DE4409818A1 - Balkenpositionsbestimmung in einer Stangenpumpe aus der Motorleistung - Google Patents

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen für Ölquellen-Stangenpumpen und ähnliche zyklische Lasten und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Apparatur zum indirekten Bestimmen der Balkenposition einer Stangenpumpe durch Überwachen von Schwankungen der Belastung des Pumpenmotors. Durch indirektes Identifizieren der Phasenposition des Pumpenzyklus auf diese Weise werden eine Anzahl von Überwachungs- und Steuerfunktionen eingeschaltet, wodurch im wesentlichen die Notwendigkeit verringert wird, die Quelle und/oder die Pumpe mit Instrumenten zu versehen.

2. Stand der Technik

Ölquellen-Schwingbalkenpumpen entnehmen Flüssigkeit aus einem lochabwärts befindlichen Schöpfraum durch wiederholtes Heben und Senken einer Reihe von Stahlstangen, die die lochabwärts befindliche Pumpe mit dem Auslegerbalken des Pumpenaufbaus an der Oberfläche verbinden. Das wiederholte Heben und Senken der Stahlstangen veranlaßt einen Kolben im lochabwärtigen Pumpenaufbau, das Fördermedium an die Oberfläche zu befördern.

Der Auslegerbalken des oberflächenseitigen Pumpenaufbaus umfaßt typischerweise einen Schwingbalken, dessen eines Ende über einen Kurbelaufbau mit einem Pumpenmotor verbunden ist. Der Kurbelaufbau weist ein Gegengewicht auf, mit dem ein Ausgleichen der Motorbelastung durch Kompensieren zumindest eines Teils des Gewichts der Verbindungsstangen der Pumpe, die auf der entgegengesetzten Seite des Schwingbalkens freitragend sind, beabsichtigt ist. Nichtsdestotrotz durchläuft die Belastung des Motors mit dem Heben und Senken der zur lochabwärtigen Pumpe führenden Stangen einen Zyklus, während dem potentielle Energie bei dem Aufwärtsbewegen der Pumpenstangen gespeichert und bei dem Senken der Pumpenstangen freigesetzt wird.

Der Motor ist typischerweise als Elektromotor ausgeführt, der zur Anpassung an die vergleichsweise niedrige Frequenz des Pumpentakts ins Langsame gesetzt ist. Ein Dreiphasenmotor ist beispielhaft. Schützeinrichtungen sind typischerweise zum Schutz von Motor und Schaltungsanordnung vorgesehen, um den Motorschaltkreis im Falle eines Kurzschlusses oder einer Motorüberlastung zu unterbrechen. Darüber hinaus kann eine von den Bedingungen in dem Bohrloch bzw. der Quelle abhängige Steuereinrichtung mit den Schützeinrichtungen verbunden sein, um beispielsweise die Pumpe intermittierend mit einer Fördermenge, die durch die geologische Formation unterstützt wird, zu betreiben. Die Steuereinrichtung oder die Schützeinrichtung selbst kann eine Einrichtung zum Messen des Stroms im Motorkreis und/oder der Leitungsspannung mittels analoger oder digitaler Schaltkreise beinhalten, die Teil der Schaltkreis-Schutzfunktion ist, oder um den Betriebsablauf der Pumpe zur Anpassung an Betriebszustände mit bestem Wirkungsgrad zu variieren.

Bekannt ist, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 4,220,440 (Taylor et al.) offenbart, eine Schützeinrichtung für ein Tiefbohrloch mit Relaiskontakten zu versehen, die die Leiterverbindungen eines Dreiphasenmotors neu anordnen, wenn gegenwärtige Lastbedingungen anzeigen, daß die Pumpe ineffizient arbeitet. Die US-Patentschrift 4,695,779 (Yates) offenbart eine vergleichbare Steuereinrichtung, die einen Prozessor und eine Anzahl von Zeitgebern, die bei dem Auftreten bestimmter Anhaltebedingungen zwischen Betriebsarten umschalten, aufweist.

Ein Prozessor mit einer Reihe von Fluß- und Energieverbrauchssensoren zum Bewerten des Betriebs der Quelle ist in der US-Patentschrift 4,767,280 (Markuson), und ein Prozessor, der weitere Faktoren wie die Anteile von Öl und Wasser in der gesammelten Flüssigkeit integriert, ist in der US-Patentschrift 5,070,725 (Cox et al.) offenbart.

