СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ГЛУБИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к нефтедобыче и может быть использована для повышения эффективности извлечения пластовых жидкостей и добычи нефти из малодебитных нефтяных скважин.
Известна система управления приводом глубинного штангового насоса по патенту RU 2084702, предназначенная для повышения точности регулирования уровня нефти в затрубном пространстве.
Отличительной особенностью известной системы управления приводом глубинного штангового насоса является наличие датчика усилия привода насоса, формирователя импульсов реверса привода насоса, управляемого инвертора, интегратора, блок памяти, регулятор скорости движения привода насоса. Датчик усилия выполнен частотным или аналоговым (тензометрическим).
Известная система управления приводом глубинного штангового насоса имеет следующие недостатки:
- не позволяет диагностировать неисправности насоса без подключения дополнительной аппаратуры прямо в ходе работы привода, вычислять нагрузку на штоке гидроцилиндра, получать и отображать динамограмму усилий на штоке;
- не позволяет изменять производительность, т.е. изменять скорость и направление движения штока штангового, количество ходов вверх/вниз штока гидроцилиндра в минуту.
Известна система управления гидравлическим приводом насоса по патенту RU 51224, обеспечивающая снижение энергопотребления насосных установок.
Известная система управления содержит насос с регулятором давления и двигатель, вращающий вал насоса. Для поддержания постоянства давления рабочей жидкости в гидромагистрали подачи статорные обмотки двигателя, вращающего вал насоса с нерегулируемым давлением, соединены с регулирующими входами частотного преобразователя, постоянный вход которого подключен к регулируемому источнику постоянного тока, задающего уровень давления в гидромагистрали подачи, а вход обратной связи частотного преобразователя соединен с выходом усилителя сигнала датчика давления, установленного в гидромагистрали подачи.
В процессе работы глубинного штангового насоса появляется необходимость оперативно проверять исправность работы тех или иных механизмов привода, а случае остановки движения диагностировать неисправности глубинного насоса без подключения дополнительной аппаратуры прямо в ходе работы привода.
Кроме того, появляется необходимость, особенно при добыче нефти из малодефицитных нефтяных скважин, регулировать производительность насоса путем изменения числа ходов в минуту. Для этого необходимо выводить на экран дисплея рабочие показания датчиков и анализировать причины неисправностей или возможные изменения производительности. Для устранения неисправностей или возможности изменения производительности требуется вычислять нагрузку на штоке гидроцилиндра и получать динамограмму усилий, затем корректировать алгоритм движения штока штангового насоса.
Иногда требуется изменять режим управления и переходить с автоматического на ручной или наоборот. При этом желательно регулировать производительность насоса в режиме экономичного энергопотребления.
Известная полезная модель имеет следующие недостатки:
- не позволяет диагностировать неисправности насоса без подключения дополнительной аппаратуры прямо в ходе работы привода, вычислять нагрузку на штоке гидроцилиндра, получать и отображать динамограмму усилий на штоке;
- не позволяет изменять производительность, т.е. изменять скорость и направление движения штока штангового насоса с учетом перепадов напряжений и перегрузок в электросетях, а так же количество ходов вверх/вниз штока гидроцилиндра в минуту;
- не предусмотрена возможность оперативного отображения параметров системы, например, изменения рабочих показаний датчиков и анализа причины неисправностей (уровня и температуры масла, отклонение положения механизмов от заданного);
- отсутствует элемент оперативного перевода привода из автоматического в ручной режим или наоборот.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса, описанная в п. РФ №90857 по кл. 04B 15/00, з. 13.10.2009 г, оп. 20.01.2010.г., второй вариант выполнения которой выбран в качестве прототипа.
Известная система управления содержит силовой блок с насосом и двигателем, связанным через частотный преобразователь с регулируемым источником тока, управляющий контролер, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками параметров рабочей среды в полостях гидроцилиндра и с датчиком температуры шкафа управления, второй вход посредством цифрового блока ввода соединен с датчиками положения штока гидроцилиндра, а третий вход соединен с блоком питания, при этом для подачи питания и включения элементов силового блока первый выход контроллера посредством аналогового блока вывода соединен с частотным преобразователем, а второй выход посредством цифрового блока вывода через блок коммутации соединен с первым входом блока коммутационной и силовой аппаратуры, осуществляющим включение или выключение электродвигателя масляного насоса и ТЭН, со вторым входом блока коммутационной силовой аппаратуры соединен блок сетевого питания привода, а выходы блока сетевого питания подсоединены соответственно к входам датчиков положения штока гидроцилиндра, к входу блока коммутации, к входу управляющего контроллера и к входу автономной системы регулирования температуры шкафа управления, содержащей соединенные с ней датчики температуры и ТЭН шкафа управления, выход автономной системы соединен с входом блока питания, при этом для плавного регулирования скорости электродвигателя масляного насоса первый выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен посредством частотного преобразователя с обмотками двигателя.
