、逆功率通量和/或不可接受的无功电流的故障情况。同样的技术可以用于监测有效电源总线360的功率特征,以及监测有效电网365上发生的故障情况。0037如来自产油井或天然气井的井口气体被用于为驱动发电机315的原动机供能。然而,如上所述,发电机315的输出不是由负载380的需求决定。相反地,当以热电联产模式运行时,功率输出由来自井口395的气体的流速决定。优选地,驱动如天然气供能的内燃机310的原动机以。

25、利用最大量的可用气流,消除排出或燃烧气体的需要。0038产生的电能可以直接被用于驱动泵380或其它设备、储存和/或供给有效电网365。产生的功率输出也可以被用于补充有效提供的功率,从而如果产生的电功率不足以满足泵送需要,则从有效电网365处获得必要的额外功率。如果产生的功率超过本地需要时,多余功率被供给有效电网365和/或储存。说明书CN102119256ACN102119262A5/14页80039图4为描述发电机系统的示例操作的系统状态框图400。顺序的数字描述了与发电系统200相关的操作细节,然而,可以相应于靶发电系统的组成、特征和性能可以改变项目和项目的顺序。0040如图4所示,如处理。

26、步骤410所示,在接合发电机之前,首先启动如天然气供能的内燃机210的原动机,并且设置空转。发动机210的启动燃料可以由辅助罐、井口气体或储存器中的蓄气池提供。在一些实施例中,在转变到本地发电之前,可以将有效电网功率供给泵280。在接合发电机215之前,MCM205监测发动机210,并且调节燃料流量至所需的设定点。如处理步骤415所示,达到设定点之后,接合发电机215,并且如处理步骤420所示,使发电机215加热由MCM205所决定的时间。优选地,为了确定系统200如预期运转,MCM205逐渐升高发电机215的转速,使MCM205监测频率对速度改变的应答。加热时间过去后,发电系统200进入自由。

27、运转状态425。0041图5为描述如发电系统200的发电系统实施例的自由运行状态425的系统状态框图500。如图所示,MCM205证实没有负载与发电机电源总线240连接,并且如处理步骤505所示,处理为监控发电机215产生的功率的频率。如处理步骤510所示,使MCM205实施例如图10A所示的PID控制算法的控制环反馈机制,以减少测量频率和通过计算的所需设定点之间的误差,然后输出控制信号213未显示,以调节发电机215的速度。例如,MCM205产生具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。放大信号213,并且将其传送给发动机210的调节器211,以增加或减少节流阀。占空比的增加或减少导致速度的相应增加。

28、或降低。0042在图4的处理步骤430的实施例中,在达到所需频率并且维持稳定后,MCM205如通过闭合连接如负载280的负载和发电机电源总线240的辅助电闸而接合本地负载。图6A为连接负载的示例系统状态框图600A。在一些实施例中,可能首先必须从有效电源总线260断开负载,或者如下所述校正产生的功率和有效功率。图6B为给负载供能的示例系统状态框图600B。如处理步骤625所示,连接负载后,MCM205继续监测并调节功率频率,以补偿任何偏差。0043负载需求的骤增或骤减增加/降低施于发电机的定子绕组的实际电流量。磁通量的相应变化使转子轴因扭矩改变而加速或减速。现有系统在尝试改变调节器设定之前检测。

29、频率尖峰和/或速度变化,因此导致较长拖延、大的频率尖峰和对发电机和/或原动机的相关磨损。典型的发电系统检测速度和/或频率的下降,并尝试补偿。然而,事件检测和事件发展之间的耽搁会导致如频率尖峰的明显波动。为了使这种效果最小,在一些实施方式中,MCM205包括负载变化预测和补充系统LCACS206,所述补充系统用于监测由于任何骤增或骤减而从发电机215吸取的电流,并且以如检测到干扰幅度和持续时间所预测对抗转子的增速或减速的方式改变控制信号213的特征如LCACS206根据干扰的幅度和持续时间所计算。例如,当控制信号213为具有可变占空比的脉冲宽度调制信号时,如维持恒定频率所计算的控制脉冲的占空比与。

30、干扰的特征成比例地扩大增加或降低。在一个实施例中,LCACS206包括检测干扰的置于传感电路241的电流传感器的第二线圈上的线绕电阻器。流过电阻器的电流提供了跨过电阻的电压下降,可以测量所述电压下降、并提供给MCM205,或者基于已知的电阻值由所述电压下降就可以计算电流。优选地,使用低电阻、高精确性的电阻器。在一些实施方式中,传感电阻器上产生的所得电压通过模拟信号处理子系统发送,所述模拟信号处理子系统将信号规定为定子电流幅度差异的DC表征。条件信号发给说明书CN102119256ACN102119262A6/14页9MCM205,在MCM205处条件信号解析为脉冲宽度调制占空比计算。尽管,在该。