Obwohl die Erfindung hierin in der Hauptsache bezugnehmend auf eine Schwingbalkenpumpe beschrieben wird, ist es ebenfalls möglich, die Ideen bzw. Begriffe einer Schwingbalkenpumpe auf andere Formen periodischer bzw. zyklischer Lasten anzuwenden. Die US- Patentschriften 4,601,640 und 4,493,613 (beide Sommer) offenbaren beispielsweise eine kompakte Pumpenanordnung, die einen Kolben hin- und herbewegt, die jedoch keinen Auslegerbalken verwendet. An Stelle dessen betätigt ein Umsteuermotor den Kolben über ein Kabel. Auf diese sowie die vorstehend genannten US-Patentveröffentlichungen wird hiermit aus Gründen ihrer Lehre betreffend die Steuerung von Bohrquellenmotoren und Meßanordnungen Bezug genommen.

Quellen sind häufig aus Gründen der Bewertung von Betriebsparametern mit Instrumenten ausgerüstet. Die von der Quelle abgegebene Flüssigkeits-Ausflußmenge ist ein für die Messung vorteilhafter Parameter, der unter Verwendung von Durchflußmengensensoren an beliebiger Stelle entlang der Rohrleitung, durch die die Flüssigkeit gepumpt wird, gemessen werden kann. Die durch die Pumpe im Bohrloch erzeugten Flüssigkeitsdrücke können ebenfalls überwacht und zur Erzeugung weiterer Informationen, wie beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der die geologische Formation die Pumpe befüllen kann, und anderer Gesichtspunkte der Leistung der Quelle verwendet werden. Ein Mittel zum indirekten Erfassen des Flüssigkeitsdrucks der Quelle ist das Erfassen der Spannungs- und Druckbelastung der sich bewegenden Pumpenanordnungen, beispielsweise unter Verwendung von an derartigen Anordnungen befestigten Dehnungsmeßvorrichtungen oder zwischen dieser eingekoppelte Meßdosen.

Eine Anzahl von Gesichtspunkten der Quellen- und/oder Pumpleistung sind sachdienlich für Fragen des Wirkungsgrades, der Instandhaltung, der Leistungsfähigkeit, des Umschaltens zwischen Betriebsarten und dergleichen. Die Aufgabe der Quelle ist natürlich, die maximal mögliche Menge an Flüssigkeit zu fördern, sowie vorzugsweise den prozentualen Anteil an in der Flüssigkeit enthaltenem Öl gegenüber Wasser oder Schlamm zu maximieren, während der Energieverbrauch der Pumpe minimiert wird. Ein Optimieren des Pumpenbetriebs erfordert jedoch, daß der Betrieb der Pumpe zur Anpassung an Betriebszustände variierbar ist. Eine Überwachungsanlage und eine Steuereinrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen und zur Einstellung von Betriebsparametern, wie die Wiederholrate des zyklischen Betriebs, die Art und Weise, in der Leistung den Motorwindungen zugeführt wird usw., können zur Verfügung gestellt werden.

Der Betrag an Nutzarbeit, den eine Flüssigkeitstransporteinrichtung leistet, ist das Produkt aus der Massenrate der Flüssigkeitsströmung und dem Differential des Drucks oder der Druckhöhe. Der gesamte von der Pumpe erzeugte Druck beinhaltet statische und dynamische Faktoren, wie die Höhe der Ausströmmenge und die aufrechterhaltene Hubhöhe, die Höhe der Geschwindigkeit, Reibungswiderstände, etc. Die Schwankungen in einer Reihe dieser Faktoren, insbesondere des Flüssigkeitsdrucks und der Flüssigkeitsströmung, sind periodisch auf Grund der periodischen Arbeitsweise der Pumpe. Es ist daher erforderlich, die Flüssigkeitsdruck- und Flüssigkeitsströmungs­ information als Funktion des Punktes, an dem derartige Daten im periodischen Zyklus der Pumpe abgetastet werden, zu bewerten. Die Überwachungs- und Steueranlage der Pumpe erfordert folglich die Eingabe von Informationen über den gegenwärtigen Phasenwinkel der Pumpe.

Der Phasenwinkel der Pumpe kann mittels mehr oder weniger hoch entwickelten Einrichtungen gemessen werden. Beispielsweise kann ein Grenzschalter für wiederholte Betätigung durch Kontakt mit dem Auslegerbalken der Pumpe angebracht sein, der zur Triggerung des Abtastens von Prozeßdaten am selben Punkt jedes Zyklus oder in Abständen gezählter Zyklen verwendet wird. Ein Wellenwinkelkodierer kann zur Erzeugung von Impulsen mit Winkelversatz zum Auslegerbalken oder zur Motorkurbel bzw. Motorwelle etc. angebracht sein, der es erlaubt, Messungen an festgelegten Punkten im Zyklus durchzuführen. Diese Einrichtungen erfordern eine geeignete Anfangseinstellung und Wartung und sind von mechanischem Ausfall bedroht. Die bekannten Anordnungen sind folglich sowohl anfänglich als auch bei fortlaufender Instandhaltung kostenintensiv.

