Дипломная работа: Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО "Татнефть"

Дипломная работа: Автоматизированный привод станка-качалки на ОАО "Татнефть"

1.  Технико-технологическая часть

1.1  Общие сведения об ОАО "Татнефть"

Общие сведения: ОАО "Татнефть" – одна из крупнейших в нефтегазовом комплексе России. Основная деятельность компании "Татнефть" осуществляется на территории Российской Федерации.

ОАО "Татнефть" является холдинговой структурой, в состав которой входят нефтегазодобывающие управления, нефтегазоперерабатывающие, нефтехимические предприятия, а также предприятия и сервисные производства, реализующие нефть, продукты нефтегазо – переработки и нефтехимии.

Ежегодный объем добычи нефти Компанией составляет более 25 миллионов тонн, газа – более 700 млн. куб. м.

ОАО "Татнефть" в настоящее время предоставлены лицензии на разработку 77 месторождений в Республике Татарстан, где сосредоточены основные запасы нефти республики.

Одним из основных приоритетов Компании является охрана окружающей среды и обеспечение поизводственной и промышленной безопасности. Важнейшей составляющей деятельности Компании "Татнефть" является совершенствование и разработка новых методов нефтедобычи. Развитие прогрессивных наукоемких технологий, а также увеличение объемов и видов предоставляемых высокотехнологичных производственных услуг укрепляет инновационный потенциал Компании и обеспечивает одно из значимых конкурентных преимуществ ОАО "Татнефть" в отрасли.

1.2  Применение контроллеров частоты при нефтедобыче

Целью данной работы является анализ внедрения контроллеров частоты различных видов с тем чтобы автоматизировать процесс нефтедобычи и сократить потребление электроэнергии в нефтегазодобывающих управлениях ОАО "Татнефть".

Если раньше технические средства позволяли лишь периодически проводить измерения технологических параметров на скважинах операторами при помощи переносных комплектов оборудования, то стационарно установленные на месторождениях современные микропроцессорные контроллеры делают возможным непрерывный автоматический их контроль. Применительно к скважинам, эксплуатируемым штанговыми глубинными насосами, это означает измерение таких технологических параметров, как динамограмма (зависимость усилия на полированном штоке от перемещения точки подвеса штанг), динамический уровень, ваттметрограмма (зависимость потребляемой мощности от перемещения точки подвеса штанг), влияние газового фактора, давление на устье скважины, суточная производительность скважины и других. При этом функции управления должны обеспечивать дистанционное включение и отключение приводного электродвигателя, аварийное отключение установки, периодический режим эксплуатации, плавное регулирование скорости вращения при помощи преобразователя частоты.

К настоящему времени известен целый ряд разработчиков и производителей контроллеров и станций управления для установок ШГН. Среди зарубежных фирм это "Lufkin Automation" (США), "eProduction Solutions" (США), "ABB" (США), "Automation Electronics" (США), "DrSCADA Automation" (США), "R&M Energy Systems" (США), "International Automation Resources" (США) и " SPOC Automation" (США). Известны также отечественные разработчики, среди которых можно выделить НПФ "Экос" (Уфа), НПФ "Интек" (Уфа), ГУПНН "Авитрон-Ойл" (Уфа), НПО "Интротест" (Екатеринбург), НПФ "Интеграл +" (Казань), "Шатл" (Казань), ЗАО "Линт" (Казань), ООО "Аякс" (Ульяновск) и других.

Использование современных интеллектуальных контроллеров обеспечивает решение таких задач, как автоматизация работы станка-качалки, оптимизация режимов работы оборудования, оперативное выявление аварийных ситуаций и несоответствия режимов эксплуатации оборудования, оперативная передача информации о состоянии объекта на пульт оператора по системе телемеханики.

Системы телемеханики на сегодняшний день строятся, как правило, с использованием радиоканала. Поэтому типичная станция управления включает в себя контроллер, силовой коммутатор для включения и отключения электродвигателя, радиомодем и набор датчиков технологических параметров. Отдельные станции управления имеют в своем составе преобразователи частоты для регулирования скорости вращения электродвигателя.

Ниже делается попытка рассмотреть функциональные возможности этих контроллеров и сопоставить их характеристики.

1.3  Зарубежные контроллеры ШГН

Разработкой систем автоматизации для нефтедобывающей промышленности и контроллеров ШГН в частности занимаются такие зарубежных фирмы как "Lufkin Automation" (США), "eProduction Solutions" (США), "ABB" (США), "Automation Electronics" (США), "DrSCADA Automation" (США), "R&M Energy Systems" (США), "International Automation Resources" (США) и " SPOC Automation" (США).

