Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО «Татнефть»

1. Технико-технологическая часть

1.1 Общие сведения об ОАО " Татнефть"

Общие сведения: ОАО «Татнефть» — одна из крупнейших в нефтегазовом комплексе России. Основная деятельность компании «Татнефть» осуществляется на территории Российской Федерации.

ОАО «Татнефть» является холдинговой структурой, в состав которой входят нефтегазодобывающие управления, нефтегазоперерабатывающие, нефтехимические предприятия, а также предприятия и сервисные производства, реализующие нефть, продукты нефтегазо — переработки и нефтехимии.

Ежегодный объем добычи нефти Компанией составляет более 25 миллионов тонн, газа — более 700 млн. куб. м.

ОАО «Татнефть» в настоящее время предоставлены лицензии на разработку 77 месторождений в Республике Татарстан, где сосредоточены основные запасы нефти республики.

Одним из основных приоритетов Компании является охрана окружающей среды и обеспечение поизводственной и промышленной безопасности. Важнейшей составляющей деятельности Компании «Татнефть» является совершенствование и разработка новых методов нефтедобычи. Развитие прогрессивных наукоемких технологий, а также увеличение объемов и видов предоставляемых высокотехнологичных производственных услуг укрепляет инновационный потенциал Компании и обеспечивает одно из значимых конкурентных преимуществ ОАО «Татнефть» в отрасли.

1.2 Применение контроллеров частоты при нефтедобыче

Целью данной работы является анализ внедрения контроллеров частоты различных видов с тем чтобы автоматизировать процесс нефтедобычи и сократить потребление электроэнергии в нефтегазодобывающих управлениях ОАО «Татнефть» .

Современный подход к автоматизации процессов нефтедобычи диктует жесткие требования к программно — аппаратным комплексам контроля и управления штанговыми глубинными насосами (ШГН). Это обусловлено истощением ресурсов нефтяных пластов, высокой стоимостью электроэнергии, стремлением нефтяных компаний снизить затраты на ремонт скважин и более эффективно использовать свой персонал.

Если раньше технические средства позволяли лишь периодически проводить измерения технологических параметров на скважинах операторами при помощи переносных комплектов оборудования, то стационарно установленные на месторождениях современные микропроцессорные контроллеры делают возможным непрерывный автоматический их контроль. Применительно к скважинам, эксплуатируемым штанговыми глубинными насосами, это означает измерение таких технологических параметров, как динамограмма (зависимость усилия на полированном штоке от перемещения точки подвеса штанг), динамический уровень, ваттметрограмма (зависимость потребляемой мощности от перемещения точки подвеса штанг), влияние газового фактора, давление на устье скважины, суточная производительность скважины и других. При этом функции управления должны обеспечивать дистанционное включение и отключение приводного электродвигателя, аварийное отключение установки, периодический режим эксплуатации, плавное регулирование скорости вращения при помощи преобразователя частоты.

К настоящему времени известен целый ряд разработчиков и производителей контроллеров и станций управления для установок ШГН. Среди зарубежных фирм это «Lufkin Automation» (США), «eProduction Solutions» (США), «ABB» (США), «Automation Electronics» (США), «DrSCADA Automation» (США), «R&M Energy Systems» (США), «International Automation Resources» (США) и «SPOC Automation» (США). Известны также отечественные разработчики, среди которых можно выделить НПФ «Экос» (Уфа), НПФ «Интек» (Уфа), ГУПНН «Авитрон-Ойл» (Уфа), НПО «Интротест» (Екатеринбург), НПФ «Интеграл +» (Казань), «Шатл» (Казань), ЗАО «Линт» (Казань), ООО «Аякс» (Ульяновск) и других.

Использование современных интеллектуальных контроллеров обеспечивает решение таких задач, как автоматизация работы станка-качалки, оптимизация режимов работы оборудования, оперативное выявление аварийных ситуаций и несоответствия режимов эксплуатации оборудования, оперативная передача информации о состоянии объекта на пульт оператора по системе телемеханики.

Системы телемеханики на сегодняшний день строятся, как правило, с использованием радиоканала. Поэтому типичная станция управления включает в себя контроллер, силовой коммутатор для включения и отключения электродвигателя, радиомодем и набор датчиков технологических параметров. Отдельные станции управления имеют в своем составе преобразователи частоты для регулирования скорости вращения электродвигателя.

Ниже делается попытка рассмотреть функциональные возможности этих контроллеров и сопоставить их характеристики.

1.3 Зарубежные контроллеры ШГН

Разработкой систем автоматизации для нефтедобывающей промышленности и контроллеров ШГН в частности занимаются такие зарубежных фирмы как «Lufkin Automation» (США), «eProduction Solutions» (США), «ABB» (США), «Automation Electronics» (США), «DrSCADA Automation» (США), «R&M Energy Systems» (США), «International Automation Resources» (США) и «SPOC Automation» (США).

Контроллер SAM Well Manager фирмы Lufkin является на сегодняшний день самым распространенным во всем мире. Контроллер предусматривает подключение аналоговых датчиков усилия и положения, а также дискретных датчиков положения, расположенных на валу электродвигателя и выходном валу редуктора. Данные с этих датчиков используются для контроля и управления работой насосной установки и для визуального отображения графических данных на жидкокристаллическом дисплее или на экране портативного компьютера в легком для понимания формате.

Контроллер SAM Well Manager по формируемой динамограмме определяет степень заполнения жидкостью ствола скважины. Если анализ покажет, что скважина опустошена, то насос отключается и скважина переводится в режим накопления. В этом режиме она снова заполняется жидкостью, после чего блок управления включает двигатель насоса и начинает откачку.

Программное обеспечение контроллера SAM Well Manager обеспечивает обнаружение по динамограмме отдельных неисправностей в насосной установке. Непосредственно на скважине могут быть просмотрены «архивные» данные в виде диаграмм и отчетов на встроенном дисплее.

Контроллер SAM Well Manager предусматривает возможность работы с двумя конфигурациями датчиков динамометрирования:

1) датчик усилия располагается на штоке над верхней траверсой (датчик типа Loadtrol), датчик положения, работающий на эффекте Холла, устанавливается на выходном валу редуктора;

2) датчик деформации балансира совмещен с датчиком угла наклона балансира.

Контроллер предусматривает 3 режима работы:

1) все включения и отключения электродвигателя производятся по командам с диспетчерского пункта;

2) включения и отключения электродвигателя производятся по заданным временным уставкам (периодическая эксплуатация);

3) управление осуществляется автоматически по результатам анализа динамограмм.

Контроллер имеет аналоговый выход для подключения частотного преобразователя для плавной регулировки скорости вращения электродвигателя.

В настоящее время данные контроллеры устанавливаются в станции управления «СКАД», выпускаемые АЦБПО ЭПУ ОАО «Татнефть» .

Недостатком данной системы является высокая стоимость. Так, например, стоимость только контроллера фирмы «Lufkin» (США) в комплекте с датчиками динамометрирования соизмерима с ценой целой станции управления в полной комплектации отечественного производства.

Фирма «eProduction Solutions» (США) предлагает сразу целый ряд контроллеров для установки на скважинах ШГН. Это контроллеры CAC2000, CAC8800, ePIC, ePAC и iBEAM.

Функциональные возможности первых трех контроллеров аналогичны SAM Well Manager фирмы Lufkin. Предусматривается подключение пассивных датчиков усилия, расположенных на штоке (датчик типа Loadtrol) или на балансире, а также датчиков параметров движения штока нескольких типов: датчиков Холла, расположенных на валу кривошипа, датчиков угла наклона балансира и потенциометрических датчиков угла. Измерение сигналов с аналоговых датчиков производится 12-разрядным АЦП с частотой 20 Гц. Возможно осуществление калибровки датчиков непосредственно на скважине. Имеются клавиатура и графический дисплей для просмотра данных (рисунок 2). Определяется степень сбалансированности противовесов насосной установки. В отличие от предыдущих изделий ePAC представляет собой целую систему регулируемого электропривода для насосной установки. Он позволяет варьировать в широких пределах скорость качаний насоса, а также раздельно оптимизировать время хода плунжера вверх и вниз. Наиболее оригинальной разработкой фирмы является устанавливаемый на балансире станка-качалки контроллер iBEAM. Он укрепляется с помощью струбцины на балансире, на его верхней поверхности расположена солнечная батарея, обеспечивающая автономную работу устройства. Для работы в ночное время имеется встроенная аккумуляторная батарея. Непосредственно рядом с контроллером устанавливаются совмещенные датчики деформации и угла наклона балансира. Измеренные динамограммы передаются с помощью маломощного радиопередатчика на приемный терминал, расположенный возле блока управления электродвигателем.

В данной системе полностью исключаются подвижные кабели от датчиков и кабели подвода питания, а соответственно повышается надежность и долговечность. В настоящее время контроллером iBEAM оснащено около 25 тысяч скважин во всем мире.

В некоторых случаях бывает целесообразно обслуживать одним контроллером целый куст близкорасположенных скважин. Эта возможность реализована в контроллере фирмы «International Automation Resources» (США). Но применение пассивных аналоговых датчиков усилия ограничивает длину соединительных кабелей несколькими десятками метров. Поэтому для подключения удаленных датчиков применяются специальные преобразователи выходных сигналов пассивных датчиков в токовый сигнал 4−20 мА. Однако даже токовый аналоговый сигнал подвержен воздействию электромагнитных помех, и использование датчиков с цифровым выходом было бы в этом случае более целесообразным.

Контроллер AEPOC 2100 фирмы «Automation Electronics» (США) отличается от остальных высокой разрешающей способностью АЦП. Для оцифровки сигналов с датчиков усилия и перемещения используется 16-разрядное АЦП. При этом в качестве датчика перемещения могут использоваться датчики начала хода, потенциометры, «жидкостные» и «сухие» инклинометры. Гибкий алгоритм определения срыва подачи позволяет работать с горизонтальными и сильнозагазованными скважинами.

Мировой лидер в производстве силовой электроники компания «ABB» (США) выпустила контроллер ALC 600. Контроллер предусматривает подключение датчиков усилия и положения и рассчитан на совместную работу с преобразователем частоты. Выпускается 12 вариантов станций управления с этим контроллером для электродвигателей мощностью от 6 до 100 кВА. Для работы в условиях холодного климата в шкафу предусмотрена система подогрева.

Таблица 1.1 Характеристики импортных контроллеров ШГН

ДДБ* - Датчик деформации балансира ДХ** - Датчик Холла, устанавливаемый на выходном валу редуктора ДУН*** - Датчик угла наклона балансира ПДУ**** - Потенциометрический датчик угла Характеристики импортных контроллеров ШГН приведены в таблице 1.1.

1.4 Отечественные контроллеры ШГН

Рассмотрим функциональные возможности контроллеров управления ШГН отечественной разработки. В данный обзор не вошли некоторые уже морально устаревшие контроллеры, а также контроллеры, не получившие широкого распространения и оставшиеся опытными образцами.