31、实施例中,在MCM205内执行LCACS206,但是也可以使用MCM205外部的逻辑电路执行LCACS206。0044测量和/或计算与检测转子或发动机速度向对比的电压和/或电流降低了MCM205对负载波动的应答时间。在一些情况下,该应答时间由32MSEC减少到4MSEC。在此情况下,例如,发电系统200能够在相对于60HZ系统的两个周期的四分之一周期内补偿波动。在50HZ系统中,应答时间由40MSEC减少至5MSEC。0045在一些图3中的程序处理435的实施例中,在MCM205判断功率输出稳定后,监测有效功率260一段时间可以为预定的、计算的或随机的,以确保总线是充电且稳定的。在一些图4的处。

32、理步骤440的实施例中,在MCM205判断总线240和260是稳定的之后,发电系统200进入如图6B中程序处理630所述的同步序列。图7为校正发电机215产生的功率和有效电源总线260的示例性系统状态框图700。该校正过程使发电机215的输出电压波形与有效电网265的电压波形匹配。自动同步逻辑调节发电机215产生的功率的频率,以与有效电源总线720的相角匹配。图10说明了自动同步逻辑执行PID算法的实施例。例如,可以通过基于用于检测相校正的相锁环电路的反馈执行PID控制算法在MCM205内实施自动同步逻辑。例如,当进入同步序列时,MCM205实行图10B所示的PID算法。0046如图10B所示。

33、,传感电路241和261包括接收来自发电机电源总线240和有效电源总线260的电压波形的相检测器。将相检测器的输出供给校正算法,校正算法输出在如初始频率设定点的/1的可接受频率范围内的频率校正值。这样,为了影响相校正的偏移,以较小增量调整频率设定点,直至取得所需的相校正。0047开关装置221与发电机电源总线240和有效电源总线260连接。一些实施方式可以包括用于增加保护的多个开关装置221、断路器、和/或保险丝。连接开关装置控制继电器229,以接合或断开所述开关装置221,从而连接或断开电源总线240和260。例如,MCM205可以通过给继而接合开关装置221的开关装置控制继电器229通电而。

34、发出闭合指令,从而连接两条总线。从MCM205至开关装置控制继电器229的控制信号227的任何中断都将使继电器229断电、并使开关装置221断电,从而使发电机电源总线240与有效电源总线260断开。0048图8说明了如可以在图4中的处理步骤445的一些实例中使用的示例性总线连接序列800。如图所示,在发电机电源总线240上检测到的频率和相角与有效电源总线260的频率和相角匹配后,发电系统200进行至图8所示的总线连接序列。在启动对开关装置221的闭合指令之前,如处理步骤810所示,MCM205推进调节器211以增加速度稍高于有效电源总线260的频率。这样做降低了转子速度降低至匹配有效电网频率所。

35、必须的速度以下、因而从电网265吸取有效和无功功率的风险。在启动闭合指令时,MCM205将控制信号227传送给开关装置控制继电器229。如处理步骤815所述,在接合开关装置221后,发电机转子的速度因其被锁定为同步转速而变慢,并且由将维持调节器处于提前位置所产生的额外扭矩将由发电机215转化为电流。MCM205接着监测一段时间的可以为预定的、计算的或随机的功率输出,同时维持对发电机215的正扭矩。0049在一些实施例中,保护继电器系统220监测发电机电源总线240和有效电源总线260上的功率的电压、电流、频率和相角。保护继电器系统220包括在开关控制继电器229和MCM205之间串联连接的开关。

36、228。如果保护继电器系统220和MCM205都认同被监测说明书CN102119256ACN102119262A7/14页10的AC电压波形特征之间存在匹配,则开关228闭合,完成电路,并且来自MCM205的控制信号227允许为开关装置控制继电器229通电。在一些实施方式中,设定对比波形特征的容许极限。在以上和以下描述的各个实施例中,波形特征之间的完全匹配不是必须的。如上所述,当将发电机和有效电网连接、以确保在发电机215上维持正扭矩时,可以需要频率的稍微增加,以建立所需正滑动。0050保护继电器系统220也可以监测各种其它参数,如包括线路故障、过电压情况、欠电压情况、过频率、欠频率、多相系统。

