СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к системам управления насосами и может быть использована в нефтедобыче для управления работой штанговых глубинных насосных установок (ШГНУ).
Основными критериями эффективности применения каких-либо систем управления и автоматизации ШГНУ выступают прирост добычи нефти и сокращение эксплуатационных расходов. И эти критерии становятся более актуальными при добыче нефти в условиях низких рентабельностей скважин, эксплуатируемых при помощи ШГНУ.
На сегодняшний день, одной из таких систем управления является станция управления (СУ) ШГНУ с преобразователем частоты с неуправляемым выпрямителем (ПЧНВ). Использование таких СУ ШГНУ дает возможность:
- плавного запуска станка-качалки (СК) в работу;
- полного комплекса защиты электродвигателя;
- регулирования числа качаний СК ШГНУ в широком диапазоне и практически любым шагом ее изменения;
- экономии электроэнергии;
- экономии трудозатрат при обслуживании и т.д.
Однако, несмотря на все достоинства этого метода, он имеет существенный недостаток. Так, как известно из практики, применение преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем требует установки тормозного резистора для рассеивания энергии, генерируемой электродвигателем при различных режимах работы ШГНУ. Это связано с тем, что преобразователи частоты с неуправляемым выпрямителем, которые широко применяются во всех отраслях промышленности, не имеют возможности использования данной энергии или ее возврата в сеть.
Возможность возврата в сеть, генерируемой электродвигателем ШГНУ энергии, появляется при использовании преобразователя частоты со встроенным рекуператором (с управляемым выпрямителем). И в последнее время появляются публикации с описанием эффективности применения в станциях управления ШГНУ преобразователя частоты со встроенным рекуператором.
Известна система управления ШГНУ (Патент РФ на полезную модель №147664, 06.06.2014 г.), состоящая из ПЧНВ, контроллера, коммутационной аппаратуры, блока климат-контроля, а также датчика положения, установленного под балансиром ШГНУ.
Недостатком данной системы является невозможность использования энергии, генерируемой электродвигателем, или возврата ее в сеть.
Известна также система управления REGEN компании Lufkin Industries, описанная в статье «Современные станции управления скважинными штанговыми глубинно насосными установками», (автор Хакимьянов М.И., журнал «НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО», год издания 2014, №1, стр. 78-85), состоящая из ПЧ со встроенным рекуператором, контроллера, коммутационной аппаратуры. Данная система управления ШГНУ имеет возможность регенерации энергии обратно в сеть при генераторном режиме работы двигателя. Данная система обладает следующими недостатками:
- невозможно предугадать реакцию поставщика электроэнергии на такой поступок потребителя, поскольку законодательство в РФ по данному вопросу находится только на стадии разработки;
- возможно ухудшение качества электроэнергии в сети в виде различных помех и т.д.;
- ПЧ со встроенным рекуператором более дорогостоящее и крупногабаритное, чем ПЧ с неуправляемым выпрямителем;
Задачей заявляемой полезной модели является разработка станции управления ШГНУ, в которой устранены недостатки аналогов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение использования энергии, генерируемой электродвигателем ШГНУ, при применении СУ с ПЧНВ.
Технический результат достигается применением станции управления группой ШГНУ (далее по тексту СУ), с использованием ПЧНВ и схемы соединения, в которойвсе ПЧНВобъединены по звену постоянного тока. Такая схема соединения не предусмотрена при применении ПЧНВ по прямому назначению и в целях достижения возможности использованияэнергии, генерируемой электродвигателями ШГНУ, в СУ, предложена схема такого соединения. Данная схема позволяет использовать энергию генераторного режима двигателей группы ШГНУ при движении штанги вниз двигателями групп ШГНУ, находящимися в двигательном режиме. При этом можно изготовить СУ для управления группой из любого количества ШГНУ, начиная от двух. В данном конкретном случае изготовлена СУ для управления группой из семи ШГНУ разными мощностями электродвигателей.
Для удобства размещения на объекте и эксплуатации, СУ изготовлена в контейнерном (блок-бокс) исполнении (при меньшем количестве ШГНУ возможно изготовление шкафного исполнения). Все составные части (СЧ) СУ размещены в блок-боксе с соблюдением требований взаимного размещения и соединены между собой свинчиванием, сваркой, пайкой, а также соответствующими их назначению шинами, разъемами и проводами.
Таким образом, поставленная задача решается тем, что все ПЧНВ, в количестве и номиналами по числу и номиналам электродвигателей ШГНУ, объединены по звену постоянного тока, по разработанной нами схеме, что позволяет использовать энергию генераторного режима двигателей группы ШГНУ при движении штанги вниз двигателями групп ШГНУ, находящимися в двигательном режиме, вместо рассеивания энергии в тормозном резисторе. Другие составные части устройства обеспечивают функционирование СУ как единого устройства в соответствии с разработанной схемой, технологическими требованиями и правилами эксплуатации электроустановок.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема предлагаемой станции управления группой ШГНУ.
