CN105531480A - 用于电动泵的无转换器操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种无转换器电动泵系统包括离网原动机。离网原动机具有旋转传动轴，且响应于节流控制命令操作以控制旋转传动轴的转速。发电机由离网原动机驱动来生成AC功率。变速感应电机由发电机直接供能。可为潜水式的泵由至少一个变速感应电机驱动。可为本地或远程的系统控制器编程为响应于一个或更多个泵操作特征生成节流控制命令，使得离网原动机、发电机和变速感应电机一起操作来调节电动泵的入口处的压力。

Description

用于电动泵的无转换器操作的系统和方法

背景技术

本公开内容的主题大体上涉及电动泵，并且更具体地涉及用于电动泵的无转换器操作的系统和方法。

控制电动泵的速度的常规途径在于通过使用由定频AC电源供电的变速驱动器(VSD)。VSD综合以期望方式操作泵所需的此频率的电压和电流。在油气行业中，由VSD输出的电压常常使用变压器提高到中压，因为高电压电机配置在井中以减小供应电机所需的电力线缆的尺寸。

图1示出了油气行业中已知用于在离网应用中操作电动潜水泵(ESP)的常规系统10。直接地联接到发电机14上的一个或更多个原动机产生AC电压，其具有固定频率和振幅来供应电负载15。例如，原动机可包括往复式发动机，其由天然气或柴油燃料供应燃料，或涡轮。生成的AC功率给送至VSD16，其负责在AC电压提高到中压水平之后调节ESP12的操作，AC电压经由适合的变压器19供应至(多个)ESP电机18。

在油气行业中所需的是提供一种不那么复杂、低成本且具有更小的占地面积的用于操作ESP的系统。由于与使设施安装所需的电力线相关联的延迟，故与在相比于其使用公用电力使井投入生产所花费的时间时，减少资金花费、重量和占地尺寸的系统将有利地减少其使用现场生成的电力使井投入生产所花费的时间。

有可能使用由井产生的天然气来支持发电机的操作，由此减少系统的操作花费。取决于发电机和原动机的选择，可能需要经由变速箱联接发电机和原动机。大体上有可能选择具有固定比的变速箱，由此避免系统操作期间改变齿轮比的需要。

发明内容

根据一个实施例，一种无转换器电动泵系统包括：

至少一个离网原动机，其包括旋转传动轴，且响应于节流控制命令操作以控制旋转传动轴的转速；

至少一个发电机，其由至少一个离网原动机驱动来生成AC功率；

至少一个变速电机，其由至少一个发电机直接供能；

至少一个电动潜水泵，其由至少一个变速电机驱动，其中与至少一个电动潜水泵相关联的一个或更多个操作特征由一个或更多个对应的传感器监测；

系统控制器，其编程为响应于一个或更多个泵操作特征生成节流控制命令，使得至少一个离网原动机、至少一个发电机和至少一个变速电机一起操作来调节至少一个电动潜水泵的入口处的压力；以及监测和保护设备，其包括电路断路器以确保系统周围人员的安全，且在系统启动期间，或响应于设备故障或响应于一个或更多个意外事件的发生来向原动机、发电机和变速电机提供保护。

根据另一个实施例，一种操作电动潜水泵的方法，包括：

响应于节流控制命令控制离网原动机的传动轴速度；

响应于离网原动机的传动轴速度控制发电机的AC功率输出；

响应于发电机的AC功率输出来直接地控制变速电机的速度；以及

监测电动潜水泵的操作特征且响应于其生成节流控制命令，使得离网原动机、发电机和变速电机一起操作来调节至电动潜水泵的入口处的压力。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中：

图1示出了本领域中已知的常规电动潜水泵(ESP)系统；

图2示出了根据一个实施例的无转换器ESP系统；

图3为示出根据一个实施例的与对接且控制无转换器ESP系统的系统控制器的框图；以及

图4为示出根据一个实施例的将离网功率提供至电动潜水井泵的方法的框图。

尽管上文提到的附图阐述了特定实施例，但如论述中所述，本发明的其它实施例也可构想出。在所有情况下，本公开内容都通过表示而非限制来示出本发明的所示实施例。本领域的技术人员可设计出落入本发明的原理的范围和精神内的许多其它改型和实施例。

具体实施方式

本文所述的实施例针对独立于共用电网操作的应用中的电动泵的控制，以及组合原动机和AC发电机的控制来提供与变速驱动器(VSD)基本相似的功能来降低系统复杂性、成本和占地尺寸。此实施例在油气行业中特别有用，其中通常的控制目标在于调节电动潜水泵的入口处的压力，但其它控制目标(包括而不限于温度、速度或振动)也可以以类似方式应用。

