СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМ НАСОСОМ
ELECTRICAL SUBMERSIBLE PUMP CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам управления добычей нефти и может использоваться для вывода скважин, оборудованных установкой электроцентробежного насоса, на стационарный режим работы.
Наиболее близкой по технической сущности является система управления электроцентробежным насосом (см. патент Российской Федерации №2370673, опубл. 20.10.2009, бюл. №29), содержащая блок задания динамического уровня жидкости, два апериодических фильтра, пропорционально-интегральный регулятор, частотный преобразователь, погружной электроцентробежный насос и датчик динамического уровня жидкости в скважине.
Недостатком наиболее близкой системы управления погружным электроцентробежным насосом является то, что при изменении коэффициента продуктивности пласта относительно значения, используемого при расчете параметров регулятора, увеличивается время вывода скважины на стационарный режим до полного совмещения гидравлических характеристик насоса и пласта.
Сущность изобретения заключается в том, что в систему управления погружным электроцентробежным насосом, содержащую блок задания, первый и второй апериодические фильтры, пропорциональный и интегральный регуляторы, частотный преобразователь, погружной электроцентробежный насос и датчик динамического уровня жидкости, причем первый выход блока задания соединен с входом первого апериодического фильтра, выход которого соединен с первыми входами пропорционального и интегрального регуляторов, первый выход частотного преобразователя подключен к погружному электроцентробежному насосу, выход датчика динамического уровня жидкости соединен с входом второго апериодического фильтра, выход которого соединен со вторыми входами пропорционального и интегрального регуляторов, дополнительно введены первое, второе и третье пропорциональные звенья, дифференциальное звено, первый и второй блоки вычитания, первый и второй блоки деления, третий апериодический фильтр и сумматор, причем второй выход частотного преобразователя соединен с входом первого пропорционального звена, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, выход датчика динамического уровня жидкости соединен с входом дифференциального звена и первым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с входом второго пропорционального звена, выход дифференциального звена соединен со вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом первого блока деления, второй выход блока задания соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход второго пропорционального звена соединен со вторым входом первого блока деления, выход которого соединен с входом третьего пропорционального звена, выход интегрального регулятора соединен с первым входом второго блока деления, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход третьего пропорционального звена соединен с входом третьего апериодического фильтра, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления, выход пропорционального регулятора соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом частотного преобразователя.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между блоками устройства. Указанная совокупность связей позволяет выводить скважину на стационарный режим работы за заданное время независимо от изменения величины коэффициента продуктивности пласта.
На фиг.1 представлена функциональная схема системы управления погружным электроцентробежным насосом; на фиг.2 изображен примерный график изменения динамического уровня жидкости в скважине; на фиг.3 приведен график переходного процесса в предлагаемой системе управления погружным электроцентробежным насосом.
Система управления (фиг.1) погружным электроцентробежным насосом содержит блок 1 задания, апериодические фильтры 2, 3 и 4, пропорциональный регулятор 5, интегральный регулятор 6, частотный преобразователь 7, погружной электроцентробежный насос 8, датчик 9 динамического уровня жидкости, пропорциональные звенья 10, 11 и 12, блоки 13 и 14 вычитания, дифференциальное звено 15, блоки 16 и 17 деления, сумматор 18.
