система диагностики погружных электродвигателей

Формула изобретения

1. Система диагностики погружного электродвигателя (ПЭД) в составе рабочей компоновки скважинной установки электроцентробежного насоса в вертикальной испытательной скважине при проведении приемосдаточных испытаний, содержащая в своей скважинной части измерительные модули, объединенные информационной шиной, которая подключена к каналу связи, выход которого через первый интерфейсный блок подключен к первому входу/выходу устройства управления, второй вход/выход которого связан с пультом оператора, а третий вход/выход через второй интерфейсный блок связан с внешними устройствами или системами, причем каждый измерительный модуль содержит датчики вибрации и датчики температуры, подключенные к аналого-цифровому преобразователю, выход которого соединен с контроллером, который соединен с информационной шиной через интерфейсный узел.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что количество измерительных модулей и количество датчиков в измерительных модулях может быть различно в зависимости от конструкции ПЭД.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что канал связи может быть проводным или беспроводным, в зависимости от условий применения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей области, в частности к средствам проверки технического состояния скважинных установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) при проведении мероприятий по техническому обслуживанию.

Высокие требования к качеству работ по техническому обслуживанию, в частности к приемо-сдаточным испытаниям (ПСИ) УЭЦН, обуславливаются требованиями к надежности данной установки в условиях длительной эксплуатации в скважине. ПСИ проводят с использованием специализированного стендового оборудования.

Известны стенды для проведения ПСИ погружных электродвигателей (ПЭД) на холостом ходу [RU 21455, МПК G01M 10/00, 2002; RU 33224, МПК G01M 10/00, 2003; ООО Камтехнопарк [Электронный ресурс]. [2009] URL: http://www.kamtehnopark.ru/ (дата обращения: 25.11.2010); ГК Новомет [Электронный ресурс]. [2010] URL: http://www.novomet.ru (дата обращения: 24.11.2010); ЗАО Мехта [Электронный ресурс]. [2009] URL: http://www.mehta.ru/ (дата обращения: 24.11.2010)], состоящие из стапеля с зажимами для размещения и крепления электродвигателя в горизонтальном положении и контрольно-измерительной аппаратуры для измерения и регистрации параметров контроля. Достоинством данного стенда является простота реализации, к недостаткам следует отнести отсутствие имитатора нагрузки.

Известны стенды для проведения ПСИ погружных электродвигателей (ПЭД) под реальной нагрузкой [ООО Камтехнопарк [Электронный ресурс]. [2009] URL: http://www.kamtehnopark.ru/ (дата обращения: 25.11.2010); ГК Новомет [Электронный ресурс]. [2010] URL: http://www.novomet.ru (дата обращения: 24.11.2010)]. Состав данных стендов аналогичен предыдущим, но отличается наличием имитатора нагрузки - нагрузочного генератора постоянного тока. Достоинством данных стендов является простота реализации и возможность имитация нагрузки ПЭД.

Общим недостатком известных стендов является горизонтальное расположение ПЭД на стапеле, что не соответствует рабочему расположению ПЭД в промысловой скважине.

Известен стенд для проведения ПСИ погружных электродвигателей (ПЭД) под реальной нагрузкой в вертикальном положении [ООО Камтехнопарк [Электронный ресурс]. [2009] URL: http://www.kamtehnopark.ru/ (дата обращения: 25.11.2010)]. Данный образец отличается от предыдущих наличием гидроподъемника, с помощью которого возможно задавать вертикальное положение ПЭД при испытаниях. Достоинствами стенда являются имитация нагрузки двигателя, вертикальное расположение ПЭД в процессе испытания.

Общими недостатками перечисленного оборудования являются отсутствие возможности при испытаниях учитывать взаимное влияние функционирующих агрегатов УЭЦН и их взаимодействие с эксплуатационной колонной, а также несоответствие воздушной среды реальным условиям эксплуатации.

Известен стенд диагностики ПЭД в составе рабочей компоновки УЭЦН при спуске ее в вертикальную испытательную скважину, заполненную рабочей жидкостью (например, трансформаторным маслом), при этом незначительная часть двигателя остается на поверхности для проведения замеров вибрационных параметров [Бочарников В.Ф., Ведерников В.А. Результаты экспериментальных исследований вибрации погружных центробежных электронасосов типа ЭЦНМ с частотно-регулируемым приводом // Нефтепромысловое оборудование. 2007. № 12. С.92-93]. Достоинством стенда является вертикальное расположение тестируемого ПЭД и наиболее полная имитация рабочей среды и реальной нагрузки. Недостатком стенда является то, что показания снимаются только в одной точке с портативного прибора (например, «Пион»), что не позволяет получать достоверную информацию о техническом состоянии ПЭД.

