В настоящее время большая часть разрабатываемых ме­сторождения нефти в России характеризуется следующими особенностями:

низкие начальные пластовые давления; истощенные многолетней эксплуатацией нефтяные пла­сты, требующие использования методов механизированной добычи;

альтернативные системы механизированной добычи (на­пример, поршневые, гидравлические насосы, системы газ­лифта), являющиеся технически более сложными и менее эффективными.

СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПОГРУЖНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ ДОБЫЧИ НЕФТИ

В настоящее время до 60 % нефти в России и до 70 % неф­ти в Западной Сибири (общее число эксплуатирующихся скважин — более 20000) добывается механизированным спо­собом с использованием установок электроцентробежных насосов (УЭЦН).

Одни из существенных недостатков этого способа добычи состоит в том, что при отказе УЭЦН затраты на спускоподъ­емные операции и последующий ремонт практически дости­гают стоимости новых установок, Вопросы надежности по­гружного оборудования приобретают в этих условиях особую остроту.

Большая часть применяемых на нефтепромыслах станции управления ЭЦН добычи нефти серии ШГС морально уста­рела и не удовлетворяет современным требованиям нефтяной отрасли по управлению и автоматизации процесса добычи. Кроме того, им присущи все недостатки прямого пуска (вы­сокий пусковой ток и механические ударные нагрузки) по­гружного электродвигателя, которые в значительной мере сокращают продолжительность безаварийной работы уста­новки.

Замена разработанных ранее станций управления серии ШГС на современные с частотно-регулируемым электропри­водом позволяет:

увеличить межремонтный период и наработку на отказ УЭЦН;

реализовать плавный пуск и останов насоса, регулирова­ние производительности при изменении дебита скважины с целью предотвращения его неэффективной работы;

обеспечить управление широким классом погружных электродвигателей как отечественного, так и зарубежного производства мощностью до 500 — 600 кВт;

устранить негативное влияние большого пускового тока на

электродвигатель и ударных механических нагрузок, сопутст­вующих прямому пуску;

увязать в единую автоматизированную систему технологи­ческий процесс добычи нефти — от скважины до товарного парка;

увеличить объем добычи нефти без замены оборудования путем повышения частоты питающего напряжения выше 50 Гц;

обеспечить временный вывод скважины из эксплуатации без опасности ее парафинирования;

реализовать раскачку и плавный вывод скважин на режим; разрабатывать законсервированные малодебитные сква­жины (10—15 м3/сут), которых в России насчитывается более 3 тыс.

Таким образом, современную станцию управления по­гружным насосом можно рассматривать как интеллектуаль­ное электротехническое устройство, позволяющее контроли­ровать рабочие параметры добычи, осуществлять обмен дан­ными по сети с верхними уровнями АСУ ТП и гибко управ­лять процессом нефтедобычи.

На нефтяных промыслах России в настоящее время нашли применение станции управления электроцентробежных насо­сов (СУ ЭЦН) добычи нефти отечественных изготовителей (ОАО «Борец», Алнас в содружестве с корпорацией «Триол», «ЭЛЕКТОН»), Станции управления ЭЦН может быть изго­товлена в двух вариантах для ЭЦН, оснащенного асинхрон­ным или вентильным двигателем.

Среди иностранных компаний доминирующее положение занимают компании «Reda» и «Centrilift» (США).

Станции управления погружных электронасосов добычи нефти серии Электон-5. Основная область применения стан­ций — управление и защита погружных электронасосов до­бычи нефти, оснащенных двигателями серии ПЭД мощно­стью от 15 до 400 кВт. По согласованию с разработчиками станции управления могут быть использованы для питания электронасосов с вентильными двигателями, электродвигате­лей винтовых насосов и др.

В состав серии входят семь типоразмеров СУ, рас­считанных на номинальные токи 160, 250, 400, 630, 800, 1000, 1250 А.

Станции управления обеспечивают работу электропривода в следующих режимах:

поддержание выходной частоты; поддержание тока двигателя; работа по заданной программе;

поддержание заданного параметра (давления, температуры или любого другого по сигналу на аналоговом входе) с помо­щью встроенного ПИД-регулятора.

