Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнические комплексы и системы

Диссертационная работа:

Зюзев Анатолий Михайлович. Развитие теории и обобщение опыта разработки автоматизированных электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.03.- Екатеринбург, 2004.- 347 с.: ил. РГБ ОД, 71 05-5/456

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ АГРЕГАТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 11

1.1. Классификация агрегатов нефтегазового комплекса на основе анализа кинематических схем 11

1.2. Общее состояние теории и тенденции развития электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса 15

1.2.1. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод 16

1.2.2. Асинхронный электропривод с устройствами плавного пуска 19

1.3. Электропривод буровых установок 27

1.4. Электропривод скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти 34

1.5. Электропривод механизмов центробежного типа 40

1.6. Постановка задач исследования 41

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ АГРЕГАТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА .47

2.1. Математическая модель кривошипно-коромыслового механизма станка-качалки 47

2.2. Математическая модель распределенной колонны штанг и бурильных или насосно-компрессорных труб (НКТ) 56

2.2.1. Общие подходы к моделированию колонны штанг или труб 56

2.2.2. Расчетная схема и математическая модель колонны штанг 57

2.2.3. Расчетная схема и математическая модель колонны НКТ 63

2.2.4. Об определении некоторых параметров модели 63

2.3. Математическая модель плунжерного насоса 74

2.4. Математическая модель клиноременной передачи с редуктором 82

2.5. Математическая модель системы «барабан-канат» 88

2.5.1. Учет смещения каната вдоль оси барабана 88

2.5.2. Учет изменения радиуса навивки при переходе каната на следующий слой 90

2.5.3. Учет изменения момента инерции барабана 90

2.6. Математическая модель талевой системы 93

2.7. Математическая модель системы с упругими валами при наличии дисбаланса 99

2.8. Выводы 105

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШГНУ 106

3.1. Математическая модель электропривода системы «тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» (ТИН-АД). 106

3.2. Математическая модель электропривода ШГНУ на основе системы ТПН-АД 113

3.3. Компенсация уравновешивающего момента двигателя в электроприводе ШГНУ на основе системы ПЧ-АД 125

3.4. Разработка электропривода системы ТПН-АД с бездатчиковым измерителем скорости 129

3.5. Выводы 138

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ШГНУ 140

4.1. Потери энергии и выбор мощности двигателя в системе ТПН-АД 140

4.2. Анализ и оптимизация потерь энергии в электроприводе ШГНУ 142

4.3. Анализ и оптимизация энергопотребления в электроприводах ШГНУ 153

4.4. Разработка способов уравновешивания станков-качалок 159

4.5. Выводы 162

5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ШГНУ 164

5.1. Постановка задачи автоматического управления ШГНУ 164

5.2. Анализ статических усилий в подвеске устьевого штока 167

5.3. Методы оценки динамического уровня жидкости в скважине 172

5.3.1. Измеритель динамического уровня жидкости периодического действия 173

5.3.2. Измеритель динамического уровня жидкости непрерывного действия 176

5.4. Структура системы автоматического управления ШГНУ 180

5.4.1. Общая структурная схема автоматизированной станции управления ШГНУ 180

5.4.2. Структура системы автоматического регулирования динамического уровня 182

5.4.3. Структура системы автоматического регулирования степени не заполнения насоса .185

5.5. Математическая модель системы автоматического регулирования динамического уровня 189

5.6. Исследование процесса регулирования динамического уровня жидкости в скважине 193

