Дипломная (вкр): Удосконалення вузла динамометрування системи контролю параметрів штангових глибинних насосних установок

. давач зусилля, розташовується на штоку над верхньою траверсою

(Давач типу Loadtrol), давач положення, що працює на ефекті Холла,

встановлюється на вихідному валі редуктора;

. давач деформації балансира суміщений з давачем кута нахилу балансира.

Контролер забезпечує 3 режими роботи:

. всі включення і відключення електродвигуна проводяться за командами з диспетчерського пункту;

. включення і відключення електродвигуна проводяться за заданими тимчасовими уставками (періодична експлуатація);

. управління здійснюється автоматично за результатами аналізу динамограми.

Контролер має аналоговий вихід для підключення частотного перетворювача для плавного регулювання швидкості обертання електродвигуна. Недоліком даної системи є висока вартість. Так, наприклад, вартість тільки контролера фірми «Lufkin» (США) в комплекті з давачами динамометрування порівняна з ціною цілої станції управління в повній комплектації вітчизняного виробництва. Станція управління «Інтел-СУС» (ЗАТ «линт», Казань) в комплекті з контролером «Телебей» і давачами динамометрування ДДС-04 має практично аналогічні функціональні можливості і являє собою закінчений виріб. Система комплектується програмним забезпеченням на всіх рівнях. Крім давачів динамометрування до контролера підключаються давачі ваттметрування для контролю енергетичних параметрів: струмів і напружень по кожній фазі, активної та

реактивної потужності, коефіцієнта потужності, проведення технічного обліку електроенергії та побудови ватметрограм.

Широке застосування на промислах Татарії отримали контролери «Мега» (НПФ «Інтек», Уфа). Контролери працюють з давачами динамометрування з ДДС-04.

Функціонально контролер аналогічний описаним вище, система комплектується власним програмним забезпеченням. Частина свердловин не

обладнана давачами положення, визначення початку ходу штока проводиться шляхом математичного аналізу графіка зміни зусилля. Певних успіхів досягли і розробники контролера «Оріон» («Аякс», Ульяновськ). Зазначені контролери на сьогоднішній день найбільш пристосовані для спільної роботи з елементами системи ДДС-04 в плані збору та подання інформації. Формування масиву

динамограм відбувається безпосередньо в самому давачі ДДС-04, контролеру достатньо періодично зчитувати масив з пам'яті давача по цифровому протоколу «Modbus-RTU». У давачі реалізована функція порівняння динамограм, і якщо форма динамограм не змінилася, передача масиву не потрібна, що звільняє канали зв'язку. Програмне забезпечення системи телемеханіки дозволяє відправляти виміряні динамограми і розраховані дані по дебітах в корпоративну систему «АРМІТС», що охоплює всі нафтогазовидобувні підприємства ВАТ «Татнефть». Прикладом закінченої вітчизняної системи автоматизаційної установки ШГН є станція управління АСУС-02 НПФ «Екос» (рисунок 1.12). Автоматизована станція АСУС-02 має силову частину, спеціалізований контролер і станцію, яка має зв'язок з диспетчерським пунктом.

Рисунок 1.12 - Станція управління АСУС-02 виробництва НВФ «ЕКОС»

Відмінною особливістю станції управління АСУС-02 є те, що в ній реалізовано ваттметрування з налагодженим алгоритмом визначення таких характеристик як: перевантаження по струму, відхилення напруги від норми, перекіс фаз, відхилення частоти живлячої напруги, коефіцієнта гармонік, коефіцієнта потужності обриву, прослизання ременів, биття в редукторі, розбаланс противаг, і інших. Станція укомплектовується також елементами систем динамометрування ДДС-04.

Можливість станції управління АСУС-02 поєднувати функції ваттметрування і динамометрування є важливою перевагою, оскільки підвищує вірогідність діагностики режиму роботи установки і виявлення несправностей. Система автоматизації, що базується на застосуванні станції

управління АСУС-02 і елементах системи ДДС-04, володіє наступними можливостями:

точне автоматизоване балансування верстата-качалки;

підрахунок спожитої електроенергії;

визначення продуктивності свердловинної установки по динамограмі;

оцінка динаміки зміни дебіту свердловини;

годинний (за останні 24 години) і добовий (за останні 30 діб) архіви дебіту;

автоматичне керування відкачуванням в періодичному режимі;

програмована затримка автоматичного включення при пропажі напруги в мережі;

автоматичне вимикання при аварійних ситуаціях;

побудова динамограм розрахунковим і експериментальним способом;

графіки зміни в часі параметрів (тренди);

звіти поточного стану та останнього аварійного відключення;

інтеграція в SCADA-системах.

Порівнюючи можливості станції управління АСУС-02 в комплекті з

ДДС-04 і станції, що базується на контролері Lufkin, можна зробити наступні висновки:

У АСУС-02 крім динамометрування проводиться ще контроль електричних параметрів - ватметрування, тоді як в контролері Lufkin електричну потужність отримують непрямим методом - вимірюється швидкість обертання електродвигуна, виходячи з чого обчислюють момент на валу і потужність.

