EA031665B1 - Станция управления для штангового глубинного насоса - Google Patents

Abstract

Станция управления для штангового глубинного насоса предназначена для управления, защиты, контроля параметров и регулирования частоты вращения ротора электродвигателя штангового глубинного насоса. Технический результат заключается в достижении бесперебойной работы, в том числе в аварийном режиме в случае критических значений основных контролируемых параметров, при достижении которых КСУ осуществляет управление скоростью вращения ротора ЭД и включением/остановом насоса. Одновременно контроль в реальном времени коэффициента заполнения насоса позволяет оптимизировать дебит флюида из продуктивного пласта, управляя скоростью вращения ротора ЭД. Технический результат достигается за счет того, что СУ дополнительно содержит цепь ПП, реализованную в составе трехфазной электрической сети, датчиков тока 23, второго исполнительного устройства 15, содержащего байпасный контактор 24, включенного параллельно первому исполнительному устройству 14 и соединенного с входом/выходом СУ и ЭД, при этом байпасный контактор 24 соединен с органами 11 управления СУ и через ИВЭ 13 с УВВ 7, а управляющий сигнал с КСУ 1, поступающий на одно из исполнительных устройств 14, 15 цепи ПП или цепи ПЧ, формируется на основании собственных расчетов КСУ 1 в зависимости от полученных данных о работе ЭД, причем ПЧ 17 выполнен с возможностью преобразования значений токов и напряжений на входе/выходе ЭД, а КСУ снабжен соединенным с УУ 2 УИТН 6, обеспечивающим возможность измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД при включенной цепи ПП для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых для формирования КСУ 1 управляющих сигналов, при этом КСУ 1 выполнен с возможностью рассчитывать на основе полученных данных о работе ЭД период качения СК, формировать ВМГ с возможностью её преобразования в ДГ и определения по ВМГ коэффициента небаланса СК, на основе ДГ осуществляется расчет параметров добычи флюида, коэффициента заполнения насоса и параметров работы наземного оборудования в зависимости от режима работы ЭД на основе сопоставления текущих значений измеренных параметров, расчетных данных и заданных характеристик процесса добычи флюида осуществлять управление частотой вращения ротора ЭД путем подачи управляющего сигнала на первое исполнительное устройство 14 для пуска/останова, изменения режимов работы ЭД или при возникновении аварийного режима - на второе исполнительное устройство 15 для пуска/останова в режиме прямого пуска, а также с возможностью ведения архива основных контролируемых параметров, полученных в реальном времени и расчетных, при этом на панель 35 оператора дополнительно выведен переключатель 27 цепей ПП/ПЧ, а КСУ 1 дополнительно содержит соединенное с УУ 2 УУиИ 3, с которым соединены индикатор 4 и клавиатура 5.

Description

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ (45) Дата публикации и выдачи патента

2019.02.28 (21) Номер заявки

201650033 (22) Дата подачи заявки

2016.10.21 (51) Int. Cl. F04B 47/02 (2006.01)

F04B 49/06 (2006.01) (54) СТАНЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ШТАНГОВОГО ГЛУБИННОГО НАСОСА (43) 2018.04.30 (96) 2016000090 (RU) 2016.10.21 (71) (73) Заявитель и патентовладелец:

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ИЖЕВСКИЙ РАДИОЗАВОД (RU) (72) Изобретатель:

Зыкин Александр Михайлович, Кузнецов Денис Юрьевич, Догадин

Семен Евгеньевич, Краев Максим Николаевич, Дубовцев Сергей Александрович, Манохин Александр Евгеньевич (RU) (56) RU-U1-122713

RU-U1-153963

US-B2-9279838

031665 Bl (57) Станция управления для штангового глубинного насоса предназначена для управления, защиты, контроля параметров и регулирования частоты вращения ротора электродвигателя штангового глубинного насоса. Технический результат заключается в достижении бесперебойной работы, в том числе в аварийном режиме в случае критических значений основных контролируемых параметров, при достижении которых КСУ осуществляет управление скоростью вращения ротора ЭД и включением/остановом насоса. Одновременно контроль в реальном времени коэффициента заполнения насоса позволяет оптимизировать дебит флюида из продуктивного пласта, управляя скоростью вращения ротора ЭД. Технический результат достигается за счет того, что СУ дополнительно содержит цепь 1111, реализованную в составе трехфазной электрической сети, датчиков тока 23, второго исполнительного устройства 15, содержащего байпасный контактор 24, включенного параллельно первому исполнительному устройству 14 и соединенного с входом/ выходом СУ и ЭД, при этом байпасный контактор 24 соединен с органами 11 управления СУ и через ИВЭ 13 с УВВ 7, а управляющий сигнал с КСУ 1, поступающий на одно из исполнительных устройств 14, 15 цепи 1111 или цепи ПЧ, формируется на основании собственных расчетов КСУ 1 в зависимости от полученных данных о работе ЭД, причем ПЧ 17 выполнен с возможностью преобразования значений токов и напряжений на входе/выходе ЭД, а КСУ снабжен соединенным с УУ 2 УИТН 6, обеспечивающим возможность измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД при включенной цепи 1111 для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых для формирования КСУ 1 управляющих сигналов, при этом КСУ 1 выполнен с возможностью рассчитывать на основе полученных данных о работе ЭД период качения СК, формировать ВМГ с возможностью её преобразования в ДГ и определения по ВМГ коэффициента небаланса СК, на основе ДГ осуществляется расчет параметров добычи флюида, коэффициента заполнения насоса и параметров работы наземного оборудования в зависимости от режима работы ЭД на основе сопоставления текущих значений измеренных параметров, расчетных данных и заданных характеристик процесса добычи флюида осуществлять управление частотой вращения ротора ЭД путем подачи управляющего сигнала на первое исполнительное устройство 14 для пуска/останова, изменения режимов работы ЭД или при возникновении аварийного режима - на второе исполнительное устройство 15 для пуска/останова в режиме прямого пуска, а также с возможностью ведения архива основных контролируемых параметров, полученных в реальном времени и расчетных, при этом на панель 35 оператора дополнительно выведен переключатель 27 цепей 1Ш/ПЧ, а КСУ 1 дополнительно содержит соединенное с УУ 2 УУиИ 3, с которым соединены индикатор 4 и клавиатура 5.

