СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПРИВОДА ПОГРУЖНОГО ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
CONTROL METHOD OF LINEAR ELECTRIC MOTOR DRIVE OF SUBMERSIBLE PLUNGER PUMP FOR OIL PRODUCTION

Изобретение относится к способам управления линейными электродвигателями, а конкретно, к способу управления линейным электродвигателем, используемым в качестве привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти.
Из уровня техники известен способ управления линейным электродвигателем привода плунжерного насоса, который заключается в поочередном подключении обмоток статора, обеспечивающем плавное перемещение штока, и изменении направления движения штока путем изменения очередности подключения обмоток, при этом изменение очередности подключения обмоток происходит по сигналу концевых датчиков, которые и задают амплитуду хода штока (см., например, EP 1018601 (А2), опубл. 12.07.2000, F04B 17/04).
В случае применения вышеуказанного способа для управления линейным электродвигателем, используемым в качестве привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти, потребуется соединить кабелем концевые датчики, которые располагаются в скважине, на большой глубине, со станцией управления, которая располагается на поверхности. Длина такого кабеля может составить несколько километров, а следовательно, возникают риски обрыва кабеля, при этом точность передачи информации не гарантирована, что может привести к неэффективной работе плунжерного насоса для добычи нефти. Кроме того, существенно увеличивается стоимость насосной установки. Таким образом, этот способ управления, для линейного электродвигателя, используемого в качестве привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти, практически не приемлем.
Наиболее близкими к заявляемому способу являются известные из уровня техники бездатчиковые способы управления линейными электродвигателями, заключающиеся в поочередном подключении обмоток статора, обеспечивающем плавное перемещение штока и изменение направления движения штока путем изменения очередности подключения обмоток, в которых изменение очередности подключения обмоток происходит при возрастании тока электродвигателя в результате механического упора штока в крайних положениях (см., например, US 5793834 (А), опубл. 11.08.1998, Н02Р 6/18).
Применение такого способа управления для линейного электродвигателя, используемого в качестве привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти недопустимо, по следующим причинам.
При движении штока и соединенного с ним плунжера насоса вниз срабатывает запорный клапан и начинается всасывание пластовой жидкости в насос, масса столба пластовой жидкости давит на плунжер, при этом ток электродвигателя близок к току холостого хода. Масса штока погружного линейного электродвигателя составляет несколько сотен килограммов и при его движении вниз накапливается большая кинетическая энергия. Для того чтобы не произошло разрушение электродвигателя при контакте штока с нижним упором, помимо установки мощного демпфера, необходимо максимальное снижение скорости перемещения штока, что приводит к существенному снижению производительности насосной установки. Однако для получения максимального КПД, скорость движения штока должна выбираться исходя из получения максимальной производительности.
С другой стороны, при движении штока и соединенного с ним плунжера насоса вверх, на плунжер давит огромный (как правило, более километра) столб пластовой жидкости, при этом ток электродвигателя близок к максимальному, а следовательно, малейшее увеличение сопротивления ходу штока может быть воспринято системой управления как верхний упор. При этом произойдет переключение на обратный ход штока, в результате чего сократится рабочий ход плунжера, а следовательно, и производительности насосной установки.
Заявленное изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков. Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении максимальной производительности насосной установки при заданной мощности электродвигателя и в повышении надежности его работы.
Указанный результат достигается следующим способом управления.
Способ управления линейным электродвигателем привода погружного плунжерного насоса для добычи нефти заключается в поочередном подключении обмоток статора, обеспечивающем плавное перемещение штока и изменение направления движения штока путем изменения очередности подключения обмоток, и характеризуется тем, что подключение обмоток для рабочего хода штока начинается в исходном положении, отстоящем от нижней мертвой точки на величину, превышающую инерционный выбег штока при его обратном ходе, при этом рабочий ход штока задается числом последовательных подключений обмоток статора исходя из рабочего хода плунжерного насоса.
Нижняя мертвая точка определяется по возрастанию тока электродвигателя при контакте штока с упругим нижним упором, а рабочий ход штока ограничен числом последовательных подключений обмоток, не доходя до верхней мертвой точки, для исключения механического упора подвижных элементов электродвигателя или плунжерного насоса.
Под мертвой точкой (верхней и нижней), в рамках данной заявки, следует понимать механический упор штока в крайних точках его хода.
Реализуется заявленный способ следующим образом.
У конкретного электродвигателя ход штока определяется числом последовательных подключений обмоток статора и зависит от количества этих обмоток, но точно определить положение штока после остановки электродвигателя при отсутствии каких-либо датчиков очень сложно. Поэтому после остановки электродвигателя при нарушении в системе питания или срабатывании защиты, сначала определяется нижняя мертвая точка. Для этого производится перемещение штока вниз с пониженной скоростью, при которой кинетическая энергия может быть погашена упругим элементом, установленным между штоком и упором. При возрастании тока электродвигателя до заданной величины отмечается нижняя мертвая точка. Затем шток электродвигателя перемещается вверх в исходное положение, отстоящее от нижней мертвой точки на величину, превышающую инерционный выбег штока при его обратном ходе. Исходное положение фиксируется станцией управления, и насосная установка переходит в рабочий режим. Рабочий ход штока задается числом последовательных подключений обмоток статора исходя из рабочего хода плунжерного насоса, и ограничен числом последовательных подключений обмоток, не доходя до верхней мертвой точки. Обратный ход штока ограничен числом последовательных подключений обмоток до достижения исходного положения, зафиксированного станцией управления. Таким образом, в рабочем режиме исключен механический упор подвижных элементов электродвигателя или плунжерного насоса. Это позволяет в рабочем режиме электродвигателю работать с максимальной скоростью. Таким образом, обеспечивается технический результат заявленного изобретения, который заключается в обеспечении максимальной производительности насосной установки при заданной мощности электродвигателя и в повышении надежности его работы.