Brevet FR2676095A1 — publié le 19921106

DLSCRIPTION La présente invention concerne un dispositi de régulation automatique de cadence de pompage et de protection électrique et mécanique (1) pour pompes à balancier (30) entrainées par moteur électrique à courant alternatif (31). La modification de la cadence de @ompage telle que pratiquée actuellement, se fait en remplaçant soit la poulie d'entrainement (33) du moteur (31), soit en remplaçant la poulie d'entrainement (34) du réducteur (32), soit en remplaçant les deux, afin de changer le raport d'entrainement en jouant sur les diamétres de ces poulies. .es conséquences cune telle modification sont: Environ une journée d'arrét de la pompe, La mobilisation a environ quatre personnes La mobilisation de moyens de levace, manutention et transport, L achat et la gestion de stock de poulies de diamétres différents et de courroies (35) de longueurs différentes, D autre part, il est évident cue ce genre d'opération ne se fait que lorsque il n'y a plus moyen de i éviter, alors que 1 adaptation des cadences de pompage est un élément primordial al pour l optimisation ce la production et la sauvegarde cu matériel. Le dispositif selon l'invention permet de supprimer complétement cette intervention, évite l'achat et le ztockage des poulies et courroies de remplacement, tandis que la modification des caaences de pompage se fait alors que les pompes sont en marche. De plus, cette invention permet la modification en continu des cadences de pompage soit sur décision des opérateurs, soit directement et automatiquement en fonction de certains paramétres , ainsi que la surveillance en continu du bon fonctionnement et du bon état des principaux composants de la pompe à balancier, a savoir: L'état de la pompe de fond, (37) (si elle fonctionne ou non) L'état du train de tiges, (36) (si il est cassé ou non) L'état des courroies d'entrainement, (35) (si elles sont cassées ou non) L'état du moteur et de son alimentation. (31) (isolement, ampérage, cosinus, réactif, voltage, vitesse,) L'affichage (9) de ces données se fera en face avant du dispositif de régulation et de protection (7). Enfin, l'installation 'un tel dispositf de régulation et de protection pour l'alimentation d'une pompe à balancier, remplace l'ensemble des organes de commande, contrôle, protection, et de compensation de l'énergie réactive normalement installés. Seul un organe d'isolement à coupure visible et verrouillable en position "ouverte" devra étre installé pour quel'installation soit conforme aux normes en vigueur. Ce dispositif de régulation et ce protection a été réalisé 'une part à l'aide de produits connus, et d'autre part à l'aide de produits spécialement conçus et étudiés pour apporter une solution technique aux problémes techniques que posaient la régulation des cacences de pompage et la protection des pompes à balancier, en permettant la combinaison nouvelle de moyens connus en eux même. Le problème technique initial était d'une part: "comment faire descendre la cadence de pompage des poulpes à balancier au dessous de la cadence minimale imposée par la conception même des pompes, étant donné que l'augmentation du ciamétre de la poulie (34) du réducteur (32) est limitée par la place disponible, et que la diminution au diamétre de la poulie (33) du moteur (31) est limitée par le rayon et la surface de frotement minium nécessaires aux courroies (35) d'entrainement, et d'autre part, comment assurer de maniére continue, la protection des unités ce pompage compte tenu de l'évolution des nappes souterraines et de la composition des produits extraits provoquant 1 usure et la rupture prématurée des trains de tiges (36) ou des pompes de fond (37)." Les différentes solutions envisagées ont conduit à prendre en compte le fait de faire varier la cadence de pompage en faisant varier la vitesse cu moteur électrique d'entrainement. La solution consistant à employer un convertisseur électronique de fréquence normal s'est averrée infructueuse de par le retour ce courant provoqué par la descente du train de tiges (36) qui, ae par son propre poids entraine le moteur électrique (31) qui devient générateur, restituant ainsi un courant perturbateur faisant déclencher un convertisseur normal à chaque cycle. Ce probléme technique a conduit à étudier la conception et la réalisation c'un dispositif qui, associé à un convertisseur de fréquence, permettrait de solutionner ce probléme. Il a donc été conçu et mis au point un cispositif électronique (z) permettant, tout en s'adaptant en continu à l'évolution dans la durée du cycle de fonctionnement d'une pompe à balancier (30), de s'affranchir des retours de courant provoqués par le moteur électrique (33) entrainé par la descente du train de tiges (36), et d'élliminer les perturbations fréquentielles provoquant le déclenchement du convertisseur de fréquence.Ce dispositif (2) est réalisé sur le principe suivant: Une carte électronique (3) prend en compte et analyse la charge des condensateurs intégrés au convertisseur de fréquence (5), et déclenche par l'intermédiaire d'un thyristor de puissance (4), à partir d'un seuil réglable, la décharge de ces condensateurs sur des résistances chutrices (6) calculées à cet effet. Ces matériels constituant un premier sous-ensemble (2) de régulation du Dispositif (1) selon l'invention, sont incorporés au convertisseur de fréquence (5). Un potentiométre rotatif (10) monté en face avant permet le réglage de la cadence de pompaae désirée. (Ce premier sous-ensemble (2), est appelé sous-ensemble A.) Un deuxiéme sous ensemble (7) destiné à assurer la protection électrique et mécanique, ainsi que le contrôle, que ce soit localement ou à distance, par câble (16), télémétrie (11) ou télétransmission (12), à été conçu et étudié afin de permettre l'adaptation automatique ou manuelle de la cadence de pompace à l'évolution de la composition du produit rait, ou des variations de niveau et de débit des nappes souterraines.. Le dispositif (1) de régulation et de protection selon l'invention permet de réaliser cet ensemble de fonctions sans nécessiter c'autres matériels que les capteurs de mesures indispensables. L emploi de transmetteurs et de convertisseurs est inutile, toutes les données sont émises ou traitées par le dispositif de régulation et de protection (1). Pour cela, il a donc été étudié et réalisé un deuxiéme sous ensemble (7) qui, intégré au systéme obtenu par incorporation du sous-ensemble A (2) dans un convertisseur de fréquence (5), permet de prendre en compte un certain nombre c, informations détaillées ci-aprés, et de calculer et d 'analyser de maniére "intelligente" ces données, et de provoquer soit l'accélération ou la diminution de la cadence de pompage, soit de provoquer l'arrét de cette pompe pour en assurer la protection tout en restituant en clair un message ou un signal correspondant à 1 action ainsi déclenchée. (Ce deuxiéme sous-ensemble (7) est appelé sous-ensemble B). I1 est composé principalement d'un micro-processeur 16 bits, de cartes entrées / sorties, tout ou rien ou analogiques enfichables et des unités d'alimentation (U) propres à ce sous-ensemble (7), c'un écran à cristaux liquides et de touches de fonction permettant un dialogue permanent (9). Les informations pouvant étre prises en compte pour la régulation de la cadence de pompage et pour assurer la protection d'une poupe à balancier, sont les suivantes: La tension d'entrée, (piquage sur alimentation) (14) L'intensité, (T.I.connectés en sortie du systéme) (13) Les courants résiduels, (TOR installés en amont du systéme) (15) Une indication de débit en tout ou rien en sortie de pompe, (contact tout ou rien) (3S) Une indication de débit quantitative en sortie de pompe, (compteur ou élément de détection de passage de fluide avec signal 4/2 G mA) (39) Des capteurs de niveaux du stockage avec interface huile / eau dans le cas d'une exploitaticn nétroliére, (avec signal 4/20 mA ou 0/10 V.) (43) Une indication de pression en sortie de pompe, (capteur de pression avec signal 4/20 mA) (40) Capteur de température extérieure, (thermocouple ou sonde à résisrance) (42) Capteur de température du fluide, (thermocouple ou sonde à résistance) (41) Commandes Marche et Arrét manuelles locales, Commandes Marche et Arrét par télétransmission (12) ou par télémétrie (11), Commande Plus vite / Moins vite manuelle locale,(10), Commande Plus vite / Moins vite par télétransmission (12) ou par télémétrie (11), Commande arrét d'urgence. (Ré-initilisation manuelle obligatoire pour redémarrage) Le dispositif (1), constitué des sous-ensembles A (2) et B (7) intégrés à un convertisseur de fréquence (5) de type connu au sein d'une combinaison nouvelle ce moyens connus en eux même, forme un ensemble constituant ainsi l'invention.Le convertisseur de fréquence (5), réalisé avec es composants électroniques est composé principalement d'une partie redresseur (26), c une partie convertisseur de signaux d'entrée/sortie (19), d'une partie interface de communication (18) avec afficheur et clavier (17), d'une partie de détection ce flux (25) et de contrôle de flux (21), c'une partie calcul ae couple (24) et limiteur de couple (2G), et d'une partie de contrôle de variation de fréquence (22) ayissant sur les ponts tnyristoriques de puissance (23) permettant de faire varier la fréquence du réseau d'alimentation du moteur (31) d'entrainement d'une pompe à balancier (30). Ce dispositif (1) selon l'invention auquel seront raccordé les différentes informations extérieures indiquées ci-avant, est capable de donner les informations et de réaliser les séquences suivantes: informations délivrées en clair: Marche Arrét Défaut ler niveau avec identification du défaut Défaut 2eme niveau avec identification du defaut Tension effective Courant de démarrage Courant en marche normale Courant Homopolaire Temps de marche Temps de démarrage Nombre de démarrage par heure Cosinus Ph Sinus Ph. Puissance active en i:w. Puissance réactive en Evar. Energie active absorbée totale Anergie réactive absorbée totale Vitesse du moteur en % de V.nominale Fréquence du réseau Fréquence de sortie Pression instantannée de sortie cu fluide Quantité totale de