Автоматическое управление приводом погружного насоса нефтяной скважины в условиях Красноленинского месторождения

Комплектные устройства предназначены  для управления и защиты погружных электродвигателей ЭЦН добычи нефти. Функциональная схема комплектного устройства ШГС-5804 приведена на рис. 4.1. На вход силовой цепи этих устройств подается переменный ток напряжением 380 В, который через разъединитель 1, автоматический выключатель 2 и контактор 3 подается на первичную обмотку силового трансформатора 4. К вторичной обмотке трансформатора 4 подключен погружной электродвигатель 5, который механически связан с погружным центробежным насосом 6. Сила тока электродвигателя измеряется с помощью измерительных трансформаторов тока 7. К нулевой точке вторичной обмотки трансформатора 4 подключен вход устройства 8 защиты по сопротивлению изоляции токоведущих цепей статора электродвигателя 5 и кабеля.

С трансформаторов тока 7 сигнал подается на входы устройства 9 токовой защиты и устройства защиты от срыва подачи жидкости насосом. Входные сигналы устройств 8, 9 и 10 защиты подаются на блок управления и автоматики 11, который при срабатывании устройства 8 защиты по сопротивлению изоляции выдает сигнал на отключение автоматического выключателя 2, а в случае срабатывания устройства токовой защиты 9 или устройства 10 защиты от срыва подачи жидкости выдает сигнал на отключение контактора 3.

Предусмотрено запоминание вида аварийного отключения и индикации срабатывания защиты с помощью блока индикации 12.

 

 

Рис.4.1 Функциональная схема станции управления

На рис. 4.1 представлены также основные функциональные связи блока управления 11 и блока индикации 12, с которыми связаны устройства блока защиты 13 и аппараты 14 ручного управления и систем диспетчеризации и автоматизации промысла. Устройство автоматического повторного включения 15 с индикатором напряжения сети 16 через контроллер 17 воздействует на контактор 3 и обеспечивает автоматический пуск установки после перерыва в электроснабжении. Контроллер 17 управляет отключением контактора 3 по сигналам устройства 9 токовой защиты, воздействующим при нормальном напряжении сети через блок 18 запоминания аварии, а при отклонениях напряжения сети — непосредственно. Отключение фиксируется индикатором 19 срабатывания токовой защиты. Отключение двигателя защитой 10 от срыва подачи жидкости фиксируется индикатором 20. Уменьшение сопротивления изоляции токоведущих цепей погружного электродвигателя контролируется с помощью прибора 21, а устройство 8 защиты выдает сигнал на отключение автоматического выключателя 2 и контактора 3. Сила тока статора погружного электродвигателя контролируется по амперметру 22.

Узел 23 защиты при снижении давления в трубопроводе, например, при его разрывах, когда при автоматической работе установки нефтедобычи и отсутствии обслуживающего персонала необходимо предотвратить загрязнение окружающей среды. Отключение выполняется по сигналу манометра 24 и фиксируется индикатором 25.

Узел 26 автоматического повторного включения после срыва подачи жидкости и узел 27 блокировки автоматического повторного включения при обратном потоке жидкости и вращения погружного электронасоса после отключения, если нарушается работа обратного клапана. Этот режим фиксируется индикатором 28.

Схема автоматизации УЭЦН представлена на рис.4.2, 4.3.

Рис.4.2 Схема автоматизации УЭЦН

1- погружной электродвигатель, 2- протектор, 3- погружной центробежный насос, 4- кабель, 5- станция управления, 6- трансформатор, 7- барабан, 8- преобразователь частоты, 9- шкив

 

 

 

 

Рис.4.3 Схема автоматизации УЭЦН

1. контактный манометр ЭКМ;
2. расходомер micro motion DL50;

3, 4 – блок погружной БП-103Т;

5 –киловаттетр;

6 – вольтметр;

7 – амперметр;

8 –преобразователь частоты;

9 - мегомметр.

Структурная схема частотного управления ПЭД приведена на рис.4.4.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.4 Структурная схема частотного управления ПЭД

Блок-схема алгоритма коррекции  частоты вращения двигателя по изменению  забойного давления, а также ее описание приводятся ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В блоке подготовка данных производится проверка, фильтрация и выравнивание массы входящих  данных: М_δ=±3δ. Далее данные заносятся в память контроллера. 

Выведем  уравнение изменения  расхода Q при изменении напора . В качестве аналога примем уравнение движения тела массой m со скоростью υ под действием приложенной силы F:

,                                                                                                    (4.1)

, где

Q - расход, кг/м³;

Р – давление, Па;

S – площадь сечения НКТ, м².

Отсюда 

                                                                                                 (4.2)

                                                                       (4.3)

Решение этого уравнения , где                                           (4.4)

τ- постоянная времени переходного  процесса,

Q₀ – установившееся значение расхода жидкости.

Коэффициент k находится из начальных условий:

,

Масса столба поднимаемой жидкости:

                                                     (4.5)

                                                                                                           (4.6)

Время переходного процесса при  изменении  частоты  вращения:

Рис.4.6 Переходной процесс системы при изменении частоты вращения

Интервал времени при корректировке  частоты вращения в соответствие с блок-схемой на рис. должен быть больше времени переходного процесса изменения Q=Q(t). Указанный интервал выбран равным 2 мин.

Подбором параметров Пи-регулятора обеспечивается необходимое качество переходных процессов.