37、的相平衡、逆功率流、和/或无功电流。相应于这些测量值,MCM和/或保护继电器系统220可以通过终止提供给开关装通过置控制继电器229的控制信号227,例如通过打开开关228,使开关装置221断电。0051再参考图4,一旦成功完成总线连接序列445,发电系统200进入热电联产模式450,即图9中更加详细描述的例子。如图9所示,如处理步骤910所示,在热电联产模式中,MCM205通过控制对发动机210的调节器211维持电路231或任选的储存器330内的所需气体压力。例如,通过计算、然后输出调节发电机210的节流阀的控制信号,使MCM205执行控制环反馈算法,以减少测量压力和所需设定点之间的误差。0。

38、052图10C中说明了示例性控制环反馈算法。如图所示,使用包括如功率传感器的传感电路241测量由发电机215所产生的功率。然后,从功率传感器采集的功率测量值的输出被用于计算增加或降低所产生功率的校正值,以匹配发电设定值。在该实施例中,优选发电设定值设定为燃料消耗匹配如气体压力传感器所测的井口处可用气体的流速的值。0053如上所述,节流阀的增加导致管道的燃料流的增加,反之亦然。在图2所述实施例中,MCM205产生具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。该信号被扩大,并传送给调节器,以增加或减少节流阀。因为转子的速度维持稳定,额外的节流阀产生导致发电机215所产生的功率增加的扭矩增加。因此,脉冲宽度调制。

39、信号的占空比的增加或降低分别导致了所产生功率的相应增加或降低。尽管,以上和以下所描述的实施例包括具有可变占空比的脉冲宽度调制控制信号,但是相应于速度控制电路界面要求可以使用其它类型的控制信号。0054在一些实施方式中,MCM205将燃料压力与上限和下限对比。例如,可以相应于原动机可接受的最大流速设定上限。优选地,选择原动机,以能以气体源处所预计的最大流速消耗燃料。如果压力超过上限一段时间可以为预定的、计算的或随机的,例如MCM通过启动额外的发电机而开始补偿的适当程序。可以相应于提供产生足够满足本地负载所需的最小流所估计的水平设定下限。在一些实施例中,可以相应于提供产生足够对发电机的正扭矩所需的。

40、最小流所估计的水平设定下限。一旦检测到压力已经下降低于下限一段时间可以为预定的、计算的或随机的,MCM205将终止对开关装置控制继电器229的控制信号227,从而使开关装置221断电,并且使发电机215从有效电源总线260分离。在一些实施例中例如一些以下所讨论的优选实施方式,当燃料压力降至低于下限时,本地负载如泵280从有效电源总线例如260吸取功率。0055图11为自动发电控制系统1100的实施例。该系统包括具有优选的自动同步逻辑的MCM1105、与发电机1115连接的发动机1110、监视继电器1120A和1120B、开关装置1121A和1121B以及通信系统1125。储存器1130与如向M。

41、CM1105输出DC信号的压力传感器的压力检测器1135连接。压力传感器1135的输出值典型地为具有优选的420MA范围的可变DC电流,也可以以其它范围和/或单位表示。压力信号提供了流入和流出储存说明书CN102119256ACN102119262A8/14页11罐1130、因而为燃料可用性的指示。储存罐1130为任选的,并且不为示例系统的必须部分。例如,可以将压力检测器1135直接连接到提供燃料的管道。燃料被提供给与发动机1115连接的如天然气供能的内燃机的发动机1110。发动机1110包括调节器1111,调节器1111接收来自MCM1105的信号1113,以推动或抑制发动机1110的速度。。

42、如前所述,信号1113优选为脉冲宽度调制信号。MCM1105经发动机状态总线1112监测发动机性能。优选地,监测包括如温度、速度和/或油压的多个发动机参数。发电机1115与发电机电源总线1140连接。通过包括能检测发电机1115所产生的功率的如电压、电流、频率和/或相的传感器电路1141的监视继电器1120A监测发电机电源总线1140。监视继电器1120A也与传感电路1151连接,以监测与开关装置和本地负载连接的共用总线1150。在该实施例中,在发电机1115连接入线路之前,共用总线1150最初由原动机未标示供能。共用总线1150也由MCM1105利用传感电路1151监测。MCM1105将推动。

43、或抑制发电机1115,校正总线1140和1150之间的输出电压波形。在MCM1105确定发电机1115的功率输出与共用总线1150同步后,MCM1105经发出闭合指令。如果监视继电器1120A也检测到总线1140和1150为同步的,则监视继电器1120A将闭合,使闭合指令传送给开关装置1121A。0056在图11中也显示了第二开关装置1121B和监视继电器1120B。开关装置1121B与有效电源总线1160和共用总线1150连接。监视继电器1120B监测共用总线1150和有效电源总线1160,并且当检测到同步时就闭合。传感电路1161和1151为监视继电器1120B和MCM1105提供波形特征。