У контролері Lufkin є засоби відображення інформації безпосередньо на об'єкті - великий графічний дисплей і можливість підключення портативних комп'ютерів. Однак наявність такого дисплея виявляється не цілком доцільно при побудові дистанційної телеметрії. Крім того, у складі системи АСУС-02 також може поставлятися модуль збору інформації МСІ-07, що дозволяє

переглядати результати динамометрування та інші дані безпосередньо на місці.

У контролері Lufkin передбачена функція управління частотним регулятором - є відповідний вихідний сигнал і закладені необхідні алгоритми управління. Проте в даний час вартість частотних регуляторів ще занадто висока для масового оснащення ними всього фонду свердловин.

Вартість імпортних систем в кілька разів вище вітчизняних розробок. Крім того, при використанні вітчизняних станцій управління всі проблеми з ремонтом і модернізацією обладнання будуть вирішуватися значно швидше.

В даний час все більш широко використовуються ланцюгові приводи установок ШГН. У порівнянні з традиційними балансивними СКН ланцюгові приводи забезпечують велику довжину ходу штока (до 6-9 м) при меншому енергоспоживанні. Крім того, рух штока відбувається з постійною лінійною швидкістю, що позитивно впливає на режим роботи насосного обладнання. Фірмою «Грант» розроблені спеціальні модифікації датчиків зусилля і положення для застосування на ланцюгових приводах. Застосовані спеціальні конструктивні рішення для виключення випадків зачепів довгих кабелів за елементи арматури. В даний час проводиться узгодження способів установки давачів на ланцюгові приводи з заводами-виробниками.

.3 Постановка задачі на виконання бакалаврської роботи

Видобування нафти за допомогою ШГНУ широко розповсюджене у вітчизняній та зарубіжній нафтовій промисловості і відіграє провідну роль у порівнянні з іншими методами нафтовидобування. На території України розташована значна кількість нафтових свердловин, обладнаних ШГНУ, причому спостерігається тенденція до зростання кількості відмов та аварійних станів, що пояснюється насамперед тривалим терміном їх експлуатації. Сьогодні діагностування ШГНУ здійснюється переважно з використанням переносних гідравлічних динамографів, які є складними в експлуатації та не забезпечують можливості автоматизованої обробки виміряних даних. Якість динамографічних методів діагностування, що використовуються на практиці, залежить від досвіду персоналу і, в значній мірі, від суб’єктивних факторів, що спричиняють похибку при розпізнаванні динамограм та віднесенні їх до заздалегідь визначених класів дефектів.

Як видно із аналізу існуючих систем динамометрування однією із важливих проблем, які необхідно вирішити є підвищення метрологічних характеристик давачів переміщення та зусилля та оптимізація каналів передачі інформації від цих перетворювачів у систему телемеханіки.

У зв’язку з цим, виникає завдання вдосконалення вузлів динамометрування систем діагностики ШГНУ, що дозволить підвищити надійність експлуатації ШГНУ. Для цього потрібно вирішити наступні задачі:

Проаналізувати існуючі типи систем діагностування дефектів ШГНУ та параметрів її роботи.

Удосконалити вузол динамометрування системи контролю параметрів ШГНУ, шляхом розробки інтелектуального перетворювача навантаження із цифровим виходом, що дозволить підвищити достовірність її діагностування.

Розробити давач положення на базі інтегрального акселерометра та алгоритм обробки масивів вимірювання, що дозволить зменшити завантаженість каналів передачі інформації та підвищити завадостійкість.

Провести метрологічний аналіз та розробити методику повірки вимірювальних каналів вузла динамометрування.

Розробити заходи з охорони праці і виробничої санітарії.

2. УДОСКОНАЛЕННЯ ВУЗЛА ДИНАМОМЕТРУВАННЯ СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ ШГНУ

.1 Розробка інтелектуального перетворювача навантаження

На сучасному етапі науково-технічного процесу все більше важливим стає питання впровадження у виробничу і наукову діяльність високоточних методів ведення обрахунку, їх фіксації і перетворення. Це пов`язане в першу чергу з підвищення вимог до точності і надійності проведення у різних галузях науки і техніки, особливо у вимірюваннях фізичних величин.

Використання цифрових складових у приладах і пристроях обумовлюється в першу чергу можливістю прямого їх використання у схемах керування, побудованих як правило на базі мікроконтролерної техніки, що дозволяє обійтися без переходів між аналоговими і цифровими видами представлення інформації, і відповідно зменшити похибки результатів вимірювань.

Переваги мікроелектронних пристроїв над аналоговими є у тому, що у них переважає висока точність вимірювання параметрів, переважає швидкодія вимірювання та можливості використання мікроелектронних пристроїв при непрямих вимірюваннях. При цьому основні похибки вносять аналогові давачі, які є менш точними за цифрові.