Станция управления «Интел-СУС» (ЗАО «Линт», Казань), в комплекте с контроллером «Телебит» и датчиками динамометрирования ДДС — 04 имеет практически аналогичные импортным системам функциональные возможности и представляет собой законченное изделие. Система комплектуется программным обеспечением на всех уровнях.

Помимо датчиков динамометрирования к контроллеру подключаются датчики ваттметрирования для контроля энергетических параметров: токов и напряжений по каждой фазе, активной и реактивной мощности, коэффициента мощности, проведения технического учета электроэнергии и построения ваттметрограмм.

Широкое применение на промыслах Татарии получили контроллеры «Мега» (НПФ «Интек», Уфа). Настоящие котроллеры работают как с датчиками динамометрирования собственной разработки, так и с ДДС-04.

Функционально контроллер аналогичен описанным выше, система комплектуется собственным программным обеспечением. Часть скважин не оборудована датчиками положения, определение начала хода штока производится путем математического анализа графика изменения усилия.

Контроллер телемеханики скважины КTC.1 (НПО «Интротест», Екатеринбург). Контроллер телемеханики скважины предназначен для телемеханизации посредством радиоканала отдельно стоящих нефтедобывающих скважин, расположенных в радиусе до 6 км от кустовых площадок. При этом кустовой контроллер системы телемеханики будет являться управляющим контроллером.

Контроллер телемеханики скважины состоит из трех блоков:

1) микроконтроллер А812−01;

2) радиомодем «Невод — 5» ;

3) блок питания БП24В/20W/DIN.

Контроллер комплектуется антенной диапазона 433 МГц, тип которой выбирается в зависимости от условий применения.

К контроллеру подключается динамограф СДА-10-ШГН производства НПО «Интротест», устанавливаемый между траверсами канатной подвески и имеющий форму замкнутого кольца. Выходные сигналы динамографа по каналам измерения усилия и ускорения заводится в контроллер как аналоговые токовые сигналы 4−20 мА.

Следует отметить, что используемый в контроллере микропроцессор ADuC812 на сегодняшний день морально устарел, и его мощность не позволяет в достаточной степени реализовать на месте какие-либо функции анализа режима работы и управления ШГН.

Определенных успехов достигли и разработчики контроллера «Орион» («Аякс», Ульяновск). Указанные контроллеры на сегодняшний день наиболее приспособлены для совместной работы с элементами системы ДДС-04 в плане сбора и представления информации. Формирование массива динамограммы происходит непосредственно в самом датчике динамографа, контроллеру нужно лишь периодически считывать массив из памяти датчика по цифровому протоколу «Modbus-RTU». В датчике реализована функция сравнения динамограмм, и если форма динамограммы не изменилась, передача массива не требуется, что освобождает каналы связи.

Программное обеспечение системы телемеханики позволяет отправлять измеренные динамограммы и рассчитанные данные по дебиту в корпоративную систему «Армитс», охватывающую все нефтегазодобывающие предприятия ОАО «Татнефть» .

Примером законченной отечественной системы автоматизации установки ШГН является станция управления АСУС-02 НПФ «Экос». Автоматизированная станция АСУС-02 имеет силовую часть, специализированный контроллер, выполненный на 16-ти разрядном RISC-процессоре, и радиостанцию, обеспечивающую связь с диспетчерским пунктом.

Отличительной особенностью станции управления АСУС-02 является то, что в ней реализовано ваттметрирование с отлаженным алгоритмом определения таких характеристик как: перегрузка по току, отклонение напряжения от нормы, перекос фаз, отклонение частоты питающего напряжения, коэффициента гармоник, коэффициента мощности, обрыв и проскальзывание ремней, биение в редукторе, разбаланс противовесов, и других. Станция укомплектовывается также элементами систем динамометрирования ДДС-04. Возможность станции управления АСУС-02 совмещать функции ваттметрирования и динамометрирования является важным достоинством, поскольку повышает достоверность диагностики режима работы установки и выявления неисправностей.

Кроме перечисленных выше, станция управления АСУС-02 обладает следующими возможностями:

— точная автоматизированная балансировка станка-качалки;

— подсчет потребленной электроэнергии;

— определение производительности скважинной установки по динамограмме;

— оценка динамики изменения дебита скважины;

— часовой (за последние 24 часа) и суточный (за последние 30 суток) архивы дебита;

— автоматическое управление откачкой в периодическом режиме;

— программируемая задержка автоматического включения при пропадании напряжения в сети;

— автоматическое выключение при аварийных ситуациях;

— построение динамограмм расчетным и экспериментальным способами;

— графики изменения во времени параметров (тренды);

— отчеты текущего состояния и последнего аварийного отключения;

— интеграция в SCADA-системы.

Дополнительно в станцию может быть установлен контроллер расширения с 16 цифровыми и 8 аналоговыми входами, что позваляет подключать к станции дополнительную измерительную, исследовательскую, контрольную аппаратуру скважины и других обьектов и передавать всю эту информацию на диспетчерский пункт. В станцию управления может устанавливаться программируемая панель отображения с графическим жидкокристаллическим индикатором (320×240 точек) и 18-ти кнопочной клавиатурой. Обмен данными и загрузка специализированного программного обеспечения происходит через порт RS-485 по протоколу MODBUS.

В таблице делается сравнение характеристик отечественных контроллеров ШГН. По итогам сравнения можно сделать следующие выводы:

1. Большинство отечественных контроллеров работают с цифровыми датчиками динамометрирования ДДС-04 производства НПП «Грант» .

2. Во многих системах предусмотрен контроль ваттметрограмм.

3. Практически все контроллеры не поддерживают управление частотным преобразователем.

4. В отечественных контроллерах отсутствуют встроенные средства ввода/вывода информации непосредственно на скважине — дисплеи и клавиатуры.

