用于电动泵的无转换器操作的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本公开内容的主题大体上涉及电动栗，并且更具体地涉及用于电动栗的无转换器操作的系统和方法。
[0002]控制电动栗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) JSD综合以期望方式操作栗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。
[0003]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栗(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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]根据一个实施例，一种无转换器电动栗系统包括:
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；
至少一个电动潜水栗，其由至少一个变速电机驱动，其中与至少一个电动潜水栗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栗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栗的入口处的压力；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。
[0007]根据另一个实施例，一种操作电动潜水栗的方法，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;以及监测电动潜水栗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栗的入口处的压力。
【附图说明】
[0008]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栗(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栗的方法的框图。
[0009]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】
[0010]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栗的控制，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栗的入口处的压力，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。
[0011]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栗入口压力。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，以及电动栗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，电动栗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。
[0012]传感器组件28附接到电动栗26上，电动栗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，以提供各种栗操作温度和压力的指示。重要的压力是栗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，其配置成监测各种栗振动特征，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，以便准确地监测栗的转速。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。
[0013]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，i i)可经由栗26自身使用栗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i i i)独立于公用电网操作。
[0014]可认识到的是，可存在将变压器固持在发电机22与电动栗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。
[0015]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和随后的栗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与栗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。
[0016]可编程系统控制器36负责监测栗操作状态，包括而不限于输入和输出压力、(多个)栗温度、栗振动水平和栗转速，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栗26输出驱动至期望的栗操作点。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 ο
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]可认识到的是，栗电机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。
[0021]简言之，无转换器ESP系统从电动潜水栗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。
[0022]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，其不利于驱动栗的电机。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。
[0023]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。
[0024]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