система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов

Формула изобретения

1. Система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов, содержащая погружной электронасос понижения зеркала воды и погружной электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов соответственно, а также блоки управления режимами работы электронасосов, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками тока электронасосов и блоками анализа стабильности причин их отключения, входы которых соединены с выходами датчиков тока, а выходы - с блоками управления режимами работы электронасосов с возможностью тестирования их в течение времени остановки электронасосов.

2. Система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов по п.1, отличающаяся тем, что блок анализа стабильности причин отключения каждого из электронасосов содержит компаратор перегрузки и компаратор "сухого" хода, формирователь импульса задержки, формирователь строба "окно анализа", логико-счетный анализатор числа сигналов на отключение и формирователь импульса кратковременного отключения электронасоса, при этом входы компараторов перегрузки и "сухого" хода соединены с датчиком тока электронасоса и уставками перегрузки и "сухого" хода соответственно, выходы указанных компараторов связаны с входами формирователей импульса задержки и строба "окно анализа", выходы которых через логико-счетный анализатор соединены с входом формирователя импульса кратковременного отключения электронасоса, выход которого связан с блоком управления режимами работы электронасоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам инженерного экологического обеспечения и может быть использовано при проведении экологических мероприятий по устранению значительных техногенных загрязнений грунтовых вод.

Водо-нефтеподъемные электронасосы работают при этом в условиях частых включений и выключений, обусловленных как характером управления технологическим процессом, так и нестабильностью причин, вызывающих отключение системы, что заметно снижает надежность их работы из-за возникновения значительных динамических нагрузок в механической части и перенапряжений в электрической при переходных режимах. И если при стабильности причин, вызывающих переход всей системы защиты в режим "Авария", таких как перенапряжение в сети, межвитковые замыкания в электродвигателях или их заклинивание, а также возникновение режима холостого ("сухого") хода насосов, отключение и последующий запуск водо-нефтеподъемных электронасосов из нулевого состояния производится при обязательном вмешательстве оператора, то при случайных воздействиях, которые могут вызвать отключение системы, например при кратковременном падении напряжения в сети, целесообразно дать разрешение на автоматический запуск электронасосов, не доводя их до полной остановки, что смягчит влияние переходных процессов как в механической, так и электрической частях системы.

Известна система защиты погружных нефтедобывающих электронасосов (см. Богданов А.А. Погружные центробежные насосы, М., Гостехиздат, 1957 г. с.126-129), основанная на периодической работе электронасоса с отключением приводного электродвигателя при заданном значении давления на входе насоса и последующем его запуске по истечении установленной для данной скважины продолжительности технологической паузы.

Основным недостатком известной системы является ограниченное регулирование производительности электронасоса и 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. Из других недостатков упомянутой системы следует отметить возможность возникновения значительных динамических нагрузок при переходных режимах, связанных с повторными пусками электронасоса из-за отключений системы, вызванных случайными причинами.

Один из путей снижения динамических нагрузок при запуске погружных электронасосов описан в авт. свид. СССР №1000602, М. кл. F04D 13/08, опубл. 28.02.83 г., согласно которому запуск электронасоса осуществляется посекционно с последующим подсоединением секций насоса, причем перед раскруткой вала первой секции выход насоса соединяют с входом этой секции, а подсоединение вала каждой последующей секции осуществляют при раскрутке ее вала в турбинном режиме. Реализуется данный способ с помощью системы, снабженной управляемыми электромагнитными муфтами.

Основным недостатком известной системы является ее сложность и отсутствие согласованно с ней работающих устройств защиты от попадания воды при извлечении техногенных скоплений нефтепродуктов. К другим недостаткам известной системы относится наличие гальванических связей в цепях управления и силовых коммуникациях, что приводит к возникновению перенапряжений в моменты отключения обмоток электронасосов, а также отключениям системы, вызванным случайными причинами. При этом надежность системы снижается ввиду возникновения значительных динамических нагрузок при переходных режимах, связанных с повторными пусками электронасоса из-за отключений системы, вызванных случайными причинами.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по числу совпадающих признаков, технической сущности и достигаемому эффекту является система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов по пат. Украины №28556, М. кл. E02D 19/20, опубл. 16.04.2001 г., принятая в качестве прототипа. Известная система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов содержит погружной электронасос понижения зеркала воды и электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов соответственно, а также блоки управления режимами работы электронасосов.

Известная система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов не имеет средств анализа стабильности причин отключений электронасосов и недостаточно надежна из-за возникновения динамических ударов при пусках электронасосов после их отключений, вызванных случайными причинами. Наряду с этим известная система защиты не обеспечивает исключения перенапряжений в моменты отключения обмоток двигателей насосов и не исключает возможность наличия гальванических связей в цепях управления и силовых коммуникациях, что снижает надежность функционирования электрической части системы.

Задачей данного изобретения является создание системы защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов, обладающей высокой эффективностью и надежностью, за счет предотвращения значительных динамических нагрузок при переходных режимах, связанных с повторными пусками электронасосов из-за отключений системы, вызванных случайными причинами.

Для решения поставленной задачи в известной системе защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов, содержащей погружной электронасос понижения зеркала воды и электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов соответственно, а также блоки управления режимами работы электронасосов, согласно изобретению она снабжена датчиками тока электронасосов и блоками анализа стабильности причин их отключения, входы которых соединены с выходами датчиков тока, а выходы - с блоками управления режимами работы электронасосов, с возможностью тестирования их в течение времени остановки электронасосов.

В частном варианте исполнения системы защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов блок анализа стабильности причин отключения каждого из электронасосов содержит компаратор перегрузки и компаратор "сухого" хода, формирователь импульса задержки, формирователь строба "окно анализа", логико-счетный анализатор числа сигналов на отключение и формирователь импульса кратковременного отключения электронасоса, при этом входы компараторов перегрузки и "сухого" хода соединены с датчиком тока электронасоса и уставками перегрузки и "сухого" хода соответственно, выходы указанных компараторов связаны с входами формирователей импульса задержки и строба "окно анализа", выходы которых через логико-счетный анализатор соединены с входом формирователя импульса кратковременного отключения электронасоса, выход которого связан с блоком управления режимами работы электронасоса.

Повышение надежности защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов обеспечивается за счет введения в заявляемую систему датчиков тока электронасосов и блоков анализа стабильности причин отключения электронасосов, которые связаны с блоками управления режимами работы электронасоса. При изменении величины тока электронасоса в результате его перегрузки или "сухого" хода вырабатывается сигнал, который поступает в блок анализа стабильности причин отключения электронасоса, где формируется импульс кратковременного отключения электронасоса, который направляется в соответствующий блок управления режимами работы электронасоса. В результате силовой коммутатор кратковременно отключает электронасос. Если при повторном включении электронасоса величина тока будет иметь номинальное значение, электронасос будет продолжать работу в штатном режиме. Если же при повторном включении величина тока остается аномальной, снова формируется импульс кратковременного отключения электронасоса, который вновь направляется в блок управления режимами работы электронасоса и далее в силовой коммутатор, что приводит к повторному кратковременному отключению электронасоса. После установленного числа повторных отключений электронасоса, в случае перегрузки или неисправности электронасоса, происходит полный останов электронасоса. В случае кратковременной перегрузки и восстановления величины тока при повторном включении электронасоса происходит его возвращение в штатный режим, что позволяет избежать возникновения значительных динамических нагрузок при переходных режимах, связанных с повторными пусками электронасоса из-за отключений системы, вызванных случайными причинами. Таким образом осуществляются тестовые воздействия в заявляемой системе за время, не превышающее времени остановки электронасосов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема размещения основных блоков системы защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов в скважине; на фиг.2 - структурная схема управления одним из электронасосов заявляемой системы.

