автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Системы и алгоритмы энергосберегающего управления частотно-регулируемыми электроприводами штанговых скважинных насосных установок

На правах рукописи САКАЕВ Амир Финатович 0 0 СЕН

СИСТЕМЫ И АЛГОРИТМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2009

003475898

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Новиков Владислав Александрович, кандидат технических наук

Семенов Игорь Михайлович

Ведущая организация - ОАО «Силовые машины» филиал «Электросила».

Защита диссертации состоится 28 сентября 2009 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 27 августа 2009 г.

ученый секретарь

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

. В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство нефтяных месторождений Российской Федерации в настоящее время находятся в завершающей стадии разработки, характеризующейся низкими темпами добычи нефти и ее высокой себестоимостью. Снижение темпов добычи нефти обуславливает увеличение числа скважин, эксплуатируемых штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ), доля которых на отдельных нефтепромыслах достигает 80%, а в среднем составляет около 50%. 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 проблемы является совершенствование электротехнической части системы «электропривод (ЭП) - станок-качалка (СК) - штанговая скважинная насосная установка» с целью повышения срока службы оборудования и снижения энергопотребления. 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.

Однако комплексные исследования кинематических, динамических и энергетических процессов, происходящих в системе «частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка» с целью разработки новых методов, систем и алгоритмов энерго- и ресурсосберегающего управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ были проведены недостаточно подробно.

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

Идея работы: энерго- и 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 (ТПКШ), 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 параметрами; методы электромеханических и электрогидравлических аналогий; аналитические 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 положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель системы «частотно-регулируемый электропривод - станок-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 к 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 микропроцессорная 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, в том числе на Всероссийской конференции «Неделя науки в СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2006 и 2008 гг.), Международном форуме «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2007 г.), Freiberger Forschungsforum «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics» (Germany, Freiberg, 2007), Всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, РГУ Нефти и газа, 2007), Международном форуме «Проблемы рационального природопользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2006 г.).

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

Личный вклад автора заключается в постановке задач и выборе методов исследований; разработке 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 ШСНУ; разработке и исследовании системы и алгоритмов управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ; разработке принципиальной схемы, алгоритма работы, программного обеспечения и способов компенсации погрешностей датчика параметров движения ТПКШ, а также датчика угла наклона; разработке и исследовании метода определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей; проведении, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен обзор и анализ современных электроприводов штанговых скважинных насосных установок, а также методов, систем и алгоритмов их управления.

Во второй главе разработана математическая модель системы «электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка», приведены результаты проверки адекватности модели.

В третьей главе осуществлен анализ усилий в элементах ШСНУ, зависящих от кинематических характеристик ТГ1КШ. Определены законы движения ТПКШ, обеспечивающие снижение максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний.

В четвертой главе осуществлен синтез системы управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ. Приведены результаты исследований разработанной системы управления на компьютерной имитационной модели и экспериментальном макете.

В пятой главе разработан датчик параметров движения ТПКШ, датчик угла наклона балансира станка-качалки, а также система определения динамического уровня нефти в скважине на основе нейронных сетей. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов разработанных устройств.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Математическая модель системы «частотно-регулируемый электропривод - станок-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.

Структурная схема математической модели системы «электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка» с указанием всех основных взаимосвязей между элементами приведена на рисунке 1.

Модель асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором построена на основе математической модели обобщенной электрической машины во вращающейся системе координат с частотой вращения магнитного поля статора. Моделирование преобразователя

частоты (ПЧ) с алгоритмом векторного управления и прямого управления моментом осуществлено с поддержанием постоянного значения потокосцепления ротора Тг.

Рисунок 1 - Структурная схема математической модели системы «электропривод - станок-качалка - ШСНУ»

В математической модели динамики станка-качалки учтены динамические усилия, возникающие в результате наличия углового ускорения вала кривошипа и электродвигателя станка-качалки:

м„ =-

м..

Г- .Г-

\ Чл ред

м.

ч кр а гр а кр

(1)

•^хг«« —

р р

П1Л , е2

•С +

Р Р п

мд.пл. | тр | л^оал у2.

/__121 ,.2 . ^«Р р! .

-— Г«г+ — •«,„>

где Мэд, Мф - моменты на валу электродвигателя и кривошипа СК; ■МгбалМ. М^крС^кр) - суммарные моменты от сил тяжести деталей балансира и кривошипа СК; .Лгбал* У^кр - суммарные моменты инерции балансира и кривошипа СК; 5д, од, ад - перемещение, скорость и ускорение ТПКШ.

Система уравнений (1) позволяет определять момент на валу электродвигателя и кривошипа станка-качалки в условиях изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки.

Математическая модель кинематики станка-качалки получена в двух вариантах - путем решения прямой и обратной задач кинематики.

При решении прямой задачи кинематики (определение параметров движения ТПКШ при заданном законе движения кривошипа станка-качалки) учтено наличие тангенциального ускорения кривошипа станка-качалки, которое возникает в результате изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки в течение периода качания балансира станка-качалки.

Решение обратной задачи кинематики получено аналитическими методами и имеет следующий вид:

ds, Ь sin i

di ar sin а '

Ь

£.р= — ar

dr sina { di J 2a sina { k' Ir sina ^ k1

У+р'-С+О' y.

0-0

y = arceos ' 2 bp

k' =b! -2bpcosy + p'\

P" +(l~r)

2 p(l-r)

í , da a , при

a = <

tpa = arceos-

dt

i . da' n

-a , при -> O;

l di

(1г+г-Ьг-р1 bp

a = arceos -—+—'СОsy

2 Ir Ir

P = P+P2\

fi'„ при p[ a 0;

(2)

A-

P\ + ж, при p[ < 0;

o' . sln/

P, = ^ter;—-—;

b / p - eos y

P, = arctg

/ Ir-cosa'

d<p'

<p'-<p0, при <P'<, 7! И ——й(У, при -f->0;

da>'

<р'~ - 2 л, при <р' > л и —— ¿ 0;

dt

<р = arceos

(ьг+1г-рг-гг ы Л

--7»'}

где <ркр, <акр, екр - угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение кривошипа станка-качалки; - перемещение ТПКШ; а, Ь, /, г, р -длина переднего плеча балансира, заднего плеча балансира, шатуна, кривошипа и полюсной базы.

С помощью системы уравнений (2) можно определять параметры движения кривошипа станка-качалки при заданном законе движения ТПКШ, а также закон изменения мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки, требуемый для обеспечения заданного закона движения ТПКШ.

Математическая модель системы «колонна штанг - плунжерный насос - столб жидкости - колонна насосно-компрессорных труб (НКТ)», учитывающая продольные колебания в системе с распределенными параметрами, описывается системой дифференциальных уравнений следующего вида:

8Fm

дх дЦ.т дх

дх дх

ау»

дх дЧ,.. дх

■- 2 • а,„

Ушт

di

- = 2 а.

1_ WL.

.

dt ' " dt

(3)

- = 2 а„

Зи„

dF

dt

где ^шт, F„„, - усилия в элементах колонны штанг, колонны НКТ, столба жидкости; vmT, v„„, ист.ж. - скорости; /игг, /нкт, /ст.ж. - площади поперечных сечений; ЕШТ, Енкт, Е„.ж. ~ модули упругостей; т0ип, т0нкТ, Щст.ж. ~ погонные массы; ашт, анкг, аС1Ж - коэффициенты вязкого трения.

Продольные колебания в механической системе с распределенными параметрами, описываемые системой уравнений (3), аналогичны электромагнитным процессам в электрической линии с распределенными параметрами. При этом наблюдается следующая система аналогий: усилие в механической системе F соответствует напряжению в электрической линии и; скорость в механической системе v - электрическому току i; масса т0 - электрической индуктивности Lo, параметр 2ата, характеризующий вязкое трение -электрическому сопротивлению R(¡; параметр 1 ¡Ef, характеризующий упругость - электрической емкости Сй.

На рисунке 2 приведена модель системы «колонна штанг -плунжерный насос - столб жидкости - колонна НКТ», построенная на основе метода электромеханических и электрогидравлических аналогий в среде имитационного моделирования «Simulink» программного комплекса «Matlab».

У(() (задание скорости штока)

—ЕЖ]

И (источник тока)

0А1

V(t) (скорость штока) -!_►jQj F(S) - динамограмма

VI

1/s

на устье

> Ю (сила трения

в устьевом сальнике)

:

■^Ш (вес штанг)

I

Электрическая линия с распределенными параметрами 1И.С1 (колонна штанг)

Я2 (трение плунжера о цилиндр насоса)

Р(1) (нагрузка в штоке)

НЗ

U

г

I 172 (вес колонны ТНКТ)

Электрическая линия с распределенными параметрами ЮХ2 (колонна НКТ)

ml(in)

gl (out)

fl Я

г

g2(out)p

К1

(нагнетательный клапан)

)|з) m3(in)Q

т2(1л)

ЯЗ (трение в нагнетательном клапане)

К2 (всасывающий тслапан)

I ЪЗ (сила давления ^Гна устье)

Электрическая линия с распределенными параметрами ИЬСЗ (столб жидкости)

■4-114 (вес столба жидкости)

бЗ(ои!)

Я4 (трение во всасывающем клапане)

i

КЗ (колонна НКТ -столб жидкости)

Блок управления ключами Kl, K2 и КЗ

и5 (сила давления на приеме насоса)

ml (out)

CZ>*

m2(out) (XH-m3(out)

СБ>*

ml gl

m2 82

m3 g3

gl (m) -KD

B2(in)

-KD

g3(in)

Hx>

Т1 (трансформатор тока)

Рисунок 2 - Имитационная модель системы «колонна штанг -плунжерный насос - столб жидкости - колонна НКТ» на основе электромеханических и электрогидравлических аналогий

В разработанной модели статические усилия моделируются источниками постоянного напряжения; гидродинамическое трение моделируется электрическим сопротивлением; различие в скоростях движения колонны штанг и столба жидкости моделируется с помощью трансформатора тока 77; работа клапанов плунжерного насоса моделируется управляемыми ключами К1, К2 и К3\ закон движения ТПКШ задается источником тока. Управляя ключами К1, К2 и КЗ, можно смоделировать различные неисправности в плунжерном насосе, а также исследовать их влияние на плунжерную и устьевую

динамограмму. Кроме того, путем добавления нелинейного элемента в соответствующем месте колонны штанг, можно смоделировать трение штанг о трубы в искривленных участках наклонной скважины.

Рисунок 3 - Экспериментальная (Р¡) и расчетная (Р2) ваттметрограммы

Для проверки адекватности разработанных математических и имитационных моделей проведено сравнение экспериментальных данных (ваттметрограмм и динамограмм), измеренных на скважине (рисунок За), с расчетными данными, полученными с помощью разработанных моделей (рисунок 36). При этом максимальное отклонение экспериментальной динамограммы от расчетной составило 8%, а отфильтрованной экспериментальной ваттметрограммы от расчетной - 12%, что подтверждает адекватность разработанных математических и имитационных моделей.

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.

Кинематические характеристики ТПКШ при использовании нерегулируемого электропривода определяются геометрическими параметрами станка-качалки, при этом законы изменения скорости и ускорения ТПКШ имеют форму, близкую к гармонической, с ярко выраженными максимальными и минимальными значениями

(рисунок 4 - кривые но и а0). Частотно-регулируемый электропривод позволяет оптимизировать кинематические характеристики ТПКШ, осуществляя регулирование мгновенной скорости вращения вала электродвигателя установки в течение периода качания балансира станка-качалки (рисунок 4 - кривые шо, со\, со2 и а>}).

Рисунок 4 - Законы изменения скорости ТПКШ, ускорения ТПКШ (а) и скорости вращения вала электродвигателя (б) при использовании нерегулируемого электропривода (и0, а0, со0), а также частотно-регулируемого электропривода с заданием законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил трения (t>t, &),)> сил инерции (v2, а2, а>2) и сил, возникающих в результате продольных колебаний (v3, си3)

Кинематические характеристики ТПКШ определяют величину следующих составляющих усилий в элементах ШСНУ: сил трения, зависящих от скорости; сил инерции, зависящих от ускорения; и сил, возникающих в результате продольных колебаний, зависящих от скорости ТПКШ в момент начала движения плунжера. Для перечисленных выше видов усилий определены законы движения ТПКШ, а также законы изменения скорости и ускорения ТПКШ, обеспечивающие снижение максимальных значений соответствующих видов усилий (рисунок 4). При этом максимальное значение скорости снижается на 36% (рисунок 4 - кривая 1ц), максимальное значение ускорения - на 30% (рисунок 4 - кривая aj), а скорость ТПКШ в момент начала движения плунжера снижается на 45% (рисунок 4 - кривая и3), что, соответственно, ведет к снижению максимальных значений сил трения, сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний. Длительность переходных участков функции скорости vi и функции ускорения аг составляет 15% от длительности периода, а значение скорости в момент начала движения плунжера для функции скорости vз составляет 16% от максимального значения этой функции. Установление длительности восходящего хода ТПКШ больше, чем

нисходящего, ведет к дополнительному снижению максимальных нагрузок на элементы установки, однако при этом необходимо, чтобы выполнялось условие на отсутствие сжимающих усилий в ТПКШ и нижней части колонны штанг.

Рисунок 5 - Расчетные динамограммы (я), моментограммы и ваттметрограммы (б) при использовании нерегулируемого электропривода (^о, М0, Р0) и частотно-регулируемого электропривода с заданием закона движения ТПКШ, обеспечивающего снижение максимальных значений сил трения М,,Р{)

На рисунке 5 изображены расчетные динамические и энергетические характеристики ШСНУ, полученные с использованием разработанных математических и имитационных моделей при задании закона движения ТПКШ, обеспечивающего снижение максимальных значений сил трения. В рассматриваемом случае максимальные значения усилий в ТПКШ снижаются на 11% (рисунок 5 - кривая что ведет к снижению максимального момента на валу кривошипа и электродвигателя установки и выравниванию нагрузочной диаграммы электропривода (рисунок 5 - кривые М\ и Р]). Аналогичные динамические и энергетические характеристики ШСНУ получены также при задании законов движения ТПКШ, обеспечивающих снижение максимальных значений сил инерции и сил, возникающих в результате продольных колебаний. При этом максимальное значение усилий в ТПКШ в ряде случаев снижается на 15%.

Для оптимизации кинематических характеристик ТПКШ и технологического процесса разработана система управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ (рисунок 6), в которой система автоматического регулирования (САР) мгновенной скорости вращения осуществляет задание требуемого закона движения ТПКШ, а система автоматического регулирования средней скорости вращения осуществляет регулирование динамического уровня нефти в скважине.

В разработанной системе управления регулирование параметров движения ТПКШ осуществляется косвенным методом, путем регулирования параметров движения кривошипа станка-качалки. Вычислитель параметров движения кривошипа при этом построен на основе системы уравнений (2). Косвенное регулирование используется с целью исключения из системы управления нелинейности, вводимой кинематической схемой станка-качалки.

САР мгновенной скорости вращения

Рисунок 6 - Структурная схема системы управления частотно-регулируемым электроприводом ШСНУ

В системе автоматического регулирования мгновенной скорости вращения комбинированное управление с дополнительными заданиями по скорости и ускорению вводится с целью повышения точности отработки САР задающего воздействия. Регуляторы положения \¥р,р, скорости 1УрС0 и ускорения IVре кривошипа станка-качалки следует выполнять пропорциональными с целью обеспечения максимального быстродействия системы управления. Параметры регуляторов настраиваются на модульный оптимум, при этом система «асинхронный двигатель - клиноременная передача - редуктор»

рассматривается как двухмассовая система с возмущающим воздействием по моменту сопротивления со стороны станка-качалки. Приведенный момент инерции элементов установки к валу кривошипа считается постоянным, что позволяет рассматривать систему как линейную при синтезе регуляторов и определении их параметров.

Проведены экспериментальные исследования разработанной САР мгновенной скорости вращения на лабораторном макете, состоящем из асинхронного двигателя, управляемого с помощью преобразователя частоты с алгоритмом прямого управления моментом, датчиков тока и напряжения, тахогенератора и микропроцессорной платы управления с реализацией разработанных алгоритмов управления. С помощью двигателя постоянного тока, питающегося от управляемого тиристорного выпрямителя, моделируется нагрузка на асинхронный двигатель, идентичная нагрузке электродвигателя станка-качалки. В ходе экспериментальных исследований получены осциллограммы токов и напряжений, а также скорости вращения вала электродвигателя. Установлено, что разработанная система управления обеспечивает регулирование мгновенной скорости вращения вала электродвигателя с максимальным отклонением от заданного закона не более 2%.

