Контроллеры автоматизации установок

ШТАНГОВЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ

 

Применительно к скважинам, оборудованным ШГН, контроллеры осуществляют непрерывный автоматический их контроль, т.е. 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 т.д. При этом функции управления должны обеспечивать дистанционное включение/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.

 

Зарубежные контроллеры ШГН

 

Разработкой систем автоматизации для нефтедобывающей промышленности и контроллеров ШГН в частности занимаются такие зарубежные 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 (рис. 2.1.) 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.

 

 

Рис. 2.1. Контроллер SAM Well Manager фирмы Lufkin (США)

 

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 (рис. 2.2.). 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.

 

Рис. 2.2. Контроллер CAC8800 фирмы eProduction Solutions (США)

 

Наиболее оригинальной разработкой фирмы является устанавливаемый на балансире станка-качалки контроллер iBEAM (рис. 2.3). 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.

 

 

Рис. 2.3. Контроллер iBEAM фирмы eProduction Solutions (США)

 

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 (рис. 2.4). 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.

 

Рис. 2.4. Контроллер AEPOC 2100 фирмы Automation Electronics (США)

 

Мировой лидер в производстве силовой электроники компания “ABB ” (США) выпустила контроллер ALC 600. Контроллер (рис. 2.5) 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.

В последние годы появились контроллеры управления ШГН, не требующие для своей работы каких-либо внешних датчиков, так называемые «бездатчиковые» контроллеры. Примером таких систем являются контроллер фирмы “SPOC Automation” (США) и контроллер “Guardian” фирмы “R&MEnergy Systems” (США). Контроллеры для своей работы не требуют никаких внешних датчиков (датчиков динамометрирования). Информацию об усилии и положении штока вычисляют через замер электрических параметров.

Контроллеры работают совместно с преобразователями частоты. Благодаря отсутствию внешних датчиков снижается стоимость системы автоматизации, повышается надежность, уменьшается время монтажа. Еще одно достоинство такого подхода – универсальность применения: один и тот же контроллер может управлять как ШГН, так и винтовыми и электроцентробежными насосными установками. Однако нужно отметить, что динамограмма, полученная таким способом, будет очень приближенной, что отрицательно скажется на качестве управления и на результатах диагностики.

 

Рис. 2.5. Контроллер ALC 600 фирмы АВВ (США)

 

В таблице 2.1производится сравнение характеристик зарубежных контроллеров и станций управления ШГН.

Сопоставив эти характеристики можно сделать следующие выводы:

 

1. Все импортные системы используют пассивные датчики усилия, что накладывает ограничения на длину соединительных кабелей и не позволяет устанавливать один контроллер для обслуживания куста скважин.

 

2. Для определения положения штока практически все контроллеры позволяют использовать емкостные датчики угла наклона, потенциометрические датчики угла и датчики Холла, устанавливаемые на выходном валу редуктора и отбивающие нижнюю мертвую точку. При этом нигде не используется датчик, фиксирующий две мертвых точки – нижнюю и верхнюю, хотя время хода штока вверх и вниз может не совпадать.

 

3. Большинство контроллеров имеет функцию регулирования скорости качания ШГН посредством преобразователя частоты.

 

4. Контроль электрических параметров (ваттметрограмм) как правило не предусмотрен. Однако в некоторых системах измеряется скорость вращения вала электродвигателя с помощью датчика Холла, что позволяет рассчитать механический момент на валу асинхронного двигателя.

 

5. Для просмотра архивных данных и настройки режимов работы непосредственно на скважине некоторые контроллеры имеют встроенный дисплей и клавиатуру, другие требуют внешнего переносного компьютера.

 

6. Большинство контроллеров имеют алгоритмы анализа динамограмм с определением характерных неисправностей и с определением точки срыва подачи.

 

7. Все контроллеры имеют функции дистанционного управления электроприводом ШГН с диспетчерского пункта, а также позволяют вести периодическую эксплуатацию скважины по заданным временным уставкам и по степени заполнения насоса жидкостью.

 

 

Таблица 2.1