Es wäre vorteilhaft, eine Einrichtung bereitzustellen, die zum Bewerten oder Steuern des Pumpenbetriebs benötigte Informationen bestimmen kann unter Verwendung eines Minimums an Komponenten. Die vorliegende Erfindung ist so angeordnet, um derartige Informationen indirekt aus einer Variierung der Last des Pumpenmotors zu entwickeln und bestimmt insbesondere einen Bezugsphasenwinkel in dem Pumpenzyklus von dem Punkt minimaler Motorleistung, der am oberen Totpunkt des Pumpenhubs auftritt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Betriebsparameter einer periodischen Last wie beispielsweise einer Bohrquellenpumpe aus der elektrischen Belastung eines die Pumpe betätigenden Motors zu bewerten.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, dem Phasenwinkel einer Hubkolben-Quellenpumpe zu bestimmen, indem man zumindest eine Spitze in der durch den Quellenpumpenmotor freigesetzten Leistung erfaßt.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist es, einen Schützschaltkreis zum Schutz eines Motors oder vorzugsweise eine Zusatzeinrichtung für eine Schutzschaltkreis-Unterbrecherkontakt­ anordnung zu koppeln, und zwar für eine zyklische Last, wobei ein Ausgabesignal erzeugt wird, das analysiert wird zum Anzeigen des Durchgangs durch zumindest einen Betriebsphasenwinkel der zyklischen Last.

Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Schützeinrichtung für den Motor einer Hubkolbenpumpe, wie z. B. einer Ölquellen-Schwingbalkenpumpe, und andere zyklische Lasten. Die Einrichtung verwendet die durch die Belastung abgezogene Leistung, um den Phasenwinkel der Pumpe zu bestimmen, ohne die Notwendigkeit für einen gesonderten Phasenanzeigesensor. Die Schützeinrichtung koppelt den elektrischen Pumpenmotor an eine Leistungsleitung und hat einen Leistungskodiersensor und einen Spitzendetektor. Der Leistungssensor kann auf den Effektivwert einer Wechselstromleistung ansprechen, oder er kann ein Leistungssignal (oder eine Annäherung davon) entwickeln, indem der Pegel und die Polarität des Stroms erfühlt werden. Der Motor tritt durch einen minimalen Leistungspegel an dem äußersten oberen oder unteren Punkt eines Pumpenhubs, bei dem sich die Polarität umkehren kann auf Grund einer Regenerierung aus dem Motor. Die Phasenposition am oberen Teil des Hubs kann somit erfaßt werden, indem man die Leistungsumkehr erfaßt, die auftritt, wenn der Impuls der Pumpe eine Regenerierung durch den Motor erzeugt. Die Schützeinrichtung oder der Schutzschaltkreis-Unterbrecherkontakt kann Überstrom- und/oder Unterspannung-Schutzeigenschaften haben, kann Kontakte zum Umordnen der Motorwicklungen beinhalten, um den Pumpbetrieb zu variieren, und kann die Phase einem Pumpensteuer- und Überwachungssystem mitteilen, wobei Prozeßvariablen als eine Funktion der Phase bewertet werden. Die Erfindung fördert einfach die Verwendung eines Leistungssensors und einen Prozessor zum Analysieren von Leistungsverbrauchspegeln, und eine Vielzahl von Pumpen können auf diese Weise überwacht werden unter Verwendung eines Prozessors, der Leistungsdaten sammelt über gemultiplexte Datenverbindungen an die jeweiligen Leistungs­ verbrauchssensoren.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Vertikalansicht einer erfindungsgemäßen periodisch betriebenen Pumpenanordnung;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm, welches die funktionellen Elemente der Erfindung darstellt;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Meß- und Verarbeitungsschritte gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Anordnung, bei der die momentane Leistungsaufnahme aus dem effektiven Mittelwert des Stromes und der Polarität ermittelt wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist eine Quellen-Pumpenanordnung 20 gemäß der Erfindung eine Reihe von Verbindungsstangen 22 auf, die eine lochabwärts angeordnete Kolben-/Kammerpumpe 24 mit einer Oberflächen- Schwingbalkenpumpe 30 verbinden. Die Oberflächenpumpe 30 weist einen Schwingbalken 32 auf, dessen eines Ende 34 mit den lochabwärtigen Stangen 22 und dessen entgegengesetztes Ende 36 mittels exzentrischen Verbindungsgliedern mit einem rotierenden Gegengewichtelement 38 verbunden ist. Das Gegengewichtelement 38 ist durch einen Riemen- oder Kettenantrieb und/oder über einen Getriebezug mit einem Elektromotor 40 verbunden und wird durch diesen in Drehbewegung versetzt. Wenn der Motor 40 das Gegengewichtelement 38 dreht, wird der Balken 32 in eine Schwingbewegung versetzt, um die lochabwärtigen Stangen zu heben und zu senken, wodurch die Pumpe 24 auf eine periodische Art und Weise mit einer vergleichbar niedrigen Frequenz betrieben wird.

Der Motor 40 kann als Dreiphasen-Mehrwicklungs-Wechselspannungsmotor ausgeführt sein, der beispielsweise bei 440 V Wechselspannung betreibbar ist und der, in Abhängigkeit von der Tiefe und der Leistungsfähigkeit der Pumpe 10 bis 125 PS entwickelt. Wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, kann in der Pumpenanordnung 20 ein Schütz 44 vorgesehen sein zum Wechseln der Wicklungskonfiguration zwischen Y, ΔY und Δ gemäß den US-Patentschriften 4,220,440 (Taylor) und 4,695,779 (Yates), mit dem das Pumpen in Gang gesetzt oder unterbunden werden kann, und der mit einer Über-/Unterlast- Steuereinrichtung, die eine Verarbeitungseinrichtung bzw. einen Prozessor und Zeitgebereinrichtungen gemäß der US-Patentschrift 4,767,280 (Markuson) beinhaltet, verbunden werden kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Steuereinrichtung 50 dieses allgemeinen Typs bereitgestellt mit Informationen, die den Phasenwinkel der Pumpenanordnung 20 in ihrem Zyklus betrifft. Diese Information wird erzielt aus der Überwachung der periodischen Natur des Verbrauchs elektrischer Leistung des Pumpenmotors 40. Mit der somit der Steuereinrichtung 50 zur Verfügung stehenden Phase der Pumpenanordnung 20 wird es möglich, die Werte zusätzlicher Prozeßvariablen zu berechnen, und zwar entweder mit Hilfe von an die Pumpenanordnung 20 gekoppelten Sensoren oder gänzlich von der an den Pumpenmotor 40 angelegten elektrischen Leistung. Als ein Ergebnis werden Quellen- und Pumpenleistungs-Überwachungsdaten erzielt, und es können Entscheidungen gefällt werden zum Steuern des Betriebs der Pumpe 20 mit keinem oder minimalem Rückgriff auf mechanische Schalter oder Sensoren zum Erfassen von Zugspannung, Druckspannung, Strömungsrate, Druck und anderen ähnlichen Variablen, die anderweitig verwendet werden könnten, um den Durchtritt der Pumpenanordnung 20 durch ihre aufeinanderfolgenden Pumpzyklen zu bestimmen.

Vorzugsweise wird die Erfindung ausgeführt als eine verbesserte Form einer Pumpensteuereinrichtung des als ein "Pumpenbedienpult" in der Industrie bekannten Typs, ist jedoch mit zusätzlichen Rechnerfähigkeiten versehen, um die Aufgaben der Erfindung zu bewirken. Das intelligente Pumpen-Bedienpult der Erfindung kann auf der Grundlage eines elektromechanischen Schütz-Motoranlassers beruhen, wie z. B. dem Advantage™-Dreiphasenschütz, der von der Westinghouse Electric Corporation vermarktet wird, wobei vorzugsweise das Energy Sentinel™-Modul beinhaltet wird, das an dem Schaltkreis­ unterbrecherkontakt montiert ist und beinhaltet Strom-und Spannungssensorschaltkreise, einen Filter und eine Multiplizieranordnung und einen Analog/Digital-Wandler zum Erzeugen einer digitalen Ausgabe, welche den momentanen Energieverbrauch der daran gekoppelten Last, wie z. B. ein Motor 40, darstellt. Die Energy Sentinel ist auch betreibbar, um die Polarität des Leistungsstroms zu erfühlen. Falls der Motor in einem regenerativen Modus betrieben wird und Leistung an das Leistungsnetz von dem Motor während eines Teils des Pumpenhubs bereitgestellt wird, zeigt dies die Ausgabe des Energy Sentinel entsprechend an. In dieser Hinsicht versteht man, daß Leistungs- oder Energie-"Verbrauch", wie hierin verwendet, so verstanden werden soll, um die Erzeugung oder den negativen Verbrauch zu beinhalten.