Рисунок 7 - Экспериментальная плата датчика параметров движения (а); результаты экспериментальных исследований датчика параметров движения в промысловых условиях (б): аюм - измеренный сигнал ускорения ТПКШ, аф - отфильтрованный сигнал ускорения, о - скорость ТПКШ, £ - перемещение ТПКШ, полученные с использованием метода разложения сигнала ускорения в ряд Фурье

Для организации обратной связи в системе регулирования мгновенной скорости вращения разработан датчик параметров движения на основе интегрального акселерометра (рисунок 1а), а также метод определения перемещения и скорости ТПКШ на основе разложения сигнала ускорения в ряд Фурье, который заключается в следующем: с помощью акселерометра измеряется сигнал ускорения;

измеренный сигнал ускорения раскладывается в ряд Фурье с использованием метода дискретного преобразования Фурье; из ряда Фурье сигнала ускорения удаляется постоянная составляющая и высшие гармоники с целью осуществления фильтрации сигнала ускорения; путем аналитического интегрирования ряда Фурье сигнала ускорения определяется скорость ТПКШ, а перемещение ТПКШ находится путем двойного аналитического интегрирования. В результате проведенных экспериментальных исследований в промысловых условиях (рисунок 16) установлено, что погрешность разработанного датчика параметров движения при использовании метода определения перемещения и скорости ТПКШ путем разложения сигнала ускорения в ряд Фурье составляет 1%, что в три раза меньше погрешности определения перемещения и скорости ТПКШ методом численного интегрирования. При снижении частоты качаний балансира станка-качалки погрешность датчика возрастает по квадратичной зависимости для перемещения и прямолинейной зависимости для скорости, и при частоте качаний менее двух в минуту погрешность датчика превышает 1%. а) . б) 12.5 г

Рисунок 8 - Промышленный образец датчика угла наклона (а); температурный дрейф нуля трех экземпляров датчиков по осям Хи У (б)

Для определения параметров движения ТПКШ при тихоходных режимах работы станка-качалки разработан датчик угла наклона на основе интегрального акселерометра (рисунок 8а). Принцип действия датчика заключается в определении проекции ускорения свободного падения на измерительные оси акселерометра и последующим расчетом угла наклона датчика согласно тригонометрическим выражениям. В ходе экспериментальных исследований в климатической камере установлен линейный характер зависимости дрейфа нуля датчика от температуры (рисунок 86), при этом величина дрейфа нуля может достигать 25° при изменении температуры от минус 40°С до +40°С. Программная калибровка температурного дрейфа нуля датчика в

климатической камере по линейной зависимости позволяет скомпенсировать погрешность температурного дрейфа нуля до 0,2°. В датчике использован аналоговый фильтр низких частот, а также медианный фильтр, применение которого ведет к дополнительному снижению шумов датчика на 20% (до 0,075°). Суммарная абсолютная погрешность датчика угла наклона составляет 0,4°.

Система автоматического регулирования средней скорости вращения (рисунок 6) осуществляет стабилизацию динамического уровня нефти в скважине на требуемом уровне с целью согласования производительности насоса с дебитом скважины при постоянном забойном давлении. Регулятор уровня в САР средней скорости вращения WPi, следует выполнять пропорционально-интегральным для обеспечения астатизма системы. Параметры регулятора следует настраивать на обеспечение апериодического переходного процесса при ступенчатом изменении задания, так как система управления динамическим уровнем обладает односторонней управляемостью и не способна устранить перерегулирование отрицательным управляющим воздействием.

