Способ определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки
DETERMINATION METHOD FOR UNBALANCE OF BEAM UNIT OF WELL SUCKER-ROD PUMPING UNIT

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для диагностики скважинных штанговых насосных установок, в частности для определения предаварийного состояния станка-качалки скважинной штанговой насосной установки.
Известен способ диагностирования неуравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок (патент RU 2227848, МПК F04B 51/00, F04B 47/00, 27.04.2004). Способ заключается в том, что на основании сравнения отношения второй и первой гармоники реактивной мощности, получаемой из измерения мгновенных значений напряжения и тока, поступающих на вход электропривода станка-качалки, с эталонным коэффициентом неуравновешенности (для конкретного станка-качалки), делают вывод об уравновешенности этого станка-качалки.
Недостатком данного способа является необходимость проведения сложного гармонического анализа для вычисления указанных гармоник реактивной мощности, что обуславливает усложнение вычислений и использование процедуры дискретного преобразования Фурье.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ для диагностирования неуравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок (патент RU 2210004, МПК F04B 51/00, F04B 47/00, 10.08.2003), заключающийся в измерении мгновенных значений тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определении действующих значений тока и напряжения, определении полной мощности, среднего значения полной мощности и среднеквадратического отклонения полной мощности, которое сравнивают с эталонным значением среднеквадратического отклонения для данной установки.
Недостатком данного способа является невозможность определения направления неуравновешенности. Кроме того, недостатком обоих способов является сложность получения эталонных коэффициентов неуравновешенности для всех станков-качалок, а также изменение значений этих коэффициентов в произвольные моменты времени под действием сил внутри скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство, реализующее описанный способ (патент RU 2210004, МПК F04B 51/00, F04B 47/00, 10.08.2003). Оно содержит измерительные датчики тока и напряжения, выходы которых связаны с входами аналого-цифрового преобразователя, который связан с микроконтроллером шиной управления и шиной данных, по которым происходит управление аналого-цифровым преобразователем и передача измеренных данных соответственно. Блок внешней памяти данных связан с микроконтроллером шиной управления и шиной данных, по которым происходит управление чтением и записью в памяти и передача данных соответственно. Кнопочная клавиатура связана с микроконтроллером посредством отдельной шины, по которой происходит интерпретация нажатой клавиши. Вход индикатора связан с выходом микроконтроллера, на который выдается сигнал, соответствующий полученному диагнозу уравновешенности станка-качалки.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности передачи данных о вычисленных среднеквадратических значениях полной мощности.
Задача изобретения - повышение точности определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки.
Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения потерь энергии из-за неуравновешенности станка-качалки.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки, по которому определяют степень неуравновешенности станка-качалки на основании сравнения эталонного значения среднеквадратического отклонения полной мощности и значения среднеквадратического отклонения полной мощности, вычисленного из отношения значения полной мощности и значения среднеквадратического отклонения полной мощности, при этом значение полной мощности определяют произведением действующих значений тока и напряжения, согласно изобретению действующие значения тока и напряжения вычисляют с учетом условия минимального или максимального смещения штока от точки подвеса и условия не равенства нулю производной значения давления, вычисленных по значениям перемещения штока и давления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства, в которой реализуется способ определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки.
Пример конкретной реализации способа
Способ определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки реализуется устройством, содержащим датчик тока 1, датчик напряжения 2, датчик давления 3, датчик положения 4, выходы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем 5, выход которого соединен со входом микроконтроллера 6, соединенным с клавиатурой 7, индикатором 8, приемопередатчиком 9 и блоком памяти 10.
Устройство для реализации способа  работает следующим образом. Датчики напряжения 2 и тока 1 измеряют мгновенные значения напряжения и тока соответственно. Датчик давления 3 измеряет мгновенные значения давления. Датчик положения 4 измеряет мгновенные значения смещения штока от точки подвеса. Все измеренные значения оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя 5. На основе полученных мгновенных значений микроконтроллер 6 вычисляет действующие значения тока и напряжения, определяет полную мощность, среднее значение полной мощности и значение среднеквадратического отклонения полной мощности в такие моменты времени, когда смещение штока от точки подвеса достигает минимума или максимума, а вычисленная микроконтроллером 6 по значению давления производная от давления не равна нулю. Параметры измерения и команды системе вводят с клавиатуры 7. Результаты измерений отображают на индикаторе 8. Устройство может передать результаты измерения при помощи приемопередатчика 9 или сохранить их в блок памяти 10.
