Система защиты и управления погружными электронасосами

Изобретение относится к системам инженерного экологического обеспечения и может быть использовано при устранении техногенных загрязнений грунтовых вод. Система содержит погружной электронасос 1 понижения зеркала воды и погружной электронасос 2 извлечения нефтепродуктов. Насосы 1, 2 подключены к силовым коммутаторам 3, 4 соответственно, которые, в свою очередь, связаны с блоками управления (БУ) 5, 6. БУ 5, 6 связаны с блоком 9 датчиков уровня воды и блоком 13 датчиков уровня нефтепродуктов, соответственно. При этом каждый из БУ 5, 6 снабжен задатчиком интенсивности напряжения, подводимого к соответствующему электронасосу, а каждый силовой коммутатор 3, 4 выполнен на встречно параллельно включенных оптронных тиристорах, управляющие входы которых связаны с выходом задатчика интенсивности напряжения. Блок 9 выполнен в виде многопроводного кабеля с электроактивированными на разных высотах парами контактов 10, 11, 12. Изобретение направлено на повышение надежности системы за счет оснащения ее средствами защиты от динамических ударов и электрических перенапряжений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к системам инженерного экологического обеспечения и может быть использовано при проведении экологических мероприятий по устранению значительных техногенных загрязнений грунтовых вод.

Одной из наиболее трудоемких задач, решаемых в процессе ликвидации техногенных загрязнений, является удаление нефтепродуктов, располагающихся на поверхности грунтовых вод и имеющих незначительную толщину слоя, не превышающую нескольких сантиметров.

В связи с этим нужно предварительно усилить мощность нефтяного слоя путем организации системы депрессионных воронок, в которых происходит накопление как нефтепродуктов, так и воды, которую необходимо периодически удалять. Погружные насосы при этом работают в условиях частых включений и выключений, что существенно снижает надежность их работы из-за возникновения значительных динамических нагрузок (ударов) в механической части и перенапряжений в электрической. При таком режиме работы неэффективным оказывается применение известной системы защиты и управления погружными нефтедобывающими электронасосами (см. книгу Богданова А.А. Погружные центробежные насосы, - М.: Гостехиздат, 1957 г. с.126-129), основанной на периодической работе электронасоса с отключением его и последующим запуском, по истечении установленной для данной скважины продолжительности технологической паузы.

Основным недостатком упомянутых систем защиты и управления является ограниченное регулирование производительности электронасоса из-за его чрезмерной производительности, громоздкости, сложности и отсутствия согласованно с ним работающих устройств защиты от попадания воды. Среди других недостатков упомянутого технического решения следует отметить возможность возникновения значительных динамических нагрузок при пусках электронасосов с малым статическим напором откачиваемой жидкости, а также наличие гальванических связей цепей управления и силовых коммуникаций, в которых могут возникать перенапряжения в моменты отключения обмоток двигателей насосов.

Один из путей снижения динамических нагрузок при запусках погружных электронасосов предлагается в техническом решении, известном по авт. свид. СССР №1000602, М.кл. F04D 13/08, опубл. 28.02.1983 г., в котором запуск электродвигателя осуществляется посекционно с последующим подсоединением секций насоса, причем перед раскруткой вала первой секции выход насоса соединяют с входом этой секции, а подсоединение вала каждой последующей секции осуществляют при раскрутке ее вала в турбинном режиме. Реализуется данный способ с помощью системы, снабженной управляемыми электромагнитными муфтами.

Основным недостатком известной системы защиты и управления является ее сложность и отсутствие согласованно с ней работающих устройств защиты от попадания воды при извлечении техногенных скоплений нефтепродуктов. К другим недостаткам известной системы относится наличие гальванических связей в цепях управления и силовых коммуникациях, что приводит к возникновению перенапряжений в моменты отключения обмоток двигателей электронасосов.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по числу совпадающих признаков, технической сущности и достигаемому эффекту является система защиты и управления погружными электронасосами по патенту Украины №28556, М.кл. E02D 19/20, опубл. 16.04.2001 г., принятая в качестве прототипа. Известная система содержит погружной электронасос понижения зеркала воды и погружной электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов, соответственно, а также блоки управления работой электронасосов. При этом блок датчиков уровня воды выполнен в виде селектора толщины водяного слоя, снабженного емкостными датчиками, а блок датчиков уровня нефтепродуктов выполнен в виде селектора толщины слоя нефтепродуктов, снабженного поплавковыми герконовыми датчиками с введенным в него, по меньшей мере, одним емкостным датчиком, выход которого соединен параллельно с выходом поплавкового герконового датчика нижнего уровня нефтепродуктов.