Первый выход блока 1 задания соединен с входом апериодического фильтра 2, выход которого соединен с первыми входами пропорционального 5 и интегрального 6 регуляторов. Первый выход частотного преобразователя 7 подключен к погружному электроцентробежному насосу 8. Выход датчика 9 динамического уровня жидкости соединен с входом апериодического фильтра 3, выход которого соединен со вторыми входами пропорционального 5 и интегрального 6 регуляторов. Второй выход частотного преобразователя 7 соединен с входом пропорционального звена 10, выход которого соединен с первым входом блока 13 вычитания. Выход датчика 9 динамического уровня жидкости соединен с входом дифференциального звена 15 и первым входом блока 14 вычитания, выход которого соединен с входом пропорционального звена 11. Выход дифференциального звена 15 соединен со вторым входом блока 13 вычитания, выход которого соединен с первым входом блока 16 деления. Второй выход блока 1 задания соединен со вторым входом блока 14 вычитания. Выход пропорционального звена 11 соединен со вторым входом блока 16 деления, выход которого соединен с входом пропорционального звена 12. Выход интегрального регулятора 6 соединен с первым входом блока 17 деления, выход которого соединен с первым входом сумматора 18. Выход пропорционального звена 12 соединен с входом апериодического фильтра 4, выход которого соединен со вторым входом блока 17 деления. Выход пропорционального регулятора 5 соединен со вторым входом сумматора 18, выход которого соединен с входом частотного преобразователя 7.
Блок 1 задания, апериодические фильтры 2, 3 и 4, пропорциональный регулятор 5, интегральный регулятор 6, частотный преобразователь 7, пропорциональные звенья 10, 11 и 12, блоки 13 и 14 вычитания, дифференциальное звено 15, блоки 16 и 17 деления и сумматор 18 могут быть выполнены, например, на частотном преобразователе SIMOVERT MASTERDRIVES VC фирмы Сименс с помощью его внутренних функциональных возможностей и технологии BICO. В частности, параметрами U950.31 и U950.32 (фиксированные уставки U001.F и U002.F), например, может быть реализован блок 1 задания. Апериодические фильтры 2 и 3, а также пропорциональный 5 и интегральный 6 регуляторы могут быть реализованы, например, посредством функций: U952.01 (разрешение технологического регулятора); U364.F (коэффициент усиления пропорциональной части); U366.F (постоянная времени интегрального регулятора); U358 (постоянная времени апериодических фильтров). Пропорциональные звенья 10, 11 и 12, например, могут быть выполнены с применением параметров U953.39, U951.54 и U951.04, причем коэффициенты пропорциональности в этом случае будут задаваться параметрами U440.01, U440.02 и U003.F (при активизации фиксированной уставки U950.33). С помощью параметров U951.02 и U951.58, например, могут быть реализованы блоки 13 и 14 вычитания. Дифференциальное звено 15 может быть вызвано, например, параметром U952.32, причем постоянная времени дифференцирования в этом случае будет задаваться параметром U421. Параметрами U951.05 и U952.23, например, могут быть подключены блоки 16 и 17 деления. Апериодический фильтр 4 может быть вызван, например, параметром U952.31, причем постоянная фильтра в этом случае задается в параметре U415. В качестве погружного электроцентробежного насоса 8 может быть использована, например, установка УЭЦНМ5-80-1200 с повышающим трансформатором, согласующим выходное напряжение частотного преобразователя с напряжением на статорных обмотках погружного электродвигателя, входящего в состав электроцентробежного насоса. В качестве датчика 9 динамического уровня жидкости может быть использован, например, стационарный эхолот Микон-801.
Система управления погружным электроцентробежным насосом работает следующим образом. По результатам предыдущего освоения данной скважины строят график изменения динамического уровня жидкости в скважине (фиг.2). На фиг.2 представлен график изменения динамического уровня жидкости скважины 67 Кудиновского месторождения внутренним диаметром 126 мм, оборудованной установкой УЭЦН5-80-1200, спущенной на насосно-компрессорных трубах наружным диаметром 73 мм. На входы пропорционального 5 и интегрального 6 регуляторов из блока 1 задания через апериодический фильтр 2 подают сигнал, соответствующий требуемой величине динамического уровня жидкости в скважине. Для рассматриваемого примера динамический уровень жидкости должен застабилизироваться на отметке 935 м. После включения системы управления на входе частотного преобразователя 7 начинает формироваться сигнал в соответствии с передаточными функциями апериодического фильтра 2 и пропорционального 5 и интегрального 6 регуляторов, причем выходной сигнал интегрального регулятора 6 проходит через блок 17 деления, суммируется в сумматоре 18 с выходным сигналом пропорционального регулятора 5 и подается на вход частотного преобразователя 7. Частотный преобразователь 7 заставляет вращаться асинхронный электродвигатель погружного электроцентробежного насоса 8, в результате чего происходит отбор жидкости из затрубного пространства скважины, и динамический уровень начинает изменяться. Датчик 9 динамического уровня измеряет фактическую величину уровня жидкости в скважине и подает сигнал, пропорциональный этой величине на входы обратной связи пропорционального регулятора 5 и интегрального регулятора 6 через апериодический фильтр 3. Пропорциональный 5 и интегральный 6 регуляторы вычисляют разность входного сигнала и сигнала обратной связи и в соответствии с параметрами своих передаточных функций опять же через сумматор 18 формируют сигнал управления частотному преобразователю 7.