Система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов (см. фиг.1) содержит погружной электронасос 1 понижения зеркала воды и погружной электронасос 2 извлечения нефтепродуктов, подключенные к силовому коммутатору 3 и силовому коммутатору 4 соответственно, которые в свою очередь связаны с блоками управления 5, 6 режимами работы электронасосов 1, 2. На корпусе электронасоса 1 смонтирован фильтр 7 предварительной очистки, предназначенный для предотвращения попадания твердых частиц взвеси в откачиваемую воду. На корпусе электронасоса 2 смонтирован частично гидрофобный фильтр 8 предварительной очистки, задерживающий частицы воды от попадания в откачиваемые нефтепродукты. Вход блока 5 связан с выходом блока 9 датчиков уровня воды (толщины водяного слоя), в котором использованы герконовые датчики 10 и 11, а также бесконтактный датчик 12 нижнего уровня воды. Вход блока управления 6 связан с выходом блока 13 датчиков уровня нефтепродуктов (толщины слоя нефтепродуктов), в котором использованы поплавковые герконовые датчики 14, 15, 16.

На фиг.2 представлена структурная схема управления одним из электронасосов, например погружным электронасосом 1 понижения зеркала воды, поскольку для электронасоса 2 структура управления аналогична. Здесь показаны состав элементов и их связи в блоке 17 анализа причин стабильности отключений электронасоса 1. Вход блока 17 анализа стабильности причин отключения связан с выходом датчика тока 18, а выход блока 17 связан с входом блока управления 5, выход которого подключен к входу управления силового коммутатора 3.

Блок 17 анализа стабильности причин отключения содержит компаратор перегрузки 19, вход которого связан с выходом датчика тока 18 и уставкой 20 допустимой перегрузки, а также компаратор "сухого" хода 21, вход которого также связан с выходом датчика тока 18 и уставкой 22 допустимого тока "сухого" хода. Выходы компараторов 19 и 21 соединены с входами формирователя 23 импульса задержки и формирователя 24 строба "окно анализа". Выходы формирователей 23 и 24 через логический элемент 25 (И-ИЛИ) и счетчик числа отключений 26 соответственно соединены с входом формирователя 27 импульса кратковременного отключения электронасоса 1, при этом выход формирователя 27 связан с входом блока управления 5.

Логический элемент 25 и счетчик числа отключений 26 образуют логико-счетный анализатор числа сигналов на отключение электронасоса 1.

Система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов монтируется в скважине, при этом размещение ее составных частей осуществляется в соответствии с гидротехническим состоянием скважины, оцениваемым вспомогательным измерительным оборудованием.

Работает предлагаемая система защиты погружных водо-нефтеподъемных электронасосов следующим образом.

При включении системы в работу в штатном режиме, в зависимости от наполнения скважины и настройки режима ее работы, происходит включение одного из электронасосов 1, 2, либо обоих вместе. Команды на включение электронасосов 1, 2 подаются от блоков управления 5, 6 через силовые коммутаторы 3 и 4 соответственно.

Посредством герконовых датчиков 10, 11, входящих в состав блока 9, определяется толщина водяного слоя, а также производится контроль за уровнем раздела фаз (нефтепродукты/вода). При достижении уровнем раздела фаз бесконтактного датчика 12 нижнего уровня воды электронасос 1 отключается и откачивание воды из скважины прекращается.

В результате образования депрессионной воронки происходит активное привлечение в скважину воды вместе с нефтепродуктами, т.е. понижение зеркала воды способствует образованию в скважине слоя нефтепродуктов, в несколько раз большего по сравнению с естественным.

При заполнении скважины, в соответствии с настройкой системы, происходит либо повторное включение электронасоса 1, которое приводит к повторному циклу откачивания воды из скважины, поступаемой в насос через фильтр 7 предварительной очистки, предназначенный для предотвращения попадания твердых частиц взвеси в откачиваемую воду, либо включение электронасоса 2, обеспечивающего откачку накопившихся в скважине нефтепродуктов. При этом откачиваемые нефтепродукты подвергаются предварительной очистке от частиц воды с помощью частично гидрофобного фильтра 8, смонтированного на корпусе электронасоса 2. Включение электронасоса 2 определяется расположением верхней границы нефтепродуктов и задается с помощью поплавковых герконовых датчиков 14, 15, 16, входящих в состав блока 13, контролирующего толщину слоя нефтепродуктов в скважине.

