1D моделирование гидростанции испытательного стенда и установки для ремонта нефтегазоконденсатных скважин

К нам обратились с задачей оптимального метода управления гидростанцией, которая работает в специальной установке для ремонта нефтегазоконденсатных скважин. Специалисты Заказчика уже пытались решить вопрос, столкнулись с трудностями, и самостоятельно пришли к выводу, что необходимо 1D моделирование гидростанции.  Задачу нужно решить для двух типов установки - Испытательного стенда, и для Промышленной установки.

Кроме того,  было обозначено, что итоговым результатом мы должны разработать АСУ ТП , которая должна работать по методам и алгоритмам, определенным на этапе моделирования и анализа, регистрировать все необходимые параметры и/или отклонения.  

Совместно с техотделом Заказчика были  проработаны исходные данные, конструкторская документация. Далее составили подробное Техническое задание на моделирование и анализ гидравлики, проектирование и разработку АСУ ТП .   

На первом этапе разработали математическую 1D модель гидравлической схемы насосной станции, управляющей линейной подачей штока гидроцилиндра.

Модель разработана в специальном программном обеспечении Simcenter Amesim производства компании Siemens.

ПО Simcenter Amesim представляет собой набор инструментов и библиотек, используемых для моделирования, анализа и прогнозирования производительности систем различного типа. Поведение гидравлических, пневматических, термодинамических, электрических и механических систем описываются с помощью нелинейных уравнений. В отличие от 3D CAE, такой подход дает возможность моделировать поведение систем без наличия подробной CAD геометрии и может быть использован на ранних этапах проектирования изделия. Для удобства, наглядности и скорости разработки, вместо строк формул и уравнений, ПО Amesim предоставляет удобный набор графических элементов, распределенных по соответствующим библиотекам гидравлики, механики и т.п.

Графический эскиз окончательного варианта 1D модели.

Исходные данные для 1D моделирования гидравлики

Математическая 1D модель гидростанции разработана с учетом некоторых допущений, согласно Техническому заданию:

- насос считается идеальным, учитывается только постоянный и объемный КПД;

- изменение температуры жидкости не учитывается;

- жидкость считается несжимаемой;

- стенки трубопроводов считаются недеформируемыми;

- осевая нагрузка на шток гидроцилиндра является функцией времени в Ньютонах;

- величина осевой нагрузки для гидроцилиндра испытательного стенда является суммой двух составляющих: постоянной величины ~235 кг (вес оборудования) и переменной величины — усилия резания оборудования не превышающее 1500 кг и изменяющаяся скачкообразно с определенной амплитудой около среднего значения;

- величина осевой нагрузки для гидроцилиндра, применяющимся на промышленном объекте является суммой двух составляющих: постоянной величины до 50 тонн (вес бурильной колонны) и переменной величины — усилия резания оборудования не превышающее 1500 кг.

Кроме того, исходными данными определено:

- Насосная станция испытательного стенда, обеспечивающая определенный расход масла для регулирования линейной скорости штока гидроцилиндра испытательного стенда, имеет шестеренчатый насос с электродвигателем мощностью  и в текущем исполнении не имеет подключенного частотного преобразователя (то же самое, и с пром установкой)

- Диаметр дросселей до/после ГЦ 

- Давление открытия предохранительного клапана

- Номинальные обороты насоса 

- Максимальная нагрузка на шток (тянущая)

- Вес оборудования 

- Скорость движения штока при номинальных оборотах на испытательном стенде и полностью открытых дросселях при макс.нагрузке 

- трубопроводы основные 

1D Моделирование гидравлической схемы Испытательного стенда

Для моделирования Испытательного стенда предполагалось, что система должна работать так, будто нагрузка резания не оказывает воздействия, а значит скорость движения штока гидроцилиндра неизменна при постоянных оборотах вала насоса, чему соответствует постоянное давление жидкости в поршневой полости гидроцилиндра.

После проведения ряда экспериментов с различными гипотезами было принято решение о методе регулирования.

Далее выполнены настройки и подборка устройств.  С помощью проведенной серии расчётов были получены значения давления в поршневой полости цилиндра при отсутствии нагрузки для диапазона частоты вращения вала насоса от 0 до 4000 об/мин.

Эти значения формируют кривую целевых значений для системы управления насосной станции. Таким образом, в каждый момент времени система будет понимать, какое давление в поршневой полости цилиндра ей необходимо поддерживать для того, чтобы компенсировать нагрузку резания.

Проверка полученных настроек регулятора на всех сценариях нагрузки:

1D Моделирование гидравлики промышленной установки для бурения

При моделировании Промышленной установки для бурения Эскиз модели полностью идентичен эскизу для расчёта испытательного стенда.  Однако, ввиду различных исходных данных и граничных условий, результаты моделирования мы получили совсем иные (связано с массо-габаритными характеристиками, нагрузками и проч). 

Результаты моделирования и анализа.  Разработка проекта АСУ ТП

В результате проведенных работ получена математическая 1D модель насосной станции, выявлены зависимости расхода жидкости с нагрузкой на гидроцилиндре различными видами нагружения, проведен анализ переходных процессов по установлению постоянной линейной скорости штока гидроцилиндра на входной и выходной магистралях, определен способ регулирования насосной станции, подобраны оптимальные коэффициенты регулятора. 

Определены устройства автоматизации для управления насосной станции гидроцилиндра  -  программируемый логический контроллер, панель оператора и частотные преобразователи, устройства сопряжения и связи. 

Разработано проектное решение АСУ ТП

а так же  программное обеспечение контроллера и панели оператора