Автоматизация скважин, оборудованных штанговыми глубинными насосами Введение

• Название: Автоматизация скважин, оборудованных штанговыми глубинными насосами Введение
• Дата: 25.04.2022
• Размер: 3.96 Mb.
• Имя файла: bibliofond.ru_790897 (2).rtf
• Тип: Документы; #496449
• страница: 5 из 9

2.3 Требования к элементам системы автоматизации

Система в целом должна обеспечивать реализацию функций, изложенных в предыдущем пункте, и быть построена на унифицированных, серийно выпускаемых средствах, опробованных в промышленной эксплуатации.

Система должна удовлетворять дополнительным требованиям:

соблюдение международных стандартов на электрические, информационные и программные интерфейсы;

развитие системы, расширение ее функций за счет применения модульного принципа построения;

в системе должны быть применены средства визуализации состояния технологических объектов и процессов с использованием графических образов и анимации;

обеспечение диагностики элементов, входящих в ее состав;

обеспечение автоматического, местного и дистанционного управления технологическими объектами;

должны быть предусмотрены программные и аппаратные средства защиты от несанкционированного доступа и неквалифицированных действий персонала;

используемые в системе электротехнические устройства, размещаемые во взрывоопасных зонах, должны иметь разрешение Ростехнадзора РФ на применение и соответствие классу взрывоопасной зоны, категории и группе взрывоопасной смеси;

оборудование, используемое в системе, должно обеспечивать работоспособность в соответствующих климатических условиях;

комплексная система защиты от грозовых и коммутационных помех, наводок и перенапряжений, должна гарантировать надежную работу оборудования в жестких промышленных условиях эксплуатации;

- применяемые в системе средства измерений и контроллеры, содержащие измерительные каналы, должны иметь сертификаты и внесены в Государственный реестр;

для улучшения ремонтопригодности и минимизации ремонта система должна иметь модульную конструкцию и обеспечивать взаимозаменяемость однотипных элементов без дополнительной настройки.

Требования к техническим средствам нижнего уровня.

Технические решения, заложенные в датчиках должны предусматривать обеспечение защиты от перегрузок и импульсных помех. Рекомендуется использовать датчики, построенные на базе программируемых логических контроллеров, что обеспечит их работоспособность как в системе распределенного управления и сбора информации в автономном режиме работе. Программное обеспечение датчиков должно иметь встроенные средства самодиагностики.

Связь между датчиками и контроллером должна быть выполнена с использованием проводных линий связи протяженностью до 100 м. Параметры линии связи не должны влиять на работоспособность элементов и надежность связи. В обоснованных случаях допускается применение радиоканала.

В целях обеспечения программного управления режимом работы датчиков со стороны элементов среднего уровня, а также обменом информацией между собой, выходной сигнал датчиков технологических параметров должен иметь нормированные цифровые значения в формате интерфейса RS-485 с протоколом Modbus RTU или в виде токового сигнала 4…20 мА.

Технические требования к датчику усилия. Датчик усилия должен быть прост в установке, защищен от воздействия условий окружающей среды, иметь взрывозащищенное исполнение.

В связи с необходимостью обеспечения прямого измерения нагрузки на шток рекомендуется размещать датчик усилия между траверсами канатной подвески, что обеспечивает приложение полной нагрузки на шток непосредственно к чувствительным элементам датчика.

Допускается установка датчика усилия между верхней траверсой и ограничителем.

В целях безопасности эксплуатации датчика усилия должны быть предприняты конструктивные меры для предотвращения самопроизвольного выпадения датчика из траверсы.

Рекомендуется использовать датчики нагрузки, рассчитанные на измерении максимальных усилий из ряда 40, 60, 100 кН.

Для подключения датчика усилия к контроллеру в целях удобства монтажа и обслуживания рекомендуется использовать клеммную коробка, размещаемую на элементах конструкции установки. Эта же коробка должна предусматривать возможность подключения к датчику усилия измерительного преобразователя перемещения штока.

Питание датчика усилия должно осуществляться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к взрывозащищенному электрооборудованию.

Датчик усилия должен иметь цифровой сигнал, нормированный в кН, обеспечивать полную взаимозаменяемость, предусматривать возможность корректировки смещения нулевого значения непосредственно на объекте.

Выходной сигнал датчика усилия должен быть представлен в формате интерфейса RS-485 с протоколом - Modbus RTU.

Технические характеристики датчиков усилия должны отвечать приведенным в таблице 2.2 требованиям.