Силовая часть серийного ряда СУ построена по единой схеме и представляет собой двухступенчатый преобразова­тель энергии трехфазного тока сети в энергию трехфазного тока с регулируемыми напряжением и частотой,

Преобразователь частоты выполнен по схеме управляемый тиристорный выпрямитель — промежуточное LC-звено — ШИМ инвертор на IGBT. Напряжение на выходе ПЧ форми­руется как методом ШИМ, так и АИМ путем изменения уровня напряжения на выходе управляемого выпрямителя.

Модули тиристоров и IGBT в каждом исполнении СУ ус­тановлены на алюминиевые охладители, на которых вмонти­рованы датчики температуры, При достижении предельно допустимого нагрева радиатора сигнал от этих датчиков по­ступает в систему управления, которая формирует сигнал аварии с выдачей соответствующего сообщения на индикатор пульта управления,

Для обеспечения функций управления, защит и контроля СУ оснащена датчиками тока и напряжения.

Система управления включает в себя два контроллера, ис­точники питания контроллеров, драйверы управления IGBT и тиристорами силового выпрямителя, блок управления обду­вом (обогревом), устройство измерения сопротивления изо­ляции.

Контроллер Электон-09.1 обеспечивает просмотр текущих параметров, просмотр и изменение уставок, управление ре­жимом СУ.

Контроллер Электон-09.2 обеспечивает работу силового вы­прямителя, формирование напряжения и выходных токов ПЧ.

Технические характеристики станций управления погружных электронасосов добычи нефти серии Электон-05

Напряжение питающей сети, В.......................................... 3x380 ± 15 %

Частота тока питающей сети, Гц........................................ 50

Выходное напряжение...................................................... 3 фазы от 0 до 0,95

входного напряжения

Выходная частота, Гц....................................................... 3,5 — 75 +0,1 %

Ток перегрузки, % от номинального значения, в

течение 5 мин.................................................................. 125

КПД при номинальном токе, не менее............................... 0,95

Коэффициент мощности сети, не менее............................... 0,95

Коэффициент нелинейных искажений выходных

токов, %, но более........................................................... 5

Степень защиты оболочки................................................ IP43

Климатическое исполнение................................................ УХЛ1, УХЛЗ. 1

Средний ресурс, ч, не менее.............................................. 20000

Средняя наработка на отказ, ч, не менее............................. 8000

Программное обеспечение системы управления построено по принципу меню, содержащего следующие разделы:

1. Текущие параметры,

2. Состояние входов.

3. Уставки и защиты.

4. Настройка ПЧ.

5. Настройка дополнительных входов.

6. Настройка релейных входов,

7. Записная книжка.

8. Дополнительные настройки.

9. Установка паролей.

10. Меню технолога.

11. Дата и время.

12. Архив событий.

Каждый раздел, в свою очередь, содержит определенный набор функций. Для отображения каждой функции меню на дисплее контролера отводится две строки, причем на дис­плее отображаются две функции одновременно.

В разделе «Текущие параметры» на индикаторе отобра­жаются следующие режимы или величины, характеризующие работу СУ:

режим работы: ручной или автоматический; состояние: «Работа» или «Стоп»; время работы;

направление вращения двигателя: прямое или обрат­

ное;

выходная частота; фазные токи двигателя и СУ; дисбаланс токов;

порядок чередования фаз напряжений на выходе СУ; напряжение и ток звена постоянного тока ПЧ; выходное напряжение СУ; линейные напряжения на входе СУ;

выходное напряжение на вторичной обмотке трансформа­тора;

активная и полная мощность на выходе СУ; коэффициент мощности СУ;

загрузка СУ в % по отношению к номинальной активной мощности;

температура охладителей силовых полупроводниковых приборов;

значение сопротивления изоляции цепи трансформатор — погружной кабель — двигатель; частота турбинного вращения.

Функции раздела «Состояние входов» отображают раз­личные величины, измеряемые внешними датчиками. Это мо­гут быть сигналы датчиков системы погружной телеметрии или другие нормализованные сигналы 0 — 4,1 В; 0—10 В или 4 — 20 мА. В системе контроля СУ предусмотрены: датчики температуры; датчики вибрации в трех взаимно перпендику­лярных направлениях, входящие в состав погружной теле­метрии; датчики электрической блокировки двери силового отсека СУ; состояния релейных входов и выходов.

