FR2676095A1 - Device for regulating the pumping rate and for the protection of beam engine pumps - Google Patents
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Abstract
Description
DLSCRIPTION
La présente invention concerne un dispositi de régulation automatique de cadence de pompage et de protection électrique et mécanique (1) pour pompes à balancier (30) entrainées par moteur électrique à courant alternatif (31).DLSCRIPTION
The present invention relates to a device for automatic regulation of pumping rate and electrical and mechanical protection (1) for balance pumps (30) driven by an alternating current electric motor (31).
La modification de la cadence de @ompage telle que pratiquée actuellement, se fait en remplaçant soit la poulie d'entrainement (33) du moteur (31), soit en remplaçant la poulie d'entrainement (34) du réducteur (32), soit en remplaçant les deux, afin de changer le raport d'entrainement en jouant sur les diamétres de ces poulies. The modification of the rate of @ompage as currently practiced, is done by replacing either the drive pulley (33) of the motor (31), or by replacing the drive pulley (34) of the reducer (32), or by replacing the two, in order to change the training ratio by playing on the diameters of these pulleys.
.es conséquences cune telle modification sont:
Environ une journée d'arrét de la pompe,
La mobilisation a environ quatre personnes
La mobilisation de moyens de levace, manutention
et transport,
L achat et la gestion de stock de poulies de diamétres différents et de courroies (35) de longueurs différentes,
D autre part, il est évident cue ce genre d'opération ne se fait que lorsque il n'y a plus moyen de i éviter, alors que 1 adaptation des cadences de pompage est un élément primordial al pour l optimisation ce la production et la sauvegarde cu matériel.The consequences of such a modification are:
About a day of stopping the pump,
The mobilization has about four people
Mobilization of levace means, handling
and transport,
Purchase and stock management of pulleys of different diameters and belts (35) of different lengths,
On the other hand, it is obvious that this kind of operation is only done when there is no longer any way to avoid it, while the adaptation of pumping rates is a key element for optimizing production and backup cu material.
Le dispositif selon l'invention permet de supprimer complétement cette intervention, évite l'achat et le ztockage des poulies et courroies de remplacement, tandis que la modification des caaences de pompage se fait alors que les pompes sont en marche. The device according to the invention allows this intervention to be completely eliminated, avoids the purchase and storage of replacement pulleys and belts, while the modification of the pumping caaences is done while the pumps are running.
De plus, cette invention permet la modification en continu des cadences de pompage soit sur décision des opérateurs, soit directement et automatiquement en fonction de certains paramétres , ainsi que la surveillance en continu du bon fonctionnement et du bon état des principaux composants de la pompe à balancier, a savoir:
L'état de la pompe de fond, (37)
(si elle fonctionne ou non)
L'état du train de tiges, (36)
(si il est cassé ou non)
L'état des courroies d'entrainement, (35)
(si elles sont cassées ou non)
L'état du moteur et de son alimentation. (31)
(isolement, ampérage, cosinus, réactif,
voltage, vitesse,)
L'affichage (9) de ces données se fera en face avant du dispositif de régulation et de protection (7).In addition, this invention allows the continuous modification of pumping rates either by decision of the operators, or directly and automatically according to certain parameters, as well as the continuous monitoring of the good functioning and the good state of the main components of the pump. pendulum, namely:
The condition of the downhole pump, (37)
(whether it works or not)
The condition of the drill string, (36)
(whether it is broken or not)
The condition of the drive belts, (35)
(whether they are broken or not)
The condition of the engine and its power supply. (31)
(isolation, amperage, cosine, reactive,
voltage, speed,)
The display (9) of this data will be on the front of the regulation and protection device (7).
Enfin, l'installation 'un tel dispositf de régulation et de protection pour l'alimentation d'une pompe à balancier, remplace l'ensemble des organes de commande, contrôle, protection, et de compensation de l'énergie réactive normalement installés. Seul un organe d'isolement à coupure visible et verrouillable en position "ouverte" devra étre installé pour quel'installation soit conforme aux normes en vigueur.Finally, the installation of such a regulation and protection device for the supply of a balance pump replaces all of the command, control, protection and compensation for reactive energy normally installed. Only an isolating device with visible cut-off and lockable in the "open" position must be installed for the installation to comply with the standards in force.