图2示出了根据一个实施例的无转换器ESP系统20。在该实施例中，(多个)原动机21被直接地控制来调节泵入口压力。更具体而言，ESP系统20包括联接到一个或更多个发电机22上的一个或更多个原动机21、用于电连接(多个)发电机22的输出的器件24，以及电动泵26。原动机21通常是往复式发动机，其由天然气或柴油燃料供应燃料，但并未如此受限，因为其它类型的原动机(诸如而不限于涡轮)也可用作原动机21。取决于原动机21和发电机22的选择，可能期望使用变速箱来匹配原动机21和发电机22的轴速度。优选使用固定比变速箱来保持系统20尽可能简单。出于从井中人工地提升流体的目的，电动泵26通常位于井内。流体可为而不限于井中的水、气体或油，或它们的组合。有可能一些量的固体(诸如沙或支撑剂)将卷吸在流体中。

传感器组件28附接到电动泵26上，电动泵26例如可包括一个或更多个温度传感器和一个或更多个压力传感器，以提供各种泵操作温度和压力的指示。重要的压力是泵26的入口压力，因为该压力提供井是否在最大化井生产的适当负载下操作的直接指示。传感器组件28还可包括一个或更多个振动传感器，其配置成监测各种泵振动特征，且提供是否超过预定振动水平的指示。至少一个速度传感器可被包括在传感器组件28中，以便准确地监测泵的转速。取决于特定应用需求，其它类型的传感器可被包括在传感器组件28中。

无转换器ESP系统20有利地i)消除对变速驱动器和变压器的需要，简化系统，导致改善的系统可靠性，ii)可经由泵26自身使用泵送气体作为燃料来运行原动机22，导致非常低的燃料成本，以及iii)独立于公用电网操作。

可认识到的是，可存在将变压器固持在发电机22与电动泵26之间的原因。这些原因可包括而不限于最小化系统成本和/或最大化操作灵活性。根据一个方面，变压器与系统20的固持或除去的决定可基于系统优化而非系统20的概念操作而作出。

图3为示出根据一个实施例的用于无转换器ESP系统30的功率和信息的流的框图。功率从原动机21经由发电机22和线缆32流至电机34和随后的泵26。原动机21与发电机22之间的功率为机械传动轴功率，其为感应电机34与泵26之间的功率。原动机21与发电机22之间的变速箱可有利地用于如本文所述的系统优化的目的。

可编程系统控制器36负责监测泵操作状态，包括而不限于输入和输出压力、(多个)泵温度、泵振动水平和泵转速，以及命令原动机21的节流位置控制38，原动机21将响应于监测的操作状态中的一个或更多个来将泵26输出驱动至期望的泵操作点。根据一个方面，系统控制器36还监测原动机21的轴速度，且相应地命令同步发电机22的发电机励磁机39。

可编程系统控制器36可包括而不限于一个或更多个计算机和/或数据处理器/装置和相关联的显示装置。数据处理器/装置可包括一个或更多个CPU、DSP和相关联的数据储存装置、数据采集装置和对应的信号交换装置，其可与系统控制器36集成，且/或分布在无转换器ESP系统30各处。系统控制器36可与远程操作中心37通信，远程操作中心37能够监测系统操作，且改变系统操作目标，而不需要本地操作者的动作。

根据另一方面，系统控制器36监测供应至电机34的电压、频率和电流，且响应于监测的信息生成原动机节流控制命令来改变原动机21的控制。例如，原动机传动轴速度的变化率可通过限制由发电机22供应的电流来控制，以保持发电机电流低于指定值。此操作可有助于减小系统上的应力，由此使得无转换器ESP系统30更可靠。

根据另一个方面，发电机22可为不需要励磁的永磁发电机。可认识到的是，永磁发电机的使用将进一步简化无转换器ESP系统30，而不牺牲性能。

可认识到的是，泵电机34可为直接起动的任何电动机，包括但不限于感应电机，但也可为称为直接起动永磁电机的特殊类型的永磁电机。

简言之，无转换器ESP系统从电动潜水泵系统消除了变速驱动器和可能的其相关联的变压器，导致了降低资金花费、重量和系统占地面积的更简单的系统。由于使设施安装所需电力线缆的延迟，故现场生成的功率的使用有利地减少了其使井投入生产所花费的时间。此外，由井自身产生的天然气的使用有利地降低了操作花费。