Функции раздела «Уставки и защиты» позволяют про­граммными средствами устанавливать уставки защит от: пе­регрузки, недогрузки, дисбаланса токов фаз, время-токовой, снижения сопротивления изоляции ниже установленного уровня, превышения частоты выше установленного уровня и др.

Функции раздела «Настройка ПЧ» позволяет задавать на­правление вращения двигателя; режим пуска (плавный, с син­хронизацией, толчковый или раскачкой) (рис. 7.16); форму

Рнс. 7.16. Графики режимов пуска электродвигателя, реализуемые СУ Электон-05: а — плавный: б — с синхронизацией; в — толчковый; г — с раскачкой

а б

характеристики U/f, аппроксимируемой тремя отрезками прямых; тип и параметры регулятора; тип и частоту моду­ляции.

Функции разделов «Настройка дополнительных входов», «Настройка релейных входов» обеспечивают задание одного из возможных стандартных диапазонов изменения значения аналогового входного сигнала: 0 — 4,1 В; 0—10 В; 4 — 20 мА, а также верхних и нижних границ диапазона изменения изме­ряемых величин. Для дискретных выходов — задание одного из вариантов событий, при наступлении которого замкнутся (разомкнутся) контакты реле на релейном выходе. Такими событиями могут быть: СТОП, РАБОТА, АВАРИЯ и др.

Функции раздела «Записная книжка» служат для введения в память контроллера номеров месторождения, куста сква­жин, скважины; паспортных значений и заводских номеров ПЧ, двигателя, насоса и трансформатора; индикации суммар­ного времени работы и простоя станции; количества пусков установки и др.

Функции раздела «Дополнительные настройки» служат: для задания интервала времени записи параметров работы СУ в память как во время работы двигателя, когда все пара­метры находятся в допустимых пределах (вне зон срабатыва­ния защит), так и в случае, если какой-либо параметр или несколько их оказываются в зоне срабатывания соответст­вующей защиты.

Функции устанавливают также протокол и скорость обме­на данными между контроллерами управления внешними устройствами по интерфейсу RS485,

Функции раздела «Меню технолога» предназначены для расположения функций из разделов «Текущие параметры» и «Состояние входов» в удобную для оперативного просмотра последовательность. • В данном разделе в произвольном поряд­ке можно разместить 12 функций.

В разделе «Архив событий» содержится информация о включениях и отключениях напряжения, пусках и остановах двигателя с указанием времени и даты. Кроме того, возможен просмотр параметров работы СУ непосредственно перед ос­тановкой двигателя.

Станции управления ЭЦН серии Борец-04 управляются при помощи 1б-разрядного однокристального контроллера типа КВАНТ-1. Основные функции, реализуемые СУ, анало­гичны станции управления Электон-05.

СУ обеспечивает защиту оборудования при перегрузках и недогрузках по току, от повышения и понижения напряже­ния силового питания, при дисбалансе напряжений фаз и то­ков, от понижения сопротивления изоляции, при перегреве обмотки двигателя, от повышенной вибрации насосной уста­новки и др.

Благодаря наличию ПЧ СУ осуществляет следующие функции:

плавный разгон и торможение двигателя;

оптимизацию режима работы скважины по сигналам под­земной телеметрии, или без нее по специальной программе;

автоматическое удаление газовых пробок в насосной уста­новке;

вывод насосной установки на заданную частоту по про­грамме и др.

Сообщения о режимах работы СУ, причинах ее отключе­ния, состоянии оборудования скважины выводятся на 4- строчечный жидкокристаллический дисплей, расположенный на лицевой панели двери станции.

Технические характеристики станций управления сернн Борец-04

Номинальные напряжения сети.................................................... 3x380 В, 50 Гц

Номинальный ток, А.................................................................. 400, 630, 800, 1000

Мощность подключаемого электродвигателя, кВт 160, 250, 320, 400

Томпературный диапазон, °С...................................................... От —60 до + 60

Диапазон регулирования частоты на выходе ПЧ, Гц От 3 до 70

Степень защиты оболочки.......................................................... ІР54

Станции управления электроприводами насосов добычи нефти с вентильными двигателями. С 1995 г. в России ведут­ся работы по созданию и совершенствованию электроприво­дов для установок погружных центробежных и винтовых насосов добычи нефти на базе вентильных двигателей.

