Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0132

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0132
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Создание и испытание энергоэффективных мобильных приводов штанговых глубинных насосов с адаптивной групповой системой управления для нефтяных скважин
Докладчик
Петкова Ани Петрова
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка принципов энергоэффективного управления группой приводов и экспериментальных образцов групп из 2-х и 6-ти отечественных мобильных приводов штанговых глубинных насосов с единой адаптивной системой управления, которая будет одновременно управлять несколькими приводами штанговых глубинных насосов (ШГН), обеспечивая минимизацию капитальных, эксплуатационных затрат и энергопотребления системы по сравнению с одиночными приводами с индивидуальными системами управления. Основными задачами, на решение которых направлен проект, являются создание усовершенствованной конструкции привода ШГН и систем группового адаптивного управления группой приводов «кустов» близкорасположенных скважин в целях повышения энергоэффективности и снижения стоимости группового привода по сравнению с одиночными приводами с индивидуальными САУ.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования заключается в необходимости решения задачи снижения себестоимости нефтедобычи в условиях низкодебитных скважин путем разработки конкуретноспособных приводов штанговых глубинных насосов (ШГН) отечественного производства, не уступающих западным аналогам по основным техническим характеристикам и превосходящих их по энергоэффективности, надежности, простоте конструкции и монтажа, имеющих меньшие капитальные и эксплуатационные затраты, а также адаптивной системы управления такими приводами, которая будет одновременно энергоэффективно управлять несколькими приводами штанговых глубинных насосов, работающими в асинхронном режиме, обеспечивая тем самым снижение стоимости оборудования, затрат на присоединенные мощности, капитальных и эксплуатационных затрат, обеспечит в конечном итоге повышение конкурентоспособности отечественного нефтедобывающего оборудования.
Новизна предлагаемых решений заключается в комплексном усовершенствовании как конструкции мобильных линейных приводов ШГН, разработке и реализации алгоритмов энергоэффективного управления приводами, работающими в асинхронном режиме при разработке низкодебитных скважин, примененных схемных и конструктивных решениях при создании адаптивной системы управления приводами в группе, позволяющей управлять процессами нефтедобычи с учетом технологических параметров откачки, добиваясь оптимальных показателей по энергоэффективности с учетом изменения дебита скважины.
Описание исследования

   Для анализа путей повышения энергоэффективности механическими способами выполнено сравнение потерь энергии в приводах различной конструкции. Показано, что применение линейного реечного привода разработанной конструкции позволяет повысить КПД установки на 10% по сравнению с аналогами.

   Создана математическая модель системы кустовой нефтедобычи, состоящей из 2х и 6-ти приводов ШГН, работающих в асинхронном режиме, включающая модели входного преобразователя, управляемых источников тока, обеспечивающих процессы заряда и разряда конденсатора большой емкости, служащего накопителем энергии. Приводы ШГН рассматривались как управляемые источники тока. Модель реализована в системе имитационного моделирования Matlab Simulink. Варьировались скорость плунжера,  число качаний, длительности периодов работы насоса, пауз между ними. По результатам проведенного математического моделирования и вариантных расчетов на имитационных моделях системы кустовой нефтедобычи состоящей из 2-х и 6-ти приводов ШГН, работающих в асинхронном режиме, показано, что наиболее эффективным электрическим способом повышения КПД является применение разработанной системы запасания и перераспределения потенциальной энергии штоков между приводами ШГН, осуществляющими подъем нефти. Это позволило устранить колебания потребляемой мощности, снизить ее пиковое значение в 3 раза, пиковое значение потребляемого из сети тока в 2 раза, уменьшить потери во входном преобразователе и кабелях в 3 раза. Также этот метод позволяет сократить эксплуатационные затраты и капитальные затраты за счет снижения поперечного сечения сетевых кабелей, использования входного трансформатора или дизель-генераторной установки меньшей мощности в случае автономного питания группы приводов ШГН.

    На основе имитационного моделирования разработаны и апробированы алгоритмы энергоэффективного управления группами приводов ШГН, обеспечивающие снижение колебаний потребляемой мощности и тока путем выбора параметров откачки в соответствии с дебитом скважин, спроектирована, изготовлена и смонтирована САУ на 2 привода, включающая входной преобразователь, управляемый источник тока, обеспечивающий процессы заряда и разряда конденсатора большой емкости, служащего накопителем энергии штока, а также систему управления верхнего уровня, выдающую команды на пуск, останов регулирование скорости, приводов СШНУ, входящих в группу, систему управления нижнего уровня, обеспечивающую управление приводами, их пуск, останов, работу в двигательном и генераторном режимах при различной скорости откачки. Также разработана и изготавливается аналогичная САУ, управляющая группой из 6-ти приводов.

   На основе разработанных алгоритмов разработано программное обеспечение (ПО) для управления приводами в группе, обеспечивающее оптимизацию работы каждого из приводов в группе на основе непрерывного автоматического контроля технологических параметров скважины, в том числе динамограмм и ваттметрограмм.

   Разработана программа и методика испытаний указанных САУ, управляющих группами из 2-х и 6-ти приводов. Выполнены испытания САУ в аварийных режимах работы приводов (быстродействие и эффективность стандартных защит и ограничительных уставок), проведено испытание работы приводов в группе в режиме холостого хода по разработанной программе и методике исследования.

   Индустриальным партнером изготовлены 2 экспериментальных привода ШГН с цевочной передачей и 4 привода с реечной передачей в соответствии с КД, разработанной на предыдущем этапе.  Данные приводы и 2 привода с реечной передачей, изготовленных на предыдущем этапе, монтируются на испытательном стенде в группы из 2-х и 6-ти приводов и управляются разработанной САУ.

