СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ 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 насоса с учетом перепадов напряжений и перегрузок в электросетях, количество ходов вверх/вниз штока гидроцилиндра в минуту.
Известна система управления гидравлическим приводом насоса по патенту RU 51224, обеспечивающая снижение энергопотребления насосных установок, выбранная заявителем в качестве прототипа.
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 возможность 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.
Техническим результатом предложенной полезной модели является устранение недостатков прототипа, а именно:
- создание возможности диагностирования неисправностей насоса без подключения дополнительной аппаратуры прямо в ходе работы привода, вычисления нагрузки на штоке гидроцилиндра и отображения динамограммы усилий на штоке;
- создание возможности изменения производительности, т.е. изменения скорости и направления движения штока штангового насоса, изменения количества ходов вверх/вниз штока гидроцилиндра в минуту;
- повышение оперативности в отображении показаний датчиков системы (уровня и температуры масла, отклонения положения механизмов от заданного) и причин неисправностей;
- повышение оперативности перевода привода насоса из автоматического в ручной режим работы или наоборот.
Технический результат достигается тем, что в системе управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса, содержащей силовой блок с насосом и двигателем, соединенным через частотный преобразователь с источником тока, согласно первого варианта полезной модели, система содержит управляющий контроллер, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками параметров рабочей среды в полостях гидроцилиндра, второй вход посредством цифрового блока ввода соединен с датчиками положения штока гидроцилиндра, а третий вход соединен с блоком питания, при этом для подачи питания на электрогидравлические распределители 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 и силовой аппаратуры соединен блок сетевого питания привода, при этом для плавного регулирования скорости электродвигателя масляного насоса первый выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен посредством частотного преобразователя с обмотками двигателя, а выходы блока сетевого питания подсоединены к входам датчиков положения штока гидроцилиндра, к входу блока коммутации, к входу управляющего контроллера.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиком уровня масла в гидросистеме.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиком температуры масла в гидросистеме.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками давления в полостях гидроцилиндра.
Второй выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен с электродвигателем вентилятора охлаждения масла.
Третий выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен с масляными ТЭН.
Выход блока сетевого питания подсоединен к входу блока фазоуказателя, выход которого подсоединен к входу аналогового блока ввода.
По меньшей мере, один из выходов блока коммутации соединен с электрогидравлической аппаратурой.
В системе управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса, содержащей силовой блок с насосом и двигателем, соединенным через частотный преобразователь с регулируемым источником тока, согласно второго варианта полезной модели, система содержит управляющий контроллер, 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 и 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.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиком уровня масла в гидросистеме.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиком температуры масла в гидросистеме.
Первый вход управляющего контроллера соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками давления в полостях гидроцилиндра.
Второй выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен с электродвигателем вентилятора охлаждения масла.
Третий выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен с масляными ТЭН.
Выход блока сетевого питания подсоединен к входу блока фазоуказателя, выход которого подсоединен к входу аналогового блока ввода.
По меньшей мере один из выходов блока коммутации соединен с электрогидравлической аппаратурой.
Согласно первого варианта выполнения полезной модели система управления предусматривает связанный с ЭВМ управляющий контроллер, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками параметров рабочей среды гидроцилиндра, второй вход контроллера посредством цифрового блока ввода соединен с датчиками положения штока гидроцилиндра, а третий вход соединен с блоком питания, что позволяет считывать показания датчиков и воспроизводить их на экране дисплея ЭВМ или контроллера, в том числе определять верхнее или нижнее положение штока гидроцилиндра, данные давления, уровня и температуры масла в полостях гидроцилиндра во время работы насоса. Показания датчика, отображаемые на экране дисплея ЭВМ или контроллера, позволяют оперативно диагностировать причины неисправностей насоса без подключения дополнительной аппаратуры прямо в ходе работы привода, вычислять нагрузки на штоке гидроцилиндра и отображать их в виде динамограмм.
Соединенный с управляющим контроллером блок коммутации предназначен для подачи питания на электрогидравлические распределители и для включения элементов силовой аппаратуры, а его соединение с блоком коммутационной и силовой аппаратуры позволяет осуществлять включение/выключение электродвигателей ТЭН и вентилятора системы охлаждения масла.
Соединение первого выхода контроллера посредством аналогового блока вывода с частотным преобразователем, а второго выхода посредством цифрового блока вывода через блок коммутации - с первым входом блока коммутационной и силовой аппаратуры, осуществляющим включение или выключение электродвигателя масляного насоса, ТЭН и вентилятора системы охлаждения масла, позволяет выдавать сигналы через цифровой блок вывода на блок коммутации и коммутировать питающие напряжения с блока питания на соответствующий электрогидравлический распределитель или клапан. Это дает возможность изменять производительность, т.е. скорость и направление движения штока гидроцилиндра насоса. Кроме того, появляется возможность оперативно переводить привод из автоматического в ручной режим работы или наоборот.