Современные вентильные двигатели, имеющие ротор с по­стоянными магнитами, характеризуются высокой плотностью магнитного потока в воздушном зазоре, большим соотноше­нием между электромагнитным моментов и моментов инер­ции, малыми пульсациями момента во всем диапазоне регу­лирования скорости вплоть до низких скоростей, а также возможностью управлять моментом при неподвижном рото­ре. Они имеют хороший коэффициент мощности и компакт­ное исполнение, обеспечивают высокие статические и дина­мические характеристики.

Вентильные привода обладают по сравнению с асинхрон­ными более высокими функциональными, ресурсными и энергетическими характеристиками, поэтому их применение и в нефтяном оборудовании, особенно в таком массовом, как установки погружных центробежных и винтовых насосов, обеспечит повышение эффективности этого вида добычи нефти.

ООО «РИТЕК-ИТЦ» (Россия) разработал вентильный при­вод для серийных погружных центробежных насосов добычи нефти с диапазоном частоты вращения 500 — 3500 об/мин. В конструкции вентильных двигателей применены материалы, комплектующие изделия и отработанные технические реше­ния, которые в настоящее время используются в лучших кон­струкциях асинхронных погружных электродвигателей типа ПЭД. Вентильные электродвигатели имеют присоединитель­ные размеры, обеспечивающие использование в их комплек­те гидрозащиты и подсоединение кабельных муфт, приме­няемых в серийных погружных электродвигателях.

Технические характеристики вентильных электродвигате­лей номинальной частоты вращения 3000 об/мин приведены в табл. 7.13.

Таблица 7.13 Технические характеристики вентильных электродвигателей серии ВД* Тип электродви­ гателя Мощ­ ность, кВт Напря­ жение, В Номи­нальный ток, А кпд, % Диа­ метр, мм Дли­ на, мм Мас­са, кг ВД16-117В5 16 800 14,5 91,0 117 1717 117 ВД24-117В5 24 1150 14,5 91,0 2097 146 ВД32-117В5 32 1100 21,0 92,0 2477 169 ВД40-117В5 40 1400 21,0 92,0 2857 196 ВД48-117В5 48 1300 25,5 93,0 3237 227 ВД56-117В5 56 1550 25,0 93,0 3617 249 ВД64-117В5 64 1750 25,0 93,0 3997 278 ВД125-117В5 125 2000 39,0 93,5 7037 506 ВД12-103В5 12 624 14,0 90,5 103 1271 65 ВД16-103В5 16 923 12,0 91,5 1618 85 ВД22-103В5 22 1234 12,5 91,5 1965 105 ВД28-103В5 28 1086 18,5 91,5 2312 125 ВД32-103В5 32 1290 17,0 92,0 2659 145 ВД40-103В5 40 1529 18,5 92,0 3006 165 ВД45-103В5 45 1740 18,5 92,0 3353 185 ВД55-103В5 55 1541 25,0 92,0 4047 225 ВД65-103В5 65 1844 25,0 92,0 4741 265 ВД75-103В5 75 1711 31,0 92,5 5435 305 ВД90-103В5 90 1975 32,0 92,5 6129 345 ВД16-92В5 ВД24-92В5 ВД32-92В5 16 24 32 600 800 1050 21,0 22,5 23,0 90.0 90.0 89,5 92 2445 3163 3881 227 249 278 "Коэффициент мощности двигателей cos ф = 0,99.

Для электроприводов погружных насосов добычи нефти, оснащенных вентильными двигателями, ООО «Борец» разра­ботаны станции управления серии Борец-ВД: Борец-ВД40, Борец-ВД80, Борец-ВД250.

Помимо регулирования подачи, центробежных насосов, станции управления обеспечивают:

защиту электродвигателя и насоса от недопустимых и ава­рийных режимов;

плавный разгон и торможение двигателя; возможность оптимизации режима работы скважины по сигналам подземной телеметрии или без нее по специальной программе;

автоматическое удаление газовых пробок в насосной уста­новке;

работу в скважинах с нестабильной подачей; эксплуатацию скважин при работе погружной установки в периодическом режиме с высоким ресурсом механического и электрического оборудования;

освоение скважин после ремонта без остановки ЭЦН для охлаждения двигателя и др.

