СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫМ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМ НАСОСОМ И КУСТОВОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИЕЙ
SYSTEM FOR CONTROLLING SUBMERSIBLE CENTRIFUGAL PUMP AND CLUSTER PUMP STATION

Изобретение относится к системам управления добычей нефти и может использоваться для вывода скважин, оборудованных установкой электроцентробежного насоса, на стационарный режим работы, а также в процессе длительной эксплуатации скважины.
Наиболее близкой по технической сущности является система управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией (см. патент Российской Федерации №2501980, опубл. 20.12.2013, Бюл. №35), содержащая блок задания динамического уровня жидкости, блок задания частоты вращения, два апериодических фильтра, два пропорционально-интегральных регулятора, два частотных преобразователя, погружной электроцентробежный насос, кустовую насосную станцию и датчик динамического уровня жидкости.
Недостатком наиболее близкой системы управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией является сложность технической реализации.
Технический результат достигается тем, что система управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией, содержащая блок задания динамического уровня жидкости, блок задания частоты вращения, первый и второй пропорционально-интегральные регуляторы, первый и второй частотные преобразователи, погружной электроцентробежный насос, кустовую насосную станцию и датчик динамического уровня жидкости, причем выход первого пропорционально-интегрального регулятора соединен с входом первого частотного преобразователя, выход которого подключен к погружному электроцентробежному насосу, выход блока задания частоты вращения соединен с первым входом второго пропорционально-интегрального регулятора, выход которого соединен с входом второго частотного преобразователя, выход первого пропорционально-интегрального регулятора соединен с вторым входом второго пропорционально-интегрального регулятора, к выходу второго частотного преобразователя подключена кустовая насосная станция, снабжена задатчиком интенсивности, причем блок задания динамического уровня жидкости соединен с входом задатчика интенсивности, выход которого соединен с первым входом первого пропорционально-интегрального регулятора, а выход датчика динамического уровня жидкости соединен с вторым входом первого пропорционально-интегрального регулятора.
Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между блоками устройства. Указанная совокупность связей позволяет упростить техническую реализацию системы управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией.
На фиг. 1 представлена функциональная схема системы управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией; на фиг. 2 изображена расчетная модель системы управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией; на фиг. 3 приведен график изменения динамического уровня жидкости в скважине при работе предлагаемой системы управления; на фиг. 4 представлен график производительности погружного электроцентробежного насоса при работе предлагаемой системы.
Система управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией (фиг. 1) содержит блок 1 задания динамического уровня жидкости, блок 2 задания частоты вращения, задатчик 3 интенсивности, пропорционально-интегральные регуляторы 4 и 5, частотные преобразователи 6 и 7, погружной электроцентробежный насос 8, кустовую насосную станцию 9, датчик 10 динамического уровня жидкости.
Выход пропорционально-интегрального регулятора 4 соединен с входом частотного преобразователя 6, выход которого подключен к погружному электроцентробежному насосу 8. Выход блока 2 задания частоты вращения соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора 5, выход которого соединен с входом частотного преобразователя 7. Выход пропорционально-интегрального регулятора 4 соединен с вторым входом пропорционально-интегрального регулятора 5. К выходу частотного преобразователя 7 подключена кустовая насосная станция 9. Блок 1 задания динамического уровня жидкости соединен с входом задатчика 3 интенсивности, выход которого соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора 4. Выход датчика 10 динамического уровня жидкости соединен с вторым входом пропорционально-интегрального регулятора 4.
Блок 1 задания динамического уровня жидкости, блок 2 задания частоты вращения, задатчик интенсивности 3, пропорционально-интегральные регуляторы 4 и 5 и частотные преобразователи 6 и 7 могут быть реализованы, например, на устройствах MICROMASTER 430 с помощью их внутренних функциональных возможностей. Для передачи информации с выхода пропорционально-интегрального регулятора 4 на вход пропорционально-интегрального регулятора 5 может быть применен, например, программируемый контроллер S7-200. В качестве погружного электроцентробежного насоса 8 может быть применена, 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 кустовой насосной станции 9 может быть использована, например, станция типа ППД400-200. В качестве датчика 10 динамического уровня жидкости может быть применен, например, стационарный эхолот Микон-801.