Недостатком известной системы является совмещение в блоках функций управления высоковольтными и низковольтными устройствами, привязка системы управления к гидрофицированному приводу глубинного штангового насоса, неполный контроль и управление всей внешней аппаратурой от управляющего контроллера, что ведет к понижению надежности системы управления. Эксплуатационные возможности системы ограничены, поскольку нет возможности контролировать перемещение штока гидроцилиндра.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей системы, повышение эффективности и надежности системы управления.
Поставленная задача решается тем, что:
- в первом варианте выполнения в системе управления приводом глубинного штангового насоса, содержащей последовательно соединенные между собой блок датчиков приводной части, включающий в себя цифровые датчики положения механизма и аналоговые датчики параметров установки, систему управления, выполненную на контроллере с цифровыми и аналоговыми блоками ввода и вывода информации, связанную через блоки коммутации с силовой частью электрогидравлического привода, содержащей регулятор скорости приводов, электрогидроклапаны и низковольтную аппаратуру, электродвигатели приводов, электродвигатели вентиляторов, ТЭН установки, и с автономной системой нагрева шкафа управления, включающей в себя ТЭН шкафа управления, схему регулирования температуры и датчики-регуляторы температуры и подключенной к блоку питания, связанному через блок фазоуказателя с системой управления, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, блок датчиков приводной части дополнительно включает в себя датчик положения штока цилиндра и датчик оценки усилия на штоке гидроцилиндра, силовая часть привода снабжена регулятором скорости приводов, подключенным через аналоговый выход к контроллеру системы управления, блоки коммутации представляют собой блок управления низковольтной аппаратурой, который соединен входом с цифровым блоком вывода информации контроллера системы управления, а выходом - с электрогидроклапанами и низковольтной аппаратурой, и блок управления высоковольтной аппаратурой, который соединен входом с цифровым блоком вывода информации контроллера системы управления, а выходом - с электродвигателями приводов, электродвигателями вентиляторов, ТЭН установки силовой части привода и с автономной системой нагрева шкафа управления, которая снабжена блоками коммутации нагрева шкафа и питания этого шкафа, при этом вход блока коммутации нагрева шкафа подключен к одному из выходов блока управления высоковольтной аппаратурой, а вход блока коммутации питания шкафа управления подсоединен к выходу датчиков-регуляторов температуры шкафа управления, соединенных вторым выходом с входом блока коммутации нагрева шкафа.
При этом датчик положения штока гидроцилиндра может быть выполнен в виде цифровых датчиков крайних положений штока или в виде аналогового датчика перемещения штока или могут использоваться оба датчика одновременно.
- во втором варианте выполнения в системе управления приводом глубинного штангового насоса, содержащей последовательно соединенные между собой блок датчиков приводной части, включающий в себя аналоговые датчики параметров установки, систему управления, выполненную на контроллере с цифровыми и аналоговыми блоками ввода и вывода информации, связанную через блоки коммутации с силовой частью привода, содержащей низковольтную аппаратуру, электродвигатели приводов, электродвигатели вентиляторов, ТЭН установки, и с автономной системой нагрева шкафа управления, включающей в себя ТЭН шкафа управления, схему регулирования температуры и датчики-регуляторы температуры, подключенную к блоку питания, связанному через блок фазоуказателя с системой управления, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, привод выполнен электромеханическим, блок датчиков приводной части дополнительно включает в себя датчик мгновенного значения мощности электропривода,, силовая часть привода снабжена регулятором скорости приводов, подключенным через аналоговый выход к контроллеру системы управления, блоки коммутации представляют собой блок управления низковольтной аппаратурой, который соединен входом с цифровым блоком вывода информации контроллера системы управления, а выходом - с низковольтной аппаратурой, и блок управления высоковольтной аппаратурой, который соединен входом с цифровым блоком вывода информации контроллера системы управления, а выходом - с электродвигателями приводов, электродвигателями вентиляторов, ТЭН установки силовой части привода и с автономной системой нагрева шкафа управления, которая снабжена блоками коммутации нагрева шкафа и питания этого шкафа, при этом вход блока коммутации нагрева шкафа подключен к одному из выходов блока управления высоковольтной аппаратурой, а вход блока коммутации питания шкафа управления подсоединен к выходу датчиков-регуляторов температуры шкафа управления, соединенных вторым выходом с входом блока коммутации нагрева шкафа.