由于在与变速驱动器的输出相比时，发电机22的输出基本为正弦的，故发电机22与电机34之间不需要滤波器。例如，可变VSD的输出包含显著的高频含量，截断DC电压/电流结果产生了AC电压/电流。这种截断动作不利地产生了称为谐波的高频分量，其不利于驱动泵的电机。滤波器通常安装在VSD与电机之间；然而，零星数据表明甚至此滤波器也不可总是充分地滤除谐波，导致了变压器19、线缆32和电机34中的绝缘系统的加速老化。这不利地缩短了ESP系统的寿命。

除非主动前端应用于VSD，否则VSD还从其供应源吸收非正弦电流。这些所得的谐波不利于供应VSD的发电机。一些系统设计使发电机尺寸过大，使得其可更好忍受由VSD吸收的谐波电流。其它系统设计将使用有源电力滤波器，以对VSD吸收的谐波电流溯源，从而缓解了发电机而不必供应它们。此途径中的任一者增加了系统的成本和复杂性。

本文参照各种实施例所述的原理包括降低的资金花费和更及时的井生产。离网无转换器系统实施例有利地允许了使井更快投入生产，因为如本文所述，通常有较长周期来等待设施将供应线安装到井的地点。在公用电力可用的时间，井运营者可除去原动机和发电机，如果期望，将以变速驱动器和变压器来替换它们。

图4为示出根据一个实施例的将离网功率提供至电动潜水井泵26的方法40的框图。原动机21传动轴直接地或间接地联接到发电机22上；同时发电机22经由电力线缆32电联接到电机上，电机可为诸如感应电机或永磁电机34的直接起动电机，，电力线缆32例如而不限于可为电动潜水泵线缆；以及电机传动轴直接地联接到潜水泵井泵26上，如框42中所示。如框44中所示，原动机21开启来旋转其传动轴，引起发电机22产生足以对电机34供能的AC电力，其随后驱动潜水井泵26。如框46中所示，传感器组件28可包括而不限于与潜水井泵26的功能相关联的各种压力传感器、温度传感器、振动传感器和速度传感器以监测包括而不限于，泵入口压力、泵振动水平、泵转速和与潜水井泵26相关联的期望点处的温度的操作状态。监测的操作数据由系统控制器36采集，系统控制器36确定原动机传动轴是否应当在不同速度下旋转。如框48中所示，系统控制器36然后将适合的节流控制命令38发射至原动机21，引起原动机传动轴按需要更快或更慢旋转，以确保潜水井泵26在期望的操作点操作。根据一个实施例，如框50所示，系统控制器36还经由与原动机21的传动轴相关联的一个或更多个速度传感器25监测原动机传动轴的转速，且在发电机22为同步发电机时命令发电机22的励磁机39将适当水平的励磁供应至发电机22。

出于安全性和系统保护的原因，系统元件可被包括，其利用器件负责监测系统设备的操作，该器件在故障或外部事件引起预期操作的异常的情况下指示控制器36使系统30停机。示例性系统元件可包括而不限于一个或更多个泵压力传感器、泵速度传感器、泵温度传感器、泵振动传感器、泵粘性传感器、泵气体体积分数传感器、特定重力传感器、电机电流传感器、电机温度传感器、电机电压传感器和电机频率传感器。例如，泵气体体积分数传感器可用于确定流过(多个)泵的液体对气体的体积比。引起系统停机的外部事件可包括，例如i)变得太大的体积分数，即，气体太多使泵不能处理，ii)变得太高的电机温度，或iii)阻塞泵，引起泵压力变得太高。监测的传感器信号传输至系统控制器36，其确保电机34和泵26在规定的设计、安全性、规格和/或阈值极限内操作。

如框52中所示，另一个实施例包括监测经由发电机22供应至电机34的电压、频率、温度和电流，以及采集监测的信息。采集的电机供应电压、频率、温度和电流信息由系统控制器36使用，以确定原动机传动轴是否应在不同速度下旋转。如框54中所示，如果需要不同原动机传动轴速度，则系统控制器36将适合的节流命令38传输至原动机21，引起原动机21中的运行速度变化。该实施例可用于例如可能希望限制由发电机22供应的电流的应用；所以原动机速度中的变化率可被控制，以保持发电机电流小于指定值。

由于一些应用可使用不需要励磁的永磁发电机，故可认识到发电机励磁机在此应用中将不需要。如本文所述，永磁发电机的使用进一步简化了无转换器ESP系统30，而不牺牲性能。

尽管特定实施例在本文中描述为应用于电动潜水泵，但本文所述的原理还可容易地应用于其它应用，包括而不限于地热应用。在此应用中，燃气轮机或往复式发动机可用于旋转发电机。

