книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

VII. ТРЕБОВАНИЯ К ЛИНЕЙНОСТИ ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩЕГО ТРАКТА

Приемно-передающий тракт телемеханических систем должен иметь линейную характеристику. В случае нелинейности характери­ стики форма тока отличается от формы напряжения. Появление не­ синусоидального тока или напряжения сопровождается выделением гармонических составляющих, которые при неправильном распре­ делении фильтрующих устройств могут вызвать ложное срабатыва­ ние.

При воздействии синусоидального напряжения на нелинейный четырехполюсник на его выходе появляется ток с бесконечным спек­ тром, содержащим все гармоники. Выделение гармонических со­ ставляющих определяется видом нелинейности. На практике мы имеем дело не с бесконечным рядом, а с конечным степенным мно­ гочленом. При этом ток имеет ограниченный спектр. Как правило, практически ощутимые помехи составляет вторая гармоника, кото­ рая выделяется на нелинейностях с квадратичной характеристикой, так как при этом

/ =

При частично-комбинационном коде на вход нелинейного четы­ рехполюсника подаются два напряжения с разными частотами, т. е.

U = U} + U., — Um, sin + Um, sin и, t.

При этом выражение для тока будет

ео

I=f(Uz + U2) = AK(Umi sin w/ + t7m2sin

&==0

Решая последнее выражение, возводя двучлен в К-ю степень и группируя члены суммы, нетрудно убедиться, что в составе тока образуются частоты п®, + тш., (где тип любые числа). Следова­ тельно, на выходе нелинейного четырехполюсника появляются ком­ бинационные частоты, которые содержат как гармоники, так и суб­ гармоники.

В результате этого требования к линейности -характеристик ра­ диоканала значительно повышаются.

Основные очаги нелинейных искажений находятся в модулято­ рах, детекторах и усилителях. В связи с этим необходимо уделять большое внимание режимам их работы и линейности амплитудных характеристик.

Коэффициент нелинейных искажений всего приемно-передающе­ го тракта не должен превышать 5—6%.

59

VIII. НАДЕЖНОСТЬ АППАРАТУРЫ

При телеизмерениях надежность аппаратуры имеет первостепен­ ное значение. Зачастую отлично разработанная схема не оправды­ вает себя на практике только потому, что при изготовлении аппара­ туры по этой схеме применялись детали и конструкции, не обладаю­ щие достаточной надежностью. Без достаточного анализа причины отказов бракуется вся аппаратура в целом, а значит и ее схема.

Для обеспечения надежности необходимо четко сформулировать критерий надежности и разработать методику его расчета. Акаде­ мик А. И. Берг пишет: «Поскольку безотказной работы сложных радиоэлектронных систем достигнуть невозможно, этот критерий должен задаваться и рассчитываться как некоторая вероятность безотказной работы значительного числа однотипных установок в определенных окружающих условиях и в течение заданного вре­ мени».

При разработке аппаратуры необходимо повысить надежность до такого уровня, чтобы технические остановки почти не сказыва­ лись на работе телемеханических систем.

Весьма важным фактором повышения надежности является изу­ чение причин выхода из строя тех или иных деталей и элементов ),* используемых в аппаратуре.

Чаще всего выходят из строя сопротивления, конденсаторы и трансформаторы.

Поскольку непроволочные сопротивления имеют наибольшее число повреждений, были детально изучены причины выхода их из строя.

Перегорание сопротивлений обусловливается в основном неис­ правностью ламп и пробоем конденсаторов. Это приводит к весьма важному выводу, что повышение надежности аппаратуры должно производиться в основном за счет повышения качества ламп и кон­ денсаторов, а также за счет облегчения режимов их работы.

Большой процент неисправностей составляют также производ­ ственные дефекты. В связи с этим необходимо усилить технический контроль на производстве и проводить полные испытания деталей в условиях заводов.

зультаты испытаний реле фирмой «Bell» показали, что большинство отказов объясняется плохим регулированием реле, загрязнением и сгоранием контактов, и лишь 15% приходится на обрывы обмоток.

*) Элементом называется неделимая совокупность деталей и материалов, предназначенная для простейшего преобразования физических величин.

60

Изучение поведения различных реле показало, что выходы их из строя относительно немногочисленны. Таким образом, специали­ сты, рассматривающие реле как наименее надежный элемент, не­ правы. Значительно большее количество повреждений падает на лампы; поэтому весьма желательна замена ламп полупроводника­ ми. К сожалению, непостоянство параметров и неидентичность по­ лупроводниковых триодов ограничивают их применение в радиоте­ лемеханике, хотя в последнее время эти приборы все чаще приме­ няются в ответственных узлах бесконтактной телемеханической ап­

паратуры.