В первом варианте выполнения введение датчика перемещения штока гидроцилиндра дает возможность контролировать и оперативно регулировать величину его хода, а введение датчика оценки усилия на нем обеспечивает возможное использование системы управления для получения динамограммы гидравлического привода глубинного штангового насосов без существенной переработки аппаратуры, что также расширяет эксплуатационные возможности системы. При этом в системе в случае использования электрогидравлического привода может присутствовать как блок цифровых датчиков положения механизма или/и датчик перемещения штока гидроцилиндра.
Во втором варианте выполнения введение датчика мгновенного значения мощности электропривода обеспечивает возможное использование системы управления для получения ваттметрограмм электромеханического привода глубинного штангового насосов без существенной переработки аппаратуры, что также расширяет эксплуатационные возможности системы.
В обоих вариантах выполнение блоков коммутации в виде блоков управления низковольтной и высоковольтной частей управления аппаратурой обеспечивает повышение надежности системы управления в целом.
Использование регулятора скорости приводов в силовой части приводов, подключенного через аналоговый выход к контроллеру управления, обеспечивает возможность плавного изменения скорости штока гидроцилиндра в электрогидравлическом приводе или скорости в электромеханическом приводе, что в обоих вариантах расширяет функциональные (эксплуатационные) возможности системы.
В обоих вариантах наличие в автономной системе регулирования температуры шкафа управления блоков коммутации нагрева шкафа и питания этого шкафа при подключении входа блока коммутации нагрева шкафа к одному из выходов блока управления высоковольтной аппаратурой, а через него - к контролеру управления, в совокупности с подключением входа блока коммутации питания шкафа управления - к выходу датчиков-регуляторов температуры шкафа управления приводит к повышению надежности работы шкафа управления в зимнее время.
Техническим результатом предложенной полезной модели является обеспечение возможности плавного изменения скорости штока гидроцилиндра в первом варианте выполнения (с электрогидравлическим приводом) или скорости в электромеханическом приводе (во втором варианте выполнения), а также повышение надежности работы шкафа управления в обоих вариантах.
Заявляемая система обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него в первом варианте такими существенными признаками как снабжение силовой части электрогидравлического привода регулятором скорости приводов, подключенным через аналоговый выход к контроллеру системы управления, введение в блок датчиков приводной части дополнительно датчика положения штока гидроцилиндра и датчика оценки усилия на нем, а в автономную систему регулирования температуры шкафа управления - блоков коммутации нагрева шкафа и питания этого шкафа, при подключении входа блока коммутации нагрева шкафа к одному из выходов блока управления высоковольтной аппаратурой, а входа блока коммутации питания шкафа управления - к выходу датчиков-регуляторов температуры шкафа управления, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая система обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него во втором варианте такими существенными признаками как выполнение привода электромеханическим, снабжение силовой части электромеханического привода регулятором скорости приводов, подключенным через аналоговый выход к контроллеру системы управления, введение в блок датчиков приводной части дополнительно датчика мгновенного значения мощности привода, а в автономную систему регулирования температуры шкафа управления - блоков включения-выключения нагрева шкафа и питания этого шкафа, при подключении входа блока коммутации нагрева шкафа к одному из выходов блока управления высоковольтной аппаратурой, а входа блока коммутации питания шкафа управления - к выходу датчиков-регуляторов температуры шкафа управления, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая система управления приводом глубинного штангового насоса в обоих вариантах ее выполнения может найти широкое применение в нефтяной промышленности, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - функциональная схема системы управления в первом варианте ее выполнения;
- фиг.2 - функциональная схема системы управления во втором варианте ее выполнения
В первом варианте выполнения система управления приводом глубинного штангового насоса (фиг.1) содержит последовательно соединенные между собой блок 1 датчиков приводной части, систему 2 управления, связанную непосредственно, а также через блок 3 управления низковольтной аппаратурой и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой с силовой частью 5 привода и с системой 6 нагрева шкафа управления, подключенной к блоку 7 питания, связанному через блок 8 фазоуказателя с системой 2 управления. Блок 8 фазоуказателя определяет правильность подключения наружного сетевого электропитания и обеспечивает оперативный контроль его напряжения.