031665 В1

Предлагаемое в качестве изобретения техническое решение относится по функциональному назначению к устройствам управления погружными электродвигателями и предназначено для управления, защиты, контроля параметров и регулирования частоты вращения ротора электродвигателя (далее ЭД) штангового глубинного насоса (далее ШГН), оборудованного станком-качалкой (далее СК).

Известно устройство управления электроприводом штангового глубинного насоса, оборудованного станком-качалкой (патент РФ на полезную модель 145672, F04B 49/06, 2014), содержащее контроллер станции управления (далее КСУ), выполненный с возможностью расчетов потребленной электроэнергии за цикл качания ШГН и коэффициента заполнения насоса, и преобразователь частоты (частотный преобразователь) (далее ПЧ), выполненный в виде электронного преобразователя с встроенным программным обеспечением и возможностью измерения текущей активной мощности ШГН и задания частоты вращения ротора ЭД в зависимости от входного сигнала КСУ. КСУ включает последовательно соединенные таймер цикла качания ШГН, сумматор, блок усреднения, блок корректировки, регистр и регулятор, связанный с ПЧ, а также включает таймер интервала сканирования и блок сканирования, связанные между собой прямой и обратной связями. Устройство обеспечивает оптимизацию коэффициента заполнения насоса и позволяет с высокой точностью регулировать частоту вращения ротора ЭД за счет функционирования блоков, позволяющих корректировать параметры работающего электропривода с учетом поправок на энергетические потери, зависящие от скорости вращения его ротора.

Недостатком устройства является то, что не обеспечиваются защита от аварийного режима, в частности защита глубинного оборудования от заклинивания и сухого хода плунжера ШГН, защита от неполадок наземного оборудования (СК), в том числе проскальзывания, обрыва ремней. При этом также отсутствует возможность ведения архива работы станции, расчета коэффициента небаланса СК, дебита скважины и текущих значений реактивной, активной, полной мощности, токов, напряжений по трем фазам и cos-φ, а также отображение указанных параметров непосредственно на объекте. Кроме того, при возникновении аварийного режима, например при отказе ПЧ, станция управления (далее СУ) останавливает работу ЭД, что приводит к простою СК. При отрицательных температурах окружающей среды остановка ЭД может привести к его поломке.

Наиболее близкой является интеллектуальная станция управления скважиной с частотнорегулируемым электроприводом (патент РФ на полезную модель 122713, F04B 49/00, 2012). СУ представляет собой шкаф, содержащий корпус, снабженный системой принудительной вентиляции, системой освещения, электронной аппаратурой, доступ к которым осуществляется посредством двери с дверцей с замками, открывающей доступ к панели оператора, на которой размещены органы управления СУ, индикаторы. Электронная аппаратура включает КСУ, обеспечивающий получение данных о работе ЭД, с которым соединены радиопередатчик, источник вторичного электропитания (далее ИВЭ), предназначенный для подачи стабилизированного напряжения на требующие питание элементы, и подключенный к силовому кабелю СУ, цепь частотного регулятора (далее цепь ПЧ), реализованная в составе трехфазной электрической сети, вводного автомата, ПЧ, соединенного с силовыми входом/выходом СУ и ЭД, датчики технологических параметров: датчик усилия (динамометрирования), датчик устьевого давления, датчик затрубного давления, датчик угла поворота кривошипа станка-качалки, датчик угла поворота ротора ЭД и датчики ваттметрирования. По полученной от датчика усилия (динамометрирования) и датчиков ваттметрирования информации КСУ вычисляет, соответственно, динамограмму (далее ДГ) и ваттметрограмму (далее ВМГ), анализируя которые определяет оптимальную скорость вращения электропривода и подает управляющий сигнал на ПЧ. Устройство позволяет осуществить автоматическое регулирование электропривода в зависимости от полученных показателей с датчиков, а также обеспечивает возможность передачи полученной информации на диспетчерский пункт (далее ДП). Недостатком устройства является то, что отсутствуют защита глубинного оборудования от заклинивания и сухого хода плунжера ШГН, защита от неполадок наземного оборудования, а также возможность управления электродвигателем при возникновении аварийного режима, которые обеспечивали бы уменьшение вероятных отказов оборудования и, соответственно, простоя СК. Кроме того, отсутствует возможность автоматического поддержания наиболее продуктивного динамического уровня с контролем наполнения насоса и состояния скважины. Данные о ДГ получают с датчиков, являющихся дорогостоящим внешним оборудованием, требующим постоянного контроля его состояния. Сложность организации питания датчиков, сборапередачи полученной информации на поверхность скважины. Кроме того, датчики работают в экстремальных условиях высоких давлений и температур, что ведет к короткому сроку службы и сложности замены. А для ввода данных и просмотра информации с КСУ непосредственно на объекте требуется подключение дополнительного оборудования, в частности, переносного портативного компьютера (ПК) (индикатора, клавиатуры).

