Патент на изобретение №2204736

(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК (ЕГО ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам контроля работы насосных установок посредством измерения электрических параметров работы двигателя и может найти применение для диагностирования повреждений штанговых глубинных насосных установок в нефтедобывающей промышленности. Техническим результатом является повышение достоверности диагностики состояния штанговых глубинных насосных установок за счет предварительного определения состояния уравновешенности станка-качалки посредством определения точного числа отсчетов на периоде качания станка-качалки. В способе диагностики штанговых насосных установок через дискретные промежутки времени измеряют среднюю активную мощность насосной установки, определяют скорость ее изменения за этот промежуток, строят фазовую кривую, рассчитывают значения диагностических коэффициентов, пропорциональных величине потребляемой мощности для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности, и из условий, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делают вывод о состоянии насосной установки в зависимости от уравновешенности насосной установки. Для этого выделяют первую a₁ и вторую а₂ гармоники закона изменения средней активной мощности, определяют состояние уравновешенности станка-качалки по соотношению между a₁ и a₂. Первая и вторая гармоники активной мощности рассчитывают с помощью числа отсчетов N на периоде качания станка-качалки, которое находят как сумму отсчетов в каждой четверти фазовой плоскости или путем нахождения суммарного числа отсчетов, обеспечивающих равенство нулю среднего значения скорости изменения средней активной мощности. За счет этого повышают достоверность диагностики состояния штанговых насосных установок. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к способам контроля работы насосных установок посредством измерения электрических параметров работы двигателя и может найти применение для диагностирования повреждений штанговых глубинных насосных установок в нефтедобывающей промышленности.

Известен способ диагностики механизма, преимущественно насоса (а.с. СССР 1112145, МПК F 04 В 51/00, 1984 г.), 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 насоса, выделение составляющих путем синхронизации с опорными сигналами, измерение амплитуд и фаз этих составляющих и диагностирования состояния механизма по совокупности амплитуд и фаз составляющих.

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

Известен также способ диагностики штанговых насосных установок (Кричке В.О. Автоматический анализатор работы глубинно-насосной установки. /Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1975 – 12), который позволяет диагностировать состояние штанговой насосной установки и базируется на использовании характерных точек перегиба ваттметрограммы (ВМГ), 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 мощности для диагностирования аварийных ситуаций. Предельные значения мощности существенно меняются только при крупных авариях. К тому же, характерные точки перегиба ВМГ для ряда неисправностей совпадают. Для реализации этого способа требуются специальные датчики положения, устанавливаемые на движущихся частях штанговой насосной установки для определения хода плунжера. Имеющиеся недостатки не обеспечивают удовлетворительной достоверности диагностики и требуют для реализации дополнительных материальных затрат.

Известен также способ диагностики штанговых насосных установок (Кричке В. О. Контроль за работой глубинно-насосных скважин при помощи ВМГ. /Добыча нефти и газа. Транспорт газа.: Тр. Куйбышев НИИНП. – Куйбышев, 1961. – Вып. 9. – с. 109-112), включающий измерение диагностической ВМГ с последующим анализом ее характеристик на основе фиксации как максимальной амплитуды, так и отрицательных выбросов мощности, и сравнении ВМГ с эталонной по амплитуде и фазе.

Однако практика эксплуатации штанговых насосных установок показывает, что отрицательные выбросы мощности могут иметь место и в исправной установке, а максимальное значение мощности существенно изменяется только при крупных авариях. Указанные обстоятельства ограничивают достоверность диагностики.

Известен также способ диагностики штанговых насосных установок по ваттметрограмме, построенной на фазовой плоскости с помощью диагностического коэффициента R (а.с. СССР 1784947, МПК G 05 В 23/02, 1989 г.). Этот способ основан на измерении через дискретные промежутки времени мощности установки, определении диагностической ваттметрограммы, ее сглаживании, квазиуравновешивании сглаженной ваттметрограммы, определении скорости изменения мощности и дальнейшем анализе фазовой кривой в плоскости
Анализ показывает следующие недостатки данного способа диагностики: использование сложной операции квазиуравновешивания, для которой необходимо знание периода качания станка-качалки и начала хода плунжера вверх и вниз; при некоторых неисправностях, когда изменение потребляемой мощности очень мало (например, режим “холостого хода”), значение диагностического коэффициента R соответствует нормальной работе установки, что и определяет низкую достоверность диагностики штанговых насосных установок.

Наиболее близким техническим решением является способ диагностики штанговых насосных установок по ваттметрограмме, построенной на фазовой плоскости, с известным состоянием уравновешенности, с помощью диагностических коэффициентов, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности (Гольдштейн Е.И., Серебрякова И.В. Способ диагностики штанговых насосных установок. Заявка 95106555/09, МПК 6 G 05 В 23/02, F 04 В 51/00, Б.И. 3, 1997 г.). Этот способ основан на измерении через дискретные промежутки времени t средней активной мощности установки, определении скорости ее изменения за этот промежуток и построении фазовой кривой. В процессе диагностирования определяются значения диагностических коэффициентов L_i, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности:




где P(t_j) – дискретное значение средней активной мощности установки в j-й момент времени;
дискретное значение скорости изменения этой же мощности в j-й момент времени;
n_I, n_II, n_III, n_IV – соответствующее число отсчетов.

Далее, из условий, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат до каждой точки фазовой кривой, делают вывод о состоянии работы насосной установки:




L_i = 0, (2)
причем установка считается аварийной при выполнении условий (1) для неуравновешенных штанговых насосных установок или (2) – для уравновешенных штанговых насосных установок, иначе установка считается работающей нормально.

Недостатком этого способа является необходимость знания состояния уравновешенности станка-качалки, без чего затрудняется использование условий (1) и (2).

Для определения уравновешенности станка – качалки может быть использован способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок (Гольдштейн Е.И., Ермакова И.В. Патент на изобретение 2129666 МПК 6 Н 04 В 51/00). Этот способ заключается в измерении мгновенных значений тока и напряжения, вычислении активной мощности, определении первой a₁ и второй а₂ гармоник мощности и выявлении состояния уравновешенности по условию
a₁<а₂ (3)
причем при a₁<а₂ установка считается уравновешенной, а при a₁а₂ установка считается неуравновешенной.

Однако использование указанного способа определения состояния уравновешенности затрудняется отсутствием простых методов определения периода качания Т=tN (N – число отсчетов на периоде качания), так как без знания Т и N невозможны разложение мощности в ряд Фурье и нахождение значений гармоник а₁ и а₂.

Задачей изобретения и является повышение достоверности диагностики штанговых глубинных насосных установок посредством нахождения точного числа отсчетов N на периоде качания станка-качалки для возможности определения гармоник мощности и ответа на вопрос – уравновешен или неуравновешен станок-качалка, что позволит правильно диагностировать штанговую установку по (1) и (2).

Согласно изобретению поставленная задача может быть решена двумя способами.

Вариант 1.

Через дискретные промежутки времени t измеряют среднюю активную мощность установки, определяют скорость ее изменения за этот промежуток и строят фазовую кривую. Затем определяют значения диагностических коэффициентов L_i, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности




где P(t_j) – дискретное значение средней активной мощности установки в j-й момент времени;
дискретное значение скорости изменения этой же мощности в j-й момент времени;
n_I, n_II, n_III, n_IV – соответствующее число отсчетов,
и при выполнении следующих условий для неуравновешенных насосных установок:




для уравновешенных насосных установок: L_i = 0, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делают вывод об аварийном состоянии насосной установки. При этом согласно изобретению, после определения скорости изменения мощности, в каждый момент времени t_j производят определение знаков мощности и скорости ее изменения для определения количества отсчетов в каждой четверти фазовой плоскости, затем определяют количество отсчетов на периоде качания станка-качалки по формуле
N=n_I+n_II+n_III+n_IV, (4)
находят амплитуды первой a₁ и второй а₂ гармоник ряда Фурье, описывающего зависимость изменения средней активной мощности от числа отсчетов (ваттметрограмму), и выявляют состояние уравновешенности по соотношению амплитуд этих гармоник
a₁<а₂ – установка считается уравновешенной;
a₁а₂ – установка считается неуравновешенной,
с использованием которого делают вывод о состоянии насосной установки (норма/авария).

Вариант 2
Через дискретные промежутки времени t измеряют среднюю активную мощность установки, определяют скорость ее изменения за этот промежуток и строят фазовую кривую. Затем определяют значения диагностических коэффициентов L_i пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности




где Р(t_j) – дискретное значение средней активной мощности установки в j-й момент времени;
дискретное значение скорости изменения этой же мощности в j-й момент времени;
n_I, n_II, n_III, n_IV – соответствующее число отсчетов.

и при выполнении следующих условий
для неуравновешенных насосных установок:




для уравновешенных насосных установок: L_i = 0, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делают вывод об аварийном состоянии насосной установки. При этом согласно изобретению, после определения скорости изменения мощности определяют количество отсчетов на периоде качания станка-качалки путем решения уравнения для постоянной составляющей зависимости скорости изменения средней активной мощности от числа отсчетов

число отсчетов n, обеспечивающее выполнение приведенного условия, и является искомым числом отсчетов на периоде качания N, так как у кривой являющейся производной от P(t_n), среднее значение за период (постоянная составляющая) равно нулю.

