БЛОК ПОГРУЖНОЙ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УСТАНОВКИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Техническое решение относится к области электротехнического оборудования и оборудования для добычи нефти, а именно к устройствам для защиты асинхронных электродвигателей погружных центробежных насосных установок для добычи нефти, а также к устройствам для управления работой насосных установок, и может быть использовано для измерения давления на приеме насоса, температуры перекачиваемой среды, температуры в полости погружного электродвигателя, а также для измерения вибрации насосной установки.
Система телеметрии (СТ) представляет собой комплекс средств защиты погружного электродвигателя (ПЭД) центробежной насосной установки (НУ). В случае перегрузки, перегрева ПЭД и при возникновении других анормальных (аварийных) режимов, а также в случае превышении допустимой величины вибрации, вследствие износа подшипников или кавитационных эффектов в насосе, СТ вырабатывает сигнал для контроллера станции управления насосной установки на отключение питания ПЭД.
Кроме того, СТ обеспечивает формирование соответствующих сигналов для автоматического управления работой НУ по заданным параметрам, например давлению на приеме насоса. Так, при снижении давления ниже заданного СТ вырабатывает сигнал на выключение питания ПЭД, а при последующем
возрастании давления и достижения им определенного значения - сигнал на повторное включение ПЭД. При этом использование СТ совместно со станциями управления с частотным регулированием скорости вращения вала ПЭД позволяет в режиме реального времени поддерживать заданный динамический уровень в скважине путем автоматического изменения подачи центробежного насоса.
Таким образом применение системы телеметрии обеспечивает увеличение добычи нефти, увеличение ресурса работы электродвигателя за счет оптимизации режима работы, непрерывного контроля и предотвращения аварийных ситуаций, а также снижение себестоимости добычи за счет уменьшения энергопотребления, автоматизации добычи и уменьшения затрат на ремонт оборудования.
Погружной блок (БП) системы телеметрии предназначен для контроля непосредственно в забое скважины текущих параметров НУ, таких как температура в полости погружного маслозаполненного электродвигателя (ПЭД), температура перекачиваемой среды в зоне размещения ПЭД, давление на приеме насоса и вибрация НУ. При этом БП должен обеспечивать возможность регистрации сопротивления изоляции в цепи, состоящей из вторичной обмотки повышающего трансформатора (трансформатор типа ТМПН, входящий в состав штатного наземного оборудования скважины), погружного кабеля питания ПЭД и статорных обмоток ПЭД, если по этой цепи подается питание в БП.
В процессе работы БП передает сигнал, соответствующий измеренным
значениям параметров НУ по погружному кабелю в наземную часть станции управления, где она обрабатываются и подаются в контроллер, который индицируют эту информацию на дисплейной панели как текущие параметры насоса и ПЭД, записывает в память и передает в систему телемеханики для управления работой НУ.
Известно устройство для защиты погружного электродвигателя, включающее в себя погружной блок системы телеметрии (см. патент RU 2146071 С1, 27.02.2000, Н 02 Н 7/08), содержащий средства для измерения температуры перекачиваемой среды в зоне размещения электродвигателя установки, средства для измерения давления на приеме насоса, средства для измерения вибрации установки, средства, обеспечивающие возможность регистрации сопротивления изоляции силовой цепи, включающей в себя вторичную обмотку силового повышающего трансформатора, погружной кабель питания электродвигателя и статорную обмотку электродвигателя, а также средства для устранения помех и защиты упомянутых средств для измерения температуры, давления и вибрации от аварийного повышения питающего напряжения, включающие в себя низкочастотный фильтр в виде LC-контура.
Указанное устройство принято за прототип.
Недостатками прототипа является отсутствие возможности измерения температуры в полости электродвигателя вблизи статорной обмотки и сравнения ее с температурой перекачиваемой среды для точной идентификации перегрева ПЭД, а также отсутствие возможности раздельного измерения вибрационного ускорения НУ по всем трем осям, что ограничивает возможности
диагностирования состояния НУ.
Таким образом, задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании блока погружного для системы телеметрии погружной центробежной насосной установки для добычи нефти, обеспечивающего измерение давления на приеме насоса, температуры перекачиваемой среды в зоне размещения погружного электродвигателя, температуры в полости погружного электродвигателя, а также раздельное измерение вибрации насосной установки по всем трем осям.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в повышении общей производительности и увеличении ресурса центробежной насосной установки для добычи нефти, в результате дополнительной оптимизации режима работы насосной установки и повышения эффективности предотвращения аварийных ситуаций за счет усиления контроля за работой насосной установки, в частности, за температурным режимом и вибрацией погружного электродвигателя и насосной установки в целом, а также за счет обеспечения комплексного контроля за работой насосной установки по всем основным параметрам без значительного усложнения и, соответственно, снижения надежности конструкции электрической части погружного блока.
Блок погружной для системы телеметрии установки погружного центробежного насоса для добычи нефти содержит средства для измерения температуры перекачиваемой среды в зоне размещения электродвигателя установки, средства для измерения давления на приеме насоса, средства для измерения
вибрации установки, средства, обеспечивающие возможность регистрации сопротивления изоляции силовой цепи, включающей в себя вторичную обмотку силового повышающего трансформатора, погружной кабель питания электродвигателя и статорную обмотку электродвигателя, а также средства для устранения помех и защиты упомянутых средств для измерения температуры, давления и вибрации от аварийного повышения питающего напряжения. При этом в отличии от прототипа блок погружной снабжен средствами для подключения средств для измерения температуры в полости электродвигателя. Средства для измерения вибрации включают в себя, по крайней мере, три чувствительных элемента, каждый из которых выполнен с возможностью изменения своего электрического параметра в зависимости от величины линейного ускорения чувствительного элемента вдоль заданной оси. При этом чувствительные элементы размещены таким образом, что указанные оси расположены взаимно перпендикулярно, а одна из осей расположена параллельно продольной оси электродвигателя. Средства для измерения температуры перекачиваемой среды включают в себя терморезистор, средства для измерения давления включают в себя тензоэлемент, при этом терморезистор и тензоэлемент включены в общую схему измерительного моста.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для измерения вибрации могут включать в себя два датчика вибрации, каждый из которых содержит два чувствительных элемента, оси которых расположены взаимно перпендикулярно.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, чувствительный
элемент средств для измерения вибрации может представлять собой тензоэлемент.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, терморезистор средств для измерения температуры перекачиваемой среды может быть закреплен на внутренней стенке корпуса блока погружного.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для измерения давления на приеме насоса могут включать в себя электромеханический датчик давления, установленный в полости корпуса блока погружного, которая соединена каналом с заполненной маслом полостью электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для подключения средств для измерения температуры в полости электродвигателя могут представлять собой два гермоввода, каждый из которых состоит из штепсельного наконечника и гильзы, выполненной с возможностью подсоединения провода терморезистора, закрепляемого в полости электродвигателя.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели, средства для защиты могут включать в себя низкочастотный фильтр в виде LC-контура.
Наличие в БП полного набора датчиков для контроля всех основных параметров НУ (температура перекачиваемой среды и ПЭД, давление на приеме НУ, вибрация НУ) и средств, обеспечивающих возможность регистрации сопротивления изоляции силовой цепи ТМПН - погружной кабель - ПЭД, позволяет осуществлять комплексный контроль за работой насосной установки.
Наличие возможности подключения второго датчика для измерения температуры
в полости электродвигателя, позволяет проводить сравнение изменений температуры ПЭД с изменениями температуры перекачиваемой среды в зоне размещения ПЭД, что обеспечивает максимально достоверную идентификацию перегрева ПЭД.
Раздельное измерение вибрационного ускорения НУ по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y и Z обеспечивает возможность получения максимально точной информации о величине радиальной вибрации насосной установки, а также обеспечивает возможность получения информации о направлении вектора радиальной вибрации (направлении преимущественных радиальных вибраций), что расширяет возможности диагностирования состояния НУ.
Включение терморезистора средств для измерения температуры перекачиваемой среды и тензоэлемента средств для измерения давления в общую схему измерительного моста позволяет упростить электрическую измерительную часть БП.
Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием конструкции и действия системы телеметрии установки погружного центробежного насоса для добычи нефти с погружным блоком, выполненным в соответствии с настоящей полезной моделью, которое сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее:
На Фиг.1 изображена принципиальная схема системы телеметрии.
На Фиг.2 изображен чертеж общего вида и компоновочная схема погружного
блока.
На Фиг.3 изображен вид А по Фиг.1.
Система телеметрии 1 обеспечивает измерение и передачу в контроллер 7 станции управления 2 насосной установки значения параметров по пяти каналам измерения:
- температуры в полости электродвигателя (в пределах от 0 до +250°С),
- температуры перекачиваемой среды в зоне размещения электродвигателя (в диапазоне от 0 до +150°С),
- давления на приеме насоса (в диапазоне от 0 до 350 атм.),
- вибрации (виброускорения) насосной установки по осям X, Y и Z (в диапазоне частот от 0 до 100 Гц по осям X, Y, Z и в диапазоне значений от 0 до 5 g),
- сопротивление изоляции силовой цепи «ТМПН - погружной кабель -ПЭД» (в диапазоне от 21 кОм до 1000 кОм с погрешностью±5% и в диапазоне от 1000 кОм до 9999 кОм с погрешностью ±10%).
Система телеметрии состоит из четырех блоков: блок погружной (БП) 3, блок терморезистора (БТ) 4, блок сопряжения телеметрии (БСТ) 5 и блок высоковольтный (БВ) 6.
Блок терморезистора 4 предназначен для измерения температуры в полости ПЭД 22. Принцип его работы основан на изменении величины сопротивления терморезистора пропорционально изменению температуры. БТ устанавливают в лобовой части ПЭД рядом со статорной обмоткой. Конструктивно
БТ выполнен в виде герметичного корпуса залитого компаундом, из которого выходят два провода, к выводам которых припаивают латунные гильзы гермовводов БП.
Блок сопряжения телеметрии 5 расположен внутри станции управления 2 и предназначен для приема и обработки данных, принятых от БП и передачи их в контроллер 7 по интерфейсу RS-232 (протокол Modbus). Кроме того ЕСТ производит измерение сопротивления изоляции цепи ТМПН - погружной кабель - ПЭД и передает его значение в контроллер 7, а также подает питание в БП по вторичной обмотке 8 ТМПН 23 погружному кабелю 9 и статорной обмотке 10 ПЭД. Конструктивно БСТ выполнен в металлическом корпусе в виде моноблочной конструкции со специальными разъемами для подключения соответствующих интерфейсных проводов.
Блок высоковольтный 6 расположен внутри станции управления 2 и предназначен для защиты СТ от перенапряжения на нулевой точке ТМПН, связанных с дисбалансом питающих напряжений, понижением сопротивления изоляции или замыканием фазы напряжения питания ПЭД на землю. Конструктивно БВ выполнен на металлическом шасси на котором расположены дроссель и печатная плата с радиоэлементами.
Блок погружной 6 закрепляют на нижнем фланце основании ПЭД. БП рассчитан на подсоединение ко всем серийно выпускаемым ПЭД с диаметром корпуса 103, 117 или 130 мм, при этом для подключения БП необходимо, чтобы статорная обмотка ПЭД соединялась в "звезду" в нижней части ПЭД. БП предназначен для работы в условиях пластовой жидкости при температура окружающей
среды до +150°С. Глубина погружения БП до 3500 м.
