高压天然气井高能电子点火系统

摘要

本发明公开了一种适用于石化领域，尤其是天然气井(油井)放喷领域中，对放喷口进行点火的高压天然气井高能电子点火系统，包括输入电源和放喷装置，输入电源与点火器主机连接，点火器主机经耐火电缆与点火杆连接，所述点火杆经点火杆支架固定于放喷装置上方。采用本发明，能解决目前各种点火方式中点火容易被喷出的水喷灭的问题，可靠性高，无安全隐患，点火性能准确、高效，即使在恶劣的环境下，只要气体浓度达到燃烧浓度下限，也可以成功点火。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于石化领域，尤其是天然气井(油井)放喷领域中，对放喷口进行直接点火的点火系统。

背景技术

天然气井(油井)在开采过程中或发生井喷时，通常会在放喷管道排放出大量的可燃气体与卤水等物质，这些物质流速快，且含有甲烷、硫化氢和二氧化硫等易燃、易爆、有毒气体，因此尽快点火是减少人员伤亡的最有效的措施之一。目前国内还没有一种有效方法解决这一难题，达州11.20井喷事故的产生，就是因为没有在第一时间点燃放出大量的高压可燃气体，而使放喷过程失控。

目前钻井放喷点火方式主要有长明火点火、焰火点火和电子间接点火三种。明火点火是把柴油用木柴或布引燃，放置在放喷口上，当可燃气体浓度达到燃点时而引燃可燃气体的方法。电子间接点火是用电视机的高压包产生火花点燃预置在放喷口的煤气而引燃可燃气体的方法。此两种方法对气量小、喷放过程可控时有一定效果，但时常被喷出的水喷灭，可靠性非常差，安全隐患大，一旦失控后果不可设想。

焰火点火是用民用焰花对准放喷喷射而引燃可燃气体的方法。这种方法不容易瞄准，受风向影响很大，可靠性非常差。焰花自身容易爆炸对操作人员不安全。以上方法，在使用时常混合使用，操作极不方便。由此可见，钻井现场极需要全新概念的点火系统，以使放喷点火安全可靠。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种采用电子打火方式对放喷管道喷出的可燃气体进行引燃的高压天然气井高能电子点火系统，采用本发明，能解决目前各种点火方式中点火容易被喷出的水喷灭的问题，可靠性高，无安全隐患，点火性能准确、高效，即使在恶劣的环境下，只要气体浓度达到燃烧浓度下限，也可以成功点火。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高压天然气井高能电子点火系统，包括输入电源和放喷装置，其特征在于：输入电源与点火器主机连接，点火器主机经耐火电缆与点火杆连接，所述点火杆经点火杆支架固定于放喷装置上方。

所述的点火主机包括依次连接的将输入电源变换为2000V高压电的变压电路部分、对输入的高压电进行充电的储能电路部分和控制所储存电能释放的放电电路部分。

所述输入电源为两种，一种为220V交流电，另一种为12V直流电。

所述变压电路部分包括将12V直流电转换为220V交流电的逆变器和将220V交流电转换为2000V高压电的变压器。

所述储能电路部分包括二极管、电容、电阻、双向可控硅和电感，其中，二极管部分用于将输入的2000V高压交流电整流，经限流电阻后，由双向可控硅和电感控制电路中电容的充放电。

所述放电电路包括放电管和与放电管之间经耐火电缆连接的点火杆。

所述耐火电缆外层设置有陶瓷材料层，在陶瓷材料层外设置有电缆保护管，所述陶瓷材料层为瓷管，所述电缆保护管为不锈钢材料，所述电缆保护管为多根构成，每两根之间经丝扣扣合。

所述点火杆为三根，每根点火杆分别与耐火电缆连接，三根点火杆经PLC编程控制轮流切换工作。

所述点火杆包括依次连接的点火头、点火杆身和连接头，点火杆为三层结构，由内至外依次为点火杆内芯，绝缘层和不锈钢外层，其中绝缘层为陶瓷材质，其中点火头上的点火电极采用2520不锈钢材质，点火杆身采用304不锈钢材质，点火杆身和点火头之间丝扣连接。

