Системы и алгоритмы энергосберегающего управления частотно-регулируемыми электроприводами штанговых скважинных насосных установок

Актуальность работы. Современное состояние нефтедобывающей промышленности Российской Федерации характеризуется тем, что большинство нефтяных месторождений находятся в завершающей стадии разработки, отличительной особенностью которой являются низкие темпы добычи нефти и ее высокая себестоимость. Снижение темпов добычи нефти обуславливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых штанговыми скважинными насосными установками, доля которых на отдельных нефтепромыслах достигает 80%, а в среднем составляет около 50% от общего числа нефтедобывающих скважин. В структуре затрат на добычу нефти с использованием ШСНУ амортизационные отчисления составляют 30%, а расходы на электроэнергию — от 20 до 25%. Поэтому одним из важнейших факторов развития нефтедобывающей промышленности в условиях современной рыночной экономики является повышение энергетической эффективности и ресурса работы оборудования ШСНУ, что в настоящее время является крайне актуальной проблемой.

Перспективным направлением решения указанной выше проблемы является совершенствование электротехнической части системы «электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка», а также разработка новых методов и систем управления электроприводами ШСНУ, обеспечивающих снижение энергопотребления установки и повышение срока службы оборудования. Этому вопросу посвящены труды многих ведущих ученых, таких как Ершов М. С., Зюзев A.M., Кулизаде К. Н., Парфенов А. Н., Плющ Б. М., Фархадзаде Э. М., Чаронов В. Я., Шаньгин Е. С., Яризов А. Д. и других.

В настоящее время большинство ШСНУ оснащаются нерегулируемыми электроприводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме того, применяются электроприводы по системе «тиристорный преобразователь напряжения — односкоростной АД» и по системе «тиристорный преобразователь напряжения — двухскоростной АД». Однако указанные типы электроприводов обладают низкими энергетическими показателями и не обеспечивают требуемого диапазона регулирования производительности насоса в непрерывном режиме работы установки, что существенно ограничивает возможности оптимизации технологического процесса. Кроме того, электроприводы на основе тиристорных преобразователей напряжения ограничены в возможностях обеспечения энергои ресурсосбережения ШСНУ.

В этих условиях становится целесообразным применение частотно-регулируемых электроприводов ШСНУ, которые обладают возможностью плавно регулировать среднюю и мгновенную скорости вращения вала кривошипа станка-качалки в широком диапазоне скоростей и, таким образом, обладают наилучшими возможностями по обеспечению энергои ресурсосбережения установки. Однако, несмотря на все преимущества, частотно-регулируемые электроприводы до настоящего времени не получили широкого применения в качестве приводов ШСНУ, что объясняется, главным образом, отсутствием комплексных исследований кинематических, динамических и энергетических процессов, происходящих в системе «частотно-регулируемый электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка» с целью разработки новых методов, систем и алгоритмов энергои ресурсосберегающего управления ЧРЭП ШСНУ.

Цель диссертационной работы: разработка методов, систем и алгоритмов энергои ресурсосберегающего управления системой «частотно-регулируемый электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка», обеспечивающих повышение энергетической эффективности и ресурса работы оборудования.

Идея работы: энергои ресурсосбережение в системе «электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка» обеспечивается частотно-регулируемым электроприводом путем задания рациональных параметров движения точки подвеса колонны штанг, позволяющих снизить максимальные значения усилий в элементах установки.

Задачи исследований:

1. Провести сравнительный анализ современных типов электроприводов ШСНУ и систем их управления.

2. Разработать математическую модель системы «частотно-регулируемый электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка», описывающую кинематические, динамические и электромеханические процессы, происходящие в элементах системы.

3. Определить законы движения точки подвеса колонны штанг, обеспечивающие снижение максимальных значений усилий в элементах ШСНУ.

4. Разработать и исследовать систему управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ, обеспечивающую требуемый закон движения ТПКШ с целью снижения максимальных значений усилий в элементах установки, а также поддержание динамического уровня нефти в скважине, на заданном уровне с целью согласования производительности насоса с дебитом скважины.

5. Разработать датчик параметров движения ТПКШ и датчик угла наклона балансира станка-качалки для организации обратной связи в системе управления по положению ТПКШ.

6. Разработать метод определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме для организации обратной связи в системе управления по технологическому параметру.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались методы математического моделирования электрических машин, кинематики и динамики механизмов, а также систем с распределенными параметрамиметоды электромеханических и электрогидравлических аналогийаналитические и численные методы прикладной математики. В работе широко использовались методы имитационного компьютерного моделирования электротехнических и механических систем, а также экспериментальные исследования в лабораторных и промысловых условиях.

Основные защищаемые положения:

1. Математическая модель системы «частотно-регулируемый электроприводстанок-качалка — штанговая скважинная насосная установка» описывает кинематические, динамические и электромеханические процессы, происходящие в элементах системы в условиях изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки в течение периода качания балансира станка-качалки, что позволяет исследовать энергетические и динамические характеристики установки при заданных с помощью частотно-регулируемого электропривода законах движения точки подвеса колонны штанг.

2. Система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ на основе системы комбинированного программного управления положением кривошипа станка-качалки с дополнительными заданиями по скорости и ускорению, датчика параметров движения ТПКШ и вычислителя параметров движения кривошипа станка-качалки обеспечивает заданный закон движения ТПКШ с максимальным отклонением не более 2%. При этом задание законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний, ведет к уменьшению максимальных нагрузок на элементы установки до 15% и выравниванию нагрузочной диаграммы электродвигателя.

Научная новизна: определены энергетические и динамические характеристики системы «электропривод — станок-качалка — штанговая скважинная насосная установка» (ваттметрограммы, варметрограммы, динамограммы и моментограммы) при использовании нерегулируемого электропривода, а также частотно-регулируемого электропривода с заданием законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании фундаментальных законов теории электрических машин переменного тока, теории автоматизированного электропривода, теории электрических цепей и электромагнитного поля, теоретической механики, теории механизмов и машин, и подтверждена сходимостью результатов математического и имитационного моделирования с результатами экспериментальных исследований на лабораторном стенде и промышленном объекте.

Практическая значимость работы:

1. Разработана система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ, обеспечивающая заданный закон движения ТПКШ, а также стабилизацию динамического уровня нефти в скважине.

2. Разработан датчик параметров движения ТПКШ на основе интегрального акселерометра.

3. Разработан двухкоординатный датчик угла наклона на основе интегрального акселерометра.

4. Разработан метод определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей.

Реализация результатов работы:

1. Разработанный датчик параметров движения на основе интегрального акселерометра внедрен в составе систем динамометрирования ДДС-04 (ООО НПП «Грант», г. Уфа) в ОАО «Татнефть».

2. Разработанный датчик угла наклона ДУН-01 внедрен в системах обеспечения устойчивости подъемных установок в ООО «Нефтекамский машиностроительный завод».

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы докладывались на 12-ти научно-технических конференциях и форумах:

— 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», (Уфа, УГНТУ, 2009 г.);

— Всероссийской конференции «XXXVII Неделя науки в Санкт-Петербургском государственном Политехническом университете» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008 г.);

— 7-ой Всероссийская конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, РГУ Нефти и газа, 2007);

— Freiberger Forschungsforum «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Germany, Freiberg, Technische Universitat Bergakademie Freiberg, 2007);

— Международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2007 г.);

— Вузовской конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, СПГТИ (ТУ), 2007 г.);

— Всероссийской конференции «XXXV Неделя науки в Санкт-Петербургском государственном Политехническом университете» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2006 г.);

— Международном форуме молодых ученых «Проблемы рационального природопользования» (Санкт-Петербург, СПГТИ (ТУ), 2006 г.);

— Всероссийской конференции студентов выпускного курса ВУЗов минерально-сырьевого комплекса России «Проблемы рационального природопользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2006 г.);

— Межвузовской конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности производства» (Уфа, УГНТУ, 2006);

— 56-ой и 57-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, УГНТУ, 2005 и 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных трудов, в их число входят две статьи, опубликованные в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Личный вклад автора заключается в постановке задач и выборе методов исследованийразработке и уточнении математических и имитационных моделей элементов системы «электропривод — станок-качалка — ШСНУ" — исследовании влияния кинематических характеристик на динамические и энергетические характеристики ШСНУ и определении законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений усилий в элементах ШСНУразработке и исследовании системы и алгоритмов управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУразработке принципиальной схемы, алгоритма работы, программного обеспечения и способов компенсации погрешностей датчика параметров движения ТПКШ, а также датчика угла наклонаразработке и исследовании метода определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетейпроведении, обработке и анализе результатов лабораторных экспериментов, а также в обработке и анализе результатов промысловых экспериментов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 148 страницах и содержит 56 рисунков, четыре таблицы и список литературы из 114 наименований.

выход V а1 = logsig (IW11- р + Ь1) a2* logsig (LW'2-а1 + Ь2) a3*purelin (LW23-а2+Ь3).

Рисунок 5.18 — Структурная схема нейронной сети, моделирующей зависимость между динамическим уровнем и ваттметрограммой.