Контроллер SAM Well Manager фирмы Lufkin является на сегодняшний день самым распространенным во всем мире. Контроллер предусматривает подключение аналоговых датчиков усилия и положения, а также дискретных датчиков положения, расположенных на валу электродвигателя и выходном валу редуктора. Данные с этих датчиков используются для контроля и  управления работой насосной установки и для визуального отображения графических данных на жидкокристаллическом дисплее или на экране портативного компьютера в легком для понимания формате.

Контроллер SAM Well Manager по формируемой динамограмме определяет степень заполнения жидкостью ствола скважины. Если анализ покажет, что скважина опустошена, то насос отключается и скважина переводится в режим накопления. В этом режиме она снова заполняется жидкостью, после чего блок управления включает двигатель насоса и начинает откачку.

Программное обеспечение контроллера SAM Well Manager обеспечивает обнаружение по динамограмме отдельных неисправностей в насосной установке. Непосредственно на скважине могут быть просмотрены "архивные" данные в виде диаграмм и отчетов на встроенном дисплее.

Контроллер SAM Well Manager предусматривает возможность работы с двумя конфигурациями датчиков динамометрирования:

1) датчик усилия располагается на штоке над верхней траверсой (датчик типа Loadtrol), датчик положения, работающий на эффекте Холла, устанавливается на выходном валу редуктора;

2) датчик деформации балансира совмещен с датчиком угла наклона балансира.

Контроллер предусматривает 3 режима работы:

1) все включения и отключения электродвигателя производятся по командам с диспетчерского пункта;

2) включения и отключения электродвигателя производятся по заданным временным уставкам (периодическая эксплуатация);

3) управление осуществляется автоматически по результатам анализа динамограмм.

Контроллер имеет аналоговый выход для подключения частотного преобразователя для плавной регулировки скорости вращения электродвигателя.

В настоящее время данные контроллеры устанавливаются в станции управления "СКАД", выпускаемые АЦБПО ЭПУ ОАО "Татнефть".

Недостатком данной системы является высокая стоимость. Так, например, стоимость только контроллера фирмы "Lufkin" (США) в комплекте с датчиками динамометрирования соизмерима с ценой целой станции управления в полной комплектации отечественного производства.

Фирма "eProduction Solutions" (США) предлагает сразу целый ряд контроллеров для установки на скважинах ШГН. Это контроллеры CAC2000, CAC8800, ePIC, ePAC и iBEAM.

Функциональные возможности первых трех контроллеров аналогичны SAM Well Manager фирмы Lufkin. Предусматривается подключение пассивных датчиков усилия, расположенных на штоке (датчик типа Loadtrol) или на балансире, а также датчиков параметров движения штока нескольких типов: датчиков Холла, расположенных на валу кривошипа, датчиков угла наклона балансира и потенциометрических датчиков угла. Измерение сигналов с аналоговых датчиков производится 12-разрядным АЦП с частотой 20 Гц. Возможно осуществление калибровки датчиков непосредственно на скважине. Имеются клавиатура и графический дисплей для просмотра данных (рисунок 2). Определяется степень сбалансированности противовесов насосной установки. В отличие от предыдущих изделий ePAC представляет собой целую систему регулируемого электропривода для насосной установки. Он позволяет варьировать в широких пределах скорость качаний насоса, а также раздельно оптимизировать время хода плунжера вверх и вниз. Наиболее оригинальной разработкой фирмы является устанавливаемый на балансире станка-качалки контроллер iBEAM. Он укрепляется с помощью струбцины на балансире, на его верхней поверхности расположена солнечная батарея, обеспечивающая автономную работу устройства. Для работы в ночное время имеется встроенная аккумуляторная батарея. Непосредственно рядом с контроллером устанавливаются совмещенные датчики деформации и угла наклона балансира. Измеренные динамограммы передаются с помощью маломощного радиопередатчика на приемный терминал, расположенный возле блока управления электродвигателем.

В данной системе полностью исключаются подвижные кабели от датчиков и кабели подвода питания, а соответственно повышается надежность и долговечность. В настоящее время контроллером iBEAM оснащено около 25 тысяч скважин во всем мире.

В некоторых случаях бывает целесообразно обслуживать одним контроллером целый куст близкорасположенных скважин. Эта возможность реализована в контроллере фирмы "International Automation Resources" (США). Но применение пассивных аналоговых датчиков усилия ограничивает длину соединительных кабелей несколькими десятками метров. Поэтому для подключения удаленных датчиков применяются специальные преобразователи выходных сигналов пассивных датчиков в токовый сигнал 4-20 мА. Однако даже токовый аналоговый сигнал подвержен воздействию электромагнитных помех, и использование датчиков с цифровым выходом было бы в этом случае более целесообразным.