本发明的优点表现在：

1、由于本发明采用输入电源与点火器主机连接，点火器主机经耐火电缆与点火杆连接，所述点火杆经点火杆支架固定于放喷装置上方，这样的技术方案实现了远程控制点火，点火性能准确、高效。另外，由于本发明采用变压电路、储能电路和放电电路的结构形式，对输入的电源进行先变压为2000V的高压电，然后储存并放电，从而实现点火的方式，放电电能高，点火不容易熄灭，能解决目前各种点火方式中点火容易被喷出的水喷灭的问题，可靠性高，无安全隐患，点火性能准确、高效，即使在恶劣的环境下，只要气体浓度达到燃烧浓度下限，也可以成功点火。

2、输入电源采用两种形式，通常情况下采用220V交流电源，在停电等情况下，还可以直接输入12V直流电，从而能保证本发明无论在有电还是断电中都能持续工作。

3、本发明采用的耐火电缆外设置有陶瓷材料层，在陶瓷材料层外设置有电缆保护管，这样的技术方案能进一步保护电缆不被高温熔化，不会在有高压水、泥浆的条件下被短路，以保证点火装置在长期高温的条件下也能正常工作。

4、本发明采用三根点火杆，在PLC编程控制下能自动轮流切换，在将几个点火杆装在放喷池不同位置时，可实现多点轮流点火，这样能更好地适应现场的情况如风向等的影响。。

5、点火杆为三层结构，由内至外依次为点火杆内芯，绝缘层和不锈钢外层，其中绝缘层为陶瓷材质。这样的技术方案能耐点火时产生的高温，并且点火头上的点火电极采用2520不锈钢材质，能进一步耐受高温，点火杆身采用304不锈钢材质，导电性更好，以免造成点火能量的无谓损失，点火杆身和点火头之间丝扣连接，方便现场安装。

6、本系统配置了纯镍耐火电缆，并在耐火电缆上包覆了不锈钢外层，使之具有很强的耐火、耐高温、耐酸碱腐蚀等特性。点火杆由不锈钢材料制成，它不但可以耐高温耐腐蚀，而且放电能量高，能适应现场恶劣的环境。点火杆的点火端具有自净能力，抗积炭、抗结焦，点火可靠性高。如果点火端被污渍污染引起短路，则电路将自动停止工作，并在清理污渍之后可以继续工作。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的补充说明，其中：

图1为本系统连接示意图

图2为点火器主机面板示意图

图3为点火器主机内电路结构原理图

图4为点火杆结构图

图5为耐火电缆与点火杆结合结构示意图

图中标记；

21、放喷装置；22、耐火电缆；23、点火杆；24、点火杆支架；25、陶瓷材料层；26、电缆保护管；7、点火头；8、点火杆身；9、连接头；10、点火杆内芯；11、绝缘层；12、不锈钢外层；1、电源部分；2、放大部分；3、整流部分；4、开关控制；5、储能控制部分；6、储能部分；13耐火电缆正极；14、耐火电缆负极；15、保护管卡扣连接头。

具体实施方式

实施例1

参照说明书附图1，本发明公开了一种高压天然气井高能电子点火系统，包括输入电源和放喷装置21，输入电源与点火器主机连接，点火器主机经耐火电缆22与点火杆23连接，所述点火杆23经点火杆支架24固定于放喷装置21上方，放喷装置为现有技术中常见的放喷装置，由喷筒等部件构成。

实施例2

参照说明书附图3，本发明另一实施方式是，在实施例1的基础上，所述的点火主机包括依次连接的将输入电源变换为2000V高压电的变压电路部分、对输入的高压电进行充电的储能电路部分和控制所储存电能释放的放电电路部分。所述变压电路部分包括将12V直流电转换为220V交流电的逆变器和将220V交流电转换为2000V高压电的变压器。所述储能电路部分包括二极管、电容、电阻、双向可控硅和电感，其中，二极管部分用于将输入的2000V高压交流电整流，经限流电阻后，由双向可控硅和电感控制电路中电容的充放电。所述放电电路包括放电管和与放电管之间经耐火电缆22连接的点火杆23。

实施例3

参照说明书附图1，本发明另一实施方式是，在实施例1的基础上，所述输入电源为两种，一种为220V交流电，另一种为12V直流电。

实施例4

参照说明书附图5，本发明另一实施方式是，在上述实施例的基础上，所述耐火电缆22外层设置有陶瓷材料层25，在陶瓷材料层25外设置有电缆保护管26，所述陶瓷材料层25为瓷管，所述电缆保护管26为不锈钢材料，所述电缆保护管26为多根构成，每两根之间经丝扣扣合。

实施例5

参照说明书附图2，本发明另一实施方式是，在上述实施例基础上，所述点火杆23为三根，每根点火杆23分别与耐火电缆22连接，三根点火杆23经PLC编程控制轮流切换工作。

实施例6

参照说明书附图4，本发明另一实施方式是，在上述实施例的基础上，所述点火杆23包括依次连接的点火头7、点火杆身8和连接头9，点火杆23为三层结构，由内至外依次为点火杆内芯10，绝缘层11和不锈钢外层12，其中绝缘层11为陶瓷材质，其中点火头7上的点火电极采用2520不锈钢材质，点火杆身8采用304不锈钢材质，点火杆身8和点火头7之间丝扣连接。

实施例7

作为本发明一较佳实施实例，本系统采用了变压储能放电电路，变压电路部分包括逆变器和变压器，用于将220V交流电或12V直流电转化为2000V高压，其中，逆变器的作用是将12V的直流电转换为220V交流电，变压器的作用是将220V交流电转换为2000V高压交流电；储能电路部分包含二极管、电容、电阻、双向可控硅、电感等元件，它们之间采用印刷电路或电线连接，其中，二极管部分用于将高压交流电整流，经限流电阻后，由双向可控硅和电感控制电路中电容的充放电；放电电路部分包括放电管和点火杆23，它们之间使用耐火电缆22连接。当电容中存储的电能达到一定的值时，放电管会发生击穿，进而控制点火杆23顶端的两极击穿空气而放电。其中，开关部分采用PLC控制电路，可以控制三个点火杆23按指定时间依次循环点火。

本系统可以实现远程控制点火，它的点火性能准确、高效。即使在恶劣的环境下，只要气体浓度达到燃烧浓度下限，即可以成功点火，且点火杆23在放喷气体(如甲烷)长期燃烧烘烤的条件下可以持续正常工作。本系统操作简单方便，按钮与指示灯等功能一目了然。此外，点火杆23的点火端具有自净能力，抗积炭、抗结焦，点火可靠性高。如果点火端被污渍污染引起短路，则电路将自动停止工作，并在清理污渍之后可以继续工作。经试验，点火端即使完全插入泥浆中也可以持续的发出电火花，点火效率与能量丝毫未受泥浆影响。

本系统还实现了两种电压输入，即220V交流电或12V直流电。一般情况下采用220V交流电源；在停电等情况下，还可以输入12V直流电，通过其中的蓄电池转换，输入到电子点火装置中使之维持正常工作。断电情况下持续工作的时间与蓄电池容量有关。

本系统由点火器主机到点火杆23的连接均采用耐火电缆22，在接近放喷池口10米以内的位置，还新设计了耐高温结构，即在耐火电缆22外层加装了一层瓷管和一层不锈钢材料的电缆保护管26，以保护电缆不被高温熔化，电缆在有高压水、泥浆的条件下被短路，以保证点火装置在长期高温的条件下也能够正常工作。

本系统主机易于安装，操作简便，并实现了三杆自动轮流点火。只需按下启动开关，三个点火杆23便会经PLC编程控制而自动轮流切换，工作过程为：1#点火杆23工作5秒之后，然后停止10秒；之后2#点火杆23以同样的方式工作，然后是3#点火杆23。三个点火杆23依次循环，直至手动按下停止按钮。其中的工作时间与间隔时间都可以预先设置。在将几个点火杆23装在放喷池不同位置时，还可以实现多点轮流点火，这样更能适应现场的情况如风向的影响。