Известная система защиты и управления погружными электронасосами недостаточно эффективна из-за:

а) наличия возможности возникновения динамических ударов при пусках электронасосов с малым статическим напором откачиваемой жидкости, что приводит к снижению надежности механической части системы;

б) возникновения перенапряжений в моменты отключения обмоток двигателей электронасосов, а также наличия гальванических связей между цепями управления и силовыми коммуникациями, что снижает надежность функционирования электрической части системы.

Задачей данного изобретения является создание системы защиты и управления погружными электронасосами, обладающей высокой эффективностью и повышенной надежностью в широком диапазоне мощностей и глубин залегания техногенных загрязнений, за счет оснащения ее дополнительными средствами защиты от динамических ударов и электрических перенапряжений.

Для решения поставленной задачи известная система защиты и управления погружными электронасосами, содержащая погружной электронасос понижения зеркала воды и погружной электронасос извлечения нефтепродуктов, каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов, соответственно, а также блоки управления работой электронасосов, согласно изобретению, каждый блок управления работой соответствующего электронасоса снабжен задатчиком интенсивности напряжения, подводимого к электронасосу, а силовой коммутатор выполнен на встречно параллельно включенных оптронных тиристорах, управляющие входы которых связаны с выходом задатчика интенсивности напряжения.

В частном варианте исполнения блок датчиков уровня воды выполнен в виде многопроводного кабеля с электроактивированными на разных высотах парами контактов.

Выполнение силовых коммутаторов на встречно параллельно включенных оптронных тиристорах позволило эффективно реализовать гальваническую развязку силовых коммуникаций и цепей управления, что существенно повысило надежность функционирования системы в целом. При этом введение в блоки управления задатчиков интенсивности напряжения позволяет обеспечить увеличение (или падение) питающего электронасосы напряжения. Это в совокупности с использованием силового коммутатора, выполненного на встречно параллельно включенных оптронных тиристорах, обеспечивает плавное регулирование питающего электронасосы напряжения, что исключает возникновение динамических ударов в механической части и перенапряжений в электрической части системы, что существенно повышает надежность системы в целом.

Выполнение блока датчиков уровня воды в виде многопроводного кабеля с электроактивированными на разных высотах относительно блока парами контактов упрощает конструктивное исполнение системы и обеспечивает повышение ее надежности.

При функционировании системы в результате увеличения депрессионной воронки стимулируется поступление в скважину воды с находящимися на ее поверхности нефтепродуктами. В результате в скважине происходит накопление как воды, так и нефтепродуктов. При этом в зависимости от конкретных гидрогеологических условий и степени техногенного загрязнения интенсивность поступления в скважину воды и нефтепродуктов будет различной.

В зависимости от мощности притока каждой из фаз либо верхняя граница нефтепродуктов ранее достигнет блока датчиков уровня нефтепродуктов (БДУНП), либо граница раздела уровня фаз (нефтепродукты/вода) поднимется до верхнего датчика в блоке датчиков уровня воды (БДУВ).

В первом случае задатчик интенсивности напряжения вырабатывает сигнал, подаваемый на силовой коммутатор, пропорциональный толщине слоя нефтепродуктов. Это обеспечивает увеличение питающего напряжения, подводимого к погружному электронасосу извлечения нефтепродуктов (ПЭИНП), что позволяет достичь плавного регулирования производительности ПЭИНП и избежать динамических ударов при малом статическим напоре откачиваемых нефтепродуктов в скважине. Во втором случае при поступлении сигнала от соответствующего задатчика и блока управления произойдет включение погружного электронасоса подавления зеркала воды (ПЭПЗВ), что приведет к дальнейшей откачке воды, увеличению депрессионной воронки и накоплению нефтепродуктов в скважине.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема размещения основных блоков системы защиты и управления погружными электронасосами в скважине; на фиг.2 - структурная схема управления одним из погружных электронасосов заявляемой системы; на фиг.3 - частный вариант выполнения блока датчиков уровня воды, изображенного на фиг.1.

Система защиты и управления погружными электронасосами содержит погружной электронасос 1 понижения зеркала воды и погружной электронасос 2 извлечения нефтепродуктов, подключенные к силовому коммутатору 3 и силовому коммутатору 4, соответственно, которые, в свою очередь, связаны с блоками управления 5, 6 работой электронасосов 1, 2. На корпусе электронасоса 1 смонтирован фильтр 7 предварительной очистки, предназначенный для предотвращения попадания твердых частиц в электронасос 1. На корпусе электронасоса 2 смонтирован частично гидрофобный фильтр 8 предварительной очистки, задерживающий частицы воды от попадания в откачиваемые нефтепродукты. Вход блока 5 управления работой электронасоса 1 связан с выходом блока 9 датчиков уровня воды (БДУВ), в котором использованы электроактивированные пары контактов 10 и 11 нижнего и верхнего уровня воды, соответственно, а также электроактивированная пара контактов 12 защиты электронасоса 1 от «сухого» хода. Вход блока управления 6 связан с выходом блока 13 датчиков уровня нефтепродуктов (БДУНП), в котором использованы поплавковые герконовые датчики 14, 15 нижнего и верхнего уровня нефтепродуктов, соответственно, а также электроактивированная пара контактов 16 защиты от попадания и захвата воды электронасосом 2.

На фиг.2 представлена структурная схема управления одним из электронасосов, например ПЭПЗВ, поскольку для другого электронасоса, а именно, ПЭИНП, схема управления аналогична. Структурная схема управления силовым коммутатором 3 построена на основе гальванонезависимого задатчика 17 интенсивности напряжения, подводимого к электронасосу 1, при этом вход задатчика 17 связан с выходом логического блока 18, вход которого связан с выходом блока 9 датчиков уровня воды. Сигнал с выхода задатчика 17 поступает на светодиоды 19, 20, преобразующие электрический сигнал в оптический, который подается на управляющие входы двух встречно параллельно включенных оптронных тиристоров 21, 22, что позволяет обеспечить гальваническую развязку с силовыми цепями блока 5.

На фиг.3 показан вариант выполнения блока 9 датчиков уровня воды в виде многопроводного кабеля 21, снабженного электроактивированными на разных высотах относительно блока 9 парами контактов 10, 11, 12.

При монтаже в скважине оборудования, посредством которого реализуется заявляемая система защиты и управления, размещение ее составных частей осуществляется в соответствии с гидротехническим состоянием скважины, оцениваемым вспомогательньм измерительным оборудованием.

Работает предлагаемая система защиты и управления погружными электронасосами следующим образом.

При включении системы в работу, в зависимости от наполнения скважины и настройки режима ее работы, происходит включение одного из электронасосов 1, 2, либо обоих вместе. Команды на включение электронасосов 1, 2 подаются от блоков управления 5, 6, соответственно, через силовые коммутаторы 3, 4.

Посредством электроактивированных пар контактов 10, 11, входящих в состав блока 9 (БДУВ), определяется толщина водяного слоя, а также производится контроль за уровнем раздела фаз (нефтепродукты/вода). При достижении уровнем раздела фаз пары контактов 10 электронасос 1 отключается и откачивание воды из скважины прекращается.

В результате образования депрессионной воронки происходит активное привлечение в скважину воды вместе с нефтепродуктами, т.е. понижение зеркала водяного слоя способствует образованию в скважине слоя нефтепродуктов в несколько раз большего по сравнению с естественным.

