Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок

Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок

Реферат

 

Способ предназначен для использования в области диагностики штанговых насосных установок для предупреждения аварий при эксплуатации этих установок на нефтедобывающих промыслах. Измеряют мгновенное значение тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки. Определяют реактивную мощность. Выделяют первую (A₁(Q)) и вторую (A₂(Q)) гармоники реактивной мощности. Определяют их отношение

Состояние уравновешенности определяют по условию:

К₂₁ К_21Э,

где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины. Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок отличается высокой достоверностью получаемого результата и возможностью сравнительно простотой реализации. 4 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области диагностики штанговых насосных установок и может быть использовано для предупреждения аварий при использовании этих установок на нефтедобывающих промыслах.

Известен способ определения уравновешенности станка-качалки (СК) с помощью ампер-клещей [Руководство по эксплуатации скважин штанговыми насосами. Альметьевск: АО “Татнефть”, 1992. - 440 с.], согласно которому определяют максимальные значения тока при ходе плунжера штанговой установки вверх I_в и вниз I_н и по выражению (1) находят коэффициент неуравновешенности станка-качалки:

Станок-качалка считается уравновешенным, если коэффициент разбалансировки не превышает 5%.

Недостатком этого способа является значительная инерционность ампер-клещей, что обуславливает погрешность определения параметров уравновешивания и неоднозначность диагноза при сильной разбалансировке СК.

Известен способ диагностирования уравновешенности станка-качалки штанговой насосной установки [по патенту №2129666, кл. F 04 В 51/00. Гольдштейн Е.И., Ермакова Е.Н. Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и мгновенные значения напряжения на входе электродвигателя станка-качалки, определяют активную мощность, выделяют первую а₁ и вторую а₂ гармоники мощности, а состояние уравновешенности станка-качалки определяют по условию:

Недостатком этого способа является известная неопределенность условия (2).

Задачей изобретения является создание простого и точного способа диагностирования уравновешенности СК.

Это достигается тем, что в способе диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок так же, как и в прототипе, измеряют мгновенные значения тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определяют мощность и выделяют первую и вторую гармоники мощности. Согласно изобретению определяют именно реактивную мощность, выделяют первую (A₁(Q)) и вторую (А₂(Q)) гармоники реактивной мощности, определяют их отношение:

а состояние уравновешенности определяют по условию:

где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины.

Мощность, потребляемая электродвигателем при работе установки, зависит от тангенциальной составляющей усилия действующего в шатуне станка-качалки вследствие нагрузки на голову балансира. Так как нагрузка при возвратно-поступательном движении плунжера периодически изменяется, то и момент двигателя станка-качалки будет периодически меняться. Такой режим работы установки создает тяжелые условия, как для станка-качалки, так и для его электропривода, что сокращает сроки службы оборудования и увеличивает потери электроэнергии. Для выравнивания момента нагрузки за цикл качания станок-качалку уравновешивают при помощи противовесов, размещаемых на кривошипах или на балансире.

На фиг.1 показан график реактивной мощности электродвигателя (Q(N)) при работе станка-качалки (варметрограмма - ВАРМГ). Из приведенной кривой видно, что для режима нагрузки двигателя станка-качалки характерно периодическое чередование перегрузок и недогрузок, повторяющихся 12-30 раз в минуту. Это соответствует 6-15 ходам плунжера скважинного насоса, т.е. кривая изменения нагрузки электродвигателя в течение одного цикла работы установки имеет два максимума и два минимума мощности.

Таким образом, станок-качалка представляет собой электромеханическую систему с возможностью уравновешивания и большой динамикой нагрузок в процессе работы. Суммарный момент на валу электродвигателя имеет форму, из которой можно выделить две основные гармоники: первую и вторую. Реактивная мощность на входе электродвигателя связана с моментом на его валу. В уравновешенном состоянии вторая гармоника реактивной мощности преобладает над первой. Числовые значения отношения второй гармоники к первой для каждой установки индивидуальны и зависят от типа станка-качалки, степени загрузки станка и пр. Но общий вид зависимости отношения второй гармоники реактивной мощности к первой от степени неуравновешенности СК носит одинаковый характер. Именно эту особенность было решено использовать при разработке предлагаемого способа диагностирования уравновешенности.

На фиг.2 приведены зависимости изменения отношения второй гармоники реактивной мощности к первой от расстояния центра масс противовесов на кривошипе от оси вращения кривошипов (то есть от степени неуравновешенности СК). Данная зависимость имеет ярко выраженный максимум.