本系统的核心电路图如图3示。由12V直流电或220V/50HZ交流电经变压器升压，硅堆整流后变为高压直流，经限流电阻向储能电容C11-C15充电，经过一定时间后，当储能电容器上的电压达到放电管击穿而放电，使储能电容器上所储存的能量通过放电管K2、电感L1、耐火电缆22、导电杆加到半导体火花塞电极上，使半导体火花塞电极端面产生强烈的火花，从而点燃可燃物质。当储能电容器上的能量释放完后，放电管K2恢复阻断状态，以后便重复上述工作过程。

由电路图可知，整个电路是由220V电压供电(包括直接输入220V交流电和使用逆变器将12V直流电转换为220V交流电两种情况)，与其他某些电路不同，此电路是先使用变压器放大，再经过整流部分整流，然后直流电压放电。在储能控制部分中，双向二极管D12上的电压值控制双向可控硅Q1的通断，Q1左右侧导通时，电路为储能部分的电容C11-C15充电。随着电容充电，D12上的电压也逐渐发生变化，当其上的电压不足以使Q1导通时，Q1左右侧关断。因为在Q1关断时，电路中的电流变化使在电感L1中感应出电磁场，此磁场可以控制原来处于打开状态的开关K2在此时关闭。K2的关闭，使储存在储能电容中的电荷释放出来，所释放的能量击穿了连接在储能电容两端的电极之间的空气。当储能电容器上的能量释放完后，放电管K2再次关闭，恢复到阻断状态。此工作过程不断循环往复，直至手动打开开关K1。

除了常用的电子元件之外，某些特定的组件需要根据现场的工作条件等因素综合选取。根据设计，需要将电压提高到2000V并放电产生电火花，所以在电路的输出部分的线路内需要承载2000V的高压，因此不能采用普通的用于传输220V电压的电线，而要采用耐高温的纯镍耐火电缆22，以适应现场的高温环境。因为电极需要直接放置在流体喷射区域上方，并且在点燃气体后，需要一直承受高温火焰的烘烤，并要承受放喷管道内酸液、泥浆等杂质的腐蚀，所以点火电极需要耐火、耐高温、耐腐蚀、防锈，并要保证两极之间不会因为受到污染而短路。

考虑到以上因素，所以点火电极需由耐高温的不锈钢制成，故在此选用了2520材料。为了方便点火现场的安装与操作，电极设计为同轴方式，在电极的两极之间选择使用陶瓷材料绝缘。杆身使用304材料，导电性比点火头7好，以免造成点火能量的无谓损失，并方便现场安装与固定。点火杆23与点火头7之间采用丝扣连接的方式，点火杆身8与内芯之间同样使用陶瓷材料绝缘。点火杆23尾端也设计为丝扣方式，以便与电缆连接。点火杆23设计图如图4所示。

为了使点火杆23和耐火电缆22能在放喷池口附近高温燃烧的情况下长期工作，保护点火杆23和电缆不被烧坏，并防止它们在长期日晒雨淋的情况下不会发生短路等状况，所以需要采用特殊的防护措施。在此特别设计了电缆保护管26。电缆保护管26外层为不锈钢保护管，保护管与电缆之间用陶瓷材料阻燃隔热。为了拆装方便，电缆保护管26设计为每节长1米，两节电缆保护管26之间采用卡扣连接方式，连接简单方便。防护装置示意图见图5所示。

使用方法

插上点火装置的电源插头。

打开点火装置的点火开关。

三个点火杆23便依次循环，轮流工作，即1#点火杆23工作5秒之后，然后停止；间隔10秒之后，2#点火杆23工作5秒，然后停止；再间隔10秒之后，3#点火杆23工作5秒后停止，再间隔10秒之后1#点火杆23工作。(其中的5秒的工作时间与10秒的间隔时间可以预先设置。)

成功点燃放喷气体之后，关闭点火装置上的点火开关，点火杆23即停止工作。

工作完毕之后，关闭总电源开关。