УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ Российский патент 2000 года по МПК F04B49/06 F04B47/00 F04D15/00 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к области управления асинхронными электродвигателями откачивающих насосов, конвейеров, транспортерных лент, нагрузка которых может исчерпаться или существенно уменьшиться во время рабочего цикла. Примером может служить процесс ликвидации техногенных скоплений нефтепродуктов с поверхности грунтовых вод первого от дневной поверхности водоносного горизонта, как правило, на весьма малых глубинах, с весьма малым объемом откачиваемого продукта, что является специфической особенностью решаемой проблемы. При достижении уровнем откачиваемой жидкости, что может иметь место и в отраслях промышленности, которые имеют дело с переработкой или хранением жидких углеводородов (нефтью, конденсатом, керосином, бензином, маслами и т.д.) своего, нижнего положения, погружные электронасосы отключаются, как правило по сигналу датчика нижнего уровня, однако в силу определенной гидрогеологической динамики, объем реально откачиваемой из призабойной зоны жидкости часто заканчивается раньше, чем это предусмотрено настройкой системы управления. Для исключения работы погружных электронасосов на холостом ходу без жидкости используют датчики давления или датчики наличия в магистрали погружных электронасосов жидкости, при исчезновении которой происходит отключение насоса.

Известное по книге Богданова А.А, Погружные центробежные насосы, М., Гостехиздат, 1957 г. , с. 126-129, устройство управления с элементами защиты при эксплуатации малодебитных скважин, характеризуется отключением приводного электродвигателя при заданном значении давления на приеме насоса, измеряемом датчиками давления, и последующим запуском по истечении установленной для данной скважины продолжительности технологической паузы.

Недостатками известного устройства является ограниченное регулирование производительности насоса путем изменения противодавления на устье скважины и сложность преобразования сигнала датчика противодавления в электрический сигнал, необходимый для отключения электродвигателя в режимах, близких к холостому ходу, а также сложность задания продолжительности технологической паузы, в течение которой происходит слив жидкости из подъемных труб в скважину и восстановление притока пластовой жидкости, что не обеспечивает эффективного регулирования режимов эксплуатации скважины по производительности и надежности работы электрооборудования, а также его оптимальных энергетических характеристик (КПД, cos φ и др.).

Известна система управления и защиты нефтеподъемного электронасоса (см. например, проспект фирмы "GESCO", ФРГ, 1993 г.), содержащая погружной электронасос, ультразвуковой и емкостной датчики, расположенные на различной высоте, блок управления с датчиками рабочих режимов и датчиком управления электронасосом, преобразователь, снабженный реле времени, реле тепловой защиты и защиты от перегрузок и короткого замыкания. Система управления и защиты электронасоса работает следующим образом.

Электронасос погружается в скважину на глубину, определяемую ультразвуковым датчиком уровня нефтепродуктов, который подает сигнал на блок управления, включающий электронасос. Электронасос откачивает часть объема техногенной залежи нефтепродуктов, поступивших в скважину, до тех пор, пока емкостной датчик, используемый в качестве датчика уровня раздела фаз, не наталкивается на воду.

После подачи сигнала на блок управления для отключения электронасоса последний отключается с некоторой задержкой по времени, величина которой устанавливается посредством реле времени. При этом в течение некоторого времени происходит подача водонефтяной смеси, что приводит к попаданию воды в откачиваемые нефтепродукты.

Недостатками системы GESCO является низкая производительность и невозможность предотвратить попадание воды в магистраль электронасоса, откачивающего нефтепродукты, а также отсутствие защиты от работы погружного электронасоса на холостом ходу, что может оказаться возможным, например, при отказе емкостного датчика. При работе погружного электронасоса на холостом ходу (без жидкости) происходит интенсивный перегрев и изнашивание подшипников, что может привести к их заклиниванию и выходу электронасоса из строя.

Указанные недостатки обусловлены отсутствием средств, обеспечивающих раздельное откачивание нефтепродуктов и воды, а также защиты от работы погружного электронасоса на холостом ходу.

Наиболее близким к данному предлагаемому изобретению по числу совпадающих при знаков и достигаемому эффекту является устройство управления и защиты погружных водонефтеподъемных электронасосов (см. Проспект фирмы "VITOL S.A. ", Великобритания, 1994 г.), которое и было принято нами в качестве прототипа.

