СИСТЕМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области управления технологическими процессами в нефтяной промышленности и может быть использована в автоматизированных системах управления установками электроцентробежных насосов (УЭЦН) с целью оптимизации установившихся режимов работы по технико-экономическим критериям.
Известна система управления УЭЦН, содержащая станцию управления с преобразователем частоты и контроллерами, систему погружной телеметрии (Станция управления «Электон-05» ПЧ-ТТПТ-800-380-50-1-УХЛ1 ТУ 3416-003-43174012-2001).
Недостатком данной системы является то, что управление погружным электронасосным агрегатом осуществляется только по предварительно определенному заданию, отсутствует возможность автоматического регулирования производительности установки в соответствии с изменяющимися условиями добычи нефти, так как при управлении не учитываются реальные динамические характеристики системы «пласт-скважина-УЭЦН».
Известно устройство для эксплуатации погружного электронасосного агрегата в нефтяной скважине (Патент №2256065, МПК Е21В 43/00, опубл. 10.07.05.).
Данное устройство, обладающее совокупностью признаков наиболее близкой к полезной модели, является прототипом.
Устройство для эксплуатации погружного электронасосного агрегата в нефтяной скважине содержит установленный в скважине погружной электронасосный агрегат с кабелем питания его электродвигателя, блок погружной телеметрии с датчиками параметров состояния скважины и электронасосного агрегата, измеритель дебита жидкости, установленный на выкидной линии и подключенный к первому входу блока идентификации, преобразователь частоты, соединенный со станцией управления, силовой выход которой подключен к кабелю питания электродвигателя, а информационный выход - ко второму блоку идентификации, задатчик режима работы.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что данное устройство не может в реальном времени автоматически настраиваться на режим оптимального по технико-экономическим критериям функционирования УЭЦН в установившемся режиме эксплуатации нефтяной скважины при изменении условий нефтедобычи, поскольку в устройстве отсутствует блок оптимизации по технико-экономическим критериям.
Задачей полезной модели является повышение качества управления УЭЦН за счет возможности в реальном времени автоматически изменять показатели производительности УЭЦН и настраиваться на режим оптимального по технико-экономическим критериям функционирования.
Предлагаемая система оптимального управления УЭЦН, также как в прототипе, содержит установленный в скважине погружной электронасосный агрегат, состоящий из электроцентробежного насоса и электродвигателя, кабельную линию питания электродвигателя, блок погружной телеметрии с датчиками параметров состояния скважины и электронасосного агрегата, измеритель дебита жидкости, установленный на выкидной линии и подключенный к первому входу блока идентификации, преобразователь частоты, подсоединенный к станции управления, силовой выход, которой подключен к кабельной линии питания электродвигателя электронасосного агрегата, а информационный выход - ко второму входу блока идентификации, задатчик режима работы.
Поставленная задача решена за счет того, что в систему оптимального управления дополнительно введены блок оптимизации и датчик буферного давления, причем, выход датчика буферного давления соединен с первым входом блока оптимизации и третьим входом блока идентификации, четвертый вход которого подключен к первому выходу задатчика режима работы, второй выход которого подключен к информационному входу станции управления, третий выход соединен со вторым входом блока оптимизации, третий вход которого подключен к выходу блока идентификации, выход блока оптимизации подключен к управляющему входу преобразователя частоты.
Достигаемый технический результат - повышение качества управления за счет оптимизации функционирования УЭЦН по технико-экономическим критериям.
На фиг.1 представлена структурная схема системы оптимального управления УЭЦН нефтяной скважины.
Система оптимального управления УЭЦН содержит установленный в скважине 1 электроцентробежный насос 2, кабельную линию питания 3 электродвигателя 4, блок погружной телеметрии 5 с датчиками 6 параметров состояния скважины и электронасосного агрегата, измеритель дебита жидкости 7, установленный на выкидной линии 8 и подключенный к первому входу блока идентификации 9, преобразователь частоты 10, подсоединенный к станции управления 11, силовой выход которой подключен к кабельной линии питания 3 электродвигателя 4 электронасосного агрегата, а информационный выход станции управления 11 подключен ко второму входу блока идентификации 9, задатчик режима работы 12, блок оптимизации 13 и датчик буферного давления 14, причем, выход датчика буферного давления 14 соединен с первым входом блока оптимизации 13 и третьим входом блока идентификации 9, четвертый вход которого подключен к первому выходу задатчика режима работы 12, второй выход которого подключен к информационному входу станции управления 11, третий выход соединен со вторым входом блока оптимизации 13, третий вход которого подключен к выходу блока идентификации 9, выход блока оптимизации 13 подключен к управляющему входу преобразователя частоты 10.
пл
Извлечение пластовой жидкости из скважины 1 осуществляется за счет энергии нефтесодержащего пласта, характеризуемой величиной пластового давления Р, и за счет энергии вращения вала, передаваемой потоку добываемой жидкости электроцентробежным насосом 2.
Станция управления 11 со встроенным контроллером и силовым трансформатором (на схеме не показан) обеспечивает управление, питание и защиту электродвигателя 4, обработку сигналов блока погружной телеметрии 5 (температура пластовой жидкости, давление на приеме электроцентробежного насоса, виброускорение и др.), и, совместно с преобразователем частоты 10 - регулирование частоты вращения ротора электродвигателя 4 и соединенного с ним электроцентробежного насоса 2.