Табл. 1.2 Характеристики отечественных контроллеров ШГН

ДДС-04* - Датчик усилия ДДС-04 производства НПП «Грант» .

ДП-04** - Датчик положения ДП-04 производства НПП «Грант», используется датчик Холла, устанавливаемый на выходном валу редуктора, фиксирует нижнюю и верхнюю мертвые точки.

ДУН*** - Датчик угла наклона балансира.

Сравнивая зарубежные и отечественные системы автоматизации ШГН можно заключить:

1. Выполняемые функции анализа динамограмм зарубежных и отечественных систем аналогичны, отличаются лишь алгоритмы их реализации.

2. В импортных системах используются пассивные датчики усилия. Практически все отечественные контроллеры работают с современными датчиками, имеющими цифровой либо токовый выходной сигнал.

3. В большинстве отечественных систем помимо динамометрирования производится еще контроль электрических параметров — ваттметрирование, тогда как в зарубежные контроллерах (например, фирмы Lufkin) эта функция, как правило, отсутствует.

4. В зарубежных контроллерах в большинстве случаев есть средства ввода и отображения информации непосредственно на объектеграфические дисплеи с клавиатурой. В отечественных разработках для настройки предусматривается подключение ноутбука (в станции управления АСУС-02 возможна установка специальной панели отображения информации).

5. В зарубежных контроллерах предусмотрена функция управления частотным регулятором — есть соответствующий выходной сигнал и заложены необходимые алгоритмы управления. Из отечественных разработчиков только фирма «Шатл» имеет опыт управления частотнорегулируемым электроприводом цепной установки. Очевидно, это объясняется тем, что в настоящее время стоимость частотных регуляторов является слишком высокой для массового оснащения ими всего фонда скважин.

6. Стоимость импортных систем существенно выше, чем стоимость отечественных разработок. Кроме того, при использовании отечественных станций управления все проблемы с ремонтом и модернизацией оборудования будут решаться значительно быстрее.

1.5 Отличительные особенности цепного привода от станка качалки

Начало внедрения цепного привода в процесс добычи нефти был начат в 2003 году. Тогда это было сделано лишь в экспериментальных целях. На практике цепной привод показал очень хорошие результаты и одним из этих результатов было снижение энергозатрат на подъём продукции из пласта. В среднем это снижение составляло 10−50%. Вот наглядные данные по преимуществу цепного привода от балансирного станка-качалки:

Таблица 1.3 Сравнение ОПНШ и ПЦ

Установлено, что на многих скважинах, эксплуатируемых цепными приводами, возможно снижение мощности электродвигателя с 5,5 до 3 и 2 кВт. Результаты замеров при мощности электродвигателей приводов 5,5 и 2,2 кВт в сравнении со станком-качалкой ОПНШ-30.

Результаты на лицо: даже обычный цепной привод гораздо экономичней станка-качалки. Но не стоит на этом останавливаться — применение датчиков, контроллеров и прочих микропроцессорных средств выведет процесс нефтедобычи на ещё более экономичный уровень.

1.6 " Альметьевнефть" : от испытаний до массового внедрения

Внедрение контроллеров фирмы Lufkin является новым крупным проектом ОАО «Татнефть». С импортным оборудованием для контроля добычи в «Татнефти» знакомы еще с середины девяностых, когда проведенные испытания в нефтегазодобывающем управлении «Альметьевнефть» показали эффективность применения контроллеров Baker и DeltaX. Но цены на новое оборудование, согласно проведенным расчетам, тогда сочли слишком высокими для массового внедрения. В то же время, первые попытки выхода на рынок делали и российские производители, компания «Линт» (Казань) и «Интек» (Уфа), имелись разработки и у Fisher Rosemount. Последняя является подразделением компании Emerson Process Management, осуществляющей сборку некоторых продуктов в Челябинске на заводе Мetran, также входящем в состав Emerson. В поиске оптимального решения «Татнефть» провела не один год, пока в 2004 году специалисты производственного управления ОАО «Татнефть» во время посещения летней ежегодной нефтегазовой выставки в Москве не заглянули на стенд компании Lufkin. Сотрудники Lufkin подробно рассказали о результатах применения контроллеров в «Белоруснефти» (см. НГЕ № 8, 2006, стр. 16−27) и провели предварительные расчеты. Так с 2005 года контроллер SAM Well Manager, продукт нового поколения компании Lufkin, появился в «Татнефти». От своего предшественника, применяемого в Беларуси, он отличается более широкими возможностями в оптимизации работы скважин.

Немного дороже, намного надежнее Проведенные в 2007 году испытания первой партии из десяти контроллеров, восемь из которых попали на промыслы «Альметьевнефти», продемонстрировали хорошие результаты, высокие потребительские качества и надежность в эксплуатации. Новый контроллер Lufkin не только передает всю информацию на клиентские места специалистов, но и производит полный ее анализ и управление скважиной по заданным критериям.

У контроллера возможности большие, подтверждают специалисты «Альметьевнефти», перечисляя при этом главные: позволяет оптимизировать эксплуатационные параметры системы «нефтяной пласт — насос», обеспечивает контроль производительности скважины, проводит диагностику оборудования, осуществляет непрерывный контроль состояния глубинно-насосного и поверхностного оборудования.

Работа контроллера основана на математической обработке показаний всего лишь трех датчиков: положения, числа оборотов и нагрузки, которые устанавливаются на кривошип, вал электродвигателя и полированный шток. Причем обработка производится мощным процессором контроллера автономно, непосредственно на скважине.