   Разработана эскизная конструкторская документация, и на этой основе индустриальным партнером изготовлен стенд для проведения исследовательских испытаний групп приводов ШГН, управляемых разработанной адаптивной САУ в режимах холостого хода и под нагрузкой. Новым здесь является то, что для имитации работы под нагрузкой приводы сгруппированы попарно и механически соединены с помощью гибкой связи, что позволит имитировать поведение штанговой колонны. При этом один из приводов является ведущим и по реальной динамограмме задает нагрузку ведомому. Диапазон изменения нагрузки составляет от 3 до 8 т., питание приводов осуществляется от управляемого источника, позволяющего обеспечить постоянство потребляемой мощности и минимальный уровень потребляемого тока за счет использования конденсаторной батареи большой емкости, осуществляющей накопление потенциальной энергии штока.

Результаты исследования

Работы выполненные за счет средств субсидии

  1. Выполнен анализ путей повышения энергоэффективности механическими и электрическими способами. Показано, что наиболее эффективным механическим способом повышения КПД является применение линейного реечного привода разработанной конструкции, что позволяет повысить КПД установки на 10% по сравнению с аналогами. Наиболее эффективным электрическим способом повышения КПД является применение разработанной системы запасания и перераспределения потенциальной энергии штоков между ШГН, осуществляющими подъем нефти. Это позволило устранить колебания потребляемой мощности, снизить ее пиковое значение в три раза, пиковое значение потребляемого из сети тока в два раза, уменьшить потери во входном преобразователе и кабелях в 3 раза. Также этот метод позволяет сократить капитальные затраты за счет снижения поперечного сечения сетевых кабелей, использования входного трансформатора или дизель-генераторной установки меньшей мощности в случае автономного питания группы приводов ШГН.
  2.  Разработаны и апробированы алгоритмы энергоэффективного управления группами приводов ШГН, обеспечивающие снижение колебаний потребляемой мощности и тока путем задания скорости плунжера, числа качаний ШГН и длительности пауз между ними в соответствии с дебитом скважин. Спроектирована, изготовлена и смонтирована САУ на два привода, включающая входной преобразователь, управляемый источник тока, обеспечивающий процессы заряда и разряда конденсатора большой емкости, служащего накопителем энергии штока, а также систему управления верхнего уровня, выдающую команды на запуск, останов регулирование скорости приводов ШГН, входящих в группу, систему управления нижнего уровня, обеспечивающую управление приводами, их пуск, останов, работу в двигательном и генераторном режимах при различной скорости откачки. Также разработана и изготавливается аналогичная САУ, управляющая группой из шести приводов.
  3. Для обеспечения управления приводами в группе разработано ПО, обеспечивающее оптимизацию работы каждого из приводов в группе на основе непрерывного автоматического контроля технологических параметров скважины.
  4. Разработана программа и методика испытаний разработанных САУ, управляющих группами из двух и шести приводов. Выполнены испытания САУ в аварийных режимах работы приводов (быстродействие и эффективность стандартных защит и ограничительных уставок), проведено испытание работы приводов в группе в режиме холостого хода по разработанной программе и методике исследования.
  5. Разработана эскизная конструкторская документация для изготовления стенда для проведения исследовательских испытаний групп приводов ШГН, управляемых разработанной адаптивной САУ в режимах холостого хода и под нагрузкой.

Работы выполненные за счет внебюджетных средств

  1.  Индустриальным партнером изготовлены два экспериментальных привода ШГН с цевочной передачей и четыре привода с реечной передачей в соответствии с КД, разработанной на предыдущем этапе.  Данные приводы и два привода с реечной передачей, изготовленные на предыдущем этапе, смонтированы на испытательном стенде в группы из двух и шести приводов и управляются разработанной САУ
  2. По разработанной эскизной конструкторской документации индустриальным партнером изготовлен стенд для проведения исследовательских испытаний групп приводов ШГН, управляемых разработанной адаптивной САУ в режимах холостого хода и под нагрузкой. 
Практическая значимость исследования
Созданы экспериментальные образцы групп из 2-х и 6-ти энергоэффективных отечественных мобильных линейных приводов штанговых глубинных насосов (мощность каждого от 10 до 22 кВт, нагрузочная способность от 3 до 8 т), управляемых единой адаптивной системой управления, обеспечивающей оптимальное управление как каждым их приводов в отдельности, так и приводами в группе, для повышения эффективности нефтедобычи на «кустах» скважин и снижения капитальных и эксплуатационных затрат.
Исследованы пути повышения энергоэффективности нефтедобычи механическими и электрическими способами. Разработаны алгоритмы управления приводами ШГН при разработке низкодебитных месторождений кустовым способом с помощью адаптивной САУ, которые позволяют повысить общую энергоэффективность и производительность процесса добычи нефти, снизить капитальные и эксплуатационные затраты, и, как следствие уменьшить срок окупаемости групповых САУ. Разработанные алгоритмы являются универсальными и их использование вкупе с адаптивной САУ может быть распространено на любые типы приводов ШГН.
Разработанная конструкция мобильных приводов ШГН и внедрение разработанных групповых приводов с единой адаптивной САУ будет способствовать решению задач импортозамещения нефтедобывающего оборудования, повышения конкурентоспособности последнего на мировом рынке, экспорта разработанного оборудования в нефтедобывающие регионы мира за счет более высоких по сравнению с зарубежными аналогами показателей, а именно: энергоэффективности, уровня автоматизации и технологической культуры процесса нефтедобычи, уровня затрат на обустройство скважин, степени экологической нагрузки на зоны нефтедобычи.