DE602004002604T2

DE602004002604T2 - Bohrlochverdichteranlage

Info

Publication number: DE602004002604T2
Application number: DE602004002604T
Authority: DE
Inventors: Adam Jeremy Scarlet; Roger Sidey
Original assignee: Corac Group PLC
Current assignee: Corac Group PLC
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: GB2399177A; US20040174127A1; GB0305090D0; ATE341714T1; US6940245B2; EP1455093B1; EP1455093A1; DE602004002604D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Bohrlochverdichter-System, um bei der Förderung von Gas aus einem Schacht zu helfen, das einen Verdichter umfasst; einen Elektromotor zum Antrieb des Verdichters, wobei dieser Motor eine Statorwicklung und einen Rotor aufweist und im Gebrauch zusammen mit dem Verdichter in den Schacht abgesenkt wird; ein an die Statorwicklung angeschlossenes Regelsystem, um die Stromversorgung zu dem Motor zu regeln, wobei dieses Regelsystem im Gebrauch außerhalb des Schachts angeordnet ist; und einen zur Drehung mit dem Rotor montierten Rückmeldungssensor, um ein für die Phase und Drehzahl des Rotors bezeichnendes Signal zu dem Regelsystem zu liefern, siehe z.B. U S-A-5 142 180.
Es ist bekannt, verschiedene Typen von Elektromotoren unter Verwendung einer geschlossenen Rückführungsschleife zu regeln, um eine gewünschte Rotordrehzahl und/oder Phase beizubehalten. Zum Beispiel wird während des Betriebs eines schnell drehenden Permanentmagnet-Motors der Motor über eine durchstimmbare Frequenzvorrichtung mit einer Ein- oder Mehrphasen-Stromwellenform gespeist. Bei Inbetriebnahme des Motors kann synchron gedreht werden, indem man eine Strom-Wellenform von der durchstimmbaren Frequenzvorrichtung zu den Motorwicklungen liefert, aber bei höheren Drehzahlen und Lasten wird ein Drehstellungssignal relativ zu der Motorwelle von einem Rückmeldungssensor benötigt, um den Motor umzupolen und somit zu verhindern, dass der Motor aus der Synchronisierung heraus fällt. Zusätzlich muss aus dem Stellungssignal ein Geschwindigkeitssignal abgeleitet werden, um die Drehzahl der Maschine zu regeln.
Herkömmliche Rückmeldungssensoren für drehende Wellen schließen Hall-Effekt-Vorrichtungen, optische Codierer, Drehmelder oder Nockenrad/Verdrängungstaster ein. Regelt man jedoch den Motor eines in einem Gasförderschacht angeordneten Bohrlochverdichtets, so ist es unentbehrlich, Bauteile einzusetzen, welche in der Lage sind, der feindlichen Umgebung zu widerstehen. Und herkömmliche Rückmeldungssensoren wären nicht geeignet, weil sie dazu neigen, in ihrer Temperaturtauglichkeit eingeschränkt zu sein. Herkömmliche Rückmeldungssensoren würden außerdem einen Signalprozessor oder Treiber erfordern, um in der Lage zu sein, ihr Rückmeldesignal über lange Strecken zu übermitteln, wobei zu bemerken ist, dass das Regelsystem und der Sensor miteinander durch einen Leiter verbunden sind, der sich in den Schacht erstreckt, dessen Tiefe oft in Kilometern gemessen wird.
Mit Blick auf die Linderung der vorstehenden Nachteile ist der Rückmeldungssensor in einem Bohrlochverdichter der vorliegenden Erfindung ein Stromgenerator, der einen zur Drehung mit dem Rotor montierten Permanentmagneten und eine an das Regelsystem angeschlossene zweite Statorwicklung aufweist.
Ein erster Vorteil der Verwendung eines Generators als ein Rückmeldesensor ist es, dass er eine sinusförmige Wellenform mit geringem Oberschwingungsanteil bereitstellt, welche mit minimaler Verzerrung zu einem entfernt angeordneten Regelsystem übertragen werden kann. Die Phase des sinusförmigen Ausgabesignals des Sensors zeigt die Winkelstellung des Rotors an, während seine Frequenz für die Drehzahl des Rotors bezeichnend ist.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Generators mit rotierendem Permanentmagneten ist es, dass er eine Anzeige der Rotortemperatur bereitstellen kann. Magneten von dem in einem elektrisch angetriebenen Verdichter verwendeten Typ besitzen eine vorhersagbare Schwankung der magnetischen Flussdichte mit der Temperatur. Durch Vergleich der Amplitude des Ausgabesignals des Generators mit einer Referenzamplitude bei der gleichen Rotordrehzahl und einer bekannten Temperatur ist es folglich möglich, eine Abschätzung der Temperatur des auf dem Rotor montierten Magneten bereitzustellen.
Noch ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Generators als ein Rückmeldesensor ist es, dass es durch geeignete Wahl der Polanzahl und Statorwicklungen – um eine mehrfache Anzahl von Zyklen des Ausgabesignals pro Umdrehung des Rotors zu erzielen – möglich ist, Vibrationen des Rotors zu detektieren, indem man die Amplituden von Spitzen in dem während der gleichen Umdrehung des Rotors erzeugten Sensor-Ausgabesignal vergleicht.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
1A eine schematische Seitenansicht eines die Erfindung verkörpernden Bohrlochverdichter-Systems ist;
1B eine schematische Endansicht des Rückmeldungsgenerators in 1A ist;
2 ein Graph ist, der den Effekt der Temperatur auf die Amplitude des Ausgabesignals des Generators demonstriert;