Сравнение отношения второй гармоники реактивной мощности к первой (К₂₁) с эталонным значением (К_21Э) для конкретной установки позволяет сузить область контроля уравновешенного состояния станка-качалки. Ясно, что значение К_21Э будет разным для разных конструкций СК, разных нагрузок на шток СК. Поэтому К_21Э назначается пользователем при настройке системы контроля уравновешенности.

При экспериментальных исследованиях эталонные значения отношения гармоник реактивной мощности колебались в диапазоне от 1,5 до 6,0 для разных скважин.

Результаты, получаемые предложенным способом, отличаются высокой достоверностью, что подтверждается проведенными исследованиями на 15 реальных нефтяных скважинах, оборудованных ШГНУ, когда во всех случаях был поставлен правильный диагноз об уравновешенности станка-качалки.

Предлагаемый способ отличается возможностью использования сравнительно простотой технологии проведения диагностирования уравновешенности СК и точностью получаемого диагноза, то есть, предлагаемый способ диагностирования станков-качалок штанговых насосных установок является точным и простым.

На фиг.1 показан график реактивной мощности, измеренной на входе электродвигателя при работе станка-качалки.

На фиг.2 в виде графиков приведена зависимость отношения второй гармоники реактивной мощности к первой от положения груза.

На фиг.3 приведена функциональная блок-схема способа.

На фиг.4 приведен пример вольт-амперной характеристики (ВАХ).

В таблицах 1-4 приведены экспериментальные данные и результаты диагностирования уравновешенности по предлагаемому способу контроля уравновешенности ШГНУ.

Предлагаемый способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например, в виде функциональной блок-схемы, которая представлена на фиг.3, которая содержит: измерительные датчики тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН); блок определения реактивной мощности 3 (РМ); блок дискретного преобразования Фурье 4 (БПФ); делитель 5 (Д); блок памяти базы данных 6 (БД); блок сравнения значений K₂₁ 7 (С). Выходы датчика тока 1 (ДТ) и датчика напряжения 2 (ДН) связаны с входами блока определения реактивной мощности 3 (РМ), выход которого связан с блоком дискретного преобразования Фурье 4 (БПФ). Выходы блока дискретного преобразования Фурье 4 (БПФ) связаны с входами делителя 5 (Д). Выходы делителя 5 (Д) и блока памяти базы данных 6 (БД) связаны с входами блока сравнения значений 7 (С).

Аппаратно-предложенный способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например с помощью датчика тока 1 (ДТ) в виде промышленного прибора КЭИ-0,1 М; датчика напряжения 2 (ДН) в виде промышленного трансформатора напряжения (220/5 V). Блок определения реактивной мощности 3 (РМ) выполняет операции оцифровки сигналов, определение площади вольтамперной характеристики (ВАХ) и значений реактивной мощности. Для оцифровки сигналов может быть использован аналого-цифровой преобразователь (АЦП) серии МАХ 186 (12 бит), который имеет 8 аналоговых входов. Для управления АЦП, определения площади ДВАХ и определения реактивной мощности напряжения может быть использован микроконтроллер серии 51 производителя atmel AT89S53. Блоки дискретного преобразования Фурье 4 (БПФ), делитель 5 (Д), блок сравнения 7 (С) могут быть выполнены на этом же микроконтроллере. Для хранения данных по скважинам и временного хранения массивов значений (блок памяти базы данных 6 (БД)) может быть использован блок внешней памяти данных AT25L256 (32 кбайта). Для работы с пользователем могут быть предусмотрены кнопочная клавиатура FT008 (имеющая 8 кнопок, предназначенных для включения питания, запуска измерения, сохранения эталонного значения, номера скважины и т.д.) и сегментный индикатор SCD55100 для вывода диагноза об уравновешенности.

В 2001-2002 г. на нефтяных месторождениях Томской и Тюменской областей на реальных скважинах, оснащенных ШГНУ, были проведены экспериментальные исследования по уравновешиванию станков-качалок.

При этом проводились работы по перемещению противовесов, установленных на кривошипе, и при различном их положении (различной степени неуравновешенности) измерялись значения тока и напряжения, определялась реактивная мощность, выделялись первая и вторая гармоники реактивной мощности. При этом также определялось эталонное значение отношения второй гармоники реактивной мощности к первой для данной установки (К_21Э). Результаты проведенных исследований приведены в таблицах 1-4. Здесь реальным скважинам присвоены условные номера 1...4. Данные в таблице расположены так, что большему номеру измерения (№) соответствует большее расстояние от центра масс противовесов до оси вращения кривошипа. В таблицах 1-4 курсивом выделены значения, принятые за эталонные для данных установок, жирным шрифтом выделен диагностический параметр.

Рассмотрим работу способа диагностирования уравновешенности станка-качалки по функциональной блок-схеме (фиг.3) на примере скважины №1. При этом эталонное значение отношения второй гармоники реактивной мощности к первой для этой скважины составило 3,02 (табл.1).

Датчик тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) подключаются к входу электропривода станка- качалки. Сигналы с датчика тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН) поступают на блок определения реактивной мощности 3 (РМ) (фиг.3). Ток и напряжение измеряются по параллельным независимым каналам измерения с интервалом дискретизации t=0,001 с. В блоке определения реактивной мощности заложены операции: оцифровки сигналов тока и напряжения; определения площади ВАХ; определения значений реактивной мощности. Для определения реактивной мощности была использована ее связь с площадью ВАХ i=(u) или u=(i) [Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978]:

где F_BAX - площадь вольт-амперной характеристики.

После оцифровки определяется площадь вольт-амперной характеристики. Пример ВАХ представлен на фиг.4. Для определения площади ВАХ предлагается использовать одну из известных в математике формул для нахождения площади многоугольника:

где i(t_j), u(t_j) - мгновенные значения тока и напряжения в момент времени t_j, полученные с датчиков тока и напряжения соответственно и оцифрованные;

j изменяется в пределах от 0 до L-1; L - число дискрет-значений на периоде промышленной частоты 50 Гц, L зависит от интервала дискретизации времени и при t=0,001 с L равно 20.

Определенные значения реактивной мощности поступают на вход блока дискретного преобразования Фурье 4 (БПФ), где определяются первая и вторая гармоники сигнала реактивной мощности (за период качания станка-качалки - N_Т (фиг.1)).

Здесь A_l(Q), A_l(Q) - синусная и косинусная составляющие первой гармоники реактивной мощности соответственно;

A_2(Q), A_2(Q) - синусная и косинусная составляющие второй гармоники реактивной мощности соответственно;

A_l(Q), A_2(Q) - первая и вторая гармоники реактивной мощности соответственно;

k - индекс переменной изменяется в пределах от 0 до N_Т-1; N_Т - число значений на периоде качания станка-качалки (зависит от темпа качания конкретной установки) (фиг.1).

С выхода блока дискретного преобразования Фурье определенные гармоники поступают на вход делителя 5 (Д), где происходит деление второй гармоники реактивной мощности на первую с целью нахождения K₂₁:

Результат деления с выхода делителя 5 (Д) поступает на один из входов блока сравнения 7 (С) (фиг.3). На другой вход блока сравнения поступает эталонное значение отношения гармоник ((A_2(Q)/A_1(Q))_Э) для данной установки и производится сравнение рассчитанного отношения гармоник реактивной мощности с эталонным значением отношения гармоник реактивной мощности для данной установки по формуле 4.

Установка считается уравновешенной при выполнении условия (4). В противном случае установка является неуравновешенной.

Легко видеть (см. табл.1), что при положениях 1, 3, 4 K₂₁<K_{, поэтому СК неуравновешен, тогда как в положении 2 К21 К21Э станок уравновешен.}

Построенная зависимость отношения второй гармоники реактивной мощности к первой от положения груза (степени неуравновешенности) (см. фиг.2) для скважин №1 и №2 показывает, что зависимость отношения второй гармоники реактивной мощности к первой от положения противовесов имеет ярко выраженный максимум.

Из примеров явно следует, что при диагностике уравновешенности СК данным способом нет неопределенности в результате сравнения определенного отношения гармоник реактивной мощности с эталонным значением для данной скважины.

Таким образом, разработанный способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок прост по технической реализации и практике применения и обладает высокой точностью и достоверностью получаемого результата.

Формула изобретения

Способ диагностирования уравновешенности станков - качалок штанговых насосных установок, заключающийся в измерении мгновенных значений тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки, определения мощности, выделении первой и второй гармоники мощности, отличающийся тем, что определяют реактивную мощность, выделяют первую (A₁(Q)) и вторую (A₂(Q)) гармоники реактивной мощности, определяют их отношение

а состояние уравновешенности определяют по условию

где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4