44、信息。MCM1105监测总线1160和1150,总线1160和1150推动或抑制发动机1110的调节器1111,以使发电机1115的功率输出与有效电源总线1160的功率输出同步。优选地,单MCM1105为各个发动机1110提供调节器控制信号1113,从而共用总线1150提供功率,以维持各个发电机1115的同步输出。在一些实施例中,例如在其中大距离间隔与共用总线1150连接的发电机1115的实施例中,对于各个发电机1115可以优选具有单独的MCM1105。在此情况下,优选地,尤其当尝试使共用总线1150的功率与有效电源总线1160的功率同步时,提供连接MCM1105的通信网络1125,以改进应答。

45、时间和对共用总线1150的功率的控制。0057在共用总线1150上功率被校正后,监视继电器1120B将闭合,并且一个或多个MCM将对相应的开关装置1121B发出闭合指令。如上所述,相应于燃料的可用性调节发电机功率输出。在该实施例中,可以连接储存罐1130,以为一个或多个发动1110机提供燃料,从而增加可以消耗的燃料的量,以匹配来自如天然气或产油井的可用燃料的量。0058图12为具有装有保险丝的发电机的自动发电控制系统1200的实施例。系统1200包括具有优选的自动同步逻辑的MCM1205、与发电机1215连接的发动机1210、辅助开关1223、监视继电器1220、开关设备1221以及通信系统1。

46、225。储存器1230与向MCM1205输出如DC信号的如压力传感器的压力检测器1235连接。压力检测器1235的输出信号描述为420MA,但是可以以不同的范围表示或以不同单位计数。压力信号提供了流入及流出任选的、但优选存储罐的气体、进而为燃料可用性的指示。将燃料提供给如天然气供能的内燃机的发电机1210,其与发电机1215连接。发电机1210包括调节器1211,所述调节器1211接收来自MCM1205的控制信号1213,以推动或抑制发动机1210的速度即处于同步模式或扭矩即处于热电联产模式。优选地,控制信号1213为具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。MCM经发动机状态总线1212监测包括如温。

47、度、速度和/或油压的发动机性说明书CN102119256ACN102119262A9/14页12能。0059在图12中,发电机1215经辅助开关1223和内嵌保险丝1222与发电机电源总线1240连接。MCM1205经优选包括功率传感器的传感电路1241监测发电机电源总线1240,以测量发电机电源总线1240的功率。发电机电源总线1240与本地负载1280、和与有效电源总线1260连接的开关设备1221连接。在该实施例中,MCM1205和监视继电器1220监测发电机总线1240的故障和与有效电源总线1260的同步。MCM1205在可接受的频率极限范围内推动或抑制发电机1215,以校正总线124。

48、0和1260之间的输出电压波形。一旦确定发电机1215的功率输出与有效电源总线1260同步,MCM1205就会发出闭合指令。如果监视继电器1220也检测到总线1240和1260是同步的,则监视继电器1220将闭合,使闭合指令传送给开关装置1221。0060MCM1205和监视继电器1220将继续监测频率、相校正和各种其它参数,并且一旦检测到故障情况,就断开开关装置1221。如上所述,相应于燃料的可用性,调整发电机功率输出。如果MCM1205检测到没有足够的可用燃料的量维持对发电机1215的正扭矩,则MCM1205将打开辅助开关1223,从而使发电机1215与发电机电源总线1240和负载1280。

49、断开。在标准状态下,负载1280将继续由有效电源总线1260供能,直至足够的燃料可用于通过断开开关设备1221、及闭合辅助开关1223重新接合发电机1215、并重新初始化系统1200,以重建电源总线1240和1260之间的同步。0061图13为具有包括交换开关1324的混合保护装置的自动发电机控制系统1300的实施例。该系统包括具有优选的自动同步逻辑的MCM1305、与发电机1315连接的发动机1310、监视继电器1320、开关装置1321、交换开关1324和通信系统1325。任选的储存器1330与向MCM1305输出DC信号的如压力传感器的压力检测器1335连接。压力检测器1335的输出信号再次描述为420MA,但是其可以表示为不同范围或以不同单位计数。所述压力信号提供了流入和流出储存罐1330的气体、继而为燃料可用性的指示。将燃料提供给与发电机1315连接的如天然气动力的内燃机发动机1310。发动机1310包括调节器1311,该调节器1311接收MCM1305的控制信号1313,以推动或抑制发动机1310的速度。优选地,控制信号1313为具有可变占空比的脉冲宽度调制信号。MCM经发动机状态总线1312监测包括如温度、速度和/或油压的发动机性能。0062图13中的发电机1315经辅助开关1323和内嵌保险丝1322与发电机电源总线1340连接。发电机电源总线1。

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 固定建筑物 > 土层或岩石的钻进;采矿


copyright@ 2017-2020 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备2021068784号-1