ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли и предназначено для централизованного автоматического контроля в реальном времени работы нефтяных, газовых и водных скважин промысла, для автоматизации регулирования дебета газовых скважин в соответствии с геологическим заданием и подачи в них ингибитора гидратообразования, а также для организации учета газа на подземных газопроводах в районах без линий электропередач и на объектах потребления газа, требующих дистанционного управления запорной и регулирующей аппаратурой. Кроме того, настоящее изобретение может использоваться для дистанционного управления и контроля объектов, осуществляющих добычу, транспортировку и хранение таких текучих сред, как газ, нефть и/или вода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны информационно-управляющие системы нефте-, конденсато-, продуктопроводов, оснащенные автономными источниками электроснабжения.

Известный информационно-измерительный комплекс, раскрытый в решении RU 37245 (опуб. 10.04.2010), характеризуется тем, что он содержит диспетчерский блок, снабженный централизованным электропитанием и комплектом информационно-вычислительных и приемо-передающих устройств, связанных посредством радиосвязи с М информационно-вычислительными устройствами, где М - целое число, каждое из которых содержит радиопередающий узел или модем для обмена с диспетчерским блоком с помощью спутниковой связи, при этом каждое информационно-вычислительное устройство электрически связано с датчиками параметров соответствующей группы газовых и/или нефтяных скважин и заключено в герметичный контейнер, прикрытый сверху термоизоляционной крышкой и размещенный внутри монтажного колодца, который погружен в грунт полностью или частично, при этом верхняя часть указанного колодца закрыта термоизоляционным кожухом, а каждое из М информационно-вычислительных устройств снабжено автономным источником питания и связано с блоком солнечных батарей и с антенной для радиообмена информацией с диспетчерским блоком.

В известной системе согласно RU 37245 задача автономного снабжения удаленной системы электропитанием решается посредством использования как солнечных батарей, так и ветрогенераторов и/или блока аккумуляторов.

Однако зимой в районах Крайнего Севера часто дуют ветры, скорость которых достигает 40 м/сек, в результате чего вращающиеся лопасти ветроэлектрогенератора могут выйти из строя. Для решения задачи предотвращения разрушения лопастей в данной области техники предусматривают систему, замедляющую движение лопастей при сверхвысокой скорости ветра. Система замедления движения лопастей может быть реализована либо посредством применения тормоза, блокирующего вал, на котором вращаются лопасти, либо посредством изменения геометрии самих лопастей, например, с использованием механизма складывания лопастей. В целях безопасности при увеличении силы ветра генератор поворачивается под углом относительно направления ветра, снижая нагрузку на лопасти и замедляя скорость вращения. Однако эти системы замедления движения достаточно громоздки и сложны в обслуживании, причем контроль за их работой в удаленных местоположениях, таких как кусты скважин, подземные хранилища и пункты перекачки газа, расположенных зачастую в труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями, представляет собой серьезную проблему. Из уровня техники также известны системы полной блокировки вращения лопастей после полной зарядки аккумуляторов, однако их конструкция также сложна и требует наличия дополнительных средств для обслуживания. Кроме того, в результате длительной работы ветроустановки при сверхвысокой скорости ветра может производиться значительно количество излишней энергии, которую невозможно накопить в аккумуляторе, так как аккумуляторные батареи, используемые для накопления энергии, имеют конечную емкость. Более того, наличие дополнительных батарей существенно повышает стоимость конечной системы, а также ее вес. Соответственно возникает проблема утилизации энергии, которая вырабатывается автономными источником питания (ветроэлектрогенератором или солнечными батареями, и т.д.), в то время, когда аккумуляторная батарея уже полностью заряжена, в связи с тем, что перезаряд аккумуляторной батареи существенно снижает срок ее службы, и с тем, что емкость аккумуляторной батареи конечна.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложен информационно-измерительный комплекс согласно заявленному изобретению.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции информационно-измерительного комплекса, предназначенного для контроля и управления потоком текучей среды, и исключение влияния излишнего накопления энергии в средстве аккумулирования энергии на срок его службы.