Ce dispositif de régulation et ce protection a été réalisé 'une part à l'aide de produits connus, et d'autre part à l'aide de produits spécialement conçus et étudiés pour apporter une solution technique aux problémes techniques que posaient la régulation des cacences de pompage et la protection des pompes à balancier, en permettant la combinaison nouvelle de moyens connus en eux même. This regulatory device and this protection has been produced on the one hand using known products, and on the other hand using products specially designed and studied to provide a technical solution to the technical problems posed by the regulation of cacences. pumping and protection of pendulum pumps, allowing the new combination of means known in themselves.
Le problème technique initial était d'une part: "comment faire descendre la cadence de pompage des poulpes à balancier au dessous de la cadence minimale imposée par la conception même des pompes, étant donné que l'augmentation du ciamétre de la poulie (34) du réducteur (32) est limitée par la place disponible, et que la diminution au diamétre de la poulie (33) du moteur (31) est limitée par le rayon et la surface de frotement minium nécessaires aux courroies (35) d'entrainement, et d'autre part, comment assurer de maniére continue, la protection des unités ce pompage compte tenu de l'évolution des nappes souterraines et de la composition des produits extraits provoquant 1 usure et la rupture prématurée des trains de tiges (36) ou des pompes de fond (37)."
Les différentes solutions envisagées ont conduit à prendre en compte le fait de faire varier la cadence de pompage en faisant varier la vitesse cu moteur électrique d'entrainement. La solution consistant à employer un convertisseur électronique de fréquence normal s'est averrée infructueuse de par le retour ce courant provoqué par la descente du train de tiges (36) qui, ae par son propre poids entraine le moteur électrique (31) qui devient générateur, restituant ainsi un courant perturbateur faisant déclencher un convertisseur normal à chaque cycle.The initial technical problem was on the one hand: "how to bring the pumping rate of pendulous octopuses down below the minimum rate imposed by the very design of the pumps, given that the increase in the diameter of the pulley (34) of the reduction gear (32) is limited by the space available, and that the reduction in the diameter of the pulley (33) of the motor (31) is limited by the radius and the minimum friction surface necessary for the drive belts (35), and on the other hand, how to ensure in a continuous way, the protection of the units this pumping taking into account the evolution of the underground aquifers and the composition of the extracted products causing 1 wear and the premature rupture of the sets of rods (36) or downhole pumps (37). "
The various solutions envisaged have led to taking into account the fact of varying the pumping rate by varying the speed of the electric drive motor. The solution consisting in using an electronic frequency converter normal proved to be unsuccessful by the return this current caused by the descent of the drill string (36) which, ae by its own weight drives the electric motor (31) which becomes generator , thus restoring a disturbing current triggering a normal converter at each cycle.
Ce probléme technique a conduit à étudier la conception et la réalisation c'un dispositif qui, associé à un convertisseur de fréquence, permettrait de solutionner ce probléme. Il a donc été conçu et mis au point un cispositif électronique (z) permettant, tout en s'adaptant en continu à l'évolution dans la durée du cycle de fonctionnement d'une pompe à balancier (30), de s'affranchir des retours de courant provoqués par le moteur électrique (33) entrainé par la descente du train de tiges (36), et d'élliminer les perturbations fréquentielles provoquant le déclenchement du convertisseur de fréquence.Ce dispositif (2) est réalisé sur le principe suivant:
Une carte électronique (3) prend en compte et analyse la charge des condensateurs intégrés au convertisseur de fréquence (5), et déclenche par l'intermédiaire d'un thyristor de puissance (4), à partir d'un seuil réglable, la décharge de ces condensateurs sur des résistances chutrices (6) calculées à cet effet.This technical problem led to study the design and the realization of a device which, associated with a frequency converter, would make it possible to solve this problem. It has therefore been designed and developed an electronic device (z) allowing, while continuously adapting to changes in the duration of the operating cycle of a balance pump (30), to overcome the current returns caused by the electric motor (33) driven by the descent of the drill string (36), and to eliminate the frequency disturbances causing the triggering of the frequency converter. This device (2) is produced on the following principle:
An electronic card (3) takes into account and analyzes the charge of the capacitors integrated in the frequency converter (5), and triggers by means of a power thyristor (4), from an adjustable threshold, the discharge of these capacitors on falling resistors (6) calculated for this purpose.
Ces matériels constituant un premier sous-ensemble (2) de régulation du Dispositif (1) selon l'invention, sont incorporés au convertisseur de fréquence (5). Un potentiométre rotatif (10) monté en face avant permet le réglage de la cadence de pompaae désirée. (Ce premier sous-ensemble (2), est appelé sous-ensemble A.)