Задачей изобретения является повышение качества работ по техническому обслуживанию ПЭД за счет повышения достоверности результатов ПСИ.

Поставленная задача решается посредством системы диагностики погружного электродвигателя (ПЭД), в составе рабочей компоновки скважинной установки электроцентробежного насоса в вертикальной испытательной скважине при проведении приемо-сдаточных испытаний, содержащей в своей скважинной части измерительные модули, объединенные информационной шиной, которая подключена к каналу связи, выход которого через первый интерфейсный блок подключен к первому входу/выходу устройства управления, а второй вход/выход которого связан с пультом оператора, а третий вход/выход через второй интерфейсный блок связан с внешними устройствами или системами, причем каждый измерительный модуль содержит датчики вибрации и датчики температуры, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, выход которого соединен с контроллером, который соединен с информационной шиной через интерфейсный узел.

Согласно изобретению, в системе количество измерительных модулей и количество датчиков в измерительных модулях может быть различно, в зависимости от конструкции ПЭД.

Согласно изобретению, канал связи может быть проводным или беспроводным, в зависимости от условий применения.

Предложенная система диагностики позволяет осуществить контроль и измерение параметров вибрационных и температурных полей ПЭД непосредственно в процессе прогона ПЭД в составе рабочей компоновки УЭЦН в режиме реального времени в автоматизированном режиме. Эффективность предложенного решения обусловлена: простотой его реализации, вертикальным расположением компоновки в процессе ПСИ, что позволяет учитывать взаимное влияния агрегатов УЭЦН и их взаимодействие с эксплуатационной колонной, работой в режиме реальной нагрузки и условиях, наиболее приближенных к промысловой скважине. При наличии дефектов имеется возможность точной идентификации неисправного узла ПЭД благодаря наличию большого числа измерительных модулей, закрепленных по всей длине ПЭД.

Измерительные модули, закрепленные на поверхности корпуса ПЭД в наиболее информативных местах (подшипники и узлы пят), позволяют осуществлять мониторинг параметров вибрации и температуры. Наличие устройства управления позволяет осуществить преобразование временного сигнала вибрации в частотный спектр на основе быстрого преобразования Фурье. Анализ спектра, на предмет схожести с определенным набором диагностических признаков (наличие или отсутствие определенных частотных составляющих, а также по соотношению их амплитуд) для каждого дефекта, служит основой для формирования заключения о техническом состоянии каждого узла ПЭД. Измеренная температура позволяет предотвратить перегрев ПЭД, кроме того, по измерениям температуры в разных точках ПЭД можно выявить ее локальные максимумы, которые косвенно служат показателем потенциального места неисправности.

Иллюстрацией к заявляемой системе являются чертежи, где на фиг.1 представлена структурная схема системы диагностики, а на фиг.2 - структурная схема измерительного модуля.

Система диагностики (фиг.1) содержит измерительные модули 1 и 2 (в общем случае их может быть несколько), информационную шину 3, канал связи 4, первый интерфейсный блок 5, устройство управления 6, пульт оператора 7 и второй интерфейсный блок 8. Измерительные модули 1 и 2, относящиеся к скважинной части системы, закреплены на поверхности ПЭД. Они объединены информационной шиной 3, которая подключена к скважинной части аппаратуры канала связи 4. Наземная часть системы имеет устройство управления 6, соединенное через первый интерфейсный блок 5 с каналом связи 4 и через второй интерфейсный блок 8 с внешними устройствами (системами) 9. Пульт оператора 7 обеспечивает человеко-машинный интерфейс при работе и тестировании системы.