Находят амплитуды первой a₁ и второй а₂ гармоник ряда Фурье, описывающего зависимость изменения средней активной мощности от числа отсчетов (ваттметрограмму), и выявляют состояние уравновешенности по соотношению амплитуд этих гармоник
a₁<а₂ – установка считается уравновешенной;
a₁а₂ – установка считается неуравновешенной,
с использованием которого делают вывод о состоянии насосной установки (норма/авария).

Предлагаемое изобретение (варианты 1 и 2) за счет вычисления точного числа отсчетов на периоде качания станка-качалки и правильного определения уравновешенности станка-качалки повышает достоверность диагностики состояния штанговых насосных установок.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами и таблицами, на которых показано:
– на фиг.1 – а) – диаграмма средней активной мощности (ваттметрограмма), б) – сглаженная ваттметрограмма, в) – диаграмма скорости изменения средней активной мощности, г) – фазовая кривая для штанговой насосной установки, находящейся в нормальном режиме работы (Месторождение Стрежевское, куст 3, скважина 52);
– на фиг.2 – а) – диаграмма средней активной мощности (ваттметрограмма), б) – сглаженная ваттметрограмма, в) – диаграмма скорости изменения средней активной мощности г) – фазовая кривая для штанговой насосной установки, находящейся в аварийном состоянии (Месторождение Стрежевское, куст 1, скважина 49);
– на фиг.3 – структурная схема устройства для диагностики состояния штанговой насосной установки;
– на фиг.4 – структурная схема устройства определения числа отсчетов на периоде качания станка-качалки (вариант 1);
– на фиг.5 – структурная схема устройства определения числа отсчетов на периоде качания станка-качалки (вариант 2).

В табл. 1 приведены экспериментальные данные значений периода качания станка-качалки (СК) в отсчетах, значения диагностических коэффициентов и диагноз работы установок (по варианту 1);
в табл. 2 приведены экспериментальные данные значений периода качания станка-качалки (СК) в отсчетах, значения диагностических коэффициентов и диагноз работы установок (по варианту 2).

Устройство для диагностики состояния штанговой насосной установки (см. фиг. 3) состоит из последовательно соединенных друг с другом блоков: блок сглаживания ваттметрограммы 1; дифференциатор 2; блок построения фазовой кривой и определения знаков Р и блок определения числа отсчетов на периоде 4; блок определения амплитуд гармоник мощности 5; блок определения диагностических коэффициентов 6; блок определения уравновешенности станка-качалки 7; блок диагностики состояния штанговой насосной установки 8.

В процессе диагностирования штанговой насосной установки на вход блока сглаживания снятой ваттметрограммы 1 подаются дискретные значения мощности, потребляемой электродвигателем станка-качалки P(t_j), снятые, например, с помощью прибора ИРЭ-2 (Измеритель-регистратор энергетических параметров электроустановок. /Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, Томск, 1993 г. ). В приборе предусмотрен съем информации через промежуток времени t = 0,02 с, равный периоду питающего напряжения сети (такая величина t удовлетворяет требованиям по точности и достоверности ваттметрограммы). В блоке сглаживания 1 производится сглаживание ваттметрограммы. В дифференциаторе 2 производится определение скорости изменения мощности, значения которой вместе со значениями мощности подаются на блок 3 – построения фазовой кривой и определения знаков Блок определения числа отсчетов на периоде 4 реализует предлагаемые процедуры (4) и (5). На основе полученного числа отсчетов на периоде в блоке 5 определяются амплитуды гармоник мощности, а в блоке 7 выявляется уравновешенность станка-качалки на основе условия (3). В блоках 6 и 8 при известном состоянии уравновешенности рассчитываются диагностические коэффициенты и производится диагностика состояния насосной установки (норма/авария) по условиям (1), (2).

Приведенная структурная схема может быть реализована аппаратно (с помощью стандартных микросхем) или программно (на ЭВМ типа IBM PC, на которую по интерфейсу RS-232C производится передача соответствующих массивов данных). В качестве блока сглаживания снятой ваттметрограммы 1 может использоваться RC-фильтр; блоки 3, 5, 6, 7 и 8 могут быть построены на основе стандартных микросхем ТТЛ.

Структурная схема устройства для определения числа отсчетов на периоде качания станка-качалки (вариант 1) приведена на фиг.4. Здесь с помощью микросхемы серии ТТЛ или программно реализуется выражение (4), то есть производится суммирование чисел отсчетов за отдельные четверти фазовой плоскости.

Устройство для определения числа отсчетов на периоде качания станка-качалки 4 (вариант 2) содержит последовательно соединенные запоминающее устройство 4.1, интегратор 4.4, устройство сравнения 4.2, вычислительное устройство 4.3 (см. фиг.5).

В запоминающем устройстве 4.1 производится запоминание значений скорости изменения мощности затем в интеграторе 4.4 производится вычисление ее интегрального значения, и далее, в устройстве сравнения 4.2 производится сравнение этого значения с нулем в каждый момент времени t_j и при их совпадении фиксируется номер соответствующего отсчета. На выходе вычислительного устройства 4.3 имеем количество отсчетов на периоде качания станка-качалки (N).

В качестве запоминающего устройства 4.1 могут быть использованы стандартные микросхемы ПЗУ, в качестве устройства сравнения 4.2 и вычислительного устройства 4.3 могут использоваться стандартные микросхемы ТТЛ.

Предлагаемый способ был апробирован в реальных условиях работы штанговой насосной установки – в нормальном режиме работы (см. фиг.1 для Месторождения Стрежевское, куст 3, скважина 52) и установки, находящейся в аварийном состоянии (см. фиг.2 для Месторождения Стрежевское, куст 1, скважина 49).

В процессе диагностирования через дискретные промежутки времени t измерялась средняя активная мощность установки (см. фиг.1а, 2а). В связи с тем, что снятая ваттметрограмма представляет собой сильно зашумленную характеристику, и для последующего проведения дифференцирования сигнала производилось сглаживание ваттметрограммы (см. фиг.1б, 2б). Далее определялась скорость изменения мощности (см. фиг.1в, 2в) и строилась фазовая кривая (см. фиг. 1г, 2г). Затем производился расчет числа отсчетов на периоде качания станка-качалки согласно варианту 1 способа (см. табл. 1) или варианту 2 способа (см. табл. 2), после чего находились первая (а₁) и вторая (а₂) гармоники ряда Фурье, описывающего ваттметрограмму, и по соотношению между a₁ и а₂ определялось состояние уравновешенности (a₁<а₂ – установка уравновешена; а₁а₂ – установка неуравновешена), затем определялись значения диагностических коэффициентов L_i, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности и из условий, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делали вывод о состоянии насосной установки (см. табл. 1, 2).

Формула изобретения

1. Способ диагностики штанговых насосных установок, заключающийся в том, что через дискретные промежутки времени t измеряют среднюю активную мощность установки, определяют скорость ее изменения за этот промежуток, строят фазовую кривую, определяют значения диагностических коэффициентов L_i, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности:




где P(t_j) – дискретное значение средней активной мощности установки в j-й момент времени;
дискретное значение скорости изменения этой же мощности в j-й момент времени;
n_I, n_II, n_III, n_IV – соответствующее число отсчетов,
и из условий, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делают вывод о состоянии насосной установки: установка считается аварийной при выполнении условия




для неуравновешенных установок или условия
L_i = 0,
для уравновешенных штанговых насосных установок, иначе установка считается работающей нормально, отличающийся тем, что для определения уравновешенности установки в каждый момент времени t_j производят определение знаков мощности и скорости ее изменения для нахождения количества отсчетов в каждой четверти фазовой плоскости; затем определяют количество отсчетов на периоде качания станка-качалки
N= n_I+n_II+n_III+n_IV,
находят амплитуды первой a₁ и второй а₂ гармоник ряда Фурье, описывающего зависимость изменения средней активной мощности от числа отсчетов (ваттметрограмму) и выявляют состояние уравновешенности по соотношению амплитуд этих гармоник
а₁<а₂ – установка уравновешена,
a₁а₂ – установка неуравновешена,
с использованием которого делают вывод о состоянии насосной установки.

2. Способ диагностики штанговых насосных установок, заключающийся в том, что через дискретные промежутки времени t измеряют среднюю активную мощность установки, определяют скорость ее изменения за этот промежуток, строят фазовую кривую, определяют значения диагностических коэффициентов L_i, пропорциональных величине потребляемой мощности, для каждой четверти фазовой плоскости в отдельности:




где P(t_j) – дискретное значение средней активной мощности установки в j-й момент времени;
дискретное значение скорости изменения этой же мощности в j-й момент времени;
n_I, n_II, n_III, n_IV – соответствующее число отсчетов,
и из условий, показывающих отношение Евклидовых расстояний от центра координат фазовой плоскости до каждой точки фазовой кривой, делают вывод о состоянии насосной установки: установка считается аварийной при выполнении условия




для неуравновешенных установок или условия
L_i = 0,
для уравновешенных штанговых насосных установок, иначе установка считается работающей нормально, отличающийся тем, что для определения уравновешенности установки количество отсчетов на периоде качания станка-качалки N определяют из условия равенства нулю среднего значения скорости изменения активной мощности за период качания

затем находят амплитуды первой a₁ и второй а₂ гармоник ряда Фурье, описывающего зависимость изменения средней активной мощности от числа отсчетов (ваттметрограмму) и выявляют состояние уравновешенности по соотношению амплитуд этих гармоник
a₁<а₂ – установка уравновешена,
a₁а₂ – установка неуравновешена,
с использованием которого делают вывод о состоянии насосной установки.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.02.2003

Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004