Обучение нейронной сети осуществлено с использованием метода обратного распространения ошибки по алгоритму градиентного спуска с возмущением. Выборка для обучения нейронной сети (значения ваттметрограмм, плотности нефти, давления на устье и давления газа в затрубном пространстве и соответствующие им значения динамического уровня) при этом получена на основе расчетных данных, по математическим и имитационным моделям, приведенным в главе 2.,.

Обучающая выборка сформирована для скважины и ШСНУ с техническими параметрами, приведенными в таблице 2.1 для значений динамического уровняв интервале от 500 м до 900 м с шагом 5 м, значений плотности нефти в интервале от л л л.

900 кг/м до 1000 кг/м с шагом 50 кг/м, значений давления на устье в интервале от нуля до 0,1 МПа с шагом 0,05 МПа и значений затрубного давления в интервале от нуля до 0,1 МПа с шагом 0,05 МПа.

На рисунке 5.19 приведена зависимость погрешности определения нейронной сетью значений динамического уровня от числа циклов обучения. Из рисунка 5.19 следует, что уже при 200 циклах обучения погрешность определения нейронной сетью значений динамического уровня составляет 0,01%. Увеличение числа циклов обучения более 200 нежелательно в виду возможности возникновения явления переобучения нейронной сети [49].

Рисунок 5.19 — Зависимость погрешности определения нейронной сетью значений динамического уровня от числа циклов обучения.

Тестирование нейронной сети проведено на основе промысловых данных, при этом тестовая выборка включала в себя 10 ваттметрограмм и 10 соответствующих им значений динамического уровня для рассматриваемой скважины и ШСНУ (таблица 2.1). В ходе тестирования на вход нейронной сети подавались значения ваттметрограмм, плотности нефти, давления на устье и давления газа в затрубном пространстве, а на выходе нейронной сети получали значения динамического уровня, которые впоследствии сравнивались с истинными значениями. Результаты тестирования нейронной сети приведены в таблице 5.3, максимальная погрешность определения нейронной сетью значения динамического уровня составила 8%.

Заключение

.

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую квалификационную работу, в которой предлагается новое решение актуальной задачи по повышению энергетической эффективности и ресурса работы ШСНУ — разработка методов, систем и алгоритмов энергои ресурсосберегающего управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что среднее значение коэффициента мощности нерегулируемых электроприводов ШСНУ на нефтепромыслах Российской Федерации составляет 0,4 — 0,5. Применение частотно-регулируемых электроприводов ШСНУ при этом ведет к существенному повышению коэффициента мощности в среднем до 0,9.

2. Разработана математическая модель системы «частотно-регулируемый электропривод — станок-качалка — ШСНУ». В модели учтено влияние изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки в течение периода качания балансира станка-качалки на кинематические, динамические и энергетические процессы в системе, а также продольные колебания в системе с распределенными параметрами «колонна штанг — плунжерный насос — столб жидкости — колонна насосно-компрессорных труб».

3. Определены законы движения ТПКШ, обеспечивающие снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний на 30−36%, что ведет к снижению максимальных нагрузок на элементы установки до 15% и выравниванию нагрузочной диаграммы электропривода установки. При этом происходит также уменьшение отрицательных тангенциальных усилий на валу кривошипа станка-качалки и улучшение энергетических показателей электропривода установки.

4. Разработана система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ, обеспечивающая заданный закон движения ТПКШ путем регулирования мгновенной скорости вращения вала электродвигателя, а также стабилизацию динамического уровня нефти в скважине путем регулирования средней скорости вращения. Установлено, что система комбинированного программного управления положением кривошипа станка-качалки с дополнительными заданиями по скорости и ускорению на основе пропорциональных регуляторов положения, скорости и ускорения обеспечивает заданный закон движения ТПКШ с отклонением не более 2%.

5. Разработан датчик параметров движения ТПКШ на основе интегрального акселерометра. Установлено, что погрешность датчика с использованием метода определения перемещения и скорости ТПКШ на основе разложения сигнала ускорения в ряд Фурье составляет 1%.

6. Разработан датчик угла наклона балансира станка-качалки на основе интегрального акселерометра. Установлено, что программная калибровка температурного дрейфа нуля датчика по линейной зависимости ведет к компенсации этой погрешности с 25° до 0,2°, применение медианного фильтра ведет к снижению шумов датчика на 20%, максимальная погрешность датчика угла наклона составляет 0,4°.

7. Установлено, что искусственные нейронные сети обеспечивают моделирование зависимости между динамическим уровнем нефти в скважине и ваттметрограммой с максимальной погрешностью 8%, что позволяет построить на их основе виртуальный датчик уровня.