录井无线传感器光伏太阳能供电系统

0 引 言

录井传感器是综合录井仪检测钻井工程参数、钻井液参数、钻遇地层流体信息等的主要工具,一套综合录井仪包括多个传感器,传统的传感器均由综合录井设备统一供电,由于传感器检测到的信号需要通过信号线送入仪器房内的采集系统,一方面传感器安装、拆卸麻烦,另一方面其电源线和信号线的存在也造成了一定的安全隐患。为解决上述问题,近年来录井技术人员研制出无线传感器用于综合录井设备,现场应用情况表明,无线传感器与传统的传感器相比具有突出的技术优势,但由于原有传感器功耗较高,现有录井无线传感器多是重新开发低功耗传感器,提高了录井设备运行成本,对其推广应用带来不利影响。

综合录井设备的电源主要是由井场动力提供,包括钻井柴油发电机或井场电力网络系统两种主要模式。由于自身系统结构复杂,功能强大,综合录井设备的能耗处于较高水平,其中传感器系统包含有多个不同类型的传感器,传感器系统的能耗是综合录井设备重要耗能之一。结合近年来光伏太阳能技术的发展,考虑到综合录井设备工作区域环境的需要,为了充分发挥现有传感器作用,将现有传感器改造成无线传感器,降低综合录井设备能耗,实现节能减排目的,开展了利用光伏太阳能为传感器提供电源的相关技术研究,并取得了较好的效果^[1,2,3,4,5]。

1 传感器系统功耗测试与分析

1.1 传感器供电技术现状

作为综合录井设备的重要组成部分,一套综合录井设备传感器系统主要包括大钩负荷传感器、立管压力传感器、套管压力传感器、扭矩传感器、绞车传感器、转速传感器、泵冲传感器(2个)、流量传感器、温度传感器(2个)、电导率传感器(2个)、密度传感器(2个)、硫化氢传感器(4个)、体积传感器(4个)等,根据钻井设备配置要求,综合录井传感器标配为23个。

现有传感器系统供电方式均由综合录井设备系统提供,从井场电源系统输出12 V/24 V直流电并通过电源线分别对相关传感器供电。

1.2 传感器系统功耗测试

在不改变现有传感器供电方式的情况下,对10种传感器分别进行了详细的功耗测试,其测试结果见表1。

表1数据表明:在现有供电模式下,综合录井设备传感器系统的每日耗电量约为0.364 kW·h。

2 光伏太阳能电源系统设计原理

2.1 光伏发电原理及优势

太阳光照射在太阳能电池板上,电池板内的半导体材料结构发生变化,形成电子-空穴对,电子发生移动,在电池板的两极产生电位差,从而使光能转化为电能。与传统的供电系统对比,光伏发电优势突出,主要表现为:

(1)能量用之不竭。由于太阳能充足,可以持续产生电能,不像化石能源、水力发电等易受资源量的影响。

(2)洁净能源。光伏发电不会产生噪声、废气、废水污染,对于节能减排具有重要作用。

2.2 传感器光伏太阳能供电系统原理

在将现有传感器改造成无线传感器过程中,借鉴现有无线传感器技术成果,以ZigBee协议为核心建立信息传输无线网络^[6,7,8,9,10],每只传感器均集成一个无线发送节点,实现传感器信息的无线传输与采集,无线节点电源与传感器工作电源统一用一个电源供电。

光伏发电用于录井传感器系统时,由于易受日光照射条件限制,需要对供电系统进行合理设计与加工。为了满足录井无线传感器连续正常工作要求,针对光伏太阳能发电特点,研究分析现有光伏太阳能供电原理^{[11,12,13,14]},在此基础上,结合综合录井工况环境,设计出传感器太阳能供电系统,原理见图1。

