Полный текст

Добыча нефти – сложный производственный процесс, включающий в себя множество этапов. Для максимального эффекта добычи нефти необходима слаженная работа механизмов на каждом из этапов. Одной из важных задач при добыче нефти является процесс выкачивания нефти из скважины. Около 60 % нефти в России добывается глубинным способом с использованием установок электроцентробежных погружных насосов. В таких системах необходимо постоянно поддерживать заданный уровень нефти в скважине для исключения осушения скважины ниже нормы, в результате чего насосы могут начать выкачивать нефтепродукты с различными примесями, которые неблагоприятно влияют на работу установки в целом. Поскольку стоимость ремонта и наладки погружных насосов соизмерима со стоимостью новых агрегатов, доведение технологического процесса до такого состояния является крайне нежелательным. Процесс описания скважины как объекта управления является трудоемкой и сложной задачей, требующей учета огромного количества параметров, что не всегда является необходимым и целесообразным. В данной работе с целью упрощения процесса моделирования предлагается скважину представить как некий абстрактный объект, поскольку для изучения и настройки регулятора на основе нечёткой логики расширенные параметры модели скважины не требуются. Конструктивно система имитации скважины будет включать в себя датчик уровня и электроцентробежный насос, опущенный ко дну скважины (рис. 1). Рис. 1. Графическое представление объекта регулирования На основе датчика уровня происходит вычисление уровня в скважине и скорости изменении уровня за заданный промежуток времени. Моделирование системы управления приводом центробежного погружного насоса осуществляется при помощи лабораторного стенда полунатурного моделирования, который представляет собой электромашинный агрегат, шкаф управления и панель оператора. Электромашинный агрегат состоит из трёх электрических машин, расположенных на одном валу. В зависимости от решаемой задачи одна из машин раскручивает вал, а машина постоянного тока имитирует момент сопротивления на валу. В данной работе привод глубинного насоса будет имитировать асинхронный двигатель (АД). Рис. 2. Структурная схема системы имитации регулирования уровня Поскольку приток нефти в скважине – величина неизмеряемая и зависит от большого количества условий, обычные регуляторы не могут учесть колебания величины притока нефти в скважине и могут осушать скважину ниже минимального уровня. Нечеткий регулятор позволяет с минимальной ошибкой изменять частоту вращения насоса таким образом, чтобы приток нефти в скважине не отражался на уровне и насосы постоянно находились в рабочем состоянии. При помощи регулятора на основе входных переменных происходит постоянное управление частотой вращения насоса, что позволяет адаптировать скорость откачивания нефти относительно её притока. Для моделирования работы системы с нечётким регулятором была разработана структурная схема системы имитации, представленная на рис. 2. В структурной схеме можно выделить два основных компонента – это программный комплекс для имитации системы регулирования в среде программирования LabVIEW и стенд полунатурного моделирования электропривода глубинного насоса. Имитацию скважины и реализацию регулятора выполним в среде программирования LabVIEW, поскольку данная среда является простой в изучении и позволяет в короткие сроки разработать сложную систему управления и мониторинга. Для разработки программного комплекса имитации задействуем следующие модули среды программирования LabVIEW [1]: Datalogging and Supervisory Control Module, Control Design and Simulation Module, Simulation Interface Toolkit, PID and Fuzzy Logic Toolkit. На рис. 2 приняты следующие обозначения: δL – разница между заданным и действительным уровнями в скважине; δδL – скорость изменения уровня в скважине за одну итерацию моделирования; Lз – заданный уровень нефти; nт – текущая частота вращения АД (об/мин); nз – заданная частота вращения АД (об/мин); Мс – момент сопротивления, задаваемый на вал АД (%); U, f – напряжение и частота питания АД; U, Ф – напряжение и магнитный поток питания ДПТ; δn – величина приращения скорости АД. Рассмотрим подробнее принцип построения системы имитации и нечёткого регулирования уровня. Имитация скважины реализована в виде блока имитации притока, который формирует случайную величину притока нефти. Генерация случайных величин выполнена на основе равномерного закона распределения. Моделирование притока осуществляется на основе следующих функций распределения [2]: (1) (2) (3) . (4) В формулах функции распределения (1)–(4) приняты следующие обозначения: Qmax – максимальное значение притока; ∆Q – величина нарастания притока; T – период длительности; Kд – добавочный коэффициент; K1, K2 – параметрические коэффициенты; Kс – коэффициент случайного распределения. Следующий блок, необходимый для реализации регулирования, – это программный модуль обработки данных, который позволяет на основе заранее заданных параметров скважины и данных, получаемых от систем имитации притока нефти и привода насоса, вычислить входные величины для нечёткого регулирования и выдать на систему управления электропривода требуемую величину частоты вращения насоса. Для имитации привода насоса задействуем лабораторный комплекс полунатурного моделирования в составе оборудования фирмы Siemens [3]: управляющий программируемый логический контроллер (ПЛК) S7-300, частотно-регулируемый электропривод переменного тока Sinamics S110 в качестве привода насоса, электропривод постоянного тока Simoreg DC в качестве имитации нагрузки на валу и электромашинный агрегат с асинхронным двигателем, машиной постоянного тока и энкодером. Программа управления, заложенная в ПЛК, позволяет в зависимости от частоты вращения насоса производить расчёт и моделирование нагрузки на валу асинхронного двигателя, задавая момент на электропривод постоянного тока. Преобразователь Simoreg DC настроен для работы в режиме поддержания момента и тем самым позволяет имитировать момент статической нагрузки. Контроллер Siemens S7-300 так же выполняет коммуникационные функции, получая данные с энкодера и программной среды LabVIEW и выдавая управляющие воздействия на электроприводы постоянного и переменного тока. Нечеткий регулятор [4] уровня настроим на основе базы нечетких правил, представленной в таблице. База нечётких правил регулятора уровня Приращение скорости вращения привода δnСкорость изменения уровня δδL Значительно увеличиваетсяУвеличиваетсяНе изменяетсяУменьшаетсяЗначительно уменьшается Разница уровня δLЗначительно выше нормыБыстро увеличитьБыстро увеличитьУвеличитьНе изменятьНе изменять Выше нормыБыстро увеличитьУвеличитьУвеличитьНе изменятьУменьшить НормаУвеличитьУвеличитьНе изменятьУменьшитьУменьшить Ниже нормыУвеличитьНе изменятьУменьшитьУменьшитьБыстро уменьшить Значительно ниже нормыНе изменятьНе изменятьУменьшитьБыстро уменьшитьБыстро уменьшить Для процесса нечёткого регулирования кроме базы нечётких правил составим также функции принадлежности (рис. 3), которые позволяют максимально точно выполнить переход от лингвистических переменных к реальным величинам [4]. Результаты процесса моделирования системы регулирования представлены на рис. 4. На рисунке по оси абсцисс обозначена ось времени протекания технологического процесса, а по оси ординат – ось величин расхода притока 1 и откачивания 2 нефти насосом. Для визуализации процесса имитации и управления уровнем нефти в скважине в среде LabVIEW разработана мнемосхема, изображенная на рис. 5. На мнемосхеме наглядно отображаются заданный и текущий уровни, а также показания момента сопротивления, скоростей вращения привода насоса, величины изменения скорости и уровня. Рис. 3. Функции принадлежности переменных регулятора Q t Рис. 4. Графики процесса регулирования Рис. 5. Мнемосхема системы имитации регулирования В результате поведенных исследований и разработок была получена полунатурная система моделирования и имитации технологического процесса поддержания уровня нефти в скважине. Данная система имитации является частью разрабатываемого на кафедре МСА ПНИПУ тренажерного комплекса [5] для подготовки специалистов в области автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Об авторах

Дмитрий Александрович Даденков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: dadenkov@mail.ru
614990, Пермь, Комсомольский пр., 29 старший преподаватель кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета

Антон Александрович Каверин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: antoskakartoska@gmail.com
614990, Пермь, Комсомольский пр., 29 магистрант кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 58

PDF (Russian) - 19

Ссылки

• Ссылки не определены.