Die digitalen Ausgabedaten werden an eine programmierbare Steuereinrichtung gekoppelt, die den Prozessor 56 der Steuereinrichtung 50 bildet, und wird z. B. alle 150 bis 200 ms ausgelesen, um die Daten des momentanen Leistungsverbrauchs zu sammeln. Die programmierbare Steuereinrichtung ist an Eingabe-/Aus­ gabemodule gekoppelt, wobei die Abtastdaten und die Daten, die durch Berechnung aus den Abtastdaten und/oder aus zusätzlichen Sensoreingaben erzeugt werden, an Aufzeichnungs- oder Übermittlungseinrichtungen übertragen werden können. Vorzugsweise werden die durch die Steuereinrichtung 50 entwickelten Ausgabedaten über Radiomodem, Leitungstreiber, Telefonmodem oder ähnliches an einen entfernten Ort übertragen. Es ist jedoch auch möglich, die Daten nur lokal zu verwenden, und zwar in Verbindung mit einer Steuereinrichtung vom Pumpe-Aus-Typ (zum Bestimmen, wann und für wie lange die Pumpe laufen sollte), welche die hierin diskutierten zusätzlichen Fähigkeiten hat. Es ist auch möglich, eine Anzahl von Leistungsverbrauchssensoren bei unterschiedlichen Ölquellen an eine Steuereinrichtung zu koppeln über eine gemeinsame Übertragungs­ technik, wie z. B. dem Zeit- oder Frequenzmultiplexverfahren.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Steuereinrichtung 50 mit einem Meßwandler 54 verbunden, der zum Erfassen der momentanen, elektrischen Leistung betrieben werden kann, die der Kraftleitung 66 durch den die Quellenpumpe 24 betätigenden Motor 40 entnommen wird oder in die Kraftleitung 66 mit Regenerierung gekoppelt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Steuereinrichtung 50 einen digitalen Prozessor 56, und der Meßwandler 54 weist einen Watt- Meßwandler auf, der eine Ausgangsspannung proportional zur momentanen Leistung erzeugt. Die ausgegebene Spannung wird unter Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers 58 abgetastet, der durch die Steuereinrichtung 50 mit einer Frequenz wesentlich höher als die Frequenz des zyklischen Pumpbetriebs, beispielsweise mehrere Male pro Sekunde, getaktet wird. Der Watt-Meßwandler 54 mittelt die Wechselspannungs-Leistungsaufnahme des Motors 40 über die Frequenz der Kraftleitung, erzeugt jedoch ein im wesentlichen sinusförmiges Ausgangssignal mit der Frequenz der Pumpe 24. Dies tritt auf, weil der Motor 40 periodisch belastet wird, wenn die Pumpe 24 die lochabwärtigen Pumpenstangen 22 während jedes Pumpzyklus hebt und senkt. Die Pumpenanordnung durchläuft einen Arbeitshub und daraufhin mit fortsetzender Bewegungsenergie einen Wiedergewinnungshub, wobei jeder Zyklus die Arbeits- und Wiedergewinnungsabschnitte beinhaltet.

Die Motorbelastung hat ein Minimum während der Zeiten, zu denen sich der Balken 32 im Höchstpunkt und im Tiefstpunkt seiner Hubbewegung befindet. Ein absolutes Minimum tritt unmittelbar vor dem Abschnitt des Abwärtshubs des Zyklus auf. An diesem Punkt kehrt sich die Leistung um und wird negativ, da die Bewegungsenergie der Pumpe 24 und die verbindenden Stangenanordnungen bzw. Pleuelstrukturen 22 die Wiedergewinnung durch den Motor 40 verursacht.

Der Watt-Meßwandler mißt wirkungsvoll den Effektivwert des Stroms in den Motorwicklungen 64 und den Effektivwert der Spannung an der Kraftleitung 66 und multipliziert diese Werte, um das an den Analog/Digital-Wandler 58 übergebene, den Momentanleistungspegel darstellende Ausgangssignal zu erzeugen. Es ist ebenso möglich, den Momentanleistungspegel durch Messen lediglich des Stroms anzunähern, womit folglich angenommen wird, daß der Pegel der Spannung gleich der Nennspannung des Stromversorgungsnetzes bleibt. Die Strommessung muß jedoch für die Polarität des Stromflusses empfindlich sein, wie sie z. B. in der Energy-Sentinel-Vorrichtung von Westinghouse bereitgestellt ist. Der Rückgriff auf eine Messung von Strom ist weniger genau als eine Berücksichtigung von Strom und Spannung, und zwar auf Grund der reaktiven Natur der elektrischen Belastung, insbesondere da der Motor 40 zyklisch belastet und regeneriert wird.

Wie durch das Ablaufdiagramm von Fig. 3 gezeigt, speichert der Prozessor 56 der Steuereinrichtung 50 die Daten, die den abgetasteten Leistungspegel darstellen, und verarbeitet die Daten, um die Zeitpunkte zu bestimmen, bei denen aufeinanderfolgende Minimalwerte auftreten. Die Zeitabstimmung dieser Minimalwerte legt die Betriebspumpfrequenz fest, und durch Interpolation ist es auch möglich, die Phasenposition der Pumpe zu jeder Zeit zu schätzen.

Die Steuereinrichtung 50 kann programmiert werden, um verschiedene Messungen und Berechnungen aus Eingabedaten zu bewirken, wie z. B. das Integrieren des erfaßten momentanen Leistungspegels durch Addieren der abgetasteten Datenwerte über einen vollständigen Pumpzyklus, um die ausgeübte hydraulische Leistung und die Reibungsverluste der Pumpenanordnung 20 und des Motors 40 insgesamt zu messen. Eine derartige Vorgehensweise ist hilfreich, um den Fluidstrom von der Pumpe 24 indirekt zu messen und um Wartungsnotwendigkeiten zu überwachen, wie durch Variierungen der Reibungsbelastungen gezeigt. Als eine weitere Alternative kann die Steuereinrichtung 20 den Leistungsverbrauch bei unterschiedlichen Punkten in dem Pumpzyklus analysieren. Z.B. kann die Steuereinrichtung angeordnet werden, um Veränderungen in dem spezifischen Bereich des Abwärtshubs der Pumpe zu überwachen, um das Ausmaß zu bewerten, mit dem die Pumpkammer gefüllt wird. Eine weitere Möglichkeit ist es, speziell für Variierungen in der Differenz zwischen dem Leistungsverbrauch während der Saugphase und der Druckphase der Pumpe zu analysieren, um die gesamte, durch die Pumpe entwickelte Druckhöhe bezüglich der geologischen Formation zu bewerten.

Der integrierte Leistungspegel über den Pumpzyklus wird gespeichert oder aufgezeichnet, um eine Analyse und einen Vergleich der Leistungspegel zu erlauben. Für kurzfristige Messungen von Intraphasenschwankungen oder Teilen eines Zyklus muß nur ein Zyklus von Daten gespeichert werden. Vorzugsweise werden jedoch entweder die Abtastdaten oder die Ergebnisse von Berechnungen an den Abtastdaten über eine Anzahl von Zyklen gespeichert. Die Steuereinrichtung 50 kann so angeordnet sein, um die Daten in einem lokalen Speicher 72 zu speichern, und/oder um die Daten für eine längerfristige Speicherung auf einem Band oder einer Diskette aufzuzeichnen, um Berichte oder Grafikplots zu drucken oder um die Daten über eine entfernte Verbindung, wie z. B. über ein Modem mitzuteilen.

Die ausgeübte hydraulische Leistung und der Reibungsverlust schwanken beide mit der Zeit und für aufeinanderfolgende Pumpzyklen. Reibungsverluste neigen jedoch dazu, sehr langsam zu schwanken im Vergleich zu der Schwankung der hydraulischen Leistung oder der von der Pumpe 24 ausgeübten Nutzarbeit. Die Leistungsschwankungen während einem Zyklus und zwischen Zyklen über eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer (z. B. weniger als ein Tag) beruhen in erster Linie auf Änderungen der hydraulischen Leistung. Durch Überwachen der Leistungsschwankungen als eine Funktion des Pumpenphasenwinkels werden die Leistungsschwankungen mit den Prozeßparametern korreliert, die hilfreich sind für die Überwachung und Steuerung der Pumpe, d. h., um Betriebs- und Wartungsentscheidungen zu treffen. Der Schütz 44, der durch Ausgangssignale der Steuereinrichtung 50 betätigt wird, kann die Pumpe aktivieren und deaktivieren, die Verschaltung der Pumpenmotorwicklungen 64 ändern, Alarme oder Signale für die Instandhaltung abgeben und die Pumpenanordnung anderweitig für einen effektiven Betrieb steuern, und sich dabei im wesentlichen auf die für die Steuereinrichtung 50 durch Überwachen der elektrischen Leistungsaufnahme des Pumpenmotors 40 erhältliche Information stützen.

Fig. 4 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel, wobei der Leistungspegel von dem momentanen Strompegel erfühlt wird. Fig. 4 veranschaulicht auch die Art und Weise, auf die die Sammlung von Phasendaten von der Analyse der Schwankungen des Leistungsverbrauchs während Pumpzyklen mit Sensoren verwendet werden kann, und zwar z. B. ein Strömungssensor 82 und ein Fluiddichtesensor 86, die jeweils entlang einer Ausgabeleitung 84 der Pumpe 24 montiert sind und an dem Prozessor 56 zum Sammeln von Daten durch direkte Messung gekoppelt sind. Auf die Sensoren 82, 86 kann durch die Steuereinrichtung zugegriffen werden, um eine Messung bei einem spezifischen Phasenwinkel während jedem Zyklus zu sammeln, oder sie können zu regelmäßigen Intervallen getaktet werden, um Messungen innerhalb des gesamten Zyklus zu sammeln, die der Prozessor 56 auf phasenbezogene Schwankungen analysieren kann.

Die Ausgabe des Strömungssensors 82 kann integriert werden, um die gesamte Förderleistung der Pumpe zu bewerten. Die Fluidausgabe einer Ölquellenpumpe beinhaltet jedoch typischerweise Öl, Wasser und Schlamm. Der Dichtesensor 86 kann betrieben werden, um die Dichte des gepumpten Fluids zu messen, zum Bestimmen der wahrscheinlichen Anteile der drei Materialien und einer genaueren Verarbeitung der Strömungsdaten und ähnlichem.

Die Erfindung stellt somit eine Apparatur bereit zum Koppeln einer elektrischen Leistungsleitung an eine zyklische Last, wobei Leistungssensoreinrichtungen betrieben werden können, um ein Signal zu entwickeln, das die Amplitude und Polarität von momentaner Leistung darstellt, die durch die Belastung abgezogen wird oder durch die Belastung regeneriert wird, welche, wie oben bemerkt, durch Stromflußmessungen angenähert werden kann, und wobei ein Spitzendetektor an das Signal gekoppelt ist, wodurch ein Ausgabesignal entwickelt wird, das eine Phasenposition der zyklischen Last darstellt, wie sie durch Variieren des momentanen Stroms über eine Betriebsperiode der zyklischen Last bestimmt wird.

Die Spitzenerfassung kann eine Funktion einer an das Signal gekoppelten Steuereinrichtung sein. Die Steuereinrichtung kann Schalteinrichtungen betreiben, welche die Leitung an die Last koppeln, um eine Verbindung zwischen der Leitung und der Last beim Auftreten von Überstromzuständen und/oder Unterspannungszuständen herzustellen oder zu unterbrechen. Die Steuereinrichtung kann direkt an den Leistungsverbrauchssensor gekoppelt werden, oder eine Steuereinrichtung kann die Leistungsverbrauchssensoren einer Anzahl von Pumpen über eine Multiplexanordnung bedienen.

Ein bevorzugter Leistungsverbrauchssensor ist die Energy Sentinel Einrichtung von Westinghouse, die ein modulares Element ist, das sich an einem Stromkreisunterbrechungsschalter anbringen läßt. Diese Einrichtung spricht auf die Stromamplitude und Polarität und auf die Spannung an der Leitung an, wodurch effektiv die momentanen Strom- und momentanen Spannungspegel multipliziert werden, um die Ausgabe zu erzeugen. Die Steuereinrichtung tastet dann die Ausgabe ab, um die Phasenposition der Pumpe zu bestimmen.

Die Erfindung ist nützlich als ein Teil eines Steuersystems, das betrieben werden kann, um den Betrieb der Pumpe oder einer anderen zyklischen Last zu variieren. Das Steuersystem ist an den Spitzendetektor gekoppelt und kann an zumindest einen Sensor gekoppelt werden, der betrieben werden kann, um einen Betriebsparameter der zyklischen Last zu messen (zusätzlich zu der aus der Überwachung des Leistungsverbrauchs erhältlichen Information). Das Steuersystem bewertet den Betriebsparameter bei einem Phasenwinkel, der durch die durch den Spitzendetektor bestimmte Phasenposition festgelegt ist. Die Ausgabe von Sensoren, welche derartige Betriebsparameter messen, kann verwendet werden, um das Steuersystem zu eichen, so daß die von den Leistungsverbrauchsdaten entwickelten Daten genauer gemacht werden, wie z. B. durch Einstellen eines Versatzes oder Maßstabsfaktoren, die auf die Leistungsdaten angewandt werden, um Parameter aus den Leistungsverbrauchsdaten zu schätzen.

Der Spitzendetektor (z. B. die Steuereinrichtung) können angeordnet werden, um eine Leistungsumkehr zwischen der Leitung und der Last zu erfassen auf Grund eines regenerativen Betriebs der Last während der Betriebsperiode. Ist die zyklische Last eine Ölquellenpumpe, tritt eine derartige Leistungsumkehr typischerweise bei jedem Zyklus auf, wenn der Hubkolben und die Kammeranordnung der Pumpe mit der Leistung eines Elektromotors und einer mechanischen Verbindung zwischen dem Motor, dem Kolben und der Kammer betrieben werden, um eine Hin- und Herbewegung der Pumpe über eine zyklische Periode zu bewirken.

Die Erfindung bestimmt den Phasenwinkel der Quellenpumpe aus einer Spitze oder einem Nulldurchgang der durch den Pumpenmotor freigesetzten Leistung, wodurch verschiedene zusätzliche Messungen ermöglicht werden. Weiterhin werden derartige Messungen über verhältnismäßig einfache und kostengünstige Hinzufügungen zu dem Schützschaltkreis zum Schutz des Motors oder der Schaltkreis­ unterbrecheranordnung bereitgestellt.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Beispielen und Modifikationen offenbart. Weitere Modifikationen werden für den Fachmann nun offensichtlich sein. Die Erfindung soll nicht auf die im einzelnen erwähnten Modifikationen beschränkt sein, und es soll demgemäß zur Bewertung des Schutzbereichs der Erfindung, innerhalb dessen Exklusivrechte beansprucht werden, anstelle auf die vorstehende Erörterung bevorzugter Beispiele auf die anliegenden Patentansprüche Bezug genommen werden.

Claims (8)

1. Apparatur zum Koppeln einer elektrischen Netzzuleitung an eine zyklische Last, gekennzeichnet durch eine Leistungserfassungseinrichtung, die betreibbar ist, um ein Signal zu entwickeln, das eine momentane, durch die Last abgezogene Leistung darstellt; einen an das Signal gekoppelten Spitzendetektor, wobei der Spitzendetektor ein Ausgabesignal entwickelt, das eine Phasenposition der zyklischen Last darstellt, so wie durch Variierung der momentanen Leistung über eine Betriebsperiode der zyklischen Last bestimmt.

2. Apparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an das Signal gekoppelte Steuereinrichtung und eine die Leitung an die Last koppelnde Schalteinrichtung, wobei die Schalteinrichtung in Antwort auf die Steuereinrichtung betreibbar ist, um eine Verbindung zwischen der Leitung und der Last herzustellen und zu unterbrechen nach dem Auftreten von zumindest einem Überstromzustand oder einem Unterspannungszustand.

3. Apparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stromamplituden- und Polaritätserfassungseinrichtung und eine Spannungserfassungseinrichtung, die betreibbar sind, um Signale zu entwickeln, die den momentanen Strom und die momentane Spannung an der Leitung darstellen; und einen an die Signale, die einen momentanen Strom und eine momentane Spannung darstellen, gekoppelten Multiplizierschaltkreis, wobei der Multiplizierschaltkreis an den Spitzendetektor zum Bestimmen der Phasenposition der zyklischen Last aus einem Produkt des momentanen Stroms und der momentanen Spannung gekoppelt ist.

4. Apparatur nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Steuersystem, das betreibbar ist, um den Betrieb der zyklischen Last zu variieren, und wobei das Steuersystem an den Spitzendetektor und an zumindest einen Sensor gekoppelt ist, der betreibbar ist, um einen Betriebsparameter der zyklischen Last zu messen, wobei das Steuersystem eine Bewertungseinrichtung aufweist zum Bewerten des Betriebsparameters bei einem Phasenwinkel, der durch die durch den Spitzendetektor bestimmte Phasenposition festgelegt ist.

5. Apparatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzendetektor betreibbar ist, um eine Leistungsumkehr zwischen der Leitung und der Last auf Grund eines regenerativen Betriebs der Last während der Betriebsperiode zu erfassen.

6. Apparatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklische Last eine Ölquellenpumpe ist.

7. Apparatur nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Umkehrkolben und eine Kammer; einen Elektromotor und eine mechanische Verbindung zwischen dem Motor, Kolben und einer Kammer für eine Hin- und Herbewegung der Pumpe über eine zyklische Periode; einen Schütz, der den Elektromotor an eine Netzzuleitung koppelt, einschließlich einer Leistungserfassungseinrichtung, die betreibbar ist, um das Signal zu entwickeln, das momentane, von dem Motor abgezogene Leistung darstellt, wobei der Spitzendetektor ein Ausgabesignal entwickelt, das eine Phasenposition der Pumpe darstellt, wie durch Variierung der momentanen Leistung während der zyklischen Periode bestimmt.

8. Pumpenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Steuereinrichtung und die Schalteinrichtung zusammenarbeiten, um zumindest eine Herstellung und Unterbrechung einer Verbindung zwischen der Leitung und dem Motor und eine Neuordnung von Verbindungen zwischen der Leitung und dem Motor zu bewirken.