图1中太阳能电池板产生的电能通过电压控制直接提供给传感器,确保传感器正常工作,同时多余的电能输送给电池组存储。在阴雨天气或者夜晚,太阳能电池板难以正常工作时,电池组可为传感器提供电能,确保传感器连续正常工作。控制系统对电压控制模块、容量监测模块进行控制,通过容量监测模块对电池组的电能连续监测,一旦电池组自身出现故障,容量监测模块控制系统将实时反馈,由控制模块自动发出警报信号,提示现场录井技术人员检查、检修传感器。

该电源系统具有传感器电源的自动控制、报警等功能,可替代钻井井场动力电源实现对井场传感器的供电。

3 光伏太阳能无线传感器研制

3.1 电池容量优选

考虑不同的地域、不同的光照以及不同的录井施工环境,电池将成为传感器电源的主要来源和太阳能光伏发电的储能装置。根据传感器功耗测试数据,按照录井施工现场日照强度满足太阳能电池板发电时间6 h计算,电池组需要为传感器每天供电18 h以上,根据电池放电特点,优选出不同传感器的电池组容量要求。

为了有效发挥电池组效率,针对传感器的功耗,采用6块方形锂电池(3.7 V、6 000 mA·h),将其两两串联为1组,然后3组再以并联模式进行组合,实现容量为18 000 mA·h,总体尺寸为105 mm×93 mm×27 mm,满足传感器控制系统小体积设计要求。原理见图2^[12,13,14]。

采用升压模块对供电7.4 V进行升、降压处理,分别提供单片机需要的3.3 V、ZigBee模块和绞车传感器需要的5 V、模拟信号输出传感器以及泵冲传感器需要的24 V供电电压。

3.2 太阳能电池板的选择方案

选取太阳能电池板的基本参数为:类别为A级单晶硅;转换效率为20%;额定电压为12 V;工作环境温度范围为-40℃~85℃;有效感光区域尺寸为250 mm×200 mm。

为了有效掌握太阳能电池板性能参数,对其有关性能进行了测试分析,测试条件为带负载测试,负载电流为350 mA,充电电压为12.6 V,负载电压为12 V,具体测试数据如表2。

该太阳能电池板的充电效率曲线如图3所示。 对比光伏太阳能充电能力、传感器耗能情况,利用光伏太阳能电池板可以满足传感器的正常工作。在阳光充足的条件下,太阳能电池板部分电能储存到电池,供传感器夜晚连续工作。光伏太阳能无线传感器系统的泵冲/转速传感器、及绞车传感器外观如图4所示。

4 现场应用效果

光伏太阳能传感器研制成功后,在录井施工现场进行了应用,实现了传感器的光伏太阳能供电和正常工作。在中原油田H 3井,利用光伏太阳能传感器替代传统的有线传感器,在录井作业过程中,能耗最高的H₂S传感器最短连续工作时间为21 d,通过及时更换备用电池,满足了录井正常生产所需。

图5是体积传感器的安装现场。传统的超声波体积传感器正常安装在钻井液罐上方,太阳能电池板固定在钻井液罐护栏上,电池板调整为面向南方30°~60°倾角以提高太阳能板采光效率。通过电源线向传感器控制箱内的电池组供电,传感器采集到的信号经过发射天线传输到综合录井仪器房内的接收端,实现了体积传感器的正常工作。与常规传感器对比,该传感器系统取得了较好的应用效果。

通过太阳能供电,实现了现有传感器无线化改造。在不采购低功耗传感器的基础上,实现了录井传感器信息的无线采集与传输,为远程录井技术应用提供了技术支撑。利用光伏太阳能为录井传感器提供电源,节约了井场动力电源,降低了能量消耗,实现了节能及清洁生产,减少了废气的排放。充分利用清洁能源太阳能,减少了由于发电而产生的二氧化碳、二氧化硫等废气污染物的排放,实现了生产的清洁化。

5 结束语

光伏太阳能在录井传感器中的应用,实现了现有高功耗传感器的无线化改造,在满足录井正常施工的同时,具有较好的节能减排效果。该成果也为综合录井设备系统实现光伏太阳能供电、远程录井技术的应用推广提供了发展思路,有利于综合录井技

术的进一步发展和提高。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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