3 eine schematische Darstellung eines Generators ist, der zwei Paare magnetischer Pole und eine Statorwicklung aufweist, die ein einzelnes Polpaar umfasst; und
4 den Effekt von Vibrationen des Rotors auf die Wellenform des Ausgabesignals des in 3 gezeigten Rückmeldesensors zeigt.
Die Erfindung ist besonders auf ein Bohrlochverdichter-System anwendbar, das einen von einem Permanentmagnet-Motor angetriebenen Verdichter umfasst, und die nachfolgende Beschreibung wird unter Bezug auf eine solche Ausführungsform der Erfindung erfolgen. Es sollte jedoch betont werden, dass der Elektromotor nicht notwendigerweise einen Permanentmagnetmotor aufweist.
In 1A und 1B ist schematisch ein Gasverdichter 14 zur Verwendung in einem Gasproduktionsschacht gezeigt, um bei der Förderung des Gases zu helfen. Der Verdichter 14 ist angeschlossen, um von dem Rotor 12 eines Elektromotors 10 angetrieben zu werden, welcher auf dem Rotor montierte Permanentmagneten und einen gewickelten Stator aufweist, zu welchem von einem Regelsystem 18 elektrische Leistung oder Kraft geliefert wird.
Aus ökonomischen Gründen ist es nicht möglich, einen Bohrlochverdichter zu warten nachdem er eingebaut wurde, Es ist daher für die gesamte in den Schacht niedergebrachte Ausrüstung von entscheidender Wichtigkeit, dass sie zuverlässig und in der Lage ist, der feindlichen Umgebung zu widerstehen. Diese Überlegungen diktieren außerdem, dass nur unerlässliche Komponenten in den Schacht niedergebracht werden sollten, um das Risiko eines Komponentenversagens zu minimieren und um die Anzahl von Teilen zu maximieren, die nach dem Einbau gewartet werden können. Folglich wird das Regelsystem 18 nahe dem Eingang des Schachts montiert und mit dem Motor 10 durch ein Kabel verbunden, welches mehrere Kilometer lang sein kann und das in den Gasschacht niedergebracht wird.
Vom Regelsystem 18 wird gefordert, dass es die Drehzahl des Verdichters aus den zuvor umrissenen Gründen regelt. Das Regelsystem 18 arbeitet in einem geschlossenen Rückführungsmodus und benötigt daher ein Rückmeldesignal, das für die Winkelstellung und Drehzahl des Rotors 12 bezeichnend ist.
Weil der zur Bereitstellung des Rückmeldesignals benutzte Sensor an dem Rotor 12 montiert sein muss, ist es auch für das Signal erforderlich, über ein langes Kabel zurück zu dem Regelsystem 18 übertragen zu werden.
Um diese schweren Forderungen an den Rückmeldungssensor zu erfüllen, schlägt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Gebrauch eines Generators 16 als einen Rückmeldungssensor vor, der in einer zu dem Permanentmagnet-Motor 10 sehr ähnlichen Art und Weise konstruiert ist. Speziell weist der Generator 16 auf dem Rotor 12 montierte Permanentmagne ten 16a und einen gewickelten Stator auf, in welchem durch das sich drehende Feld der Magneten 16a ein Signal induziert wird.
Das Ausgabesignal des Generators ist ein ungefähr sinusförmiges Signal mit einer festgelegten Anzahl von Zyklen pro Umdrehung des Motors, abhängig von der Anzahl der Magnetpole. Somit hängt die Phase der Ausgabe-Wellenform direkt von der Winkelstellung des Rotors 12 ab, und die Signalfrequenz ist für die Rotordrehzahl bezeichnend.
Weil das Signal ein Hochleistungs-Sinussignal mit geringem Oberschwingungsanteil ist, ist es in der Lage über ein langes Kabel zu dem Regelsystem übertragen zu werden, ohne einer starken Verzerrung zu unterliegen.
Die Amplitude des Rückmeldesignals wird mit der Temperatur variieren, weil die Stärke eines Permanentmagneten von der Temperatur beeinflusst wird. Dies kann zum Vorteil genutzt werden, um eine Anzeige der Temperatur des Rotors zu liefern. In 2 stellt die in einer durchgezogenen Linie dargestellte Wellenform das Ausgabesignal des Generators 16 dar. Die in gestrichelten Linien gezeichnete Wellenform zeigt zum Vergleich die entsprechende Ausgabe des Generators, wenn der Rotor sich bei Umgebungsdruck befindet. Während die Temperatur des Rotors steigt, wird die Amplitude der Spitzen V'' relativ zu der Referenzamplitude V abfallen. Durch Verwendung eines geeigneten Algorithmus oder einer Nachschlagetabelle ist es bei jeder gegebenen Frequenz möglich, die Rotortemperatur aus dem Wert der Amplitude V_P abzuschätzen.
3 zeigt schematisch einen Generator, der einen Rotor mit zwei Paaren von Nord-Süd Magnetpolen 16a und eine Statorwicklung 16b aufweist, die ein einzelnes Paar von Polen umspannt. Sollte der Rotor aufgrund einer Unwucht vibrieren während er dreht, so wird die Entfernung zwischen dem Rotor und dem Stator des Generators zyklisch zu- und abnehmen, was in der in 4 gezeigten Wellenform resultiert, in welcher die Signalspitzen im gleichen Zyklus nicht von konstanter Amplitude sind. In diesem Fall liefert der Unterschied zwischen der Amplitude der Spitzen V_pmin und V_pmax eine Anzeige der Vibration.
Das Regelsystem kann in dieser Art und Weise von fern detektieren, ob der Motor überhitzt oder übermäßig vibriert, und es kann, wenn nötig, Maßnahmen ergreifen, um einen dauerhaften Schaden an dem Rotor zu verhindern. Zum Beispiel kann der Motor für eine Zeit abgestellt werden wenn er überhitzt, oder seine Drehzahl kann von dem Regelsystem modifiziert werden, um eine Resonanzspitze zu verhindern.