Система управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией работает следующим образом. После включения системы управления на входе частотного преобразователя 6 начинает формироваться сигнал в соответствии с сигналом, поступающим с выхода блока 1 задания динамического уровня жидкости через задатчик 3 интенсивности, и передаточной функцией пропорционально-интегрального регулятора 4. Частотный преобразователь 6 заставляет вращаться асинхронный электродвигатель погружного электроцентробежного насоса 8, в результате чего происходит отбор жидкости из затрубного пространства скважины, и динамический уровень начинает изменяться. Датчик 10 динамического уровня измеряет фактическую величину уровня жидкости в скважине и подает сигнал, пропорциональный этой величине, на вход обратной связи пропорционально-интегрального регулятора 4. Пропорционально-интегральный регулятор 4 вычисляет разность входного сигнала и сигнала обратной связи и в соответствии с параметрами своей передаточной функции опять же формирует сигнал управления частотному преобразователю 6. Далее работа системы управления погружным электроцентробежным насосом продолжается, и скважина автоматически выходит на стационарный режим работы со стабилизацией динамического уровня жидкости в нефтяной скважине. Одновременно с названными выше элементами блок 2 задания частоты вращения формирует на входе пропорционально-интегрального регулятора 5 сигнал, соответствующий требуемой частоте вращения асинхронного электродвигателя погружного насоса 8. Сигнал с выхода пропорционально-интегрального регулятора 4, характеризующий фактическую частоту вращения (за вычетом падения скорости под нагрузкой), подается на вход обратной связи пропорционально-интегрального регулятора 5. Пропорционально-интегральный регулятор 5 вычисляет разность сигнала с блока 2 задания и сигнала с выхода пропорционально-интегрального регулятора 4 и в соответствии с параметрами своей настройки формирует сигнал на входе частотного преобразователя 7, который регулирует скорость вращения асинхронного электродвигателя, входящего в состав кустовой насосной станции 9. Если частота вращения погружного электроцентробежного насоса 8 не соответствует заданной величине, то давление воды, создаваемое кустовой насосной станцией и подаваемое в нагнетательную скважину, начнет изменяться. В частности, при падении пластового давления давление в нагнетательной скважине начнет увеличиваться. В результате происходит стабилизация дебита нефтяной скважины при одном и том же значении динамического уровня жидкости, также стабилизируемом предлагаемой системой управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией.
сп
ДУ
нас1
нас2
пр
к
нкт
з
ст
n1
u1
n2
u1
-6
3
2
-10
3
3
2
2
2
-4
3
3
Подтверждением сказанного могут служить результаты компьютерного моделирования процессов, протекающих, например, в скважине 67 Кудиновского месторождения при оснащении ее кустовой насосной станцией. Скважина, погружной электроцентробежный насос, частотные преобразователи, кустовая насосная станция, например, обладают следующими параметрами: k=1 (коэффициенты передачи частотных преобразователей); k=6,28 рад/Гц (коэффициент передачи асинхронных электродвигателей); k=2,949·10 м/рад (коэффициент передачи погружного насоса); k=63694 Нс/мрад (коэффициент передачи насоса кустовой станции); k=1,0275·10 м/с·Па (коэффициент продуктивности нефтяного пласта); ρ=900 кг/м (плотность добываемой жидкости); g=9,81 м/с (ускорение свободного падения); d=0,126 м (внутренний диаметр колонны обсадных труб); d=0,073 м (диаметр насосно-компрессорных труб); S=0,0083 м (площадь затрубного пространства); Н=200 м (статический уровень жидкости в скважине). Задатчик интенсивности, например, формирует темп изменения заданного динамического уровня со скоростью 3,026 м/с, причем заданное значение динамического уровня, формируемого блоком 1 задания, равно 935 м. Параметры настройки пропорционально-интегральных регуляторов 4 и 5, например, выбраны следующим образом: k=0,164 (коэффициент передачи регулятора 4); T=55729 с (постоянная времени регулятора 4); k=9,149 (коэффициент передачи регулятора 5); T=10000 с (постоянная времени регулятора 5). Тогда расчетная модель предлагаемой системы управления примет вид, приведенный на фиг. 2. На расчетной схеме учтено ограничение скорости вращения асинхронного электродвигателя погружного насоса и давления на выходе кустовой насосной станции. Искусственно смоделировано изменение пластового давления со скоростью 5 Н/мс через 10000 с после запуска системы. Несмотря на заданные изменения, предлагаемая система управления стабилизирует динамический уровень жидкости в скважине на значении 935 м (фиг. 3). В то же время стабилизируется и дебит нефтяной скважины (фиг. 4) на уровне 6,53·10 м/с (≈57 м/сут), что соответствует заданной в блоке 1 частоте 35 Гц. В системе управления погружным электроцентробежным наосом и кустовой насосной станцией, взятой за прототип, достигается такой же результат, но более сложными средствами. Действительно, в предлагаемой системе отпадает необходимость в двух апериодических фильтрах, что позволяет применить более простые и менее дорогие частотные преобразователи, а задатчик интенсивности есть в любом современном частотном преобразователе. Кроме того, поскольку регуляторы 4 и 5 могут быть реализованы на внутренних технологических регуляторах частотных преобразователей, то возможно применение и более простого программируемого логического контроллера, который служит только для передачи информации из одного частотного преобразователя в другой.
Таким образом, предложенная система управления погружным электроцентробежным насосом и кустовой насосной станцией обладает более простой технической реализацией.