УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА, ОБОРУДОВАННОГО СТАНКОМ-КАЧАЛКОЙ

Полезная модель относится к системам автоматизации процессов управления глубинно-насосными установками, оборудованными станком-качалкой.
Известно устройство для автоматического управления глубинно-насосной установкой нефтяных скважин (SU 1423795, опубл. 15.09.1988 г.), обладающее недостаточной точностью регулирования скорости приводного двигателя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство автоматического управления глубинно-насосной установкой нефтяных скважин, оборудованное станком-качалкой и включающее блок управления, сумматор, преобразователь, арифметическое устройство, связанные с генератором импульсов, который получает сигналы с датчиков направления хода штока нагнетания насоса и датчика пульсаций давления в выходной магистрали (RU 2070667, опубл. 20.12.1996 г.). Устройство осуществляет ступенчатое регулирование скорости приводного электродвигателя.
Недостатком такого устройства является сложность контролирования пульсаций давления, обусловленная их зависимостью от свойств перекачиваемой жидкости (температура, плотность, вязкость, газосодержание и др.) и, соответственно, недостаточная точность регулирования электропривода с целью оптимизации коэффициента заполнения насоса.
Технический результат заключается в создании устройства управления электроприводом штангового глубинного насоса (ШГН), оборудованного станком-качалкой, способного оптимизировать коэффициент заполнения насоса и с высокой точностью регулировать частоту вращения ротора электродвигателя за счет функционирования блоков, позволяющих корректировать параметры работающего электропривода с учетом поправок на энергетические потери, зависящие от скорости вращения его ротора.
Технический результат достигается в результате того, что в устройстве управления электроприводом штангового глубинного насоса, оборудованного станком-качалкой, содержащем контроллер и частотный преобразователь, согласно формуле полезной модели, контроллер включает последовательно соединенные таймер цикла качания ШГН, сумматор, блок усреднения, блок корректировки, регистр и регулятор, связанный с частотным преобразователем, а также включает таймер интервала «сканирования» и блок «сканирования», связанные между собой прямой и обратной связями. Блок «сканирования» выполнен с возможностью тестирования потребленной энергии за цикл качания ШГН на различных частотах вращения ротора электродвигателя, аппроксимирования полученной зависимости квадратичной функцией и экстраполяции до нулевого значения, а также связан через регулятор с частотным преобразователем. Контроллер выполнен с возможностью расчетов потребленной электроэнергии за цикл качания ШГН и коэффициента заполнения насоса, а частотный преобразователь выполнен в виде электронного преобразователя с встроенным программным обеспечением и возможностью измерения текущей активной мощности штангового глубинного насоса и задания частоты вращения ротора электродвигателя в зависимости от входного сигнала контроллера.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - зависимость потребленной активная энергия за цикл качания станка-качалки ШГН от частоты вращения электродвигателя, где
min
n - минимальная частота вращения ротора электродвигателя, Гц;
max
n - максимальная частота вращения ротора электродвигателя, Гц.
ц
E - потребленная активная энергия за цикл качания станка-качалки ШГН, Дж;
1
E - полезная работа ШГН, Дж;
2
E - работа сил трения, не зависящих от n, Дж;
3
E - работа сил трения, зависящих от n, Дж;
ц
Заявляемое устройство состоит из контроллера 1, который включает последовательно соединенные таймер 2 цикла качания станка качалки ШГН (не показан), сумматор 3, блок усреднения 4. Таймер 3 задает цикл работы станка-качалки (Т).
тек.акт
ц
ц ср
Сумматор 3 в течение заданного периода времени «накапливает» и суммирует активную потребляемую мощность P за 1 цикл качания T. Блок усреднения 4 служит для определения среднего значения расхода электроэнергии E за несколько циклов качания.
с
ц
ц
Блок 5 представляет собой таймер, который задает интервал «сканирования» Т величины Е за цикл качания Т.
Под «сканированием» понимают осуществление замеров потребленной электроэнергии за цикл качания на различных скоростях вращения электродвигателя, аппроксимирование полученной зависимости квадратичной функции и экстраполирование до нулевого значения частоты вращения ротора электродвигателя п.
Известно (А.Н. Адонин. Добыча нефти штанговыми глубинными насосами под редакцией В.М. Муравьева, Москва, «Недра», 1979 г., стр. 5-7), что потери сил трения в ШГН подразделяются на:
1 - работу гидродинамических сил трения;
2 - работу сил местного сопротивления;
3 - работу сил сопротивления в паре плунжер-цилиндр;
4 - работу сил сопротивления в клапанах;
5 - работу сил полужидкого трения.
Работы 1, 2, 4 существенно зависят от величины n, т.к. они пропорциональны квадрату n.
3
2
1
Таким образом, все потери можно условно разделить на зависящие от скорости n (зона Е) и не зависящие от нее (зона Е) (фиг. 2). Зоной Ε отмечена полезная работа насоса. Распределение энергии зависит от многих факторов:
- параметров скважины (глубина спуска, кривизна и др),
- параметров жидкости (температура, вязкость, газосодержание и др.),
- режима работы ШГН (динамический уровень, затрубное давление, линейное давление и др.).
Для отделения потерь, зависящих от величины n, в общих энергетических затратах блок 6 осуществляет следующие операции:
- протестировать (сканировать) потребление энергии за цикл качания на различных частотах;
- аппроксимировать полученную зависимость квадратичной функции;
- экстраполировать до нулевого значения n.
Полученный результат является суммой полезной работы ШГН и работы сил трения, не зависящих от n. Максимизация этого значения в зависимости от величины n позволяет оптимизировать работу насоса.
ц
3
ц
3
1
2
Блок 7 осуществляет корректировку Е с учетом Е (Е-Е),а регистр 8 сохраняет максимальное значение суммы (Ε и Е), где
1
Ε - полезная работа ШГН, Дж,;
2
Е -работа сил трения, не зависящих от n, Дж;
1
2
В регуляторе 9 по сигналам с блоков 6 и 8 осуществляется максимизация суммы (E+Е). Сигнал с блока 9 поступает на вход частотного преобразователя 10, в котором управляющее воздействие блока 9 преобразуется в величину частоты вращения n ротора электродвигателя 11, который управляет электроприводом станка-качалки (не показан), обеспечивая максимальный коэффициент заполнения насоса К, т.е. отношение текущей потребленной энергии за цикл качания насоса к максимальной теоретически возможной.
акт
Частотный преобразователь 10 на выходе формирует сигнал о величине необходимой активной мощности Р электродвигателя 11 и преобразует в управляющий сигнал.
Порядок работы устройства следующий.
тек.акт.
ц ср
Частотный преобразователь 10 подает сигнал о величине текущей активной мощности Р электродвигателя 11, который поступает на вход блока усреднения 4, с выхода его сигнал о величине Е подается на блок 7. На вход блока 7 также поступает сигнал с блока 6, а затем - в регистр хранения 8.
На вход регистра хранения 8 поступает сигнал с блока 7,с выхода которого на второй сумматор 9 поступает сигнал, который с помощью частотного преобразователя 10 преобразуется в управляющий сигнал, который формирует напряжение (W) и частоту (n), необходимые для эффективной работы электродвигателя 11.