Задача изобретения состоит в устранении указанных выше недостатков.

Технический результат заключается в достижении бесперебойной работы, в том числе в аварийном режиме, в случае критических значений основных контролируемых параметров, при достижении которых КСУ осуществляет управление скоростью вращения ротора ЭД и включением/остановом насоса.

Одновременно контроль в реальном времени коэффициента заполнения насоса позволяет оптимизировать дебит флюида из продуктивного пласта, управляя скоростью вращения ротора ЭД.

- 1 031665

Технический результат достигается тем, что СУ дополнительно содержит цепь включения прямого пуска (далее цепь НН), управляющий сигнал с КСУ, поступающий па одно из исполнительных устройств цени ПП или цепи ПЧ формируется на основании собственных расчетов КСУ в зависимости от полученных данных о работе ЭД. При этом ПЧ выполнен с возможностью преобразования значений токов и напряжений на входе/выходе ЭД, а КСУ снабжен соединенным с устройством управления (далее УУ) устройством измерения токов и напряжений (далее УИТН), обеспечивающим возможность измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД при включенной цепи ПП для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых для формирования КСУ управляющих сигналов. При этом КСУ выполнен с возможностью рассчитывать на основе полученных данных о работе ЭД период качания СК, формировать ВМГ с возможностью её преобразования в ДГ и определения по ВМГ коэффициента небаланса СК, на основе ДГ осуществляется расчет параметров добычи флюида, коэффициента заполнения насоса и параметров работы наземного оборудования в зависимости от режима работы ЭД на основе сопоставления текущих значений измеренных параметров, расчетных данных и заданных характеристик процесса добычи флюида, осуществлять управление частотой вращения ротора ЭД. Управление частотой вращения ротора ЭД осуществляется путем подачи управляющего сигнала на первое исполнительное устройство для пуска/останова, изменения режимов работы ЭД или при возникновении аварийного режима - на второе исполнительное устройство для пуска/останова в режиме прямого пуска. Кроме того, КСУ выполнен с возможностью ведения архива основных контролируемых параметров наземного оборудования, глубинного оборудования, штанги, скважины - полученных в реальном времени и расчетных. При этом на панель оператора дополнительно выведен переключатель цепей ПП/ПЧ, а КСУ дополнительно содержит соединенное с УУ устройство управления и индикации (далее УУиИ), с которым соединены индикатор и клавиатура КСУ.

Предпочтительно индикаторы СУ, сигнализирующие об аварийном режиме, вывести на наружную поверхность СУ.

Предпочтительно дополнительно снабдить СУ соединенным с КСУ счетчиком электроэнергии.

Предпочтительно дополнительно снабдить КСУ USB разъемом.

Предпочтительно систему принудительной вентиляции СУ сформировать посредством нижнего вентиляционного отверстия, П-образного кожуха ПЧ, вентилятора, воздуховода с уплотнителем, верхнего отсека, верхнего вентиляционного отверстия.

Предпочтительно индикатор и клавиатуру КСУ вынести на панель оператора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема станции управления. На фиг. 2 изображен чертеж станции управления погружным электродвигателем: общий вид и общий вид с открытой дверью.

СУ (фиг. 1) содержит КСУ 1, содержащий УУ 2, к которому подключены посредством интерфейса М6800 УУиИ 3, соединенное с индикатором 4 и клавиатурой 5, УИТН 6, устройство 7 ввода/вывода (УВВ). С УВВ 7 соединены счетчик 8 электроэнергии, датчик 9 открытия/закрытия двери (далее ДД), подключенный к системе 10 освещения, органы 11 управления СУ, индикаторы 12 СУ, ИВЭ 13, подключенный к силовому кабелю, первое исполнительное устройство 14 и второе исполнительное устройство 15.

Цепь ПЧ реализована в составе трехфазной электрической сети, вводного автомата 16, первого исполнительного устройства 14, соединенного с силовыми входом/выходом СУ и ЭД. Первое исполнительное устройство 14 предназначено для осуществления работы СУ в частотном режиме и в данной реализации содержит ПЧ 17, с которым соединены первый контактор 18 и второй контактор 19, отвечающие за вход/выход ПЧ 17, тормозные резисторы 20, размещенные в верхнем отсеке, третий контактор 21 через зарядные резисторы 22.