Расчет Пи-регулятора произведем методом  Ротача. Данный метод расчета предполагает поиск оптимальных параметров алгоритма из условия минимума интегральной квадратичной ошибки регулирования при ограничении на заданный запас устойчивости М=1.6.

Метод основан на использовании  частотных характеристик ОУ, все  вычислительные операции автоматизированы.

Оптимальная пара настроек соответствует  условию:

  при  max|W_з(jw)| = M < M’_доп ,

где |W_з(jw)| - модуль АФХ замкнутой системы, т.е. амплитудно-частотная характеристика замкнутой системы по задающему воздействию.

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.7 Определение предельного значения угла γ.

Комплексный коэффициент усиления объекта управления имеет вид:

                                                    (4.7)

Модуль АФХ замкнутой системы:

|W(jw)| =                                                       (4.8)

При расчете оптимальных  К_р и Т_и используются следующие соотношения:

                                            (4.9)

                                                        (4.10)

где w - частота; A(w) – амплитудно-частотная характеристика объекта управления для данной частоты; g - угол, заключенный между вектором АФХ объекта управления и отрицательной мнимой полуосью, g = -j(w) - ¶/2; j(w) – фазовая частотная характеристика для этой частоты; М – заданный показатель колебательности, на практике часто принимают М = 1,62.

j(w) = -0.01·w - 2arctg( )                                        (4.11)

g = 0.01·w + 2arctg( ) -  ¶/2                                     (4.12)                   

Максимум отношения К_р/Т_и, рассчитанного с помощью (4.9), соответствует искомым оптимальным параметрам. По существу, вычисление требуемых значений К_р/Т_и и К_р сводится к поиску такого значения w, при котором отношение К_р/Т_и принимает максимальное значение. Блок-схема алгоритма расчета представлена на рис.4.7. Для расчета используется часть АФХ ОУ, заключенная в 3 квадранте. Предельное значение g_пред, ограничивающее диапазон частот, для которого нужно проводить расчет, определяется из уравнения:

M·cosg_пред -1 = 0                                                      (4.13)

Решая это уравнение, получаем

g_пред = arccos                                                        (4.14)

Для М = 1,62 угол g_пред = 52º.

Из условия (4.14) определяется диапазон частот, для которых должен быть проведен расчет. Д ля этого следует решить относительно w уравнения:

-j(w) - ¶/2 = g₁ = 0,                                             (4.15)

-j(w) - ¶/2 = g₂ = 52º.                                           (4.16)

Решение уравнения (4.15) определяет w_н, а решение уравнения (4.16) - w_в.

Для упрощения расчетов по АФХ ОУ принимаем при j = 90°  w_н = 7б32 и при j = 142°  w_в = 87;

Расчет параметров регулятора производится в программе «Регулятор», созданной  на кафедре АПП СПГГИ.

                                            (4.17)

Переходная характеристика полученной функции приведены на рис.4.8.

Рис. 4.8 Переходная характеристика объекта

Показатели качества САУ при  регуляторе, рассчитанном графическим  методом:

1.Статическое отклонение: .

2.Время регулирования:

3.  Перерегулирование:

Коррекция частоты вращения двигателя  производится по значениям забойного  давления.

  ,                                                                                           (4.16)

где К_П – коэффициент продуктивности скважины;

Р_ПЛ – пластовое давление;

Р_З – забойное  давление.

Как видно из уравнения зависимость  q от Р_З линейная: , где Р_З – забойное давление, измеренное блоком БП.

Рис.4.9 Зависимость дебита скважины от забойного давления

В дальнейших расчетах величину дебита принимаем :

Q₀=0,9q₀

Где q₀ – определяется по величине забойного давления. Уменьшение производительности скважины обеспечивает устойчивую работу УЭЦН и улучшает защиту от срыва подачи.

Далее определяется  частота вращения необходимая для получения дебита q₀,

.                                                                                                      (4.17)

 После сигнал поступает на  блок оценки температурного режима. Расчеты, производимые в нем,  а так же их обоснование приводятся ниже.

На ряде скважин ООО «ТНК Нягань» были проведены промысловые исследования процессов нагревания погружных двигателей при откачке водонефтяной жидкости. При определении температуры ПЭД в различных режимах была использована методика [2], позволяющая определять температуру двигателей по сопротивлению цепи кабель-двигатель. Результаты замеров сопротивления и расчета температуры ПЭД приведены в [2] табл. 2. На основе этих данных построены кривые нагрева двигателей (рис.4.10).

Рис.4.10 График нагрева ПЭД28-103

Как видно на рис. 4.10, наиболее интенсивно двигатели нагреваются  в течение первых 5 мин, а затем скорость нагрева значительно снижается. Кривые нагрева приближаются к экспонентам и по виду ничем не отличаются от нагрева обычных двигателей, за исключением постоянной времени нагрева, которая составляет 200...300 с   (3...5 мин).

Результаты замеров сопротивления при охлаждении двигателей, отключенных после длительной работы в нормальном режиме, приведены также в [2] табл.2. По результатам замеров и расчетов построены кривые охлаждения погружных двигателей (рис. 4.11)

Рис.4.11 график охлаждения ПЭД28-103

Как следует из рис. 4.11, охлаждение погружных двигателей при наличии режимного притока нефти из пласта происходит по закону, близкому к экспоненциальному, и постоянная времени охлаждения также составляет 3.. 5 мин.

Таким образом, можно считать:

,где                                                                            (4.18)

 

τ_н =3мин – постоянная времени нагрева двигателя.

, где                                                                                        (4.19)

τ_о =3мин – постоянная времени охлаждения двигателя.