Claims

Ein Bohrlochverdichter-System, um bei der Förderung von Gas aus einem Schacht zu helfen, das einen Verdichter (14) umfasst; einen Elektromotor (10) zum Antrieb des Verdichters (14), wobei dieser Motor eine Statorwicklung und einen Rotor aufweist und im Gebrauch zusammen mit dem Verdichter (14) in den Schacht abgesenkt wird; ein an die Statorwicklung angeschlossenes Regelsystem (18), um die Stromversorgung zu dem Motor (10) zu regeln, wobei dieses Regelsystem im Gebrauch außerhalb des Schachts angeordnet ist; und einen zur Drehung mit dem Rotor montierten Rückmeldungssensor (16), um ein für die Phase und Drehzahl des Rotors bezeichnendes Signal zu dem Regelsystem (18) zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass der Rückmeldungssensor (16) ein Stromgenerator ist, der einen zur Drehung mit dem Rotor montierten Permanentmagneten (16a) und eine zweite Statorwicklung (16b) aufweist, die an das Regelsystem (18) angeschlossen ist.
Ein Verdichtersystem wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem das Regelsystem (18) weiterhin Vorrichtungen umfasst, um die Amplituden des Ausgabesignals des Generators mit einer Referenzamplitude bei der gleichen Rotordrehzahl und einer bekannten Temperatur zu vergleichen, um eine Abschätzung der Temperatur des Rotors bereitzustellen.
Ein Verdichtersystem, wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, in dem der Generator (16) arbeitet, um ein sinusförmiges Ausgabesignal zu erzeugen, das eine Frequenz aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz des Rotors ist; und in dem Vorrichtungen bereitgestellt werden, um die Amplituden der verschiedenen während der gleichen Umdrehung des Rotors erzeugten Signalzyklen zu vergleichen, um eine Vibration des Rotors zu detektieren.
Ein Verdichtersystem, wie in irgendeinem der vorstehenden Ansprüche beansprucht, in dem der Motor (10) einen an dem Rotor montierten Permanentmagneten umfasst.