При заполнении скважины, в соответствии с настройкой системы, происходит либо повторное включение электронасоса 1, которое приводит к повторному циклу откачивания воды из скважины, поступаемой в электронасос 1 через фильтр 7 предварительной очистки, либо включение электронасоса 2, обеспечивающего откачку накопившихся в скважине нефтепродуктов. При этом откачиваемые нефтепродукты подвергаются частичной предварительной очистке от частиц воды с помощью гидрофобного фильтра 8. Включение электронасоса 2 определяется расположением верхней границы нефтепродуктов и задается с помощью герконовых датчиков 14, 15 и электроактивированной пары контактов 16, входящих в состав блока 13 (БДУНП), контролирующего толщину слоя нефтепродуктов в скважине.

В зависимости от мощности притока каждой из фаз либо граница раздела уровня фаз (нефтепродукты/вода) раньше поднимется до верхней электроактивированной пары контактов 11 БДУВ, либо верхняя граница нефтепродуктов ранее достигнет верхнего герконового датчика 15 БДУНП.

В первом случае сигнал от пары контактов 11 поступает в блок 9, а затем передается в логический блок 18, с выхода которого далее поступает на вход задатчика 17 интенсивности напряжения, подводимого к электронасосу 1. После соответствующего преобразования в задатчике 17 сигнал поступает на светодиоды 19, 20, которые преобразуют электрический сигнал в оптический, после чего с выхода задатчика 17 сигнал подается на управляющие входы двух встречно параллельно включенных оптронных тиристоров 21, 22, входящих в состав силового коммутатора 3. С коммутатора 3 команда подается на электронасос 1, в результате чего происходит включение погружного электронасоса 1 подавления зеркала воды, что ведет к дальнейшей откачке воды и накоплению нефтепродуктов в скважине. При достижении границей раздела уровня фаз (нефтепродукты/вода) нижней пары контактов 12 БДУВ электронасос 1 отключается и откачивание воды из скважины прекращается.

Во втором случае с блока 13 сигнал подается на соответствующий задатчик интенсивности напряжения, подводимого к электронасосу 2. При этом задатчик вырабатывает сигнал, пропорциональный толщине слоя нефтепродуктов.

Полученный сигнал поступает на силовой коммутатор 4, что обеспечивает увеличение питающего напряжения, подводимого к погружному электронасосу 2 извлечения нефтепродуктов (ПЭИНП).

Таким образом, в предлагаемой системе защиты и управления обеспечена гальваническая развязка силовых цепей системы управления, а также плавность изменения интенсивности напряжения, что существенно снижает динамические нагрузки при запуске электронасоса 2 с малым статическим напором откачиваемых нефтепродуктов в скважине.

При выполнении блока 9 датчиков уровня воды в виде многопроводного кабеля 21 обеспечивается замыкание электроактивированных пар контактов 10, 11, 12 через водную среду, что позволяет установить расположение границы раздела уровня фаз (нефтепродукты/вода) в скважине. Выполнение БДУВ в виде многопроводного кабеля с электроактивированными на разных высотах относительно блока 9 парами контактов позволяет упростить конструкцию блока 9 и повысить его надежность в эксплуатации.

В целом предложенная система защиты и управления погружными электронасосами позволяет оптимизировать процесс извлечения нефтепродуктов путем повышения эффективности и надежности системы в широком диапазоне мощностей и глубин залегания техногенных загрязнений, в результате оснащения ее дополнительными средствами защиты от динамических ударов и электрических перенапряжений.

1. Система защиты и управления погружными электронасосами, содержащая погружной электронасос понижения зеркала воды и погружной электронасос извлечения нефтепродуктов каждый из которых подключен к отдельному силовому коммутатору, связанному с блоками датчиков уровня воды и датчиков уровня нефтепродуктов соответственно, а также блоки управления работой электронасосов, отличающаяся тем, что каждый блок управления работой соответствующего электронасоса снабжен задатчиком интенсивности напряжения, подводимого к электронасосу, а силовой коммутатор выполнен на встречно параллельно включенных оптронных тиристорах, управляющие входы которых связаны с выходом задатчика интенсивности напряжения.

2. Система защиты и управления погружными электронасосами по п.1, отличающаяся тем, что блок датчиков уровня воды выполнен в виде многопроводного кабеля с электроактивированными на разных высотах парами контактов.