Font "LCOMRUS - Квантор-Т

О возможности получения полезной информации
от токограммы нефтедобывающей установки
Если отвлечься от конкретики и посмотреть на оборудование
нефтедобывающей скважины как на механизм, выполняющий физическую
работу, то можно теоретически установить зависимость потребляемого
электрического тока от внешних факторов.
Зависимости не простые. Но с помощью персонального компьютера задача
разрешима.
Для решения обратной задачи - по потребляемому току определять не только
нагрузку рабочих элементов, но и, например, уровня, необходимо научить
компьютер по нюансам токограммы исключать многофакторность. Это требует
предварительного анализа практических токограмм и особенно тех, где выявлены
какие-либо неисправности оборудования или аномалии условий эксплуатации.
Преимущество диагностики работы оборудования через анализ токограмм в
том, что не требуется специальное дорогостоящее оборудование (датчики
динамометрирования), а годятся датчики массового производства, уже
адаптированные к компьютеру или контроллеру, которые находят все большее
применение на скважинах.
Цель данной записки - показать зависимость тока от параметров скважины
(решение прямой задачи) и этим привлечь энтузиастов к решению обратной
задачи.
Токопотребление станком-качалкой.
Рассмотрим энергопотребление станка-качалки модели 9Р9Т-2500-3500
завода Вулкан», Румыния, с двигателем 4А160S6Y3 (11 кВт ; 1000 об/мин). На
рис.1 приведена его кинематическая схема.
C целью обеспечения возможности сравнивать, примем изображенный на
рис.2 режим нагрузки подвески единым для всех последующих расчетов,
1
Во всех случаях, если специально не оговорено, кривошип сбалансирован по
равенству пиков потребляемого тока на подъеме и спуске подвески.
При расчете сил и моментов динамика учитывается. Массы подвижных
элементов взяты из паспорта станка, моменты инерции определены расчетом.
Количество двойных ходов в минуту - шесть.
Потребляемый электрическим двигателем ток зависит не только от
совершаемой работы, но и от конструктивных особенностей. Очень существенно
различие характеристик маломощных (до 5 кВт) и мощных двигателей - более 10
кВт.
Мощность, потребляемая двигателем из сети
W  3  V  J  Cos  ,
где V=380 В - линейное напряжение, J - линейный ток, φ - угол сдвига фазы тока
относительно фазы напряжения.
Потребляемая мощность связана с мощностью на валу Wv коэффициентом
полезного действия (КПД) η
W 
WV

.
Переменными величинами считаем ток, сдвиг фаз и КПД. В паспорте
двигателя или в соответствующем справочнике можно найти величину
потребляемого тока и КПД для нескольких значений мощности (в лучшем случае
– для пяти точек). Проблема в том, что у станка-качалки вертится не только
кривошип от двигателя, но и двигатель от кривошипа. Так как эксплуатацию
2
двигателя с нагрузкой менее четверти номинальной и в генераторном режиме
разработчики не рассматривали, зависимость тока от мощности в этом диапазоне
приходится додумывать самому.
Система станка при стабильной гипотетической нагрузке подвески может
находиться в покое (быть уравновешенной) только в двух положениях
кривошипа: одно - его опора слева,
другое - опора справа. В этом случае
подвеска создавала бы на балансире
одинаковый крутящий момент. В
действительности нагрузка подвески
при подъеме превышает ту, что
действует при спуске. Балансировка
теоретически возможна лишь для
одной позиции кривошипа, а
практически как таковая не
применяется. С позиции сокращения
затрачиваемой на привод станка
энергии, следует установкой
противовесов добиться равенства
максимальных крутящих моментов на
валу двигателя, имеющих место быть
1) на участке подъема подвески,
когда приходится преодолевать
сопротивление нагруженного штока,
имея длинное плечо,
2) при опускании подвески, когда
поднимается тяжелый кривошип с
противовесами.
Изменение нагрузки на валу вызывает изменение скорости вращения.
Функциональную зависимость скольжения (оборотов) можно считать линейной.
Изменение оборотов от холостого хода до номинальной нагрузки может
составлять 5%, а с учетом проскальзывания ремней - несколько больше. Но в
данной записке неравномерность хода не учитывается.
Асинхронный двигатель, подключенный к сети, превращается в генератор,
когда начинает тормозить самопроизвольное вращение неуравновешенного
кривошипа. Мне не удалось отыскать параметры асинхронных двигателей в
режиме генераторов. Зависимости тока и КПД от вращающего момента
определены исходя из собственного понимания процессов. Расчеты не привожу, а
графики для указанного двигателя изображены на рис. 3. Точка перехода режима
на оси Р/Рном вычислена из уравнения схемы замещения. Кривая тока по схеме
замещения показана пунктирной линией. Кружки - значения, взятые из
справочника [1].
3
Представленные зависимости соответствуют второму закону термодинамики
: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. У двигателя
4А160S6Y3, установленного на станке, отдаваемая в режиме генерации мощность
получилась вдвое ниже потребляемой из
сети при одной и той же на валу. У менее
мощных двигателей разница еще больше.
Потребляемая энергия по ходу (во
времени) распределена неравномерно –
см. рис.4. Выделяющиеся пики значений
крутящего момента для своего
преодоления потребуют мощного
двигателя, а он потребует для совершения
одинаковой полезной работы больше
энергии, чем его меньший собрат ( у
большого больше ток холостого хода). Для
сравнения, на рис. 5 приведена токограмма
данного станка с двигателем мод.
4А225М8У3 мощностью 30 кВт.
На рис. 4 изображены : график хода
подвески как функция углового
положения кривошипа; график крутящего
момента на валу кривошипа; токограмма;
график потребляемой электрической
мощности.
На рис. 6 показаны токограммы
несбалансированных станков. На левой противовесы приближены к оси
приблизительно на 10 см от
номинального положения, на правой удалены. В обоих случаях увеличилось
электропотребление (dW). Кстати,
балансировка по равенству пиков тока не
оптимальна в энергосбережении как для
данной модели станка, так и для большинства с данной кинематической схемой.
Так принято делать из-за простоты и не большому проигрышу - у нас 5 Вт.
4
Примечание: здесь и далее пунктирная линия на токограммах - исходная (см. рис. 4).
При имеющихся различиях, все изображенные ранее токограммы роднит то,
что имеется два пика, привязанные к одним и тем же углам поворота кривошипа,
что характер зависимостей тока от угла кривошипа сохраняется. Отличие можно
свести к вытянутости отдельных участков токограмм относительно друг друга по
вертикальной оси. На рис. 7 показана токограмма
случайного противовключения двигателя. На ней
заметно смещение максимумов тока по углу
поворота кривошипа. Это обстоятельство
характерно для любого конструктива станкакачалки.
Проявление характерных неисправностей
1. Рис. 8 - отказ клапанов насоса. Динамическая нагрузка на подвеске
уменьшилась в десять раз.
2. Рис. 9 - обрыв штока между насосом и подвеской. Слева изображен график
потребляемой мощности, на котором виден генераторный режим.
3. Рис. 10 - заклинивание поршня насоса. Динамограмма - прямая наклонная
линия, когда нагрузка пропорциональна растяжке штока и изменяется (у нас)
от нулевого значения в НМТ до шести тонн в ВМТ.
5
4. Рис. 11 – газовый фактор.
Выводы:
1) Приведенные примеры показывают, что токограмма не только зависима
от нагрузки подвески, но и довольно специфично отражает внештатные
отклонения. Внешнее сходство токограмм на рис. 8 и 9, 10 и 11 не может вводить
в заблуждение, так как значительно разнятся величины.
2) Токограмма несет в себе достаточно информации, что бы путем
визуального анализа выявить крупные неисправности, сравнимые со здесь
приведенными. Если накопится опыт, то можно будет запрограммировать
компьютер на автоматическое определение большинства встречаемых в практике
отклонений от нормальной работы.
3) Сравнение графиков J и W показывает, что мощность более динамична и
ближе по форме к действующему на валу двигателя крутящему моменту.
Токограмма, к сожалению, не дает ответа на простой вопрос: ток потребляется
или генерируется?
P.S.
Что бы регистрировать вместо тока мощность, достаточно и необходимо
дополнительно измерять мгновенное напряжение. Сдвиг фаз при современном
развитии электроники определять не трудно. Если шкаф управления насосом
оснащен контроллером и измеряет потребляемую мощность, то дело за малым :
представить информацию в виде удобном для последующей обработки на
персональном компьютере, и накопив опыт, автоматизировать выявление
отклонений в графиках и анализ причин их вызвавших.
Главный инженер ООО «Квантор-Т» Кимерал А.Е.
Январь 2005 г.
6
7