Система оптимального управления кустовой насосной станцией

Полезная модель относится к области управления технологическими процессами в области добычи нефти и может быть использована в автоматизированных системах управления технологической системой поддержания пластового давления (ППД) в частности, кустовыми насосными станциями (КНС), при разработке нефтяных месторождений. Полезная модель направлена на оптимизацию управления насосами кустовых насосных станций системы поддержания пластового давления, с целью минимизации затрат энергии при выполнении технологического задания на закачку воды в нефтеносный пласт. Система содержит блок контроля технического состояния, блок оптимизации энергопотребления, преобразователь частоты 0,4 кВ электропривода подпорных насосов, при этом вход блока контроля технического состояния соединен с выходом станции управления, другой выход которой соединен с входом блока оптимизации, вход которого соединен с выходом блока контроля технического состояния, где выход блока оптимизации соединен с входом станции управления, выход которой соединен с входом преобразователя частоты 0,4 кВ подпорного насоса и входом преобразователя частоты 6 кВ основного насоса, также с датчиков напора, расхода и температуры воды на вход блока контроля технического состояния, помимо данных о напоре и расходе, поступают данные температуры воды, при этом датчик температуры воды конструктивно выполнен в виде единого блока с датчиками напора и расхода воды расположенного как на входе, так и на выходе каждого подпорного и основного насоса.

Полезная модель относится к области управления технологическими процессами в области добычи нефти и может быть использована в автоматизированных системах управления технологической системой поддержания пластового давления (ППД) в частности, кустовыми насосными станциями (КНС), при разработке нефтяных месторождений.

Оптимизация работы технологической системы ППД связана с необходимостью решения задачи оптимального управления кустовой насосной станцией, путем оперативного регулирования частоты напряжения электропривода основных и подпорных насосов, с целью работы КНС в области оптимального КПД, исключая применение дроссельных элементов регулирования, для выполнения технологического задания по закачке воды в нефтеносный пласт, с достижением минимума энергетических затрат. Для решения обозначенной задачи требуются достаточно полные сведения о параметрах насосов при различных режимах работы, представляемые в форме напорно-расходных и энергетических характеристик.

Из уровня техники известна система автоматического управления водоснабжением, содержащая множество датчиков, размещенных на объектах системы водоснабжения, соединенных с входами персонального компьютера диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа управления системой водоснабжения содержащая, по меньшей мере, один датчик контроля напора в сети, два датчика контроля напора воды на выходах насосных станций, при этом указанная программа управления водоснабжением выполнена с возможностью учета информации, получаемой от указанных датчиков, и управления насосами подачи воды, при этом указанная программа содержит блок оптимизации подачи воды, блок планирования работы насосов станций второго подъема, блок коррекции воздействия соединенный с регулируемыми приводами насосов станций второго подъема. В известной системе датчики соединены с интерфейсом компьютера посредством кабельных сетей и/или радиосвязи. Указанная система дополнительно содержит блок планирования работы насосов станций первого подъема, блок планирования работы насосов станций второго подъема, соединенные между собой обратной связью, блок корректировки воздействия на насосы станции первого подъема. Техническим результатом реализации указанной системы является обеспечение устойчивого водоснабжения потребителей при минимизации затрат энергии на подачу и распределение воды за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы при минимальных избыточных напорах в сети. (RU 27710 U1, МПК7, G01N 35/00,10.02.2003).

К причинами, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что в данной системе управление насосными станциями происходит без контроля в реальном времени технического состояния и удельного энергопотребления по всем насосам находящимся в работе, что препятствует достижению результата оптимального управления с возможностью согласования напорно-расходных характеристик приемной сети и насосов КНС, в зоне оптимального КПД, при минимизации затрат энергии на закачку воды в пласт.

Технической задачей, на решение которой направленно настоящее техническое решение, является разработка системы оптимального управления насосами кустовых насосных станций системы поддержания пластового давления, с целью минимизации затрат энергии при выполнении технологического задания на закачку воды в нефтеносный пласт.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в минимизации затрат энергии при работе КНС для выполнения технологического задания на закачку воды в нефтеносный пласт.

Указанный технический результат, достигается за счет того, что в систему дополнительно блок контроля технического состояния, блок оптимизации энергопотребления, преобразователь частоты 0,4 кВ электропривода подпорных насосов, при этом вход блока контроля технического состояния соединен с выходом станции управления, другой выход которой соединен с входом блока оптимизации энергопотребления, вход которого соединен с выходом блока контроля технического состояния, где выход блока оптимизации соединен с входом станции управления, выход которой соединен с входом преобразователя частоты 0,4 кВ подпорного насоса и входом преобразователя частоты 6 кВ основного насоса, также с датчиков напора, расхода и температуры воды на вход блока контроля технического состояния, помимо данных о напоре и расходе, поступают данные температуры воды, при этом датчик температуры воды конструктивно выполнен в виде единого блока с датчиками напора и расхода расположенного как на входе, так и на выходе каждого подпорного и основного насоса.

В систему введен блок контроля технического состояния, позволяющий определить напорно-расходные характеристики, КПД, а также температуру воды, на выходе каждого насоса КНС в заданной технологическим заданием рабочей точке. Также в систему введен блок оптимизации энергопотребления, который на основе определенных напорно-расходных характеристик, КДП, а также потребляемой электрической мощности по каждому из насосов КНС, позволяет в реальном времени определять рабочую точку КНС и ее рассогласование с точкой определяющей режим работы КНС и приемной сети в области оптимального КПД, по критерию минимума энергетических затрат на закачку. Совместная работа КНС и приемной сети в области оптимального КПД, обеспечивается на основании контроля в реальном времени технического состояния и удельного энергопотребления по напорно-расходным характеристикам всех насосов КНС технологической системы, с выполнением задания по закачке воды в пласт, не допуская работы насосов, техническое состояние которых приводит к нерациональным потерям энергии.

Заявляемое техническое решение поясняется на фиг., где изображена структурная схема системы управления КНС. Система содержит кустовую насосную станцию 1 с установленными в ней основными насосами 2, в составе которых часть насосов резервные, так же КНС содержит, по меньшей мере, два преобразователя частоты 3 (6 кВ) и подключенные к ним электропривода 4 всех основных насосов 2; подпорные насосы 5 и преобразователи частоты 6 (0,4 кВ), связанные с их электроприводами 7; станцию управления 8 диспетчерского пункта (на схеме не указан); блок оптимизации энергопотребления 9; блок контроля технического состояния 10; датчики 11, 12 напора, расхода и температуры воды, объединенные в одном блоке, на входе и выходе каждого основного насоса 2; датчики 13, 14 напора, расхода и температуры воды, объединенные в одном блоке, на входе и выходе каждого подпорного насоса 5; водоводы высокого давления 16; водоводы низкого давления 15; элементы запорной арматуры 17; сборный коллектор низкого давления 18.

Для решения указанной технической задачи, в отличие от прототипа, в систему оптимального управления КНС дополнительно введены:

- блок оптимизации энергопотребления 9;

- блок контроля технического состояния 10;

- преобразователи частоты привода подпорных насосов 6.

Блок оптимизации энергопотребления 9 соединен каналом связи со станцией управления 8 диспетчерского пункта, которая, в свою очередь, связанна с преобразователями частоты 3 основных насосов 2 и преобразователями частоты 6 подпорных насосов 5. Вход блока оптимизации энергопотребления 9 соединен с блоком технического состояния 10 и станцией управления 8. Блок контроля технического состояния 10 соединен каналом связи со станцией управления 8, где также блок контроля технического состояния 10 соединен с датчиками 11, 12, 13, 14 напора, расхода и температуры воды по каждому из основных 2 и подпорных 5 насосов. Кустовая насосная станция 1, преобразователь частоты 3, преобразователь частоты 6, блок оптимизации энергопотребления 9, блок контроля технического состояния 10, могут быть соединены между собой и со станцией управления 8 посредством кабельной линий связи и/или радиосвязи.

На фиг. представлен фрагмент кустовой насосной станцией 1 с одним насосом 2, так как по всем остальным насосам 2 станции 1 технический результат достигается аналогично указанному на фиг. насосу 2, со всеми соответствующими элементами структурной схемы, необходимыми для достижения указанного технического результата.

Указанные на фиг. элементы запорной арматуры 17 и сборный коллектор низкого давления 18, являются обязательными элементами структурной схемы технологической системы.

На фиг. не показано распределительной устройство, к шинам напряжения которого подключены электропривода 4 и 7 основных 2 и подпорных 5 насосов соответственно, со счетчиков которого по каналам связи поступает информация о потребляемой электроэнергии по каждому электроприводу насосов, как подпорных 5, так и основных 2.

Станция управления 8 диспетчерского пункта может быть представлена в виде автоматизированного рабочего места технолога с персональным компьютером, на носителе информации которого записан программный комплекс для проведения расчетов режимов работы системы ППД, реализованный на основе имитационной модели технологической системы (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2012610163 от 10.01.2012). В станция управления 8 на основе имитационной модели системы, происходит расчет и передача управляющих сигналов на вход преобразователя частоты 3 и 6 основного 2 и подпорного насоса 5. В станции управления 8 происходит накопление информации в базе данных о работе системы, в виде напорно-расходных характеристик, КПД, а также значения температуры воды на входе и выходе каждого основного 2 и подпорного 5 насоса с целью прогнозирования дальнейшей работы системы и оптимизации схемы управления, рационального распределения ресурсов ремонтных служб на обслуживание и ремонт оборудования.

Блок оптимизации энергопотребления 9, а также блок контроля технического состояния 10 могут быть реализованы в виде программируемых логических контроллеров.

Блок контроля технического состояния 10 обеспечивает обработку поступающих сигналов от датчиков 11, 12, 13, 14 напора, расхода, температуры воды на входе и выходе по каждому из основных 2 и подпорных 5 насосов. От блока 10 в блок 8 по каналу связи поступают данные в виде напорно-расходных характеристик, КПД, а также значений температуры воды на входе и выходе как основных 2, так и подпорных 5 насосов.

Блок оптимизации энергопотребления 9 обеспечивает обработку поступающих по каналу связи данных со станции управления 8: требуемый объем закачки воды, напорно-расходные характеристики приемной сети, количество включенных основных насосов 2, количество включенных подпорных насосов 5, потребляемая электрическая мощность каждого из указанных насосов. Также на вход блока 9, с выхода блока контроля технического состояния 10 поступают напорно-расходные характеристики, КПД, а также значения температуры воды на входе и выходе каждого находящегося в работе насоса.

Подпорные насосы 5 предназначены для обеспечения необходимого напора на входе основных насосов 2, с целью обеспечения возможности согласования напорно-расходной характеристики приемной сети и напорно-расходной характеристики КНС в области оптимального КПД, в заданной технологическим заданием рабочей точке, без дополнительного включения/отключения основных насосов.

За базовые характеристики, в системе управления, принимаются напорно-расходные характеристики, определенные при первом пуске подпорного 5 или основного 2 насоса в эксплуатацию или после проведения капитального ремонта.

В качестве примера рассмотрим работу одной КНС технологической системы ППД. Кустовая насосная станция 1 (фиг.), на которой установлены основные насосы 2, нагнетает определяемый технологическим заданием объем воды. Информация с датчиков 11, 12, 13, 14 напора, расхода и температуры воды на входе и выходе основных 2 и подпорных 5 насосов по каналу связи, в реальном времени, поступает на вход блока контроля технического состояния 10, на другой вход которого, с выхода станции управления 8 поступают базовые характеристики каждого из основных 2 и подпорных 5 насосов. В блоке контроля технического состояния 10, в реальном времени, производится построение напорно-расходных и энергетических характеристик, по всем находящимся в работе основным 2 и подпорным 5 насосам, за определенный промежуток времени. С целью определения отклонения рабочей точки насоса от оптимальной области рабочей зоны, производится сравнения реальных напорно-расходных и энергетических характеристик с базовыми. С выхода блока контроля технического состояния 10, на вход станции управления 8, поступают данные о работе основных 2 и подпорных 5 насосов системы, в виде напорно-расходных характеристик, КПД, а также значения температуры на входе и выходе по каждому основному 2 и подпорному 5 насосу, для накопления информации в базе данных о работе системы.

Полученные реальные и базовые напорно-расходные и энергетические характеристики по каналу связи с выхода блока контроля технического состояния 10 поступают на вход блока оптимизации энергопотребления 9, на другой вход которого поступают данные со станции управления 8: требуемый объем закачки воды, напорно-расходные характеристики приемной сети, количество включенных основных насосов 2, количество включенных подпорных насосов 5, и потребляемая электрическая мощность каждым из указанных насосов 2 и 5. По полученным данным в блоке 9, по алгоритму оптимизации энергопотребления, производится определение наиболее оптимальных вариантов сочетания основных насосов 2 и подпорных насосов 5 работающих на общую сеть водоводов высокого давления 16, с целью обеспечения возможности согласования напорно-расходной характеристики приемной сети и напорно-расходной характеристики КНС в области оптимального КПД, без дополнительного включения/отключения основных насосов, с минимизацией энергетических затрат на выполнение технологического задания по закачке воды в пласт, не допуская работы насосов, техническое состояние которых приводит к нерациональным потерям энергии. Результатом работы блока оптимизации энергопотребления 9 является передача на вход станции управления 8 параметров наосов определяющих наиболее оптимальный режим работы технологической системы: какой из числа основных и резервных насосов 2 должен быть запущен в работу или отключен, также предаются данные о том, какой из подпорных насосов 5 должен быть запущен в работу или отключен, с указанием гидравлических параметров, по каждому из основных 2 и подпорных 5 насосов, совокупность которых обеспечивает минимум затрат электроэнергии для выполнения технического задания, в области оптимального КПД.

По полученным с блока 9 данным, на основе имитационной модели системы, происходит расчет и передача управляющих сигналов с выхода станции управления 8 на вход преобразователя частоты 3 и 6 основного 2 и подпорного насоса 5. В соответствии с полученными управляющими сигналами происходит регулирование частоты вращения, включение, либо отключение, определенных алгоритмом оптимизации насосов из числа основных 2 и подпорных 5.

Система управления кустовой насосной станцией с установленными в ней основными насосами, в составе которых часть насосов резервные, содержащая, по меньшей мере, два преобразователя частоты 6 кВ и подключенные к ним электропривода всех основных насосов, также содержащая датчики напора, расхода и температуры воды на выходе подпорных и основных насосов станции, информация с которых поступает в программу управления насосами подачи воды, записанную на носителе информации персонального компьютера станции управления, при этом датчики могут быть соединены с интерфейсом компьютера посредством кабельных сетей и/или радиосвязи, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены блок контроля технического состояния, блок оптимизации энергопотребления, преобразователь частоты 0,4 кВ электропривода подпорных насосов, при этом вход блока контроля технического состояния соединен с выходом станции управления, другой выход которой соединен с входом блока оптимизации, вход которого соединен с выходом блока контроля технического состояния, где выход блока оптимизации соединен с входом станции управления, выход которой соединен с входом преобразователя частоты 0,4 кВ подпорного насоса и входом преобразователя частоты 6 кВ основного насоса, также с датчиков напора, расхода и температуры воды на вход блока контроля технического состояния помимо данных о напоре и расходе поступают данные температуры воды, при этом датчик температуры воды конструктивно выполнен в виде единого блока с датчиками напора и расхода воды, расположенного как на входе, так и на выходе каждого подпорного и основного насоса.