Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок

 

Изобретение относится к области диагностики штанговых насосных установок и может быть использовано для предупреждения аварий при использовании этих установок на нефтедобывающих промыслах. Суть способа заключается в следующем. Измеряют мгновенные значения тока и напряжения на входе электропривода станка-качалки. Определяют действующие значения тока и напряжения. Выделяют первую a₁(S) и вторую A₂(S) гармоники полной мощности. Определяют их отношение

Состояние уравновешенности определяют по условию: K₂₁ ≥ К_21Э, где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины. Способ отличается высокой достоверностью получаемого результата и возможностью сравнительно простотой реализации. 3 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 _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 a₁ и вторую а₂ гармоники мощности, а состояние уравновешенности станка-качалки определяют по условию

Недостатком этого способа является необходимость согласования датчиков тока и напряжения по фазе между собой для корректного измерения активной мощности, а также 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 действующие значения тока и напряжения, определяют полную мощность, выделяют первую A₁(S) и вторую A₂(S) гармоники полной мощности, определяют их отношение

а состояние уравновешенности определяют по условию:

где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины Действительно, 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 полной мощности электродвигателя (S(N)) при работе станка-качалки (вольтамперметрограмма - ВАМГ). 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 плунжерного 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. Кинематическая схема передачи вращательного движения вала электродвигателя в поступательное движение колонны штанг выполнена таким образом, что моменты на валу электродвигателя от нагрузки на шток и от противовесов изменяются по законам, близким к синусоидальным, а максимальные значения моментов не совпадают во времени. Сложение таких моментов приводит к суммарному моменту на валу редуктора, из которого можно выделить две основные гармоники: первую и вторую. Полная мощность на входе электродвигателя связана с моментом на его валу и с точностью, необходимой для этого способа, можно выводы анализа для момента на валу электродвигателя переносить на полную мощность на входе электродвигателя. В уравновешенном состоянии вторая гармоника полной 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 полной 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 кривые зависимости отношения второй гармоники полной мощности к первой от расстояния центра масс противовесов на кривошипе от оси вращения кривошипов (то есть от степени неуравновешенности СК). Данная зависимость имеет один максимум, пропадает неоднозначность в решении задачи и появляется возможность определять действующие значения напряжения и тока отдельно, то есть синхронизировать только начало измерения, ясно, что при этом уменьшаются требования к согласованию фаз датчиков тока и напряжения между собой.

Сравнение отношения второй гармоники полной 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 нагрузках на шток СК. Поэтому К_21Э назначается пользователем при настройке системы контроля уравновешенности.

При экспериментальных исследованиях эталонные значения отношения гармоник полной мощности колебались в диапазоне от 2,5 до 14,0 для разных скважин.

Результаты, получаемые предложенным способом, отличаются высокой достоверностью, что подтверждается проведенными исследованиями на 20 реальных нефтяных скважинах, оборудованных ШГНУ, когда во всех случаях был поставлен правильный диагноз об уравновешенности станка-качалки.

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

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

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

На фиг.3 приведена функциональная блок-схема способа.

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

Предложенный способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например, в виде функциональной блок-схемы, которая представлена на фиг.3. Она содержит измерительные датчики тока 1 (ДТ) и напряжения 2 (ДН); блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН); блок определения полной мощности 5 (ПМ); блок дискретного преобразования Фурье 6 (БПФ); делитель 7 (Д), блок памяти базы данных 8 (БД); блок сравнения значений K₂₁ 9 (С). Выход датчика тока 1 (ДТ) связан с входом блока определения действующего значения тока 3 (ДЗТ). Выход датчика напряжения 2 (ДН) связан с входом блока определения действующего значения напряжения 4 (ДЗН). Выходы блоков определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) связаны с входами блока определения полной мощности 5 (ПМ), выход которого, в свою очередь, связан с входом блока дискретного преобразования Фурье 6 (БПФ). Выходы блока дискретного преобразования Фурье 6 (БПФ) связаны с входами делителя 7 (Д). Выходы делителя 7 (Д) и блока памяти базы данных 8 (БД) связаны с входами блока сравнения значений 9 (С).