С 2006 года в систему контроля автоматизированной добычи вошел программно-технический комплекс XSPOC, компании Theta Enterprises, к которому в настоящее время подключены все контроллеры. ПО XSPOC позволяет дистанционно контролировать и анализировать состояние скважины и оборудования. Сегодня специалисты компании, для которых созданы клиентские места для взаимодействия с системой, имеют возможность работать с русифицированной версией этого продукта.

Проблемы разные — решение одно Стандартные возможности контроллера в «Альметьевнефти» используют с применением наработанного опыта и знаний. Творческий подход специалистов позволяет говорить о «ноу-хау», новых технологиях, разработанных с использованием оборудования Lufkin в качестве эффективного инструмента управления процессом добычи.

Проблема АСПО в «Татнефти» решена эксплуатацией штанг со скребками-центраторами. Однако на ряде скважин структура АСПВ имеет густую жидкую форму, поэтому механический метод борьбы бывает недостаточен. Наиболее тяжелые, часто ремонтируемые из них были оборудованы контроллерами. До внедрения контроллеров на этих скважинах проводилось до 6 профилактических обработок в год, и даже при таком количестве, они были, в основном, неэффективными, поскольку проводились несвоевременно. «Мы опаздывали с обработками, приходили, когда уже появлялась критическая масса отложений парафина. Чтобы не усугублять ситуацию, вынуждены были проводить подземные ремонты. Продолжительность межремонтного периода была низкой, — комментирует Латфуллин. — Сегодня количество профилактических обработок снижено, в среднем, до четырех в год, за счет их своевременности и высокой эффективности. В результате увеличился коэффициент эксплуатации с 0,89 до 0,96 и соответственно увеличился среднесуточный дебит» .

Вот наглядный пример работы интеллектуальной скважины. На рис. 1 представлена динамика работы скважины 11 326 с ноября 2007 года по сегодняшний день, где красная кривая — количество циклов работы и накопления, а зеленая — суточная добыча. Стабильность пластового и забойного давлений по данной скважине значительно зависит от стабильности работы нагнетательных скважин. В апреле прошлого года нагнетательная скважина, которая непосредственно влияет на эту скважину, до ноября ушла в капитальный ремонт по причине аварии с глубинно-насосным оборудованием.

Пластовое давление снизилось со 140 до 100 атм., а дебит с 19 до 3 м³/сут. Наличие контроллера на данной скважине позволило обеспечить автоматический перевод работы скважины в саморегулируемый режим откачки по заданному забойному давлению, что является наиболее оптимальным вариантом, при этом количество циклов в некоторые дни доходило до 17. Как видно, за 3,5 месяца после запуска нагнетательной скважины режим работы добывающей скважины полностью восстановлен. Необходимо отметить, что данный процесс происходил без участия специалистов, рабочего персонала нефтепромысла и дополнительных гидродинамических исследований. Единственное, что было задано специалистами заранее — уставка наполнения насоса.

Контроллеры обеспечивают дополнительные возможности В ближайшем будущем в «Альметьевнефти» контроллеры Lufkin собираются дополнительно задействовать и для контроля нефтепромыслового оборудования, в частности, для защиты эксплуатационной колонны от наружной коррозии, которая осуществляется станциями катодной защиты. Подключив станцию управления к свободному аналоговому входу контроллера Lufkin, контроль над катодной защитой можно будет осуществлять оперативно с диспетчерского пульта.

Помимо контроля над скважинами с ШГН сегодня можно говорить и о возможностях контроля работы ЭЦН, станции управления которых, подключаются к ПТК XSPOC. О состоянии трех скважин, оборудованных ЭЦН, сегодня технологи «Альметьевнефти» могут судить, получая дистанционно данные о динамике работы скважины, давлении на приеме насоса, температуре, вибрации, нагрузке и напряжении погружного электродвигателя.

На четырех площадях Ромашкинского месторождения: Альметьевской, Северо-Альметьевской, Березовской и Миннибаевской, а также на Бухарском месторождении, на девонских горизонтах и залежах высокосернистой нефти — контроллеры Lufkin повсюду продемонстрировали надежность и возможности, ограниченные только фантазией специалистов «Альметьевнефти» .

Динамика работы скважины представлена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 Динамика работы скважины

2. Расчетно-техническая часть

2.1 Выбор и согласование параметров частотно — регулируемого асинхронного электропривода

В составе частотно-регулируемого асинхронного электропривода выбор и согласование параметров преобразователя частоты и асинхронного короткозамкнутого двигателя является главным вопросом. Для выбора двигателя и преобразователя частоты нужно учитывать следующие параметры:

— диапазон регулирования частоты вращения двигателя (для определения числа полюсов двигателя и номинальной частоты вращения двигателя);

— нагрузочную характеристику (она определяет ограничения, связанные с охлаждением двигателя и выходом в зону ослабленного поля, т. е. на частоту вращения ротора двигателя выше его номинальной по техническим условиям на двигатель);

— требуемый крутящий момент двигателя (он требуется для определения мощности двигателя);

— тип и мощность преобразователя частоты, учитывая следующие особенности:

— управление одним двигателем или группой;

— двигатель погружной;

— двигатель взрывозащищенный;

— двигатель двухскоростной.

Выбор преобразователя частоты и двигателя для вентилятора/насоса сводится к выполнению алгоритма. Алгоритмы описываются ниже приведенными формулами. Расчет требуемого крутящего момента на валу двигателя

(2.1)

где Р_Н — мощность нагрузки в кВт;

N — число оборотов двигателя, об/мин;

Т_Н — крутящий момент на валу двигателя, (н· м) или (кгс· м).

Необходимо проверять мощность на валу с учетом момента нагрузки и условий окружающей среды. Обычно когда температура уменьшается, мощность на валу увеличивается.

2.2 Предварительный выбор двигателя/преобразователя на основе данных и расчетов

а) Выбор мощности двигателя: Р_ДВ. > Р_{НАГРУЗКИ}, (кВт).

Мощность двигателя должна быть больше мощности нагрузки.

б) Выбор мощности преобразователя частоты.

Мощность преобразователя частоты выбирается так, чтобы номинальный ток двигателя (I_ДВ) был меньше или равен току на выходе преобразователя частоты (I_ПЧ)

Дан асинхронный двигатель (таблица 2.1) с короткозамкнутым ротором типа 4А100L4У3, с моментом статической нагрузки М_с=26,7 Н· м и моментом инерции J_рм=0,1 кг· м². Определить параметры и составить структурную схему силовой части.

Таблица 2.1 Технические данные двигателя 4А100L4У3

Таблица 2.2 Параметры схемы замещения в относительных единицах

Номинальный фазный ток статора определяется по формуле:

(2.2)

Значение параметров схемы замещения в именованных единицах определяются по формулам:

(2.3)

(2.4)

где x, r — сопротивление, Ом

X, R — сопротивление, отн. ед.

Результаты расчета сопротивлений в именованных единицах представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Параметры схемы замещения в именованных единицах

В силовую часть электропривода входят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и комплектный преобразователь частоты.

Условием выбора преобразователя частоты является соответствие номинального напряжения и тока тиристорного преобразователя номинальным параметрам двигателя, т. е.

U_ТПном > U_1ном, I_ТПном > I_1ном.

Для питания двигателя выбран комплектный электропривод типа АТО4 5,5 (рисунок 2.2.1). Данный преобразователь является тиристорным электроприводом с автономным инвертором напряжения.

Параметры тиристорного преобразователя представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Данные комплектного электропривода АТО4 5,5

Электропривод АТО4 5,5 предназначен для высокодинамичных электроприводов механизмов с высокими требованиями к регулированию параметров при четырехквадрантном управлении.

Рис. 2.1 Комплектный электропривод АТО4 5,5

B — силовой полууправляемый выпрямитель ФС — силовой LC-фильтр звена постоянного напряжения;

ТК — тиристорный ключ реостатного торможения (тормозной ключ);

БТР — блок тормозного резистора.

АД? асинхронный электродвигатель;

ИП ??источник питания (конвертор);

ДН ??датчик напряжения;

ФИ ??формирователь управляющих сигналов тиристоров (драйвер);

МК? ?микропроцессорный контроллер.

Силовой канал В? ФС?АИН осуществляет двухступенчатое преобразование электрической энергии?? выпрямление сетевого напряжения с помощью нерегулируемого выпрямителя В и последующее инвертирование выпрямленного постоянного по величине напряжения посредством автономного инвертора напряжения АИН. Алгоритм ШИМ обеспечивает взаимосвязанное регулирование частоты F и величины U выходного напряжения по заданному закону, а также формирует синусоидальную форму кривой тока приводного АД.

Для реализации режима динамического (реостатного) торможения в звено постоянного тока электропривода включён тормозной тиристорный (IGBT), ключ ТК и внешний блок тормозного резистора БТР. Датчики тока ДТ и напряжения ДН в силовом канале электропривода служат для контроля, регулирования и измерения электрических параметров электропривода, в т. ч. для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимых отклонений напряжения.

Многоканальный источник питания ИП преобразует сетевое переменное напряжение или выпрямленное напряжение звена постоянного тока в систему напряжений постоянного тока требуемых уровней и степени стабильности, гальванически связанных и не связанных между собой, для питания устройств управления.

Микропроцессорный контроллер МК осуществляет формирование режимов работы электропривода с заданными параметрами с помощью сигналов управления: сигналов ШИМ — управления тиристорами АИН, сигналов защиты и аварийного отключения электропривода, приёма и передачи внешних управляющих, задающих и информационных сигналов.

2.3 Расчет и выбор элементов выходного фильтра

На выходе с автономного инвертора напряжения расположен фильтр. Наиболее распространенным видом выходного фильтра является LC — фильтр. Основным требованием, предъявляемым к фильтру, является обеспечение заданного коэффициента гармоник переменного напряжения в стационарном режиме.

Индуктивность фильтра определяется по формуле:

(2.5)

где Е_макс — максимальное напряжение источника постоянного напряжения, В. В данном случае это напряжение в звене постоянного тока с учетом возможного превышения напряжения сети на 10%.

(2.6)

f_к — несущая частота, так называемая коммутации ШИМ.

В электроприводе типа АТО несущая частота меняется программно. В данном случае f_к=8 кГц. Предельная частота ограничена допустимой частотой переключения тиристоров, она составляет 10 кГц. Численное значение индуктивности фильтра определится:

(2.7)

К установке принимает реактор типа РТСТ — 20,5−2,02У3, параметры которого приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5 Техническая характеристика реактора РТСТ — 20,5−2,02У3

Емкость фильтра определится по формуле:

(2.8)

где Т_к — период несущей частоты, с;

(2.9)

k_r — коэффициент высших гармоник; k_r=0,05;

Численное значение емкости фильтра:

(2.10)

К установке принимается конденсатор типа МБГО-1−400В-2,4мкФ±1_%. Дроссели включают в каждую фазу, последовательно с асинхронным двигателем, а конденсаторы соединяют в треугольник и включают параллельно двигателю. Соответственно конденсаторы существенно не влияют на общее сопротивление статорной цепи, поэтому сопротивлением фильтра при расчетах можно пренебречь.