Постоянные времени апериодических фильтров 2 и 3 определяются выражением
0
1
где коэффициенты a и a находятся, например, из желаемого графика изменения динамического уровня (фиг.2), и определяются, например, из решения системы уравнений
Первая  и вторая  производные динамического уровня в i-момент времени определяются из графика по формулам:
∂ин.уст
∂ин
где Т - период между соседними измерениями динамического уровня. Установившееся значение Н динамического уровня жидкости и его значение в i-момент времени H(i) также определяются из графика. Коэффициент передачи пропорционального регулятора 5 определяется по формуле
Постоянную времени интегрального регулятора 6 вычисляют из соотношения
сп
∂у
нас
пр.расч
Здесь g - ускорение свободного падения. Коэффициенты передачи силового преобразователя k и асинхронного электродвигателя k принимаются равными единице. Коэффициент передачи центробежного насоса k рассчитывается по его гидравлической характеристике. Расчетное значение коэффициента продуктивности пласта kи усредненная плотность ρ жидкости в скважине определяются по результатам предыдущего освоения. Площадь затрубного пространства вычисляется по формуле
к
нкт
где d - внутренний диаметр эксплуатационной колонны; d - наружный диаметр насосно-компрессорных труб.
Параллельно с работой названных выше блоков функционируют пропорциональные звенья 10, 11 и 12, блоки вычитания 13 и 14, дифференцирующее звено 15, блоки 16 и 17 деления и апериодический фильтр 4. На вход пропорционального звена 10 из частотного преобразователя 7 подается сигнал, характеризующий частоту вращения магнитного поля асинхронного электродвигателя (частоту питающего напряжения статора). На один из входов (вход вычитаемого) блока 12 вычитания подается сигнал из блока 1 задания, соответствующий величине статического уровня жидкости в скважине (уровень жидкости в скважине при длительно неработающей установке). Выходной сигнал с датчика 9 динамического уровня жидкости подается на другой вход (вход уменьшаемого) блока 12 вычитания и на вход дифференциального звена 15. В результате прохождения сигналов через пропорциональное звено 10, дифференциальное звено 15, блок 13 вычитания и блок 16 деления, а также через блок 12 вычитания и пропорциональное звено 11, на выходе блока 16 деления формируется сигнал, обратно пропорциональный фактическому коэффициенту продуктивности пласта
пр
∂ин
cт
нас
нас
0
0
нас
/
/
где k - фактическая величина коэффициента продуктивности пласта; Н - динамический уровень жидкости в скважине, измеряемый датчиком 9 динамического уровня; Н - статический уровень жидкости в скважине (для рассматриваемого примера - 200 м), определяемый до начала работы системы и задаваемый в блок 1 задания; Q=k ω - производительность насоса; ω - скорость вращения магнитного поля двигателя (круговая частота питающего напряжения); k  - коэффициент передачи насоса, определяемый из его регулировочной характеристики; Т - период опроса датчика 9 динамического уровня жидкости; i - номер периода опроса.
/
нас
З
пр.расч.