5.7. Выводы 199

6. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ШГНУ 201

6.1. Задачи диагностики ШГНУ 201

6.2. Алгоритмы блокировок и защит электропривода ШГНУ 202

6.3. Алгоритмы обнаружения типовых неисправностей ШГНУ 206

6.4. Алгоритм измерения степени незаполнения насоса 209

6.5. Система диагностики ШГНУ на основе нейронной сети 211

6.5.1. Постановка задачи 211

6.5.2. Цифровое представление динамограмм 213

6.5.3. Синтез нейронной сети 215

6.5.4. Тестирование нейронной сети 219

6.5.5. Техническая реализация системы диагностики на основе нейронной сети 222

6.6. Выводы 224

7. ОПЫТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ШГНУ 225

7.1. Задачи и методы испытаний 225

7.2. Исследование динамических характеристик скважин и ШГНУ 226

7.2.1. Диаграммы восстановления уровня и откачки жидкости в скважине 226

7.2.2. Регулировочные характеристики скважин и ШГНУ 227

7.2.3. Семейство динамограми 230

7.3. Испытания разработанных измерителей динамического уровня 232

7.3.1. Характеристики измерителей по "статическим" и "средним" усилиям 233

7.3.2. Характеристики измерителей по "верхним" и "верхним-нижним" усилиям , 236

7.4. Испытания системы регулирования динамического уровня 240

7.5. Выводы 240

8. РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ АГРЕГАТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ СИСТЕМ ТПН-АД 242

8.1. Классификация систем управления объектно-ориентированными асинхронными тиристорными электроприводами 242

8.2. Объектно-ориентированный контроллер технологического электропривода системы ТПН-АД , 248

8.2.1. Структура объектно-ориентированного контроллера 249

8.2.2, Структура программного обеспечения 251

8.3. Электропривод штанговых глубинно-насосных установок 257

8.4. Электропривод поршневых насосов высокого давления 264

8.5. Электропривод механизмов центробежного типа 266

8.5.1. Электропривод аппаратов воздушного охлаждения газа 266

8.5.2. Электропривод механизмов с дисбалансом на упругом валу 270

8.6. Выводы 273

9. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ, РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ АГРЕГАТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 275

9.1. Программное обеспечение микропроцессорной системы управления ШГНУ 275

9.2. Разработка приложений для объектного программирования задач электропривода в среде Delphi 281

9.3. Программный моделирующий комплекс «ЭллАДа» - «Электропривод на

базе Асинхронного Двигателя» 293

9.4. Программный моделирующий комплекс «ЭСКАДа» - «Электропривод Станка-Качалки с Асинхронным Двигателем» 296

9.5. Программный моделирующий комплекс «ЭльБА» - «Электропривод Бурового Агрегата» 298

9.6. Выводы 304

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 305

ЛИТЕРАТУРА 312

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры штанговой глубинно-насосной установки и скважины 334

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Модель нейронной сети для анализа динамограми 338

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Материалы использования результатов работы 345 

Введение к работе:

Актуальность работы. Среди основных агрегатов, применяемых в нефтегазовом комплексе, значительное место занимают насосные агрегаты поршневого или плунжерного типа, турбоагрегаты центробежного типа и буровые установки (БУ). К агрегатам первого типа относятся штанговые глубинно-насосные установки (ШГНУ), буровые насосы (БН), насосы пластового давления, ко вторым - установки электроцентробежных насосов (УЭЦН) и аппараты воздушного охлаждения газа (АВО). Буровые установки содержат в своем составе, кроме буровых насосов, спускоподъемный аппарат (СПА) и механизм вращения колонны бурильных труб (в последних моделях БУ, так называемый, верхний привод).

Анализ публикаций по проблеме автоматизированного электропривода агрегатов нефтегазового комплекса и оценка технического уровня электроприводов указанного отраслевого назначения показывает, что до настоящего времени перечисленные выше агрегаты в большинстве случаев оснащаются нерегулируемым электроприводом, выполненным на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, что существенно ограничивает возможности оптимизации технологического процесса и энергопотребления. Электропривод буровых установок многодвигательный и в последнее время выполняется регулируемым на основе электродвигателей постоянного тока. Безусловно, данное решение позволяет удовлетворить самые сложные требования по реализации разнообразных технологических режимов работы буровой установки, однако в значительной степени усложняет эксплуатацию агрегата из-за наличия в системе привода коллекторной машины с присущими ей недостатками. Вместе с тем ведутся разработки и сегодня уже всеми производителями электротехнического оборудования предлагается регулируемый электропривод для любых технологических агрегатов отрасли, выполненных на основе как низковольтных, так и высоковольтных систем «тиристорний преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» (111Н-АД) или «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД). Однако, внедрение этих приводов идет сравнительно медленно по ряду причин, среди которых важнейшей, по нашему мнению, является отсутствие у разработчиков системного подхода к решению проблемы создания высокоэффективного оборудования. Проявляется это в том, что несмотря на наличие довольно большого числа работ, посвященных исследованию и совершенствованию электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса, задача разработки полных математических моделей этих агрегатов, как единых электротехнических комплексов, авторами не ставилась или решалась при значительных допущениях. В результате отсутствуют строгие методики расчета мощности и оптимизации энергопотребления электроприводов, требуют обоснования структуры и методы синтеза систем автоматического регулирования технологических параметров, нуждаются в развитии, с учетом возможностей современных средств управления, методы объективного

приборного контроля качества работы и автоматической диагностики оборудования.

Исходя из проведенного анализа состояния теории и технического уровня разработок в области автоматизированных электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Целью работы является разработка научных основ анализа и синтеза систем автоматизированного электропривода для агрегатов нефтегазовой отрасли, обеспечивающих создание высокоэффективных автоматизированных электротехнических комплексов отраслевого назначения.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи работы:

  1. Разработка адаптированных к численным методам расчета математических моделей элементов механической части электропривода основных агрегатов нефтегазового комплекса.

  2. Разработка методики моделирования и комплекса программных средств для исследования, расчета и проектирования электроприводов основных агрегатов нефтегазового комплекса.

  3. Анализ и оптимизация динамических нагрузок и энергетических показателей электропривода штанговых глубинно-насосных установок.

  4. Разработка и исследование системы автоматического регулирования динамического уровня жидкости в скважине, оборудованной ШГНУ.

  5. Разработка и исследование алгоритмов и методов, обеспечивающих расширенный состав типовых защит и блокировок электропривода, а также функций автоматической диагностики оборудования ШГНУ.

  6. Разработка рациональных структур электроприводов агрегатов нефтегазового комплекса на основе систем ТПН-АД и их опытно-промышленная апробация.

Методы исследования. Теоретические выводы работы основываются на использовании аналитических методов современной теории электрических машин переменного тока с полупроводниковыми преобразователями, теории автоматического регулирования, классической механики и гидравлики, теории колебаний многомассовых систем, современных компьютерных технологий и численных методов прикладной математики. В работе широко используются имитационное моделирование на ЭВМ, а также экспериментальные исследования на лабораторных стендах и опытных образцах разработанных устройств в полевых условиях.

Достоверность полученных результатов. Основные положения работы подтверждены экспериментальными результатами, полученными при испытаниях опытных образцов систем управления электроприводами ряда агрегатов нефтегазового комплекса, а также внедрением и практическим использованием разработанных методик расчета, программных моделирующих комплексов, опытно-промышленных образцов и устройств.

Связь диссертационной работы с НИР. В период с 1993 г. по 2003 г. на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» под руководством автора по договорам с ОАО НПП «Уралметаллургавтоматика» (г. Екатеринбург), ОАО «Проммонтажавтоматика» (г. Екатеринбург), ОАО «УралНИТИ» (г. Екатеринбург), ОАО «Уралмаш» (г. Екатеринбург) выполнен комплекс НИР по проблеме автоматизированного электропривода ряда агрегатов нефтегазовой отрасли. Этот комплекс включает в себя работы по созданию систем электропривода и программного обеспечения для насосов пластового давления, аппаратов воздушного охлаждения газов, станков-качалок нефтедобывающих скважин, буровых установок.

Научные результаты и новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны методики и инструментальные средства для
математического моделирования электроприводов технологических агрегатов,
как единых электротехнических комплексов, с использованием которых создан
ряд программ для ЭВМ, моделирующих работу электроприводов основных
агрегатов нефтегазового комплекса с максимальной степенью приближения
результатов к потребностям практики.

2. Разработана методика и программное обеспечение для выбора
мощности двигателя и оценки энергетических показателей электропривода
ШГНУ, включая расчет удельных затрат энергии на добычу продукта,
использование которых позволило:

сделать вывод о необходимости учета динамических составляющих момента в задачах расчета и выбора мощности двигателя станка-качалки;

обосновать отличия в энергетических показателях электроприводов станков-качалок с задним и передним креплением шатуна;

предложить энергетические критерии и способы уравновешивания станков-качалок с объективным приборным контролем качества уравновешивания.

3. Предложен ряд способов оперативной оценки динамического уровня
жидкости в скважине на основе анализа параметров динамограмм в области
нижней и верхней «мертвых точек» хода штока станка-качалки, на основе
которых разработаны структурные схемы и алгоритмы автоматического
регулирования динамического уровня жидкости в скважине и степени
незаполнения насоса, обладающие достаточной общностью, позволяющей
реализовать их как на базе электропривода периодического действия, так и
электропривода с непрерывным регулированием скорости.

4. Разработаны математические модели систем автоматического
регулирования динамического уровня жидкости в скважине и степени
незаполнения насоса, проведены расчеты и натурные испытания, которые
позволили вполне обоснованно рекомендовать для регулирования средней
производительности ШГНУ электропривод системы ІТІН-АД в периодическом
режиме работы при временах цикла, выбранных из диапазона 12 ... 24 мин.

5. Предложены алгоритмы, расширяющие состав функций блокировок и
защит электропривода ШГНУ. Разработана структура нейронной сети для
анализа динамограми с целью диагностики оборудования ШГНУ, которая
может быть использована и на поршневых насосах.

6. Разработаны рациональные структуры электроприводов на основе
систем ТПН-АД для ряда агрегатов нефтегазового комплекса: ШГНУ, АВО,
насосов пластового давления, центробежных механизмов. Предложена
структура «бездатчикового» асинхронного тиристорного электропривода и
алгоритм вычислителя скорости, основанный на измерении э.д.с, наводимой в
обмотках статора в бестоковые паузы.

Практическая ценность работы состоит в комплексном решении крупной научно-технической проблемы создания высокоэффективных автоматизированных электротехнических систем отраслевого назначения, в частности, автоматизированных электроприводов ШГНУ, поршневых насосов, механизмов центробежного типа и др., что имеет важное хозяйственное значение. Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает объективные предпосылки для расширения области применения разработанных математических моделей, устройств и способов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы и продолжают использоваться при разработке и проектировании электроприводов и станций управления станками-качалками в ФГУП «Уралтрансмаш» и ОАО «УралНИТИ» (г.Екатеринбург), насосов пластового давления в ОАО Hi 111 «Уралметаллургавтоматика» (г.Екатеринбург), аппаратов воздушного охлаждения газа в ОАО «Проммонтажавтоматика» (г.Екатеринбург), буровых установок нового поколения на основе частотно-регулируемого электропривода в ОМЗ МНП - «Морские и нефтегазовые проекты» (г.Екатеринбург). Разработанное программное обеспечение и методики выбора мощности двигателя применяются в курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 180400 кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ».

Основные положения, выносимые на защиту:

математические модели электропривода агрегатов нефтегазового комплекса: ШГНУ, буровой установки и др.;

методика расчета и комплекс программных средств, реализующих принципы объектно-ориентированного программирования задач электропривода в среде Delphi;

методики анализа и способы оптимизации потерь в двигателе и энергопотребления в электроприводе ШГНУ;

способы косвенного контроля, структуры и математические модели, а также методы синтеза систем автоматического регулирования динамического уровня жидкости в скважинах, оборудованных ШГНУ;

алгоритмы автоматической диагностики электропривода ШГНУ;

способы бездатчикового контроля и регулирования скорости в электроприводах системы ТПН-АД и компенсации уравновешивающего момента в системах ПЧ-АД с циклической знакопеременной нагрузкой;

структуры электроприводов для ряда агрегатов нефтегазового комплекса на основе систем ТПН-АД с микропроцессорным управлением.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

2-ой... 12-ой научно-технических конференциях "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями" (г. Екатеринбург (г. Свердловск), 1974 - 2001 г.г.);

Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами" (г. Ленинград, 1982 г.);

Всесоюзной научно-технической конференции "Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках" (г. Куйбышев, 1984 г.);

Всесоюзном научно-техническом совещании "Цифровые системы управления преобразовательными устройствами и электроприводами на их основе" (г. Запорожье, 1984 г.);

9... 11-ой Всесоюзных научно-технической конференциях по проблемам автоматизированного электропривода (г. Алма-Ата - 1983 г., г. Воронеж -1987 г., г. Суздаль - 1991 г.);

научной сессии ВМЕИ им. Ленина: (г. София, НРБ, 1989 г.);

Second International Conference on Software for Electrical Engineering Analysis and Design - ELECTROSOFT/93 (Southampton, UK, 1993);

1-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (г. Суздаль, 1994 г.);

International Conference "Power Electronics and Motion Control" (Warsaw, Poland, 1994);

1...3-ей Международной (12... 14-ой Всероссийской) научно-технических конференциях по автоматизированному электроприводу (г. Санкт-Петербург -1995 г., г. Ульяновск -1998 г., г. Нижний Новгород - 2001 г.);

Symposium on Power Electronics, Industrial Drives, Power Quality (Capri, Italy, 1996);

7th International Conference "Power Electronics and Motion Control" (Budapest, Hungary, 1996);

8th International Conference "Power Electronics and Motion Control", (Prague, Czech Republic, 1998);

5th international conference on unconventional electromechanical and electrical systems (Szczecin, Poland, 2001);

Урало-Сибирской научно-практической конференции (г. Екатеринбург, 2003 г.);

Евро-Азиатском машиностроительном форуме (г. Екатеринбург, 2003 г.);

технических советах ОАО «Черногорнефть» (г. Нижневартовск, 1995...2000 г.);

- научно-техническом совете «ОМЗ - Электропривод и автоматизация» (г. Екатеринбург, 2002 г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано более ПО работ, в числе которых 40 статей, 35 докладов на конференциях (включая 15 зарубежных), 15 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ на изобретения, 3 свидетельства РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ. Кроме того, на рассмотрении находятся 5 заявок на выдачу патентов на изобретения по двум из которых (№ 2003125811 и №2003125832) получены положительные решения.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, девяти глав и заключения, списка использованной литературы из 179 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 300 страницах, содержит 132 рисунка и 4 таблицы.

Подобные работы
Гайтова Тамара Борисовна
Развитие теории и практики электротехнических комплексов для нетрадиционной энергетики
Борданова Юлия Сергеевна
Перспективное развитие электроснабжения агропромышленного комплекса Чувашской АССР
Сапсалев Анатолий Васильевич
Основы построения и развитие теории циклических электроприводов с линейными двигателями
Симаков Геннадий Михайлович
Развитие теории и основы построения быстродействующего позиционного микроэлектропривода постоянного тока с разрывным управлением
Гапчинский Евгений Станиславович
Разработка электропривода рудничных аккумуляторных электровозов с бесконтактной системой управления двигателями независимого возбуждения
Маколов Владимир Николаевич
Разработка электропривода по системе 12-пульсный НПЧ-АД с программным формированием напряжения
Благодаров Дмитрий Анатольевич
Разработка электропривода по системе "непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель" для карьерных экскаваторов
Рябинин Анатолий Иванович
Исследование и разработка электропривода волочильного стана с учетом упругих связей
Хиль Барриос Хосе Мануэль
Обоснование вариантов и разработка электроприводов для основных механизмов линии переработки сахарного тростника
Демин Степан Александрович
Разработка электропривода машины центробежного литья валков по системе асинхронного вентильного каскада

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net