На чертеже цифрами обозначены:
1.1, 1.2, …1.n - первые автоматические выключатели;
2.1, 2.2, …2.n - сетевые дроссели;
3.1, 3.2, …3.n - преобразователи частоты;
4.1, 4.2, …4.n - вторые автоматические выключатели;
5.1, 5.2, …5.n - магнитные пускатели;
6.1, 6.2, …6.n - плавкие предохранители;
7 - контроллер;
8 - система локального и удаленного доступа;
9 - система микроклимата;
10 - панель оператора;
11 - блок-бокс.
Станция управления ШГНУ представляет собой блок-бокс 11, в котором расположены преобразователи частоты 3, в количестве и номиналами по числу и номиналам электродвигателей ШГНУ. Все ПЧНВ СУ прикреплены к верхней части задней стены блок-бокса болтовыми соединениями. Все первые автоматические выключатели 1, вторые автоматические выключатели 4, сетевые дроссели 2, магнитные пускатели 5 и плавкие предохранители 6 закреплены в двух электротехнических шкафах болтовыми соединениями. Шкафы установлены в блок-боксе под ПЧНВ и прикреплены к его задней стене сваркой. Контроллер 7, панель оператора 10 и блоки системы локального и удаленного доступа 8 установлены в отдельном шкафу, который прикреплен к верхней части боковой стены блок-бокса свинчиванием. Контроллер и блоки системы локального и удаленного доступа прикреплены к монтажной панели шкафа, а панель оператора прикреплена в вырезанном на двери шкафа проеме болтовыми соединениями. Все составные части устройства (СУ), а также все элементы составных частей СУ, согласно их назначению, соединены между собой при помощи шин, проводов, наконечников, болтовых соединений и пайкой.
Так, силовые входы ПЧНВ 3 соединены с выходами сетевых дросселей 2, силовые входы которых соединены с первыми автоматическими выключателями 1, подключенных к трехфазной сети 380 В. Клеммы звена постоянного тока преобразователей частоты 3 соединены со входами магнитных пускателей 5, выходы которых соединены со входами плавких предохранителей 6, выходы плавких предохранителей соединены между собой, образуя общую шину звена постоянного тока, Катушка магнитного пускателя 5 соединена со вторым автоматическим выключателем 4, подключенный к сети 220 В. RS-485 выходы преобразователей частоты 3 соединены с контроллером 7, Ethernet выход которого соединен с блоком локального и удаленного доступа 8, панелью оператора 10, а дискретные выходы с системой микроклимата 9. Все токоведущие части соединены с заземляющей шиной. Все соединения выполнены с соблюдением требований правил эксплуатации электроустановок при помощи проводов соответствующего назначения и сечения, наконечников, болтовых соединений, шин, разъемов и пайкой.
Отличием предлагаемой станции управления группой ШГНУ является то, что все ПЧНВ 3, управляющие двигателями ШГНУ (на чертеже условно не показаны), объединены по звену постоянного тока по специально разработанной нами схеме, что позволяет использовать энергию генераторного режима двигателей группы при движении штанги вниз двигателями групп ШГНУ, находящимися в двигательном режиме, вместо рассеивания энергии в тормозном резисторе.
Система управления работает следующим образом.
Выходы преобразователей частоты (3.1, 3.2, …3.n) соединяют с асинхронными двигателями ШГНУ (на чертеже условно не показаны). На вход первых автоматических выключателей (1.1, 1.2, …1.n) подают трехфазное напряжение 380 В, на вход вторых автоматических выключателей (4.1, 4.2, …4.n) подают однофазное напряжение 220 В. Блок микроклимата (9) измеряет температуру внутри блок-бокса (11), сравнивает значение температуры с заданным значением и по результатам сравнения вырабатывает регулирующие сигналы на обогрев и вентиляцию. Катушки магнитных пускателей (5.1, 5.2, …5.n) замыкают цепь звена постоянного тока преобразователей частоты (3.1, 3.2, …3.n).
Далее через сенсорную панель оператора (10) производится ввод параметров двигателя и станка-качалки ШГНУ в контроллер (7). Контроллер (7) пересчитывает данные и отправляет регулирующие сигналы на пуск и задание скорости вращения двигателя на каждый преобразователь частоты последовательно от 3.1 до 3.n.
Блок локального и удаленного доступа (8) объединяет через Ethernet в единую сеть контроллер (7) и панель оператора (10), также позволяет получить доступ к этим устройствам по удаленному доступу через сети 3G/4G и по беспроводной сети Wi-Fi.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет использовать энергию генераторного режима двигателей группы ШГНУ при движении штанги вниз двигателями группы ШГНУ, находящимися в двигательном режиме, вместо рассеивания энергии в тормозном резисторе.