Задатчик режима работы 12 предназначен для выбора режима (пуск, останов, работа) и формирования исходной информации для функционирования УЭЦН в установившемся режиме: сведения об экономических показателях (цена нефти, цена электроэнергии, плановый коэффициент рентабельности), параметры скважинной продукции (обводненность и плотность), параметры скважины 1, номинальные данные электродвигателя 4, а также технологические ограничения (допустимая температура обмотки статора электродвигателя 4, давление на приеме электроцентробежного насоса 2, уровень вибраций, погружение электроцентробежного насоса 2 под динамический уровень и т.д.).
1
1
буф
пр
ж
М
пл
Блок идентификации 9 служит для определения рабочей точки системы и оценки технико-экономической эффективности функционирования УЭЦН. В данном блоке в установившемся режиме работы на основе синтезированной математической модели УЭЦН (Сипайлов В.А. Математическое моделирование электротехнического комплекса механизированной добычи нефти / Наука, технологии, инновации: Труды Всеросс. науч. конф. Новосибирск:, 2008. - с.46-47), количественных данных измеренных параметров системы (потребляемый установкой ток I;, частота напряжения f и величина напряжение U, на выходе преобразователя частоты, буферное давление P, давление на приеме электроцентробежного насоса Р, дебит жидкости Q) и информации, содержащейся в блоке задатчика режима работы 12 (номинальные данные электродвигателя), определяются текущие параметры системы (коэффициент загрузки электродвигателя К, частота вращения ротора электродвигателя ω, пластовое давление Р, энергетические показатели).
Математическая модель объекта представляет собой уравнения регрессии вида:
ж
где Q - дебит жидкости;
2
M - полезный момент на валу электродвигателя;
пр
P - давление на приеме электроцентробежного насоса
ω - частота вращения ротора электродвигателя;
буф
P - буферное давление;
пл
P - пластовое давление
1
I - потребляемый установкой ток;
η,cosφ - энергетические показатели установки (КПД и коэффициент мощности соответственно);
н
н
α=f/f - отношение частоты напряжения f на выходе преобразователя к номинальной частоте f напряжения электродвигателя;
М
К - коэффициент загрузки электродвигателя;
1
1н
1
1H
γ=U/U - отношение величины напряжения на выходе преобразователя частоты U, к величине напряжения на выходе преобразователя частоты в номинальном режиме работы электродвигателя U.
1
пл
буф
Уравнения (1) и (2) описывают работу УЭЦН в заданном диапазоне изменения параметров (частота напряжения f и величина напряжения U на выходе преобразователя частоты, пластовое давление P, буферное давление P).
В блоке идентификации 9 также производится оценка технико-экономической эффективности функционирования УЭЦН. В качестве показателя технико-экономической эффективности выбран коэффициент рентабельности по электроэнергии, который в обобщенном виде характеризует технико-экономические критерии (Сипайлов В.А., Букреев В.Г., Сипайлова Н.Ю. Способы повышения энергоэффективности установок электроцентробежных насосов механизированной добычи нефти // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - Казань. - №7-8/1, 2008. - С.31-41). Оценка технико-экономической эффективности производится на основе сравнения планового коэффициента рентабельности по электроэнергии с фактическим, который определяется с использованием замеренных значений (дебит жидкости, потребляемый установкой ток, величина напряжения на выходе преобразователя частоты) и базы данных, содержащей текущую информацию об экономическим показателях (цена на нефть и электроэнергию, плановый коэффициент рентабельности), а также обводненности и плотности скважинной продукции.
В случае отклонения коэффициента рентабельности от планового запускается программа оптимизации.
Основные показатели работы УЭЦН - производительность (дебит жидкости) и потребление электроэнергии - зависят от технических параметров насоса и трубопровода, частоты вращения ротора электродвигателя, а также пластового и буферного давлений.
Управление режимом работы УЭЦН обеспечивается путем изменения производительности (дебит жидкости) электроцентробежного насоса 2 за счет регулирования частоты вращения ротора электродвигателя 4 электронасосного агрегата путем изменения частоты напряжения и величины напряжения на выходе преобразователя частоты в соответствии с рассчитанными в блоке оптимизации 13 значениями, определяющими оптимальное по технико-экономическим критериям функционирование УЭЦН.
Оптимизация реализуется с помощью модели объекта (1) и (2) методом перебора полученных решений в пределах заданных технологических ограничений.
Результатом работы блока оптимизации 13 является расчет управляющих воздействий (частота напряжения и величина напряжения на выходе преобразователя частоты), определяющих минимальное отклонение показателя технико-экономической эффективности УЭЦН (коэффициент рентабельности по электроэнергии) от планового значения.
Оптимальные значения управляющих воздействий (частота напряжения и величина напряжения на выходе преобразователя частоты) передаются в станцию управления 11.
В результате работы станции управления 11 происходит изменение частоты вращения ротора электродвигателя 4 за счет изменения частоты напряжения и величины напряжения на выходе преобразователя частоты и устанавливается режим работы установки, наиболее приближенный к оптимальному режиму.
Задатчик режима работы 12 может быть реализован в виде автоматизированного рабочего места технолога, а блоки идентификации 9 и оптимизации 11 - программным (цифровым) способом с помощью программируемых контроллеров, например, контроллеров станции управления 11 и преобразователя частоты 10.