Поскольку первый выход управляющего котроллера через аналоговый блок вывода соединен с первым входом частотного преобразователя, а первый выход блока коммутационной и силовой аппаратуры соединен посредством частотного преобразователя с обмотками двигателя, то сигналы с управляющего контроллера управляют плавным регулированием скорости электродвигателя масляного насоса и изменением количества ходов штока вверх/вниз в минуту.
Соединение блока питания с блоком фазоуказателя, предназначенного для определения правильности подключения наружного сетевого электропитания и оперативного контроля его напряжения, обеспечивает подачу сетевого напряжения на привод и на электронную часть системы.
Соединение выхода блока фазоуказателя с входом аналогового блока ввода обеспечивает поступление на него дискретного сигнала о том, в норме ли электропитание (может подаваться также на цифровой блок ввода).
Соединение первого выхода блока электропитания привода, предназначенного для подачи электропитания на все компоненты электронной схемы, со вторым входом блока коммутационной и силовой аппаратуры, а второго выхода блока сетевого питания с входом блока фазоуказателя, соединенного с входом аналогового блока ввода, позволяет включать элементы блока коммутационной и силовой аппаратуры сигналами с цифрового блока вывода через блок коммутации, подавать сетевое питание на соответствующий компонент для включения/выключения электродвигателей, масляных ТЭН и вентилятора системы охлаждения масла.
Подсоединение выходов блока сетевого питания к входам датчиков положения штока гидроцилиндра, к входу блока коммутации, к входу управляющего контроллера позволяет запитывать датчики положения, управляющий контроллер, силовой блок и блок коммутационной и силовой аппаратуры.
Согласно второго варианта выполнения полезной модели, система управления предусматривает работу в зимнее время без выпадения росы на контакты элементов электронной схемы при поданном электропитании, т.е. без аварийных ситуаций. Это достигается за счет того, что подача напряжения на элементы электронной схемы производится только после предварительного прогрева шкафа управления, в котором расположена электронная часть системы.
Система содержит управляющий контроллер, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода с датчиками параметров рабочей среды в полостях гидроцилиндра насоса 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.
Кроме того, поскольку предусмотрено подсоединение первого выхода блока сетевого питания к входу блока коммутационной и силовой аппаратуры, второго выхода - к входу блока коммутации, третьего выхода - к входу управляющего контроллера, четвертого выхода - к входу автономной системы регулирования температуры шкафа управления, а пятого выхода к входам датчиков положения штока гидроцилиндра, то появляется возможность определять температуру в шкафу управления и автоматически включать/выключать электропитание, прогревая шкаф с электронной частью системы.
Если температура при включении электронной схемы находится ниже установленной, то автономная система регулирования температуры шкафа управления подает электропитание на ТЭН шкафа управления. Питание электрической части схемы разрешается только после того, как система управления прогрелась до определенной температуры (часть блока питания запитывается через автономную систему регулирования температуры шкафа управления). Аналоговый сигнал с аналогового блока вывода управляющего контроллера поступает на частотный преобразователь, что позволяет плавно менять скорость вращения электродвигателя масляного насоса и тем самым изменять скорость движения штока гидроцилиндра.
Сущность предложенной полезной модели поясняется блок-схемой системы управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса.
Система управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса по первому варианту выполнения содержит силовой блок 1 с насосом (на схеме не показан) и двигателем 2, соединенным через частотный преобразователь 3 и блок аналогового вывода 14 с контроллером 5. Система содержит управляющий контроллер 5, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода 6 с датчиками 7, 8, 9 параметров рабочей среды в полостях гидроцилиндра насоса, второй вход посредством цифрового блока ввода 10 соединен с датчиками 11 и 12 положения штока гидроцилиндра, а третий вход соединен с блоком питания 4. Для подачи питания на электрогидравлическую аппаратуру 13 и включения элементов силового блока 1 первый выход контроллера 5 посредством аналогового блока вывода 14 соединен с частотным преобразователем 3, а второй выход посредством цифрового блока вывода 15 через блок коммутации 16 соединен с первым входом блока коммутационной и силовой аппаратуры 17, осуществляющим включение или выключение электродвигателя 2 масляного насоса, ТЭН 18 и электродвигателя 19 вентилятора системы охлаждения масла. Второй вход блока коммутационной и силовой аппаратуры 17 соединен с блоком 4 сетевого питания привода, при этом для плавного регулирования скорости электродвигателя 2 масляного насоса первый выход блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры соединен посредством частотного преобразователя 3 с обмотками двигателя 2. Выходы блока 4 сетевого питания соответственно подсоединены к входам датчиков 11 и 12 положения штока гидроцилиндра, к входу блока коммутации 16 и к входу управляющего контроллера 5.