Контроллер AEPOC 2100 фирмы "Automation Electronics" (США) отличается от остальных высокой разрешающей способностью АЦП. Для оцифровки сигналов с датчиков усилия и перемещения используется 16-разрядное АЦП. При этом в качестве датчика перемещения могут использоваться датчики начала хода, потенциометры, "жидкостные" и "сухие" инклинометры. Гибкий алгоритм определения срыва подачи позволяет работать с горизонтальными и сильнозагазованными скважинами.

Мировой лидер в производстве силовой электроники компания "ABB" (США) выпустила контроллер ALC 600. Контроллер предусматривает подключение датчиков усилия и положения и рассчитан на совместную работу с преобразователем частоты. Выпускается 12 вариантов станций управления с этим контроллером для электродвигателей мощностью от 6 до 100 кВА. Для работы в условиях холодного климата в шкафу предусмотрена система подогрева.

Таблица 1.1 Характеристики импортных контроллеров ШГН

ДДБ* – Датчик деформации балансира

ДХ** - Датчик Холла, устанавливаемый на выходном валу редуктора

ДУН*** - Датчик угла наклона балансира

ПДУ**** - Потенциометрический датчик угла

Характеристики импортных контроллеров ШГН приведены в таблице 1.1.

1.4  Отечественные контроллеры ШГН

Рассмотрим функциональные возможности контроллеров управления ШГН отечественной разработки. В данный обзор не вошли некоторые уже морально устаревшие контроллеры, а также контроллеры, не получившие широкого распространения и оставшиеся опытными образцами.

Станция управления "Интел-СУС" (ЗАО "Линт", Казань), в комплекте с контроллером "Телебит" и датчиками динамометрирования ДДС – 04 имеет практически аналогичные импортным системам функциональные возможности и представляет собой законченное изделие. Система комплектуется программным обеспечением на всех уровнях.

Помимо датчиков динамометрирования к контроллеру подключаются датчики ваттметрирования для контроля энергетических параметров: токов и напряжений по каждой фазе, активной и реактивной мощности, коэффициента мощности, проведения технического учета электроэнергии и построения ваттметрограмм.

Широкое применение на промыслах Татарии получили контроллеры "Мега" (НПФ "Интек", Уфа). Настоящие котроллеры работают как с датчиками динамометрирования собственной разработки, так и с ДДС-04.

Функционально контроллер аналогичен описанным выше, система комплектуется собственным программным обеспечением. Часть скважин не оборудована датчиками положения, определение начала хода штока производится путем математического анализа графика изменения усилия.

Контроллер телемеханики скважины КTC.1 (НПО "Интротест", Екатеринбург). Контроллер телемеханики скважины предназначен для телемеханизации посредством радиоканала отдельно стоящих нефтедобывающих скважин, расположенных в радиусе до 6 км от кустовых площадок. При этом кустовой контроллер системы телемеханики будет являться управляющим контроллером.

Контроллер телемеханики скважины состоит из трех блоков:

1) микроконтроллер А812-01;

2) радиомодем "Невод - 5";

3) блок питания БП24В/20W/DIN.

Контроллер комплектуется антенной диапазона 433 МГц, тип которой выбирается в зависимости от условий применения.

К контроллеру подключается динамограф СДА-10-ШГН производства НПО "Интротест", устанавливаемый между траверсами канатной подвески и имеющий форму замкнутого кольца. Выходные сигналы динамографа по каналам измерения усилия и ускорения заводится в контроллер как аналоговые токовые сигналы 4-20 мА.

Следует отметить, что используемый в контроллере микропроцессор ADuC812 на сегодняшний день морально устарел, и его мощность не позволяет в достаточной степени реализовать на месте какие-либо функции анализа режима работы и управления ШГН.

Определенных успехов достигли и разработчики контроллера "Орион" ("Аякс", Ульяновск). Указанные контроллеры на сегодняшний день наиболее приспособлены для совместной работы с элементами системы ДДС-04 в плане сбора и представления информации. Формирование массива динамограммы происходит непосредственно в самом датчике динамографа, контроллеру нужно лишь периодически считывать массив из памяти датчика по цифровому протоколу "Modbus-RTU". В датчике реализована функция сравнения динамограмм, и если форма динамограммы не изменилась, передача массива не требуется, что освобождает каналы связи.

Программное обеспечение системы телемеханики позволяет отправлять измеренные динамограммы и рассчитанные данные по дебиту в корпоративную систему "Армитс", охватывающую все нефтегазодобывающие предприятия ОАО "Татнефть".

Примером законченной отечественной системы автоматизации установки ШГН является станция управления АСУС-02 НПФ "Экос". Автоматизированная станция АСУС-02 имеет силовую часть, специализированный контроллер, выполненный на 16-ти разрядном RISC-процессоре, и радиостанцию, обеспечивающую связь с диспетчерским пунктом.

Отличительной особенностью станции управления АСУС-02 является то, что в ней реализовано ваттметрирование с отлаженным алгоритмом определения таких характеристик как: перегрузка по току, отклонение напряжения от нормы, перекос фаз, отклонение частоты питающего напряжения, коэффициента гармоник, коэффициента мощности, обрыв и проскальзывание ремней, биение в редукторе, разбаланс противовесов, и других. Станция укомплектовывается также элементами систем динамометрирования ДДС-04. Возможность станции управления АСУС-02 совмещать функции ваттметрирования и динамометрирования является важным достоинством, поскольку повышает достоверность диагностики режима работы установки и выявления неисправностей.

Кроме перечисленных выше, станция управления АСУС-02 обладает следующими возможностями:

- точная автоматизированная балансировка станка-качалки;

- подсчет потребленной электроэнергии;

- определение производительности скважинной установки по динамограмме;

- оценка динамики изменения дебита скважины;

- часовой (за последние 24 часа) и суточный (за последние 30 суток) архивы дебита;

- автоматическое управление откачкой в периодическом режиме;

- программируемая задержка автоматического включения при пропадании напряжения в сети;

- автоматическое выключение при аварийных ситуациях;

-построение динамограмм расчетным и экспериментальным способами;

- графики изменения во времени параметров (тренды);

- отчеты текущего состояния и последнего аварийного отключения;

- интеграция в SCADA-системы.

Дополнительно в станцию может быть установлен контроллер расширения с 16 цифровыми и 8 аналоговыми входами, что позваляет подключать к станции дополнительную измерительную, исследовательскую, контрольную аппаратуру скважины и других обьектов и передавать всю эту информацию на диспетчерский пункт. В станцию управления может устанавливаться программируемая панель отображения с графическим жидкокристаллическим индикатором (320х240 точек) и 18-ти кнопочной клавиатурой. Обмен данными и загрузка специализированного программного обеспечения происходит через порт RS-485 по протоколу MODBUS.

В таблице делается сравнение характеристик отечественных контроллеров ШГН. По итогам сравнения можно сделать следующие выводы:

1. Большинство отечественных контроллеров работают с цифровыми датчиками динамометрирования ДДС-04 производства НПП "Грант".

2. Во многих системах предусмотрен контроль ваттметрограмм.

3. Практически все контроллеры не поддерживают управление частотным преобразователем.

4. В отечественных контроллерах отсутствуют встроенные средства ввода/вывода информации непосредственно на скважине – дисплеи и клавиатуры.

Табл. 1.2 Характеристики отечественных контроллеров ШГН

ДДС-04* – Датчик усилия ДДС-04 производства НПП "Грант".

ДП-04** – Датчик положения ДП-04 производства НПП "Грант", используется датчик Холла, устанавливаемый на выходном валу редуктора, фиксирует нижнюю и верхнюю мертвые точки.

ДУН*** - Датчик угла наклона балансира.

Сравнивая зарубежные и отечественные системы автоматизации ШГН можно заключить:

1. Выполняемые функции анализа динамограмм зарубежных и отечественных систем аналогичны, отличаются лишь алгоритмы их реализации.

2. В импортных системах используются пассивные датчики усилия. Практически все отечественные контроллеры работают с современными датчиками, имеющими цифровой либо токовый выходной сигнал.

3. В большинстве отечественных систем помимо динамометрирования производится еще контроль электрических параметров – ваттметрирование, тогда как в зарубежные контроллерах (например, фирмы Lufkin) эта функция, как правило, отсутствует.

4. В зарубежных контроллерах в большинстве случаев есть средства ввода и отображения информации непосредственно на объекте –графические дисплеи с клавиатурой. В отечественных разработках для настройки предусматривается подключение ноутбука (в станции управления АСУС-02 возможна установка специальной панели отображения информации).

5. В зарубежных контроллерах предусмотрена функция управления частотным регулятором - есть соответствующий выходной сигнал и заложены необходимые алгоритмы управления. Из отечественных разработчиков только фирма "Шатл" имеет опыт управления частотнорегулируемым электроприводом цепной установки. Очевидно, это объясняется тем, что в настоящее время стоимость частотных регуляторов является слишком высокой для массового оснащения ими всего фонда скважин.

6. Стоимость импортных систем существенно выше, чем стоимость отечественных разработок. Кроме того, при использовании отечественных станций управления все проблемы с ремонтом и модернизацией оборудования будут решаться значительно быстрее.

1.5 Отличительные особенности цепного привода от станка качалки

Начало внедрения цепного привода в процесс добычи нефти был начат в 2003 году. Тогда это было сделано лишь в экспериментальных целях. На практике цепной привод показал очень хорошие результаты и одним из этих результатов было снижение энергозатрат на подъём продукции из пласта. В среднем это снижение составляло 10-50%. Вот наглядные данные по преимуществу цепного привода от балансирного станка-качалки:

Таблица 1.3 Сравнение ОПНШ и ПЦ

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5