При этом блок 1 датчиков включает в себя цифровые датчики 9 положения механизма и аналоговые датчики 10 параметров установки (уровня и температуры масла, давления в полостях гидроцилиндра), датчик 11 перемещения штока гидроцилиндра, а также датчики 12 оценки усилия на штоке гидроцилиндра. Цифровые датчики 9 положения механизма блока 1 соединены с системой 2 управления через цифровой блок 13 ввода, а аналоговые датчики 10-12 блока 1 соединены с системой управления через аналоговый блок 14 ввода.
Система 2 управления выполнена на контроллере и включает в себя цифровой и аналоговый блоки 13 и 14 ввода информации и цифровой и аналоговый блоки 15 и 16 вывода информации.
Силовая часть 5 привода включает в себя регулятор 17 скорости приводов, электрогидроклапаны 18 и низковольтную аппаратуру 19, электродвигатели 20 приводов, электродвигатели 21 вентиляторов, ТЭН 22 установки. В качестве регулятора 17 скорости приводов может использоваться, в частности, пропорциональный гидроусилитель. При этом регулятор 17 скорости приводов соединен с системой 2 управления через ее аналоговый блок 16 вывода, узлы 18 и 19 связаны с системой 2 управления через ее цифровой блок 15 вывода и блок 3 управления низковольтной аппаратурой, а узлы 20-22 связаны с системой 2 управления через ее цифровой блок 16 вывода и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой.
Система 6 нагрева шкафа 23 управления включает в себя последовательно соединенные между собой датчики-регуляторы 24 температуры шкафа 23 управления, блок 25 коммутации (включения-выключения) нагрева шкафа 23 управления и ТЭН 26 шкафа 23 управления, а также связанный с выходами датчиков-регуляторов 24 блок 27 коммутации (включения-выключения) питания шкафа 23 управления. При этом блок 27 коммутации соединен вторым входом с выходом блока 4 управления высоковольтной аппаратурой, а входы датчиков-регуляторов 24 соединены с выходом блока 7 питания, соединенным через блок 8 фазоуказателя с аналоговым блоком 14 ввода системы 2 управления.
Система работает следующим образом.
Сетевое питание поступает на входы блока 7 питания и блок 8 фазоуказателя, с выхода которого оно подается на аналоговый блок 14 ввода системы 2 управления.
Сигналы с цифровых датчиков 9 положения механизма поступают через цифровой блок 13 ввода на систему 2 управления, которая обеспечивает при необходимости контроль положения полированного штока гидроцилиндра и обеспечение реверса при движении гидрофицированного привода. Сигналы с аналоговых датчиков 10 (уровня и температуры масла, давления в полостях гидроцилиндра), датчика 11 перемещения штока и с датчика 12 оценки усилия поступают через аналоговый блок 14 ввода на систему 2 управления для обеспечения контроля и диагностики состояния приводной части. В зависимости от значения этих сигналов при необходимости с контроллера системы 2 управления через цифровой блок 15 вывода и блок 3 управления низковольтной аппаратурой или через блок 4 управления высоковольтной аппаратурой на силовую часть привода поступают сигналы на изменение скорости и направления движения приводов, ТЭН и вентиляторов охлаждения масла в гидрофицированном приводе. Система 2 управления также обеспечивает возможность съема динамограммы без подключения дополнительной аппаратуры.
Система 6 нагрева шкафа 23 управления обеспечивает включение/выключение ТЭН 26 шкафа управления при достижении заданных датчиками-регуляторами 23 температуры шкафа 23 управления уставок (заданных технологических параметров), а также включение/выключение общего питания шкафа 23 управления. При этом дополнительная связь контроллера системы 2 управления через цифровой блок вывода 15 и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой с блоком 25 коммутации (включения/выключения) нагрева шкафа 23 управления обеспечивает также дополнительные уставки по нагреву в контроллере системы 2 управления. Включение питания шкафа 23 управления происходит только после повышения температуры внутри шкафа выше установленной, что уменьшает вероятность включения питания при наличии росы на электрических контактах системы управления.