2.4 Расчет и выбор элементов сглаживающего фильтра

Сглаживающие дроссели устанавливаются в звене постоянного тока низковольтных агрегатов и служат для снижения переменной составляющей тока через конденсаторы фильтра и уменьшения зоны прерывистых токов при работе электропривода. Конденсатор предназначен для замыкания реактивной составляющей тока статора.

Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:

(2.11)

где q_вх — коэффициент пульсаций на входе фильтра;

q_вых ??коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01…0,1; выберем q_вых=0,01.

Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле:

(2.12)

где n — число пульсаций выпрямителя; для трехфазной мостовой схемы n=6;

a——-угол управления вентилей выпрямителя; ?=0?, так как напряжение регулируется в АИН.

(2.13)

Численное значение коэффициента сглаживания:

Емкость фильтра принимается из расчета 100 мкФ на 1 кВт мощности двигателя. Расчетная мощность фильтра определится:

(2.14)

К установке выбирается конденсатор типа МБГО-1−400 В-390мкФ±1_%.

Индуктивность фильтра определяется по формуле:

(2.15)

(2.16)

К установке принимает реактор типа ФРОС-250/0,5У3 параметры, которого представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 Техническая характеристика реактора ФРОС- 250/0,5У3

Разработка структурной схемы силовой части.

Силовая часть электропривода состоит из преобразователя частоты и электродвигателя. Структурная схема силовой части представлена на рисунке 2.1

Рис. 2.1 Структурная схема силовой части электропривода Динамические свойства преобразователя частоты совместно с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно учтены апериодическим звеном с передаточной функцией:

(2.17)

где K_ПЧ ??эквивалентный передаточный коэффициент преобразователя.

(2.18)

где U_dмакс ??номинальное фазное напряжение на выходе преобразователя, В; U_{упр макс} ??максимальное напряжение системы управления, В.

Численное значение коэффициента передачи преобразователя частоты:

Т_ТЧ ??эквивалентная постоянная времени преобразователя, с. Она складывается из времени задержки включения ШИМ и времени, затрачиваемого процессором на преобразование и вычисление сигналов (Т_пр=1 мс).

Время задержки ШИМ определится:

(2.19)

Численное значение постоянной времени преобразователя:

(2.20)

Электродвигатель представляется передаточными функциями электромагнитной и механической частей, представленных апериодическим и интегрирующим звеньями, соединенными последовательно.

Электромагнитная часть представляет из себя передаточную функцию от напряжения статора к току статора:

(2.21)

где R_????суммарное сопротивление двигателя определяется по формуле:

(2.22)

здесь R_ф2 ??активное сопротивление выходного фильтра на выходе АИН, Ом;

R₁ ??активное сопротивление обмотки статора, Ом;

R₂ ??приведенное активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

k₂ ??коэффициент электромагнитной связи ротора.

Взаимная индуктивность асинхронного двигателя определится:

(2.23)

Индуктивность рассеяния статора:

(2.24)

Полная индуктивность фазы статора:

(2.25)

Индуктивность рассеяния ротора:

(2.26)

Полная индуктивность фазы ротора:

(2.27)

Индуктивность рассеяния асинхронного двигателя:

(2.28)

или по приближенной формуле

(2.29)

В дальнейших расчетах L ??0,0071 Гн.

Коэффициент электромагнитной связи ротора определяется по формуле:

(2.30)

Численное значение суммарного сопротивления двигателя определится:

Электромагнитная постоянная времени асинхронного двигателя определяется по формуле:

(2.31)

Электромагнитный момент двигателя формируется на основании уравнения:

(2.32)

где р_п ??число пар полюсов обмотки статора, р_п=2.

Механическая часть асинхронного двигателя представляется интегрирующим звеном с передаточной функцией:

Структурная схема силовой части системы ПЧАД смоделирована в программе Simulink. Вид модели представлен на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 Структурная схема электропривода в числовом виде Рис. 2.3 Схема исследования по задающему воздействию

Момент статической нагрузки М_с=26,7 Н· м соответствует номинальному моменту двигателя, который определятся:

(2.33)

Рис. 2.4?Переходная характеристика по задающему воздействию Переходная характеристика характеризует силовую часть электропривода как апериодическое звено с коэффициентом усиления K=21,9.Время переходного процесса в системе равно t_пп.зад=0,415 с.

Рис. 2.5 ?Частотные характеристики по задающему воздействию Частотные характеристики показывают, что система является статической, так как наклон низкочастотной части ЛАХЧ нулевой.

Система:

??обладает достаточным быстродействием, частота среза? ср=190 рад/с;

??устойчива с запасом по фазе 59,8 ??и запасом по амплитуде 16,8 дБ.

Исследование влияния возмущения — статической нагрузки на силовую часть системы ПЧ — АД осуществляется в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 2.4.6. Отличие от схемы, изображенной на рисунке 2.4.3 состоит в местах расположения контрольных точек Input и Output .

Результаты исследования системы представлены на рисунках 2.7 и 2.8.

Рис. 2.6 Схема исследования по возмущающему воздействию Рис. 2.7 ?Переходная характеристика по возмущающему воздействию Система ПЧ-АД обладает низким быстродействием (время переходного процесса t_{пп.возм}=0,412 с). Время переходного процесса скорости при единичном скачке задающего сигнала (t_пп.зад=0,415 с) почти не отличается от времени переходного процесса при наличии возмущения. Причем низкое быстродействие системы связано с достаточно большим моментом инерции. Поэтому и коэффициент усиления в системе низкий.