При возникновения посылок к отключению электронасосов 1, 2, в связи с нарушением штатного режима работы, предложенная система защиты погружных водо-нефтеподьемных электронасосов осуществляет их тестирование следующим образом.

Нештатный сигнал, вырабатываемый датчиком тока 18, поступает в блок 17 анализа стабильности причин отключения соответствующего электронасоса, основными узлами которого являются два компаратора 19 и 21, сравнивающие напряжение, пропорциональное току питания электронасоса, с пороговыми напряжениями уставок 20, 22 соответствующими его допустимым токам перегрузки и "сухого хода" соответственно. Затем сигналы с выходов компараторов 19 и 21 поступают на входы формирователя 23 импульса задержки и формирователя 24 строба "окно анализа". Полученные на выходах формирователей 23 и 24 сигналы через логический элемент 25 и счетчик числа отключений 26 соответственно поступают на вход формирователя 27 импульса кратковременного отключения электронасоса 1, а затем на вход блока управления 5.

При возникновении режима перегрузки или "сухого" хода, например, у работающего электронасоса 1 на выходе одного или обоих компараторов 19, 21 возникает перепад напряжения, которым запускается формирователь 23 импульса задержки. Он вырабатывает короткий (порядка 0,1 с) импульс с задержкой от момента запуска 4...5 с. Если в течение времени задержки ток, потребляемый электронасосом 1, остается ниже или выше допустимого значения, выходное напряжение одного из компараторов 19 или 21 будет равно значению логической единицы и импульс формирователя 23 пройдет через логический элемент 25 и счетчик числа отключений 26 на вход формирователя 27 импульса кратковременного отключения электронасоса 1. Формирователь 27 вырабатывает импульс длительностью 4...5 с, благодаря чему на это время в блоке управления 5 напряжение падает до нуля, и электронасос 1 выключается.

Если при повторном включении через 4...5 с ток электронасоса 1 остается аномальным, электронасос 1 снова выключается на 4...5 с. Этот процесс повторяется до 4 раз. После этого счетчик числа отключений 26 вырабатывает сигнал "Авария", которым он блокирует свой вход обнуления и тем самым удерживает электронасос 1 в выключенном состоянии до вмешательства оператора.

Чтобы система защиты не вырабатывала сигнал "Авария" при случайных бросках тока электронасоса 1, введен временной интервал (окно) анализа, меньший времени полной остановки электронасоса 1. Он создается формирователем 24 строба "окно анализа", запускаемым одновременно с формирователем 23. Таким образом, если в течение времени окна анализа, число аварийных отключений электронасоса 1 будет меньше четырех, происходит обнуление счетчика числа отключений 26. Система защиты возвращается в исходный дежурный режим.

В целом предложенная система управления водо-нефтеподъемными электронасосами позволяет оптимизировать процесс извлечения нефтепродуктов путем более точной настройки и согласования режимов работы электронасосов 1, 2, а также адаптивного контроля за гидротехническим состоянием скважины.

При использовании заявленного изобретения обеспечивается наиболее эффективное автоматическое управления погружными водо-нефтеподъемными электронасосами с однофазными (220 В) электродвигателями мощностью от 0,5 до 15 кВт. При этом предусмотрено отключение электродвигателей без возможности их повторного автоматического включения в случаях стабильной перегрузки (длительного перенапряжения в сети 220 В, заклинивания, межвиткового и короткого замыкания в двигателях электронасосов) или холостого ("сухого") хода по результатам тестирования их в течение времени остановки электронасосов.

Водоподъемный электронасос 1 обеспечивает поддержание уровня воды в скважине в заданных пределах, тем самым в значительной мере стабилизируя опорный уровень нефтепродуктов. Нефтеподъемный электронасос 2 откачивает нефтепродукты тоже в пределах заданных уровней, но в отличии от первого, в нем предусмотрена защитная остановка электронасоса 2, в случае опасности захвата им воды.