Устройство для защиты от перегрева погружного электродвигателя насоса

Предложение относится к электротехнике, в частности к погружным в нефтяные скважины электродвигателям насосов с защитой от анормального термического режима работы.
Известно скважинное устройство для контроля температуры погружного электродвигателя и давления на приеме насоса (патент RU № 2099522, МПК E21B 47/06, Е21В 47/00, опубл. 20.12.1997 Бюл. № 35), содержащее измерительный преобразователь температуры измерительный преобразователь давления, преобразователь напряжение частота, вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя давления, последовательно соединенные усилитель мощности, разделительный трансформатор и разделительный конденсатор, причем оно дополнительно содержит генератор, управляемый напряжением, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя температуры, второй вход генератора соединен с выходом измерительного преобразователя напряжение частота, а выход генератора, управляемого напряжением, соединен с входом усилителя мощности.
Недостатками данного устройства являются сложность получения максимальной температуры электродвигателя за счет присоединяется устройства к погружному электродвигателю (ПЭД) и датчик температуры находится снаружи ПЭД (установлен на месте не максимальной температуры), а также полное отсутствие защиты от перегрева и выхода из строя обмотки статора электродвигателя. Ориентироваться на показания температуры телеметрической системы (ТМС) с целью обеспечения сохранности электродвигателя неправильно. Корпус и конструкция ПЭД указывает на то, что температура в верхней части ПЭД значительно выше места установки ТМС и его термодатчиков, так как блок ТМС присоединяется с помощью фланцев к корпусу ПЭД.
Известен электродвигатель погружного насоса с блоком защиты от анормального режима (патент SU № 1413688, МПК Н02Н 7/08, Н02К 11/00 опубл. 30.07.1988 Бюл. № 28), содержащий магнитный пускатель со встроенным в него блоком чувствительной защиты с входными клеммами для подключения к фазным и нулевому проводам питающей сети и выходными клеммами для подключения к фазным проводам электродвигателя и корпусу насоса соответственно, причем с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения температурной защиты и защиты от попадания влаги, он дополнительно снабжен блоком влажности, выполненным в виде кольцевого электрода с прерывной изоляцией, соединенного с выводом чувствительного блока защиты и закрепленным на днище насоса, контактными термодатчиками, закрепленными на лобовых частях обмоток статора электродвигателя, и электромагнитным реле, выводы обмотки которого предназначены для соединения через резистор с фазным и нулевым выводами обмотки статора электродвигателя, а размыкающие контакты датчиков соединены последовательно и шунтируют обмотку электромагнитного реле.
Недостатками данного устройства являются сложность получения температуры ПЭД за счет обработки температуры сверху и снизу насоса и полное отсутствие защиты от перегрева и выхода из строя обмотки статора электродвигателя.
Наиболее близким по технической сущности является способ управления скважинным насосом с погружным электродвигателем (патент SU № 1740634, МПК Е21В 43/00, F04D 15/00, F04D 13/10 опубл. 15.06.1992 Бюл. № 22), включающий запуск насоса при возрастании частоты питающего напряжения от начального до максимально допустимого значения, измерение давления откачиваемой среды на входе в насос и последующее поддержание этого давления равным заданному номинальному значению путем изменения частоты питающего напряжения, причем с целью повышения надежности работы при откачивании насосом высоковязких и высокозастывающих сред путем предотвращения перегрузок, в процессе запуска контролируют температуру погружного электродвигателя, при превышении температурой предельно допустимой величины и давлением номинального значения регулированием частоты питающего напряжения поддерживают температуру электродвигателя равной предельно допустимой величине до момента достижения давлением на входе в насос номинального значения.
Данный способ включает в себя устройство для защиты от перегрева погружного электродвигателя насоса, включающее погружной электродвигатель, содержащий статор и ротор с обмотками, ротор которого соединен с рабочим органом насоса, датчик температуры электродвигателя, соединенный с блоком управления, который выполнен с возможностью отключения электродвигателя, при температуре, превышающей предельно допустимую величину.
Недостатком данного устройства является полное отсутствие защиты от перегрева и выхода из строя обмотки статора погружного электродвигателя (ПЭД).
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства для защиты от перегрева обмотки статора ПЭД насоса, позволяющего исключить выход из строя ПЭД в связи с термическим нарушением целостности обмотки статора.
Техническая задача решается устройством для защиты от перегрева погружного электродвигателя насоса, включающим погружной электродвигатель, содержащий статор и ротор с соответствующими обмотками, ротор которого соединен с рабочим органом насоса, датчик температуры электродвигателя, соединенный с блоком управления, который выполнен с возможностью отключения электродвигателя, при температуре, превышающей предельно допустимую величину.
Новым является то, что обмотка статора дополнительно оснащена металлическим проводом с откалиброванным сопротивлением в зависимости от температуры, который установлен на месте максимальной температуры и соединен с блоком управления с соответствующей калибровкой, причем блок управления также выполнен с возможностью отключения электродвигателя, при температуре, превышающей предельно допустимую температуру, определяемую по сопротивлению провода.
Устройство для защиты от перегрева погружного электродвигателя насоса включает погружной электродвигатель (ПЭД), содержащий статор и ротор с соответствующими обмотками, ротор которого соединен валом с рабочим органом насоса (шнеком винтового насоса, турбиной центробежного насоса или т.п.) и телеметрическую систему (ТМС), состоящую из датчика температуры ПЭД и технологически связанного с ним блока управления (БУ), который выполнен с возможностью отключения электродвигателя, при температуре, превышающей предельно допустимую величину, взятую из паспортных данных. При работе в тяжёлых условиях, например, для добычи высоковязкой и битуминозной нефти погружным насосом (винтовым иди центробежным), оснащенными погружным электродвигателем (ПЭД), чаще всего оборудование выходит из строя из-за выхода из строя обмотки статора ПЭД, так как ротор при вращении в масле равномерно нагревается без явных пиков, а статор кроме внешнего прогрева добываемой средой (например, горячая водонефтяная смесь с температурой до 200ºС) от корпуса ПЭД также разогревается индукционными токами при работе под высокими нагрузками из-за вязкости нефти. Из-за того, что при любом производстве есть технологические отклонения (допуски и посадки), то разогрев индукционными токами происходит не равномерно по всей поверхности статора. Поэтому предварительно проводят испытания ПЭД под нагрузкой в заводских условиях с выявлением места статора с максимальной температурой. После его определяют участок обмотки статора, соответствующий месту максимальной температуры. Этот участок обмотки статора после разборки ПЭД оснащают в заводских условиях металлическим проводом, меняющим свое сопротивление прямо пропорционально окружающей температуре. После чего ПЭД собирают, выведенные наружу концы провода соединяют с источником напряжения, предварительно оснастив цепь вольтметром (измерение напряжения) и амперметром (измерение силы тока), и опять испытывают под нагрузкой с телевизионным контролем температуры статора в месте установки провода. В зависимости от температуры определяют по показаниям вольтметра и амперметра соответствующее ей сопротивление провода по формуле
t
где  R – сопротивление провода при температуре t, Ом;
t
U – напряжение на концах провода при температуре t, В;
t
I – сила тока протекающего через провод при температуре t, А.
Исходя из материала проволоки обмотки, ее толщины и вида определяют критическую температуру (чаще всего это паспортные данные для проволоки обмотки), при которой происходит разрушение, исходя из чего рассчитывают предельно допустимую температуру в месте установки провода, которая должна быть как минимум на 10% ниже критической температуры. Полученные данные по предельно допустимой температуре и сопротивлению провода в зависимости от температуры вводят в БУ.
ПЭД соединяют с насосом и оснащают типовой телеметрической системой (ТМС) для контроля за внешней и внутренней температурой внешнего и внутреннего давления. К ТМС также подключают выводы провода обмотки статора ПЭД. ПЭД с насосом и ТМС на колонне труб спускают с единым кабелем в добывающую скважину. Кабель при этом соединяет ПЭД с источником питания через выключатели, а ТМС – с БУ. При этом выключатели технологически управляются БУ. После чего сигналом с БУ через выключатели запускают в работу ПЭД для откачки насосом скважинной жидкости (нефти, битума, воды, газа и/или т.п.) на поверхность. При температуре масла в ПЭД, превышающей предельно допустимую величину (установленную защитную уставку), и/или температуре обмотки статора ПЭД, снимаемой проводом и превышающей предельно допустимую температуру, БУ подает сигнал выключателям для отключения питания ПЭД для его остановки. После снижения обоих значений температуры ниже предельно допустимых БУ подает сигнал на выключатели для включения питания ПЭД для обновления его работы насоса.
Пример конкретного выполнения на примере использования электроцентробежного насоса (ЭЦН) для добычи высоковязкой нефти методом парогравитационного воздействия (SAGD).
Исходя из условий работы погружные элементы насоса (ПЭД и ТМС) должны соответствовать следующим контролируемым параметрам (см. таблицу 1):
Таблица 1
<b>Наименование параметра </b>
<b>Значение параметра </b>
Температура пластовой жидкости, <sup>0 </sup>С
от 0 до + 200
Разрешение контроля температуры пластовой жидкости, <sup>0 </sup>С
0,01
Погрешность контроля температуры пластовой жидкости, %
±1,5
Температура масла ПЭД,<sup> 0 </sup>С
0-250
Разрешение контроля температуры масла ПЭД, <sup>0 </sup>С
0,01
Погрешность температуры контроля масла ПЭД, %
±1,5
Температура обмоток ПЭД,<sup> 0 </sup>С
0-250
Разрешение контроля температуры обмоток ПЭД,<sup> 0 </sup>С
0,01
Погрешность контроля температуры обмоток ПЭД,<sup> 0 </sup>С
±1,5
Давление пластовой жидкости, МПа
0 – 4
Разрешение контроля давления масла ПЭД, МПа
0,001
Приведенная полная погрешность контроля давления
±0,5%
Дрейф контроля давления пластовой жидкости в течение года, не более, %
1
при температуре выше 150 <sup>0 </sup>С приведенная полная погрешность контроля давления -±1,0%
ПЭД и ТМС должны работать в условиях пластовой жидкости (смеси нефти, попутной воды и попутного газа), имеющие следующие параметры:
максимальная массовая концентрация твердых частиц (с относительной твердостью частиц не более 7 баллов по шкале Мооса), не более 1 г/ л (0,1%);
максимальная концентрация сероводорода, не более 0,01 г/ л (0,001%);
свободный газ (по объему) не более 80 %;
гидростатическое давление в зоне подвески ПБ, не более величины давления пластовой жидкости, указанной в таблице 1;
максимальная температура пластовой жидкости, не более величины температуры пластовой жидкости, указанной в таблице 1.
По этим условиям подобрали комплект ТМС: БП-117М3Р2-4,05МПа-2Т2-К-60, состоящего из погружного блока (ПБ ТМС) и наземного блока (НБ ТМС).
НБ ТМС, размещённый внутри БУ, предназначен для:
приёма по аналоговому входу телеметрической информации, поступающей от блоков погружного и выносного, её первичной обработки и передачи контроллеру станции управления УЭЦН;
совместим со станциями управления производства «ИРЗ», «Электон», «Борец», «Триол» и др. (в комплекте с частотным преобразователем и встроенными синус-фильтрами).
ПБ ТМС предназначен для отслеживания текущих параметров в зоне подвески погружного электродвигателя, а именно
для контроля температуры обмотки статора по сопротивлению провода, температуры в нижней и верхней частях корпуса ПЭД;
температуры и давления пластовой жидкости.
В ПБ ТМС плата процессора опрашивает датчики, преобразует их текущие параметры в цифровой код и передает данные в НБ ТМС от цепи питания ПЭД. Плата защиты осуществляет защиту от перенапряжения и внешних помех в цепи питания ВД, а также обеспечивает питанием остальные компоненты ПБ ТМС.
Напряжение питания для БП ТМС подавали от НБ ТМС через кабельную линию для ПЭД ЭЦН. Питание выносных датчиков температуры осуществляли от ПБ ТМС.
Основные технические требования к ПЭД и к ПБ ТМС показаны в таблице 2
Таблица 2
<b>Наименование параметра</b>
<b>Значение</b>
Ток потребления, мА, не более
60
Допустимая вибрация,   м/с<sup>2</sup>, не более
60
Давление пластовой жидкости, МПа, не более
4
Диапазон рабочих температур пластовой жидкости, °С
от 0 до +200
Длина кабельной линии, м, не более
6000
Габаритные размеры, мм
Ø117х880
Максимальное значение действующего напряжения частотой 50 Гц, приложенного к разъему X1, при котором ПБ сохраняет работоспособность, В, не более
2300
Максимальное постоянное напряжение при проведении испытания изоляции обмотки статора ПЭД, В
5000
Максимальное постоянное напряжение при проведении испытания изоляции обмотки статора ПЭД при температуре от 125°С до 180°С, В
2500
Масса, кг, не более
27,5
Максимально допустимая масса оборудования, прикрепляемая к нижней части ПБ, кг, не более
1500
В заводских условиях в участок обмотки статора ПЭД (термостойкий, мощность 28- 40 кВт), соответствующему месту максимальной температуры, установили провод (D2,5×8 ЦВИЯ. 405211.006, диаметр 2,5 мм, длина 8 м). Длина провода определяется в зависимости от длины статора ПЭД и места расположения в обмотке статора. Контакты провода вывели из корпуса ПЭД для сопряжения с погружным блоком (ПБ) ТМС. Выполнили проверку сопротивления провода и его целостность. Монтаж ПБ произвели в основание ПЭД. После сборки ПБ ТМС с ПЭД проверили сопротивление провода в сборе. Произвели испытание с прогревом ПЭД для проверки работоспособности и корректности показаний сопротивлений провода в зависимости от температуры в обмотке статора, нижней и верхней частей корпуса ПЭД.
Собранный ПЭД с ПБ ТМС соединили с ЭЦН и спустили на колонне труб (колонне насосно-компрессорных труб диаметром 73 мм) с единым кабелем в добывающую скважину. Кабель при этом соединили ПЭД с источником питания через выключатели, а ПБ ТМС – через НБ с БУ. При этом выключатели технологически управляются БУ. После чего сигналом с БУ через выключатели запустили в работу ПЭД для откачки насосом скважинной жидкости на поверхность. При температуре корпуса ПЭД, превышающей предельно допустимую величину (в условиях ПАО «Татнефть» 150ºС), и/или температуре обмотки статора ПЭД, снимаемой проводом и превышающей предельно допустимую температуру (в условиях ПАО «Татнефть» 150ºС), БУ подает сигнал выключателям для отключения питания ПЭД для его остановки. После снижения обоих значений температуры ниже предельно допустимых (в условиях ПАО «Татнефть» до 130ºС) БУ подает сигнал на выключатели для включения питания ПЭД для обновления его работы насоса.
Наличие в обмотке статора ПЭД дополнительного датчика температуры (металлического провода с откалиброванным сопротивлением в зависимости от температуры) позволило контролировать в реальном времени максимальную температуру обмотки статора, что полностью исключило выход из строя насосного оборудования по причине термического нарушения целостности обмотки статора ПЭД и потери масла диэлектрических свойств из-за высокой температуры. В результате межремонтный период вырос примерно в 2 раза, а срок службы ПЭД – примерно в 2,4 раза.
Предполагаемое устройство для защиты от перегрева обмотки статора ПЭД насоса позволяет исключить выход из строя ПЭД в связи с термическим нарушением целостности обмотки статора и потери масла диэлектрических свойств из-за высокой температуры.