(2.34)

Рис. 2.8 Частотные характеристики по возмущающему воздействию

3. Специальная часть проекта

3.1 Особенности ПЧ основанных на IGBT-транзисторах

Преобразователь построен по принципу двухзвенного преобразования энергии с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. Функциональная схема преобразователя представлен на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Функциональная схема преобразователя Силовая часть преобразователя включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель (входной выпрямитель), звено постоянного тока (звено ПТ), трехфазный мостовой инвертор (инвертор) и блок торможения. Входной выпрямитель включает в себя цепь предварительного заряда емкостей звена постоянного тока, обеспечивающую ограничение тока заряда и плавное нарастание напряжения на конденсаторах. В преобразователях мощностью 5,5−37кВт входной выпрямитель является неуправляемым, при этом отключение звена постоянного тока преобразователя осуществляется с помощью встроенного электромагнитного реле. В преобразователях мощностью 45−90кВт входной выпрямитель является полууправляемым и выполняет функцию отключения звена постоянного тока преобразователя.

Звено постоянного тока представляет собой емкостной фильтр, служащий источником постоянного напряжения для инвертора. Для уменьшения пульсаций тока в звене постоянного тока и снижения гармонических составляющих тока как в обмотках двигателя, так и потребляемого из сети рекомендуется использование внешнего дросселя постоянного тока, подключаемого к клеммам L1 и L2 преобразователя. При отсутствии дросселя постоянного тока клеммы L1 и L2 соединяются перемычкой, поставляемой в комплекте с преобразователем.

Инвертор, построенный на IGBT-транзисторах, преобразует напряжение звена постоянного тока в переменное напряжение заданной частоты и амплитуды. Блок торможения представляет собой встроенный ключ управления внешним тормозным резистором, подключаемым к клеммам В1 и В2 преобразователя и предназначен для реализации режима динамического торможения двигателя (при необходимости реализации высоких темпов торможения).

Драйверы силовых ключей входного выпрямителя и инвертора обеспечивают управление соответственно тиристорами и затворами IGBT, формируют сигналы защит, а также осуществляют гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. В преобразователях мощностью 5,5−37кВт драйвера силовых ключей входного выпрямителя отсутствуют.

Система датчиков преобразователя включает в себя датчики напряжения на входе и в звене постоянного тока преобразователя, датчики выходного тока, а также датчик температуры силовой части преобразователя. Источник питания обеспечивает формирование питающих напряжений, необходимых для работы преобразователя. Также имеется гальванически развязанный канал питания 24 В (250мА) для питания внешних устройств, подключаемых к интерфейсному модулю. Контроллер управления управляет согласованной работой всех модулей преобразователя и реализует большинство защитных и сервисных функций. Контроллер расширений включает в себя набор средств взаимодействия с внешними управляющими устройствами. В состав контроллера расширений входят:

* 3 аналоговых выхода (4.20мА) с индивидуальной гальванической развязкой, предназначенные для мониторинга параметров электропривода. Функциональное назначение каждого выхода может быть определено пользователем.

* 2 аналоговых входа (0.20мА или 0.10В) с индивидуальной гальванической развязкой, один из которых предназначен для подключения задатчика уставки и датчика технологического параметра;

* 8 дискретных входов типа «сухой контакт» с групповой гальванической развязкой, для приема управляющих сигналов от устройств автоматики. Функциональное назначение каждого дискретного входа может быть определено пользователем.

* 3 релейных выхода (~250VAC, 3A или 30VDC, 3A), имеющие нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. Функциональное назначение выходов:

— работа/останов;

— авария/нет аварии;

— включение дополнительного двигателя.

* встроенные источники питания с общей гальванической развязкой:

— 10 В (50мА) для подключения потенциометра формирования сигнала задатчика технологического параметра;

— 24 В (250мА) для питания датчика технологического параметра или внешних устройств пользователя.

* драйвер интерфейса RS-485 с гальванической развязкой и поддержкой протокола ModBus, предназначенный для подключения пульта дистанционного управления или внешних управляющих контроллеров. Встроенный (местный) пульт управления позволяет выполнять процедуры просмотра, редактирования параметров преобразователя, управления и контроля режимов работы электропривода.

Электромагнитная совместимость (ЭМС).

Преобразователь соответствует требованиям к помехоэмиссии по ГОСТ Р 51 317.6.4 и устойчив к электромагнитным помехам по ГОСТ Р 51 317.6.2.

Работа преобразователя сопровождается генерацией электрических сигналов с широким спектром частот, что может привести к появлению электромагнитных помех. Распространяться эти помехи могут как по силовым кабелям, подключенным к преобразователю, так и непосредственным излучением в окружающее пространство. Работа вентилей входного выпрямителя вызывает появление негармонического тока потребления, что может привести к ухудшению качественных показателей электрической энергии в точке подключения преобразователя к питающей сети. Это объясняется, во-первых, скачкообразным изменением параметров цепи во время коммутационных процессов в вентильной группе, во-вторых — изменением величины тока нагрузки и связанным с этим падением напряжения на индуктивном сопротивлении сети в коммутационном интервале. Работа силовых элементов преобразователя в ключевых режимах с короткими фронтами импульсов напряжения и тока с частотой следования до нескольких килогерц может сопровождаться появлением индустриальных радиопомех. Приобретенный Вами преобразователь соответствует требованиям к помехоэмиссии и устойчив к электромагнитным помехам. Однако на практике все же возможны ситуации, когда необходимо принимать дополнительные меры в целях минимизации влияния помех, генерируемых преобразователем на работу различного рода оборудования, или наоборот, защищать от помех сам преобразователь. При решении этих задач рекомендуется использовать приведенные ниже общие меры по подавлению помех: