Дипломная работа: Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО "Татнефть"

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 РН - мощность нагрузки в кВт;

N - число оборотов двигателя, об/мин;

ТН - 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: РДВ. > РНАГРУЗКИ, (кВт).

Мощность двигателя должна быть больше мощности нагрузки.

б) Выбор мощности преобразователя частоты.

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

Дан асинхронный двигатель (таблица 2.1) с короткозамкнутым ротором типа 4А100L4У3, с моментом статической нагрузки Мс=26,7 Н·м и моментом инерции Jрм=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.

UТПном > U1ном, IТПном > I1ном.

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 Емакс – 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)

fк – несущая частота, так называемая коммутации ШИМ.

В электроприводе типа АТО несущая частота меняется программно. В данном случае fк=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 Тк – период несущей частоты, с;

 (2.9)

kr – коэффициент высших гармоник; kr=0,05;

Численное значение емкости фильтра:

 (2.10)

К установке принимается конденсатор типа МБГО–1-400В–2,4мкФ±10%. 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 qвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра;

qвых коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01…0,1; выберем qвых=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±10%.

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5