Способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса Российский патент 2025 года по МПК G06Q50/02 E21B44/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам регулирования работы электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса для повышения эффективности при снижении потребления электрического тока.

Известен способ определения скорости вращения (патент RU № 2463612, МПК G01P 03/48, опубл. 10.10.2012 Бюл. №28), по которому устанавливают на валу электродвигателя постоянный магнит и получают частотную последовательность импульсов ЭДС, причем с целью упрощения реализации в погружных асинхронных электродвигателях (ПЭД) глубинно-насосных нефтедобывающих установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), размещают на валу ПЭД на немагнитных диэлектрических шайбах, находящихся по торцевым сторонам k немагнитных промежуточных подшипников ротора и имеющих диаметр, совпадающий с диаметром его пакетов, 4k четырехполюсных магнита с радиальнонамагниченными разнополярными зонами, устанавливают на каждой шайбе по окружности диаметрально противоположно два магнита, обращенных одноименными полюсами друг к другу, ориентируют все пары магнитов на шайбах строго в одном направлении, получают в трехфазной обмотке статора при вращении ротора частотные последовательности импульсов эдс, а в фазах силового кабеля, питающего ПЭД, частотные последовательности импульсов тока, трансформируют наземным измерительным трансформатором тока частотную последовательность импульсов фазного тока и синусоидальный ток, потребляемый ПЭД от трехфазного питающего напряжения, выделяют частотную последовательность импульсов напряжения, пропорциональную частотной последовательности импульсов фазного тока, фильтрацией выходного напряжения трансформатора тока посредством полосового фильтра, имеющего граничные частоты пропускания z·fmin и z·fmax, формируют из выделенной частотной последовательности импульсов с помощью компаратора напряжений и делителя частоты новую последовательность прямоугольных импульсов напряжения, частота повторения которых понижена в z раз и совпадает с частотой вращения короткозамкнутого ротора ПЭД, где z - количество пазов у магнитопровода статора ПЭД, fmin и fmax - минимально и максимально допустимые частоты вращения ПЭД в УЭЦН.

Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за возможности определения только частоты вращения двигателя без анализа коэффициента полезного действия (КПД) насоса, то есть эффективности его работы, что приводит к лишним непроизводственным потерям энергии, и необходимость внесения изменения в конструкцию электрического привода насоса, что требует затрат на его переоборудование и снижение надежности работы из-за нарушения заводских защитных покрытий, при этом такое вмешательство гарантию завода изготовителя.

Известен также энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс (патент RU № 2688143, МПК H02P 5/74, H02P 27/08, H02M 7/68, F04D 13/08, F04D 15/00, опубл. 20.05.2019 Бюл. № 14), состоящий из входного трансформатора с соединённой треугольником первичной обмоткой и с расщеплённой вторичной обмоткой, получающего электрическое питание от источника питания трёхфазного переменного напряжения по линии электропередачи, выходы вторичных обмоток входного трансформатора присоединены к входам двух полупроводниковых выпрямителей, собранных по схеме Ларионова, к выходам которых подключено распределительное устройство постоянного тока, состоящее из шины положительного потенциала, присоединённой к выходу положительного потенциала первого выпрямителя, подключенного к вторичной обмотке входного трансформатора, соединённой треугольником, и шины отрицательного потенциала, присоединённой к выходу отрицательного потенциала второго выпрямителя, подключенного к вторичной обмотке входного трансформатора, соединённой звездой, к шинам постоянного тока подключен по меньшей мере один автономный инвертор напряжения, подающий переменное напряжение на подключенного к нему потребителя, система автоматического управления измеряет напряжение и ток на входе и выходе инвертора и управляет периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения, причем распределительное устройство постоянного тока включает также шину нулевого потенциала, присоединённую к выходу отрицательного потенциала первого выпрямителя и выходу положительного потенциала второго выпрямителя, автономный инвертор напряжения имеет по меньшей мере один индивидуальный конденсатор, который параллельно подключен к автономному инвертору напряжения и к шинам постоянного тока распределительного устройства постоянного тока.

Недостатками данного способа являются сложность реализации из-за необходимости дополнительного подключения к электрическому приводу системы автоматического управления, которая работает без учета КПД насоса в конкретных скважинных условиях и в конкретный период времени (без учета износа насосного оборудования и отложений на стенках лифтовых труб), что в свою очередь снижает эффективность его работы, при этом отсутствует возможность регулирования работы привода насоса при изменении продуктивности пласта в скважине.

Наиболее близким по технической сущности является способ мониторинга энергопотребления оборудования для добычи нефти и газа (патент RU №2801699, МПК G06Q 50/02, E21B 47/00, G05B 13/04, G05B 19/418, H04W 4/38 (2018.01), опубл. 14.08.2023 Бюл. №23):

- получение на сервере параметрических данных с датчиков, размещенных на скважине и/или замерной установке,

- определение на сервере дебита скважины на основании полученных параметрических данных с датчиков, размещенных на скважине и/или замерной установке, в режиме реального времени,

- получение из базы данных, связанной с сервером, сведений о диаметре скважины и диаметре погружного электродвигателя (ПЭД), используемого в скважине, и определение порогового значения дебита для каждой скважины в зависимости от полученных сведений,

- сравнение на сервере значений дебита скважин, измеренных в режиме реального времени, с их определенным пороговым значением дебита,

- для скважин, в которых значение дебита превышает пороговое значение, осуществляют моделирование рабочих параметров оборудования скважины с помощью цифрового двойника скважины, расположенного на сервере,

причем моделирование включает анализ энергопотребления эталонного значения, хранящегося в базе данных, и фактического значения потребления электроэнергии оборудования, спущенного в скважину, в режиме реального времени, по результатам которого изменяют удаленные настройки станции управления оборудованием и/или режимы его эксплуатации и отправляют полученный результат для отображения данных о скважинах, в которых оборудование скважины подлежит оптимизации или замене.

Недостатком данного способа является только расчётное определение входных параметров электрического привода насоса на основании параметрических данных с датчиков размещенных в скважине без учета выходных данных (на устье скважины), это требует анализа и расчета эффективности каждого конструктивного элемента скважины (диаметра лифтовых труб, потерь на задвижках и т.п.) и серки данных с сервером, что с учетом погрешности измерений, задержки времени на обращение к серверу и, следовательно, расчетов приводит к снижению эффективности оптимизации работы частотно-регулируемого привода погружного насоса (как показала практика, примерно на 3-4%).

Техническим результатом является создание способа управления работой электрического частотно-регулируемого привода (ЧРП) погружного насоса, позволяющего повысить эффективность работы ЧРП за счет дополнительного учета параметров (давления, потребляемых напряжения и тока и количества добываемой жадности) на устье скважины, позволяющих в комплексе оценивать работу в реальном времени без обращения серверу погружного насоса без анализа потерь на отдельных конструктивных элементах.

Техническим решением является способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса, включающий спуск в скважину на колонне лифтовых труб с питающим кабелем насоса с асинхронным электродвигателем (ЭД) и станцией управления, оснащенной частотно-регулируемым приводом - ЧРП и датчиками, измеряющими выходные данные (давление) насоса, подключение ЧРП через питающий кабель на устье скважины с блоком управления, оснащенным блоком памяти для хранения базы данных рабочих параметров насоса и ЧРП, в реальном режиме времени производится сверка входных и выходных параметров насоса и ЧРП, определяемых датчиками, с заложенными в базу данных, корректировка режимов работы ЧРП для получения наиболее эффективной работы насоса.

Новым является то, что устье скважины дополнительно оснащают массомером для измерения мгновенного количества скважинной жидкости, поднимаемой из скважины насосом, а блок управления на выходе - вольтметром, амперметром и частотомером, для определения входных параметров ЧРП, перед пуском насоса в постоянный режим работы или периодически после остановки работы ЧРП производят заполнение или корректировку’ базы данных соответственно, для чего с учетом паспортных пороговых данных ЧРП производят определение оптимального напряжения по принципу минимальной достаточности и оптимальной частоты работы ЧРП, исходя из наибольшей производительности насоса, определяемой массомером, после запуска насоса в работу для получения необходимой производительности насоса блок управления корректирует соответственно ей напряжение и частоту, получаемую из базы данных блока памяти.

На фиг. 1 изображен график оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД.

На фиг. 2 изображен график скважинных испытаний для подбора оптимального напряжения при заданной частоте работы асинхронного ЭД.

На фиг. 3 изображен график оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД, совмещенный с дебитом (количеством откачиваемой жидкости) скважины.

На фиг. 4 изображен график применения данного способа на трех скважинах Ашальчинского месторождения Республики Татарстан (РТ) по электропотреблению до и после реализации (с дискретностью 30 минут).

Способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса осуществляется в следующей последовательности.

Способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса включает в себя спуск в скважину на колонне лифтовых труб с питающим кабелем насоса с асинхронным ЭД и станцией управления, оснащенной частотно-регулируемым приводом – ЧРП и датчиками, измеряющими выходные данные (давление) насоса, подключение ЧРП через питающий кабель на устье скважины с блоком управления, оснащенным блоком памяти для хранения базы данных рабочих параметров насоса и ЧРП. Устье скважины дополнительно оснащают массомером для измерения мгновенного количества скважинной жидкости, поднимаемой из скважины насосом. Массомер (массовый расходомер жидкости) может быть использован любой известной конструкции (например, SU №№325501, 553460, RU №№2033597, 2701175, 2732782 или т.п.). Блок управления на выходе дополнительно оснащают вольтметром, амперметром и частотомером, для возможности определения входных параметров ЧРП а реальном времени.

Перед пуском насоса в постоянный режим работы или периодически после остановки работы ЧРП производят заполнение или корректировку базы данных соответственно, для чего с учетом паспортных пороговых данных ЧРП производят определение оптимальных напряжения и частоты работы ЧРП исходя из наибольшей производительности насоса, определяемой массомером.

Например, для насоса с ЧРП строится график оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД (фиг. 1), для верхней и нижней точки которого принимают паспортные (данные заводом изготовителем) пороговые данные для ЧРП, например, нижнее (пусковое значение) соответствует выходному напряжению с блока управления напряжению U=0 В и частоте f=2 Гц, а верхнее (максимально допустимое) – напряжению U=380 В и частоте f=60 Гц. Для получения промежуточных точек при стабильном значении частоты в пределах от минимального значения до максимального значения (чаще всего на начальном этапе с шагом 5 Гц и на конечном этапе перед началом срыва подачи по 2 Гц) повышают или понижают напряжение до получения максимального дебита скважины, определяемого массомером. Например, для частоты f=25 Гц (фиг. 2) понижение напряжения (с 170 В до 160 В) привело к снижению дебита только на 0,7 т/сут, а дальнейшее понижение до U=150 В к снижению на 3,9 т/сут. С учетом этого для частоты f=25 Гц оптимальным будет являться U=160 В (третья точка снизу на фиг. 1). Для частоты f=10 Гц – оптимальным является U=75 В (вторая точка снизу на фиг. 1), а для f=30 Гц – U=190 В (четвертая точка снизу на фиг. 1). Проведя подобные исследования во всем диапазоне частот (например, от 2 до 60 Гц) получили соответствующий график (фиг. 1 – остальные точки не показаны). Так как максимальная производительность насоса с ЧРП проверяется в скважинных условиях, то не требуется учитывать отдельно снижение КПД на отдельных участках (фильтре (если установлен на входе насоса), стыках труб, задвижках и т.п.) скважины.

Если задать напряжение выше оптимального, то и потребляемый ток будет выше оптимального, что приведет к большему нагреву ЭД, увеличивая потери энергии на нагрев, повышая риск перегрева и снижая КПД ЭД. Если напряжение будет ниже оптимального, то будет наблюдаться скольжение и уменьшение скорости вращения ЭД и, как следствие, снижение производительности насоса и его КПД.

Исходя из графика оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД (фиг. 1), получили график оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД, совмещенный с дебитом скважины (фиг. 3), данные которого заносят в базу данных блока памяти в блоке управления.

В реальном режиме времени производят сверку входных и выходных параметров насоса и ЧРП, определяемых датчиками, с заложенными в базу данных блока памяти. Производят корректировку режимов работы ЧРП для получения наиболее эффективной работы насоса, например, при изменении давлении на входе насоса или уровня жидкости по кривой восстановления уровня (КВУ) жидкости в скважине после остановки работы насоса, определяют необходимое значение отбора жидкости насосом, которое вводят в блок управления для выбора соответствующих для оптимальной работы ЧРП частоты и напряжения (для получения максимального КПД всей спущенной в скважину насосной установки).

На практике (частный случай предлагаемого способа) для упрощения работы с данными на трех скважинах Ашальчинского месторождения РТ для графика оптимальных значений напряжения и частоты работы асинхронного ЭД (фиг. 1) провели аппроксимацию полученных значений, получив линейный график

y = 6,3836x - 0,9431, (1)

где y – напряжение U, В;

x – частота f, Гц;

с квадратичным отклонением

R² = 0,9961, (2)

то есть 0,39 %, что значительно меньше точности измерений приборов, что позволяет взять за базовое отношение

(3)

Это отношение «привязали» к необходимому дебиту частоту ЧРП (соответственные значения ввели в базу данных блока памяти) для автоматического получения необходимого напряжения.

При испытании на скважинах Ашальчинского месторождения РТ построили график суммарного потребляемой электроэнергии (фиг. 4) – дискретность 30 минут, 3 скважины с соответствующими насосными установками с ЧРП. Изменили частоту и напряжение с применением предлагаемого способа (в 18.00 09.01.2024) в соответствии с дебитом скважин. В результате при сохранении дебита напряжение в среднем снизилось на 35 В, а рабочие токи снизились в среднем с 15,1 А до 13,5 А, что привело к снижению потребляемой энергии примерно на 6%. Такое снижение с учетом большого количества скважин, на которых установлены электрические ЧРП погружного насоса дают большую экономию потребляемой электроэнергии.

Предлагаемый способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода (ЧРП) погружного насоса, позволяющего повысить эффективность работы ЧРП за счет дополнительного учета параметров (давления, потребляемых напряжения и тока, а также количества добываемой жадности) на устье скважины, позволяющих в комплексе оценивать работу в реальном времени без обращения серверу погружного насоса и без анализа потерь на отдельных конструктивных элементах.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам регулирования работы электрического частотно-регулируемого привода (ЧРП) погружного насоса. Технический результат заключается в повышении эффективности работы (ЧРП) при снижении потребления электрического тока. Технический результат обеспечивается за счет дополнительного оснащения устья скважины массомером для измерения мгновенного количества скважинной жидкости, поднимаемой из скважины насосом, а блок управления на выходе - вольтметром, амперметром и частотомером для определения входных параметров ЧРП, при этом перед пуском насоса в постоянный режим работы или периодически после остановки работы ЧРП производят заполнение или корректировку базы данных соответственно, для чего с учетом паспортных пороговых данных ЧРП производят определение оптимального напряжения по принципу минимальной достаточности и оптимальной частоты работы ЧРП исходя из наибольшей производительности насоса, определяемой массомером, после запуска насоса в работу для получения необходимой производительности насоса блок управления корректирует соответственно ей напряжение и частоту, получаемую из базы данных блока памяти. 4 ил.

Способ управления работой электрического частотно-регулируемого привода погружного насоса, включающий спуск в скважину на колонне лифтовых труб с питающим кабелем насоса с асинхронным электродвигателем и станцией управления, оснащенной частотно-регулируемым приводом (ЧРП) и датчиками, измеряющими выходные данные насоса, подключение ЧРП через питающий кабель на устье скважины с блоком управления, оснащенным блоком памяти для хранения базы данных рабочих параметров насоса и ЧРП, в реальном режиме времени производится сверка входных и выходных параметров насоса и ЧРП, определяемых датчиками, с заложенными в базу данных, корректировка режимов работы ЧРП для получения наиболее эффективной работы насоса, отличающийся тем, что устье скважины дополнительно оснащают массомером для измерения мгновенного количества скважинной жидкости, поднимаемой из скважины насосом, а блок управления на выходе - вольтметром, амперметром и частотомером для определения входных параметров ЧРП, перед пуском насоса в постоянный режим работы или периодически после остановки работы ЧРП производят заполнение или корректировку базы данных соответственно, для чего с учетом паспортных пороговых данных ЧРП производят определение оптимального напряжения по принципу минимальной достаточности и оптимальной частоты работы ЧРП, исходя из наибольшей производительности насоса, определяемой массомером, после запуска насоса в работу для получения необходимой производительности насоса блок управления корректирует соответственно ей напряжение и частоту, получаемую из базы данных блока памяти.