Un deuxiéme sous ensemble (7) destiné à assurer la protection électrique et mécanique, ainsi que le contrôle, que ce soit localement ou à distance, par câble (16), télémétrie (11) ou télétransmission (12), à été conçu et étudié afin de permettre l'adaptation automatique ou manuelle de la cadence de pompace à l'évolution de la composition du produit rait, ou des variations de niveau et de débit des nappes souterraines..These materials constituting a first sub-assembly (2) for regulating the Device (1) according to the invention, are incorporated in the frequency converter (5). A rotary potentiometer (10) mounted on the front panel allows the desired pumping rate to be adjusted. (This first subset (2), is called subset A.)
A second sub-assembly (7) intended to provide electrical and mechanical protection, as well as control, whether locally or remotely, by cable (16), telemetry (11) or remote transmission (12), has been designed and studied in order to allow the automatic or manual adaptation of the pompace rate to the evolution of the composition of the product, or variations in the level and flow of the groundwater.
Le dispositif (1) de régulation et de protection selon l'invention permet de réaliser cet ensemble de fonctions sans nécessiter c'autres matériels que les capteurs de mesures indispensables. L emploi de transmetteurs et de convertisseurs est inutile, toutes les données sont émises ou traitées par le dispositif de régulation et de protection (1). The device (1) for regulation and protection according to the invention makes it possible to carry out this set of functions without requiring any other equipment than the essential measurement sensors. The use of transmitters and converters is unnecessary, all data is transmitted or processed by the regulation and protection device (1).
Pour cela, il a donc été étudié et réalisé un deuxiéme sous ensemble (7) qui, intégré au systéme obtenu par incorporation du sous-ensemble A (2) dans un convertisseur de fréquence (5), permet de prendre en compte un certain nombre c, informations détaillées ci-aprés, et de calculer et d 'analyser de maniére "intelligente" ces données, et de provoquer soit l'accélération ou la diminution de la cadence de pompage, soit de provoquer l'arrét de cette pompe pour en assurer la protection tout en restituant en clair un message ou un signal correspondant à 1 action ainsi déclenchée. (Ce deuxiéme sous-ensemble (7) est appelé sous-ensemble B). For this, it has therefore been studied and produced a second sub-assembly (7) which, integrated into the system obtained by incorporating the sub-assembly A (2) into a frequency converter (5), makes it possible to take into account a certain number c, detailed information below, and to calculate and analyze in an "intelligent" way these data, and to cause either the acceleration or the reduction of the pumping rate, or to cause the stop of this pump to provide protection while restoring a clear message or signal corresponding to 1 action thus triggered. (This second subset (7) is called subset B).
I1 est composé principalement d'un micro-processeur 16 bits, de cartes entrées / sorties, tout ou rien ou analogiques enfichables et des unités d'alimentation (U) propres à ce sous-ensemble (7), c'un écran à cristaux liquides et de touches de fonction permettant un dialogue permanent (9). I1 is mainly composed of a 16-bit microprocessor, plug-in analog or digital I / O cards and power supply units (U) specific to this sub-assembly (7), a crystal screen liquids and function keys for permanent dialogue (9).
Les informations pouvant étre prises en compte pour la régulation de la cadence de pompage et pour assurer la protection d'une poupe à balancier, sont les suivantes:
La tension d'entrée, (piquage sur alimentation) (14)
L'intensité, (T.I.connectés en sortie du systéme) (13)
Les courants résiduels, (TOR installés en amont du systéme) (15)
Une indication de débit en tout ou rien en sortie de pompe, (contact tout ou rien) (3S)
Une indication de débit quantitative en sortie de pompe, (compteur ou élément de détection de passage de fluide avec signal 4/2 G mA) (39)
Des capteurs de niveaux du stockage avec interface huile / eau dans le cas d'une exploitaticn nétroliére, (avec signal 4/20 mA ou 0/10 V.) (43)
Une indication de pression en sortie de pompe, (capteur de pression avec signal 4/20 mA) (40)
Capteur de température extérieure, (thermocouple ou sonde à résisrance) (42)
Capteur de température du fluide, (thermocouple ou sonde à résistance) (41)
Commandes Marche et Arrét manuelles locales, Commandes Marche et Arrét par télétransmission (12) ou par télémétrie (11),
Commande Plus vite / Moins vite manuelle locale,(10), Commande Plus vite / Moins vite par télétransmission (12) ou par télémétrie (11),
Commande arrét d'urgence. (Ré-initilisation manuelle obligatoire pour redémarrage)
Le dispositif (1), constitué des sous-ensembles A (2) et B (7) intégrés à un convertisseur de fréquence (5) de type connu au sein d'une combinaison nouvelle ce moyens connus en eux même, forme un ensemble constituant ainsi l'invention.Le convertisseur de fréquence (5), réalisé avec es composants électroniques est composé principalement d'une partie redresseur (26), c une partie convertisseur de signaux d'entrée/sortie (19), d'une partie interface de communication (18) avec afficheur et clavier (17), d'une partie de détection ce flux (25) et de contrôle de flux (21), c'une partie calcul ae couple (24) et limiteur de couple (2G), et d'une partie de contrôle de variation de fréquence (22) ayissant sur les ponts tnyristoriques de puissance (23) permettant de faire varier la fréquence du réseau d'alimentation du moteur (31) d'entrainement d'une pompe à balancier (30). Ce dispositif (1) selon l'invention auquel seront raccordé les différentes informations extérieures indiquées ci-avant, est capable de donner les informations et de réaliser les séquences suivantes: informations délivrées en clair:
Marche
Arrét
Défaut ler niveau avec identification du
défaut
Défaut 2eme niveau avec identification du
defaut
Tension effective
Courant de démarrage
Courant en marche normale
Courant Homopolaire
Temps de marche
Temps de démarrage
Nombre de démarrage par heure
Cosinus Ph
Sinus Ph.The information that can be taken into account for the regulation of the pumping rate and to ensure the protection of a pendulum stern, are the following:
Input voltage, (tap on power supply) (14)
Intensity, (TIconnected at the output of the system) (13)
Residual currents (TOR installed upstream of the system) (15)
All or nothing flow indication at the pump outlet (all or nothing contact) (3S)
An indication of the quantitative flow rate at the pump outlet, (meter or element for detecting fluid passage with 4/2 G mA signal) (39)
Storage level sensors with oil / water interface in the case of a petroleum operation, (with 4/20 mA or 0/10 V signal) (43)
A pressure indication at the pump outlet, (pressure sensor with 4/20 mA signal) (40)
Outdoor temperature sensor (thermocouple or resistance probe) (42)
Fluid temperature sensor (thermocouple or resistance thermometer) (41)
Local manual Start and Stop commands, Start and Stop commands by teletransmission (12) or by telemetry (11),
Faster / Slower local manual command, (10), Faster / Slower command by teletransmission (12) or by telemetry (11),
Emergency stop command. (Manual re-initialization required for restart)
The device (1), consisting of sub-assemblies A (2) and B (7) integrated into a frequency converter (5) of known type within a new combination, this means known in itself, forms a constituent assembly The invention: the frequency converter (5), made with electronic components, is mainly composed of a rectifier part (26), c an input / output signal converter part (19), an interface part communication (18) with display and keyboard (17), a part for detecting this flow (25) and flow control (21), a part for calculating the torque (24) and torque limiter (2G) , and a frequency variation control part (22) having on the power tyrristic bridges (23) making it possible to vary the frequency of the power supply network of the motor (31) driving a balance pump (30). This device (1) according to the invention to which the various external information indicated above will be connected, is capable of giving the information and performing the following sequences: information delivered in clear:
Market
Stop
Level fault with identification of
default
2nd level fault with identification of
default
Effective tension
Starting current
Normal running current
Homopolar Current
Walking time
Start-up time
Number of starts per hour
Cosine Ph
Sinus Ph.
Puissance active en i:w. Active power in i: w.
Puissance réactive en Evar. Reactive power in Evar.
Energie active absorbée totale
Anergie réactive absorbée totale
Vitesse du moteur en % de V.nominale
Fréquence du réseau
Fréquence de sortie
Pression instantannée de sortie cu fluide
Quantité totale de fluide produite
Quantité de fluide produite par heure
Débit instantanné du fluide
Jour/mois/heure
Restitution des 32 derniéres données
(Celles-ci sont gardées en inemoire en cas
de manque tension)
Cadence de pompage
Fonctions Protection Moteur:
Protection thermique
Protection magnétique
Protection manque ae phases
Protection désequilibre réseau
Détection de courants homopolaires
Température moteur (si sonde existante)
Protection différentielle
Fonctions protection de l'unité de pompage::
Arrét sur train de tiges casse
Arrét sur surpression fluide
Arrét sur pompe de fond déficiente
Arrét sur courroies cassées
Arret sur manque ce débit prolongé
Fonctions contrôle et régulation de l'unité de pompage:
Démarrage de l'unité
Arrét de l unité
Ajustement par contrôle manuel de la
cadence de pompage
Ajustement à distance de la cadence de
pompage, par télémétrie ou télétransmis-,
mission
Régulation automatique en continu de la
cadence de pompage en fonction de:
latempérature trés basse
extérieure
la variation de la nappe
l'augmentation de pression
la variation du BSW,
(% d'eau dans le brut)
la puissance absorbée
l'énergie réactive
Possibilité d'augmenter la cadence de
pompage à 120 % de la cadence nominale
maximum mécaniquement possible de par la
conception de la pompe à balancier.Total absorbed active energy
Total absorbed reactive anergy
Motor speed in% of nominal
Network frequency
Output frequency
Instantaneous fluid outlet pressure
Total amount of fluid produced
Amount of fluid produced per hour
Instant fluid flow
Day / month / hour
Restitution of the last 32 data
(These are kept in memory in case
lack of tension)
Pumping rate
Motor Protection Functions:
Thermal protection
Magnetic protection
Lack of phase protection
Network imbalance protection
Detection of zero sequence currents
Motor temperature (if existing probe)
Differential protection
Protection functions of the pumping unit:
Stopping on broken drill string
Fluid overpressure shutdown
Stop on deficient downhole pump
Stop on broken belts
Stop on missing this extended flow
Control and regulation functions of the pumping unit:
Unit start-up
Unit shutdown
Adjustment by manual control of the
pumping rate
Remote adjustment of the cadence of
pumping, by telemetry or teletransmis-,
mission
Continuous automatic regulation of the
pumping rate as a function of:
very low temperature
outdoor
the variation of the tablecloth
pressure increase
the variation of the BSW,
(% of water in the crude)
absorbed power
reactive energy
Possibility of increasing the rate of
pumping at 120% of the nominal rate
mechanically maximum as possible
balance pump design.
onctions Signalisation et Alarme:
Toutes les informations énumérées ci avant seront disponibles pour être reportées à distance
Toutes les séquences d'arrêt sur défaut provoqueront une alarme. Signaling and Alarm functions:
All the information listed above will be available for remote reporting
All fault stop sequences will cause an alarm.
Toutes les fonctions de protection pourront provoquer une pré-alarme dont les seuils de déclenchement pourront être programmés à la demande. All the protection functions can trigger a pre-alarm, the trigger thresholds of which can be programmed on demand.
Domaines d'application de l'invention:
Les domaines dans lesquels le dispositif (1) selon l'invention est applicable sont ceux concernant l'extraction et la prodution d'un liquide ou d'un fluide a l'aide d'une pompe à balancier (30) comme, par exemple, la production de pétrole ou d'eau.Fields of application of the invention:
The fields in which the device (1) according to the invention is applicable are those relating to the extraction and production of a liquid or a fluid using a balance pump (30) such as, for example , oil or water production.
Limites ct'applieatien de l'invention:
Le dispositif (1) selon l'invention est capable de protéger et de réguler la cadence de pompage d'une pompe à balancier (30) de C à 12G % de la cadence nominale donnée par le constructeur, et est applicable à toutes les pompes à balancier entrainées par moteurs électriques a courant alternatif.Limits of the invention:
The device (1) according to the invention is capable of protecting and regulating the pumping rate of a balance pump (30) from C to 12G% of the nominal rate given by the manufacturer, and is applicable to all pumps with pendulum driven by electric motors with alternating current.
De meme, la conception du dispositif (1) selon l'invention est modulaire, permettant ainsi son adaptation aux seules applications désirées par l'utilisateur. Similarly, the design of the device (1) according to the invention is modular, thus allowing it to be adapted to only the applications desired by the user.
Claims (5)
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|---|---|---|---|
| FR9105389A FR2676095A1 (en) | 1991-05-02 | 1991-05-02 | Device for regulating the pumping rate and for the protection of beam engine pumps |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR2676095A1 true FR2676095A1 (en) | 1992-11-06 |
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Family Applications (1)
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|---|---|
| FR (1) | FR2676095A1 (en) |
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