Аппаратно предложенный способ диагностирования уравновешенности СК может быть реализован, например, с помощью датчика тока 1 (ДТ) в виде промышленного прибора КЭИ-0,2М; датчика напряжения 2 (ДН) в виде трансформатора напряжения (220/5V). Блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) выполняют операции оцифровки сигналов и определения среднеквадратичных значений сигналов тока и напряжения соответственно. Для оцифровки сигналов может быть использован аналого-цифровой преобразователь (АЦП) серии МАХ186 (12 бит), который имеет 8 аналоговых входов; для связи с датчиками задействованы 2 канала (остальные каналы АЦП задействованы для решения дополнительных функций, таких как контроль питания, диагностика схемы и пр.). Для управления АЦП и определения среднеквадратичных значений тока и напряжения может быть использован микроконтроллер серии 51 производителя atmel AT89S53. Блоки определения полной мощности 5 (ПМ), дискретного преобразования Фурье 6 (БПФ), делитель 7 (Д), блок сравнения 9 (С) могут быть выполнены на этом же микроконтроллере. Для хранения данных по скважинам и временного хранения массивов значений (блок памяти базы данных 8 (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 гг. на нефтяных месторождениях Томской и Тюменской областях 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 полная мощность, выделялись первая и вторая гармоники полной мощности. При этом также определялось эталонное значение отношения второй гармоники полной 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 № 2. При этом эталонное значение отношения второй гармоники полной мощности к первой для этой скважины составило 3,77 (табл.2).

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 блоки определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) (фиг.3). Ток и напряжение измеряются по параллельным, независимым каналам измерения с интервалом дискретизации Δt=0,001c. В блоках определения действующих значений тока 3 (ДЗТ) и напряжения 4 (ДЗН) происходит оцифровка сигналов и определение среднеквадратичных значений по формулам:

где i(t), u(t) - мгновенные значения тока и напряжения, полученные с датчиков тока и напряжения соответственно и оцифрованные;

I, U - действующие значения тока и напряжения, определенные на периоде промышленной частоты;

l 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 Δt=0,001 c. L равно 20.

Полученные действующие значения тока и напряжения поступают на вход блока определения значений полной мощности (S) 5 (ПМ), получаем:

Определенные значения полной мощности поступают на вход блока дискретного преобразования Фурье 6 (БПФ), где определяются первая и вторая гармоники сигнала полной мощности (за период качания станка-качалки - N_T (фиг.1)).

Здесь: A’_1(S), A’’_1(S) - синусная и косинусная составляющие первой гармоники полной мощности соответственно;

A’_2(S), A’’_2(S) - синусная и косинусная составляющие второй гармоники полной мощности соответственно;

A_1(S), A_2(S) - первая и вторая гармоники полной мощности соответственно;

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

С выхода блока дискретного преобразования Фурье гармоники поступают на вход делителя 7 (Д), где происходит деление второй гармоники полной мощности на первую с целью нахождения K₂₁:

Результат деления с выхода делителя 7 (Д) поступает на один из входов блока сравнения 9 (С) (фиг.3). На другой вход блока сравнения поступает эталонное значение отношения гармоник (К_21э) для данной установки и производится сравнение рассчитанного отношения гармоник полной мощности с эталонным значением отношения гармоник полной мощности для данной установки по формуле 4.

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

Легко видеть (см. табл.2), что при положениях 1, 2, 4, 5 K₂₁<К, поэтому СК неуравновешен, тогда как в положении 3 К₂₁ ≥ К_21Э - станок уравновешен.

Построенная зависимость отношения второй гармоники полной мощности к первой от положения груза (степени неуравновешенности) (см. фиг.2) для скважин № 1 и № 2 показывает, что зависимость отношения второй гармоники полной мощности к первой от положения противовесов имеет один максимум, то есть имеется одно решение данной задачи.

Из примеров явно следует, что при диагностике уравновешенности СК данным способом нет неопределенности в результате сравнения определенного отношения гармоник полной 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, 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, определении мощности, выделении первой и второй гармоник мощности, отличающийся тем, что определяют действующие значения тока и напряжения, находят полную мощность, выделяют первую (A₁(S)) и вторую (A₂(S)) гармоники полной мощности, определяют их отношение

а состояние уравновешенности определяют по условию

K₂₁ ≥ К_21Э,

где К_21Э - эталонное значение коэффициента для данной скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7