Для обеспечения обратной связи в САР средней скорости вращения разработан метод определения динамического уровня по ваттметрограмме на основе нейронных сетей. Данный метод основан на моделировании зависимости между динамическим уровнем нефти в скважине и ваттметрограммой средствами нейронных сетей. В качестве входных данных для нейронной сети используются также значения плотности нефти, давления на устье скважины и давления газа в затрубном пространстве. Разработка нейронной сети, ее обучение и тестирование выполнено в приложении «Neural Network» программного комплекса «Matlab». В результате исследований определены параметры и структура нейронной сети, которая в конечном варианте представляет собой трехслойную нейронную сеть с двумя скрытыми слоями, состоящими из 250-ти нейронов в первом слое и 150-ти нейронов во втором слое, при этом выходной слой содержит один нейрон. В качестве функции активации нейронов скрытых слоев использована логистическая функция, а выходного слоя - линейная функция. Обучение нейронной сети проведено с использованием метода обратного распространения ошибки по алгоритму градиентного спуска с возмущением. При тестировании разработанной нейронной сети на основе промысловых данных установлена максимальная относительная погрешность определения с помощью нейронной сети значений динамического уровня, которая 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 энерго- и 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сакаев А.Ф. Контроль и диагностика состояния оборудования штанговых глубинных насосов косвенным методом по ваттметрограмме с использованием искусственных нейронных сетей / А.Ф. Сакаев, А.Е. Козярук // Записки Горного института, Том 173. -СПб: Изд-во СПГГИ, 2007. - С. 101-104.

2. Сакаев А.Ф. Разработка датчика перемещения на основе интегрального акселерометра для систем динамометрирования штанговых глубинных насосов / А.Ф. Сакаев, В.Д. Ковшов // Записки Горного института, Том 170 - СПб: Изд-во СПГГИ, 2007. - С. 127-130.

3. Сакаев А.Ф. Исследование динамических режимов работы частотно-регулируемых электроприводов нефтедобывающих насосов на основе математических моделей / А.Ф. Сакаев, А.Е. Козярук // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «XXXVII Неделя науки СПбГПУ». Ч. VIII. - СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - С. 178-179.

4. Sakaev A.F. Development of the moving sensor for automatic control system of pumping machine equipments // Freiberger Forschungsforum «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics». - Germany, Freiberg, 2007. - C. 173-174.

• 5. Сакаев А.Ф. Датчик угла наклона на основе акселерометра: реализация и исследование характеристик / А.Ф. Сакаев, В.Д. Ковшов, М.И. Хакимьянов // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Межвузовский сборник научных статей. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С. 61-65.

РИЦ СПГТИ. 24.07.2009. 3.435. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2.

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Обзор современного состояния электроприводов штанговых скважинных насосных установок

1.1 Обзор существующих способов эксплуатации нефтедобывающих скважин

1.2 Обзор современного состояния электроприводов штанговых скважинных насосных установок

1.3 Постановка задач для исследований

Глава 2. Математическая модель системы «электропривод — станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка»

2.1 Структурная схема математической модели системы «электропривод - станок-качалка - штанговая скважинная насосная установка»

2.2 Математическая модель электропривода станка-качалки

2.3 Математическая модель кинематики станка-качалки

2.3.1 Определение параметров движения кривошипа станка-качалки при заданных законах движения точки подвеса колонны штанг (решение 32 обратной задачи кинематики)

2.3.1.1 Решение обратной задачи кинематики для угла поворота кривошипа станка-качалки

2.3.1.2 Решение обратной задачи кинематики для скорости вращения кривошипа станка-качалки

2.3.1.3 Решение обратной задачи кинематики для углового ускорения кривошипа станка-качалки

2.3.1.4 Результаты решения обратной задачи кинематики станка-качалки

2.3.2 Определение параметров движения точки подвеса колонны штанг при заданном законе движения кривошипа станка-качалки (решение 48 прямой задачи кинематики)

2.4 Математическая модель динамики станка-качалки

2.5 Математическая модель системы «колонна штанг - плунжерный насос - столб жидкости - колонна насосно-компрессорных труб»

2.6 Оценка адекватности разработанных математических и имитационных моделей системы «электропривод — станок-качалка — 64 штанговая скважинная насосная установка»

Глава 3. Определение рациональных параметров движения точки подвеса колонны штанг

3.1 Классификация усилий, зависящих от параметров движения точки подвеса колонны штанг

3.2 Закон движения точки подвеса колонны штанг при равенстве сил инерции, сил трения и сил, возникающих в результате продольных 69 колебаний

3.3 Закон движения точки подвеса колонны штанг, обеспечивающий снижение максимальных значений сил инерции