Первый вход управляющего контроллера 5 соединен посредством аналогового блока ввода 6 с датчиком 7 уровня масла в полостях гидроцилиндра насоса. Первый вход управляющего контроллера 5 соединен посредством аналогового блока ввода 6 с датчиком 8 температуры масла в гидросистеме. Первый вход управляющего контроллера 5 соединен посредством аналогового блока ввода 6 с датчиками 9 давления в полостях гидроцилиндра.
Второй выход блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры соединен с электродвигателем 19 вентилятора охлаждения масла.
Третий выход блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры соединен с масляными ТЭН 18.
Выход блока сетевого питания 4 подсоединен к входу блока фазоуказателя 20, выход которого подсоединен к входу аналогового блока ввода 6.
Система управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса по второму варианту выполнения содержит силовой блок 1 с насосом (на схеме не показан) и двигателем 2, соединенным через частотный преобразователь 3 и блок аналогового вывода 14 с контроллером 5. Система содержит управляющий контроллер 5, первый вход которого соединен посредством аналогового блока ввода 6 с датчиками 7, 8, 9 параметров рабочей среды в полостях гидроцилиндра и с датчиком 21 температуры шкафа управления 22. Второй вход контроллера 5 посредством цифрового блока ввода 10 соединен с датчиками 11 и 12 положения штока гидроцилиндра, а третий вход соединен с блоком питания 4. Для подачи питания и включения элементов силового блока 1 первый выход контроллера 5 посредством аналогового блока вывода 14 соединен с частотным преобразователем 3, а второй выход посредством цифрового блока вывода 15 через блок коммутации 16 соединен с первым входом блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры, осуществляющим включение или выключение электродвигателя 2 масляного насоса, ТЭН 18 и электродвигателя 19 системы охлаждения масла. Второй вход блока коммутационной и силовой аппаратуры 17 соединен с блоком 4 сетевого питания привода. Выходы блока 4 сетевого питания подсоединены соответственно к входам датчиков 11 и 12 положения штока гидроцилиндра, к входу блока коммутации 16, к входу управляющего контроллера 5 и к входу автономной системы 23 регулирования температуры шкафа управления 22, содержащей соединенные с ней датчики температуры 24 и ТЭН 25 шкафа управления. Выход автономной системы 23 соединен с входом блока питания 4, при этом для плавного регулирования скорости электродвигателя 2 масляного насоса первый выход блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры соединен посредством частотного преобразователя 3 с обмотками двигателя 2.
Работа системы управления гидравлическим приводом глубинного штангового насоса осуществляется следующим образом.
Информация о том, сработал ли датчик положения (верхний 11 или нижний 12), поступает на управляющий контроллер 5 через цифровой блок ввода 10. Данные с аналоговых датчиков 7, 8, 9 состояния гидроаппаратуры поступают на аналоговый блок ввода 6. Туда же поступает выходной сигнал блока фазоуказателя 20. Для управления электрогидравлической аппаратурой 13 управляющий контроллер 5 выдает сигналы на цифровой блок вывода 15. С его выхода сигналы поступают на блок коммутации 16, а он коммутирует питающие напряжения с блока питания 4 на соответствующий электрогидравлический распределитель 13 или клапан. Так же управляется ТЭН 25 шкафа управления 22 от управляющего контроллера 5. Для включения/выключения электродвигателей 2 и 19 и масляных ТЭН 18 силового блока сигналы с цифрового блока вывода 15 через блок коммутации 16 включают элементы блока 17 коммутационной и силовой аппаратуры, и питание подается на соответствующий компонент. На блок фазоуказателя 20 подается сетевое напряжение привода и напряжение питания электронной части с блока питания 4. На выходе дискретный сигнал поступает на аналоговый блок ввода 6.
Автономная система регулирования температуры шкафа управления 23 предназначена для подачи питания на электронную часть схемы в зимнее время только после ее прогрева, что позволяет избежать выпадения росы на контакты при поданном электропитании. Если температура при включении схемы находится ниже установленной, то автономная система регулирования температуры шкафа управления 23 подает питание на ТЭН шкафа управления 25. Питание электрической части схемы разрешается только после того, как система управления прогрелась до определенной температуры (часть блока питания 4 запитывается через автономную систему регулирования температуры шкафа управления 23). Аналоговый сигнал с аналогового блока вывода 14 управляющего контроллера 5 поступает на частотный преобразователь 3, что позволяет плавно менять скорость вращения электродвигателя 2 масляного насоса и тем самым изменять скорость движения штока гидроцилиндра.