fluide produite Quantité de fluide produite par heure Débit instantanné du fluide Jour/mois/heure Restitution des 32 derniéres données (Celles-ci sont gardées en inemoire en cas de manque tension) Cadence de pompage Fonctions Protection Moteur: Protection thermique Protection magnétique Protection manque ae phases Protection désequilibre réseau Détection de courants homopolaires Température moteur (si sonde existante) Protection différentielle Fonctions protection de l'unité de pompage:: Arrét sur train de tiges casse Arrét sur surpression fluide Arrét sur pompe de fond déficiente Arrét sur courroies cassées Arret sur manque ce débit prolongé Fonctions contrôle et régulation de l'unité de pompage: Démarrage de l'unité Arrét de l unité Ajustement par contrôle manuel de la cadence de pompage Ajustement à distance de la cadence de pompage, par télémétrie ou télétransmis-, mission Régulation automatique en continu de la cadence de pompage en fonction de: latempérature trés basse extérieure la variation de la nappe l'augmentation de pression la variation du BSW, (% d'eau dans le brut) la puissance absorbée l'énergie réactive Possibilité d'augmenter la cadence de pompage à 120 % de la cadence nominale maximum mécaniquement possible de par la conception de la pompe à balancier. onctions Signalisation et Alarme: Toutes les informations énumérées ci avant seront disponibles pour être reportées à distance Toutes les séquences d'arrêt sur défaut provoqueront une alarme. Toutes les fonctions de protection pourront provoquer une pré-alarme dont les seuils de déclenchement pourront être programmés à la demande. Domaines d'application de l'invention: Les domaines dans lesquels le dispositif (1) selon l'invention est applicable sont ceux concernant l'extraction et la prodution d'un liquide ou d'un fluide a l'aide d'une pompe à balancier (30) comme, par exemple, la production de pétrole ou d'eau. Limites ct'applieatien de l'invention: Le dispositif (1) selon l'invention est capable de protéger et de réguler la cadence de pompage d'une pompe à balancier (30) de C à 12G % de la cadence nominale donnée par le constructeur, et est applicable à toutes les pompes à balancier entrainées par moteurs électriques a courant alternatif. De meme, la conception du dispositif (1) selon l'invention est modulaire, permettant ainsi son adaptation aux seules applications désirées par l'utilisateur. REVENDICATIONS 1) Dispositif (1) de régulation et de protection pour pompes à balancier (3G) entrainées par moteurs électriques à courant alternatif (31), caractérisé en ce qu'un systéme électronique (7) principalement composé de cartes entrées/sorties analogiques ou tout ou rien, et d'un calculateur avec microprocesseur contrôlant un dispositif (2) de décharge de courant et un dispositif (5) convertisseur de fréquence permet de réaliser la régulation des cadences de pompage d'une pompe à balancier ainsi que sa protection mécanique et électrique. 2) Dispositif (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un systéme électrcnicue (2) principalement composé d'une carte ce mesures (3) pilotant un thyristor (t) permet la décharce automatique des condensateurs du convertisseur de fréquence (5) sur des résistances chutrices (6) en fonction du cycle de la pompe à balancier (30). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'un systéme électronique (7) principalement composé de cartes entrées et sorties tout ou rien ou analogiques, c'un microprocesseur 16 Bits, des unités d'alimentation propres à ces systémes (8), , d'un écran d'affichage à cristaux liquides, et de touches de fonction permettant un dialogue permanent (9), permet d'assurer n continu, en étant associé à des prises de mesures de courant (13 et 15), de voltage (14), de capteur de pression 4/20mA (40), ce capteur de débit 4/20mA (39), de détecteur de débit tout ou rien (38), de capteur de niveau 4/20mA (43), de capteurs de température extérieur (42) et du fluide (41), la protection électrique et mécanique, ainsi que le contrôle de la régulation automatique ou manuelle (10), locale ou à distance par télémétrie (11) ou télétransmission (12), de la cadence de pompage d'une pompe à balancier (30). 4) Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce qu'un systéme (1) de régulation électronique principalement compose d'un convertisseur de fréquence (5) associé à un systéme (2) selon la revendication 2, controlé par le systéme (7) selon la revendication 3, permet la régulation en continu des cadences de pompage d'une pompe à balancier, avec une plage de réglage permettant de faire varier cette cadence de pompage de G % à 120 % des possibilités nominales de l'unité de pompage sans avoir à arréter celle-ci, et sans avoir à changer les poulies d'entraînement moteur (33) et/ou réducteur (34), ni les courroies (35). 5)Dispositif d'extraction ae fluide (44) du type comprenant une pompe à balancier (3G), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) de régulation de cadence oe pompage et de protection électrique et mécanique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.