Оценка производительности скважинной штанговой насосной установки

Содержание

Введение

Глава 1. Обзорная глава

.1Цели и задачи исследования

.2 Анализ литературы

.2.1 Комплексная система исследования работы скважин "Анализатор"

.2.2 Комплекс СТК РНК-ЛЭП

.2.3 Устройство для диагностирования состояния скважинного глубиннонасосного оборудования (патент)

.2.4 Системы контроля за состоянием глубинно-насосного оборудования " СИДДОС"

.3 Постановка задач диссертации

.4 Пути решения поставленных задач

.4.1 Ваттметрографический метод

.4.2 Метод динамограм

.5 Выводы по главе 1

Глава. 2. Теоретиче?кие о?новы решения по?тавленных задач

.1 Характери?тика ?танков качалок

.1.1 Размерный ряд станков-качалок по ГОСТ

.1.2 Динамометрирование и результаты исследований

2.1.3 Требования к измерениям количества сырой нефти по ГОСТ

2.2Изве?тные методы оценки производительно?ти

.2.1 Теоретическая производительность шгну

2.2.2 Оценка дебита по ваттметрограмме

2.2.3 Оценка дебита по динамограмме

.2.4 Методики оценки дебита по динамограмме

.4 Выводы по главе 2

Глава 3. Прикладные вопро?ы ?вязанные ? решением задач

.1 Ра?четы ?труктуры и параметров моделей

.2 Выбор алгоритмов и методов

.3 Методы обработки и пред?тавления информации

.4 Выводы по главе 3

Глава 4. Реализация результатов

.1 Развернутый пример решения задач

.1.1 Описание интерфейса ПО

.1.2 Выбор параметров для оценки с помощью наблюдателей

.1.3 Теоритеческое обоснование применения наблюдателей

.1.4 Разработка модели оценки параметра в Matlab Simulink

.1.4.1 Структурная схема исходной системы

.1.4.2 Модель объекта в пространстве состояний

.1.4.3 Переходные процессы в объекте управления

.1.4.4 Параметры переходных процессов

.1.5 Математическая модель наблюдателя Люенбергера полного порядка

.1.6 Математическая модель наблюдателя Люенбергера неполного порядка

.1.7 Ошибка , обусловленную действием неконтролируемого возмущающего воздействия на наблюдатель

.2 Описание ПО

.3 Оценка эффекта от и?пользования результатов

.3.1 Оценка прогрессивности опытно-конструкторской разработки

.3.2 Планирование разработки

.3.3 Определение затрат, себестоимости и цены ОКР

.3.4 Определение и оценка показателей экономической эффективности ОКР

.4 Вывод по главе 4

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

скважина насосный ваттметрограмма динамометрирование

Самой важной характеристикой работы ШГНУ является динамограмма. Накладным датчиком снимают динамограмму для оценки качественных характеристик и выявления некоторых неисправностей. Встраиваемым (межтраверсным) датчиком снимают "точную" динамограмму для учета некоторых количественных параметров.

Только при правильном анализе динамограммы, оператор или технолог может установить наличие конкретной неисправности в ШГНУ.

Вовремя вынесенный диагноз нефтегазовому оборудованию позволит сберечь время на его ремонт и соответственно значительные материальные затраты.

Нефть и газ являются одними из основных видов топлива,потребляемого человечеством.Нефть добывают и используют сравнительно давно, однако начало интенсивной промышленной разработки нефтяных месторождений приходится на конец ХIХ-начало ХХ веков.

Конец ХХ столетия характеризуется резким увеличением спроса на нефть и газ и их потребления. В настоящее время около 70 % энергитической потребности в мире покрывается за счет нефти и газа.

В последнее время добыча нефти с помощью фонтанирующих скважин фактически прекратилась. Многие скважины, пробуренные на нефтеносные пласты, сразу после окончания бурения вводятся в эксплуатацию насосным способом. Непрерывно растет фонд малодебитных скважин (до 3т/сутки)

Мощность насосного оборудования на них в 4-5 раз превышает необходимую. В настоящее время в стоимости нефти эксплуатационные расходы на электроэнергию и обслуживание энергетического комплекса доходят до 45-50%. Процесс добычи нефти после геологических работ и бурения скважин начинается с выбора оборудования. Средний срок эксплуатации нефтяных скважин около 20 лет. За это время оборудование меняется несколько раз. Это объясняется не столько его физическим износом, сколько изменением дебита нефти. Когда дебит скважины становится менее 100 т/сут, устанавливается штанговая глубинно-насосная установка (ШГНУ) - станок-качалка. Есть скважины, на которых сразу после бурения устанавливаются станки-качалки. 75% скважин в России оборудованы ими. Если производительность насоса станка-качалки превышает нефтеотдачу скважины, то в настоящее время или меняют станок-качалку, или переводят ее в периодический режим работы. Причем кажущаяся экономия электроэнергии и моточасов работы оборудования при периодической эксплуатации скважин на самом деле приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на тонну добытой нефти и к усложнению условий эксплуатации оборудования.

1)Поэтому требования правильного выбора электрооборудования для нефтедобычи, автоматизация его работы, снижение затрат на эксплуатацию и ремонт оборудования являются весьма актуальными.

Интенсификация технологических процессов добычи, переработки и хранения нефти и нефтепродуктов вызывает необходимость дальнейшего совершенствования систем автоматизации нефтяных отраслей промышленности, что, в свою очередь, связано с обработкой большого объема измерительной информации. Этим объясняется широкое развитие измерительных информационных систем, предназначенных для сбора, преобразования, передачи, хранения, обработки на ЭВМ и представления в удобном для оператора виде различного рода технологической информации.

В настоящее время для добычи нефти наиболее часто используются штанговые глубинные насосы (ШГН). Согласно статистике, таким способом в Западной Европе эксплуатируются 90% скважин, в США - 85%, в России - около 53%. Разрабатываются также новые нефтепромысловые технологии и оборудование, например, цепные приводы для ШГН, более эффективные при добыче высоковязкой и остаточной нефти, чем традиционные станки-качалки. В связи с этим проводятся дополнительные исследования с целью уточнения параметров, используемых при диагностировании состояния ШГН, и совершенствуются системы автоматизации скважин.

К достоинствам скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) относятся: технически несложный монтаж, возможность адаптации к изменяющимся условиям притока и относительно высокий КПД. К недостаткам - достаточно быстрый (3-4 года) износ плунжерной пары, насосно-компрессорных труб и штанг вследствие трения, а также трудоемкость операций по замене и ремонту глубинных насосов, что обусловливает необходимость своевременной диагностики и подтверждает актуальность автоматизации контроля технического состояния и режима работы СШНУ.

Наиболее эффективным способом контроля за состоянием глубинно-насосного оборудования остается динамометрирование ШГН - построение устьевой (наземной) динамограммы - графика зависимости нагрузки на траверсе СШНУ от положения полированного штока. Данный способ позволяет, используя методы диагностирования, отслеживать исправность работы ШГН в реальном масштабе времени, а также оценивать текущий фактический дебит скважины.

Среди известных на данный момент систем контроля состояния СШНУ наиболее перспективны стационарные информационно-измерительные системы (СИИС), позволяющие осуществлять непрерывный контроль за работой целых комплексов насосных установок. Вся информация, поступающая со скважин в диспетчерский пункт, оперативно обрабатывается и анализируется с использованием программного обеспечения верхнего уровня. Вышеизложенное позволяет утверждать следующее: создание новых систем контроля состояния СШНУ остается актуальной задачей, и, в частности, имеется необходимость разработки информационно-измерительной системы (ИИС) динамометрирования ШГН, адаптированной как для станков-качалок, так и для установок с цепным приводом и включающей программное обеспечение верхнего уровня с функциями диагностирования состояния ШГН.

Актуальность работы. Самой важной характеристикой работы ШГНУ является динамограмма. Накладным датчиком снимают динамограмму для оценки качественных характеристик и выявления некоторых неисправностей. Встраиваемым (межтраверсным) датчиком снимают "точную" динамограмму для учета некоторых количественных параметров.

Цель работы - спроектировать систему оценка производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею, что подразумевает под собой разработку информационно-измерительной системы оценки производительности динамометрирования скважин, оборудованных ШГНУ. Что подразумевает под собой решение следующих задач:

характеристика станков качалок

·размерный ряд станков-качалок по гост

·динамометрирование и результаты исследований

·требования к измерениям количества сырой нефти по гост

известные методы оценки производительности

·теоретическая производительность шгну

·оценка дебита по ваттметрограмме

·оценка дебита по динамограмме

·методики оценки дебита по динамограмме

прикладные вопросы связанные с решением задач

·расчеты структуры и параметров моделей

·выбор алгоритмов и методов

·методы обработки и представления информации

реализация результатов

·развернутый пример решения задач

·описание интерфейса по

·выбор параметров для оценки с помощью наблюдателей

·описание применение наблюдателей

·описание по

оценка эффекта от использования результатов

·оценка прогрессивности опытно-конструкторской разработки

·планирование разработки

·определение затрат, себестоимости и цены окр

·определение и оценка показателей экономической эффективности окр

Научная новизна. Для повышения качество оценки производительности ШГНУ по динамограмме был разработан алгормитм. Научная новизна заключается в доработке одного из существующих методов оценки. Оценка осуществляется с использованием наблюдателей Люенбергера - динамических наблюдающих устройств (ДНУ). Наблюдатели позволят оценивать параметры динамограммы более точно на основе их оценки по математическим моделям. Была разработана математическая модель оценки параметров с помощью наблюдателей Люенбергера.

Первоначально основной сферой использования ДНУ были динамические системы, в состав которых входят формирователи сигналов управления, использующих информацию в виде прямых и обратных связей по состоянию объекта или источника конечномерного экзогенного воздействия. В настоящее время сфера использования ДНУ заметно расширилась за счет нового поколения измерительных комплексов, которые решают задачу формирования результата измерения в алгоритмической среде ДНУ.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с использованием классической теории электрических цепей, теории погрешностей и помехоустойчивости, методов статистической обработки результатов измерений, методов решения уравнений математической физики, технологии высокоуровневого программирования. Проверка эффективности решения поставленных задач осуществлялась на реальных промысловых данных. На защиту выносятся: алгоритм оценки производительности динамограммы ШГНУ на основе применения наблюдателей Люенбергера для оценки неизвестных параметров.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 100 страницах машинописного текста и включает в себя введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения.

Глава 1. Обзорная глава

1.1Цели и задачи исследования

Необходимо спроектировать систему для диагностики и управления штанговой глубиннонасосной установки со следующими техническими параметрами:

надежность 0.95 за 10000ч;

габариты 310х187х76 мм;

потребляемая мощность, не более 3 Вт;

температурный диапазон -50 …+ 50 ºС;

погрешность, не более 1%.

Цель разработка системы оценки производительности ШГНУ по динамограмме и управления ею, что подразумевает под собой разработку информационно-измерительной системы динамометрирования скважин, оборудованных ШГНУ и ее программного обеспечения с функцией диагностирования состояния ШГНУ по динамограмме.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

Разработка ИИС динамометрирования скважин, оборудованных ШГН, адаптированной для станков-качалок и установок с цепным приводом.

Разработка программного обеспечения верхнего уровня, обеспечивающего сбор, хранение и обработку данных динамометрирования, в том числе диагностирование работы ШГН.

Разработка алгоритма диагностирования состояния ШГН по характерным симптомам устьевой динамограммы.

Разработка алгоритма расчета устьевой динамограммы по моделируемым усилиям на плунжере.

Экспериментальные исследования разработанной ИИС динамометрирования.

План работы следующий:

1 обзорная глава

теоретические основы решения поставленных задач

прикладные вопросы связанные с решением задач

реализация результатов

.2 Анализ литературы

В последние годы созданы вполне работоспособные приборы и целые комплексы, позволяющие регистрировать результаты динамометрирования в электронной памяти этих устройств с последующей (или одновременной) обработкой их на электронно-вычислительных машинах. Программно-математическое обеспечение (ПМО) каждого комплекса имеет свое оформление, требования к исходным данным и используемые методики их обработки.

Рассмотрим системы управления ШГНУ.

.2.1 Комплексная система исследования работы скважин "Анализатор"

Данная система разработана американской компанией "Есhоmеtег". Она представляет собой комплекс измерительных датчиков. Управление их работой и обработка получаемой информации производятся компьютером совместно с аналого-цифровым преобразователем. Такая система осуществляет обработку данных акустических микрофонов, датчиков давления и нагрузки, акселерометров, датчиков тока двигателя, тахометров и других измерительных устройств.

Для измерения уровня жидкости в кольцевом пространстве скважины акустическим методом эта система используется совместно с генератором импульсов, микрофоном и датчиком давления. Эти измерения используются для определения забойного давления работающей эксплуатационной скважины. А знание пластового давления и использование модели притока жидкости, с учетом определенного анализа, позволяют определять эффективный дебит скважины.

На скважинах со штанговым глубинно-насосным оборудованием данная система применима для динамометрических исследований с измерением нагрузок на полированном штоке, ускорения движения полированного штока и потребляемого двигателем электрического тока. Измерение нагрузок на полированном штоке возможно двумя способами (в зависимости от решаемой задачи).

. Для количественного динамометрического анализа необходимы данные высокой степени точности, которые можно получить с помощью подковообразного калиброванного датчика, измеряющего механическое напряжение. Он устанавливается между траверсами канатной подвески исследуемой скважины.

. Для получения качественной информации, позволяющей судить об эффективности работы насоса и выявлять (диагностировать) некоторые неисправности подземного оборудования, используется С-образный облегченный датчик, прикрепляемый при помощи зажима непосредственно к полированному штоку. Датчик замеряет изменение нагрузки на штангах путем замера изменения диаметра полированного штока. Если коэффициент Пуассона для стали равен примерно 0,3, то радиальное напряжение составит около ЗОУ0 от осевой нагрузки.

В обоих случаях для определения перемещения полированного штока используется очень компактный акселерометр на интегральной схеме, который встроен в датчик измерения нагрузки. Таким образом, необходим только один кабель для соединения компьютера и датчика нагрузки. Скорость движения полированного штока является результатом интегрирования сигнала ускорения акселерометра, а повторное интегрирование дает значение положения полированного штока как функции времени. Благодаря высокой скорости обработки информации компьютером, применяемым в комплексе систем "Анализатор", данные динамометрии появляются на экране сразу по мере измерения. В отдельном окне представляется график потребления электрического тока двигателем станка-качалки: анализ потребления электрического тока дает представление об уравновешенности станка-качалки.

Примеры графиков, получаемых при исследовании скважин с помощью комплексной системы "Анализатор", приведены на рисунке 1.2.1

- зависимость нагрузки на полированном штоке от положения балансира СКН (несколько циклов);

- зависимость нагрузки на полированном штоке от времени;

- зависимость нагрузки на полированном штоке от положения балансира СКН;

- зависимость тока электродвигателя привода СКН от времени;

- зависимость нагрузки на плунжере насоса от положения балансира СКН.

Рисунок 1.2.1 Примеры графиков, получаемых при исследовании скважин с помощью комплексной системы "Анализатор".

1.2.2 Комплекс СТК РНК-ЛЭП

Система предназначена для телеуправления, телеизмерений и телесигнализации нефтяных скважин и других объектов добычи и первичной переработки нефти. Система в своем составе имеет:

диспетчерский пункт (ДП);

станции управления центральные (СУЦ) на распределительных подстанциях напряжением 110-35/6(10) кВ (РП);

станции управления контролируемых пунктов (СУ КП).

На рисунке 1.2.2 показано размещение элементов СТК РНК-ЛЭП на объектах нефтепромысла и их взаимодействие с объектами управления.

Рисунок 1.2.1 Схема СТК РНК-ЛЭП

ДП - диспетчерский пункт, СУЦ - станция управления центральная, УПЦ, УПКП - устройства присоединения, КТП, Т-Р - комплектная трансформаторная подстанция, трансформатор, СУКП - станция управления контролируемого пункта, СУ СК - станция управления и защиты СКН при работе без РЭП СКН.

Конструктивно станции управления СТК РНК-ЛЭП представляют собой шкафы, в которых размещены кассеты с блоками. Диспетчерский пункт СТК РНК-ЛЭП оборудован ИЗМ-совместимым компьютером. Станции управления контролируемых пунктов устанавливаются на объектах телеуправления. СУ КП, имеющие проводные линии связи с диспетчерским пунктом НГДУ (СУ РП, КНС и др.), подключаются к ДП непосредственно, удаленные СУ КП подключаются к ЛЭП с помощью конденсаторного устройства присоединения и используют их в качестве физических линий связи с распределительной подстанцией 6(10) кВ (РП) и затем через СУЦ связываются с ДП. Принципиально возможно использование радиоканала для организации связи ДП-СУ КП.

Станции управления центральные на РП 35/6(10) кВ обеспечивают ретрансляцию команд и запросов диспетчерского пункта и ввод сигнала в ЛЭП через устройство присоединения к сборным шинам 6(10) кВ, а также прием и ретрансляцию данных от контролируемых пунктов, подключенных к ЛЭП. Связь ДП-СУЦ - проводная, по выделенной паре или с частотным уплотнением телефонной линии диспетчерской связи с подстанцией 35/6(10) кВ.

Технические возможности станций управления СТК РНК-ЛЭП позволяют осуществлять телесигнализацию и телеуправление (ТС и ТУ):

станками-качалками (СКН);

групповыми замерными установками (ГЗУ);

кустовыми насосными станциями (КНС);

распределительными подстанциями напряжением 110-35/6(10) кВ, РП),- другими объектами нефтедобычи и первичной переработки нефти. Примером функций ТС и ТУ могут служить следующие: включение, выключение и регулирование скорости качаний головки балансира станка-качалки, контроль потребляемой мощности, формирование ваттметрограммы двигателя, динамограммы станка-качалки, контроль количества откачиваемой жидкости, превышения давления в выкидном трубопроводе, несанкционированного доступа в СУ.

Станции управления КП позволяют оперативному персоналу связаться по телефонному каналу с диспетчером НГДУ. Программные средства СТК РНК-ЛЭП позволяют вести архивы накопленных (контролируемых параметров, ваттметрграмм, динамограмм и др.), составлять отчеты.

.2.3 Устройство для диагностирования состояния скважинного глубиннонасосного оборудования (патент)

Устройство используется в области нефтедобычи. Предназначено для автоматического сбора, анализа и хранения информации о работе скважин, оборудованных штанговыми глубиннонасосными установками (ШГНУ), а также электроцентробежными насосами (ЭЦН).

Схема устройства для диагностирования состояния скважинного глубиннонасосного оборудования представлена на рисунке 1.2.3

Рисунок 1.2. 3 Схема устройства для диагностирования состояния скважинного глубиннонасосного оборудования

Для проведения диагностирования технического состояния штанговой глубиннонасосной установки все датчики устанавливают в соответствующем месте на дневной поверхности скважины, выходы датчиков подключают к входу вторичного прибора, на соответствующие тракты измерения блока регистрации 2.

Режим работы устройства выбирают с помощью клавиатуры 18. Запись информации о техническом состоянии ШГНУ производят в течение одного или кратного количества циклов работы установки. Рабочий цикл определяют по интервалу времени между двумя "мертвыми" точками положения балансира ШГНУ.

При снятии динамограммы, характеризующей работу насоса, в блоке регистрации 2 в оперативно-запоминающем устройстве 20 задается область, в которую будет заноситься информация о работе насоса, а также заносятся данные: N куста, N скважины, длина хода и период хода полированного штока. Затем запускают отсчет времени в блоке временной задержки 13, после чего запускают станок-качалку на несколько периодов, полированный шток при этом совершает возвратно-поступательное движение, как следствие - датчики усилия 3 и хода 4 полированного штока начинают формировать сигналы. По истечении времени задержки, после того, как ШГНУ вошла в установившийся режим работы, автоматически или с дистанционного пульта оператора запускается режим измерения, и сигнал с датчика усилий 3 поступает на усилитель 8 и далее через мультиплексор 11, который осуществляет коммутацию имеющихся аналоговых сигналов, - на вход аналого-цифрового преобразователя 12, а с него - на порт микропроцессорного контроллера 17. В это же время сигнал с датчика положения 4 также поступает на вход микропроцессорного контроллера 17 и на вход блока запуска измерений 14. При этом датчик положения 4 установлен на полированном штоке станка-качалки таким образом, чтобы синхронизирующий сигнал запуска измерения микропроцессорного контроллера 17 вырабатывался в блоке запуска измерений 14 только тогда, когда канатная подвеска находится в крайнем нижнем положении. По этому сигналу контроллер 17 начинает измерять время одного качания и усилие между траверсами подвески штанг. Обработка постоянно поступающей в цикле измерения информации о времени и усилии осуществляется в контроллере 17 в соответствии с заданной программой, поступающей из программного блока управления 19. После прихода с датчика положения второго синхронизирующего сигнала по цепи датчик положения 4 - блок запуска измерений 14 - контроллер 17 - генератор 16 синусоидальных колебаний информация автоматически выводится на графический индикатор 22, заносятся в память оперативно-запоминающего устройства 20 все необходимые уровни нагрузок и единичная динамограмма. При этом развертка динамограммы по оси X осуществляется по сигналу с генератора синусоидальных колебаний 16, период колебаний которого соответствует периоду одного качания. На экране графического индикатора 22 отображается одиночная динамограмма (фиг. 2), по которой определяют вес штанг Pшт, вес штанг плюс жидкости Pш+ж, минимальный (Pmin) и максимальный (Pmax) вес штанг, а также длину хода. Значения нагрузок в цифровом виде заносятся в протокол промысловых испытаний с фактическими нагрузками за период одного цикла. По полученной одиночной динамограмме в соответствии с программой, заданной программным блоком управления 19, автоматически прямо на скважине рассчитываются величина среднего дебита, утечки в клапанах насоса, производительность насоса.

.2.4 Системы контроля за состоянием глубинно-насосного оборудования " СИДДОС"

Программно-аппаратный комплекс "СИДДОС", разработанный Томским НПО "СИАМ", предназначен для контроля и измерения рабочих характеристик штанговых глубинных насосов: силовых нагрузок в различных положениях полированного штока, длины хода, числа качаний, наличия утечек в глубинном оборудовании, динамограммы работы насоса. Данные измерений записываются в энергонезависимую память электронного блока и далее могут быть:

выведены на термопечатающее устройство в виде динамограммы и цифрового отчета;

переданы в компьютерную базу данных по проведенным исследованиям.

Телединамометрическая система контроля, разработанная Московским нефтяным институтом, представляет собой датчики усилия и перемещения, стационарно устанавливаемые на балансире СКН. Система фиксирует деформацию балансира в процессе работы СКН, пропорциональную возникающим в глубинном оборудовании нагрузкам. Информация о состоянии глубинного оборудования регистрируется в процессе обхода скважин путем подключения вторичного электронного прибора к штепсельному разъему стационарного датчика с последующей передачей в компьютер и созданием необходимой базы данных. При наличии кабельной или радиосвязи система предусматривает возможность дистанционного контроля за состоянием глубинного оборудования централизованно, с пульта диспетчера.

.3 Постановка задач диссертации

характеристика станков качалок

·размерный ряд станков-качалок по гост

·динамометрирование и результаты исследований

·требования к измерениям количества сырой нефти по гост

известные методы оценки производительности

·теоретическая производительность шгну

·оценка дебита по ваттметрограмме

·оценка дебита по динамограмме

·методики оценки дебита по динамограмме

прикладные вопросы связанные с решением задач

·расчеты структуры и параметров моделей

·выбор алгоритмов и методов

·методы обработки и представления информации

реализация результатов

·развернутый пример решения задач

·описание интерфейса по

·выбор параметров для оценки с помощью наблюдателей

·описание применение наблюдателей

·описание по

оценка эффекта от использования результатов

·оценка прогрессивности опытно-конструкторской разработки

·планирование разработки

·определение затрат, себестоимости и цены окр

·определение и оценка показателей экономической эффективности окр

.4 Пути решения поставленных задач

Эффективность добычи нефти способом ШГНУ в основном зависит от правильного подбора оборудования, установления оптимальных режимов откачки жидкости и степени автоматизации скважины. Контроль откачки можно проводить несколькими методами, но наиболее распространены наиболее информативны два метода: динамометрирование и ваттметрографирование.

.4.1 Ваттметрографический метод

В основе метода лежит анализ ваттметрограмм, записанных в процессе контроля за работой глубиннонасосных скважин при помощи ваттметрографов. Ваттметрограмма представляет собой зависимость потребляемой мощности ШГНУ в зависимости от положения штанги. В отличие от динамометрирования, получение ваттметрограммы не связано с применением специальных датчиков, для этого достаточен только контроль тока и напряжения.

Предположение о возможности применения ваттметрограмм для контроля за работой станков-качалок были впервые высказаны еще в 1948г. профессором Куликовским Л.Ф., но не были разработаны методики расшифровки ваттметрограмм. В настоящее время, в связи с повышенными требованиями к качеству и надежности контроля за работой станков-качалок при минимальных затратах по обслуживанию, ваттметрографический метод заслуживает внимание и дальнейшего развития. С помощью этого метода можно определить:

состояние работы насоса;

степень неуравновешенности станка-качалки;

наличие отрицательных усилий, ведущих к преждевременному выходу из строя редуктора;

степень износа и состояние отдельных узлов станка-качалки;

состояние ремней передачи;

степень загруженности электродвигателя.

В настоящее время существует множество технических средств контроля и управления работой технологического объекта нефтедобычи, отличающихся оригинальными техническими и конструктивными решениями и выполненными на высоком техническом уровне, но все эти системы ваттмет-рографии имеют высокую стоимость и, как правило, являются самодостаточными, т.е. данные системы трудно состыковать с уже имеющимся парком станций управления и невозможно постепенное наращивание системы.

Для создания недорогой системы ваттметрографирования необходим блок снятия ваттметрограмм со следующими параметрами:

малая стоимость;

малые габариты (блок должен устанавливаться во все типы существующих станций управления);

простота установки;

возможность подключения к существующим системам контроля.

Ваттметрграмма представляет собой зависимость потребляемой ГШН мощности в зависимости от положения лгтанги. В отличие от динамометрирования, получение ваттметрграммы не связано с применением специальных датчиков, для этого достаточен только контроль тока и напряжения.

Предположение о возможности применения ваттметрграмм для контроля за работой станков-качалок были впервые высказаны еще в 1948г. профессором Куликовским Л.Ф., но не были разработаны методики расшифровки ваттметрграмм. В настоящее время, в связи с повышенными требованиями к качеству и надежности контроля за работой станков-качалок при минимальных затратах по обслуживанию, ваттметрографический метод заслуживает внимание и дальнейшего развития. С помощью этого метода можно определить:

. Состояние работы насоса.

. Степень неуравновешенности станка-качалки.

. Наличие отрицательных усилий, ведущих к преждевременному выходу из строя редуктора.

1.4.2 Метод динамограм

Динамографирование скважин - это процесс получения зависимости изменения нагрузки в точке подвеса штанг от перемещения этой точки в виде замкнутых кривых, называемых динамограммами.

Динамографирование осуществляется с помощью различных типов динамографов, подразделяющихся по принципу действия преобразующего устройства на гидравлические, механические и электрические. Последние могут быть как ручными, так и автоматическими.

Изменение нагрузки на полированном штоке за время одного полного хода станка-качалки является результатом сложного взаимодействия большого числа различных факторов. Чтобы правильно читать практические динамограммы, необходимо изучить законы их образования при различных условиях работы глубинного насоса.

К наиболее простым случаям относятся следующие:

глубинный насос исправен и герметичен;

погружение насоса под динамический уровень равно нулю;

цилиндр насоса целиком заполняется дегазированной и несжимаемой жидкостью из скважины;

движение полированного штока происходит настолько медленно, что обусловливает полное отсутствие инерционных и динамических нагрузок;

силы трения в подземной части насосной установки равны нулю.

Полученная при этих условиях динамограмма называется простейшей теоретической динамограммой нормальной работы насоса.

Процесс образования простейшей теоретической динамограммы начинает прослеживаться с хода плунжера вниз, когда он с открытым нагнетательным клапаном приближается к своему крайнему нижнему положению. В это время приемный клапан закрыт и вес жидкости принят насосными трубами, которые получили при этом соответствующее удлинение. На полированный шток действует только нагрузка от веса штанг, погруженных в жидкость. В крайнем нижнем положении плунжер останавливается и нагнетательный клапан закрывается. Этот момент на динамограмме отмечается точкой А.

При этом давление жидкости в цилиндре насоса практически равно давлению в насосных трубах над плунжером. В следующий момент полированный шток начинает двигаться вверх. Плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса, так как упругие штанги не могут передать ему движение до тех пор, пока они не получат полного растяжения от веса столба жидкости в насосных трубах, приходящегося на площадь плунжера.

Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса представлена рисунке 1.4.1.

Рисунок 1.4.1 Динамограмма нормальной работы насоса

Величина растяжения штанг прямо пропорциональна величине воспринятой части веса жидкости. Поэтому по мере увеличения растяжения штанг нагрузка на полированном штоке растет. Та часть жидкости, которую приняли на себя штанги, снимается с труб. Вследствие этого трубы сокращают свою длину и их нижний конец, закрытый приемным клапаном, движется вверх. Так как между приемным и нагнетательным клапанами в цилиндре насоса находится практически несжимаемая жидкость, то движение нижнего конца труб вверх вызывает движение вверх и плунжера вместе с насосом.

В любой момент времени текущая величина растяжения штанг равна разности перемещений полированного штока и плунжера. Поэтому, чтобы штанги получили полное растяжение, необходимое для передачи движения плунжеру, полированный шток должен пройти путь, равный сумме растяжения штанг и сокращения труб.

Нагрузка на полированном штоке возрастает при одновременном перемещении его вверх. Поэтому процесс восприятия штангами нагрузки от веса жидкости изображается на динамограмме наклонной линией АБ. Линию АБ называют линией восприятия нагрузки.

Точка Б соответствует:

а) окончанию процесса растяжения штанг и одновременного сокращения труб;

б) началу движения плунжера в цилиндре насоса;

в) моменту открытия приемного клапана и началу поступления жидкости из скважины в цилиндр насоса.

Во время последующего движения плунжера вверх на полированный шток действует неизменная нагрузка, равная нагрузке в точке В. Поэтому динамограф прочерчивает прямую горизонтальную линию БВ, параллельную нулевой линии динамограммы.

Точка В соответствует:

а) крайнему верхнему положению полированного штока и плунжера;

б) прекращению поступления жидкости из скважины в цилиндр насоса;

в) моменту закрытия приемного клапана.

Длина линии БВ в масштабе перемещений соответствует длине хода плунжера в цилиндре насоса.

Из крайнего верхнего положения полированный шток начинает движение вниз. Однако плунжер не может двигаться вниз, так как под ним в цилиндре насоса находится практически несжимаемая жидкость. Нагнетательный клапан не может открыться, потому что давление в цилиндре насоса равно нулю, а над плунжером оно равно давлению всего столба жидкости в насосных трубах. Поэтому плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса. Вследствие того, что плунжер стоит на месте, а полированный шток движется вниз, длина штанг сокращается и нагрузка от веса жидкости постепенно передается на трубы. Давление в цилиндре насоса увеличивается пропорционально сокращению штанг.

Воспринимая нагрузку от веса жидкости, трубы соответственно удлиняются и их нижний конец движется вниз. Так как плунжер опирается на несжимаемый столб жидкости в цилиндре насоса, то он движется вниз, оставаясь неподвижным по отношению к цилиндру насоса. Это вынужденное продвижение плунжера замедляет сокращение штанг и снятие нагрузки от веса жидкости. Поэтому штанги получают полное сокращение и полностью снимают с себя нагрузку от веса жидкости только тогда, когда полированный шток проходит расстояние, равное сумме сокращения штанг и растяжения труб от веса жидкости (отрезок ГГ\).

Вследствие уменьшения нагрузки при одновременном перемещении полированного штока вниз, происходит снятие со штанг нагрузки от веса жидкости. Этот процесс изображается на динамограмме наклонной линией ВГ. Линию ВГ называют линией снятия нагрузки.

По уже изложенным причинам линия ВГ может быть принята за практически прямую, параллельную линии АБ.

Точка Г соответствует:

а) окончанию процесса сокращения штанг и одновременного растяжения труб;

б) моменту открытия нагнетательного клапана;

в) началу движения плунжера вниз.

Во время движения плунжера вниз на полированный шток действует неизменная нагрузка, равная весу штанг, погруженных в жидкость. Поэтому динамограф прочерчивает прямую горизонтальную линию АГ, параллельную нулевой линии динамограммы.

Таким образом, простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса при упругих штангах и трубах имеет форму параллелограмма.

На основании изложенного можно сформулировать следующие характерные признаки практической динамограммы. дающие право на заключение о нормальной работе насоса:

линии восприятия и снятия нагрузки практически могут быть приняты за прямые;

линии восприятия и снятия нагрузки у практической динамограммы параллельны соответствующим линиям теоретической динамограммы, и следовательно параллельны друг другу;

левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые.

Рассмотрим типовые формы динамограмм, которые представлены на рисунке 1.4.2.

Рисунок 1.4.2 Типовые формы динамограмм

1-3 -нормальная работа насоса ; 4-6 -6утечки в нагнетательной части: средняя, большая утечки; выход из строя нагнетательной части соответственно; 7-9 - утечки в приемной части: средняя, большая утечки, выход из строя приемной части соответственно; 10-12 - утечки в приемной и нагнетательной частях; 13-15 -влияние газа на работу насоса: влияние пластового газа; изменение контура; ( влияние газа и утечки в нагнетательной части соответственно; 16-18 -прихват плунжера насоса: НСН2, НСВ1 с выходом из замковой опоры, заедание песком соответственно; 19-20 -утечки в НКТ; 21-22 -фонтанирование; 23 -"высокая посадка плунжера в НСН2; 24 - то же, в НСВ1 без слива из замковой опоры; 25 - низкая посадка плунжера в НСН2; 26 -то же, в НСН1; 27, 28 - негерметичность насоса; 29 -обрыв или отворот штанг в нижней части; 30 -то же, в верхней части; 31-34 -низкий динамический уровень (33 -пробка; 34 - заедание песком)

Расшифровка динамограмм требует учета различных факторов.

Рассмотрим, например, динамограммы 23, 27, 28. Они соответственно, характеризуют, помимо высокой посадки и запаздывания закрытия нагнетательного клапана, негерметичность торцов втулок.

Так, например, динамограмма 23 показывает выход плунжера насоса НСН из цилиндра. Такая же форма динамограммы получена при разъедании у насоса НСН2 и НСВ1 одного стыка втулок в верхней части цилиндра и второго - в нижней части. Плунжер, находясь в нижней части, перекрывает разъеденную часть, и утечка не происходит, при ходе вверх он открывает путь для утечки жидкости. Динамограмма 27 указывает на разъедание стыка втулок посередине цилиндра. На динамограмме 28 показан случай, когда разъедены стыковые соединения, расположенные в таких местах, что плунжер в нижнем и в верхнем положениях перекрывает их, а утечка происходит на середине хода плунжера. На динамограмме при этом в середине хода получается провал (показан стрелками).

1.5 Выводы по главе 1

Был произведен анализ аналогичных систем. Описаны достоинства и недостатки их. Описаны методы измерения. Были описаны цели и задачи исследования. Была сделана постановка задачи проекта.

Глава. 2. Теоретиче?кие о?новы решения по?тавленных задач

.1 Характери?тика ?танков качалок

Про?тое в кон?труктивном отношении у?трой?тво, о?военное в начале 20-х годов, ?тало ?амым ра?про?траненным в мире ?по?обом добычи нефти.

Оборудование для эк?плуатации ?кважин этим ?по?обом включает (ри?. 2.1):

штанговый глубинный на?о? 19,

?и?тему на?о?но-компре??орных труб 17 и штанг 18, на которых на?о? подвешивает?я в ?кважине,

приводную ча?ть индивидуальной штанговой у?тановки балан?ирного типа, ?о?тоящую из ?танка-качалки и электродвигателя 3,

у?тьевое оборудование ?кважины 15, предназначенное для подве?ки на?о?ных труб и герметизации у?тья,

при?по?обления 13 и 14 для подве?ки на?о?ных штанг к головке балан?ира ?танка-качалки.

В ?кважину на колонне НКТ под уровень жидко?ти ?пу?кают цилиндр на?о?а 24, в нижней ча?ти которого у?тановлен приемный клапан 27, открывающий?я только вверх. Затем на на?о?ных штангах внутрь НКТ ?пу?кают поршень 25, называемый плунжером, который у?танавливают в цилиндр на?о?а. Плунжер имеет один или два клапана, открывающие?я только вверх, называемые выкидными 26 или нагнетательными.

Верхний конец штанг прикрепляют к головке переднего плеча балан?ира ?танка-качалки. Для направления жидко?ти из НКТ в выкидную линию и предотвращения ее разлива на у?тье ?кважины у?танавливают тройник и выше него ?альник 21, через который пропу?кает?я ?альниковый шток 14.

При ходе плунжера вверх под ним падает давление и в?а?ывающий клапан под давлением ?толба жидко?ти в затрубном про?тран?тве открывает?я, жидко?ть из ?кважины по?тупает в цилиндр на?о?а. В это время нагнетательный клапан плунжера закрыт под давлением ?толба находящей?я под ним жидко?ти. При ходе плунжера вниз приемный клапан под давлением ?толба жидко?ти в на?о?ных трубах закрывает?я, а клапан, ра?положенный на плунжере, открывает?я, и жидко?ть по?тупает в на?о?но-компре??орные трубы. При непрерывной работе плунжера в?а?ывание и нагнетание чередуют?я, в результате чего при каждом ходе некоторое количе?тво жидко?ти по?тупает в НКТ. Уровень жидко?ти в них по?тепенно повышает?я и до?тигает у?тья ?кважины: жидко?ть начинает переливать?я в выкидную линию через тройник ? ?альниковым у?трой?твом.

Про?тота об?луживания и надежно?ть ?кважинных на?о?ов, вы?окий КПД, гибко?ть в отношении регулирования, отборов жидко?ти ? различных глубин, возможно?ть их применения в о?ложненных горно-геологиче?ких у?ловиях эк?плуатации и ряд других преимуще?тв вывели этот ?по?об на ведущее ме?то в нефтедобывающей отра?ли. Штанговыми на?о?ами в на?тоящее время на ме?торождениях Ро??ии оборудовано более 70 % добывающих ?кважин.

Структура фонда ?кважин, охватывающая ме?торождения ОАО "Оренбургнефть", показывает, что более 90 % ?кважин эк?плуатируют?я механизированным ?по?обом. Из них 62 % (1999 г.) ?о?тавляют у?тановки штанговых глубинных на?о?ов, добыча по которым в ?утки ?о?тавляет по жидко?ти 13 %, а по нефти -около 24 % от в?ей добычи по ОАО "Оренбургнефть" (табл. 2.1) и (ри?. 2.2).

Ри?. 2.2. Штанговая глубинно-на?о?ная у?тановка: I - у?тьевое оборудование; II - подве?ка труб и штанг; III - глубинный на?о?; IV - газовый или пе?очный якорь; 1 - фундамент; 2 - рама; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор; 5 - кривошип; 6 - груз; 7 - шатун; 8 - груз балан?ира; 9 - ?тойка; 10 - балан?ир; 10 - механизм фик?ации головки балан?ира; 12 - головка балан?ира; 13 - канатная подве?ка; 14 - ?альниковый шток; 15 - оборудование у?тья ?кважины; 16 - об?адная колонна; 17 - на?о?но-компре??орные трубы; 18 - колонна штанг; 19 - глубинный на?о?; 20 - газовый якорь; 21 - ?альник у?тьевой; 22 - муфта трубная; 23 - муфта штанговая; 24 - цилиндр на?о?а; 25 - плунжер на?о?а; 26 - нагнетательный (выкидной) клапан; 27 - в?а?ывающий (приемный) клапан

Приведенные данные показывают, что даже незначительные изменения показателей эк?плуатации ?кважин штанговыми на?о?ами могут ?уще?твенно повлиять на уровень добычи нефти и эффективно?ть деятельно?ти в ту или иную ?торону в целом по объединению.

Таблица 2.2. Показатели эк?плуатации ?кважин ? применением ШГНУ в ОАО "Оренбургнефть" за 1994-1999 гг.

ПоказательГоды199419951996199719981999Дей?твующий фонд ?кважин11461135107211909431214Добыча нефти, % общей добычи192121232324Добыча жидко?ти, % общей добычи141515201920Средне?уточный дебит, т/?ут:по нефти3,74,24,44,74,54,0по жидко?ти7,68,39,19,110,610,5Обводненно?ть добываемой жидко?ти, % (по ма??е)50,849,651,551,557,157,7Межремонтный период, ?ут354325318318370365

Ри?. 2.2. Динамика показателей эк?плуатации ШГНУ по объектам ОАО "Оренбургнефть": I - фонд ?кважин ? ШГНУ, %; II - доля ШГНУ в добыче нефти, %; III - доля ШГНУ в добыче жидко?ти, %

2.1.1 Размерный ряд станков-качалок по гост

В на?тоящее время на промы?лах и?пользуют?я ?танки-качалки по ГОСТ 5866-7А. Производ?твом было о?воено 7 моделей грузоподъемно?тью от 30 до 120 кН.

У?ловное обозначение на примере СК5-3-2500 ра?шифровывает?я ?ледующим образом:

СК5 - ?танок-качалка ? мак?имальной нагрузкой на головку балан?ира 5 т или 50 кН;

- мак?имальная длина хода у?тьевого штока 3 м;

- мак?имальный крутящий момент на ведомом валу редуктора 2500 кг?-м или 25 кНм.

Преду?мотрен выпу?к ?танков-качалок дезак?иального типа 6 размеров по ОСТ 26-16-08-8Б.

Принципиальное отличие дезак?иальных ?танков-качалок от ранее применявших?я и?ключительно ак?иальных в том, что дезак?иальные ?танки-качалки обе?печивают разное время хода штанг вверх и вниз, тогда как ак?иальные - одинаковое. По?кольку разница в кинематике кон?труктивно обе?печивает?я элементарными ?ред?твами, т.е. тем или иным ра?положением редуктора отно?ительно балан?ира и не требует ?пециальных изменений кон?трукции, то ?танки качалки по ра??матриваемому отра?левому ?тандарту не отличают?я от аналогичных по Го??тандарту.

У?ловное обозначение ра??мотрим на примере СКДТЗ-1,5-710:

СК - ?танок-качалка;

Д - дезак?иальный;

Т - редуктор у?тановлен на тумбе;

- номинальная нагрузка на у?тьевой шток 3 т или 30 кН;

,5 - мак?имальная длина ход у?тьевого штока 1,5 м;

- номинальный крутящий момент на ведомом валу редуктора 710 кг?-м или 7,1 кНм.

Приводы АО "Ижнефтемаш" выпу?кают?я по техниче?ким у?ловиям ТУ 3665-012-05785537-93 в не?кольких вариантах и?полнения. У?ловное обозначение на примере ПНШ60 -2,1-25 означает ?ледующее: ПНШ - привод на?о?ов штанговых; 60 - нагрузка на у?тьевом штоке не более 60 кН; 2,1 - наибольшая длина у?тьевого штока 2,1 м; 25 -номинальный крутящий момент на ведомом валу редуктора 25 кН-мэ

Приводы, выпу?каемые ПО "Уралмаштран?маш". У?ловное обозначение приводов ра??мотрим на примере ПШГНТ4-1,5-1400:

ПШГН - привод штанговых глубинных на?о?ов; Т - редуктор у?тановлен на тумбе; 4 - мак?имальная нагрузка на у?тьевом штоке 4 тонны; 1,5 - наибольшая длина хода у?тьевого штока 1,5 м;

.1.2 Динамометрирование и результаты исследований

Нормальная эк?плуатация штанговой ?кважинной на?о?ной у?тановки требует по?тоянного контроля за работой о?новных узлов для ?воевременного принятия необходимых мер для ее обе?печения. Информацию о работе подземного оборудования при этом ?по?обе добычи нефти получают при помощи динамометрирования. Динамометрирование ШГНУ - важнейший и?точник информации о работе штангового на?о?а, колонны штанг, ?о?тоянии забоя ?кважины и др. - о?уще?твляет?я при помощи ?пециальных техниче?ких ?ред?тв; наиболее ра?про?транено телединамометрирование, обе?печивающее оперативное получение динамограммы на ди?петчер?ком пульте без нарушения режима работы ?кважин. Динамограмма пред?тавляет ?обой график зави?имо?ти нагрузки в точке подве?а штанг от длины хода полированного штока верхней штанги. Теоретиче?кая динамограмма нормальной работы у?тановки о?нована на учете ?ил тяже?ти, упруго?ти, трения и закона Архимеда. Недо?таточный учет других влияющих факторов, таких как инерционная ?ила и ?вой?тва откачиваемой жидко?ти, ограничивает возможно?ть ?уще?твенного динамометрирования.

Динамограмма пред?тавляет ?обой параллелограмм в координатах нагрузка (р) - длина хода полированного штока (S) (ри?унок 2.3). Линия Г1А1 ?оответ?твует разнице нагрузки от ве?а штанг и ?илы трения р? и параллельна нулевой линии (о?и S) динамограммы в?лед?твие по?тоян?тва ве?а штанги и ?илы трения. Линия АГ ?оответ?твует ?татиче?кому ве?у штанг в жидко?ти Ршт, т. е. без трения. Следовательно, трение колонны штанг о жидко?ть уменьшает длину хода плунжера, и нагнетательный клапан закрывает?я не в точке А, а в точке А1 (отрезок f?). При изменении направления движения плунжера проце?? запи?ывает?я отрезком прямой АА2. Начиная ? точки А2, штанги во?принимают нагрузку от ве?а ?толба жидко?ти Рж (отрезок А2Б2). В точке Б1 нагрузка равна ?умме ве?ов штанг жидко?ти и ?ил трения Р?. В этой точке приемный клапан на?о?а открывает?я и жидко?ть по?тупает в цилиндр на?о?а. Дальнейшее движение плунжера опи?ывает?я линией Б1В2. С началом движения вниз изменяют?я направление и величина ?ил трения. Изменение нагрузки ?оответ?твует В2Г1, при этом прои?ходит разгрузка колонны штанг и нагружение труб. Точка Г - открытие нагнетательного клапана на?о?а и начало движения плунжера вниз (отрезок Г1 А1).

Ри?унок 2.3. Динамограмма ШГНУ

Таким образом, обработка динамограммы дает возможно?ть определить количе?твенные и каче?твенные показатели работы ШГНУ: нагрузки и напряжения в полированном штоке, длину хода плунжера и полированного штока, коэффициент наполнения на?о?а, герметично?ть приемной и нагнетательной ча?тей на?о?а, влияние газа, правильно?ть по?адки плунжера, наличие утечек в НКТ, отвороты и обрывы штанг или штанговых муфт, заклинивание плунжера.

По динамограмме работы ШГН в ?реде, ?одержащей ?вободный газ, также определяют давление у приема на?о?а, дебит жидко?ти и дебит газа.

Как правило, динамометрирование должны проводить в первый же день по?ле ?пу?ка на?о?а в ?кважину и при изменениях режима откачки и подачи на?о?а, а также в проце??е его работы для ?воевременного выявления различных неполадок.

Для у?тановления в каждом конкретном ?лучае характера о?ложнений целе?ообразно во?пользовать?я типовыми динамограммами.

Измеряемую нагрузку G определяют умножением показания динамографа С (мм) по о?и ординат на ма?штаб у?илий Р (60 Н/мм):

= CP.

Перемещение полированного штока и плунжера ра??читывают умножением ра??тояния между заданными точками по о?и аб?ци?? на ма?штаб хода. Ра??тояние между перпендикулярами, опущенными из крайний точек динамограммы (точки А и В) на о?ь, ?оответ?твует ходу полированного штока S. Ход плунжера Sпл ?оответ?твует ра??тоянию между перпендикулярами, опущенными на о?ь из точек Б и В.

Потеря хода полированного штока равна ?S=S-Sпл, а коэффициент подачи на?о?а - ??Sпл/S.

Ри?унок 2.4 - Типовые динамограммы ШСНУ

На ри?унке 2.4 приведены типовые формы динамограмм. Ра?шифровка динамограмм требует учета различных факторов.

Ра??мотрим, например, динамограммы 23, 27, 28. Они ?оответ?твенно, характеризуют, помимо вы?окой по?адки и запаздывания закрытия нагнетательного клапана, негерметично?ть торцов втулок.

Так, например, динамограмма 23 показывает выход плунжера на?о?а НСН из цилиндра. Такая же форма динамограммы получена при разъедании у на?о?а НСН2 и НСВ1 одного ?тыка втулок в верхней ча?ти цилиндра и второго - в нижней ча?ти. Плунжер, находя?ь в нижней ча?ти, перекрывает разъеденную ча?ть, и утечка не прои?ходит, при ходе вверх он открывает путь для утечки жидко?ти. Динамограмма 27 указывает на разъедание ?тыка втулок по?ередине цилиндра.

.1.3 Требования к измерениям количества сырой нефти по гост

На?тоящий ?тандарт у?танавливает общие метрологиче?кие и техниче?кие требования к измерениям количе?тва (ма??ы, объема) и других параметров извлекаемых из недр ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа на этапах добычи, ?бора, тран?портировки ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа и подготовки товарной продукции на территории Ро??ий?кой Федерации.

Стандарт применяют в каче?тве о?новы для разработки методик выполнения измерений, а также нормативных и других документов, результаты и?пользования которых являют?я о?нованием для ра?чета количе?тва ?ырой нефти, ?ырой нефти обезвоженной, нетто ?ырой нефти и ?вободного нефтяного газа, извлеченных из недр, ра?чета фактиче?ких потерь и проведения раздельного учета по ?кважинам, ме?торождениям и лицензионным уча?ткам.

Результаты измерений ма??ы нефти по ГОСТР 8.595 являют?я о?нованием для корректировки результатов измерений ? применением СИКНС, ИУ и СИ по лицензионным уча?ткам, отдельным ?кважинам или группам ?кважин.

Для измерений количе?тва ?ырой нефти и нефтяного газа применяют СИ, имеющие ?ертификат об утверждении типа и вне?енные в Го?удар?твенный рее?тр ?ред?тв измерений в ?оответ?твии ? правилами по метрологии .

СИ подлежат го?удар?твенному метрологиче?кому контролю, о?уще?твляемому в виде периодиче?ких поверок в ?оответ?твии ? правилами по метрологии, проводимых органами Го?удар?твенной метрологиче?кой ?лужбы или метрологиче?кими ?лужбами юридиче?ких лиц, аккредитованными на право поверки СИ.

СИ, применяемые на объектах, поднадзорных Федеральной ?лужбе по экологиче?кому, технологиче?кому и атомному надзору, должны иметь разрешение на применение, выданное этой ?лужбой.

Пределы допу?каемой отно?ительной погрешно?ти измерений:

а) ма??ы ?ырой нефти: ±2,5 %;

б) ма??ы ?ырой нефти без учета воды при ?одержании воды в ?ырой нефти (в объемных долях):

до 70 % - ±6 %;

от 70 % до 95 % - ±15 %;

?выше 95 % - предел допу?каемой отно?ительной погрешно?ти у?танавливают в МВИ, утвержденных и атте?тованных в у?тановленном порядке;

в) объема ?вободного нефтяного газа: ±5 %.

В ?лучае изменения газового фактора по лицензионным уча?ткам не более чем на 5 % за предыдущие 5 лет допу?кает?я определение объема ?вободного нефтяного газа по ?кважинам на о?новании данных периодиче?ких гидродинамиче?ких и??ледований.

Под дебитом ?кважины понимают количе?тво жидко?ти, добываемой из ?кважины (единица измерения м3/?ут или т/?ут). Для ме?торождений Башкирии эта цифра в ?реднем ?о?тавляет 3…5 м3/?ут. Для примера, в Ираке, где нефть добывает?я фонтанированием, 1 ?кважина в день дает ?только же нефти, ?колько целый промы?ел в НГДУ "Уфанефть" за ме?яц.

Правомерно?ть и?пользования термина "дебит" пропи?ана в ГОСТ Р 8.615-2005 "Измерения количе?тва извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологиче?кие и техниче?кие требования".

2.2 Изве?тные методы оценки производительно?ти

На ?егодняшний день наибольшее ра?про?транение получили у?тановки для замера дебита ?кважины, пред?тавленные в таблице 3.1.

Согла?но РД 153-39.0-384-05 "Оптимальный комплек? и периодично?ть гидродинамиче?ких методов контроля за разработкой ме?торождений ОАО "Татнефть" [РД 153-39.0-384-05 Оптимальный комплек? и периодично?ть гидродинамиче?ких методов контроля за разработкой ме?торождений ОАО "Татнефть". - Бугульма: Изд-во ОАО "Татнефть", 2004. - 33 ?.], при наличии автоматизированной ?и?темы контроля и передачи информации на ди?петчер?кие пункты, замер дебита жидко?ти по ?кважинам ? дебитом более 5 т/?ут должен о?уще?твлять?я ежедневно, по малодебитным ?кважинам ? дебитом ниже 5 т/?ут - один раз в неделю.

Таблица 2.2 - У?тановки для замера производительно?ти

НазваниеОпи?аниеНедо?таткиСчетчик количе?тва жидко?ти (СКЖ)измеряет ма??овый ра?ход (т/?ут) и общую накопленную ма??у веще?тва (кг). В каче?тве измеряемой ?реды может быть жидко?ть, газожидко?тная ?ме?ь, по?тупающая из нефтяных ?кважин, ра?творы различных веще?тв, в том чи?ле пульпы ? мелкоди?пер?ными ча?тицами, ?жиженные газыневы?окий верхний предел измерения ра?хода жидко?ти.У?тановка ма??оизме-рительная (УМИ)измеряет количе?тво жидко?ти по объему, количе?тво попутного газа и определяет ра?четным путем количе?тво жидко?ти по ма??е, обводненно?ть и газовый факторбольшое время замера; не подходит для вы?оковязких жидко?тей; ?ложно?ть кон?трукции; вы?окие эк?плутационные затраты; вы?окая ?тоимо?ть.Групповая замерная у?тановка (ГЗУ)измеряет ?уммарное значение количе?тва жидко?ти, добываемого не?колькими ?кважинамине подходит для малодебитных ?кважин; ненадежно?ть переключателя ?кважин; не подходит для ?кважин ? большим газовым фактором; дороговизна об?луживания.

Счетчик количе?тва жидко?ти (СКЖ) измеряет ма??овый ра?ход (т/?ут) и общую накопленную ма??у веще?тва (кг). В каче?тве измеряемой ?реды может быть жидко?ть, газожидко?тная ?ме?ь, по?тупающая из нефтяных ?кважин, ра?творы различных веще?тв, в том чи?ле пульпы ? мелкоди?пер?ными ча?тицами, ?жиженные газы невы?окий верхний предел измерения ра?хода жидко?ти.

У?тановка ма??оизме-рительная (УМИ) измеряет количе?тво жидко?ти по объему, количе?тво попутного газа и определяет ра?четным путем количе?тво жидко?ти по ма??е, обводненно?ть и газовый фактор

большое время замера;

не подходит для вы?оковязких жидко?тей;

?ложно?ть кон?трукции;

вы?окие эк?плутационные затраты;

вы?окая ?тоимо?ть.

Групповая замерная у?тановка (ГЗУ) измеряет ?уммарное значение количе?тва жидко?ти, добываемого не?колькими ?кважинами ? не подходит для малодебитных ?кважин;

ненадежно?ть переключателя ?кважин;

не подходит для ?кважин ? большим газовым фактором;

дороговизна об?луживания.

Учитывая указанные в таблице 2.2 недо?татки измерительных у?трой?тв и о?новывая?ь на ?формулируем требования к идеальной у?тановке для измерения производительно?ти ?кважины:

про?тота монтажа у?трой?тва измерения и удоб?тво в об?луживании (оперативно?ть измерения дебита);

малая погрешно?ть измерений;

вы?окая надежно?ть;

?равнительно небольшая ?тоимо?ть;

малое влияние ?о?тава ?реды;

незави?имо?ть от параметров окружающей ?реды.

В?е вышеперечи?ленные у?тановки по разным причинам не обе?печивают выполнение этих требований. В ?вязи ? этим в?тает вопро? пои?ка иного ?по?оба измерения количе?тва жидко?ти, выкачиваемой из ?кважины, который удовлетворял бы этим требованиям.

.2.1 Теоретическая производительность шгну

Теоретиче?кая производительно?ть ШГН равна -

, [м3/?ут]

где 1440 - чи?ло минут в ?утках;

- диаметр плунжера наружный;

- длина хода плунжера;

- чи?ло двойных качаний в минуту.

Фактиче?кая подача в?егда .

Отношение , называет?я коэффициентом подачи, тогда , где изменяет?я от 0 до 2.

В ?кважинах, в которых проявляет?я так называемый фонтанный эффект, т.е. в ча?тично фонтанирующих через на?о? ?кважинах может быть . Работа на?о?а ?читает?я нормальной, е?ли .

Коэффициент подачи зави?ит от ряда факторов, которые учитывают?я коэффициентами , где коэффициенты:

- деформации штанг и труб;

- у?адки жидко?ти;

- ?тепени наполнения на?о?а жидко?тью;

- утечки жидко?ти.

Где , где - длина хода плунжера (определяет?я из у?ловий учета упругих деформаций штанг и труб); - длина хода у?тьевого штока (задает?я при проектировании).

где - деформация общая; - деформация штанг; - деформация труб.

где - объемный коэффициент жидко?ти, равный отношению объемов (ра?ходов) жидко?ти при у?ловиях в?а?ывания и поверхно?тных у?ловиях.

На?о? наполняет?я жидко?тью и ?вободным газом. Влияние газа на наполнение и подачу на?о?а учитывают коэффициентом наполнения цилиндра на?о?а

где - газовое чи?ло (отношение ра?хода ?вободного газа к ра?ходу жидко?ти при у?ловиях в?а?ывания).

Коэффициент, характеризующий долго про?тран?тва, т.е. объема цилиндра под плунжером при его крайнем нижнем положении от объема цилиндра, опи?ываемого плунжером. Увеличив длину хода плунжера, можно увеличить .

Коэффициент утечек

где - ра?ход утечек жидко?ти (в плунжерной паре, клапанах, муфтах НКТ); - величина переменная (в отличие других факторов), возра?тающая ? течением времени, что приводит к изменению коэффициента подачи.

Оптимальный коэффициент подачи определяет?я из у?ловия минимальной ?ебе?тоимо?ти добычи и ремонта ?кважин.

Уменьшение текущего коэффициента подачи на?о?а во времени можно опи?ать уравнением параболы:

где - начальный коэффициент подачи нового (отремонтированного) на?о?а; - полный период работы на?о?а до прекращения подачи (е?ли причина - изно? плунжерной пары, то означает полный, возможный ?рок ?лужбы на?о?а); - показатель ?тепени параболы, обычно равный двум; - фактиче?кое время работы на?о?а по?ле очередного ремонта на?о?а. И?ходя из критерия минимальной ?ебе?тоимо?ти добываемой нефти ? учетом затрат на ?кважино-?утки эк?плуатации ?кважины и ?тоимо?ти ремонта, А.Н. Адонин определил оптимальную продолжительно?ть межремонтного периода

где - продолжительно?ть ремонта ?кважины; - ?тоимо?ть предупредительного ремонта; - затраты на ?кважино-?утки эк?плуатации ?кважины, и?ключая .

Под?тавив вме?то , определим оптимальный конечный коэффициент подачи перед предупредительным подземным ремонтом .

Е?ли текущий коэффициент подачи ?танет равным оптимальному (? точки зрения ремонта и ?нижения ?ебе?тоимо?ти добычи), то необходимо о?тановить ?кважину и при?тупить к ремонту (замене) на?о?а.

Средний коэффициент подачи за межремонтный период ?о?тавит:

Анализ показывает, что при допу?тимая ?тепень уменьшения подачи за межремонтный период ?о?тавляет 15 ¸ 20 %, а при очень больших значениях она приближает?я к 50 %.81850Увеличение экономиче?кой эффективно?ти эк?плуатации ШГН можно до?тичь повышением каче?тва ремонта на?о?ов, ?окращением затрат на текущую эк?плуатацию ?кважины и ремонт, а также ?воевременным у?тановлением момента ремонта ?кважины.

.2.2 Оценка дебита по ваттметрограмме

Эк?периментально-ра?четный метод оценки производительно?ти СШНУ по ваттметрограмме приводит в ?воих работах В.О. Кричке. Производительно?ть Q пропорциональна работе, ?овершаемой приводом на у?тьевом штоке. Работа определяет?я активной мощно?тью, потребляемой приводом на?о?ной у?тановки и давлением, развиваемым на?о?ом на у?тье ?кважины

[м3/?ут]

где 86400 - чи?ло ?екунд в ?утках;

N?р - ?редняя мощно?ть за целое чи?ло циклов качаний, кВт;

? - плотно?ть жидко?ти в поверхно?тных у?ловиях, кг/м3;

р - ?реднее давление, приходящее?я на плунжер на?о?а от ве?а поднимаемого ?толба жидко?ти электродвигателем и грузами на кривошипах за время хода у?тьевого штока вверх, МПа;

? - КПД ?кважинного оборудования у?тановки.

Однако, для определения Q по формуле 3.1 необходимо знать величины р и ?. Давление на плунжер на?о?а зави?ит от плотно?ти ?толба жидко?ти в трубах, давления в коллекторе и других факторов. КПД ?кважинного оборудования зави?ит от трения в ?кважинной ча?ти у?тановки в ?амом на?о?е. Указанные параметры могут быть вычи?лены ? большим приближением. В ?вязи ? этим автор предлагает учитывать не аб?олютные значения давления и мощно?ти, а их отно?ительные приращения. Для выявления взаимозави?имо?тей ?нимают?я диаграммы активной мощно?ти при различных у?тьевых давлениях и ?оответ?твующие им динамограммы.

В результате анализа диаграмм и физики ?амого проце??а автор получает выражение для нахождения производительно?ти

где 43200 - чи?ло ?екунд в ?утках, поделенное пополам (так как в формуле учитывает?я половина хода штока - ход вверх);

?p, ?N - ?редние разно?тные давление на у?тье ?кважины, МПа и мощно?ть, кВт, за время хода у?тьевого штока вверх, ?оответ?твенно.

Отметим, что пои?к аналогичной литературы по оценке дебита по ваттметрограмме результатов не дал. На о?новании этого можно ?делать вывод, что данный ?по?об оценки дебита и?пользует?я крайне редко.

.2.3 Оценка дебита по динамограмме

Изменение нагрузки на полированном штоке за время одного полного цикла работы у?тановки являет?я результатом ?ложного взаимодей?твия большого чи?ла различных факторов. При этом про?тейшая теоретиче?кая динамограмма нормальной работы на?о?а получает?я при ?облюдении ?ледующих у?ловий:

·глубинный на?о? и?правен и герметичен;

·погружение на?о?а под динамиче?кий уровень равно нулю;

·цилиндр на?о?а целиком заполняет?я дегазированной и не?жимаемой жидко?тью из ?кважины;

·движение полированного штока прои?ходит на?только медленно, что обу?лавливает полное от?ут?твие инерционных и динамиче?ких нагрузок;

·?илы трения в подземной ча?ти у?тановки равны нулю.

·Пред?тавим теперь этот цикл графиче?ки в координатах: S - перемещение точки подве?а штанг, Р - нагрузка на штанги в точке их подве?а (?м. ри?. 2.5). Цикл нормальной работы у?тановки пред?тавляет ?обой параллелограмм ABCD, у которого АВ и CD - уча?тки во?приятия и ?нятия нагрузки; BC и DA - уча?тки неизменной нагрузки при ходе вверх и вниз; ABC и CDA - уча?тки хода точки подве?а штанг вверх и вниз.

Ри? 2.5. Циклограмма идеальной работы ШГН

So - длина хода точки подве?а штанг; Sпл - Длина хода плунжера; ? - деформация штанг и труб; Рж - Ве? ?толба жидко?ти над плунжером; Ршж - ве? штанг в жидко?ти;

При определении дебита через динамограмму имеет?я в виду, что за дебит принимает?я количе?тво жидко?ти в поло?ти ?кважинного штангового на?о?а за время качания. Поэтому для точного определения дебита необходимо до?товерно определить заполняемо?ть на?о?а.

Ри? 2.А. Пример практиче?кой динамограммы

Изве?тно не?колько методик ра?чета дебита по практиче?ким динамограммам (?м. ри?. 2.6), ?огла?но которым производительно?ть глубинно-на?о?ной у?тановки (приравниваемая к дебиту ?кважины) прямо пропорциональна площади ?ечения плунжера, чи?лу качаний и эффективной длине хода плунжера:

Qн =1440· Fпл· Lшт · n· ?;

? = K1· K2· K3· ?;

? = ;

где Qн - производительно?ть у?тановки, м3/?ут.,пл - площадь ?ечения плунжера, м2,шт - длина хода у?тьевого штока, м,

n - темп качания, 1/мин.,

? - коэффициент подачи на?о?а,1 - коэффициент, характеризующий герметично?ть глубинно-на?о?ного оборудования,2 - коэффициент у?адки жидко?ти,3 - отношение длины хода плунжера к длине хода полированного штока,

? - коэффициент наполнения на?о?а,эф - эффективная длина хода плунжера.

О?новное отличие этих методик друг от друга заключает?я в ?по?обе определения эффективного хода плунжера. Но в?е они ?ходны в том, что эффективный ход плунжера определяет?я графиче?ки.

Индивидуальная теоретиче?кая динамограмма На практике динамограммы, близкие по динамике к пред?тавленной упрощенной модели, бывают редко. Совпадение практиче?ких нагрузок на динамограмме ? ра?четными бывает еще реже (чаще в?его эти ?овпадения ?лучайные), так как и?пользуемая модель ?ильно упрощена (не учитывает невертикально?ть ?кважины, ?илы гидродинамиче?кого трения, ?илы инерции, вибрации в колонне штанг, давление на приеме на?о?а и т.п.). Кроме того, даже при ?редних темпах качания на динамике изменения нагрузки ?казывают?я ?илы инерции и динамиче?кие нагрузки. В невертикальных ?кважинах и ряде других ?лучаев возможны большие ?илы трения по длине колонны подве?ки. В подтверждение выше?казанного замечено, что наиболее до?товерно определение дебита ?и?темами динамометрирования прои?ходит на вертикальных ?кважинах, где ?водят?я к минимуму неучтенные ?о?тавляющие ?уммарной погрешно?ти, возникающие из-за ?ил трения на изгибах НКТ и ?ил инерции.

Т.е. в тех ?лучаях, когда у?ловия работы у?тановки близки к у?ловиям, оговоренным в модели про?тейшего цикла работы у?тановки.

Решением для до?товерного определения дебита при любых у?ловиях работы пред?тавляет?я разработка математиче?кой модели, учитывающей кон?труктивные о?обенно?ти и??ледуемой ?кважины, трение штанг о колонну труб, кривизну ?кважины, ?илы инерции, ?илы гидродинамиче?кого трения и пр. По этой модели для каждой ?кважины можно ра??читать индивидуальную теоретиче?кую динамограмму нормальной работы у?тановки и и?пользовать ее в каче?тве эталона при обработке практиче?ких динамограмм. При таком подходе будут учитывать?я:

·ма??огабаритные параметры и?пользуемого оборудования у?тановки (общая длина, диаметр, ве?, же?тко?ть на?о?но-компре??орных труб и на?о?ных штанг, диаметр плунжера на?о?а);

·режим работы у?тановки (?коро?ть качания, размах хода точки подве?а штанг);

·?вой?тва ?кважины и ?кважинной жидко?ти (кривизна ?кважины, давление забоя, плотно?ть откачиваемой жидко?ти).

Математиче?кая модель у?тановки ШГН . У?тановка ШГН ?о?тоит из ?ледующих о?новных ча?тей: на?о?но-компре??орные трубы (НКТ) ? прикрепленным к окончанию цилиндром на?о?а, на?о?ные штанги, ?оединенные ? плунжером на?о?а на одном конце и наземной ча?тью у?тановки на другом, незави?имо дей?твующих нагнетательного и приемного клапанов. А также откачиваемой ?кважинной жидко?ти, находящей?я в поло?ти НКТ.

Работа в?ех ча?тей опи?ывает?я ?и?темой дифференциальных уравнений. При этом параметры оборудования у?тановки учитывают?я коэффициентами в этих дифференциальных уравнениях.

Таким образом, задавая режим работы у?тановки, можно моделировать цикл ее работы, получая индивидуальную (для этой у?тановки) ра?четную динамограмму (?м. ри?. 2.7). При этом в ра?четах учитывает?я влияние невертикально?ти ?кважины, ?ил трения и инерции.

Ри? 2.Б. Геометриче?кая интерпретация получения индивидуальной динамограммы ШГН

Понятно, что в модели о?тают?я неизве?тные аргументы, такие как давление на приеме на?о?а, плотно?ть откачиваемой жидко?ти и ряд других. Поэтому оценка дебита ? применением модели ?водит?я к ?ледующему алгоритму:

·динамографом ?нимает?я практиче?кая динамограмма у?тановки;

·в модели задают?я ма??огабаритные параметры оборудования у?тановки и ра??читывает?я индивидуальная теоретиче?кая динамограмма;

·неизве?тные коэффициенты и аргументы модели варьируют?я до тех пор, пока различие между практиче?кой динамограммой и ра??читанной по модели будут минимальны;

·полученная модель ? подобранными таким образом коэффициентами и?пользует?я для определения эффективного хода плунжера (т.е. хода ? момента закрытия нагнетательного клапана до его, плунжера, крайнего положения) и в конечном ?чете для оценки дебита.

Повышение точно?ти оценки дебита по ?равнению ? изве?тными ?по?обами до?тигает?я за ?чет более точной аналитиче?кой идентификации цикла работы у?тановки ШГН.

Ра??мотрим подробнее, за ?чет чего до?тигает?я повышение точно?ти определения эффективного хода плунжера. В применяемой в на?тоящее время методике, как было указано ранее, эффективный ход плунжера определяет?я графиче?ки, т.е. момент закрытия нагнетательного клапана выбирает?я оператором визуально из некоторой до?товерной обла?ти на практиче?кой динамограмме (?м. ри?. 2.8). Неоднозначно?ть выбора точки от?чета Sэф иллю?трирует?я примером на реальных динамограммах, ?нятых ? интервалом в 10 мин. Разбро? значений Sэф ?о?тавил примерно 100 мм.

Ри? 2.8. Пример определения эффективного хода плунжера оп реальной динамограмме

Для ра?чета дебита важно точно определить момент закрытия нагнетательного клапана. При и?пользовании предлагаемого подхода математиче?кая модель позволяет четко разделить фазы цикла работы у?тановки (во?приятия нагрузки ?толба жидко?ти штангами, движения плунжера вверх, ?нятия нагрузки ?о штанг, движения плунжера вниз).

Для реализации предложенной методики предварительно адаптирует?я математиче?кая модель у?тановки ? учетом заданных ма??огабаритных параметров оборудования и коэффициентов, при которых имитирует?я нормальная работа. Далее в модель вводит?я начальная ?тепень незаполнения на?о?а, которая изменяет?я путем подбора коэффициента модели до тех пор, пока различие между практиче?кой и ра?четной (по модели) динамограммами ?танет минимальным. На ?ледующем шаге при у?тановленном коэффициенте незаполнения на?о?а определяет?я точный момент закрытия нагнетательного клапана и ?оответ?твующее значение эффективного хода плунжера.

Как видно из выше?казанного, точно?ть определения эффективного хода плунжера в ?уще?твующих методах зави?ит от ?убъективных факторов - квалификации и опыта человека-оператора, и ошибка определения хода не в?егда может быть и?ключена. В предлагаемом же подходе точно?ть определения хода зави?ит лишь от точно?ти ?амой модели, а ошибка вычи?лений при этом может быть оценена и и?ключена.

.2.4 Методики оценки дебита по динамограмме

Ставит?я задача ?равнения результатов оценки дебита по динамограмме по различным методикам ? данными измерения дебита ? образцовыми ?ред?твами ? целью нахождения той методики, и?пользование которой для нахождения дебита дает минимальное ра?хождение от данных образцовых ?ред?тв. В программе DinamoGraph и?пользуют?я ?ледующие подходы к оценке дебита СШНУ :

по теоретиче?кой динамограмме (дебит теоретиче?кий);

по у?тьевой динамограмме (дебит фактиче?кий и дебит по ходу штока, дебит по эффективному ходу);

по плунжерной динамограмме (дебит по плунжерной).

Дебит теоретиче?кий ра??читывает?я по формуле

Q = 1440·FПЛ·LТ·n,

где LТ - определяет?я по графику теоретиче?кой динамограммы (ри?унок 2.9), либо по формуле:

Т = LШТ - ?L,

где LШТ - длина хода штока по теоретиче?кой динамограмме (ри?унок 2.9), м;

Ри?унок 2.9 - Определение LШТ, LТ, L1, L2 на графике у?тьевой динамограммы

где PЖ - нагрузка на плунжер (определяет?я по графику динамограммы), МПа;

f - "приведенная" площадь штанги по?тоянного ?ечения, м2;

где i = 1…M - количе?тво штанг различной длины Нi и площади fi в ?о?таве ?о?тавной штанги;- глубина погружения на?о?а, м;- модуль упруго?ти, МПа.

Дебит фактиче?кий ра??читывает?я по формуле

QФ = 1440·FПЛ·SФ·n·К1·К2·К3,

где SФ = MIN(L1, L2). Значения L1 и L2 определяют?я программно в точках пере?ечения линий теоретиче?кой динамограммы ? реальной (ри?унок 2.9), у?тьевой и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

L1 - фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по у?тьевой динамограмме;

L2 - фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по у?тьевой динамограмме;

К1 - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ;

К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти, откачиваемой на?о?ом, по?ле ее дегазации;

К3 - коэффициент, учитывающий утечки в на?о?е.

Дебит по ходу штока ра??читывает?я по формуле

QШТ = 1440·FПЛ·LШТ·n.

Дебит эффективный ра??читывает?я по формуле

Дебит по плунжерной динамограмме ра??читывает?я по формуле

QПЛ = 1440·FПЛ·SПЛ·n·К1·К2·К3

где SПЛ = MIN(LПЛ1, LПЛ2); Значения LПЛ1 и LПЛ2 (ри?унок 2.10) определяют?я программно по алгоритму, аналогичному для у?тьевой динамограммы, и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

Ри? 2.10. Определение LПЛ1 и LПЛ2 на графике плунжерной динамограммы

LПЛ1 - фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по плунжерной динамограмме;

LПЛ2 - фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по плунжерной динамограмме;

LПЛ - ход плунжера от нулевой отметки до наибольшего значения.

Выводы по главе 2

Следует отметить, что разработанные методики не претендуют на и?пользование их в рамках ГОСТ Р 8.615-2005 "Измерения количе?тва извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа. Общие метрологиче?кие и техниче?кие требования", но позволяют оценить работу ?кважины.

Новый метод будет опираться на описанную выше теорию, он позвоолит повысить точность оценки дебита по динамограммам за счет более точного оценивания параметров с помощью использования наблюдателей состояния .

На практике достаточно распространенной является ситуация, когда не все компоненты вектора состояний доступны для измерения. В этом случае, чтобы в системе управления возможно было использовать обратную связь по состоянию, необходимо восстановить вектор состояния системы, недоступный для измерения. Восстановление вектора состояния называется его оценкой, а устройства, формирующие на выходе вектор оценки состояний, а также позволяющие отделить полезный сигнал от помех, наблюдателями (идентификаторами, фильтрами).

Наблюдатель может иметь порядок, равный порядку системы (наблюдатель полного порядка, например фильтр Калмана), который оценивает вектор состояния учитывая все переменные состояния, или меньший, по сравнению с системой (наблюдатель пониженного порядка, наблюдатели Люенбергера), который имеет размерность на 1 или на количество измеряемых компонент меньше, чем система. Последний формирует новый вектор, в котором учитываются только те компоненты вектора состояния, которые не доступны для измерения.

В случае отсутствия шумов в измерениях для получения оценки координат вектора состояния возможно уменьшить порядок наблюдателя, непосредственно используя содержащуюся в выходных переменных информацию о состоянии объекта. Такие наблюдатели называются наблюдателями пониженного порядка или наблюдателями Люенбергера . В них размерность вектора состояния уменьшается на число компонент измеряемого вектора.

Глава 3. Прикладные вопро?ы ?вязанные ? решением задач

.1 Ра?четы ?труктуры и параметров моделей

Структурная ?хема, разрабатываемой ?и?темы пред?тавлена на ри?унке 3.1.1

Ри?унок 3.1.1 Структурная ?хема, разрабатываемой ?и?темы

Генератор тактовых импуль?ов ?о?тоит из генератора, выполненного по ?хеме автогенератора на логиче?ких элементах ? резонан?ной ча?тотой 80000 кГц и ?четчика-делителя ча?тоты на 3, у?траняющий фазовую не?табильно?ть. Генератор тактовых импуль?ов тактирует импуль?ы для работы нейро?етевого датчика и нейрочипа.Перед началом работы ?и?тема производит ?амодиагно?тику, выполняя проверку блока обработки информации нейро?етевого датчика ? помощью таких блоков, как цифро-аналоговый преобразователь, у?илитель напряжений и фильтр нижних ча?тот. Самодиагно?тика заключает?я в ?ледующем : нейрочип выдает кодовую комбинацию на цифро-аналоговый преобразователь, далее цифровой ?игнал преобразует?я в аналоговый ?игнал. Выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя равно 5 В, а входное напряжение аналого-цифрового преобразователя, ра?положенный в нейро?етевом датчике равно 5 В, поэтому на выходе цифро-аналогового преобразователя ра?положен у?илитель напряжений. Далее у?иленный до необходимого уровня напряжения аналоговый ?игнал по?тупает на фильтр нижних ча?тот, где ?игнал фильтрует?я от помех.И е?ли кодовая комбинация ? выхода нейрочипа ?овпадет ? кодовой комбинацией на выходе аналого-цифрового преобразователя, то значит блок обработки информации в нейро?етевом датчике и?правен и ?и?тема начинает работу. Цифровой ?игнал ? датчика по?тупает на нейрочип, где прои?ходит обработка и ?равнение полученных данных ? эталонными значениями, запи?анных в по?тоянном запоминающем у?трой?тве.Е?ли данные ?овпадают, то результат запи?ывает?я в оперативное запоминающее у?трой?тво. Е?ли результаты не ?овпадают, то нейрочип выдает логиче?кий 0 на вход у?трой?тва отключения электродвигателя, который выполнен на оптроне АОУ103. Его работа заключает?я в ?ледующем, е?ли ?танок-качалка находит?я в нормальном режиме работы, то на входе оптрона логиче?кая 1 ?ветодиод и тири?тор работают и в магнитном пу?кателе реле замкнуто, то е?ть электродвигатель работает. Е?ли возникает какая-либо неи?правно?ть, то то нейрочип выдает логиче?кий 0 на вход оптрона и ?ветодиод и тири?тор отключают?я, и реле размыкает?я, электродвигатель о?танавливает?я. Параллельно информация по?тупает через универ?альный по?ледовательный интерфей? на пульт оператора, где по полученным значениям вы?траивает?я динамограмма, характеризующая работу ШГНУ. И по полученной динамограмме оператор анализирует какой вид неи?правно?ти произошел.Оператор также может вно?ить изменения в работу ?и?темы через универ?альный по?ледовательный интерфей? или через у?трой?тво бе?проводной передпчи данных.

Генератор тактовых импуль?ов

Генератор выполнен по ?хеме автогенератора на логиче?ких элементах DD1.1,DD1.2,DD1.3, выполнен на микро?хеме К155ЛА3 c кварцевой ?табилизацией ча?тоты, кварцевый резонатор ZQ1 ? резонан?ной ча?тотой 80000 кГц.

Схема генератора тактовых импуль?ов пред?тавлена на ри?унке 3.1.1.

Ри?унок 3.1.1 - Генератор тактовых импуль?ов

Счетчик делитель ча?тоты выполнен на микро?хеме К561НЕ10 обе?печивает деление на 3. Предназначен для у?транения фазовой не?табильно?ти ча?тоты. Ближайшие номиналы рези?торов и конден?аторов из ряда Е192: R1, R2: С2-34-0.125-402 Ом ±0.5%; С1: КТ-2-300В-18 пФ±5%.

Цифро-аналоговый преобразователь

ЦАП выполнен на микро?хеме AD9397 фирмы Analog Devices.Схема ЦАП пред?тавлена на ри?унке 3.1.2.

Ри?унок 3.1.2 Цифро-аналоговый преобразователь

Техниче?кие характери?тики указаны в приложении.

У?илитель напряжений

У?илитель выполнен на о?нове ОУ 140УД26.

Ра??читаем его коэффициент у?иления:

Uвых=10.25 В - мак?имальное входное напряжение АЦП

Uвх =5 В - мак?имальное выходное напряжение ЦАП

Ku=Uвых/Uвх=10.25/5=2.05

Схема у?илителя пред?тавлена на ри?унке 3.1.3.

Ри?унок 3.1.3 У?илитель напряжений

Ра??читаем его коэффициент у?иления:

Uвых=10.25 В - мак?имальное входное напряжение АЦП

Uвх =5 В - мак?имальное выходное напряжение ЦАП

Ku=Uвых/Uвх=10.25/5=2.05

Выберем R4 равным 10 кОм. Так как коэффициент у?иления равен 2.05, то R3=4,89 кОм

= R3*R4/(R3+R4)= 3,28 кОм

Под?троечный рези?тор R6 примем равным 10 кОм.

Из ?тандартного ряда номинальных значений Е192 выберем ?ледующие значения номиналов рези?торов:

, R6: С2-29В-0.125-10 кОм±0.1%;

R3: С2-29В-0,125-4,87 кОм±0, 1%;

R5: С2-29В-0,125-3.28 кОм±0,1%.

О?новные параметры операционного у?илителя К140УД26:

Предельно допу?тимые значения параметров и режимов:

пит= 13.5…4.5В;вх. ?ф 10В;н= 2КОм ;

Т= -100…+700

Электриче?кие параметры:

вых max=12В U?м=30мкВвх= 40мА Iвх=35мАпот=4.7мА Кuу=1000000=20МГц Uвх. ?ф max =11В

Ко?.?ф=114Дб U?м/T=0.6мкВ/С0

ТКIвх =1нА/С0 V u вых =11В/мк?.

Фильтр нижних ча?тот

В измерительной технике обычно и?пользуют?я фильтры четных порядков, именно они наиболее удобным образом реализуют?я на о?нове ОУ.

Выбираем фильтр Баттерворта (?труктура Рауха).

В каче?тве звеньев ?о?тавляющих фильтры четных порядков, и?пользуют?я звенья второго порядка.

Схема фильтра нижних ча?тот пред?тавлена на ри?унке 3.1.4.

Ри?унок 3.1.4 - Фильтр нижних ча?тот

И?ходными данными для ра?чёта являют?я ча?тота ?реза фильтра fв=1Гц.

Коэффициент передачи фильтра в поло?е пропу?кания Ку?=1, =1,41,?=1,А=1.

Ра??читаем значения рези?торов и конден?аторов:

=10 мкФ

=2 мкФ

=31329 Ом

=40467,3 Ом

Из ?тандартного ряда номинальных значений Е192 выберем ?ледующие значения номиналов рези?торов и конден?аторов:

R7,R8: С2-29В-0,25Вт-31,6 кОм±0,1%

R9: С2-29В-0,25Вт-40,7 кОм±0,1%

С2: К77-1-100В-10 мкФ±2%

С3: К77-1-100В-2 мкФ±2%

Нейрочип необходим для обучения входным эталонным ?игналам и для обработки информации. Схема нейрочипа NM6403 приведена на ри?унке

Ри?унок 3.1.5 - Нейрочип

О?новные характери?тики проце??ора NeuroMatrix NM6403:

тактовая ча?тота - 40 МГц (машинный такт - 25 н?);

чи?ло эквивалентных вентилей - 115.000;

технология 0,5 мкм;

корпу? 256BGA;

малое напряжение питания, от 2.7В до 3.6В;

адре?ное про?тран?тво - 16 Гбайт;

формат ?калярных и векторных данных:

-разрядные ?каляры;

вектора ? элементами переменной разрядно?ти от 1 до 64, упакованные в 64- разрядные блоки данных;

аппаратная поддержка операций умножения вектора на матрицу или матрицы на матрицу;

аппаратная реализация функции на?ыщения два у?трой?тва генерации адре?а;

реги?тры:

32-разрядных реги?тров общего назначения;

32-разрядных адре?ных реги?тров;

внутренних памяти по 32*64 бит;

?пециальные реги?тры управления и ?о?тояния;

команды проце??ора NM6403 32- и 64-разрядные (одна команда обычно задаёт две операции);

два 64-разрядных программируемых интерфей?а для работы ? любым типом внешней памяти. Каждый интерфей? поддерживает;

обмен ? двумя банками памяти разного типа (?татиче?кая или динамиче?кая память);

два ?коро?тных байтовых коммуникационных порта ввода/вывода, аппаратно ?овме?тимых ? портами TMS320C4x.

Оперативное запоминающие у?трой?тво

В?е ОЗУ делят?я на две большие группы: ?татиче?кие и динамиче?кие. В накопителях ?татиче?ких ОЗУ применяют?я триггерные элементы памяти. В ОЗУ динамиче?кого типа запоминающим элементом ?лужит конден?атор, в котором информация хранит?я в форме наличия или от?ут?твия заряда.

Статиче?кие ОЗУ образуют?я матрицей запоминающего элемента , каждый из которых может быть у?тановлен в одно из двух ?о?тояний, ?охраняющих?я при поданном напряжении питания.

Наибольшим бы?тродей?твием обладают биполярные ОЗУ, по?троенные на о?нове элементов ЭСЛ и ТТЛШ, однако эти МС имеют ?амый вы?окий уровень энергопотребления .

Схема ОЗУ пред?тавлена на ри?унке 3.1.6.

Ри?унок 3.1.6 - Оперативное запоминающие у?трой?тво

В данном дипломном проекте ОЗУ предназначено для хранения программных на?троек, ве?овых коэфициентов, набора динамограм, ?оответ?твующим разным видам неполадок на ШГНУ, результаты ?равнения эталонных значений ? полученными данными.

О?новными параметрами микро?хем ОЗУ являют?я: емко?ть хранящая?я в ОЗУ, бы?тродей?твие, мощно?ть.

По?тоянное запоминающие у?трой?тво

В каче?тве запоминающего у?трой?тва в разрабатываемом у?трой?тве была выбрана микро?хема Flash памяти - M25P80 фирмы STMicroelectronics.

Микро?хема имеет в?троенный по?ледовательный интерфей?. По?ледовательный формат запи?и позволяет упро?тить процедуру программирования и уменьшить величину корпу?а (у данной микро?хемы - DIP8) и количе?тво управляющих ?игналов.

Схема, выбранного по?тоянного запоминающего у?трой?тва пред?тавлена на ри?унке 3.1.7.

Ри?унок 3.1.7 По?тоянное запоминающее у?трой?тво.

В отличие от модулей оперативно запоминающих у?трой?тв (ОЗУ) данное решение обе?печивает ?охранно?ть информации при непредвиденном отключении питания, что позволяет и?ключить и?пользование резервного питания, которое ?оздает большие трудно?ти в об?луживании.

Также данный выбор имеет преимуще?тво и перед модулями перепрограммируемых по?тоянных запоминающих у?трой?тв (ППЗУ), так как для запи?и информации в ППЗУ обычно требует?я подавать кратковременно напряжение, значительно большее напряжения штатного питания. Это неудобно тем, что значительно увеличивает количе?тво элементов питания и требует добавления в ?хему дополнительных ?ред?тв аналоговой коммутации.

О?новные характери?тики микро?хемы Flash памяти M25P80:

·Емко?ть - 8 Мбит

·Запи?ь ?траницы (256 байт) - 1.5 м?

·Стирание ?ектора (512 Кбит) - 2 ?

·Полное ?тирание (8 Мбит) - 10 ?

·Напряжение питания - 2.7-5.5 В (однополярное)

·Мак?имальная тактовая ча?тота - 25 МГц

·Режим пониженного потребления - 1 мкА

·Более 100000 циклов ?тирания/запи?и для каждого ?ектора

·Более 20 лет хранения информации

Универ?альный по?ледовательный интерфей?

Для проектируемоой ?и?темы в каче?тве интерфей?а был выбран USB (UniversalSerial Bus). Он удобен тем, что данный интерфей? входит в ?о?тав практиче?ки в?ех пер?ональных компьютеров, выпу?каемых на данный момент.

Схема, выбранного интерфей?а пред?тавлена на ри?унке 3.1.8.

Ри?унок 3.1.8 - Универ?альный по?ледовательный интерфей?

Выбранный интерфей? позволяет производить обмен информацией в по?ледовательном формате ?о ?коро?тью до 12 Мбит/?ек и хотя для ?амого комплек?а ?коро?ть обмена не являет?я принципиальной характери?тикой, ПК и?пользуемый для ввода информации может быть критичен ко времени, отводимому на обмен.

Также данный интерфей? имеет значительное преимуще?тво, по?кольку он позволяет производить "горячее" подключение у?трой?тва к ПК. Т.е. нет необходимо?ти производить выключение ПК, прио?танавливающее выполнение текущих операций.

Конкретная микро?хема - SL-11 USB Controller фирмы Scan Logic - была выбрана, по?кольку у нее в отно?ительно небольшом корпу?е (28PLCC) интегрированы в?е необходимые компоненты: приемник, передатчик, модуль буферной памяти, параллельный микропроце??орный интерфей?. Из дополнительных элементов необходимы только кварцевый резонатор, для задания тактовой ча?тоты внутреннего генератора, и ?ам разъем.

О?новные характери?тики USB контроллера SL-11:

?тандартный микропроце??орный интерфей?;

поддержка канала ПДП;

двунаправленный 8-и разрядный параллельный интерфей?;

256 байт памяти на кри?талле;

4 контакта USB интерфей?а;

USB передатчик;

5В, 0.8мк КМОП технология;

28PLCC корпу?.

Передатчик работает полно?тью в ?оответ?твии ?о ?тандартом USB вер?ии 1.0 и может ве?ти обмен в режиме полной ?коро?ти - 12 Мбит/?ек.

Приемопередатчик

Для проектируемой ?и?темы в каче?тве у?рой?тва бе?проводной передачи данных применен однокри?тальный тран?ивер XE1203, предназначенный для работы в диапазоне ча?тот ISM (433МГц / 868МГц / 915МГц). Вы?окая ?тепень интеграции позволяет до?тичь мак?имальной гибко?ти и?пользования у?трой?тва при минимальном количе?тве внешних элементов. Тран?ивер XE1203 обе?печивает ?вязь ?о ?коро?тью передачи до 152,3 кБод и оптимизирован для приложений требующих малое энергопотребление, большую выходную мощно?ть и вы?окую входную чув?твительно?ть. Схема приемопередатчика пред?тавлена на ри?унке 3.9.-1.

Ри?унок 3.1.9.1 Приемопередатчик

Приемопередатчик функционально включает в ?ебя приемник, передатчик, ?интезатор ча?тоты, колебательный контур и некоторые другие узлы. И для каждого блока необходимо ?делать ?огла?ование цепей. В данном проекте ?моделирована ?хема в Micro-Cap Evaluation 7.0 и произведен ра?чет ?огла?ования цепей передатчика. Схемы ?огла?ования цепей о?тальных блоков и номиналы па??ивных элементов взяты ? ?айта производителя (www.xemics.com).

Схема ?огла?ования цепей передатчика пред?тавлена на ри?унке 3.1.9.2.

Ри?унок 3.1.9. 2 Согла?ование цепей передатчика

Ра??читаем значения конден?аторов и индуктивно?тей:

Примем L3=12 нГн , тогда

, откуда

С10=3.03 пФ

Примем L2=27 нГн, тогда

, откуда

С11=1.12 пФ

Смоделируем модель ?огла?ования цепей передатчика в Micro-Cap.

Схема модели пред?тавлена на ри?унке 3.1.9. 3.

Ри?унок 3.1.9.3 Модель ?огла?ования цепей передатчика в Micro-Cap.

Произведем АС анализ (анализ ча?тотных характери?тик).

Полученный график пред?тавлен на ри?унке 3.1.9.4.

Ри?унок 3.1.9.4 - Анализ ча?тотных характери?тик

По графику видно, что при ра??читанных значениях конден?аторов и индуктивно?тей обе?печивает?я требуемая резонан?ная ча?тота 915 МГц.

О?новные техниче?кие характери?тики XE1203:

Выходная мощно?ть: до +15 дБм на нагрузку 50 Ом (тип);

Чув?твительно?ть входа: до -113 дБм (тип);

Потребление: Rx=14 мА; Tx=62 мА (15 дБм);

Напряжение питания: до 5 В;

Скоро?ть передачи: от 1,2 до 152,3 кБод (NRZ-кодирование);

Режим Konnex-?овме?тимо?ти;

11-разр. Кодек Баркера;

В?троенный ?интезатор ча?тоты ? шагом 500Гц;

Двух уровневая FSK модуляция ? непрерывной фазовой функцией;

Ра?познавание входных данных (и?пользует?я для выхода из ?пящего режима);

Си?тема ?инхронизации входных данных (Bit-Synchronizer);

Контроль уровня принимаемого ?игнала (RSSI);

Контроль ча?тоты (FEI).

Ра?чет надежно?ти

Формулы необходимые для ра?чета:

Интен?ивно?ть потока отказов у?трой?тва ра??читывает?я по формуле:

, где

- интен?ивно?ть потока отказов i-го однотипного элемента;количе?тво однотипных элементов;

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

;

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

;

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

Ра?чет надежно?ти генератора тактовых импуль?ов

Укажем в таблице 1 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.1

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Кварц10.0250.0252Рези?тор 20.150.33Конден?атор10.0350.0354Интегральная МС20.0100.0205Многоштырьковый разъем10.0200.0206Пайка250.0100.257Печатный проводник160.0100.16

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.025+0.3+0.035+0.020+0.25+0.16)* =0.79* 1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

125581ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 12658.2*(1-0.99)=1255.8 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8937

Ра?чет надежно?ти цифро-аналогового преобразователя

Укажем в таблице 3.1.2 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.2

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Пайка170.0100.173Печатный проводник150.0100.15

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.17+0.15)* =0.33*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

303030 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

303030.3*(1-0.99)= 3030 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.9374

Ра?чет надежно?ти у?илителя напряжений

Укажем в таблице 3.1.3 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.3

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Рези?тор40.150.63Пайка110.0100.114Печатный проводник90.0100.09

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.6+0.11+0.09)* =0.81*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

123457 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

123457*(1-0.99)= 1234.6 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.9264

Ра?чет надежно?ти фильтра нижних ча?тот

Укажем в таблице 3.1.4 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.4

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Рези?тор30.150.453Конден?атор20.0750.154Пайка90.0100.095Печатный проводник80.0100.08

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.45+0.15+0.09+0.08)* =0.78*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

128205 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

128205*(1-0.99)= 1282 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.9134

Ра?чет надежно?ти нейрочипа

Укажем в таблице 3.1.5 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.5

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Многоштырьковый разъем10.0200.0203Пайка2560.0102.564Печатный проводник710.0100.71

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.020+2.56+0.71)* =3.3*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

303031 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 30303.03*(1-0.99)= 3030.31 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8179

Ра?чет надежно?ти оперативного запоминающего у?трой?тва

Укажем в таблице 3.1.6 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.6

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Пайка320.0100.323Печатный проводник300.0100.3

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.32+0.3)* =0.63*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

156732 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 47710*(1-0.99)=1567.32 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8887

Ра?чет надежно?ти по?тоянного запоминающего у?трой?тва

Укажем в таблице 3.1.6 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.7

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Пайка80.0100.083Печатный проводник60.0100.06

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.08+0.06)* =0.15*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

675756 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 47710*(1-0.99)= 6757.56 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8350

Ра?чет надежно?ти универ?ального по?ледовательного интерфей?а

Укажем в таблице 3.1.8 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Таблица 3.1.8

№Элемент у?трой?тваКол-во элементов,mИнтен?ивно?ть потока отказов элемента, Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов, 1Интегральная МС10.0100.0102Пайка270.0100.273Печатный проводник290.0100.294Многоштырьковый разъем10.0200.020

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.010+0.27+0.29+0.020)* =0.59*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

169491 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 47710*(1-0.99)= 1694.91 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8725

Ра?чет надежно?ти приемопередатчика

Укажем в таблице 3.1.9 и?ходные данные для ра?чета параметров надежно?ти.

Интен?ивно?ть потока отказов в?ех элементов:

(0.28+0.1+0.02+0.45+0.036+0.020*1+0.57+0.3)* =2.096*1/ч

Среднее время работы у?трой?тва обратно пропорцианально интен?ивно?ти отказов:

477101 ч

Время безотказной работы ? заданной вероятно?тью (Р=0.99):

= 47710*(1-0.99)=4771.01 ч

Вероятно?ть отказов за заданное время функционирования изделия

(t=10000 ч):

0.8102

Ра?чет потребляемой мощно?ти

Рпот = Uпот * Iпот

Мощно?ть потребления ГТИ:

Рпот =(5В*22мА)*3+5В*31мА =265 мВт

Мощно?ть потребления ЦАП:

Рпот=5В*125 мА =625 мВт

Мощно?ть потребления у?илителя напряжений:

Рпот=15В*4.7 мА =70.5 мВт

Мощно?ть потребления фильтра нижних ча?тот:

Рпот=15В*4.7 мА =70.5 мВт

Мощно?ть потребления нейрочипа:

Рпот=3В*300 мА =900 мВт

Мощно?ть потребления оперативного запоминающего у?трой?тва:

Рпот=5В*15 мА =75 мВт

Мощно?ть потребления по?тоянного запоминающего у?трой?тва:

Рпот=3В*10 мА =30 мВт

Мощно?ть потребления USB:

Рпот=5В*100 мА =500 мВт

Мощно?ть потребления приемопередатчика:

Рпот=5В*40 мА =200 мВт

Мощно?ть потребления коммутатора:

Рпот=5В*10 мА =50 мВт

Суммарная мощно?ть потребления у?трой?тва:

Рпот=265 мВт+625 мВт +70.5 мВт+70.5 мВт +900 мВт+75 мВт+30 мВт+500 мВт+200 мВт+50 мВт=2786 мВт=2.79 Bт

.2 Выбор алгоритмов и методов

Ставит?я задача ?равнения результатов оценки дебита по динамограмме по различным методикам ? данными измерения дебита ? образцовыми ?ред?твами ? целью нахождения той методики, и?пользование которой для нахождения дебита дает минимальное ра?хождение от данных образцовых ?ред?тв. И?пользуют?я ?ледующие подходы к оценке дебита СШНУ :

по теоретиче?кой динамограмме (дебит теоретиче?кий);

по у?тьевой динамограмме (дебит фактиче?кий и дебит по ходу штока, дебит по эффективному ходу);

по плунжерной динамограмме (дебит по плунжерной).

Дебит теоретиче?кий ра??читывает?я по формуле

Q = 1440·FПЛ·LТ·n,

где LТ - определяет?я по графику теоретиче?кой динамограммы (ри?унок 2.9), либо по формуле:

LТ = LШТ - ?L,

где LШТ - длина хода штока по теоретиче?кой динамограмме (ри?унок 3.2), м;

Ри?унок 3.2.1 - Определение LШТ, LТ, L1, L2 на графике у?тьевой динамограммы

где PЖ - нагрузка на плунжер (определяет?я по графику динамограммы), МПа;

f - "приведенная" площадь штанги по?тоянного ?ечения, м2;

Дебит фактиче?кий ра??читывает?я по формуле

QФ = 1440·FПЛ·SФ·n·К1·К2·К3,

где SФ = MIN(L1, L2). Значения L1 и L2 определяют?я программно в точках пере?ечения линий теоретиче?кой динамограммы ? реальной (ри?унок 3.2.1), у?тьевой и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

К1 - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ;

К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти, откачиваемой на?о?ом, по?ле ее дегазации;

К3 - коэффициент, учитывающий утечки в на?о?е.

Дебит по ходу штока ра??читывает?я по формуле

QШТ = 1440·FПЛ·LШТ·n.

Дебит эффективный ра??читывает?я по формуле

Дебит по плунжерной динамограмме ра??читывает?я по формуле

QПЛ = 1440·FПЛ·SПЛ·n·К1·К2·К3

где SПЛ = MIN(LПЛ1, LПЛ2); Значения LПЛ1 и LПЛ2 (ри?унок 3.2.2) определяют?я программно по алгоритму, аналогичному для у?тьевой динамограммы, и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

Риунок 3.2.2 - Определение LПЛ1 и LПЛ2 на графике плунжерной динамограммы

LПЛ - ход плунжера от нулевой отметки до наибольшего значения.

3.3 Методы обработки и пред?тавления информации

Ставит?я задача ?равнения результатов оценки дебита по динамограмме по различным методикам ? данными измерения дебита ? образцовыми ?ред?твами ? целью нахождения той методики, и?пользование которой для нахождения дебита дает минимальное ра?хождение от данных образцовых ?ред?тв. В программе и?пользуют?я ?ледующие подходы к оценке дебита СШНУ :

по теоретиче?кой динамограмме (дебит теоретиче?кий);

по у?тьевой динамограмме (дебит фактиче?кий и дебит по ходу штока, дебит по эффективному ходу);

по плунжерной динамограмме (дебит по плунжерной).

Дебит теоретиче?кий ра??читывает?я по формуле

Q = 1440·FПЛ·LТ·n,

где LТ - определяет?я по графику теоретиче?кой динамограммы (ри?унок 2.9), либо по формуле:

LТ = LШТ - ?L,

где LШТ - длина хода штока по теоретиче?кой динамограмме (ри?унок 3.3.1), м;

Ри?унок 3.3.1 - Определение LШТ, LТ, L1, L2 на графике у?тьевой динамограммы

где PЖ - нагрузка на плунжер (определяет?я по графику динамограммы), МПа;

f - "приведенная" площадь штанги по?тоянного ?ечения, м2;

Дебит фактиче?кий ра??читывает?я по формуле

QФ = 1440·FПЛ·SФ·n·К1·К2·К3,

где SФ = MIN(L1, L2). Значения L1 и L2 определяют?я программно в точках пере?ечения линий теоретиче?кой динамограммы ? реальной (ри?унок 3.3.1), у?тьевой и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

К1 - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ;

К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти, откачиваемой на?о?ом, по?ле ее дегазации;

К3 - коэффициент, учитывающий утечки в на?о?е.

Дебит по ходу штока ра??читывает?я по формуле

QШТ = 1440·FПЛ·LШТ·n.

Дебит эффективный ра??читывает?я по формуле

Дебит по плунжерной динамограмме ра??читывает?я по формуле

QПЛ = 1440·FПЛ·SПЛ·n·К1·К2·К3

где SПЛ = MIN(LПЛ1, LПЛ2); Значения LПЛ1 и LПЛ2 (ри?унок 3.3.1) определяют?я программно по алгоритму, аналогичному для у?тьевой динамограммы, и могут изменять?я оператором при перемещении меток;

Риунок 3.3.2 -Определение LПЛ1 и LПЛ2 на графике плунжерной динамограммы

LПЛ - ход плунжера от нулевой отметки до наибольшего значения.

Выводы по главе 3

Была произведа разработка структуры системы, описаны модели проектируемой системы, выбран элементная база для создания системы. Описаны методы и алгоритмы работы системы

Глава 4. Реализация результатов

.1 Развернутый пример решения задач

.1.1 Описание интерфейса ПО

АКД - аппаратура канала данных; К - контроллер станции управления; СЭ - силовые элементы; БРЧЭ - блок регулировки частоты вращения электропривода ШГНУ; БИС - барьеры искрозащиты; ИРП - источник резервного питания, Дис П - диспетчерский пункт; КП - контролируемый пункт; ЛВС - локальная вычислительная сеть; OPC (Object Linking and Embedding (OLE) for Process Control) - программные технологии

Рисунок 4.1 - Структурная схема СИИС динамометрирования ШГН

Предложена ИИС динамометрирования ШГНУ, а именно - система "ДДС" (рисунок 4.1), которая обеспечивает выполнение таких обязательных функций:

сбор и обработка данных, полученных с первичных ИП, в установленном на объекте контроллере;

передача данных по проводным или беспроводным каналам связи на диспетчерский пункт;

диагностирование состояния оборудования ШГН с выдачей управляющих воздействий;

количественная оценка дебита СШНУ для выявления определенных сочетаний параметров эксплуатации глубинно-насосного оборудования и геолого-технической характеристики скважины для обеспечения максимально возможной подачи насоса.

.1.2 Выбор параметров для оценки с помощью наблюдателей

f - привиденная площадь штанги- глубина погружения на?о?а- фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по у?тьевой динамограмме;- фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по у?тьевой динамограмме;

К1 - коэффициент, учитывающий утечки в НКТ;

К2 - коэффициент, характеризующий изменение объема нефти, откачиваемой на?о?ом, по?ле ее дегазации; К3 - коэффициент, учитывающий утечки в на?о?е.ПЛ1 - фактиче?кое уменьшение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вверх, замеряемое по плунжерной динамограмме; LПЛ2 - фактиче?кое увеличение вы?оты ?толба жидко?ти в НКТ над плунжером при ходе штока вниз, замеряемое по плунжерной динамограмме; LПЛ - ход плунжера от нулевой отметки до наибольшего значения.

.1.3 Теоритеческое обоснование применения наблюдателей

Задача динамического наблюдения

Задача динамического наблюдения, которая сначала называлась задачей асимптотического наблюдения, в существующем виде сформулирована американским ученым Д. Люенбергером в 1971 году. Термины "динамическое наблюдение" или "асимптотическое наблюдение" не полностью отражают существо проблемы, которая состоит в решении задачи восстановления вектора состояния динамического объекта (процесса) в специально создаваемой динамической среде на основе доступной информации. Следует заметить, что доступная информация может быть представлена в двух формах: в форме результатов непосредственных измерений и модельной форме динамической среды, генерирующей экзогенное воздействие.

Не всегда удается обеспечить и асимптотический характер процесса наблюдения в силу неполной измеримости переменных и воздействий, наличия неконтролируемых помех, неучтенные факторы модельного и сигнального характера и т.д. В этой связи представляется наиболее корректным использовать понятие "динамическое наблюдающее устройство" (ДНУ), возможно также появление терминологического вульгаризма "наблюдатель".

Первоначально основной сферой использования ДНУ были динамические системы, в состав которых входят формирователи сигналов управления, использующих информацию в виде прямых и обратных связей по состоянию объекта или источника конечномерного экзогенного воздействия. В настоящее время сфера использования ДНУ заметно расширилась за счет нового поколения измерительных комплексов, которые решают задачу формирования результата измерения в алгоритмической среде ДНУ. Ниже рассматриваются вопросы, связанные с использованием ДНУ в составе формирователей сигналов управления.

В предыдущих разделах рассмотрены алгоритмы формирования сигналов управления, опирающиеся на единую системную концепцию подобия, которая реализовалась в одном случае в методе модального управления динамическим объектом, в другом - методе обобщенного изодромного управления. Прежде, чем решать задачи динамического наблюдения в рамках каждого из этих методов управления дадим общесистемное определение динамическому наблюдающему устройству.

В общесистемной постановке наибольшее количество информации о ходе управляемых процессов (динамических объектов) содержится в векторе состояния, который характеризуется наибольшей по сравнению с другими переменными процесса размерностью. Но состояние есть скрытая (внутренняя) переменная, несущая полную информацию о системном "секрете" процесса, она не должна быть доступна непосредственному измерению в полном объеме. Внешними переменными являются вектор выхода, вектор сигнала управления, вектор ошибки воспроизведения задающего экзогенного воздействия, иногда само воздействие. Информационная среда может быть дополнена моделью источника экзогенного воздействия (МИЭВ).

Теперь можно дать определение динамического наблюдающего устройства (ДНУ).

Определение 4.1 (О.4.1). Динамическое наблюдающее устройство представляет собой техническую или алгоритмическую среду, которая реализует функциональное отображение всех доступных непосредственному измерению: компонентов задающего воздействия , компонентов вектора ошибки , сигнала управления , компонентов вектора выхода , а возможно и компонентов вектора состояния в вектор оценки вектора состояния, обладающий асимптотическим свойством, что представляется записью

, (4.1)

где - матрица в общем случае особого (необратимого) преобразования.

В большинстве практических случаев задача динамического наблюдения решается на парах , а в случаях, когда задача сводится к автономной версии динамической системы - то на векторах выхода или ошибки .

Примечание 4.1 (ПР.4.1). Ниже рассматриваются проблемы синтеза динамического модального и динамического обобщенного изодромного управлений, которые решаются на основе агрегирования динамических наблюдающих устройств и устройств формирования сигналов управления, полученных на основе гипотезы о полной измеримости вектора состояния объекта. В этой связи модальное управление и обобщенное изодромное управление, сформированные таким образом (т.е. методами, описанными в разделе 15) в отличие от динамических будем именовать алгебраическим модальным и алгебраическим обобщенным изодромным управлениями.

Рассмотрим случай модального управления. Поставим задачу формирования наблюдающего устройства, позволяющего восстановить вектор состояния непрерывного динамического объекта, имеющего векторно-матричное описание

(4.2)

где .

Прежде, чем приступить к решению задачи формирования динамического наблюдающего устройства, рассмотрим одну "гипотетическую" ситуацию. Для этого предположим, что , тогда при полной измеримости вектора вектор состояния объекта (4.2) при полной его неизмеримости может быть восстановлен в силу соотношения

(4.3)

Нетрудно видеть, что такое наблюдающее устройство следует назвать "статическим", так как оно обладает нулевой динамикой.

На основе рассмотренной "гипотетической" ситуации можно сформулировать следующее утверждение без доказательства.

Утверждение 4.1 (У4.1). Для корректного функционирования динамического наблюдающего устройства, при котором могут быть восстановлены все компонентов вектора состояния объекта, у которого , необходимо выполнение условия

, ??(4.4)

где вектор состояния динамического наблюдающего устройства.

Примечание 4.2 (ПР.4.2). Ситуация, когда имеет место выполнение неравенства , используется в случае, когда процесс измерения вектора динамического объекта сопровождается заметными помехами так, что на ДНУ возлагаются задача восстановления вектора состояния объекта с одновременной фильтрацией измерений.

Вернемся к соотношению (4.1) для анализа системной нагрузки, возлагаемой на матрицу подобия размерности . Размерность и вид этой матрицы полностью отражает все многообразие вариантов построения динамических наблюдающих устройств, так:

если при и при этом , то динамическое наблюдающее устройство строится полной размерности и в базисе наблюдаемого динамического объекта;

если при и при этом , то динамическое наблюдающее устройство строится полной размерности в базисе, не совпадающем с базисом наблюдаемого динамического объекта, чаще всего это какой-либо канонический базис;

если при , то динамическое наблюдающее устройство строится неполной размерности в произвольном базисе, чаще всего это какой-либо канонический базис; в этом случае для восстановления всех компонентов вектора состояния объекта используется композиция из измерения вектора выхода и вектора состояния ДНУ, а также матрица, составленная из матриц .

Динамические наблюдающие устройства полной размерности в базисе исходного объекта строятся на основе следующих системных соображений, содержащихся в следующем утверждении.

Утверждение 4.2 (У.4.2). Динамическое наблюдающее устройство вектора состояния непрерывного объекта управления (4.2), реализующее алгоритм наблюдения, записываемый в векторно-матричной форме

, (4.5)

где вектор состояния ДНУ, , характеризуется процессом сходимости оценки к оцениваемому вектору состояния объекта (4.2), определяемым алгебраическим спектром собственных значений матрицы

. ?(4.6)

Доказательство. Для доказательства справедливости сформулированного утверждения введем в рассмотрение вектор невязки наблюдения, который для общего случая задачи наблюдения имеет представление

, (4.7)

а для рассматриваемого случая в силу равенства принимает вид

. (4.8)

Нетрудно видеть, что процесс сходимости к оцениваемому вектору в форме (4.1) с использованием вектора невязки наблюдения принимает вид

. (4.9)

Построим модель динамики сходимости процесса наблюдения, используя вектор невязки наблюдения (4.8).Дифференцирование по времени (4.8) с последующей подстановкой в результат дифференцирования соотношений (4.2) и (4.5) дает

что записывается в форме

, (4.10)

откуда для вектора невязки наблюдения можно записать

?(4.11)

Примечание 4.3 (ПР.4.3). Если начальные состояния объекта управления (4.2) и ДНУ (4.5), то в силу (4.11) невязка наблюдения и наблюдаемый вектор и его оценка тождественно совпадают, то есть выполняется соотношение

Введем определение динамического модального управления.

Определение 4.2 (О.4.2). Динамическим модальным управлением будем называть управление вида (15.48), в котором отрицательная обратная связь по вектору состояния объекта управления заменена на обратную связь по вектору оценки вектора , формируемому в зависимости от реализации матрицы в силу соотношений:

. при (4.12)

. при (4.13)

. при (4.14)

Построим теперь алгоритм синтеза динамического модального управления для случая формирования оценки вектора состояния объекта вида (4.12), формируемой в среде ДНУ (4.5).

АЛГОРИТМ 4.1 синтеза динамического модального управления

. Выполнить п.п.1 - 10 алгоритма 15.1;

. Сформировать динамическое наблюдающее устройство вида (4.5);

. Назначить желаемую структуру собственных значений матрицы (4.6) ;

. Вычислить матрицу , доставляющую матрице желаемую структуру мод, для чего в одном из канонических базисов построить матрицу на спектре собственных значений матрицы , выбрать произвольную матрицу - наблюдаемая пара матриц, , решить матричное уравнение Сильвестра

(4.15)

относительно матрицы подобия и получить

(4.16)

5. На основании алгоритма (15.48) формирования сигнала алгебраического модального управления сформировать алгоритм динамического модального управления (ДМУ), осуществив замену на , в результате чего алгоритм ДМУ принимает вид

; (4.17)

6. Осуществить предварительную проверку корректности синтеза ДНУ путем оценки влияния наблюдателя (4.5) на динамические свойства системы с алгоритмом ДНУ (4.17), придающего системе (15.42) ,, вид

,,, (4.18)

на основе составной системы, образованной из (4.18) и модели невязки наблюдения (4.10).Составная система с вектором состояния

(4.19)

характеризуется матрицами

(4.20)

и позволяет вынести суждения о том, что:

собственные значения матрицы состояния системы с алгебраическим модальным управлением и матрицы состояния ДНУ независимы (разделены);

наблюдатель не сказывается на переходной характеристики системы в силу условия

динамика наблюдателя в основном влияет на процессы, порождаемые ненулевым начальным состоянием объекта в силу условия

В случае неудовлетворительных по качеству процессов при ненулевом начальном состоянии динамического объекта вернуться в п.2 алгоритма, иначе перейти к п.7;

. Выполнить п.12 алгоритма 15.1.

Динамические наблюдающие устройства произвольной размерности и в произвольном базисе строятся на основе следующих системных соображений, содержащихся в следующем утверждении.

Утверждение 4.3 (У.4.3). Динамическое наблюдающее устройство вектора состояния непрерывного объекта управления (4.2), реализующее алгоритм наблюдения, записываемый в векторно-матричной форме

, (4.21)

где вектор состояния ДНУ, ; характеризуется процессом сходимости оценки к оцениваемому вектору состояния объекта (4.2), определяемым алгебраическим спектром собственных значений матрицы , в форме (4.1) , где матрица преобразования подобия (в общем случае особого) определяется из решения матричного уравнения Сильвестра

, (4.22)

при этом матрица задается в одном из канонических базисов, матрица является произвольной, но такой, что , пара матриц является управляемой, матрица вычисляется в силу соотношения

?(4.23)

Доказательство утверждения строится на модели динамики вектора невязки наблюдения (4.7), для которого с использованием модели наблюдаемого объекта (4.2) и ДНУ (4.21) можно записать цепочку векторно-матричных соотношений

Подстановка в полученное выражение соотношений (4.22) и (4.23) дает для вектора невязки наблюдения

, (4.24)

откуда для вектора невязки наблюдения можно записать

?(4.25)

Примечание 4.4 (ПР.4.4). Прежде, чем конструировать алгоритмы синтеза динамического модального управления отметим, что

ДНУ в форме (4.21) обслуживает как случай (4.13), так и случай (4.14), но алгоритмы синтеза ДМУ будут различаться.

АЛГОРИТМ 4.2 (А.4.2)

синтеза динамического модального управления для случая (4.13) формирования оценки вектора состояния объекта

. Выполнить п.п.1 - 10 алгоритма 15.1;

. Сформировать динамическое наблюдающее устройство вида (4.21) с матрицей состояния ДНУ в одном из канонических базисов и с заданной структурой собственных значений, определяемой желаемым темпом сходимости оценки к оцениваемому вектору состояния объекта;

. Назначить матрицу :

(4.26);

4. Решить матричное уравнение Сильвестра (4.22) относительно матрицы , сформировать матрицу входа ДНУ в форме (4.23);

. На основании алгоритма (15.48) формирования сигнала алгебраического модального управления сформировать алгоритм динамического модального управления (ДМУ), осуществив замену на , в результате чего алгоритм ДМУ принимает вид

; (4.27)

6. Осуществить предварительную проверку корректности синтеза ДНУ путем оценки влияния наблюдателя (4.21) на динамические свойства системы с алгоритмом ДНУ (4.21) в соответствии с п.6 алгоритма 4.1 с точностью до замены ;

. Выполнить п.12 алгоритма 15.1.

АЛГОРИТМ 4.3 (А.4.3)

синтеза динамического модального управления для случая (4.14) формирования оценки вектора состояния объекта

. Выполнить п.п.1 - 4 алгоритма 4.2;

. На основании алгоритма (15.48) формирования сигнала алгебраического модального управления сформировать алгоритм динамического модального управления (ДМУ) вида

, (4.28)

в котором матрицы подчинены матричным соотношениям

(4.29)

3. Пользуясь (4.28),(4.29) и (4.7) записать динамическое модальное управление в форме

. (4.30)

4. Осуществить предварительную проверку корректности синтеза ДНУ путем оценки влияния наблюдателя (4.21) на динамические свойства системы с алгоритмом ДНУ (4.21) в соответствии с п.6 алгоритма 4.1 с точностью до замены ;

. Выполнить п.12 алгоритма 15.1.

Рассмотрим случай синтеза динамического обобщенного изодромного управления. Этот случай в своих базовых системных компонентах алгоритмически подобен случаю синтеза динамического модального управления. Синтез динамического обобщенного изодромного управления непрерывным объектом осуществляется в соответствии с приводимым ниже алгоритмом.

АЛГОРИТМ 4.4 (А.4.4)

синтеза динамического изодромного управления непрерывным объектом

. Сформировать объект наблюдения, для чего решить задачу синтеза алгебраического обобщенного изодромного управления динамическим объектом (4.2) ,, выход которого в установившемся режиме должен безошибочно воспроизводить (следить) конечномерное входное воздействие , генерируемое источником вида (11.13) , , . Объектом управления и наблюдения в рассматриваемой задаче является динамический объект, имеющий векторно-матричное описание

(4.31)

где .

Закон обобщенного изодромного управления

(4.32)

совместно с (4.31) образует динамическую систему

(4.33)

матрица состояния которой структурой своих собственных значений обеспечивает требуемый темп и качество сходимости ошибки слежения к нулю.

Измеряемыми переменными динамического объекта (4.31) являются вектор управления и вектор ошибки , что позволяет сконструировать динамический наблюдатель вектора состояния , а следовательно реализовать динамическое

обобщенное изодромное управление;

. Выполнить п.п.2-4 с точностью до замены , алгоритма 4.2;

. На основании алгоритма (4.32) формирования сигнала алгебраического обобщенного изодромного управления сформировать алгоритм динамического обобщенного изодромного управления (ДОИУ) вида

, (4.34)

в котором матрицы подчинены матричным соотношениям

(4.35)

4. Пользуясь (4.34),(4.35) и (4.7) записать динамическое обобщенное изодромное управление в форме

(4.36)

5. Пользуясь моделью (4.31), управлением (4.36) осуществить предварительный контроль корректности формирования ДНУ путем исследования составной системы с системными компонентами и модели невязки наблюдения . В случае неудовлетворительных результатов перейти к п.2 алгоритма, в противном случае - к п.6;

6. Провести комплексное компьютерное исследование спроектированной системы с динамическим обобщенным изодромным управлением в среде компьютерного моделирования Simulink программной оболочки Matlab с целью оценки достигнутых показателей качества процессов в переходном и установившемся режимах.

4.1.4 Разработка модели оценки параметра в Matlab Simulink

Структурная схема исходной системы

Рисунок 4.1 - Структурная схема исходной системы

Таблица 1.4,1 Исходные значения параметров системы

k1k2k3Т1, сТ2, сТ3, с2,51,40,71,321

Распределение корней соответствует биномиальной стандартной линейной форме (A1=2).

Измеряемая координата - х1.

Модель объекта в пространстве состояний

Векторно-матричная форма записи объекта управления

где - вектор-столбец координат состояний,

А, B,M - матрицы коэффициентов; dim A = n´n, dim B = n´1, dim M = n´1.

Найдем А,B и M, для чего представим наш объект управления в виде системы линейных стационарных дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши.

Из системы уравнений находим:

Собственная матрица ОУ

Матрица при управляющем воздействии:

Матрица при возмущающем воздействии:

Расчет установившихся значений переходных процессов

Из векторно-матричного уравнения ОУ при t ;

При управляющем воздействии: u = 1; f= 0

;

При управляющем воздействии: u = 0 f= 1

;

Переходные процессы в объекте управления

Рисунок 4.2 - Переходные процессы в объекте управления

Параметры переходных процессов

При управляющем воздействии.

Схема при управляющем воздействии, где все сигналы на возмущение делаем равным нулю.

Установившиеся значения управляемых координат x1 и x2 при t ? ?:

xуст1=0; xуст2=2.5

Показатели качества:

) время регулирования

Tрег1=13,1(с); Tрег2=11,2(с)

) максимальное перерегулирование (%)

?1=inf; ?2= 29,9;

При возмущающем воздействии.

Установившиеся значения управляемых координат x1 и x2 при t ? ?:

xуст1= 0.468; xуст2= -0.714

Показатели качества:

) время регулирования

Tрег1= 1(с); Tрег2= 3.82(с)

) максимальное перерегулирование (%)

?1= 29.9; ?2= 66.8;

Результаты поиска установившихся значений координат состояния опытным путем совпали с результатами аналитических расчетов

Синтезировать наблюдатель Люенбергера полного порядка с распределением корней характеристического полинома по биномиальной стандартной линейной форме и среднегеометрическим корнем, равным

Примем

В качестве измеряемой координаты вектора состояния принять х1.

Динамическая подсистема для оценивания вектора координат состояния строится на основе математической модели ОУ путем ее дополнения "стабилизирующей добавкой" [1]. Так как в системе производится прямое измерение х2, матрица выхода ,

а сам вектор выходных (измеряемых) переменных: .

На основании последних соотношений и системы уравнений

.1.5 Математическая модель наблюдателя Люенбергера полного порядка

Проверка условия наблюдаемости объекта выражаемого требованием равенства ранга матрицы наблюдаемости порядку ОУ rang(Н) = 2 [1].

Матрица наблюдаемости для принятого объекта (3.1) равна

rang(Н) = 2, что удовлетворяет условию наблюдаемости.

Включение в подсистему оценивания координат "стабилизирующей добавки" влияет на собственные динамические свойства наблюдателя, которые должны обеспечить требуемую форму и качество свободных составляющих переходного процесса. По этой причине элементы матрицы L определяются из нормированного характеристического полинома Dн(р), который предлагается принять соответствующим биномиальной стандартной линейной форме [1]:

Увеличение среднегеометрического корня по соотношению к позволяет разнести темпы процессов в синтезированной САУ с модальным регулятором и в подсистеме оценивания координат состояния, в результате чего наличие наблюдателя Люенбергера практически не оказывает влияния на динамику системы управления [1].

Характеристический полином наблюдателя

Приравняв соответствующие коэффициенты и , получим:

Структурная схема синтезированной замкнутой системы с наблюдателем Люенбергера полного порядка и модальным регулятором

Рисунок 4.3 - Структурная схема СМУ с наблюдателем полного порядка

Рисунок 4.5 Переходные процессы "ОУ + НПП"

а) по управляющему воздействию с нулевыми начальными условиями,

структурный синтез наблюдателя выполнен правильно, координаты и их оценки совпадают.

б) по возмущающему воздействию с нулевыми начальными условиями,

статические ошибки наблюдения координат состояния ОУ:

равны расчетным значениям, расчет выполнен верно

причина возникновения указанных ошибок заключается в том, что при синтезе НПП не учитывается влияние неконтролируемых возмущений.

в) по управляющему воздействию с отклонениями по начальным условиям

Работа наблюдателя Люенбергера при отклонениях по начальным условиям: в момент времени от 0 до 1с координаты наблюдателя и ОУ не совпадают, далее оценки втягиваются и наблюдатель отслеживает работу координат ОУ для координаты х2

Для координаты х1 время притягивания оценки 0,5с

Рисунок 4.6 - Переходные процессы в системе СМУ замкнутой через НПП.

а) по управляющему воздействию с нулевыми начальными условиями,

прямые показатели качества по выходной координате:

) время регулирования: Трег2=6,16с 2) максимальное перерегулирование: ?max2=0%

Влияние наблюдателя на качество СМУ не оказывается;

б) по возмущающему воздействию с нулевыми начальными условиями,

статические ошибки наблюдения

равны ошибкам наблюдения в системе "ОУ + НПП",

При замыкании СМУ через НПП значения ошибок наблюдения не изменяется.

в) по управляющему воздействию с отклонениями по начальным

Тпп- время переходного процесса, Тпр- время притягивания оценки

коэффициент разделения движения СМУ и наблюдателя К= Tпп/ Tпр= 10/1=10 равен принятому при расчетах. Параметрический синтез наблюдателя выполнен верно.

.1.6 Математическая модель наблюдателя Люенбергера неполного порядка

Вектор неизмеряемых переменных z = C1X определяется как n - k и в соответствии с условиями [1]

где - невырожденная матрица, состоящая из двух блоков С и С1.

Матрицы ,

Таким образом, наблюдатель Люенбергера пониженного порядка можно описать дифференциальным уравнением [1]:

Составим однородное уравнение, обнуляя внешнее воздействие ()

Характеристический полином НПнП:

1.Приводя его к нормированной форме:

Коэффициент:

Исключим производную y, вводя вспомогательную переменную

В результате получим систему уравнений, описывающих наблюдатель пониженного порядка

Рисунок 4.7 - Структурная схема СМУ с наблюдателем пониженного порядка

Рисунок 4.8 - Переходные процессы "ОУ + НПнП"

а) по управляющему воздействию с нулевыми начальными условиями,

Структурного синтез наблюдателя выполнен верно: координата и её оценка совпадают.

б) по возмущающему воздействию с нулевыми начальными условиями, статическая ошибка наблюдения: равна расчетной, расчет выполнен верно

причина возникновения указанных ошибок заключается в том, что при синтезе НПнП не учитывается влияние неконтролируемых возмущений.

в) по управляющему воздействию с отклонением по начальным условия. Работа НПнП при отклонениях по начальным условиям: в момент времени от 0 до 0.5с координаты наблюдателя и ОУ не совпадают, далее оценка притягивается и наблюдатель отслеживает работу координаты х1.

Рисунок 4.9- Переходные процессы в системе СМУ замкнутой через НПнП.

а) по управляющему воздействию с нулевыми начальными условиями, прямые показатели качества по выходной координате:

) время регулирования: Трег2=6,16(с) 2) максимальное перерегулирование: ?max2=0%

Влияние наблюдателя на качество СМУ не оказывается;

б) по возмущающему воздействию с нулевыми начальными условиями, статическая ошибка наблюдения , равна ошибке наблюдения в системе "ОУ + НПнП ",

При замыкании СМУ через НПнП значение ошибки наблюдения в установившемся режиме не изменяется.

в) по управляющему воздействию с отклонениями по начальным условиям коэффициент разделения движения СМУ и наблюдателя К= Tпп/ Tпр= 10,5/0.9=11,7 больше принятого при расчетах.

Параметрический синтез наблюдателя выполнен верно.

г) Коэффициент разделения движений, экспериментально определенный для системы модального управления с наблюдателем пониженного порядкавыше соответствующего коэффициента для СМУ, замкнутой через наблюдатель полного порядка; быстродействие НПнП выше НПП.

.1.7 Ошибка, обусловленную действием неконтролируемого возмущающего воздействия на наблюдатель

Определим ошибку наблюдения координат состояния ОУ, обусловленную действием неконтролируемого возмущающего воздействия на наблюдатель Люенбергера пониженного порядка.

Для определения ошибки в установившемся режиме возьмем предел при t??:

Определим ошибку наблюдения координат состояния объекта управлени, обусловленную действием неконтролируемого возмущающего воздействия на наблюдатель Люенбергера пониженного порядка

y=x2, z=x1

Ошибка

Приведем эквивалентные преобразования:

Для определения ошибки в установившемся режиме возьмем предел при t?? :

Увеличение среднегеометрического корня наблюдателя позволит повлиять на величину ошибки.

Результаты поиска ошибки наблюдения координат состояния объекта управления обусловленной действием неконтролируемого возмущающего воздействия на наблюдатели Люенбергера полного и пониженного порядков опытным путем совпали с результатами аналитических расчетов.

4.2 Описание ПО

Важным элементом любой ?и?темы динамометрирования, определяющим ее эффективно?ть, являет?я программно-математиче?кое обе?печение, о?уще?твляющее ?бор, накопление и архивацию данных, диагно?тирование на?о?ного и наземного оборудования.

О?новное назначение программного обе?печения (ПО) ?и?тем динамометрирования - это диагно?тика ?о?тояния и ра?четпроизводительно?ти на?о?ного оборудования.

Диагно?тика предполагает оперативный контроль работы подземного оборудования, который включает:

а) определение по программе причин, вызвавших ?нижение или

прекращение подачи на?о?а;

б) выбор и назначение нужного вида подземного ремонта;

в) проверку каче?тва произведенного ремонта.

В на?тоящее время разработкой программного обе?печения информационно-измерительных ?и?тем (ИИС), а в ча?тно?ти ИИС динамометрирования ?кважин занимают?я целый ряд фирм. Из зарубежных производителей наиболее изве?тна компания Lufkin Automation (Texas, USA), из ро??ий?ких - перечи?ленные выше.

В большин?тве ?лучаев определение того или иного вида неи?правно?ти в работе оборудования прои?ходит по внешнему виду графика динамограммы, что повышает требования к точно?ти у?трой?тв, измеряющих нагрузку на шток ?танка-качалки и его перемещение. До?таточная точно?ть обе?печивает?я при у?тановке датчика у?илия между травер?ами канатной подве?ки.

Определение производительно?ти на?о?ной у?тановки (дебита, Q) по динамограмме являет?я ко?венным измерением, и вопро? о до?товерно?ти этого метода измерения производительно?ти до ?их пор о?тает?я открытым. Не?мотря на этот факт, в отчетах о работе ?кважины практиче?ки в?е фирмы производят ра?чет дебита.

Анализ ?уще?твующих на ?егодняшний момент программ ра?чета дебита показал, что ни в одной из них полученные значения не ?овпадают ? до?таточной точно?тью ? данными образцовых измерительных у?трой?тв количе?тва жидко?ти.

Не?колько иначе о?уще?твялет?я контроль производительно?ти на?о?ной у?тановки в программеLufkin Automation, в которой оценивает?я только на?колько возможно увеличить добычу нефти, но не ее количе?тво.

В ПО фирмы "Интек" производит?я автоматиче?кий ра?чет ?уточного дебита ?кважины ? учетом про?тоев и о?тановов, а также ?уммирование дебитов и ра?ходов по ку?там, бригадам, цехам, промы?лам. Программа фирмы "Микон" приводит оценку планового дебита ?кважины.

С нашей точки зрения к вопро?у определения дебита по динамограмме нужно подходить очень о?торожно. Данный параметр можно только оценивать. Ра??мотрим, как внеобходимо реализовать требования, предъявляемые к ПО ?и?тем динамометрирования.

Данные по нагрузке на полированный шток измеряют?я межтравер?ным датчиком у?илия, что обе?печивает необходимую точно?ть измерений. Диагно?тика производит?я не?колькими ?по?обами:

непо?ред?твенно по виду графика у?тьевой динамограммы;

? помощью аппрок?имации у?тьевой динамограммы.

В ПО должна быть реализована аппрок?имация и?ходной динамограммы для облегчения ее ?равнения ? принятыми в каче?тве образцовых. Цель аппрок?имации - и?ключить ?лучайные помехи, уменьшить влияние динамики передачи у?илия от плунжера к травер?е и др. Суть аппрок?имации ?о?тоит в том, что реальная динамограмма разбивает?я на не?колько характерных уча?тков, которые затем аппрок?имируют?я.

На данный момент в программе диагно?тируют?я целый ряд неи?правно?тей в работе ШГНУ:

утечки жидко?ти из НКТ и клапанов - в?а?ывающего и нагнетательного;

механиче?кие неи?правно?ти, такие как вы?окая и низкая по?адка плунжера, обрыв штанг, прихват плунжера и т.д.;

проблемы, ?вязанные ? откачкой жидко?ти ? газом, пе?ком, парафином.

Вме?те ? тем, благодаря и?пользованию ?овременной элементной базы, динамограмма довольно точно отражает проце??ы, прои?ходящие в наземном и глубиннона?о?ном оборудовании. В ?вязи ? чем появляет?я возможно?ть оценки такого важного параметра, как производительно?ть на?о?ной у?тановки или дебита.

Изве?тно не?колько методик под?чета дебита. В большин?тве из них для определения производительно?ти на?о?ной у?тановки необходима эффективная длина хода плунжера (SЭФ). Этот параметр измеряет?я по графику динамограммы [1].

В ПО и?пользуют?я различные алгоритмы нахождения полной (отрезок БВ, ри?унок ) и эффективной длины хода плунжера (отрезок АГ, ри?унок ).

В программе реализована возможно?ть ра?чета дебита по не?кольким методикам - фактиче?кий, теоретиче?кий, дебит по аппрок?имирующей динамограмме, дебит по эффективному ходу плунжера.

Интере?ным направлением ?ледует ?читать изве?тные попытки определения дебита по плунжерной динамограмме, что позволило бы и?ключить влияние целого ряда возмущающих факторов. В ПО преду?мотрена и такая возможно?ть.

Имеющее?я на ?егодняшний день количе?тво датчиков динамометрирования позволяет организовать планомерные и целенаправленные и??ледования по отработке алгоритмов диагно?тики и методик ра?чета дебита на предприятиях.

4.3 Оценка эффекта от и?пользования результатов

В данном разделе приведён экономический расчёт проектирования.

.3.1 Оценка прогрессивности опытно-конструкторской разработки

Технико-экономическое обоснование целесообразности разрабатываемых проектно-конструкторских решений базируется на краткой характеристике существующего уровня развития техники и технологии и основных направлений совершенствования их показателей, а также на характеристике проблем, решаемых в дипломном проекте, и полученных результатов. Это позволяет дать обоснованную оценку технической прогрессивности модифицируемого устройства. При этом важно, чтобы эта техника была экономически эффективна и имела высокое качество. Качество же зависит от функционально-технических характеристик и оценивается индексом технического уровня разрабатываемого устройства.

Функционально-технические характеристики проектируемой САУ и ее аналога, а также их значимость приведены в табл. 4.3.1

Таблица 4.3.1 - Функционально-технические характеристики

Функционально-техническая характеристикаЕдиница измеренияУровень функционально-технических характеристикЗначимость характеристики качества изделияПроектируемая САУ Аналог Ошибка 0.1гр52,40.2Максимальная скоростьм/с54540.3Точностьмм20500.5

Обобщающий показатель технического уровня дает наиболее полную и комплексную оценку и является одновременно интегральным показателем качества оцениваемого изделия.

Индекс технического уровня проектируемого устройства:

, - значение i-й функционально-технической характеристики соответственно проектируемой САУ и аналога;

- значимость i-й функционально-технической характеристики качества системы;- количество рассматриваемых функционально-технических характеристик.

Значимость i-й функционально-технической характеристики определяется экспертным путём, при этом

В то же время технический уровень проектируемого устройства должен быть увязан с долей влияния его как комплектующего изделия на конечный результат функционирования через коэффициент Кв , величина которого колеблется в пределах Кв £ 1. Тогда технический уровень проектируемого устройства требуется скорректировать следующим образом:

Коэффициент технико-конструктивного уровня рассчитывается на основе трёх групп характеристик проектируемого устройства (групп А, Б, В).

В группу А включают характеристики функционального совершенства, отражающие потребительские свойства новой техники. В группу Б включают характеристики функционального совершенства, отражающие надежность и безотказность разрабатываемого устройства. В группу В включают конструктивные характеристики разрабатываемого технологического процесса.

Функционально-технические характеристики приведены в табл.4.3.3.

Для каждой из групп характеристик проектируемой САУ определяется показатель технического уровня по j-той группе (Кj):

где аij- коэффициент важности i-ой частной характеристики j- ой группы;

mi- количество частных характеристик j- ой группы, m=3;

,- значения i-ой частной характеристики j-ой группы для оцениваемого и базового варианта

nij - показатель направления прогрессивного изменения i-ой частной характеристики j-ой группы;

nij = +1 - если прогрессивным является увеличение значения i-ой частной характеристики j-ой группы;

nij = -1 - если прогрессивным является снижение значения i-ой частной характеристики j-ой группы;

Это означает, что если рост совершенства проектируемой техники должен сопровождаться снижением значений частной характеристики, то для оценки прогрессивности по данной характеристике в формуле берется обратное соотношение к .

Таблица 4.3.3 - Значения функционально-технических характеристик по каждой анализируемой группе

Направления прогрессивного изменения по группамУровень функционально-технических характеристикВажность частной характеристики Проектируемая САУАналог А.Функциональное совершенство52,40.2Б.Эксплуатационное совершенство54540.4В.Конструктивные характеристики50200.4Итого42,630,08

Коэффициент технико-конструктивного уровня устанавливается с учетом важности каждой из групп анализируемых характеристик данного проектного решения:

где : - коэффициент важности j-ой группы характеристик; является экспертной оценкой;

При этом

Коэффициент научного уровня характеризует научное качество разработки и отражает следующие частные критерии: патентную чистоту разработки; новизну разработки; сложность разработки.

Значения показателей научного уровня разрабатываемой САУ и ее аналога обобщаются в табл. А.4.

Таблица 4.3.4 Значения показателей научного уровня

Коэффициент значимости показателя ПоказательХарактеристики показателяПроектируемая САУ Аналог0.6Патентная чистота330.2Новизна разработки870.2Сложность разработки53Итого4,44,2

Коэффициент научного уровня определяется с учетом важности каждого из частных критериев:

где ai - коэффициент важности i-го частного показателя научного уровня разработки, является экспертной оценкой,

, - значения i-го показателя научного уровня нового разработанного устройства и его аналога.

.3.2 Планирование разработки

Планирование разработки САУ заключается в выявлении состава работ, необходимых для выполнения данной разработки, определении трудоемкости отдельных работ и разработки в целом, а также в расчете параметров и построении календарного плана разработки САУ. Определение трудоёмкости разработки ОКР. Примерный состав работ по ОКР приведён в табл. 4.3.5

Таблица 4.3.5 - Состав работ по ОКР

Наименование этапа работВыполняемые работыРазработка технического заданияРазработка основных тактико-технических характеристик проектируемого изделия.Разработка технического предложенияРазработка тактико-технических характеристик проектируемого изделия, технико-экономическое обоснование целесообразности ОКР.Разработка эскизного проектаРазработка эскизного проекта; изготовление и испытание макетов; рассмотрение и утверждение эскизного проекта.Разработка технического проектаРазработка и оформление конструкторской и технологической документации.Разработка рабочей документации на изделие, в том числе на изготовление опытного образцаРазработка конструкторской документации, для испытания опытного образца, изготовления и предварительные испытания опытного образца; приёмочные испытания опытного образца; корректировка КД по результатам приёмочных испытаний опытного образца.Изготовление и испытание опытного образцаИзготовления и испытание опытного образца.

Структура трудоёмкости по отдельным этапам ОКР приведены в табл.4.3.6

Таблица 4.3.6 Структура трудовых затрат по этапам ОКР.

Наименование этапа ОКРУдельный вес трудоёмкости этапа ОКР в общем объёме работ, %Разработка технического задания5,0Разработка технического предложения8,0Разработка эскизного проекта15,0Разработка технического проекта42,0Разработка рабочей документации, в том числе на изготовление опытного образца14,0Изготовление и испытание опытного образца16,0Итого 100,0

Календарное планирование.

Планирование работ осуществляется по календарному плану. Разработка календарного плана производится на основе данных о трудоемкости работ.

Производственный цикл каждого этапа работ определяется по формуле:

где - трудоемкость j-ой стадии (j-го этапа), чел.-час,

- продолжительность рабочего дня, час,

- количество работников, одновременно участвующих в выполнении работ на j-ой стадии (j-ом этапе), чел.

Пересчет длительности производственного цикла в календарные дни осуществляют умножением на коэффициент 1,4.

Трудоемкость 1% работы принимаем равной 3 чел. -час.

В таблице 4.3.7 приведен расчет календарного плана работ.

Таблица 4.3.7 - Расчет календарного плана работ.

Наименование этапов работУдельный вес, %Трудоемкость этапа, чел.-часКоличество исполнителей, чел.Продолжительность, календ. дниРазработка технического задания53016Подготовка технического предложения83617Разработка эскизного проекта153023Разработка технического проекта424524Разработка рабочей документации14150214Изготовление и испытание опытного образца16105210Итого1003961044

Найдем длительности производственного цикла:

Пересчет длительности производственного цикла в календарные дни осуществляют умножением ее на коэффициент k = 1,4. Тогда получаем длительности этапов, выраженные в календарных днях:

t1=1.4*T1=6

t2=1.4*T2=7=1.4*T3=3=1.4*T4=4=1.4*T5=14=1.4*T6=10

Календарный график приведен на рисунке 4.3.1

Рисунок 4.3.1 - Календарный план работ

.3.3 Определение затрат, себестоимости и цены ОКР

Определение затрат на проектирование начинается с расчета затрат на оплату труда персонала.

Величина заработной платы определяется по формуле:

где k - количество этапов; TЭ i - трудоемкость i-го этапа; ti - средняя часовая тарифная ставка оплаты работ i-го этапа.

Количество этапов k = А. Результаты занесены в таблицу 4.3.8

Таблица 4.3.8 - Расчет заработной платы персонала при оценке затрат на проектирование САУ.

№ стадии работТрудоемкость стадии (чел/час)ИсполнителиДневная ставка (руб.)Средняя дневная ставка (руб.)Заработная плата (руб.)ДолжностьЧисленность чел130Инженер 11501504500236Инженер 11501505400330Ведущий инженер 1165157,54725 Инженер 1150445Инженер 1150157,5 7087,5 Ведущий инженер 11655150Инженер 1150168,75 25312,5 Начальник отдела 1187,56105Инженер 1150168,7517718,75Начальник отдела 1187,5Итого39664743,75

Величина заработной платы основных исполнителей является итогом табл. 4.3.8, скорректированным на процент премиальных выплат (~20%).

Стоимость материалов определяется прямым счётом, а результаты заносятся в таблицы 4.3.9 и 4.3.10

Таблица 4.3.9 Стоимость материалов для нового устройства

№ п/п Наименование материалов, полуфабрикатов, ПКИ Количество в натуральном измерении Цена за единицу, руб Общая стоимость ,руб.Итого294 500

Таблица 4.3.10 - Стоимость материалов для аналога

№ п/п Наименование материалов, полуфабрикатов, ПКИ количество в натуральном измерении Цена за единицу, руб Общая стоимость ,руб.Итого359 000

В таблицах 4.3.11 и 4.3.12 приведены сметы затрат на проектирование новой САУ и аналога.

Таблица 4.3.11 - Смета затрат на проектирование нового устройства.

№ п/п Наименование статей затратЗатраты (руб.)Удельный вес (%)1.Материалы, ПКИ294 500702.Заработная плата основных исполнителей 64 74315Премия основных исполнителей 33%21 57953Отчисления на пенсионное, медицинское и социальное страхование 25 89764Накладные расходы (20% от зарплаты)17 2654Итого423 987100

Таблица 4.3.12 Смета затрат на проектирование аналога

№ п/п Наименование статей затратЗатраты (руб.)Удельный вес (%)1.Материалы, ПКИ359 000742.Заработная плата + премия основных исполнителей86 325183Отчисления на пенсионное, медицинское и социальное страхование 25 89754Накладные расходы (20% от зарплаты)17 2653Итого488 487100

Удельные затраты на разработку нового устройства определяются по формуле:

Зр - затраты на проектирование нового устройства.

- объём производства проектируемого нового устройства.

Удельные затраты на разработку аналога:

Определение себестоимости и цены САУ в серийном производстве.

Себестоимость в серийном производстве определяется методом удельных весов:

где СНТ - себестоимость производства НТ;

СПКИ - стоимость покупных комплектующих изделий (ПКИ), используемых при производстве НТ;ПКИ - удельный вес стоимости ПКИ в себестоимости НТР (dПКИ=0,6)

Себестоимость аналога:

Цена новой САУ с учетом рентабельности ( r=10%) будет определяться по формуле:

Цена аналога:

Определение затрат на эксплуатацию нового устройства.

Найдем эксплуатационные затраты для проектируемой САУ.

Амортизационные отчисления:

где - срок службы.

Затраты на текущий ремонт техники:

где - норматив расхода средств на ремонт в процентах от оптовой цены; =5%.

Затраты на электроэнергию:

где - потребляемая мощность (кВт);

- время работы нового устройства (час);

- стоимость 1 кВт×ч энергии (производственный тариф),

Заработная плата персонала, обслуживающего технику.

TОТ - время технического обслуживания, выполняемого за год (час)r - удельный вес стоимости устройства в стоимости обслуживаемой техники. ? - среднечасовая ставка оплаты труда (руб)- количество работников, занятых техническим обслуживанием

Найдем эксплуатационные затраты для аналога.

Амортизационные отчисления:

где - срок службы.

Затраты на текущий ремонт техники:

где - норматив расхода средств на ремонт в процентах от оптовой цены; =5%.

Затраты на электроэнергию:

где - потребляемая мощность (кВт);

- время работы нового устройства (час);

- стоимость 1 кВт×ч энергии (производственный тариф),

Заработная плата персонала, обслуживающего технику.

TОТ - время технического обслуживания, выполняемого за год (час)r - удельный вес стоимости устройства в стоимости обслуживаемой техники.

? - среднечасовая ставка оплаты труда (руб)- количество работников, занятых техническим обслуживанием

Величины годовых эксплуатационных затрат, различающихся у аналога и разрабатываемого устройства, являются итогами расчетов, отраженными в табл. 4.3.13

Таблица 4.3.13 - Годовые эксплуатационные затраты

Наименование статей затратВеличина затрат, руб.Проектируемая САУАналогЗаработная плата персонала, обслуживающего технику5 0007 000Амортизационные отчисления53 99265 817Расходы на электроэнергию23 36226 700Расходы на ремонт107 983131 633Итого Зэкс=190 337231 150

4.3.4 Определение и оценка показателей экономической эффективности ОКР

Экономичность технической эксплуатации:

где , - годовые эксплуатационные затраты по базовой и проектируемой технике.

Уровень технико-экономической прогрессивности техники:

Так как экономический эффект ожидается от производства нового изделия, то он определяется по формуле:

где СБ,СН - полная себестоимость базовой и новой техники соответственно, руб., СБ=490833 , CН=598333;

- годовой объём производства новой техники; 1 шт.

Уровень экономической эффективности разработки нового устройства в рамках ОКР определяется с учётом производственных затрат:

где - свободная отпускная цена, руб.;

- удельные затраты на разработку нового устройства, руб.

Свободная отпускная цена рассчитывается по формуле:

где - цена базового устройства;

- полезный эффект от применения нового устройства;

- доля полезного эффекта, учитываемая в цене нового устройства (=0,7);

Срок окупаемости вложений в создание нового устройства, лет:

Вывод по главе 4

На основании проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что разработка проекта САУ, является экономически обоснованной и целесообразной научно-технической продукцией.

Данная разработка имеет уровень экономической эффективности капиталовложений на разработку порядка 0,32. Таким образом можно гарантировать окупаемость вложений чуть более чем за три года.

Заключение

В данном дипломном проекте была разработана система для диагностики и управления штанговой глубинно-насосной установки, соответствующее техническому заданию.

В обзорной части был сделан обзор существующих систем управления ШГНУ, обзор методов анализа работы ШГНУ.

В конструкторской части была разработана структурная схема, произведен выбор и расчет блоков принципиальной схемы, была рассчитана потребляемая мощность и надежность каждого блока.

Расчет погрешностей производится в метрологической части.

В технологической части была рассмотрена технология изготовления печатных плат.

В организационно-экономической части был произведен функционально-стоимостной анализ и произведен расчет экономической целесообразности изготовления системы.

В части безопасность и экологичность проекта рассмотрены задачи обеспечения безопасности на рабочем месте оператора, контролирующего работу штанговой глубинно-насосной установки.

В патентной проработке был произведен поиск аналогичных разработок, были выявлены основные признаки разрабатываемого объекта и прототипа, отличитильные признаки и технико-экономические преимущества разрабатываемого объекта.

Список литературы

.РД 153-39.1-2852-02 Руководство по эксплуатации скважин установками скважинных штанговых насосов в ОАО "Татнефть". Альметьевск: Изд-во ОАО "Татнефть". 229 с.

.Кричке В. О. Экспериментально-расчетный метод производительности скважинной штанговой насосной установки // Нефтяное хозяйство. 1989.-№Б.-С. 50-54.

.Тахаутдинов Ш. Ф., Фархуллин Р. Г., Муслимов P. X, Сулейма-нов Э. И., Никашев О. А., Губайдуллин А. А. Обработка практических динамограмм на ПЭВМ. Казань: Изд-во "Новое Знание", 199Б. - 76 с.

.НПП "Грант" Главная страница. - #"justify">Приложение А

Безопасность жизнедеятельность

Разработка САУ связана с работой за компьютером. Для качественного функционирования САУ предусмотрено размещение оборудования в помещении. Вся техника оказывает воздействие в виде теплового и электромагнитного излучения. Также необходимо предусмотреть размещение в помещении рабочего места для дежурного инженера.

Существуют определенные нормативы на условия труда в помещениях, при соблюдении которых сотруднику будет комфортно работать на своем рабочем месте. В данной главе будут проанализированы условия труда в помещении серверной, где происходит рабочий процесс и предложены меры по их обеспечению. В заключении будет произведен расчет системы кондиционирования в помещении.

А.1 Анализ условий труда

Помещение.

Для размещения оборудования и рабочего места инженера предусмотрено помещение 5м*5м*3м. Оконный проем располагается на западной стороне.

Помещение освещается с помощью трех светильников типа ЛВО. В нем постоянно работает 1 человек. Рабочее место представляет собой стол с размерами 1.5x1м, с высотой рабочей поверхности 800мм, высотой пространства для ног 720мм и стул с регулируемой высотой. Рабочие места оборудовано персональным компьютером HP с ЖК мониторами диагональю 48 см. Это соответствует нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, в котором установлены следующие нормы для рабочего места с ПЭВМ для взрослых пользователей: высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680 - 800 мм, при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725 мм; высота пространства для ног не менее 600мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм. высота рабочего сидения должна регулироваться в пределах 400-500 мм.

В данном помещении на рабочее место приходится объем 75 м3 и площадь 15 м2, что соответствует нормам, установленным СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, по которым на одно рабочее место пользователей ПЭВМ с ЖК экранами должно приходить не менее 4,5 м2, а объем не менее 19,5 м3.

Микроклимат.

Для комфортной работы в помещении должен быть определенный микроклимат. В помещении микроклимат характеризуется температурой (°С), влажностью (%) и скоростью ветра (м/с).

Выполняемая работа по энергозатратам относится к категории 1а. Оптимальные и допустимые показатели температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений должны соответствовать значениям, указанным в таблице А.1.

Таблица А.1 - "Оптимальные и допустимые параметры микроклимата" по ГОСТу 12.1.005-88

Фактические значения параметров приведены в Таблице А.2.

Таблица А.2 - Фактические значения параметров.

Период годаТемпература, СОтносительная влажность, %Скорость движения воздуха, м/сХолодный24600,1Теплый27450,1

Внутренний микроклимат соответствует нормам представленный в ГОСТе 12.1.005-88. Этому способствует система кондиционирования воздуха и центральное отопление.

Освещённость.

Рассмотрим основные требование при выборе систем освещения для отдела:

постоянство освещенности во времени;

соответствие уровня освещенности рабочих мест характеру выполняемой зрительной работы;

отсутствие резких теней и блескости (переотражение);

достаточно равномерное распределение яркости на рабочих поверхностях и в окружаемом пространстве;

оптимальная направленность излучаемого осветительными приборами светового потока;

долговечность, экономичность, электро и пожаробезопасность, эстетичность, удобство и простота эксплуатации.

Рассматриваемое помещение имеет совмещенное (естественное и искусственное) освещение, причем естественное освещение - боковое, т.е рабочие места располагаются перпендикулярно плоскости оконного проема, т.к. рассматриваемый тип работы соответствует III разряду зрительной работа подразряд б (наименьший размер объекта разрешения 0.3-0.5мм.) инженера-оператора. Согласно СНиП 23-05-95 для выполнения такой работы необходима освещенность не меньше 300 лк для системы общего освещения.

)Естественное - боковое одностороннее-окно 2 х1,3 м (световой проем) площадью 2,6 м 2;

)Искусственное - общее (используется в тех случаях, когда естественного освещения недостаточно, применяется искусственное освещение). Имеется 3 светильника типа ЛВО, каждый из которых содержит по четыре люминесцентных лампы ЛБ-40, мощностью 10 Вт. В данном помещении фактическое значение комбинированного освещения 320 лк, что соответствует требованиям.

Шум.

В рассматриваемом помещении основным источником шума являются: система охлаждения компьютера, системы охлаждения сетевого оборудования и установка кондиционирования воздуха. Суммарный уровень шума может выйти за пределы установленных нормами допустимых значений.

В производственных помещениях при выполнении основных или вспомогательных работ с использованием ПЭВМ уровни шума на рабочих местах не должны превышать предельно допустимых значений, установленных для данных видов работ в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами. Эти требования описаны в ГОСТ 12.1.003-83, где сказано про максимальный уровень шума в 50 дБ А.

У каждого электрооборудования существует технический паспорт, где указан уровней звукового давления машины в стандартных октавных полосах частот. Все установленное оборудование соответствует нормам, то есть уровень звукового давления не превышает 50дБ А.

Электроопасность

В рассматриваемом помещении для обеспечения питания ПК и периферийного оборудования используется переменный ток с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Напряжение прикосновения и ток, протекающий через тело человека при аварийном режиме электроустановки и времени воздействия более 1 секунды, не должны превышать в соответствии с ГОСТ.12.1.038-82 допустимых значений, отраженных в таблице А.3:

Таблица А.3 - Допустимые уровни напряжения прикосновения и тока

Род токаU, ВI, мАНе болееПеременный, 50 Гц206

Помещение отдела по опасности поражения электрическим током относится к помещениям без повышенной опасности. Это заключение сделано на основании того, что в помещении не токопроводящие полы, температура не поднимается выше 27°С, влажность воздуха не более 60%. Токопроводящая пыль в помещении отсутствуют.

Электромагнитное излучение.

Основными источниками электромагнитного поля в помещении являются ПЭВМ.

Существуют санитарные плавила по допустимым уровням излучений электромагнитного поля от ПЭВМ , регламентированные в СанПин 22.2/2-4.1340-03 Приложении 2 .

Таблица А.4 - Допустимые уровни ЭМП, создаваемых ПЭВМ на рабочих местах

Наименование параметровВДУНапряженность электрического поляв диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц25 В/мв диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц2,5 В/мПлотность магнитного потокав диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц250 нТлв диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц25 нТлНапряженность электростатического поля15 кВ/м

В рассматриваемом помещении:

Напряженность электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц, составляет 2.1 В/м. Плотность магнитного потока в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц составляет 23,5 нТл, что по СанПиН 2.2.2.2.4.1340-03 не превышает допустимых значений.

Пожаробезопасность.

Согласно НПБ 105-03 по взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1 - В4, Г и Д, а здания - на категории А, Б, В, Г и Д.

По пожароопасности рабочее помещение относится к категории В, т.е. в помещении находятся твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы. Наиболее вероятными источниками возгорания являются документация и мебель.

Мероприятия и рекомендации по обеспечению условий труда.

Важно относиться не только к нормам оборудования стола, но и правильную и комфортную посадку. Данный подход позволит продлить активную часть рабочего дня без серьезного утомления. Поэтому следует организовать не только само место, но и привести нормы посадки на рабочее место.

При расчете компоновочных параметров для положения сидя используют следующие базы отсчета: плоскость пола, плоскость сидения, спинка сидения, перпендикулярная заднему краю сидения. Положение тела наиболее частые позы, которые принимает или вынужден принимать человек при выполнении работы, являются одним из основных факторов, определяющих производительность труда. Для физиологически правильно обоснованного рабочего положения, сидя должны быть, обеспечены оптимальные положения частей тела: корпус выпрямлен, сохранены естественные изгибы позвоночного столба и угол наклона таза, нет необходимости в сильных наклонах туловища, поворотах головы и крайних положениях суставов конечностей. Это особенно важно для профессионального разработчика проводящего за компьютером большую часть рабочего времени. Значение углов для частей тела тестированы. Данные значения углов приняты в качестве рекомендации для выбора рабочей позы разработчика:

угол, образованный положением оси туловища и шеи меняется в зависимости от выполняемой работы; при значении его больше 25о возникают болезненные ощущения в задней части шеи; ближе к оптимальному считается угол около 15°,

угол, образованный осью бедра и туловища должен быть либо прямым, либо составлять 110°-115°;

угол, образованный осью бедра и голени, может варьироваться е диапазоне 90-120 , при угле больше 120 возможно утомление растянутых мышц бедра;

лучшим положением руки для разработчика признано такое, при котором она свисает вдоль тела, т.е. угол, образованный осью плече - локтевого сегмента и вертикально =0.

Рабочее кресло разработчика обеспечивает поддержание рабочей позы, в положении сидя, и чем длительней это положение в течение рабочего дня, тем жестче требования к созданию удобных и правильных рабочих сидений.

Можно выделить общие рекомендации: наличие возможности регулирования основных параметров, таких, как высота сидения, высота спинки сидения и угол наклона спинки.

Размеры и формы информационного и моторного поля рабочего места разработчика ЭВМ тестированы: "ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при работе сидя. Общие органомические требования". В нашем случае рабочее место оснащено рабочим креслом с возможностью регулирования следующих параметров: высота сидения, высота спинки, угол наклона спинки. Установка параметров была произведена из рекомендованного ряда значений в соответствии с индивидуальными антропометрическими данными разработчика и характера работы: высота сидения - 480 мм, высота спинки - 430 мм и угол наклона спинки сидения в 5°.

Так же требования предъявленные к системам освещения обеспечены выбором светильников общего освещения типа ЛВО, с лампами ЛБ мощностью 10 Вт, по 4 в каждом светильнике, которые наиболее подходят по спектральному составу, ограничивают прямую и отраженную блескость.

Для обеспечения пожаробезопаности в помещении также находятся 2 огнетушителя серии ОП-2.

А.2 Расчетная часть. Расчет системы кондиционирования

Цель расчета системы кондиционирования - определить условия, при которых обеспечиваются заданные параметры микроклимата.

Избыток тепла в ВЦ.

, где

- количество тепла в помещении ВЦ.

- тепло от оборудования ВЦ.

- поступление тепла от персонала ВЦ.

- выделение тепла электрическим освещением.

- поступление летом (со знаком +) и потери зимой (со знаком - ) тепла через ограждение конструкции.

Тепло от оборудования ВЦ.

- коэффициент использования установочной мощности оборудования (=0,95) ;

- коэффициент, учитывающий одновременно работающего оборудования (=0.9);

- суммарная установочная мощность оборудования. = 700 Вт.

Тепло от людей

q - количество полного тепла, выделяемого одним человеком, обычно 140 Вт.

n - количество работающих в смену, n = 10 чел.

Тепло от освещения

- коэффициент, зависящий от способа установки светильников (=1) ;

- коэффициент, учитывающий пуско-регулирующую аппаратуру (=1,2);

- суммарная установочная мощность светильников. = 120 Вт.

- площадь стены через которую идет теплопередача (=15м2) ;

- коэффициент теплопередачи бетона (=0,7);

- расчетная наружная температура летом. ().

- расчетная наружная температура зимой.( )

- расчетная внутренняя температура. ().

Поступление тепла летом:

Потери тепла зимой:

Таким образом избыток тепла в ВЦ

Летом

Зимой

Найдем производительность системы кондиционирования воздуха, которая обеспечит оптимальные микроклиматические условия в помещении ВЦ.

Полная производительность системы кондиционирования:

- коэффициент, учитывающий потери в воздуховодах (=1,1).

- полезная производительность системы.

- удельная теплоемкость воздуха (=1 кДж/(кг*К)).

- плотность воздуха (= 1,2).

- разность температур.

- температура воздуха, удаляемого из помещения (=25) .

- температура воздуха в обслуживаемой зоне(=23).

- температура воздуха подаваемого в помещение(=22).

Тогда

= 2

= 8,68

= 9.548

Таким образом, для обеспечения комфортного микроклимата необходимо использовать кондиционер TOSHIBA RAS-10SKV-E2 с производительностью 10

В разделе охрана труда и защита окружающей среды был проведен анализ условий труда. Анализ условий показал соответствие основных критериев требованиям удовлетворяющим условиям безопасной работы. Были предложены мероприятия по обеспечению условий труда и организации рабочего места оператора ПЭВМ. Эргономические факторы являются благоприятными. Проведены расчеты системы кондиционирования для данного помещения и подобран кондиционер, обеспечивающий комфортные микроклиматические условия.

Теги: Оценка производительности скважинной штанговой насосной установки Диссертация Другое
Просмотров: 16826
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Оценка производительности скважинной штанговой насосной установки

Думай об учебе

Оценка производительности скважинной штанговой насосной установки

Репетиторство