БП предназначен для замера и преобразования контролируемых параметров в электрический сигнал, который подается по статорной обмотке 10, погружному кабелю 9 и вторичной обмотке 8 через БВ на вход ЕСТ. По этой же цепи подается из БСТ в БП питание напряжением 220 В и частотой 50 Гц, потребляемая мощность БП не более 40 Вт.
Конструктивно БП выполнен в виде герметичного цилиндрического контейнера подвесного типа. Корпус контейнера состоит из цилиндрического кожуха 11, открытого с одной из сторон, и крышки 12 с фланцем для крепления к основанию ПЭД (или к компенсатору специального исполнения при использовании двухкорпусной гидрозащиты), закрывающей открытую сторону кожуха 11. В крышке БП размещены три гермоввода 13, состоящих из штепсельного наконечника 14 и гильзы 15. Два гермоввода (X1 и Х2) предназначены для подключения проводов БТ, а гермоввод (Х3) предназначен для подключения к выводу от нулевой точки статорной обмотки ПЭД.
БП снабжен диодом 16, включенным таким образом, что обеспечивается возможность измерения сопротивления цепи ТМПН - погружной кабель - ПЭД, по которой также осуществляется питание БП.
На внутренней стороне крышки 12 внутри корпуса БП в полости, соединенной каналом 17 с заполненной маслом полостью электродвигателя, установлен электромеханический датчик давления и температуры 18, предназначенный для измерения давления на приеме насоса и температуры перекачиваемой среды в зоне размещения электродвигателя установки и приема насоса.
Датчик включает в себя терморезистор и тензоэлемент для измерения давления, включенные в общую схему измерительного моста.
Измерение температуры перекачиваемой среды в зоне размещения электродвигателя установки осуществляют путем измерения температуры стенки крышки корпуса БП, выполненной из теплопроводного материала, так как БП расположен в указанной зоне в объеме перекачиваемой среды.
Измерение давления на приеме насоса осуществляют путем измерения давления в полости маслозаполненного электродвигателя, которое соответствует давлению перекачиваемой среды в полости над верхней диафрагмой протектора гидрозащиты, практически равному давлению на приеме насоса.
Внутри кожуха 11 корпуса БП расположены платы печатные с радиоэлементами схем обработки сигналов датчиков БП, два датчика вибрации 19 и 20, а также защитный дроссель 21.
Измерение вибрации установки осуществляют путем измерения вибрации корпуса БП, жестко соединенного с основанием ПЭД. Каждый из датчиков вибрации 19 и 20 представляет собой электромеханический (тензометрический) акселерометр и содержит два тензоэлемента, изменяющих свой электрический параметр (сопротивление, индуктивность или емкость) в зависимости от величины линейного ускорения вдоль заданной оси. При этом указанные оси тензоэлементов каждого датчика расположены взаимно перпендикулярно, сами датчики расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, а одна из осей тензоэлемента 20 расположена параллельно продольной оси электродвигателя, что позволяет производить раздельное измерение вибрации установки
по трем осям X, Y и Z (см. Фиг.2). Это обеспечивает возможность получения информации о направлении вектора радиальной вибрации (направлении преимущественных радиальных вибраций). При этом, в случае необходимости, на дисплей контроллера станции управления могут выводиться только два значения вибрации: значение радиальной вибрации (X'), равной среднеквадратическому значению виброускорения, измеренного по осям Х и Z, а также значение осевой вибрации, равной виброускорению, измеренному по оси Y. Однако, описанное устройство позволяет отображать на дисплейной панели и использовать при выработке сигналов на управление станции управления полную информацию о вибрации НУ, включающую в том числе информацию о направлении вектора радиальных вибраций или информацию о величине вибрации раздельно по всем трем осям X, Y и Z.
Дроссель 21 представляет собой низкочастотный фильтр (ФНЧ), выполненный в виде LC-контура. Он предназначен для устранения помех, а также защиты датчиков и радиоэлементов схем обработки сигналов датчиков от аварийного повышения питающего напряжения.