На станке-качалке располагают датчик напряжения, например трансформатор напряжения 220/2V, датчик тока, например КЭИ-0,2М, датчик давления, например АМТ-10B, датчик положения, например ДП-04.0. Измеренные значения с датчиков оцифровывают при помощи аналого-цифрового преобразователя, например МАХ1168. С помощью микроконтроллера, например STM32F407VGT6, вычисляют действующие значения тока и напряжения, определяют полную мощность, среднее значение полной мощности и значение среднеквадратического отклонения полной мощности в определенные моменты времени. В качестве клавиатуры может быть использована клавиатура FT008. В качестве индикатора может служить LCD-дисплей HY32D. Приемопередатчик может быть выполнен на базе устройства SPIRIT1. Для хранения данных по скважинам и временного хранения массивов значений может быть использован блок памяти K9K4G08U0M-Y (512 МБ).
Датчик напряжения 2 выдает мгновенное значение напряжения u(t). Датчик тока 1 выдает мгновенное значение тока i(t). Датчик давления 3 измеряет значения давления ΔP(t). Датчик положения 4 измеряет смещение штока ΔL(t) от точки подвеса. АЦП 5 преобразует аналоговые сигналы с датчиков в цифровой код. Микроконтроллер 6 по оцифрованным значениям вычисляет:
k
1. Из мгновенного значения напряжения u(t) - действующее значение напряжения U(t).
k
2. Из мгновенного значения тока i(t) - действующее значение тока I(t).
max
min
3. Из значения смещения штока ΔL(t) - максимальное ΔL(t) и минимальное ΔL(t) значения.
4. Из значения давления ΔP(t) - ее производную (ΔP(t))'.
Действующие значения напряжения и тока определяют на основе следующих формул:
,
,
где i(t), u(t) - мгновенные значения тока и напряжения, полученные с датчиков тока и напряжения соответственно и оцифрованные;
I, U - действующие значений тока и напряжения, определенные на периоде промышленной частоты;
k изменяется в пределах от 0 до L-1; L - число дискретных значений на периоде промышленной частоты 50 Гц, L зависит от интервала дискретизации времени и при Δt=0,001 с L равно 20.
Дальнейшие вычисления с действительными значениями тока и напряжения проводятся микроконтроллером только для тех значений, во время которых выполняют следующие условия:
max
min
1) Значение смещение штока от точки подвеса достигает минимума или максимума: ΔL(t)=ΔL(t), или ΔL(t)=ΔL(t).
2) Производная от давления не равна нулю: (ΔP(t))'≠0.
На основе вычисленных действующих значений тока и напряжения микроконтроллер определяет значение полной мощности по следующей формуле:
k
k
k
S=U⋅I,
k
где S - действующее значение полной мощности на периоде промышленной частоты.
cp
s
Микроконтроллер вычисляет среднее значение полной мощности S и значение среднеквадратического отклонения полной мощности σ с учетом указанных условий по следующим формулам:
1. ,
2. ,
3. ,
где  - среднеквадратическое отклонение полной мощности (в именованных единицах измерения мощности);
S
σ - среднеквадратическое отклонение полной мощности относительно среднего значения полной мощности.
Результат деления сравнивают в микроконтроллере с записанным эталонным значением среднеквадратического отклонения для данной установки и производят сравнение рассчитанного значения среднеквадратического отклонения с эталонным значением среднеквадратического отклонения для данной установки по формуле:
s
s
Э
(σ)≤(σ).
Установка считается уравновешенной при выполнении указанного условия. В противном случае установка является неуравновешенной.
Итак, заявленное изобретение позволяет повысить точность определения неуравновешенности станка-качалки скважинной штанговой насосной установки путем уменьшения погрешности измерения потерь энергии из-за неуравновешенности станка-качалки.