Способ диагностики штанговых насосных установок Советский патент 1992 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к способам диагностики штанговых насосных установок по диаграммам мощности (ваттметрограм- мам) и может быть использовано для диагностики повреждений штанговых насосных установок в нефтедобывающей промышленности.

Известен способ диагностики механизма, преимущественно насоса 1, включающий измерение диагностического сигнала, преобразование последнего в сигнал огибающей высокочастотной части спектра и выделение отдельных составляющих сигнала огибающей с последующим измерением их амплитуд, формирование опорных сигналов с частотами, кратными частоте вращения ротора насосе, выделение составляющих путем синхронизации с опорными сигналами, измерение амплитуд и фаз этих состав- ля.ощих и диагностика состояния

механизма по совокупности амплитуд и фаз составляющих.

Однако известный способ диагностики сложен в аппаратной реализации, требует большого программного обеспечения для получения информации о частоте вращения ротора м о спектральном составе сигнала, не позволяет диагностировать выход из работы отдельных звеньев механизма штанговой насосной установки.

Известен также способ 2, который позволяет диагностировать состояние штанговой насосной установки и базируется на использовании характерных точек перегиба ваттметрограммы. а также на сравнении максимальных значений мощности за первый и второй полупериоды качания с заданными установленными значениями.

Однако этот способ требует знания установочных предельных значений мощно

со

4 Ю

4

сти для диагностирования аварийных ситуаций. Предельные значения мощности существенно меняются только при крупных авариях. Известно, что характерные точки перегиба ваттметрограммы для ряда неисп- равностей (обрыв штанг посередине, обрыв штанг у полированного штока, выход из строя приемного и нагнетательного клапана) совпадают. При реализации этого спосо- ба требуются специальные датчики устанавливаемые на движущихся чаЬтя) штанговой насосной установки для определения хода плунжера (вверх или вниз). Имеющиеся недостатки не обеспечивают удовлетворительной достоверности диагностики и требуют для реализации дополнительных материальных затрат.

Известен также способ диагностики штанговой насосной установки 3. являющийся наиболее близким техническим ре- шением и включающий измерение диагностической ваттметрограммы штанговой насосной установки с уравновешенным станком-качалкой с последующим анализом ее характеристик на основе фиксации как максимальной амплитуды, так и отрицательных выбросов мощности, и сравнении ваттметрограммы с эталонной по амплитуде и фазе.

Однако известный способ имеет ряд не- достатков. Практика эксплуатации штанговых насосных установок показывает, что отрицательные выбросы мощности могут иметь место и в исправной установке, а максимальное значение мощности существен- но изменяется только при крупных авариях, Это ограничивает достоверность диагностики. Известно также, что ваттметрограм- ма является зависимостью, от времени, причем в зависимости от типоразмера уста- новки она изменяется на практике от 10 до 100 кВт. Это требует индивидуальной настройки параметров диагностики для каждой насосной установки, что усложняет применение способа.

Целью настоящего изобретения является повышение достоверности определения технического состояния штанговой насос ной установки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе диагностики штанговых насосных установок, основанном на измерении через дискретные промежутки времени мощности установки, определении диагностической ваттметрограммы и ее анализе, согласно изобретению производят сглаживание диагностической ваттметрограммы и приведение сглаженной ваттметрограммы к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки.

через те же дискретные промежутки времени измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, определяют фазовую кривую ваттметрограммы, определяют значение диагностического коэффициента, характеризующего диагностическую ваттметрог- рамму в пространстве возможных состояний штанговой насосной установки; путем сравнения этого коэффициента с заданным значением определяют техническое состояние штанговой насосной установки.

Таким образом, в процессе диагностирования вычисляется диагностический коэффициент

R VC2+S2,

О)

где C,S - координаты ваттметрограммы фазовой плоскости.

,PCtj)

Ґ.Ј

1 м

M| 1 V(t,)(t,)

(2)

м

1 IV

- У м Ь

P(t)

VG

(3)

P2(tj)+P2(tj)

где М - число дискретных отсчетов мощности, снятых за цикл измерения;

P(tj) - дискретное значение мощности, измеренной в j-момент времени, Вт;

P(tj) дискретное значение скорости изменения мощности, измеренное в j-момент времени, Вт/с.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что принципиальной новизной и отличием заявляемого способа (новым материальным действием) является определение скорости изменения мощности установки и использование в качестве критерия для сравнения диагностического коэффициента, являющегося сложной функций от P(tj), P(tj).

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна.

Известны технические решения, в частности, в области медицины 5, использующие по-строение фазовых кривых исследуемого объекта. Однако применительно к определению технического состояния штанговой насосной установки только визуализация фазовой кривой недостаточна, т.к. реальные ваттметрограммы для штанговых насосных установок, находящихся в одном и том же состоянии, могут иметь разные значения амплитуды мощности установки из-за разных значений постоянной составляющей мощности, пропорциональной потерям в наземном оборудовании, что влилет на положение ваттметрограммы относительно линии нулевой мощности 6. Однако скорость изменения мощности не зависит от постоянной составляющей и остается постоянной при разных ее значениях.

Поэтому дополнительно к фазовой кри- вой, позволяющей визуально по форме кривой определить тип неисправности штанговой насосной установки, количественная оценка ее состояния, заключенная в диагностическом коэффициенте, который позволяет уменьшить эффект разнородности исходных данных за счет их нормирования и осреднения, и который учитывает значения как мощности, так и скорости ее изменения в одни и те же дискретные мо- менты времени, позволит достовернее определить состояние штанговой насосной установки. При этом предварительное сглаживание и приведение ваттметрограммы в случае неуравновешенности станка-качал- ки к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке, позволяет приблизить диагностическую ваттметрограмму к теоретической, что также повышает достоверность определения состояний штанго- вой насосной установки. Следовательно, совокупность существенных отличительных признаков предложенного изобретения позволяет повысить достоверность определения технического состояния штанговой насосной установки. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлена схема реализации способа: на фиг. 2-9 изображены фазо- вые кривые для основных диагностируемых видов неисправностей штанговой насосной установки; на фиг. 10 представлена диагностическая ваттметрограмма конкретней штанговой насосной установки; на фиг. 11 - график скорости изменения мощности для ваттметрограммы, изображенной на фиг. 10; на фиг. 12 - фазовая кривая для этой же ваттметрограммы.

Способ диагностики штанговой насос- ной установки реализован устройством (см. фиг. 1), которое содержит последовательно соединенные измерительный преобразователь активной мощности (ИПАМ) 1 блок 2 сглаживания снятой ваттметрограммы; вычислительный блок 3 расчета ваттметрограммы, соответствующей уравновешенному состоянию станка-качалки штанговой насосной установки; дифференциатор 4; регистрирующее устройство 5 связанное как

с блоком 3, так и с блоком 4; вычислительный блок 6; блок сравнения 7.

В процессе работы устройства на вход ИПмМ 1 подаются сигналы тока l(tj) и напряжения U(tj) одной фазы двигателя. На выходе определяется ваттметрограмма P(tj), которая в блоке 2 сглаживается и в блоке 3 приводится к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки. Полученная в блоке 3 ваттметрограмма поступает как на блок 4, где измеряются отсчеты скорости изменения мощности, так и на блок 5. Измеренные в блоке 4 отсчеты скорости изменения мощности также подаются на блок 5. Таким об- разом в блоке 5 формируется фазовая кривая, по которой в блоке 6 определяется диагностический коэффициент. В блоке 7 происходит его сравнение с заданными, определенными по теоретическим ваттметрог- раммам 3 и являющимися эталонными для проведения диагностики. На выходе блока 7 получают сигнал о состоянии штанговой насосной установки; Норма или Авария ; в случае Авария выдается сигнал о наличии конкретного вида неисправности.

Авторами была использована следующая аппаратная реализация способа, Блок 1 реализован с помощью измерительного преобразователя активной мощности 6 и микроЭВМ РПТ-80. Блоки 2-7 реализованы программно на мини-ЭВМ ЕС-1011, на которую по каналам связи от РПТ-80 передается ваттметрограмма, снятая с помощью ИПАМ. В качестве блока 5 используется либо терминал VD52100 VIDEOTON.-либо печатающее устройство, входящие в комплекс технических средств мини-ЭВМ ЕС-1011.

Техническая реализация измерительного преобразования 1 может быть также осуществлена, например, с помощью квадраторов на тиристовых сопротивлениях 3 или с помощью интегральных аналоговых перемножителей типа 525ПС1, 525ПС2, 525ПСЗ 8,9. В принципе операция определения P(tj) может быть осуществлена и чисто вычислительным путем при наличии ЭВМ (микропроцессора) в результате перемножения l(tj) на U(tj). Измерение скорости изменения мощности можно осуществить, например, с помощью аналоговых дифференциаторов 10.

В соответствии с формулами (1)-(3) для теоретических ваттметрограмм были получены эталонные значения диагностических коэффициентов, которые используются в качестве R заданного в блоке 7 устройства. Были также построены фазовые кривые, соответствующие основным видам неисправностей (по теоретическим ваттметрограммам): фиг. 2 - нормальная работа, фиг. 3

-выход из строя приемного клапана, фиг. 4

-выход из строя нагнетательного клапана, фиг. 5 - обрыв штанг посередине, фиг, 6 - обрыв штанг у полированного штока, фиг. 6

-заклинивание плунжера в нижней части, фиг. 7 - заклинивание плунжера в верхней. части, фиг. 8 - заклинивание плунжера в средней части.

В табл. 1 приведены значения R заданных диагностических коэффициентов, определенных по теоретическим ваттметро- граммам основных видов неисправностей штанговой насосной установки.

Видно, что диагностический признак R позволяет с высокой достоверностью определить техническое состояние штанговой насосной установки.

Пример конкретного выполнения способа.

На Малореченском месторождении Томской области с помощью ИПАМ измерялись диагностические ваттметрограммы для штанговых насосных установок некоторых скважин, находящихся в эксплуатации в технически исправном состоянии. Результаты анализа приведены в табл. 2 (На скважинах 52. 228, 223 снято две ваттметрограммы в течение суток).

По значению диагностического коэффициента следует вывод о нормальной работе штанговых насосных установок, т.к. для аварийных режимов работы значения диагностических коэффициентов значительно меньше 0,551

Рассмотрим подробно реализацию предлагаемого способа на примере анализа штанговой насосной установки, установленной на скважине 228 (цикл одного качания равен 10 cj.

С помощью ИПАМ было получено МН50 дискретных значений мощности P(tj), образующих ваттметрограмму (фиг. 10, кривая 1) (шаг дискретизации ,2 (с), одна условная единица мощности соответствует 16 Вт). Снятая ваттметрограмма по каналам связи была передана на мини-ЭВМ ЕС- 1011, на которой осуществлялась вся последующая организация обработки ваттметрограумы в соответствии с предлагаемым способом диагностики штанговой насосной установки. Методом наименьших квадратов осуществлялось сглаживание полученной ваттметрограммы. в результате чего получены (tj), .M - дискретные отсчеты мощности, образующие-сглаженную ваттметрограмму Для корректности и достоверности проводимой диагностики необходимо, чтобы сравниваемые штанговые насосные установки имели одинаковую степень уравновешивания, На практике уравновешенность штанговой насосной установки определяют с помощью ампер- клещей, измеряя максимальную силу тока

при ходе вверх и ходе вниз и сравнивая эти величины между собой. При различии величин больше чем 10% считают, что установка неуравновешена. Практически уравновешивание сводится к перемещению роторных

противовесов на глаз. Однако и ото не всегда выполняется в условиях промысла, в связи с этим большая часть действующих штанговых насосных установок на промыслах неуравновешена. Поэтому проще всего

выполнить т.н. численное квазиуравновешивание 2 сглаженной ваттметрограммы РФ() на ЭВМ (микропроцессоре). Численное квазиуравновешивание, реализуемое блоком 3, описывается формулой

W(w(y)-f WK(, (4)

25

где

Wkf 4p Sin (/), (5)

0

5

0

0

5

где р - угол поворота кривошипа, ,2 л, рад.

- разность пиков ваттметрограммы (максимумов) при ходе штанг вверх и вниз, Вт.

W( p) - кривая мощности (ваттметрограмма) за анализируемый цикл качания штанговой насосной установки, Вт.

N((p)- пересчитанная ваттметрограмма до уравновешенного вида, считая доуравно- вешивэние роторным, Вт. На фиг. 13 представлена схема алгоритма, который реализует вычисление Wfy) Py(ti) для ваттметрограммы, представленной М дискретными значениями Рф(Т1), Рф(Г2)....Рф(1м), где М - число отсчетов ваттметрограммы за цикл качания. Поскольку за цикл качания кривошип совершает поворот на 360° (или 2 л радиан), то точка М соответствует углу 5 (р - 1п. Тогда шаг изменения р определяется как л/М (блок СЗ). Для вычисления AW W2-Wi необходимо определить максимумы мощности за первые и вторые полпериода качания (т.к. цикл качания слагается из хода вверх и хода вниз). Поиск Wa, Wi (в схеме обозначенные как Рфтах1. Рфтах2) осуществляется в блоках А2, A3. Одновременно запоминанием номера элементов NI, N2, являющихся максимумами (блок А4). Далее

вычисляется -«- W2-Wi (в схеме обозначенное как С). В результате квазиуравновешивания, проводимого по формуле (4), необходимо осуществить равномерный перасчет всех точек ваттметрограммы так, чтобы в результате выравнялись пики мощности (tjl), Рфглах2(2). При ЭТОМ

Гф.г-хл

AW

(увеличение

л.

Л/к(у) „амплитуды на

AW/2)

,| 3 л/2 (уменьшение

амплитуды на AW/2)

Т.е., чтобы верно проводилось квазиуравновешивание, необходимо определить номер точки, соответствующей р -nil. Эта точка в схеме обозначена N (блоки В2, В4):

N

N2, Рфтах1 Рфтах2; Mb Рфтах1 Рфтах2 ,

Py(tm) - значение мощности, соответствующей уравновешенному станку-качалке в m-момент времени (m j-2, j-1, J+1, J+2) Вт; получаем зависимость скорости изменения

мощности, представленную на фиг. 11. На фиг. 12 представлена фазовая кривая ваттметрограммы штанговой насосной установки скважины № 228. Ваттметрограмма в плоскости (Р,Р) представляет собой замкнутую кривую, на которой каждая j-точка (,2,...М) имеет координаты (P(tj), Ј(tj)), при этом в (tj) j 2 Jt/M, где 0(i) - угол наклона к оси ОР вектора длиной

vp2 (tj) + Р (tj ) . соединяющего точки с координатами (0,0) и (P(tj), P(tj)). Тогда, для ваттметрограммы можно вычислить синус и косинус угла наклона к оси ОР

sin(tf(tj))Py(tj)/ VP2(tj) + P2(tj);

Изобретение относится к способам диагностики штанговых насосных установок по диаграммам мощности (ваттметрограмм) и может быть применено в нефтедобывающей промышленности. Целью изобретения является повышение достоверности определения технического состояния. Поставленная цель достигается за счет того, что дополнительно измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку - качалке штанговой насосной установки, и по диагностическому коэффициенту, вычисленному на основе разового портрета ваттметрограм- мы. определяют техническое состояние установки. 13 ил., 2 табл.

Теперь можно осуществить пересчет по (5). (4), начав с этой точки N. Дискретный аналог (5), (4) принимает вид

Ру(1|)-Рф(1|)

А- В

sin(7r/2 +

+ h(l-N). HM.N+1,. М.

Если точка N совпала с первой дискретной точкой, то в результате выполнения (6) в блоке С1 мы пересчитаем всю ваттметрог- рамму, если же нет, то оставшиеся точки ,2,,., необходимо также пересчитать (блок Е2) по дискретному аналогу (5), (4), который имеет вид

Py((ti)+

А- В

$1п(л:/2+

+ SK h+ h i).

На фиг. 10 (кривая 2 и 3) приведены, соответственно, сглаженная и уравновешенная ваттметрограммы для штанговой насосной установки скважины № 228.

По формуле численного дифференцирования для равноотстоящих узлов:

Py(tj)

1

2Py(tj-2)-Py(tj-ihPy(tj+i)2Py(tJ+2) ). (8)

где Py(tj) - значение скорости изменения мощности, соответствующей уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, в j-момент времени, Вт/с; At - шаг дискретизации, с;

25

30

cos(0(tJ))Py(tj)//P2(tj) + f 2(tj);

т.е. пронормировать координаты Py(tj) и Py(tj) каждой дискретной точки ваттметрограммы в плоскости (Р,Р), а затем найти средние значения:

1 м

с м218|п(((« ))

м

Ру (tj)

-1 V

м - VP(tj) + p-y(tj)

40

1

м

s M2iCos(e((t,))s

м

MiSi VS

Ру (t|)

о D

Py(tj) + Py(tj)

45 которые будут являться координатами сглаженной ваттметрограммы, соответствующей уравновешенному станку-качалке, в фазовой плоскости (C,S). В этой плоскости,

в свою очередь, длина R С2 + S2 (диагностический коэффициент) вектора, соединяющего точки с координатами (0.0) и (C,S), является мерйй, характеризующей состояние штанговой насосной установки. Для

скважины Nb 228 в результате расчета по (1)-(3) для Py(tj), Py(tj) получено ,893.

Визуальное сравнение формы фазовой кривой с изображенными на фиг. 2-9, а также значение диагностического коэффициента, позволяют сделать вывод о нормальной работе штанговой насосной установки.

Таким образом, способ, по сравнению с прртотипом, позволяет повысить достоверность определения состояния норма - авария, а также и достоверность определения конкретного вида неисправности, так как за счет сглаживания, приведения ватт- метрограммы к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, и измерения скорости изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку-качалке, возникает возможность ее сравнения с теоретическими ваттметрограм- мами, а следовательно с фазовыми кривыми теоретических ваттметрограмм. При этом достоверность определения состояния насосной установки по фазовой кривой повысится, так как учет изменения этих параметров проявляется в изменении фазовой кривой ваттметрограммы и в изменении диагностического коэффициента.

Состояние штанговой насосной установки

Формула изобретения

Способ диагностики штанговых насосных установок, заключающийся в том, что

через дискретные промежутки времени измеряют мощность установки и определяют диагностическую ваттметрограмму, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения технического

состояния, сглаживают диагностическую ваттметрограмму, приводят сглаженную ваттметрограмму к виду, соответствующему уравновешенному станку-качалке штанговой насосной установки, через те же дискретные промежутки времени измеряют скорость изменения мощности установки, соответствующей уравновешенному станку- качалке штанговой насосной установки, определяют фазовую кривую ваттметрограммы, определяют значение диагностического коэффициента и сравнивают его с заданным значением, определяют техническое состояние установки

Таблица 1

R

0,551 0.0914 0,0448 0,001624 0,0063 0,0236 0,0339 0.0342

25

Таблица 2

Фиг.Р

Риг. 4

Фиг. 5

Фиг.5

Фиг. 6

Фиг

Фиг. 9

усл.еа.«сн 30

-40

-100

Фи«.0

. Фиг.-If,

нет

бГ конец Л

Фиг.ГЗ

SK i-f