Як відомо, давач - це конструктивно відокремлений первинний вимірювальний перетворювач, від якого надходять сигнали вимірюваної інформації. Останнім часом широко використовують терміни: «багатофункціональний давач» та «інтелектуальний давач», що цілком закономірно відображає основні тенденції розвитку й вдосконалення давачів. Якщо багатопараметричний давач забезпечує можливість вимірювання (перетворення) фізичних величин завдяки комбінації кількох чутливих елементів в одному давачі, то інтелектуальний давач завдяки мікроконтролеру, може реалізувати цілий ряд функцій, що раніше були властиві лише вимірювальним приладам і системам, а саме:

попередня обробка сигналів (лінеаризація, фільтрування, корекція похибок);

самодіагностування;

дистанційне конфігурування (діапазону вимірювань, одиниць вимірювань, узгодження частотних характеристик);

окремі елементи керування;

передавання інформації з використанням протоколів промислових мереж Profibus чи Foundation Fieldbus.

.1.1 Проектування функціональної схеми давача навантаження

Інтелектуальний давач динамометрування працює в складі програмно-технічного комплексу АСУС-02 для контролю і управління процесом нафтовидобутку. При підключенні силовимірювального тензорезистивного давача, встановленого між опорними плитами траверси канатної підвіски верстатів-качалок ШГН нафтовидобувної свердловини до вимірювально-обчислювального комплексу, утворюються електровимірювальні канали, що дозволяють в цифровому вигляді з нормованою точністю (приведена похибка 0,6%) визначати абсолютне навантаження, що діє на полірований шток верстата-качалки в залежності від його положення, і представляти вимірювальну інформацію на екранах комп'ютерів диспетчерського пункту та технологічних об'єктів у вигляді теоретичних і практичних динамограм, оброблюваних автоматично шляхом відповідних розрахунків, закладених в програму з метою обчислення кількості видобутку рідини за певний проміжок часу.

Принцип роботи давача (рисунок 2.1) полягає в наступному. Електричні сигнали з тензометричного моста 1 і з виходу давача прискорення 2, вбудованого в силовимірювальний тензорезистивний давач, подаються на відповідні два канали аналого-цифрового перетворювача 3 для почергового перетворення в цифрову форму з подальшою передачею цифрового сигналу в програмований контролер 4 давача, керуючий роботою аналого-цифрового перетворювача і забезпечують вихід цифрового сигналу через буферний перетворювач 5 і послідовний інтерфейс RS-485 на програмований логічний контролер вимірювально-обчислювального комплексу.

Управління мікросхемою давача навантаження і прискорення здійснюється від вбудованого електронного контролера 4 через виводи інтерфейсу SPI. Вбудований контролер дозволяє задати режим роботи АЦП - ініціалізацію, калібрування або перетворення.

Рисунок 2.1. Структурна схема інтелектуального давача навантаження

Структурна схема інтелектуального давача складається з:

тензометричного моста, призначений для вимірювання деформації конструкції;

контролера АСУС-02, який здійснює керування зовнішніми пристроями вводу/виводу та проводить обчислення;

аналого-цифрового перетворювача (АЦП TLC 549IP), який здійснює перетворення сигналу з аналогового в цифровий ;

мікросхеми інтерфейсу, за допомогою якої вводяться постійні величини, або виводяться певні величини для перевірки програми;

давача прискорення, призначеного для реєстрування верхньої і нижньої мертвих точок, значень прискорення у всіх точках переміщення плунжера насоса.

Сучасна електроніка дозволяє відносно просто реалізувати всі схемні елементи давача. Є готові рішення у вигляді окремих мікросхем, як для кожного елемента, так і інтегровані мікроконтролери, що мають всередині однієї мікросхеми всі ці компоненти. Однак для створення давача для роботи в складних умовах не завждипідходять типові пропоновані рішення.

Самий відповідальний і складний елемент давача - його вимірювальне коло. Воно повинно забезпечувати придушення постійних і низькочастотних перешкоду вигляді дії промислової частоти 50 Гц, а також високочастотних перешкод і випадкових викидів. Тому для забезпечення тимчасової стабільності показів давача в широкому діапазоні температур необхідно застосувати імпульсне живлення вимірювального кола тензорезисторів з використанням спеціальної знакозмінної вагової функції, завдяки чому зведені до мінімуму вплив температурного дрейфу напруги зсуву активних елементів перетворювача і перешкоди джерела живлення 50 Гц. Разом з тим, додаткова цифрова обробка результатів вимірювання дозволила знизити вплив випадкової перешкоди і нестабільності напруги живлення датчика.

Цифрова обробка вибірки дискретних значень дозволяє реалізувати не тільки цифрове інтегрування сигналу, але і різні алгоритми фільтрації, які полягають у видаленні з вибірки випадкових викидів.