3.4 Закон движения точки подвеса колонны штанг, обеспечивающий снижение максимальных значений сил трения

3.5 Закон движения точки подвеса колонны штанг, обеспечивающий снижение максимальных значений сил, возникающих в результате 88 продольных колебаний

Глава 4. Система управления частотно-регулируемым электроприводом штанговой скважинной насосной установки

4.1 Структурная схема системы автоматического управления частотно-регулируемым электроприводом штанговой скважинной насосной 97 установки

4.2 Система автоматического регулирования мгновенной скорости вращения

4.3 Экспериментальные исследования системы автоматического регулирования мгновенной скорости вращения

4.4 Система автоматического регулирования средней скорости вращения

Глава 5. Разработка измерительных устройств для системы управления частотно-регулируемым электроприводом штанговой скважинной насосной 109 установки

5.1 Датчик параметров движения точки подвеса колонны штанг

5.1.1 Анализ погрешностей акселерометра

5.1.2 Разработка методов определения параметров движения точки подвеса колонны штанг

5.1.3 Экспериментальные исследования датчика параметров движения

5.2 Датчик угла наклона балансира станка-качалки

5.3 Система определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей Заключение

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 энерго- и 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 энерго- и 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 энерго- и ресурсосберегающего управления ЧРЭП ШСНУ.

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

Идея работы: энерго- и 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 параметрами; методы электромеханических и электрогидравлических аналогий; аналитические 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 электропривод -станок-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 исследований; разработке 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 ШСНУ; разработке и исследовании системы и алгоритмов управления частотно-регулируемыми электроприводами ШСНУ; разработке принципиальной схемы, алгоритма работы, программного обеспечения и способов компенсации погрешностей датчика параметров движения ТПКШ, а также датчика угла наклона; разработке и исследовании метода определения динамического уровня нефти в скважине по ваттметрограмме на основе нейронных сетей; проведении, 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 уровня- в 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 энерго- и 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.

1. Агагусейнов Н.Т. Система автоматического контроля работы штанговых глубиннонасосных установок: автореф. дис. . канд. техн. наук / Н.Т. Агагусейнов. Баку, 1986. - 16 с.

2. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами / А.Н. Адонин. М.: Недра, 1979. - 213 с.

3. Адонин А.Н. Процессы глубиннонасосной нефтедобычи / А.Н. Адонин. М.: Недра, 1964. -264 с.

4. Аливердизаде К.С. Балансирные индивидуальные приводы глубиннонасосной установки (станки-качалки) / К.С. Аливердизаде. Баку, Гостопиздат, 1951. — 216 с.

5. Аливердизаде К.С. Приводы штангового глубинного насоса / К.С. Аливердизаде. М.: Недра, 1973.- 192 с.

6. Аливердизаде К.С. Решение некоторых вопросов динамики штанговой глубиннонасосной установки с применением ЭВМ / К.С. Аливердизаде, A.M. Кенгерли // Нефтяное хозяйство. — 1968.-№6.-С. 49-52.

7. Алиев Т.М. Автоматический контроль и диагностика скважинных штанговых насосных установок / Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров. М.: Недра, 1988. - 231 с.

8. Алиев Э.С. Тиристорный электропривод с асинхронным короткозамкнутым двигателем для станков-качалок глубиннонасосных установок: автореф. дис. . канд. техн. наук / Э.С. Алиев. -Баку, 1979.-24 с.

9. Астанин В.О. Мехатронный привод штангового насоса для автоматизированной добычи нефти / В.О. Астанин, А.П. Усачев, В.В. Хомяков // Нефтяное хозяйство. 2004. - №4.

10. Атакишиев Т.С. Электроэнергетика нефтяных и газовых промыслов / Т.С. Атакишиев и др.. -М.: Недра, 1988.-221 с.

11. Афанасьев Н.В. Совершенствование привода штанговых насосных установок для добычи высоковязкой нефти: автореф. дис. канд. техн. наук / Н.В. Афанасьев. Уфа, 2002. - 22 с.

12. Башарин А.В. Управление электроприводами / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. JL: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

13. Блантер С.Г. Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности / С.Г. Блантер, И.И. Суд. М.: Недра, 1980. - 478 с.

14. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.16