本文所述的原理可应用于给送多个ESP的电机发电机组(即，当现有油田将扩大来包括例如多50%的井时，其中井紧邻彼此)。在此应用中，控制器36根据一个实施例进一步编程，以提供ESP电机中的负载平衡，由此减少不需要的损失。

控制器36还可根据又一个实施例配置成具有同步逻辑且编程以生成控制信号，该信号触动辅助/备用发电机来提供并联操作能力。

尽管已经依据各种特定实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可利用权利要求的精神和范围内的改型来实践。

Claims (23)

1.一种无转换器电动泵系统，包括：

至少一个离网原动机，其包括旋转传动轴，且响应于节流控制命令操作以控制所述旋转传动轴的转速；

至少一个发电机，其由所述至少一个离网原动机直接地或间接地驱动来生成AC功率；

至少一个变速电机，其由所述至少一个发电机直接或间接地供能；

至少一个电动潜水泵，其由所述至少一个变速电机驱动，其中与所述至少一个电动潜水泵相关联的一个或更多个操作特征由一个或更多个对应传感器监测；以及

系统控制器，其编程为响应于所述一个或更多个泵操作特征生成所述节流控制命令，使得所述至少一个离网原动机、所述至少一个发电机和所述至少一个变速电机一起操作来调节所述至少一个电动潜水泵的入口处的压力，使得保持所述至少一个电动潜水泵的期望操作点。

2.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述系统控制器与所述无转换器电动泵系统集成。

3.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述系统控制器与远离所述无转换器电动泵系统的操作中心通信。

4.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述原动机包括往复式发动机或涡轮中的至少一者。

5.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述发电机包括永磁发电机和绕线磁极式同步发电机中的至少一者。

6.根据权利要求5所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，还包括配置成向所述绕线磁极式同步发电机提供励磁的发电机励磁机。

7.根据权利要求6所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，还包括配置成监测所述旋转传动轴的转速的速度传感器。

8.根据权利要求7所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述系统控制器进一步编程为响应于所述旋转传动轴的转速来控制所述发电机励磁机的励磁。

9.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，还包括将生成的AC电力直接或间接地链接至所述变速电机的电动潜水泵线缆。

10.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，还包括配置成监测所述至少一个电动潜水泵的入口压力的压力传感器。

11.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，还包括所述至少一个发电机与所述至少一个电动潜水泵之间的变压器。

12.根据权利要求1所述的无转换器电动泵系统，其特征在于，所述系统控制器进一步编程为响应于超过规定极限的一个或更多个变速电机传感器信号或超过规定极限的一个或更多个电动潜水泵信号来关闭所述无转换器电动泵系统。

13.一种操作无转换器电动泵系统的方法，所述方法包括：

响应于离网原动机传动轴速度控制发电机的AC功率输出，其中所述离网原动机的传动轴速度经由节流控制命令控制；

响应于所述发电机的AC功率输出来直接地控制变速电机的速度；

响应于电机的速度来控制电动潜水泵(ESP)，以及

监测所述ESP的操作特征且响应于其生成所述节流控制命令，使得所述离网原动机、所述发电机和所述变速电机一起操作来调节至所述ESP的入口处的压力，且进一步保持所述ESP的期望操作点。

14.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，监测操作特征包括经由局部控制器监测操作特征。

15.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，监测操作特征包括经由远程控制中心监测操作特征。

16.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，控制离网原动机的传动轴速度包括控制往复式发动机和涡轮发动机中的至少一者的传动轴速度。

17.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，控制发电机的AC功率输出包括控制绕线磁极式同步发电机和永磁发电机中的至少一者的AC功率输出。

18.根据权利要求17所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，控制所述绕线磁极式同步发电机的AC功率输出包括控制绕线磁极式励磁机的AC功率输出。

19.根据权利要求18所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，还包括响应于所述离网原动机的传动轴速度控制所述绕线磁极式励磁机的AC功率输出。

20.根据权利要求17所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，还包括响应于所述离网原动机的传动轴速度控制所述永磁发电机的AC功率输出。

21.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，还包括经由电动潜水泵线缆将生成的AC功率直接地或间接地链接至所述变速电机。

22.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，还包括经由变压器和电动潜水泵线缆将所述生成的AC功率链接至所述变速电机。

23.根据权利要求13所述的操作无转换器电动泵系统的方法，其特征在于，监测所述ESP的操作特征包括监测至所述ESP的入口压力，以及响应于其生成所述节流控制命令，使得保持期望的ESP操作点。