Технический результат достигается тем, что информационно-измерительный комплекс содержит:

по меньшей мере один диспетчерский пункт, выполненный с возможностью приема/передачи данных на по меньшей мере одну удаленную систему контроля и управления, содержащую:

по меньшей мере одно измерительное и/или по меньшей мере одно исполнительное средство;

по меньшей мере одно средство связи, выполненное с возможностью приема/передачи данных на по меньшей мере один диспетчерский пункт или на по меньшей мере одно измерительное средство и/или по меньшей мере одно исполнительное средство;

по меньшей мере одно средство автономного энергоснабжения удаленной системы контроля и управления;

по меньшей мере одно средство аккумулирования энергии для накопления энергии до заданного предела;

по меньшей мере одно средство утилизации энергии, выполненное с возможностью утилизации энергии, поступающей в средство аккумулирования энергии выше заданного предела;

по меньшей мере одно средство регулирования потоков энергии, выполненное с возможностью регулирования потоков энергии между по меньшей мере одним средством автономного энергоснабжения, по меньшей мере одним средством аккумулирования энергии и по меньшей мере одним средством утилизации энергии;

и по меньшей мере одно средство обработки данных, выполненное с возможностью обработки данных, полученных от по меньшей мере одного диспетчерского пункта или от по меньшей мере одного измерительного и/или исполнительного средства, а также выполненное с возможностью формирования по меньшей мере одного управляющего сигнала и/или сигнала передачи данных, причем средство обработки данных дополнительно выполнено с возможностью передачи по меньшей мере одного управляющего сигнала и/или сигнала передачи данных на по меньшей мере одно средство связи.

В связи с тем, что в заявленном изобретении предусмотрено наличие по меньшей мере одного средства утилизации энергии, выполненного с возможностью утилизации энергии, поступающей в средство аккумулирования энергии выше заданного предела, излишняя энергия, поступающая от автономного источника энергии, направляется на это средство, которое утилизирует излишнюю энергию. В результате чего отпадает необходимость в наличии сложных средств замедления движения лопастей или средств блокировки вращения лопастей. Для определения уровня заряда аккумуляторной батареи, а также для направления излишней энергии, поступающей от автономного источника энергии в аккумуляторную батарею или в средство утилизации энергии, в заявленном изобретении предусмотрено по меньшей мере одно средство регулирования потоков энергии, выполненное с возможностью регулирования потоков энергии между по меньшей мере одним средством автономного энергоснабжения, по меньшей мере одним средством аккумулирования энергии и по меньшей мере одним средством утилизации энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлен общий вид информационно-измерительного комплекса в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг. 2 схематически представлена удаленная система контроля и управления, содержащая измерительное и/или исполнительное средство, имеющее беспроводную сеть связи, и установленная на площадке по добыче текучих сред, таких как газ, нефть или вода, или их комбинации.

На фиг.3 представлен вариант осуществления информационно-измерительного комплекса, в котором одна удаленная система контроля и управления используется для управления несколькими объектами управления.

На фиг. 4 представлен вариант осуществления информационно-измерительного комплекса, в котором несколько удаленных систем контроля и управления используются для управления несколькими объектами управления, причем передача данных осуществляется между диспетчерским пунктом и удаленными системами контроля и управления напрямую.

На фиг.5 представлен вариант осуществления информационно-измерительного комплекса, в котором несколько удаленных систем контроля и управления используются для управления несколькими объектами управления, причем передача данных между диспетчерским пунктом и информационно-измерительным комплексом осуществляется посредством ретрансляторов, установленных на каждой из удаленных систем контроля и управления.

На фиг.6 представлен вариант осуществления удаленной системы контроля и управления, в которой средство утилизации энергии расположено в корпусе, в котором размещены компоненты удаленной системы контроля и управления.

На фиг.7 представлен вариант осуществления удаленной системы контроля и управления, в которой средство утилизации энергии расположено вне корпуса, в котором размещены компоненты удаленной системы контроля и управления.

На фиг.8 представлен вариант осуществления информационно-измерительного комплекса, в соответствии с которым удаленная система контроля и управления может соединяться с другой удаленной системой контроля и управления посредством проводного соединения для направления излишков энергии другой удаленной системе контроля и управления.

На фиг.9 представлен вариант осуществления информационно-измерительного комплекса, в соответствии с которым удаленная система контроля и управления может дополнительно иметь соединение с сетевым средством снабжения энергией посредством проводного соединения.

На фиг.10 представлен вариант осуществления удаленной системы контроля и управления, в которой составляющие компоненты удаленной системы контроля и управления расположены в корпусе, причем этот корпус может быть выполнен термоизолированным, герметизированным, а также может быть заглубленным полностью или частично в грунт.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с заявленным изобретением предложен информационно-измерительный комплекс (100), предназначенный для управления потоком текучей среды, представленный на фиг.1, содержащий диспетчерский пункт (101), который обеспечивает прием, сохранение, архивирование, отображение информации, получаемой/передаваемой с/на удаленную систему (102) контроля и управления, установленную в удаленном местоположении. В общем случае, диспетчерский пункт представляет собой автоматизированное рабочее место, оснащенное средствами связи и комплексами обработки данных. Диспетчерский пункт предназначен для получения данных из удаленной системы (102) контроля и управления, формирования команд конфигурирования контрольно-измерительных приборов, установленных в удаленном местоположении, и передачи этих команд на удаленную систему (102) контроля и управления.

На Фиг.2 схематически представлена удаленная система (102) контроля и управления, в общем виде показанная на Фиг.1. Удаленная система контроля и управления содержит по меньшей мере одно измерительное средство и/или по меньшей мере одно исполнительное средство (103). Измерительное средство предназначено для измерения конкретных параметров добываемых, транспортируемых или хранимых флюидов в удаленном местоположении, например, давления, расхода, плотности, температуры.

В качестве такого измерительного средства используют расходомер потока текучей среды, датчик давления потока текучей среды, датчик давления в межколонном пространстве, анализатор точки росы, систему обнаружения утечек, хроматограф и другие подходящие устройства измерения свойств потоков флюидов. Кроме того, могут измеряться другие параметры, непосредственно не связанные с характеристиками потока, например температура окружающей среды, скорость ветра, влажность, интенсивность освещения, уровень заряда аккумуляторной батареи, либо другие параметры.

В качестве исполнительного средства используются такие устройства, как приустьевой клапан-отсекатель, система подачи ингибитора, регулирующая устройство дебита, шлейфовый клапан-отсекатель, шлейфовая отсечная задвижка, коренная скважинная задвижка, боковая скважинная задвижка, клиновая задвижка с электроприводом, клапан контроля давления, которые непосредственно управляют потоком флюида. Также, в качестве исполнительного средства могут выступать любые другие устройства, непосредственно не связанные с управлением потоком флюидов, например устройство для борьбы с обледенением, насосы для удаления воды, устройства замедления движения лопастей генератора и другие средства.

Передача данных между удаленной системой (102) контроля и управления и измерительным средством и/или исполнительным средством (103) может осуществляться также с помощью проводной либо беспроводной связи. С целью обеспечения возможности связи измерительное средство и/или исполнительное средство (103) может быть снабжено средством (110) связи измерительного средства и/или исполнительного средства. Измерительное средство и/или исполнительное средство (103) может опционно иметь дополнительные автономные источники питания, например литий-ионные батареи, и контроллеры, измеряющие уровень заряда этих источников питания и направляющие информацию об уровне заряда этих источников на удаленную систему (102) контроля и управления. Также измерительное средство и/или исполнительное средство (103) может получать питание от удаленной системы (102) контроля и управления. В этом случае измерительное средство и/или исполнительное средство (103) может иметь проводное соединение с удаленной системы (102) контроля и управления.

Для обеспечения возможности передачи данных между диспетчерским пунктом и/или другими удаленными системами контроля и управления, а также для обеспечения связи с измерительным средством и/или с исполнительным средством удаленная система контроля и управления оборудована средством (104) связи. В качестве средства связи можно использовать как беспроводные, так и проводные системы связи, такие как спутниковая, сотовая, транкинговая, оптоволоконная, кабельная и другие виды связи, известные в данной области техники.

На фиг. 3 представлен вариант осуществления, в котором одна удаленная система (102) контроля и управления предназначена для управления несколькими управляемыми объектами: объектом (111) добычи текучих сред, станцией (112) подземного хранения текучих сред, трубопроводом/станцией (113), транспортирующей/перекачивающей текучие среды. В данном варианте осуществления данные, принимаемые от различных измерительных средств (103), направляются на одну удаленную систему (102) контроля и управления, обрабатываются и затем передаются на диспетчерский пункт (101). Этот вариант может использоваться в случае, если расстояние между управляемыми объектами и удаленной системой (102) контроля и управления будет обеспечивать надежную передачу данных.

На Фиг.4 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым на каждом из управляемых объектов, таких как объект (111) добычи текучих сред, станция (112) подземного хранения текучих сред, трубопровод/станция (113), транспортирующая/перекачивающая текучие среды, предусмотрена удаленная система (102) контроля и управления. При этом диспетчерский пункт будет иметь возможность поддерживать связь с каждой из множества удаленных систем (102) контроля и управления.

На фиг.5 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым на каждом из объектов, таких как объект (111) добычи текучих сред, станция (112) подземного хранения текучих сред, трубопровод/станция (113), транспортирующая/перекачивающая текучие среды, предусмотрена отдельная удаленная система (102) контроля и управления, однако в этом случае диспетчерский пункт будет обеспечивать связь только с наиболее близкой к диспетчерскому пункту удаленной системой (102) контроля и управления из множества удаленных систем (102) контроля и управления, а связь с другими из множества удаленных систем (102) контроля и управления будет осуществляться посредством ретрансляторов (не показаны), установленных на каждой из удаленных систем (102) контроля и управления, интегрированных со средством связи или выполненных в виде отдельного устройства. Данные от самой удаленной из множества удаленных систем (102) контроля и управления будут передаваться на ближайшую к ней доступную удаленную систему (102) контроля и управления, а затем посредством ретрансляторов будут передаваться на последующие доступные удаленные системы (102) контроля и управления, и так далее до наиболее близкой к диспетчерскому пункту удаленной системы (102) контроля и управления. Такая конфигурация будет наиболее приемлемой, если управляемые объекты находятся на значительном расстоянии от диспетчерского пункта, и невозможно обеспечить прямую передачу данных между диспетчерским пунктом и каждой из множества удаленных систем (102) контроля и управления. Более того, такая конфигурация обеспечит дополнительную надежность передачи данных в случае, если одна из удаленных систем (102) контроля и управления выйдет из строя. В таком случае данные могут не направляться на вышедшую из строя удаленную систему (102), а могут направляться на другую доступную работоспособную удаленную систему (102).

С целью обеспечения энергоснабжения удаленная система контроля и управления снабжена по меньшей мере одним средством (105) автономного энергоснабжения, таким как солнечная батарея, ветроэлектрогенератор, термоэлектрогенератор, газогенератор или их комбинациями, либо любым другим источником автономного энергоснабжения, известным из уровня техники. В дополнение к вышеуказанным системам питания удаленная система контроля и управления может иметь подключение к источнику сетевого энергоснабжения, если таковой имеется в наличии.

Часть энергии, полученной от средства (105) автономного энергоснабжения, направляется как на питание устройств, установленных в удаленной системе контроля и управления, так и на питание по меньшей мере одного измерительного средства и/или исполнительного средства (103). Оставшаяся часть энергии направляется в средство (106) аккумулирования энергии для накопления энергии, не израсходованной для работы удаленной системы контроля и управления. В качестве средства аккумулирования энергии можно использовать химическое средство аккумулирования энергии, механическое средство аккумулирования энергии, электромагнитное средство аккумулирования энергии либо их комбинации, известные из уровня техники. Например, в качестве химического средства аккумулирования энергии можно использовать свинцово-кислотные аккумуляторы, гелевые аккумуляторы, никель-кадмиевые аккумуляторы, литий ионные аккумуляторы. В качестве механического средства аккумулирования энергии возможно использование аккумулятора на сжатом газе, механических накопителей с маховиком. Суперконденсаторы могут использоваться в качестве электромагнитного средства аккумулирования энергии.

Энергия, поступающая в по меньшей мере одно средство (106) аккумулирования энергии от средства (105) автономного энергоснабжения, используется для накопления энергии до определенного предела, ограниченного емкостью средства аккумулирования энергии, выше которой энергия уже не сможет накапливаться. В том случае, когда предел накопления энергии уже достигнут, а средство автономного энергоснабжения все еще продолжает вырабатывать дополнительную энергию, например, ветрогенератор продолжает вращаться и вырабатывать энергию, и/или солнечные батареи продолжают освещаться солнцем и выдают энергию, возникает необходимость утилизации этой дополнительной энергии с минимальными затратами. В заявленном изобретении задача утилизации дополнительной энергии с минимальными затратами решается с помощью средства (107) утилизации энергии. Для определения того, сколько энергии необходимо направить на средство утилизации энергии или на средство аккумулирования энергии и/или на питание других компонентов, содержащихся в удаленной системе контроля и управления, в заявленном изобретении предусмотрен механизм регулирования потоков между всеми элементами, составляющими удаленную систему контроля и управления.

Для регулирования потоков энергии между средством (105) автономного энергоснабжения, средством аккумулирования энергии и средством (107) утилизации энергии в удаленной системе контроля и управления предусмотрено средство (108) регулирования потоков энергии. Средство (108) регулирования потоков энергии может представлять собой контроллер, выполненный с возможностью измерения уровня энергии, накопленной в средстве аккумулирования энергии, и переключения потока энергии, поступающего от средства автономного энергоснабжения, на средство утилизации энергии.

Также средство (108) регулирования потоков энергии может направлять излишнюю энергию на питание любых компонентов, составляющих удаленную систему контроля и управления, например на питание измерительных средств и/или исполнительных средств, на освещение системы, на питание средства сигнализации.

Информация, получаемая от диспетчерского пункта, измерительного средства и/или исполнительного средства либо от другой удаленной системы контроля и управления, обрабатывается средством (109) обработки данных, представляющим собой, в общем случае, вычислительное устройство, такое как процессор, многопроцессорная система, серверная система, аппаратно-программный комплекс средств или любое устройство обработки данных, известное в данной области техники.

На Фиг.6 представлен вариант осуществления средства (107) утилизации энергии.

В качестве средства (107) утилизации энергии, предназначенного для утилизации энергии, поступающей в средство аккумулирования энергии выше заданного предела, в настоящем решении применяют нагревательный элемент или охлаждающий элемент. Например, в качестве простейшего нагревательного элемента может быть использован нихромовый нагреватель, который может быть установлен внутри корпуса, в котором расположены средство аккумулирования энергии, средство обработки данных и/или любые другие элементы удаленной системы контроля и управления, для поддержания оптимальной температуры эксплуатации внутри данного корпуса при отрицательной температуре окружающей среды. Данный вариант осуществления может использоваться в условиях с холодным климатом, например в районах Крайнего Севера. В качестве охлаждающего элемента возможно использование холодильного аппарата, который также будет поддерживать оптимальную температуру эксплуатации для элементов внутри данного корпуса при значительной положительной температуре. Последний вариант будет приемлем, если удаленная система контроля и управления будет устанавливаться в условиях с жарким климатом. Более того, нагревательный элемент или охлаждающий элемент могут быть установлены вне корпуса, что позволит утилизировать излишнюю энергию в окружающую среду, этот вариант представлен на фиг.7.

В одном варианте осуществления, представленном на фиг.8, излишняя энергия одной удаленной системы (102) контроля и управления может также быть направлена на другую удаленную систему (111) контроля и управления из множества удаленных систем контроля и управления. В этом случае предусмотрено проводное соединение (114) для передачи энергии между несколькими удаленными системами контроля и управления, а также предусмотрена возможность осуществления передачи данных между несколькими удаленными системами контроля и управления для того, чтобы иметь информацию о том, какая из доступных удаленных систем нуждается в энергии, а какая из удаленных систем имеет избыток энергии. В зависимости от этой информации энергия от удаленной системы контроля и управления, имеющей излишки энергии, может быть перенаправлена на любую другую систему контроля и управления, которая нуждается в энергии, из множества удаленных систем контроля и управления.

В одном из вариантов осуществления, показанном на фиг.9, удаленная система (102) контроля и управления может быть дополнительно подключена к средствам (114) сетевого энергоснабжения, например удаленная система контроля и управления может быть подключена к линии электропередач. В этом случае излишняя энергия может быть направлена обратно в средство сетевого энергоснабжения. Более того, в условиях полного отсутствия энергии, поступающей от средства автономного энергоснабжения, например, при отсутствии ветра или при пасмурной погоде, средство аккумулирования энергии может дополнительно иметь возможность получать энергию от средства сетевого энергоснабжения для заряда. Также сетевое снабжение может использоваться в качестве основного средства обеспечения энергией.

Если удаленная система контроля и управления не имеет возможности подключения к средствам сетевого энергоснабжения, для условий полного отсутствия энергии, поступающей от средства автономного энергоснабжения, предусмотрен режим наибольшей экономии энергии, при котором средство (108) регулирования потоков энергии может сформировать сигнал отключения энергоснабжения для по меньшей мере одного исполнительного средства и/или измерительного средства, либо для любого другого элемента системы контроля и управления. Данный режим наибольшей экономии позволит отключить незначимые для непосредственной работы элементы и сохранить энергию для наиболее важных элементов до наступления благоприятных условий либо до приезда обслуживающей бригады.

Для защиты от воздействия окружающей среды по меньшей мере одного средства аккумулирования энергии, средства регулирования потоков энергии, средство обработки данных могут быть размещены в корпусе (115), причем этот корпус может быть выполнен термоизолированным, герметизированным, а также может быть заглубленным полностью или частично в грунт. Данный вариант осуществления представлен на фиг.10.

Вариант осуществления средства (108) регулирования энергии представлен на фиг. 11.

В частности, средство (108) регулирования энергии измеряет напряжение на средстве (106) аккумулирования энергии и при достижении значения напряжения на средстве (106) аккумулирования энергии Uзар подключает средство (107) утилизации параллельно средству (105) автономного энергоснабжения. Величина тока через средство (107) утилизации выбирается такой, чтобы напряжение на средстве (106) аккумулирования энергии поддерживалось равным величине Uзар.

Измерение напряжения на средстве (106) аккумулирования энергии производится по выделенной линии (118) для компенсации потерь напряжения на проводах, измерительных и защитных элементах в силовой цепи заряда средства (106) аккумулирования энергии.

Средство (108) регулирования энергии может дополнительно управлять дублирующими защитными схемами, которые ограничивают напряжение на выходе средства (108) регулирования энергии в рабочих пределах при отказе процессора или повреждении линии (118) измерения напряжения средства (106) аккумулирования энергии, а в случае превышения предела производится отключение балластного шкафа от аккумулятора с помощью автоматического выключателя с расцепителем (119).

Контроллер также измеряет входное напряжение, ток через средство (107) утилизации и ток в силовой цепи заряда средства (106) аккумулирования энергии и передает на верхний уровень в целях диагностики, например, на диспетчерский пункт.

Предложенный информационно-измерительный комплекс может использоваться для управления потоком любых текучих сред, например для нефти, газа, воды или их комбинации.