Представляет большой интерес изучение распределения неис­ правностей, или их плотность. Многочисленные исследования пока­ зывают, что наибольшее количество неисправностей приходится на первый и последний периоды эксплуатации, а наименьшее —• на средний.

В первый период эксплуатации большое число отказов объяс­ няется выходом из строя деталей с заводским браком, плохой пай­ кой, неудовлетворительными режимами и т. д. В средний период, когда произошел как бы естественный отбор деталей и незамечен­ ные дефекты аппаратуры устранились, повреждения носят редкий и случайный характер. В последний период большое, число поврежде­ ний является следствием износа деталей и элементов. Увеличить средний период можно только путем замены целого ряда деталей. Такое «обновление» аппаратуры должно производиться при профи­ лактических ремонтах.

При разработке схем весьма важно учитывать элементы, вклю­ чаемые как бы последовательно; в этом случае при выходе из строя одного элемента перестает работать вся цепь или прибор в целом. Надежность установки, состоящей из п последовательных элемен­ тов, будет равна надежности одного элемента, возведенной в сте­ пень, равную количеству элементов:

Re=R3n .

Надежность одного элемента находится как среднее геометриче­ ское значений надежности составных элементов:

п ___________________

R, = V

Таким образом, для повышения надежности прибора в целом не­ обходимо увеличить надежность его элементов, если количество их увеличивается; с усложнением схемы уменьшается ее надежность.

При параллельном включении элементов система в целом может работать, несмотря на выход из строя одного элемента; в этом слу­ чае надежность будет описываться выражением

61

Подробное изучение надежности на основании статистических данных показало, что выходы из строя аппаратуры подчиняются более сложному закону и носят экспоненциальный характер.

При постоянной величине опасности отказов надежность опреде­ ляется из следующего уравнения:

R = e~rt.

Для практических расчетов более удобной формулой будет сле­ дующая:

t

где Т-—------- величина, обратная постоянной величине опасно­

сти отказов в работе г; величина Т = — является средним вре­

менем работы элемента до выхода из строя.

При последовательном соединении, когда надежность элементов подчиняется экспоненциальному закону, имеем:

Из последней формулы видно, что опасности выхода из строя от­ дельных элементов при определении надежности суммируются.

Таким образом, когда аппарат телемеханики имеет К ламп, I со­

отказов за период времени эксплуатации, при среднем сроке службы прибора Т.

Экспоненциальный закон надежности не-является полностью до­ стоверным, но дает наибольшую сходимость со статистическими

62

данными, когда число проверок относительно ограничено. Это гово­ рит о возможности применения данного закона в рамках определен­ ных условий. Экспоненциальный закон применим для расчета слу­ чайных отказов, когда определенных закономерностей не имеется.

Расчет отказов, обусловленных износом оборудования, ведется по формуле нормального закона распределения вероятностей:'

где /—частота отказов, приходящихся на один элементе на­ чале испытания;

t — время, прошедшее с начала испытаний;

Г—среднее время работы до выхода из строя;

о—величина стандартного отклонения.

На основании изложенного можно привести следующие опреде­ ления надежности.

Надежность — это вероятность того, что составной элемент, установка или система будет удовлетворительно выполнять требуе­ мые задачи в заданных условиях.

Надежность как функция времени есть вероятность того, что составной элемент, установка или система в целом будет удовлетво­ рительно работать в течение времени, t\, тогда как расчетное время непрерывной работы аппаратуры равно t2.

Надежность может быть определена и как функция отношения действительной и идеальной характеристик работы оборудования.

Основными условиями создания высоконадежной аппаратуры должны явиться следующие:

1)использование проверенных и надежных схем;

2)применение некритичных режимов;

3)использование аппаратуры, работа которой мало зависит от источников питания;

4)применение деталей массового производства, тщательный их отбор и проведение предварительного старения;

5)минимальное число органов настройки;

6)отказ от предельных режимов для ламп, конденсаторов и со противлений;

7)применение взаимозаменяемых блочных конструкций;

8)тщательные, детальные испытания.

IX. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАДИОКАНАЛА СВЯЗИ

Основными объектами телемеханизации нефтепромыслов яв­ ляются нефтяные скважины, нефтесборные пункты и объекты закон­ турного заводнения.

63

Нефтяные скважины, контролируемые из одного диспетчерского пункта, рассредоточены на значительной площади. Расстояние меж­ ду ними невелико. В восточных районах (Татария и Башкирия) среднее расстояние между скважинами составляет примерно 500 м, а максимальное расстояние от диспетчерского пункта до наиболее удаленного объекта управления — 10—15 км.

Объекты законтурного заводнения, кустовые насосные станции и водозаборы находятся на значительном расстоянии от диспетчер­ ского пункта, доходящем иногда до 40 км.

Стоимость 1 км радиоканала связи в значительной мере зависит от расстояния между ДП и телеобъектом, поэтому определение эф­ фективности того или иного канала связи следует производить от­ дельно для систем телемеханизации нефтяных скважин и объектов

ного километра радиоканала связи учитываются элементы, относя­ щиеся только к каналу связи; аппаратура телемеханики не учиты­ вается.

При выборе канала связи диспетчерского пункта и телеобъекта следует учитывать стоимость первоначальных затрат на сооружение канала связи, а также стоимость его эксплуатации.

Первоначальные затраты на сооружение проводной линии связи состоят из стоимости линейных сооружений; затраты-на сооружение радиоканала связи — из стоимости антенных сооружений и прием­ но-передающих устройств (радиостанций).

Стоимость 1 км проводной линии связи не зависит от протяжен­ ности линии; она остается постоянной для данного района. Экви­ валентная же стоимость радиоканала связи, отнесенная к 1 км, за­ висит от расстояния между ДП и телеобъектом и от рельефа трас­ сы. Это объясняется тем, что с увеличением расстояния между при­ емно-передающими пунктами удорожается приемно-передающая ап­ паратура и антенные сооружения, так как в этом случае необходи­ мо применять более мощные передатчики и высокие антенно-мачто­ вые сооружения. Рельеф трассы также влияет на стоимость радио­ канала связи, так как в радиоканале используются волны УКВ диа­ пазона, эффективно распространяющиеся в пределах прямой види­ мости. Поэтому если рельеф местности неблагоприятен и на трассе радиоканала связи имеются значительные возвышения, то может оказаться необходимым значительное увеличение высоты антенно­ мачтовых сооружений; в некоторых случаях потребуется установить ретранслятор. Для каждого случая сложного рельефа местности следует определять целесообразность того или иного канала связи. Здесь рассматриваются только случаи -однопролетной связи.

При определении стоимости радиоканала связи следует учесть, что с увеличением мощности приемно-передающих устройств их

64

стоимость растет незначительно, тогда как с увеличением высоты антенных сооружений стоимость их сильно возрастает.

Если мачты на приемно-передающих пунктах одинаковы, то их высота определится уравнением

Л = 0,02г2.

Высота мачт может быть минимальной при достаточной мощно­ сти и чувствительности приемно-передающей радиостанции. Зави­ симость высоты антенных мачт от мощности и чувствительности ра­

диостанции недостаточны, то высота антенных сооружений должна быть больше (в пределах допустимого).

Как было отмечено выше, расстояние между максимально уда­ ленными нефтяными скважинами и диспетчерским пунктом не пре­

Поскольку у каждой скважины имеется вышка, то при определении стоимости радиоканала связи стоимостью антенных сооружений можно пренебречь.

Рассмотрим сравнительную стоимость каналов связи на объект для систем телемеханизации нефтяных скважин.

При прокладке проводной линии между скважинами протяжен­

ность линии определяется протяженностью магистрали плюс длина ответвлений от магистрали к каждой скважине.

Принимая, что диспетчерский пункт расположен в наиболее бла­ гоприятном Для проводного канала связи месте, т. е. в центре рас­

Если длина ответвления равна 0,5 а, протяженность проводной линии составит

/пр = Ал + 0,5а • п = п -а + 0,5п-а = \ ,5п-а.

Стоимость строительства 1 км проводной линии связи с установ­ кой деревянных опор и подвеской двухпроводной линии, согласно ППР на строительство нефтяных скважин в ценах 1955 г., равна 2590 руб. Таким образом, стоимость проводной линии связи на одну скважину составит:

Дпр = 2590-1,5-а = 2590-1,5-0,5 = 1940 руб.

Радиоканал связи для нефтяных скважин, кроме антенных соо­ ружений, в качестве которых могут быть использованы имеющиеся у скважин вышки, состоит из передающих устройств на каждой скважине и одной приемной станции на группу в двадцать скважин на диспетчерском пункте.

Стоимость одной радиостанции ЖР-4П, применяемой в системе радиотелемеханизации нефтепромыслов СРП-1, составляет 1900 руб. Таким образом. стоимость радиоканала связи для одной скважины

составляет 1900 (1+ =1950 руб.

Как видно из приведенного расчета, стоимость проводного кана­ ла и радиоканала связи для нефтяных скважин примерно одинако­ ва. Однако, учитывая последующие эксплуатационные затраты при использовании проводной линии связи (периодический осмотр ли­ нейных сооружений, очистка изоляторов, периодическая замена про­ водов и столбов и т. д.), можно считать, что для нефтяных скважин экономически целесообразно применять радиоканал связи.