Техническое решение-прототип представляет собой устройство управления и защиты погружных электронасосов, содержащее по меньшей мере один погружной электронасос, снабженный электродвигателем и подключенный к независимому силовому коммутатору, связанному с блоком датчиков уровня жидкости, блоки управления и контроля режимов работы электронасосов, реле защиты электронасосов от перегрузок, коротких замыканий и попадания посторонних жидкостей, а также расходомер откачиваемых жидкостей, являющиеся одновременно датчиками наличия жидкостей в магистралях насосов, при появлении нулевых значений сигналов которых производится отключение питающего напряжения.

Известное устройство защиты и управления погружными электронасосами имеет недостаточную производительность и характеризуется низкими энергетическими параметрами характеристик (КПД, cos ϕ и др.) электродвигателя, а также сложностью настройки временной задержки от отключения напряжения питания при пуске электронасоса, когда в его магистралях отсутствует жидкость и сигналы расходомеров равны нулю. Помимо того погружные электронасосы оказываются недостаточно защищенными от возможности перегрева и заклинивания подшипников.

Причинами отмеченных недостатков являются:
а) несовершенство средств защиты от работы электронасоса на холостом ходу,
б) отсутствие в системе управления блоков, оптимизирующих электроэнергетические параметры электродвигателя,
в) невозможность адаптивной настройки на максимальную производительность откачки нефтепродуктов.

Проблема, которую решает заявляемое изобретение, связана с особенностями эксплуатации малодебитных скважин, пробуренных в зоне техногенных скоплений нефтепродуктов, дебет которых настоль мал, что выходит из области возможностей согласования с производительностями электронасосов. Поэтому откачку жидкостей из таких скважин приходится периодически прекращать с целью необходимого накопления нефтепродуктов в скважине за счет притока пластовой продукции, в частности привносимой пластовыми водами, в связи с чем и возникает потребность в таком управлении погружными электронасосами, чтобы исключить их работу на холостом ходу, что обеспечивает защиту насосов от перегрева и заклинивания подшипников, приводящих к существенно аварийной ситуации. Это радикальным образом отражается на безопасности и надежности работы погружных электронасосов, их долговечности и времени безотказной работы.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание устройства управления и защиты погружных электронасосов, позволяющего обеспечить высокую производительность электронасосов при наилучших их энергетических параметрах, за счет предотвращения возможности работы электронасосов при отсутствии перекачиваемой жидкости, что повысит производительность из влечения нефтепродуктов и надежность работы, а также ресурс электрооборудования.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве управления и защиты погружных электронасосов, содержащем по меньшей мере один погружной электронасос, снабженный электродвигателем и подключенный к независимому силовому коммутатору, связанному с блоком датчиков уровня жидкости, блоки управления и контроля режимов работы электронасосов, реле защиты электронасосов от перегрузок, коротких замыканий и попадания посторонних жидкостей, а также расходомер откачиваемых жидкостей согласно изобретению последовательно с рабочей обмоткой электродвигателя соединено токовое реле, нормально открытые контакты которого включены в цепь управления силовым коммутатором электродвигателя, при этом ток отпускания токового реле принят равным току холостого хода электронасоса.

Введение нормально открытых контактов токового реле последовательно соединенного с рабочей обмоткой электродвигателя в цепь управления силовым коммутатором электродвигателя позволяет оптимизировать электроэнергетические параметры работы системы за счет высокой точности настройки на минимум времени работы в диапазоне токов реального холостого хода электронасоса. В качестве реального тока холостого хода при данной величине питающего напряжения принимается экспериментально определенный ток в режиме, когда из магистрали насоса прекращается поступление жидкости, вследствие ее исчезновения в заборных устройствах насоса, при этом в вертикальных участках трубопровода жидкость присутствует. При прочих равных условиях (высота подъема, сопротивление магистрали и др.) для разных типов жидкостей в зависимости от их удельного веса и вязкости токи холостого хода электронасоса будут различными, но всегда выше по сравнению с током холостого хода электродвигателя, указываемым в его паспорте.

Таким образом, ток реального холостого хода электронасоса содержит минимальную активную составляющую, минимум которой возможно зафиксировать датчиком активной мощности, что позволяет осуществлять адаптивное регулирование электронасоса при изменении его производительности путем понижения питающего напряжения.