Таблица 2.2 - Требования к техническим характеристикам датчика усилия

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальный диапазон измеряемых нагрузок, кН	0…40, 0…60, 0…100
Разрешающая способность, % от диапазона, не более	1,0
Основная погрешность измерения, %, не более	+/ - 1,0
Полная приведенная погрешность в рабочем диапазоне температур, %, не более	+/ - 2,5
Диапазон изменения числа качаний, 1/мин	0,5…12
Количество точек регистрации динамограммы: - для внутренней программы датчика усилия - штатный, сжатый формат данных - расширенный формат данных	не нормируется 100 точек 200 точек

Технические требования к измерительному преобразователю параметров движения штока. Основной задачей ИППД является определение моментов прохождения штоком нижней и верхней «мертвых» точек и периода качания. Допускается использование ИППД двух исполнений:

- в виде датчика положения, обеспечивающего фиксацию только моментов прохождения штоком нижней и верхней «мертвых» точек;

в виде датчика перемещения, выходной сигнал которого пропорционален текущему положению штока с последующим вычислением моментов прохождения штоком нижней и верхней «мертвых» точек и периода качания.

ИППД штока должен удовлетворять следующим эксплуатационным требованиям:

по устойчивости к климатическим воздействиям ИППД должен обеспечивать работу при температуре окружающей среды от -40 до +50 °С при относительной влажности до 95% при 35 °С и более низких температурах с конденсацией влаги;

по устойчивости к механическим воздействиям ИППД должен быть устойчивым к воздействию вибрации (с частотой перехода от 57 до 62 Гц) в диапазоне от 5 до 35 Гц:

а) с амплитудой смещения 0,015 мм для частоты ниже частоты перехода;

б) с амплитудой ускорения 1,96 м/с² для частоты выше частоты перехода;

- по степени защиты, обеспечиваемой оболочкой (КОД IP) ИППД должен соответствовать степени защиты не ниже IP54;

при размещении устанавливаться на элементы конструкции ШГН стационарно.

Функционально ИППД должен использоваться как для формирования данных динамометрирования (построение динамограммы, отображающей нагрузку на полированный шток), так и ваттметрирования.

ИППД штока должен обеспечивать фиксацию моментов прохождения штоком нижней и верхней «мертвых» точек с абсолютной погрешностью не хуже +/ - 1,0 см.

Конструктивно ИППД может быть выполнен как самостоятельное устройство, устанавливаемое стационарно на элементах конструкции СКН, так и совмещенным с элементами датчика усилия.

При использовании ИППД в виде самостоятельного устройства, он должен иметь стандартный выходной сигнал в виде открытого коллектора или переключающегося контакта.

Должна быть предусмотрена возможность подключение ИППД как к контроллеру, так и непосредственно к датчику усилия.

При использовании ИППД, совмещенным с элементами датчика усилия, последний должен обеспечивать выдачу синхросигнала моментов прохождения штоком верхней и нижней мертвых точек для контроллера с целью возможности формирования им ваттметрограммы.

Подключение ИППД может осуществляться либо к контроллеру, либо непосредственно к датчику усилия.

При подключении ИППД к датчику усилия, в целях удобства монтажа и обслуживания, должна использоваться клеммная коробка, размещаемая на элементах конструкции СКН в удобном месте.

Допускается использовать ИППД с автономным питанием и радиоканалом связи. При этом ИППД в таком исполнении должен иметь все необходимые элементы, обеспечивающие согласование его с контроллером и / или датчиком усилия на уровне стандартных для них условий.

Технические требования к датчику давления. Современные требования по автоматизации ШГН диктуют необходимость установки измерительных преобразователей давления, подключаемых к контроллеру и обеспечивающих постоянный контроль за давлением на устье скважины.

В связи с этим измерительный преобразователь давления (датчик давления) должен отвечать следующим требованиям:

иметь верхний предел измерения давления заведомо выше максимально возможного давления на устье скважины;

иметь взрывозащищенное исполнение;

обеспечивать передачу данных по интерфейсу RS-485 или в стандарте 4…20 мА;

обеспечивать полную приведенную погрешность измерения давления не хуже 0,25%.

Технические требования к датчикам защиты. Назначение датчиков защиты - обеспечить упреждающее отключение питания электродвигателя в случае поломки элементов технологического оборудования. К датчикам защиты относятся:

индикатор состояния подшипника балансира;

индикатор срыва шатуна;

индикатор уровня масла в редукторе;

индикатор крена;

индикатор перегрева сальникового узла.

Все перечисленные датчики должны подключаться к контроллеру посредством дискретных выходов, либо по интерфейсу RS-485 и постоянно опрашиваться им. В случае обнаружения аварийной ситуации контроллер производит немедленное отключение питания электродвигателя и передачу информации о причине отключения на диспетчерский пункт.

Требования к техническим средствам среднего уровня.

Шкаф СУ должен быть напольного исполнения, переднего или двухстороннего обслуживания. Шкаф должен быть выполнен из метала, должен обеспечивать надежную защиту от влаги и пыли при эксплуатации на открытом воздухе. Силовые элементы станции управления и контроллер должны располагаться в отдельных секциях шкафа и отделятся друг от друга перегородкой.

Для удобства обслуживания должен быть реализован прямой доступ ко всем блокам СУ.

Требуется установка защиты обслуживающего персонала от случайного прикосновения к внешним частям силовых элементов станции управления находящихся под напряжением по отношению к корпусу.

Контроллеры СУ должны иметь встроенные средства диагностики исправности элементов станции управления и устройств нижнего уровня, таких как:

исправность датчиков нижнего уровня;

состояние и режим работы привода ШГН;

исправность регулятора вращения привода ШГН;

уровень заряда аккумуляторных батарей источника резервного питания;

опционально - исправность контроллера станции управления:

а) оперативное запоминающее устройство;

б) часов реального времени;

в) энергонезависимой памяти уставок и прочее.

В конструкции контроллера станции управления должен быть предусмотрен выход RS-485 для подключения к аппаратуре канала передачи данных. В качестве протокола обмена прикладного уровня, при использовании станций управления различающихся по типу, необходимо использовать протокол прикладного уровня Modbus RTU. При этом контроллер должен иметь программную настройку скорости передачи и сетевого адреса от сервисного устройства.

В функции контроллера входят:

включение и выключение питания электропривода установки ШГН;

регулирование производительности установки ШГН при помощи частотного преобразователя;

периодический опрос датчиков, которыми оснащена установка ШГН;

периодическое измерение динамограммы работы ШГН, ее предварительный анализ;

измерение и обработка диаграмм активной мощности, затрачиваемой электроприводом СК на работу по подъему жидкости (ваттметрирование);

двухсторонний обмен телеметрической информацией с верхним уровнем системы.

Контроллер СУ должен удовлетворять следующим требованиям:

сохранять работоспособность при отклонении напряжения питания от номинального значения на 10%, то есть при напряжении 220 В ± 10%;

внутренняя память должна обеспечивать при отсутствии связи с диспетчерским пунктом архивацию и хранение данных не менее чем за последние трое суток;

при работе станции управления в качестве одиночного узла опроса допускается использование АКД конструктивно совмещенного с контроллером станции;

используемые клеммные соединения должны иметь коррозионную стойкость к сероводороду;

шкаф должен бать не менее IP64;

- иметь специальный канал управления преобразователем частоты в стандарте RS-485;

поддерживать цифровой протокол Modbus RTU для подключения цифровых датчиков;

иметь не менее 4-х входных аналоговых каналов для подключения датчиков с токовым выходом 4…20 мА;

иметь не менее 12-ти входных дискретных каналов для подключения датчиков с выходом «открытый коллектор».

Предварительный анализ динамограмм на уровне контроллера должен обеспечивать решение следующих задач:

измерение текущей динамограммы и ее передача на диспетчерский пункт;

сравнение текущей динамограммы с принятой за эталонную;

вычисление расхода скважинной жидкости;

формирование вычисленного часового и суточного архивов дебита;

диагностику таких условий работы насоса по изменению формы динамограммы относительно эталонной как утечки, приток, увеличение газового фактора в скважине, обрыв штанг.

Количество точек формируемой динамограммы должно быть не менее 100 точек усилия при каждом направлении движения штока. Таким образом, вся динамограмма должна кодироваться числом точек, не менее 200.

По данным ваттметрирования контроллер должен определять следующие неисправности в механической части:

обрыв ремней;

проскальзывание ремней;

задиры на полированном штоке;

обрыв штанг;

биение в редукторе;

разбаланс противовесов.

По результатам ваттметрирования контроллер должен определять следующие энергетические характеристики:

технологический учет потребляемой электроэнергии;

перегрузка по току;

отклонение напряжения от нормы;

перекос фаз;

определение коэффициента гармоник для питающего напряжения;

определение коэффициента реактивной мощности.

Контроллер станции управления должен иметь изолированный канал управления частотным преобразователем и обеспечивать возможность управления ПЧ с помощью следующих сигналов:

аналоговое управление частотой (0…5 В, ШИМ-сигнал);

дискретные сигналы внешнего управления:

направо / стоп («сухой» контакт);

налево / стоп («сухой» контакт);

разрешение / сброс («сухой» контакт).

Контроллер должен обеспечивать опрос информационных сигналов аварийного состояния ПЧ в виде двух «сухих» контактов А и В, работающих в противофазе.

Конструкция СУ и программно-аппаратное обеспечение контроллера должны предусматривать возможность установки стандартных ПЧ мощностью 6 кВт или 22 кВт.

ПЧ должен иметь следующие характеристики:

электропитание - сеть 3-х фазного тока, напряжение 380…440 В +10 -15%, частота 50 Гц;

управление 3-х фазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором;

выходная частота от 0,1 до 50 Гц;

векторное управление без датчика обратной связи;

обеспечение высокого стартового момента (150% при 1 Гц);

защитные функции:

а) защита двигателя от перегрузки;

б) от кратковременных бросков тока свыше 180% от номинального;

в) от превышения тока свыше 120% от номинального, в течение 1 мин;

г) от повышения и понижения напряжения сети;

д) от кратковременного отключения питания;

рабочая температура окружающей среды от минус 10°С до плюс 50°С. При этом блок регулировки частотой конструктивно должен быть размещен в отдельной секции шкафа управления, предусматривающей установку обогревателей.

Требования к техническим средствам на верхнем уровне.

Технические характеристики оборудования опроса должны соответствовать требованиям программного обеспечения верхнего уровня, поставляемого производителем (сервер OPC). При этом сервер опроса должен быть снабжен устройством бесперебойного питания и средствами оперативного контроля и управления на случай сбоев в работе рабочих станций АРМ диспетчеров. Программные уровни интерфейса связи с АКД канала передачи данных реализуются производителем ПО сервера ОРС.

АРМ диспетчера системы может быть выполнено на базе рабочей станции ЭВМ с установленным программным обеспечением АРМ диспетчера. Требования к производительности рабочих станций определяются требованиями ПО АРМ диспетчера.

Требования к аппаратуре канала передачи данных.

Аппаратура канала передачи данных должна соответствовать следующим требованиям:

обеспечивать электрический интерфейс связи RS-485 и реализовывать прикладной протокол Modbus RTU для связи с оборудованием среднего уровня;

соответствовать требованиям стандартов уровня среды передачи подразделения (субъекта);

обеспечивать интерфейс связи RS-232 или Ethernet с оборудованием верхнего уровня и реализацию соответствующего стека протоколов.

Требования к программному обеспечению системы.

Назначение ПО системы - обеспечение эффективного функционирования аппаратной части системы, своевременная передача команд и данных между уровнями системы, обработка поступающей информации на каждом уровне, подготовка и архивация отчетов о работе нефтедобывающего оборудования и взаимодействие с оператором диспетчерского пункта.

ПО системы подразделяется на 3 уровня:

ПО нижнего уровня (уровня датчиков);

ПО среднего уровня (уровень контроллеров);

ПО верхнего уровня (уровень диспетчерского пункта).

ПО системы должно обеспечивать многозадачный режим работы, быть гибким, иметь широкие функциональные возможности и базироваться на со-временных программных продуктах.

В ПО нижнего уровня входят программы датчиков системы, которые позволяют производить предварительную обработку информации и осуществлять работу датчиков по заданным алгоритмам. В связи с этим в системе рекомендуется использовать датчики усилия и давления на базе микропроцессорной техники.

К ПО среднего уровня относятся программы контроллеров, которыми оборудованы станции управления. Функции ПО среднего уровня:

сбор информации с элементов нижнего уровня системы;

передача обработанной информации на верхний уровень системы (диспетчерский пункт);

управление электроприводом ШГН.

Для выполнения этих функций ПО системы среднего уровня должно осуществлять:

прием и передачу информации о нагрузке на штангу СКН и параметрах движения штока по каналам телемеханики от датчиков усилия и положения на диспетчерский пункт;

опрос информации с других датчиков, которыми оборудована установка ШГН:

а) устьевого датчика давления;

б) аварийных датчиков;

в) датчиков электрических величин;

накопление и хранение замеров при отсутствии радиосвязи диспетчерского пункта с контроллером в течение времени, не менее 7 суток;

при пропадании сетевого напряжения вышеперечисленные данные должны сохраняться в энергонезависимой памяти. При восстановлении связи и электропитания все накопленные данные предаются на диспетчерский пункт;

управление электроприводом ШГН на пуск и остановку;

регулирование производительности установки ШГН посредством частотного регулятора;

чтение текущего состояния работы скважины;

формирование запроса на замер текущей динамограммы;

формирование запроса на тарировку датчика усилия;

формирование минимизированного пакета данных для передачи информации на верхний уровень системы.

Взаимодействие между ПО АРМ диспетчера и сервером опроса системы должно осуществляется с использованием технологии OPC - клиент - сервер. Аналогичным образом должен быть реализован интерфейс с надуровнями системы.

ПО сервера опроса системы должно быть функционально отделено от ПО визуализации и представления.

В данной ВКР основное внимание будет уделено выбору оптимальной СУ, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям.