Стрекалов А.В. Математические модели гидравлических систем для управления системами поддержания пластового давления

Подождите немного. Документ загружается.

101

ступают газовые баллоны, потенциал газа задается давлением его сжа-

того/сжиженного состояния.

Второе свойство НТС вытекает из его определения: внутри НТС

практически отсутствует поток текучей среды, являющийся след-

ствием работы рассматриваемой гидросистемы. И это действитель-

но так, причем как для естественных, так и для искусственных гидрав-

лических систем. Для всех ранее рассмот

ренных ТГС поток жидкости,

дойдя до НТС, обрывается. Если же взять естественную систему река –

озеро, тогда в качестве НТС здесь выступает озеро и в нем так же, как

и в других НТС, отсутствует поток.

В этом месте следует сделать оговорку: естественный водоем, на-

пример, река, тоже может выступать в роли НТ

С, скажем, для систем

водоснабжения или гидросистем ППД, однако в ней присутствует по-

ток воды. Да, это действительно так, но этот поток является работой

другой – естественной гидравлической системы и на системы водо-

снабжения и гидросистемы ППД влияния не оказывает. В данном слу-

чае река так же разрывает потоки воды, являющиеся следствием раб

о-

ты этих ТГС. Для заводняемых пластов следует отметить что распре-

деление потоков внутри ГПП имеет значение только для пластовой

системы, а следствием является действие их на ТГС (ППД и нефтесбо-

ра): пластовое давление в окрестности скважин и распределение на-

сыщенностей определяют характер гидравлической связи с техниче-

скими гидросистемами.

Третье свой

ство НТС состоит в том, что данный элемент не может

задавать четкое направление потока, т.е. не может формировать его

вектор. Но это не значит, что потенциал вмещаемой текучей среды не

оказывает влияние на предпочтение в направлении потока: в прямую

или обратную стороны. Например, в некоторых системах водоснабже-

ния без аппаратов по сооб

щению энергии текучей среде поток жидко-

сти перемещается под действием потенциала в НТС.

Элементы АС и АП

Данные подэлементы выделены из элемента АСП, исходя из их

конкретного назначения.

Аппараты для сообщения энергии текучей среде (АС) – элемент

ТГС, предназначенный для преобразования любых видов энергии в

энергию текучей среды. Причем, как бы

ло отмечено ранее, энергию

текучей среды следует разделять на гидравлическую и тепловую, а,

следовательно, и АС следует разделять на АСГ и АСТ. Эти элементы

различаются по принципу действия на текучую среду и служат раз-

102

личным целям. Ввиду того, что нас наиболее интересуют системы

ППД, в которых отсутствуют АСТ, мы не будем останавливаться на

рассмотрении свойств АСТ.

Конкретными физическими объектами, относящимися к АСГ, яв-

ляются различного типа насосы и компрессоры. Элемент АСГ приме-

няется в большинстве современных ТГС, но он не является обязатель-

ным для ф

ункционирования какой-либо другой гидросистемы. Иначе

говоря, можно построить неполномодульную ТГС без использования

данного элемента. Примером такой ТГС являются системы водоснаб-

жения с использованием возвышенных (горных) водоемов, где не ис-

пользуются какие-либо насосы.

Основные свойства АСГ:

− АСГ целенаправленно изменяет энергию потока текучей среды:

наращивает гидравлическую энергию;

− гидравлический потенциал по

тока на входе в АСГ при его нор-

мальной работе всегда меньше, чем на выходе из него;

− АСГ в соответствии со своей ориентацией оказывает влияние на

направление перемещения потока текучей среды от точки с

большим гидравлическим потенциалом к точкам с меньшим по-

тенциалом, однако так же, как и НТС, то

чно не задает вектор по-

тока.

Свойства АСГ объясняются самой целью его использования, т.е.

необходимостью наращивания гидравлического потенциала текучей

среды для ее перемещения в нужном направлении. В случае ТГС буро-

вой установки буровой насос наращивает гидравлический потенциал

раствора для того, чтобы он протекал по каналам связи (трубам, сква-

жине) в ну

жном направлении и с необходимой для технологического

процесса энергией (см. рис. 3.3). В ТГС локального теплоснабжения

циркуляционный насос также наращивает потенциал для перемещения

потока воды по направлению к котлу, а затем сквозь радиаторы снова

в прием (см. рис. 3.6). Аналогично и в системах охлаждения двигателя.

В гидросистемах ППД насосы первого и второго во

доподъема нара-

щивают начальный (задаваемый НТС) гидравлический потенциал во-

ды для ее перемещения до КНС, где насосные агрегаты еще наращи-

вают потенциал для продвижения потока воды по КС (сети трубопро-

водов) в нагнетательные скважины, а затем в заводняемый пласт. Та-

ким образом, эти АСГ задают направление движения потока воды от

реки/озера к пла

стам.

103

Как видно, второе свойство АСГ вытекает из первого и подчерки-

вает характер системного взаимодействия АСГ с другими элементами

ТГС. Третье свойство АСГ определяет его безотносительность к век-

тору потока аналогично НТС.

Аппараты для поглощения (преобразования) энергии текучей

среды (АП) – элемент, предназначенный для преобразования энергии

текучей среды в другие виды энергии. Ка

к и АС, данный элемент сле-

дует разделять на АПГ и АПТ в соответствии с тем видом энергии те-

кучей среды (гидравлическая или тепловая), который преобразуется.

Эти элементы также являются различными по принципу действия и

служат различным целям. Здесь мы также не будем подробно останав-

ливаться на свойствах АПТ.

Конкретными физическими об

ъектами, относящимися к АПГ, яв-

ляются любые виды гидродвигателей, гидроусилителей, турбин и дру-

гих подобных устройств. Элемент АПГ в существующих крупных гид-

росистемах применяется несколько реже, чем АСГ и является необяза-

тельным элементом для функционирования многих ТГС. Примерами

гидросистем с элементом АПГ служат гидравлические системы по вы-

работке электроэнергии в г

идроэлектростанциях, буровой установки

при турбинном бурении, турбонаддува дизельных двигателей внут-

реннего сгорания и т.п.

Основные свойства АПГ:

− АПГ целенаправленно изменяет энергию потока текучей среды:

снижает гидравлическую энергию потока, преобразуя ее в другие

виды энергии;

− гидравлический потенциал потока на входе в АПГ всегда больше,

чем на выходе из него пр

и любом (даже аварийном) режиме рабо-

ты АПГ;

− АПГ не оказывает влияния на направление и вектор перемещения

потока текучей среды.

Первое свойство АПГ обуславливается технологической целью

применения таких аппаратов, т.е. получение некоторого вида энергии

из гидравлической энергии потока. Естественно, снижение гидравли-

ческой энергии потока объясняется законом сохранения энергии, чт

также подтверждается вторым свойством АПГ, которое подчеркивает

характер системного взаимодействия с другими элементами.

Наиболее интересным является третье свойство. Суть этого свойст-

ва состоит в том, что вне зависимости от структурного положения

АПГ в гидросистеме данный элемент не может оказывать влияние на

104

направление потока текучей среды. Это, прежде всего, связано с тем,

что АПГ, в отличие от АСГ, не «диктует» потоку направление (нара-

щивая его потенциал), а подчиняется ему, только снижая его гидрав-

лический потенциал. Иначе говоря, АПГ не может заставить двигаться

поток в противоположном направлении (вследствие отсутствия подво-

да энергии извне). Те

м не менее, при определенных условиях он может

запирать поток. Например, при использовании насосов силового (объ-

емного) действия в качестве гидродвигателей.

АПГ и АСГ иногда имеют схожую конструкцию. Например, насос

типа ЦНС при отсутствии подвода механической энергии от электро-

двигателя может исполнять роль АПГ, при этом на выходе (по ориен-

тации самого об

ъекта) из него гидравлический потенциал потока вы-

ше, чем на входе. Данная ситуация в условиях эксплуатации гидросис-

тем ППД является аварийной и может возникнуть при отключении

электропитания двигателя и несрабатывании обратного клапана, уста-

новленного на выкиде ЦНС (см. рис. 3.5).

Элементы УН и УП

Данные элементы выделены из устройств по упр

авлению потоком,

исходя из их конкретного назначения.

Устройства по изменению направления потока текучей среды

(УН) – элемент гидросистем, предназначенный для изменения направ-

ления или вектора перемещения потока текучей среды. Конкретными

физическими объектами, представляющими данный элемент, являются

всевозможные задвижки, краны, клапаны, распределители, т.е. все

устройства, изменяющие вектор перемещения потока текучей среды.

анный элемент так же, как АСП является необязательным для функ-

ционирования некоторых ТГС.

Основные свойства УН:

− УН в пределах своих физических возможностей может изменять

вектор перемещения потока текучей среды;

− идеальные УН не оказывают влияния на энергию потока теку-

чей среды.

УН могут быть как самодействующими (предохранительные кла-

паны), так и упр

авляемыми извне (задвижки, краны) и служат одной

цели – управление потоком: пропусканию и непропусканию сквозь

себя потока текучей среды (см. рис. 3.9 – а, б). Существуют также уст-

ройства, позволяющие перенаправлять поток по выбранным направле-

ниям – распределители потоков (см. рис. 3.9 – в, г).

105

Первое свойство УН можно конкретизировать так: в зависимости

от конструкции устройства (допускает полное перекрытие потока или

перенаправляет поток с одного КС к другому) оно способно изменять

вектор перемещения текучей среды (рис. 3.9).

Второе свойство показывает, что идеальные УН не влияют на энер-

гию потока. Примером таких устройств являются прямоточные за-

движки. Однако, эт

о условие соблюдается в редких случаях, так как

все устройства не идеальны и оказывают потоку текучей среды гид-

равлическое сопротивление в той или иной степени.

Устройства по изменению параметров потока текучей среды

(УП) – элемент гидросистем, предназначенный для изменения пара-

метров потока текучей среды. Под параметрами потока текучей среды

понимаются ее дав

ление, расход, температура и др. свойства. Кон-

кретными физическими объектами, представляющими данный эле-

мент, являются штуцеры, регуляторы расхода и давления, терморегу-

ляторы и т.п. Этот элемент, как и элемент УН, является необязатель-

ным для функционирования гидросистемы.

Основные свойства УП:

− УП в пределах

своих возможно-

стей изменяют оп-

ределенные па

ра-

метры потока те-

кучей среды.

Обычно УП пред-

назначены для из-

менения одного из

параметров потока

текучей среды, од-

нако ввиду своего

несовершенства

они изменяют и

другие;

− УП оказывают

влияние на поток

текучей среды

снижая его энер-

гию;

− УП не изменяют направление потока текучей среды.

a) б)

в) г)

Рис. 3.9. Устройства по изменению направления

потока текучей среды: а – задвижка: открытое

состояние; б – задвижка: закрытое состояние;

в – распределитель потоков: первое и второе окна

открыты; г – распределитель потоков: второе и

третье окна открыты

106

Первое свойство данного элемента показывает, что все УП предна-

значены для изменения какого-либо одного физического показателя,

влияющего на состояние по-

тока: давление, расход или

температура. Однако, в силу

своего несовершенства они

изменяют и другие показате-

ли, например, совместно с

давлением расход и темпера-

туру, что обуславливается

системной взаимосвязью

данных сво

йств.

Практически все УП дей-

ствуют по принципу создания

сопротивления потоку, в силу

чего всегда отнимают (пре-

образуют) его энергию, будь

то гидравлическая или тепло-

вая энергия. Данный факт

придает УП второе свойство.

Рассмотрим первое и вто-

рое свойства УП на примере

регулятора расхода (см. рис.

3.10 – а, б) и сменного шту-

це

ра, предложенного Стрека-

ловым В.Е. и Стрекаловым

А.В. (см. рис. 3.10 – в, г). Как

видно из рисунка, эти уст-

ройства служат для измене-

ния расхода текучей среды,

при этом они изменяют и

давление потока. Это вытека-

ет из принципа их воздейст-

вия на поток: его деформа-

цию, т.е. ок

азание сопротив-

ления потоку с неизбежной

потерей его гидравлической

энергии. Такой принцип воз-

действия характерен для

большинства УП. Как видно из рис. 3.10 – а, б, регулятор расхода, как

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.10. Устройства для изменения

параметров потока текучей среды: а –

регулятор расхода (давление на входе

20 атм); б – регулятор расхода (давле-

ние на входе 50 атм); в – устройство для

смены штуцера, открыто; г – устройство

ля смены шт

уц

зак

ыто

107

и все УП, не оказывает влияния на направление движения потока (т.е.

не может запирать/перекрывать поток), но может деформировать по-

ток в зависимости от его скоростного напора. Регулятор расхода изме-

няет расход текучей среды, варьируя гидравлическое сопротивление. В

зависимости от скоростного напора потока, сформированного насос-

ным агрегатом или НТС на вхо

де в регулятор, золотник, отжимая ре-

гулировочную пружину, создает гидравлическое сопротивление,

вследствие чего давление на выкиде насосного агрегата повышается и

ввиду «мягкой характеристики» последнего расход нагнетаемой теку-

чей среды снижается.

В неразветвленных системах, где текучая среда приводится в дви-

жение АСГ с жесткими рабочими характеристиками (см. далее клас-

сификацию АСГ), УП не пр

именяются, так как оказываемое ими гид-

равлическое сопротивление несовместимо с функционированием АСГ

такого рода. Примером такой системы может служить ТГС буровой

установки, где в качестве АСГ используются поршневые и плунжер-

ные насосы с жесткой рабочей характеристикой.

В системах с АСГ, обладающими мягкими рабочими характеристи-

ками, УП используются повсеместно (системы ППД с ц

ентробежными

насосами). УП также могут использоваться в сложных ТГС с разветв-

ленной структурой даже при использовании поршневых и плунжерных

насосов, но с предварительной оценкой «мягкости» гидравлической

характеристики всей трубопроводной системы.

Что касается устройства, показанного на рис. 3.10 – в, г, то следует

отметить, что в его рабочем положении – в следует относи

ть его к УП,

а в процессе смены штуцера – г к УН. Такая двойственность данного

устройства объясняется комбинированной конструкцией шиберной

задвижки и обычного штуцера. Обе конструкции по отдельности яв-

ляются УН и УП соответственно, а вместе дают новое устройство со

смешанными признаками УН и УП.

Устройства по управлению потоком УН и УП част

о бывают схожей

конструкции, однако, применяться в гидросистеме они должны точно

по назначению, т.е. либо для изменения направления потока, либо для

регулирования его параметров. Это условие особенно должно соблю-

даться в тех случаях, когда в процессе эксплуатации технических гид-

росистем возникает желание регулировать их гидравлические пара-

метры при по

мощи УН, т.е. неполным перекрытием потока задвижкой

или клапаном. В гидросистемах со сложными эксплуатационными ус-

ловиями (высокое давление и наличие механических примесей) это

недопустимо. Необходимость в соблюдении данного условия объясня-

108

ется тем, что у большинства УП дросселирующий элемент выполнен

из материалов, устойчивых к разрушающему воздействию потока, в то

время как все запирающие элементы УН предназначены только для

перекрытия потока, так как находясь долгое время в переходных про-

цессах (неполное открытие/закрытие), подвергаются интенсивному

разрушению.

Элемент КС

Данный элемент, как и НТ

С, является ключевым элементом любой

ТГС. Ни одна гидросистема не может функционировать без КС. Физи-

ческими объектами, относящимися к КС, являются различные трубо-

проводы, воздуховоды, отрезки труб, открытые каналы ирригацион-

ных систем, желоба, скважины, шахты и т.п.

Основными свойствами каналов связи являются:

− КС задает перемещение потока текучей среды вдоль ст

рого за-

данного направления (вдоль некоторой линии в ту или иную сто-

рону). Иначе говоря, КС предоставляет одну степень свободы

движению потока жидкости вдоль заданной линии;

− идеальные КС не оказывают влияния на энергию потока текучей

среды.

Согласно первому свойству КС, все физические объекты, относя-

щиеся к КС, необходимы для зад

ания линии возможного перемещения

потока. Иначе говоря, каналы связи необходимы для соединения дру-

гих элементов гидросистем и предоставляют возможность потоку дви-

гаться от одного элемента к другому по строго заданной линии или

системе линий. Например в ТГС

, от НТС к АСГ, затем к УН, потом к

УП и к НТС.

Особо интересно отметить второе свойство КС: в электротехнике,

как и в гидравлике, существуют КС. Ими в основном являются про-

водники, пропускающие электрический ток. Как известно, провода,

так же как и трубы (в гидравлике), обладают некоторым сопротивле-

нием, что св

идетельствует о потерях энергии на протекание в них

электрического тока и потока текучей среды в трубах. Однако в элек-

тротехнике в 1911 г. Х. Камерлигом-Оннесом был открыт эффект

сверхпроводимости, который доказал существование идеальных (с

нулевым сопротивлением) КС. Исходя из аналогии в теории электри-

чества и теории гидравлики, можно предположить существование иде-

ал

ьных КС и в гидросистемах. Т.е. существование таких КС, гидрав-

лическое сопротивление которых было бы близким к нулю. Однако на

потери гидравлической энергии в КС влияют не только их технические

109

характеристики (шероховатость стенок, диаметр, длина), но и физиче-

ские свойства самой текучей среды: межмолекулярное взаимодейст-

вие, определяющее вязкость. Поэтому идеальным КС может быть уст-

ройство с идеальными техническими характеристиками, и при этом

создающее условия для возникновения эффекта сверхтекучести.

Элемент ПР

Элемент ПР не является обязательным для функционирования гид-

росистем, так как его пр

исутствие не оказывает прямого влияния на

работу ТГС. Применение ПР продиктовано необходимостью контроля

гидросистемы и параметров функционирования ее отдельных элемен-

тов. Устройства, представляющие ПР, могут использоваться совместно

с УП или УН (например, в различных регуляторах или аварийных от-

секателях). Подобные устройства следует рассматривать как подсис-

темы и разделять на н

есколько элементарных элементов.

Итак, выделив элементы, составляющие технические гидравличе-

ские системы, и описав их свойства, мы имеем возможность конструи-

ровать новые и анализировать существующие гидросистемы, а также

идентифицировать различные физические объекты (насосы, трубы,

задвижки, емкости, скважины, пласты, клапаны, гидродвигатели и т.д.)

как те или иные элементы гидравлических систем. Это позволяет, во-

пе

рвых, абстрагироваться от конкретных устройств при схематизации

структур гидросистем; во-вторых, четко анализировать энергетический

баланс; в-третьих, объединять устройства, действующие внутри сис-

темы по характеру их воздействия на поток и математическому описа-

нию, что очень важно для адекватного моделирования гидросистем.

Согласно третьему и четвертому принципу ТССА, важно понимать

рассматриваемую ТГ

С как систему, находящуюся на своем уровне в

иерархической схеме систем. Иначе говоря, при анализе конкретной

гидросистемы следует учитывать, что, во-первых, она является частью

другой (более крупной); во-вторых, в ней существуют более мелкие,

входящие в ее состав подсистемы. Данный факт необходимо учиты-

вать при отделении анализируемой ТГС от гидросистем, расп

олагаю-

щихся ступенью выше или ниже в иерархии.

Гидросистема ППД может быть разбита (как и любая сложная сис-

тема) на подсистемы: кустовых и дожимных насосных станций, уста-

новок очистки и т.п. Все подсистемы находятся внутри гидросистемы

ППД и выполняют определенные функции, которые, в конечном счете,

необходимы для достижения единой це

ли функционирования системы,

которая, в свою очередь, является подсистемой в общей системе добы-

110

чи нефти. К проблеме отделения рассматриваемой ТГС и ее математи-

зации мы вернемся позже (см. главу 4).

Структура гидросистем определяет порядок соединения вышеопи-

санных элементов. С математической точки зрения структура ТГС есть

граф, ветвями которого являются элементы гидросистем. В общем

смысле структурное описание является универсальным и подходит для

анализа любых систем и

по

строения их моделей.

Так, для ТГС необходи-

мость структурного описа-

ния очевидна (см. рис. 1.3 –

1.5). А для моделей ГПП

она несколько завуалиро-

вана, но также имеет место,

когда объем пласта разде-

ляется на элементы (см.

рис. 3.11).

Следующим важным

этапом в анализе гидросис-

тем является рассмотрение

свойств конкретных устройств (объектов), используемых в ТГ

С в ка-

честве элементов гидросистем. Ниже эти объекты будут рассмотрены

более подробно.

3.3. Объектный анализ элементов технических гидросистем

В последние годы в связи с быстрым развитием кибернетики и тео-

рии системного анализа объектно-ориентированный подход приобре-

тает все большее распространение. Так, в самой кибернетике он полу-

чил максимальное распространение в методах и языках программиро-

вания. В теории информационных систем он нашел применение в ре-

гулировании и контроле мировых компьютерных сет

ей. Данный под-

ход является наиболее перспективным, так как не противоречит прин-

ципам системного анализа и несет в себе законы диалектики, наиболее

адекватно отражающие природную сущность исследуемых систем.

Итак, следует проанализировать свойства реальных объектов, которые

представляют элементы гидросистем.

Научно, т.е. правильно построенная классификация имеет большое

значение в теоретических и эк

спериментальных исследованиях объек-

тов: она облегчает их изучение, раскрывает внутренние связи класси-

фицированных объектов, является основой для обобщающих выводов.

Рис. 3.11. Пример структуры модели ГПП