С другой стороны, наличие токового реле в качестве регулятора, в первом приближении релейного типа, минимизирующего или даже исключающего холостой ход электронасоса позволяет предотвратить аварийные ситуации попадания насоса в режимы работы без жидкости, допускаемые лишь в исключительных случаях, например, при проверках работоспособности в течение 4-5 секунд.

Анализ отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы не выявил технических решений, обладающих сходными признаками и достигаемым эффектом, что позволяет считать заявляемое изобретение удовлетворяющим критерию новизны и изобретательского уровня.

Таким образом, сущностью данного изобретения является создание второго уровня защиты от работы электронасоса при прекращении поступления извлекаемой жидкости в его заборное устройство, на основе токового реле - релейного регулятора режимов холостого хода электродвигателя.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показано устройство управления и защиты погружными электронасосами, отражающая функционирование нововведенных элементов. Устройство управления погружными электронасосами содержит погружной электронасос 1, состоящий из электродвигателя 2 с рабочей обмоткой 3 и насосной части 4. Рабочая обмотка 3 подключена через последовательно соединенное с ней токовое реле 5 к силовому коммутатору 6, в цепь управления обмоткой 7 которого включены нормально закрытые контакты 8 датчика защиты от попадания воды. Технологический цикл включения силового коммутатора 6 в автоматическом режиме определяется реле времени 9, нормально открытые контакты 10 которого подают напряжение на зажимы обмотки 7. Параллельно контактам 10 включены нормально открытые контакты 11 токового реле 5, а реле времена 9 соединено с зажимами сети через нормально закрытые контакты 12, управляемые обмоткой 7.

Работает предлагаемое устройство управления и защиты погружными электронасосами следующим образом.

При включении устройства в работу обмотка 7 силового коммутатора 6 получает питание через контакты реле времени 9, которые отключаются при размыкании нормально закрытых контактов силового коммутатора 6 с некоторой временной задержкой. В процессе запуска электронасоса 1 ток в его рабочей обмотке 3 значительно превосходит ток отпускания токового реле 5, нормально открытые контакты 11 которого зашунтируют разомкнувшиеся контакты 10 реле времени 9, переведя тем самым устройство управления в режим защиты от холостого хода электронасоса 1. В конце рабочего цикла, когда откачиваемая жидкость исчерпается, ток электродвигателя 2 понизится до значения реального тока холостого хода электронасоса, принятому в качестве тока отпускания токового реле 5 и оно разомкнет свои контакты 11 в цепи обмотки 7 силового коммутатора 6, который отключит рабочую обмотку 3 от питающей сети, завершив тем самым цикл извлечения жидкости и подготовив ее к следующему включению по истечении времени накопления.

В целом предложенное устройство управления и защиты погружными электронасосами позволяет оптимизировать процесс их функционирования с более высокими электроэнергетическими параметрами и защитить насосную часть от работы без жидкости, путем более точной настройки и согласованием режимов работы электронасосов с гидротехническим состоянием скважины.

Изобретение предназначено для использования в электромашиностроении для управления асинхронными приводами. Устройство управления и защиты погружных электронасосов, каждый из которых подключен к независимому силовому коммутатору, связанному с блоком датчиков уровня жидкости, содержит блоки управления и контроля режимов работы электронасоса и расходомер откачиваемой жидкости. Последовательно с рабочей обмоткой электродвигателя соединено токовое реле, нормально открытые контакты которого включены в цепь управления силовым коммутатором электродвигателя, при этом ток отпускания токового реле принят равным току холостого хода электронасоса. Технический результат достигается путем оптимизации процесса функционирования погружных электронасосов с более высокими электроэнергетическими параметрами и защиты насосной части от работы без жидкости путем более точной настройки и согласованием режимов работы электронасосов с гидротехническим состоянием скважины. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство управления и защиты погружных электронасосов, содержащее по меньшей мере один погружной электронасос, снабженный электродвигателем и подключенный к независимому силовому коммутатору, связанному с блоком датчиком уровня жидкости, блоки управления и контроля режимов работы электронасосов, реле защиты электронасосов от перегрузок, коротких замыканий и попадания посторонних жидкостей, а также расходомер откачиваемых жидкостей, отличающееся тем, что последовательно с рабочей обмоткой электродвигателя соединено токовое реле, нормально открытые контакты которого включены в цепь управления силовым коммутатором электродвигателя. 2. Устройство управления и защиты погружных электронасосов по п.1, отличающееся тем, что ток отпускания токового реле равен току холостого хода электронасоса.