Текст книги "Организация эксплуатации и ремонта установок электроцентробежных насосов в нефтедобывающей отрасли. Том 1. Эксплуатация"

Известны три основные категории станций управления (СУ):

1) контактные станции управления с прямым пуском;

2) контактные станции управления с плавным пуском;

3) станции управления с регулируемой выходной частотой (частотные преобразователи).

Контактные станции управления (рис. 5.57):

Рис. 5.57. Устройство СУ с прямым пуском: 1 — вводный автомат; 2 — трансформаторы тока; 3 — вакуумный контактор; 4 — контроллер «Каскад 2-200»

Контактные станции управления:

а) с прямым пуском:

– контактные станции управления получили наиболее широкое применение благодаря своей простоте и надежности;

– коммутация питающего напряжения осуществляется при помощи контактора по низкой стороне;

– повышающий трансформатор обеспечивает напряжение, соответствующее номинальному напряжению ПЭД;

– высокое напряжение по кабельной линии подается на ПЭД.

СУ «Борец-01» имеет возможность прямого пуска на базе контроллера «Каскад 1-100А». Применение контроллера позволило запоминать и контролировать реальные электрические параметры ПЭД. Наличие аналоговых входов дало толчок к применению системы подземной термоманометрической телеметрии, данные из которой поступали в память контроллера и сохранялись там любое количество времени, что позволяло после снятия данных регистратором анализировать работу скважины в комфортных условиях. После установки модуля МПИ-1 в контроллер «Каскад 1-100» стало возможным не только дистанционно контролировать параметры работы СУ «Борец-01», но и управлять ее работой. Если учесть, что в СУ ШГС 5805 применялись четыре измерительных прибора, а в СУ «Борец-01» – только один, то станет понятно, насколько упростился поиск неисправности при ремонте СУ. В СУ ШГС 5805 полное аварийное отключение установки, с учетом задержки на всех коммутационных узлах, производилось более чем за 1 с. Применение современной силовой коммутационной аппаратуры на базе вакуумных контакторов, электронных реле способствует сокращению времени срабатывания СУ «Борец-01» при аварии до 0,1 с, что значительно повышает защищенность подземного оборудования от повреждения. Применение в СУ электронных коммутаторов и необслуживаемых вакуумных камер, в контакторах, значительно сокращает затраты на ППР. Данная модель является начальным уровнем интеллектуальных СУ и имеет классическую схему подключения питания и управления нагрузкой, как в ШГС 5805 (рис. 5.58).

Рис. 5.58. Схема силовых цепей станции управления с прямым пуском

СУ «Борец-01М» является модернизацией СУ Борец-01 на базе контроллера «Каскад 1-100М». В первый же год эксплуатации интеллектуальных СУ стало ясно, что их возможности позволяют отойти от классической схемы подключения и управления нагрузкой и исключить высоковольтный отсек из СУ без потери эксплуатационных характеристик (рис. 5.59). В результате этих изменений значительно упростилось подключение нагрузки к СУ «Борец-01М», уменьшилось количество подводимых кабелей и в дальнейшем дало толчок к уменьшению габаритов СУ. В остальном СУ «Борец-01М» не отличались от своих предшественников.

СУ «Борец-11» самая маленькая станция управления, построенная на базе абсолютно нового контроллера «Каскад 2-200», но с самыми большими возможностями (схема подключения, рис. 5.59). Одноплатная конструкция «Каскад 2-200» включает в себя все имеющиеся у других контроллеров возможности управления, телеметрии, работы с внешними устройствами, а также источник тока для измерения сопротивления изоляции, что минимально сократило количество проводов в СУ. Из станции управления исключены измерительные трансформаторы напряжения, что позволило не только сократить количество проводов, но и тарировать контроллер по образцовым значениям в лабораторных условиях. Эти преимущества контроллера позволили сделать не только маленькую функциональную СУ, но и с большим успехом произвести модернизацию устаревших СУ ШГС 5805, КТНПС. С 2003 года конструкция СУ «Борец-11» постоянно совершенствуется и на сегодняшний день в полном объеме отвечает всем требования заказчиков. В 2004 году спроектировали СУ «Борец-ПМВ» с удобным отсеком для подключения силовых кабелей, а СУ «Борец-ПМВП» с плавным пуском (см. рис. 5.59).

Рис. 5.59. Схема силовых цепей станции управления с плавным пуском

Типы станций управления, выполненных по схеме прямого пуска:

– "Борец-01"; "Борец-01М";

– "Борец-11"; "Борец-12";

– "Электон-03"; "Электон-04";

– НЭК-01; НЭК-01М.

б) станции управления с плавным пуском (рис. 5.60):

Рис. 5.60. Схема силовых цепей станции управления с плавным пуском: 1 – вводный автомат; 2 – тиристорный регулятор напряжения; 3 — контактор

– устройство плавного пуска представляет собой тиристорный регулятор (рис. 5.61) напряжения, подключенный параллельно контактору СУ;

Рис. 5.61. Принцип действия тиристора

– тиристорная схема плавного пуска обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения СУ в течении 3-40 с в момент пуска, чем достигается плавное изменение момента на валу двигателя и исключается риск повреждения вала установки;

– после окончания времени разгона устройство плавного пуска выдает сигнал на замыкание контактора СУ и исключается из дальнейшей работы СУ до следующего пуска.

СУ "Борец-01МП" предназначены для управления мощными установками и рассчитаны на ток 630 А и выше. В СУ "Борец-01МП" применяется устройство плавного пуска. Это еще одно электронное устройство с контроллером, которое позволяет нормировать момент на валу двигателя, уменьшая или увеличивая пусковой ток. При ограничении пускового тока снижается нагрузка на кустовую подстанцию, тем самым предотвращается остановка других потребителей. Габариты и устройство плавного пуска позволяют встраивать его в предыдущую модель с минимальными затратами.

По этой схеме выполнены станции управления следующих типов:

– "Борец-01МП";

– "Борец-ПМВП";

– "Электон-07";

– НЭК-06;

– "АЛСУ".

в) частотные преобразователи:

Станции управления с регулируемой выходной частотой предназначены:

а) для наиболее гибкой эксплуатации погружного оборудования;

б) для плавного пуска установки в работу и исключения тем самым риска повреждения вала и резкого скачка тока в питающей сети. Это особенно важно при запуске мощных установок;

в) для плавного увеличения подачи скважины при выводе на режим и предотвращения таким образом залпового выноса механических примесей из пласта и засорения насоса. Эта особенно важно при запуске скважины после выполнения ГРП;

г) для изменения Q-H (характеристика УЭЦН) путем изменения выходной частоты и при необходимости для исключения работы скважины в режиме АПВ;

д) для защиты подземного электрооборудования от перенапряжения при грозе.

Конструкция частотного преобразователя (рис. 5.62, 5.63)

Рис. 5.62.

Рис. 5.63. Схема преобразователя частоты: 1 — конвертор; 2 — фильтр; 3 — инвертор

Частотный преобразователь состоит из таких основных блоков, как:

– конвертор – регулируемый трехфазный тиристорный выпрямитель, обеспечивающий заряд конденсаторного блока до уровня постоянного напряжения около 540 В. Тиристоры обеспечивают плавную зарядку конденсаторов, что ограничивает ток заряда. Включение тиристоров производится через драйвер управления тиристорами, который обеспечивает гальваническую развязку между тиристорами и контроллером управления. СУ контролирует ток тиристоров с помощью трансформаторов тока;

– блок конденсаторных батарей – сглаживает выпрямленное напряжение для формирования стабильного ШИМ на выходе СУ;

– инвертор – предназначен для формирования переменного тока на выходе СУ. Управление транзисторами осуществляется драйверами, которые обеспечивают защиту включения транзисторов от сквозного тока и обеспечивают гальваническую развязку между транзисторами и контроллером управления. Имеются два режима формирования тока: шестипульсного и синусоидального. Синусоидальный режим основан на формировании выходного тока, близкого к синусоиде с помощью ШИМ. Из-за высокой частоты ШИМ, около 3 кГц, может перегреваться ТМИН, поэтому для СУ, работающих в режиме «синус», применяются выходные фильтры, сглаживающие высокочастотные гармоники.

Шестипульсный режим используется без специальных средств сглаживания тока.

«Борец-04» – станция нового поколения, которая имеет в своем составе частотный преобразователь. Благодаря развитию элементной базы электронных компонентов стало возможным доступными способами управлять скоростью вращения асинхронных двигателей с помощью частотных преобразователей. На территории России уже давно эксплуатируются импортные СУ с ЧП «Centrilift», которые отлично зарекомендовали себя как при выводе скважин на режим, так и при повседневной эксплуатации. Широкие возможности СУ с ЧП давно заинтересовали нефтяников, но предыдущее поколение СУ с ЧП «Centrilift» не отвечает всем требованиям, поэтому российские производители создали несколько моделей отечественных СУ с ЧП, одной из которых является СУ «Борец-04» (рис. 5.64).

Рис. 5.64. Схема силовых цепей станции управления с частотным преобразователем

«Борец-06» с ЧП создана для нагрузки 630 А и выше, хотя по принципу управления мало отличается от «Борец-04». Кроме увеличения мощности в СУ внесены некоторые улучшения, повышающие надежность СУ «Борец-06».

Исходя из ограничения габаритов скважины, погружные электродвигатели и погружной кабель изготавливаются определенных типоразмеров. Отсюда возникает необходимость передавать большие мощности электроэнергии на большие расстояния и компенсировать возникающие в связи с этим потери электроэнергии. Для питания погружных электродвигателей применяются повышающие многоотпаечные масляные трансформаторы типа ТМПН, ТМПНГ (рис. 5.65).

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Рис. 5.65. Повышающий многоотпаечный масляный трансформатор

Устройство трансформатора. Основные части

Обмотка. Обмоткой называется совокупность витков, образующих электрическую цепь. Виток является основным элементом обмоток.

Обмотка, подсоединенная к источнику напряжения и при этом индуцирующая магнитное поле, называется первичной, в то время как обмотка, которая получает свое напряжение индукцией, называется вторичной.

Магнитная система – ярмо.

При подаче переменного напряжения с частотой f на первичную обмотку трансформатора в ней протекает ток i₁, который создает магнитное поле, магнитный поток Ф, созданный первичной обмоткой трансформатора, индуктирует во вторичной обмотке трансформатора ЭДС пропорционально количеству витков.

Коэффициент трансформации равен отношению количества витков вторичной обмотки к количеству первичной:

где W₁ = 4 вит.; W₂ = 8 вит.

Рис. 5.66. Общий вид трехфазного трансформатора

Рис. 5.67. Трехфазный трансформатор

Таблица 5.22. Станции управления УЭЦН. Технические требования

5.7. Телеметрия (ТМС)

Одной из приоритетных задач при добыче нефти является анализ производительности скважины и состояния оборудования, находящегося в ней. Применение интеллектуальных СУ позволило в значительной мере повысить контроль над исправностью работы подземного оборудования, а применение СУ с частотным преобразователем – обеспечить гарантированный вывод на режим. Тем не менее, возможности интеллектуальных СУ ограничены только измерением электрических параметров ПЭД, поэтому такие параметры скважины, как уровень «затрубного» давления скважины, температура ПЭД и механическая вибрация, которые могут привести к выводу из строя всей системы ПЭД и ЭЦН, остаются уделом случая или требуют проведения дополнительных мероприятий и капиталовложений. Именно по этим причинам попытки создания системы слежения за параметрами подземного оборудования с последующей передачей данных на поверхность постоянно осуществляются как иностранными, так и отечественными производителями нефтяного оборудования. Данная система получила наименование «ТМС» (термоманометрическая система).

При проектировании ТМС производители ориентируются на возможность связи и питания подземной части по изолированной от земли высоковольтной обмотке ТМПН, которая непосредственно соединена с ПЭД. На качество работы подземного датчика сильно влияют внешние факторы:

– высокий температурный диапазон, который требует применения стабильных к температурным воздействиям, электронных компонентов;

– сильная вибрация – может привести к разрушению монтажа всех компонентов датчика;

– высокий уровень помех в питающем кабеле – затрудняет передачу измеренных данных к наземному блоку;

– высокая разница давления – единственный узел в подземной части, где разность между "затрубным" давлением и измерительной схемой (1 атм.) может достигать 200 кг · см², что выдвигает повышенные требования к изготовлению корпуса подземного датчика.

Ранее существующие на российском нефтяном рынке ТМС фирм "Centrilift" использовали простой способ связи между наземной и подземной частью, который заключается в измерении сопротивления датчиков давления и температуры через полупроводниковые диоды, включенные в схему измерения с разной полярностью. Опрос датчиков производится путем подачи постоянного напряжения в высоковольтную обмотку ТМПН порядка 24 В, поочередно с изменением полярности. При положительном уровне напряжения измерялось сопротивление датчика давления, а при подаче отрицательного напряжения – сопротивление датчика температуры. Так как цепь измерения сопротивления включала в себя полупроводниковые диоды, то каждый датчик необходимо было согласовывать только после монтажа всей установки на скважине. Измеренные датчиком показания можно было считать условными, так как их калибровку возможно было производить только с применением специальных приборов и дополнительных организационных мероприятий непосредственно на скважине. Датчики ТМС фирмы "REDA" имеют более высокие эксплуатационные характеристики, но и они не получили широкого распространения на российском нефтяном рынке из-за высокой стоимости.

ЗАО "Борец" выпустила свою версию ТМС под названием СПТ-1 (система погружной телеметрии), которая отличается измерением не только стандартных величин (затрубное давление, температура ПЭД), но таких важных параметров, как температура пласта, осевая вибрация, общая поперечная вибрация, сопротивление изоляции (кабель, ПЭД, ТМПН).

Особенно следует отметить, что подземный датчик является самостоятельным измерительным устройством, а измеренные величины передаются в цифровом виде на наземный блок. Это позволяет отказаться от согласования наземной измерительной части с подземным датчиком, т. е. можно калибровать только подземный датчик.

Система погружной телеметрии (СПТ-1) состоит из следующих частей:

– блока погружного БП (ТМСП), устанавливаемого на погружном электродвигателе;

– блока сопряжения телеметрии БСТ (ТМСН), устанавливаемого на СУ;

– блока высоковольтного (БВ), устанавливаемого также на СУ;

– блока терморезистора (БТ), устанавливаемого на ПЭД.

Принцип действия системы основан на том, что телеметрическая информация с БП передается в БСТ, обрабатывается в нем и передается в контроллер СУ, что позволяет в последующем передавать данные с датчика по RS-485 порту для системы телеметрии ("Регион").

Блок высоковольтный БВ предназначен для защиты системы от перенапряжения на нулевой точке ТМПН, связанного с дисбалансом питающих напряжений, понижением сопротивления изоляции или замыканием фазы напряжения питания ПЭД на землю.

Блок погружной БП предназначен для преобразования контролируемых параметров в забое скважины, таких как температура ПЭД, температура на приеме НУ, давление на приеме НУ, вибрация НУ по осям X, Y и Z, в электрический информационный частотно-манипулируемый сигнал. Питание и передача информационного сигнала осуществляется по статорной обмотке ПЭД, погружному кабелю и вторичной обмотке ТМПН через БВ на вход/выход БСТ.

Блок терморезистора БТ предназначен для измерения температуры ПЭД. Принцип работы основан на изменении величины сопротивления терморезистора пропорционально изменению температуры и передачи сигнала в погружной блок БП.

Описание работы СПТ-1, согласно руководству по эксплуатации

Принцип действия системы основан на том, что телеметрическая информация с БП передается через погружной кабель в БСТ, обрабатывается в нем и передается в контроллер станции. Значения сопротивления изоляции, температуры на приеме НУ, температуры ПЭД, виброускорения ПЭД и давления на приеме НУ выводятся на дисплейную панель контроллера станции (рис. 5.68).

Блок сопряжения телеметрии БСТ

БСТ предназначен для приема и обработки данных, принятых от БП, и передачи их в контроллер станции. БСТ измеряет сопротивление изоляции цепи "ТМПН-погружной кабель-ПЭД" и передает его значение в контроллер станции. БСТ также подает питание в БП.

Конструктивно БСТ выполнен в металлическом корпусе в виде моноблочной конструкции и имеет разъемы для подключения.

В станциях серии "Борец-01УМВ" БСТ помещают вертикально в верхний отсек управления и с помощью разъемов и проводов соединяют с остальной частью схемы. В станциях серии "Борец-11M1" БСТ расположен вертикально на внутренней стороне двери силового отсека и с помощью разъемов и проводов соединяется с остальной частью схемы. В станциях других типов БСТ устанавливают по месту.

Со стороны лицевой панели БСТ находятся: светодиод "ПИТАНИЕ", светодиод "СУ" (станция управления), светодиод "БП" (блок погружной), светодиод "ПОДОГРЕВ".

Светодиод красного цвета "ПИТАНИЕ" индицирует наличие напряжения питания +5 В в БСТ.

Двуцветный светодиод СУ предназначен для контроля обмена сигналами между БСТ и контроллером станции. При правильном обмене он горит зеленым цветом, при нарушении обмена загорается красным цветом.

Двуцветный светодиод БП предназначен для контроля правильности передачи телеметрической информации из БП в БСТ. При правильной передаче он горит зеленым цветом, при нарушении передачи загорается красным цветом.

Светодиод красного цвета "ПОДОГРЕВ" предназначен для контроля за подогревом воздуха внутри корпуса, так как БСТ снабжен устройством автоматического подогрева воздуха внутри его корпуса, которое обеспечивает нормальную работу БСТ при понижении температуры окружающего воздуха до минус 60°C.

При включении станции и температуре окружающего воздуха ниже минус 10 ± 1°C автоматически включается нагреватель внутри БСТ и загорается светодиод красного цвета "ПОДОГРЕВ". При повышении температуры воздуха внутри БСТ до минус 8 ± 1°C БСТ автоматически включается в работу, нагреватель продолжает работать и выключается при достижении температуры минус 2 ± 1°C. Максимальное время до включения БСТ в работу при температуре окружающего воздуха минус 60°C около 20 мин. Загорание светодиодов "ПИТАНИЕ", СУ и БП говорит о готовности БСТ к началу работы.

В дальнейшем устройство автоматически включает нагреватель при понижении температуры воздуха внутри БСТ до минус 4 ± 1°C (при этом светодиод "ПОДОГРЕВ" загорается) и выключает нагреватель при температуре минус 2 ± 1°C (при этом светодиод "ПОДОГРЕВ" гаснет).

Со стороны боковых стенок находятся разъемы ХР1, ХРЗ, ХР4, XS1.

Вилка ХР1 предназначена для подачи напряжения ~220 В и подключения к БВ.

Вилка ХРЗ предназначена под СОМ-PORT и служит для подключения устройств диагностики системы.

Вилка ХР4 служит для подключения кабеля связи с контроллером станции.

Розетка XS1 предназначена для дальнейшего развития системы, например для перепрограммирования БСТ.

Блок высоковольтный БВ

БВ предназначен для защиты системы от перенапряжений на нулевой точке ТМПН, связанных с дисбалансом питающих напряжений, понижением сопротивления изоляции или замыканием фазы напряжения питания ПЭД на землю.

Конструктивно БВ выполнен на металлическом основании, на котором закреплены держатель предохранителя, защитный дроссель и плата печатная с радиоэлементами.

В станциях серии "Борец-01УМВ" БВ устанавливается вертикально на металлическую рейку между блоком сопротивления № 5 и автоматическим выключателем QF1 и подключается к станции.

В станциях серии "Борец-11М1" БВ устанавливается вертикально на металлическую пластину над платой выпрямителя А2 и подключается к станции.

В станциях других типов БВ устанавливается по месту.

Блок погружной БП

БП предназначен для преобразования контролируемых параметров в забое скважины, таких как температура ПЭД, температура на приеме НУ, давление на приеме НУ, вибрация НУ по осям X, Υ и Ζ, в электрический информационный частотно-манипулируемый сигнал. Этот сигнал подается по статорной обмотке ПЭД, погружному кабелю и вторичной обмотке ТМПН через БВ на вход БСТ. По этой же цепи подается из БСТ питание в БП.

Конструктивно БП выполнен в виде герметичного цилиндрического контейнера подвесного типа. В верхней части БП имеются гермовводы:

Х2 (рис. 5.68) – для подключения к выводу от нулевой точки статорной обмотки ПЭД;

Рис. 5.68. Схема электрическая принципиальная системы телеметрии СПТ-1

X1, Х3 – для подключения выводов блока терморезистора БТ, закрепленного в непосредственной близости от нижней части статорной обмотки ПЭД. На корпусе установлен также датчик давления и датчик температуры на приеме НУ. Внутри контейнера расположены платы печатные с радиоэлементами, датчиками вибрации и защитный дроссель.

Измерение вибрации производится по трем осям. На дисплей контроллера станции выводятся два значения вибрации: значение виброускорения X, равное среднеквадратическому значению виброускорения по поперечным осям X и Z, и значение виброускорения по продольной оси Y.

Блок терморезистора БТ

БТ предназначен для измерения температуры ПЭД. Принцип работы основан на изменении величины сопротивления терморезистора пропорционально изменению температуры.

Конструктивно БТ выполнен в виде герметичного корпуса, залитого компаундом, из которого выходят два провода, к выводам к которых припаяны гильзы. Также из корпуса выходят четыре проволочных вывода для крепления БТ внутри ПЭД.

В лобовой части ПЭД устанавливается БТ рядом со статорной обмоткой, а выводы подключаются к гермовводам БП.