Цепь ПП реализована в составе трехфазной электрической сети, датчиков тока 23, второго исполнительного устройства 15, включенного параллельно первому исполнительному устройству 14 и соединенного с входом/выходом СУ, с органами 11 управления СУ, с УВВ 7 и ЭД. Второе исполнительное устройство 15, предназначено для осуществления работы станции в режиме прямого пуска (в аварийном режиме) и содержит байпасный контактор 24, соединенный через ИВЭ 13 с УУ 2, органами 11 управления СУ. Органы 11 управления СУ включают переключатель 25 режимов работы СУ, кнопку 26 ПУСК, предназначенную для запуска ЭД, переключатель 27 цепей ПП/ПЧ.

Конструктивно СУ (фиг. 2) представляет собой шкаф одностороннего обслуживания, снабженный системой принудительной вентиляции, системой 10 освещения, строповочными петлями 28, установочными кронштейнами 29, ножками 30, с герметично закрывающейся дверью 31 с двумя замками 32, открывающей доступ к электронной аппаратуре, установленной внутри шкафа, кронштейном 33 для установки ДД 9. Дверь 31 снабжена выступом, закрываемым дверцей 34 с замком 32, открывающей доступ к панели 35 оператора. С внутренней стороны на двери 31 установлен КСУ 1 так, что его индикатор 4 (ЖК дисплей) с клавиатурой 5 и USB разъем 36 вынесены на панель 35 оператора. Там же размещены органы 11 управления СУ. В верхней части на двери установлены индикаторы 12 СУ (СТОП/РАБОТА/ОЖИДАНИЕ/ОБОГРЕВ), отображающие режим работы СУ.

Внутри шкаф разделен на два отсека: верхний и нижний, сформированные перегородкой 37, выполненной горизонтально в верхней части шкафа. В перегородке 37 выполнено кабельное отверстие (не

- 2 031665 показано), соединяющее отсеки между собой и снабженное воздуховодом 38 с уплотнителем (не показан). В верхнем отсеке установлены тормозные резисторы 20 и выполнено верхнее вентиляционное отверстие (не показано), закрытое снаружи шкафа защитным кожухом 39 коробчатой формы и предназначенное для вывода из шкафа отработанного горячего воздуха. В нижнем отсеке установлены монтажная панель 40 и ПЧ 17, а также выполнено нижнее вентиляционное отверстие, закрытое снаружи шкафа вентиляционной решеткой 41 и предназначенное для подвода к электрическим устройствам холодного воздуха из окружающей среды, ПЧ 17 установлен на радиатор (не показан), закрепленный на задней стенке СУ, и закрыт П-образным кожухом 42 ПЧ 17, герметично соединенным с воздуховодом 38 посредством уплотнителя (не показан). В качестве ПЧ 17 может быть использован любой электронный преобразователь с встроенным программным обеспечением, обеспечивающим возможность измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД для контроля текущей активной мощности ШГН и задания частоты вращения ротора ЭД в зависимости от входного сигнала КСУ 1. В частности, ПЧ 17 может содержать вентилятор, диодный мост, выпрямляющий переменное напряжение в постоянное, IPM интеллектуальный силовой модуль, содержащий драйверы и выходные ключи, преобразующий постоянное напряжение в переменное 3-фазное, блок конденсаторов, плату управления.

На боковой поверхности шкафа выполнен отсек телемеханики, закрытый коробчатым защитным кожухом 43 с замком 32, ниже которого установлена розетка 44 ремонтных служб (далее розетка ПРС). Отсек телемеханики предназначен для подключения внешней измерительной аппаратуры потребителя и содержит автомат 45 блокировки розетки 44 ПРС, автомат 46 розетки 47 установки дозирования реагентов (розетка УДР), автомат 48 розетки 49 (~220 В) для подключения внешних устройств (геофизических приборов), например ноутбука и т.д., и блок зажимов 50.

Монтажная панель 40 установлена посредством стоек (не показаны) на заднюю стенку шкафа. На монтажную панель 40 установлены плата ИВЭ 13, зарядные резисторы 22, кабель-каналы 51, вводной автомат 16, контакторы 18, 19, байпасный контактор 24, датчики тока 23 (трансформаторы тока) с варисторами 52 (ограничителями), динрейка (не показана). На динрейке установлены автомат 53 питания ИВЭ 13, автомат 54 питания КСУ 1, автомат 55 вентилятора, автомат 56 обогрева, третий контактор 21, клеммы 57 ввода, предназначенные для присоединения кабеля электрической сети, клеммы 58 нейтрали, предназначенные для присоединения нулевого рабочего проводника (нейтрали) электрической сети, и клеммы 59 вывода, предназначенные для присоединения кабеля от ЭД.

Подключение кабелей к станции управления осуществляется снизу, для чего в нижней поверхности шкафа выполнены кабельные вводы 60 с резиновыми уплотнителями (не показаны).

Станция управления для ШГН представляет собой шкаф, снабженный системой принудительной вентиляции и разделенный перегородкой 37 на отсеки, с запирающимися дверью 31 с контролем состояния и с дверцей 34, обеспечивающими раздельный доступ к электронной аппаратуре и панели 35 оператора с органами управления и индикации. Органы управления и индикации включают органы 11 управления СУ, индикатор 4 (ЖК дисплей) и клавиатуру 5 КСУ 1, а также USB разъем 36. На наружной поверхности СУ над панелью 35 оператора на дверь 31 расположены индикаторы 12 СУ: РАБОТА (зеленый), ОЖИДАНИЕ (желтый), ОСТАНОВ (красный), ПОДОГРЕВ, отображающие текущий режим работы СУ. USB разъем 36 КСУ 1 обеспечивает возможность передачи накопленной информации считывающему устройству с возможностью дальнейшего преобразования считанной информации на ПК, а также возможность модернизации и расширения объема функциональных параметров путем перепрограммирования КСУ 1 на месте эксплуатации без демонтажа КСУ 1. Наличие клавиатуры 5 и индикатора 4 КСУ 1, вынесенных на панель 35 оператора, позволяют отображать контролируемые параметры непосредственно на объекте, что в совокупности с индикаторами 21 СУ, расположенными на двери 31, и возможностью как передачи информации на ДП, так и подключения внешнего оборудования (переносного ПК), обеспечивают многовариантность и оперативность визуального контроля и реагирования на информацию о работе наземного и глубинного оборудования, о состоянии скважины. Органы 11 управления СУ включают переключатель 25 режимов работы СУ, предназначенный для установления режима управления, кнопку 26 ПУСК, предназначенную для включения ЭД, переключатель 27 цепей ПП/ПЧ, обеспечивающий переключение цепей при аварийном режиме. При установке переключателя 25 режимов работы СУ в положение АВТ устанавливается режим автоматического управления. В этом режиме возможно включение ЭД кнопкой 26 ПУСК, а также дистанционно посредством интерфейса RS-485. Возможен автоматический перезапуск ЭД при отсутствии блокировки перезапуска. При установке переключателя 25 режимов работы СУ в положение РУЧН устанавливается режим ручного управления. В этом режиме возможно включение и ЭД кнопкой 26 ПУСК. Дистанционное отключение посредством интерфейса RS-485, а также автоматический перезапуск электродвигателя в этом режиме невозможны. При установке переключателя 25 режимов работы СУ в положение ОТКЛ устанавливается режим блокировки пуска ЭД. В этом положении запуск ЭД невозможен.

Электронная аппаратура включает установленный с внутренней стороны двери 31 КСУ 1, содержащий УУ 2, включающее ОЗУ, ПЗУ, соединенные с процессором, к которому подключено УВВ 7 для подключения органов 11 управления СУ, интерфейсов, внешних устройств и обеспечивающее возможность передачи информации на ДП, УУиИ 3 для подключения индикатора 4 и клавиатуры 5, УИТН 6,

- 3 031665 счетчик 8 электроэнергии, ДД 9. С КСУ 1 соединены ИВЭ 13, цепь ПЧ, цепь ПП.

Цепь ПЧ реализована в составе трехфазной электрической сети, вводного автомата 16, первого исполнительного устройства 14, включающего первый и второй контакторы 18, 19 соответственно, отвечающие за вход/выход установленного на задней стенке внутри шкафа в П-образном кожухе 42 ПЧ 17, с которым соединены тормозные резисторы 20, предназначенные для рассеивания избыточной энергии при ходе штанги вниз на ШГН, третий контактор 21 через зарядные резисторы 22, предназначенные для зарядки ПЧ 17, силовыми входом/выходом СУ и ЭД.

Цепь ПП реализована в составе трехфазной электрической сети, датчиков тока 23, второго исполнительного устройства 15, включающего байпасный контактор 24, включенный параллельно первому исполнительному устройству 14 и соединенный с УУ 2 через ИВЭ 13. Возможность переключения цепей ПП/ПЧ обеспечивается посредством переключателя 27 цепей ПП/ПЧ, соединенного с УВВ 7, переключателем 25 режимов работы СУ, ПЧ 17 и третьим контактором 21 и вынесенного на панель 35 оператора.

ИВЭ 13 предназначен для подачи стабилизированного напряжения на требующие питание элементы и подключен к силовому кабелю СУ. В качестве ИВЭ 13 может быть использован любой широкоизвестный преобразователь напряжения. В частности, ИВЭ 13 включает в себя трансформатор многообмоточный с выпрямителями, преобразующий постоянное напряжение 310В в постоянное напряжение 24В, поступающие на плату управления ПЧ 17, УУ 2 КСУ 1, развязку, в напряжение 12В (вспомогательное) для подключения дополнительных устройств в станции управления, например для питания модема и динамографа, диодный мост (выпрямитель), блок формирования импульсов (для управления трансформатором, измеряет, регулирует импульсы, чтобы обеспечить требуемое напряжение, блок конденсаторов (выполняющий функцию накопителя энергии), блок измерения, включающий конденсаторы, радиаторы, резисторы, реле, трансформаторы, диоды.

Контроль состояния двери 31 может обеспечивать любой известный датчик открытия/закрытия двери. В частности, в данной реализации в качестве ДД 9 применен соединенный с КСУ 1 геркон, который осуществляет управление системой 10 освещения СУ и обеспечивает защиту от работы СУ с открытыми дверями. ДД 9 устанавливается на кронштейн 33. Система 10 освещения выполнена в виде светодиодной ленты (не показана), установлена в верхней части шкафа. При открытой/закрытой двери 31 ДД 9 передает сигнал на КСУ 1 о положении двери (открыта/закрыта), по которому КСУ 1 формирует соответствующую команду на отключение/включение ЭД.

Основными контролируемыми параметрами являются текущие значения реактивной, активной, полной мощности, токов, напряжений по трем фазам и коэффициент мощности (cos-φ) ЭД, параметры ваттметрирования, динамометрирования, коэффициент небаланса СК, дебита скважины, коэффициент заполнения насоса, потребленная электроэнергия.

В качестве КСУ 1 может быть использован любой широкоизвестный контроллер, в частности, содержащий УУ 2. УУиИ 3, УИ'ГН 6, УВВ 7. УУ 2 предназначено для получения данных о работе ЭД, выполнения расчетов, принятия решений с выдачей управляющих команд и содержит процессор ОЗУ для хранения информации, ПЗУ (для хранения информации об ошибках, истории работы, время пусков, остановов, причины остановов), интерфейсы. УУиИ 3 предназначено для подключения к процессору УУ 2, индикатора 4 и клавиатуры 5 КСУ 1, позволяющих в аварийной ситуации осуществлять более оперативный визуальный контроль. УИТН 6 предназначено для измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД в аварийном режиме, например при отказе ПЧ и пр., подключено к трехфазной сети и соединено с процессором УУ 2 и с датчиками тока 23.

УВВ 7 содержит соединенные с процессором УУ 2 аналоговый вход для подключения к КСУ 1 размещенных в отсеке телемеханики автомата 45 блокировки розетки 44 ПРС, автомата 46 розетки 47 УДР, автомата 48 розетки 49 напряжением 220В, блока зажимов 50, первый цифровой вход для подключения к КСУ 1 переключателя 25 режимов работы СУ, кнопки 26 ПУСК, счетчика 8 электроэнергии по интерфейсу RS-485, второй цифровой вход для подключения к КСУ 1 ПЧ 17 по интерфейсу CAN, цифровой выход, с которым соединены индикаторы 12 СУ, переключатель 25 режимов работы СУ, переключатель 27 цепей ПП/ПЧ. При этом аналоговый вход соединен с процессором УУ 2 посредством интерфейса SPI, а цифровой выход, первый и второй цифровые входы - посредством интерфейса i²c. Кроме того, второй цифровой вход обеспечивает возможность подключения к СУ посредством интерфейса RS-485 внешних устройств, например, таких как динамограф, модем, датчик положения и пр.

КСУ 1 выполнен с возможностью расчета потребленной электроэнергии за цикл качания ШГН, а также с возможностью рассчитывать на основе полученных данных о работе ЭД период качания СК, формировать ВМГ с возможностью её преобразования в ДГ и определения по ВМГ коэффициента небаланса СК. На основе ДГ КСУ 1 обеспечивает расчет параметров добычи флюида, коэффициента заполнения насоса и параметров работы наземного оборудования в зависимости от режима работы ЭД на основе сопоставления текущих значений измеренных параметров, расчетных данных и заданных характеристик процесса добычи флюида осуществлять управление частотой вращения ротора ЭД. Для этого КСУ 1 подаст управляющий сигнал на первое исполнительное устройство 14 для пуска/останова, изменения режимов работы ЭД или при возникновении аварийного режима на второе исполнительное устройство 15 для пуска/останова в режиме прямого пуска. Кроме того, КСУ 1 выполнен с возможностью

- 4 031665 ведения архива контролируемых параметров ЭД, СУ, СК, скважины, полученных в реальном времени и/или расчетных.

КСУ 1 обеспечивает возможность снижения потребления электроэнергии; регулирования частоты вращения ротора электродвигателя; запуска с раскачкой при тяжелом пуске; непрерывного контроля напряжения электрической сети, порядка чередования фаз, значений токов по трем фазам; вычисления дисбаланса напряжений и токов, коэффициента мощности, коэффициента загрузки, потребленной мощности, времени наработки; регистрации контролируемых параметров и причин отключения в реальном времени с сохранением записей при отключении питания; минимизации количества аварийных отключений и увеличение дебита за счет автоматического регулирования частоты качаний: защиты оборудования от аварийных режимов, вызванных нарушениями в электрической сети и в ШГН; при срабатывании защиты обеспечивает возможность автоматического повторного включения при возвращении параметров в рабочую зону.

В качестве счетчика 8 электроэнергии может быть использован любой широкоизвестный счетчик электроэнергии.

ПЧ 17 представляет собой электронный преобразователь с встроенным программным обеспечением и выполнен с возможностью преобразования токов и напряжений на входе/выходе ЭД для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых для формирования КСУ 1 управляющих сигналов. В данной реализации ПЧ 17 соединен с УВВ 7 КСУ 1, в частности, посредством CAN интерфейса.

Для исключения перегрева ПЧ предусмотрена система принудительной вентиляции, обеспечивающая принудительное воздушное охлаждение автоматическим включением/отключением вентилятора размещенных внутри шкафа энергоёмких электрических устройств. Система принудительной вентиляции сформирована нижним вентиляционным отверстием, П-образным кожухом 42 ПЧ 17, вентилятором (не показан), воздуховодом 38 с уплотнителем, верхним отсеком, верхним вентиляционным отверстием. Движение воздуха осуществляется следующим образом: воздух из окружающей среды поступает в Побразный кожух 42 ПЧ 17 через нижнее вентиляционное отверстие, охлаждается вентилятором и через воздуховод 38 поступает в верхний отсек, где охлаждает тормозные резисторы 20. Отработанный воздух выводится через верхнее вентиляционное отверстие наружу станции. Такая организация системы принудительной вентиляции обеспечивает охлаждение всех требующих охлаждения устройств и не требует установки дополнительных вентиляторов. Кроме того, за счет эффективной работы системы принудительной вентиляции повышается надежность работы энергоёмких узлов, включая ПЧ 17.

Вводной автомат 16 предназначен для подключения СУ к трехфазной сети, а также для защиты от токов короткого замыкания и перегрузки на участке от вводного автомата 16 до клемм 59 вывода и подключаемого к ним оборудования. Автомат 53 питания ИВЭ 13 предназначен для отключения ИВЭ 13 в случае пробоя варисторов 52 вследствие сетевого перенапряжения. Автомат 54 питания КСУ 1 предназначен для защиты от токов короткого замыкания. Автомат 55 вентилятора - для включения/отключения вентилятора. Автомат 56 обогрева входит в систему обогрева, обеспечивающую работоспособность СУ в пределах заданного диапазона рабочих температур (рабочую температуру внутри шкафа СУ). Кроме того, в состав системы терморегулирования входят расположенные на радиаторе терморегуляторы для обогрева ПЧ 17 при его охлаждении ниже -5°С и зашиты от подачи питания на ПЧ 17 и приборы при недопустимой температуре.

В качестве силового входа СУ могут быть использованы, например, клеммы 57 ввода, силовые разъемы, предназначенные для подключения к внешнему источнику питания, в частности к трехфазной электрической сети. В качестве силового выхода СУ могут быть использованы, например, клеммы 59 вывода, силовые разъемы, предназначенные для подключения к ЭД.

Станция управления работает следующим образом.

При включении СУ вводным автоматом 16 посредством ИВЭ 13 подается стабилизированное напряжение на требующие питание элементы СУ. Процессор УУ 2 КСУ 1 начинает опрос

ДД 9, подключенного к первому цифровому входу КСУ для определения положения двери 31 (открыта/закрыта), переключателя 25 режимов работы СУ, соединенного с цифровым выходом УВВ 7 и с первым цифровым входом КСУ 1 (для определения режима работы автоматический/ручной/останов), кнопки 26 ПУСК, соединенной с УВВ 7 и с переключателем 25 режимов работы СУ (наличие сигнала на запуск ЭД в ручном режиме), переключателя 27 цепей ПП/ПЧ, соединенного УВВ 7, с ПЧ 17, с третьим контактором 21, через ИВЭ 13 с байпасным контактором 24 (для задания типа пуска: прямой или частотный).

При запуске ЭД в режиме частотного регулятора КСУ 1 формирует и передает по CAN интерфейсу управляющий сигнал па ПЧ 17, подключенный к УВВ 7 КСУ 1. При получении управляющего сигнала ПЧ 17 запускает ЭД и непрерывно измеряет действующие значения токов и напряжений ЭД для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых в УУ 2. При запуске ЭД в режиме прямого пуска КСУ 1 формирует и передает через УВВ 7 и ИВЭ 13 сигнал включения байпасного контактора 24. При этом УИТН 6 непрерывно измеряет действующие значения токов и напряжений ЭД для контроля текущей активной мощности ШГН, передаваемых в УУ 2.

- 5 031665

На основе полученных значений УУ 2 рассчитывает период качания СК, формирует ВМГ для дальнейшего преобразования в ДГ и определения коэффициента небаланса СК. На основе полученной ДГ УУ 2 рассчитывает коэффициент заполнения насоса, дебит, максимальную и минимальную нагрузку на полированный шток. Контроль указанных параметров позволяет обеспечить защиту глубинного насосного оборудования от заклинивания и сухого хода плунжера, защиту от неполадок наземного оборудования, которые обеспечивают уменьшение вероятных отказов оборудования и, соответственно, простоя СК. Одновременно контроль коэффициента заполнения насоса в реальном времени позволяет автоматически поддерживать наиболее продуктивный динамический уровень с контролем наполнения насоса и состояния скважины. На основе измеренных величин и на основании собственных расчетов КСУ 1 осуществляет управление частотой вращения ротора ЭД (через ПЧ 17) или пуском/остановом (в режиме прямого пуска). А также осуществляет запись полученной ВМГ, расчетной ДГ и прочих параметров в архив в ПЗУ УУ 2 и отображает их на индикаторе 4. Считывание архива осуществляется посредством считывающего устройства через USB разъем 36.

По заданным алгоритмам КСУ 1 осуществляет непрерывный контроль параметров, сопоставляя текущие значения измеренных параметров, расчетные данные и заданные характеристики процесса добычи флюида (ввод в КСУ 1 осуществляется посредством клавиатуры 5). При выходе параметров за пределы разрешенных диапазонов КСУ 1 управляет ЭД по заданным алгоритмам и сигнализирует соответствующим включением/миганием индикаторов 12 СУ, отображением соответствующей информации на индикаторе 4 КСУ 1, передачи информации об ошибке на ДП.

При подключении к отсеку телемеханики измерительных приборов ИВЭ 13 подает стабилизированное питание на входы измерительных приборов, которые осуществляют измерение необходимых параметров, формируют сигналы, передают их на КСУ 1, который, в свою очередь, отображает информацию о параметрах на индикаторе 4 КСУ 1, сохраняет данные в ПЗУ УУ 2. В случае необходимости КСУ 1 подает сигнал на отключение ЭД (при работе СУ в частотном режиме) на ПЧ 17, а при работе СУ в режиме прямого пуска - через ИВЭ 13 на байпасный контактор 24.

СУ обеспечивает контроль и управление электроприводом ШГН автоматически посредством КСУ 1 либо с ДП, оперативное выявление аварийных ситуаций и несоответствия режимов эксплуатации оборудования и отображения данных на индикаторе 4 КСУ 1 или на экране портативного компьютера.

Несмотря на то, что техническое решение показано и описано со ссылкой на конкретный вариант осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Станция управления для штангового глубинного насоса, представляющая собой шкаф, снабженный системой принудительной вентиляции и разделенный перегородкой 37 на отсеки, с запирающимися дверью 31 с контролем состояния и с дверцей 34, обеспечивающими раздельный доступ к электронной аппаратуре и панели 35 оператора с органами управления и индикации, при этом электронная аппаратура включает контроллер станции управления (КСУ) 1, содержащий устройство управления (УУ) 2, соединенный с устройством ввода/вывода (УВВ) 7, с которым соединены органы 11 управления станции управления (СУ), источник вторичного электропитания (ИВЭ) 13, подключенный к силовому кабелю СУ, цепь преобразователя частоты (ПЧ), реализованная в составе трехфазной электрической сети, вводного автомата 16, первого исполнительного устройства 14, представляющего ПЧ 17, соединенного с силовыми входом/выходом СУ и электродвигателем (ЭД), отличающаяся тем, что СУ дополнительно содержит цепь включения прямого пуска (цепь ПП), реализованную в составе трехфазной электрической сети, датчиков тока 23, второго исполнительного устройства 15, содержащего байпасный контактор 24, включенного параллельно первому исполнительному устройству 14 и соединенного с входом/выходом СУ и ЭД, при этом байпасный контактор 24 соединен с органами 11 управления СУ и через ИВЭ 13 с УВВ 7, а управляющий сигнал с КСУ 1, поступающий на одно из исполнительных устройств 14, 15 цепи ПП или цепи ПЧ, формируется на основании собственных расчетов КСУ 1 в зависимости от полученных данных о работе ЭД, причем ПЧ 17 выполнен с возможностью преобразования значений токов и напряжений на входе/выходе ЭД, а КСУ снабжен соединенным с УУ 2 устройством измерения токов и напряжений (УИТН) 6, обеспечивающим возможность измерения токов и напряжений на входе/выходе ЭД при включенной цепи ПП для контроля текущей активной мощности штангового глубинного насоса (ШГН), передаваемых для формирования КСУ 1 управляющих сигналов, при этом КСУ 1 выполнен с возможностью рассчитывать на основе полученных данных о работе ЭД период качения станка-качалки (СК), формировать ваттметрограмму (ВМГ) с возможностью её преобразования в динамограмму (ДГ) и определения по ВМГ коэффициента небаланса СК, на основе ДГ осуществляется расчет параметров добычи флюида, коэффициента заполнения насоса и параметров работы наземного оборудования в зависимости от режима работы ЭД на основе сопоставления текущих значений измеренных параметров, расчетных данных и заданных характеристик процесса добычи флюида, осуществлять управление частотой враще

   - 6 031665 ния ротора ЭД путем подачи управляющего сигнала на первое исполнительное устройство 14 для пуска/останова, изменения режимов работы ЭД или при возникновении аварийного режима - на второе исполнительное устройство 15 для пуска/останова в режиме прямого пуска, а также с возможностью ведения архива основных контролируемых параметров, полученных в реальном времени и расчетных, при этом на панель 35 оператора дополнительно выведен переключатель 27 цепей ПП/ПЧ, а КСУ 1 дополнительно содержит соединенное с УУ 2 устройство управления и индикации (УУиИ) 3, с которым соединены индикатор 4 и клавиатура 5.
2. 2. СУ по п.1, отличающаяся тем, что индикаторы 12 СУ, сигнализирующие об аварийном режиме, выведены на наружную поверхность СУ.
3. 3. СУ по п.1, отличающаяся тем, что СУ дополнительно снабжена соединенным с КСУ 1 счетчиком 8 электроэнергии.
4. 4. СУ по п.1, отличающаяся тем, что КСУ 1 снабжен USB разъемом 36.
5. 5. СУ по п.1, отличающаяся тем, что система принудительной вентиляции СУ, сформирована нижним вентиляционным отверстием, П-образным кожухом 42 ПЧ 17, вентилятором, воздуховодом 38 с уплотнителем, верхним отсеком, верхним вентиляционным отверстием.
6. 6. СУ по п.1, отличающаяся тем, что индикатор 4 и клавиатура 5 КСУ 1 вынесены на панель 35 оператора.