Во втором варианте выполнения система управления приводом глубинного штангового насоса (фиг.2) содержит последовательно соединенные между собой блок 1 датчиков приводной части, систему 2 управления, связанную непосредственно, а также через блок 3 управления низковольтной аппаратурой и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой с силовой частью 5 привода и с системой 6 нагрева шкафа управления, подключенной к блоку 7 питания, связанному через блок 8 фазоуказателя с системой 2 управления. Блок 8 фазоуказателя определяет правильность подключения наружного сетевого электропитания и обеспечивает оперативный контроль его напряжения.
При этом блок 1 датчиков включает в себя аналоговые датчики 9′ параметров установки (температуры двигателя, напряжения и тока в двигателе), а также датчик 10′ мгновенного значения мощности привода. Аналоговые датчики 9′ и 10′ блока 1 соединены с системой 2 управления через аналоговый блок 11′ ввода.
Система 2 управления выполнена на контроллере и включает в себя цифровой и аналоговый блоки 11′ и 12′ ввода информации и цифровой и аналоговый блоки 13′ и 14′ вывода информации.
Силовая часть 5 привода включает в себя регулятор 15′ скорости приводов и низковольтную аппаратуру 16′, электродвигатели 17′ приводов, электродвигатели 18′ вентиляторов, ТЭН 19′ установки. В качестве регулятора 15′ скорости приводов может использоваться, в частности, частотный регулятор двигателя переменного тока. При этом регулятор 15′ скорости приводов соединен с системой 2 управления через ее аналоговый блок 16 вывода, узел 16′ связан с системой 2 управления через ее цифровой блок 14′ вывода и блок 3 управления низковольтной аппаратурой, а узлы 17′-19′ связаны с системой 2 управления через ее цифровой блок 13′ вывода и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой.
Система 6 нагрева шкафа 20′ управления включает в себя последовательно соединенные между собой датчики-регуляторы 21′ температуры шкафа 20′ управления, блок 22′ коммутации (включения-выключения) нагрева шкафа 20′ управления и ТЭН 23′ шкафа 20′ управления, а также связанный с выходами датчиков - регуляторов 21′ блок 22′ коммутации (включения - выключения) питания шкафа 20′ управления. При этом блок 22′ коммутации соединен вторым входом с выходом блока 4 управления высоковольтной аппаратурой, а входы датчиков-регуляторов 21′ соединены с выходом блока 7 питания, соединенным через блок 8 фазоуказателя с аналоговым блоком 12′ ввода системы 2 управления.
Система работает следующим образом.
Сетевое питание поступает на входы блока 7 питания и блок 8 фазоуказателя, с выхода которого оно подается на аналоговый блок 12′ ввода системы 2 управления.
Сигналы с аналоговых датчиков 9′ (температуры двигателя, тока и напряжения двигателя) и датчика 10′ мгновенного значения мощности привода поступают через аналоговый блок 12′ ввода на систему 2 управления для обеспечения контроля и диагностики состояния приводной части. В зависимости от значения этих сигналов при необходимости с контроллера системы 2 управления через цифровой блок 13′ вывода и блок 3 управления низковольтной аппаратурой или через блок 4 управления высоковольтной аппаратурой на силовую часть привода поступают сигналы на изменение скорости и направления движения приводов, ТЭН и вентиляторов охлаждения привода. Система 2 управления также обеспечивает возможность съема ваттметграммы без подключения дополнительной аппаратуры.
Система 6 нагрева шкафа 20′ управления обеспечивает включение/выключение ТЭН 22′ шкафа управления при достижении заданных датчиками-регуляторами 21′ температуры шкафа 20′ управления уставок, а также включение/выключение общего питания шкафа 20' управления. При этом дополнительная связь контроллера системы 2 управления через цифровой блок вывода 13′ и блок 4 управления высоковольтной аппаратурой с блоком 22′ коммутации (включения-выключения) нагрева шкафа 20′ управления обеспечивает также дополнительные уставки по нагреву в контроллере системы 2 управления. Включение питания шкафа 20′ управления происходит только после повышения температуры внутри шкафа выше установленной, что уменьшает вероятность включения питания при наличии росы на электрических контактах системы управления.
В сравнении с прототипом заявляемая система управления приводом глубинного штангового насоса в обоих вариантах ее выполнения имеет более широкие эксплуатационные возможности и является более эффективной и надежной.