Если радиоканал связи оказался более рентабельным, чем про­ водной канал для рассредоточенных объектов с незначительным расстоянием между объектами, то с увеличением расстояния между объектами его преимущества становятся бесспорными. Например, для телемеханизации кустовых насосных станций законтурного за­ воднения, расстояние которых от диспетчерского пункта может до­ стигать 40 км, минимальная высота мачты равна.

Amin = 0,02г2 = 0,02 -402 = 32 м.

66

Учитывая некоторые неровности и залесенность местности, при­ мем высоту мачты равной 40 м.

Примерная стоимость такой антенной мачты равна 10 000 руб. Примерная стоимость приемно-передающего устройства составит

8000 руб.

Двусторонний радиоканал для кустовой насосной станции со­ стоит из антенного сооружения у насосной станции, антенного соо­ ружения на диспетчерском пункте и двух приемно-передающих ра­ диостанций: одна — на диспетчерском пункте, другая — на групповом управляемом объекте.. Антенна ДП обслуживает все насосные станции.

Стоимость одного эквивалентного километра радиоканала связи для телемеханизации кустовой станции составит:

тельные трудности, особенно в зимнее время. Линейные сооружения требуют систематического осмотра и ремонта. Периодически нуж­ но чистить изоляторы, окапывать столбы, проверять состояние про­ водов. В восточных районах часто рвутся провода и нарушается ка­ нал связи. Это заставляет содержать значительный штат обслужи­ вающего персонала. Частые нарушения проводного канала связи делают систему телемеханизации ненадежной.

Сведения по эксплуатации радиоканала связи в телемеханиче­ ских системах отсутствуют, поскольку такие системы только начи­ нают внедряться. Однако очевидно, что стоимость его эксплуатации будет значительно меньше стоимости эксплуатации проводных ли­ ний связи. Эксплуатация радиоканала связи заключается в обслу­ живании оконечных пунктов, которые находятся в удобно располо­ женных местах. Метеорологические условия не вызывают наруше­ ния радиоканала. Для эксплуатация радиоканала не требуется спе­ циальный персонал, как в случае проводной линии связи, поскольку приемно-передающие устройства смонтированы вместе с телемеха­

жется все же целесообразным применить смешанную систему, со­ стоящую из радиоканала и проводной связи. Например, если теле­ объект находится под горой и для получения прямой видимости по­ требовались бы мачта значительной высоты или ретранслятор, целе­ сообразней на возвышенности установить приемно-передающее уст­

ройство и связать его с телемеханической аппаратурой проводной линией связи.

Приведем сравнительный расчет стоимости проводной линии свя­ зи и линии связи с радиоканалом для системы телемеханизации кус­ товых насосных станций законтурного заводнения НПУ «Бавлынефть».

По контуру нефтеносного пласта расположены пять кустовых на­ сосных станций. На одной кустовой станции (№ 1) предполагается разместить диспетчерский пункт. Расстояния от ДП до остальных кустовых станций, расположенных радиально по прямой, соответст­ венно составляют 9, 13, 10 и 5 км. Между ДП и каждой кустовой станцией в данном случае должна быть своя двухпроводная линия связи, проложенная по кратчайшей трассе (практически рельеф местности потребует обходных линий). Суммарная протяженность линейных сооружений составит:

/пр = 9 + 13 + 10 + 5 = 37 км.

Стоимость линейных сооружений будет равна

+,к = 2590 • 37 = 95 830 руб.

Для радиоканала связи высота мачты выбирается по наиболее удаленной от ДП кустовой станции.

Исходя из необходимости получения зависимости h = 3—5 л и учитывая рельеф местности, принимаем высоту мачт равной 20 м.

Стоимость такой сварной из отходов труб промысла мачты не превышает 1000 руб. Всего потребуется пять мачт; стоимость всех мачт составит

Ам = 1000X5 = 5000 руб.

Кроме антенн, для каждого куста потребуется приемно-передаю­ щее устройство средней стоимостью 6000 руб. На ДП нужно иметь приемно-передающее устройство для каждого куста. Таким образом, всего потребуется восемь приемно-передающих устройств, стоимость которых составит

Арст = 6000-8 = 48 000 руб.

Общая стоимость радиоканала связи составит

Арк = 5000 + 48000 = 53 000 руб.

Отношение стоимости проводного канала к стоимости радиока­ нала равно:

т. е. радиоканал связи будет стоить в 1,8 раза дешевле проводной линии связи.

68