Система работает следующим образом. Перед спуском компоновки УЭЦН в испытательную скважину измерительные модули 1 и 2, объединенные информационной шиной 3, и скважинная часть аппаратуры канала связи 4 крепятся непосредственно на поверхность ПЭД. Каждый измерительный модуль содержит определенную совокупность пространственно распределенных (в характерных точках) на корпусе ПЭД датчиков вибрации и температуры 13-16. Информационная шина 3 выполнена в защищенном от механических и электромагнитных воздействий исполнении. Инициирование работы системы осуществляет устройство управления 6 передачей соответствующей команды через первый интерфейсный блок 5 и канал связи 4. Измерительные модули 1 и 2 осуществляют опрос всех датчиков, принимают, предварительно обрабатывают и хранят измерительную информацию в своей оперативной памяти. По завершению измерительного цикла устройство управления 6 считывает информацию, хранящуюся в измерительных модулях 1 и 2, проводит необходимые вычисления, отображает результат на дисплее пульта оператора 7 и хранит массив результатов. Устройство управления 6 может быть реализовано на базе программируемой логики, включающее в себя центральное процессорное устройство, оперативное запоминающее устройство и устройства ввода/вывода [Гук М. Аппаратные средства PC. Энциклопедия - СПб: Питер Ком, 1988. - 816 с: ил.]. При необходимости, посредством второго интерфейсного блока 8 осуществляется связь с внешними устройствами или системами 9.

Измерительный модуль (фиг.2.) содержит интерфейсный узел 10, контроллер 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, первый и второй датчики виброускорений 13, 14, первый и второй датчики температуры 15, 16 (в общем случае датчиков может быть несколько). Датчики виброускорений 13, 14 формируют аналоговые сигналы, которые кодируются многоканальным АЦП 12. Контроллер 11 обеспечивает управление всеми узлами измерительного модуля, осуществляет прием, предварительную обработку и хранение измерительной информации. Контроллер 11 взаимодействует с наземной частью посредством интерфейсного узла 10, информационной шины 3 и канала связи 4.

Реализация контроллеров, их объединение, интерфейсы и другие схемотехнические вопросы известны из многих источников [например, Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. - 2 изд. Перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.: ил.].

Канал связи 4 может быть выполнен по проводной и беспроводной схеме. В том случае, если наземное оборудование расположено близко к скважине, и конструкция стенда позволяет беспрепятственную прокладку кабеля - возможно применение проводного канала связи как наиболее простого и надежного. В других случаях канал может быть реализован по беспроводной схеме, например с использованием радиоканала [Компания ПРОСОФТ [Электронный ресурс]. [2010] URL: http://www.prosoft.ru/ (дата обращения: 06.12.2010)]. Причем, при проводном канале питание скважинной части - дистанционное с использованием проводов, при беспроводном - от автономного источника электропитания.

Реализация наземных программно-технических сред также известна. Эти средства выполнены с использованием программируемой логики, например на базе промышленного компьютера [Компания ПРОСОФТ [Электронный ресурс]. [2010] URL: http://www.prosoft.ru/ (дата обращения: 06.12.2010)].

Пример конкретной реализации. В процессе испытания ПЭД с использованием предложенной системы были синхронно произведены замеры температурных и вибрационных полей в точках расположения подшипниковых узлов.

По полученным данным с каждого измерительного модуля были построены временные зависимости и спектры сигналов вибрации. По измерениям вибрации одной из точек ПЭД построены временная зависимость и спектр вибрации, приведенные на фиг.3. На приведенном спектре наблюдаются доминирующие составляющие на частоте 50 Гц и на частоте 25 Гц. По характерным диагностическим признакам [Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999. 344 с.; Ширман А.Р., Соловьев Б.С. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. М., 1996. 276 с.], а именно: появление составляющей на частоте вращения ротора двигателя (50 Гц) совместно с появлением составляющей на частоте движения смазки в зазоре подшипника (22-28 Гц), можно сделать вывод о наличии в данном подшипнике неудовлетворительной несущей способности смазочного слоя подшипника. Кроме того, по соотношению амплитуд на указанных частотах можно судить о степени развития указанного дефекта. Если отношение амплитуды составляющей на 25-28 Гц к составляющей на 50 Гц превышает 0,5, можно говорить о потере несущей способности смазочного слоя. В данном случае отношение амплитуд равно 0,44, что говорит о сильно развитом дефекте. Указанный дефект подтверждается локальным повышением температуры, что также является подтверждением наличия развитого дефекта.

По проведенным испытаниям проводится разбор ПЭД и проверяется состояние фрикционного материала подшипника. В случае недопустимого износа подшипник подлежит замене.

Таким образом, предложенная система позволяет повысить качество работ по техническому обслуживанию ПЭД за счет повышения достоверности результатов ПСИ.