Кроме того, по сравнению с асинхронным двигателем, вентильный двигатель имеет преимущества: перегрузочная способность больше на 10 — 20 %, КПД — на 4 —6 %, коэффи­циент мощности — на 25 — 30 %, потери энергии в подводя­щем кабеле меньше на 25 — 30 %, а габариты и масса — на 30-35 %.

Погружные насосы, оснащенные вентильными двигателя­ми, весьма перспективны для применения в скважинах с вяз­кой нефтью, повышенным содержанием механических при­месей, нестабильной подачей, малодебитных, со сложными условиями эксплуатации, после гидроразрывов и других спо­собов увеличения добычи.

Технические характеристики станции управления серии Борец-ВД приведены в табл. 7.14.

Станции управления ЭЦН серии Триол ВТ04. Корпорация «Триол» осуществляет выпуск станций для управления при­водами погружных электроцентробежных насосов добычи нефти, оснащенных асинхронными короткозамкнутыми и вентильными двигателями мощностью от 22 до 90 кВт.

Для электронасосов с асинхронными двигателями исполь­зуются ПЧ серии Триол АТ04, с вентильными двигателями — объектно ориентированные ПЧ серии Триол ВТ04.

Силовой канал серии Триол ВТ04 содержит трехфазный мостовой полууправляемый диодно-тиристорный выпрями-

Таблица 7.14 Технические характеристики станция управления серия Борец-ВД Параметры Тип станции управления Борец-ВД40 Борец-ВД80 Борец-ВД250 Номинальное напряжение питания, В 380 380 380 Частота питающего напря­жения, Гц 50 50 50 Мощность подключаемого двигателя, кВт 8-32 8-72 96 - 200 Диапазон регулирования час­тоты вращения, об/мин От 250 до 6000 От 250 до 6000 От 250 до 6000 Степень защиты IP43 IP43 IP43 Температурный диапазон, °С От -60 до +60 От -60 до +60 От —60 до +60

тель, IGB-транзисторный широтно-импульсный регулятор на­пряжения звена постоянного тока и трехфазный АИН (ком­мутатор вентильного двигателя). График напряжения на выходе АИН — кусочно-ступенчатый. АИН управляется мно­гофункциональной микропроцессорной системой управления, которая обеспечивает: взаимосвязанное регулирование на­пряжения и частоты на зажимах статора двигателя; защиту от токов к. з., недогрузки и перегрузки: защиту от недопустимых отклонений напряжения сети, технологические защиты и др.

Регулирование частоты вращения и момента двигателя осуществляется путем определения положения ротора двига­теля и управления АИН в режиме 120 эл. град, коммутации. Положение ротора определяется косвенно измерением на­пряжения на одной из фаз двигателя в моменты, когда ток в ней равен нулю, а переключение ключей АИН происходит в моменты, когда измеренное напряжение переходит через нуль.

Поскольку в начальный момент пуска положение ротора неизвестно, то пуск двигателя осуществляется в асинхронном режиме при пониженном напряжении на зажимах статора (менее 50 В).

Устройство ввода-вывода имеет набор аналоговых и дис­кретных входов-выходов, канал последовательной связи RS485. Во входные и выходные цепи включены устройства гальванической развязки для потенциального разделения с силовыми и внешними управляющими цепями.

Шкала мощностей, кВт.....................................................

Питающая сеть (с заземленной либо изолированной

нейтралью)......................................................................

Выходная частота, Гц.......................................................

Выходное напряжение (максимальное значение

программируется).............................................................

Ток перегрузки................................................................ 22-90

3x380 В, + 10 %, - 15 % 0-200

Зх(0 — 380 В) ±2 %

150 % от номинального значения в течение 60 с

0,95 0,95 -40

Коэффициент полезного действия (без двигателя),

не менее.........................................................................

Коэффициент мощности (сети), не менее.............................

Кратковременное допустимое отклонение напря­жения питающей сети, при котором электропривод сохраняет работоспособное состояние, %