Коэффициент передачи пропорционального звена 10 определяется величиной k . Постоянная времени дифференцирования звена 15 задается в соответствии с площадью S или в соответствии с отношением . Коэффициент передачи пропорционального звена 11 определяется произведением ρg. Коэффициент передачи пропорционального звена 12 выбирается в соответствии с величиной k
пр
пр.расч
пр
пр
пр.расч
В процессе работы системы управления погружным электроцентробежным насосом на выходе пропорционального звена 12 формируется сигнал , который, проходя через апериодический фильтр, сглаживается и поступает на соответствующий вход блока 17 деления (вход делителя). Если фактическая величина коэффициента продуктивности k совпадает с величиной k, принятой при расчете постоянной времени интегрального регулятора 6, то выходная величина сигнала регулятора 6 без изменения подается на соответствующий вход сумматора 18. Если фактическая величина коэффициента продуктивности k окажется больше k, то выходная: величина интегрального регулятора 6, пройдя через блок 17 деления, увеличится в  раз, что соответствует уменьшению постоянной времени регулятора 6. Если фактическая величина коэффициента продуктивности k окажется меньше k, то выходная величина интегрального регулятора 6, пройдя через блок 17 деления, уменьшится в  раз, что соответствует увеличению постоянной времени регулятора 6.
В конечном итоге, в процессе работы системы управления погружным электроцентробежным насосом скважина автоматически выходит на стационарный режим работы в соответствии с требуемым графиком изменения динамического уровня жидкости.
сп
∂у
нас
пр
k
нкт
З
уст
0
1
-6
3
-10
3
3
2
2
2
Для рассматриваемого примера скважины 67 Кудиновского месторождения и фиг.2 рассчитаны все приведенные выше параметры: k=1; k=1; k=2,949·10 м/рад; k=1,0275·10 м/с·Па; ρ=900 кг/м; g=9,81 м/с; d=0,126 м; d=0,073 м; S=0,0083 м; Н=935 м; H(3)=470 м; H(4)=573 м; ; ; ;  T=600 с; а=1689000 с; а=2730 с.
ф
п
u
Отсюда следуют требуемые настройки апериодических фильтров 2 и 3 и пропорционально-интегрального регулятора 5: T=618 с; k=1,031; Т=8874 с.
Моделирование системы управления погружным электроцентробежным насосом в программной среде «MATLAB SIMULINK» и построение графика переходного процесса (фиг.3) показывает, что в системе наблюдается изменение динамического уровня жидкости, близкое к требуемому, представленному на фиг.2. Максимальная динамическая погрешность составляет 4,2% от установившегося значения. Статическая точность определяется только погрешностью датчика динамического уровня, поскольку в системе применен астатический пропорционально-интегральный регулятор, компенсирующий все помехи, действующие после его выхода.
пр
пр.расч
Если по каким-либо причинам фактический коэффициент k продуктивности пласта изменится относительно расчетного значения k, система управления погружным электроцентробежным насосом все равно выведет скважину в соответствии с графиком, приведенным на фиг.3.
0
1
0
1
0
1
Предложенная система управления погружным электроцентробежным насосом может использоваться и при первом освоении скважины. В этом случае параметры a и a находятся не из графика, а определяются, например, технологами из опыта эксплуатации скважин. Как правило, до начала эксплуатации точно определить коэффициент продуктивности пласта не удается. Тем не менее, предложенная система управления погружным электроцентробежным насосом выведет скважину на стационарный режим работы в соответствии с заданными коэффициентами a и a, причем независимо от фактической величины коэффициента продуктивности пласта. При этом точность обработки желаемой диаграммы изменения динамического уровня следует ожидать даже выше, чем при выводе скважины по результатам предыдущего освоения. Это объясняется тем, что при определении коэффициентов a и a из графика вносится определенная погрешность (для рассматриваемого примера скважины 67 Кудиновского месторождения - 4,2%).
Таким образом, предложенная система управления погружным электроцентробежным насосом позволяет выводить скважину на стационарный режим работы за заданное время независимо от изменения величины коэффициента продуктивности пласта.