潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　孫曉偉（天津金米特科技股份有限公司，天津?300100）

　　摘?要：潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)測(cè)量潛油電泵工況的儀器，主要監(jiān)測(cè)潛油電泵進(jìn)口壓力、出口壓力、電機(jī)溫度，出口溫度、X/Z方向振動(dòng)、工作電壓/電流等參數(shù)通過(guò)上述數(shù)據(jù)判斷潛油電泵運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行狀態(tài)，保證潛油電泵不出現(xiàn)空抽及卡死等現(xiàn)象，降低停產(chǎn)造成的巨額損失。

　　關(guān)鍵詞：潛油電泵；實(shí)時(shí)測(cè)量；參數(shù)調(diào)節(jié)

　　0 潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

　　潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成，地面觀測(cè)系統(tǒng)、地面扼流裝置、井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　地面觀測(cè)系統(tǒng)(SURFACE PANEL)是人機(jī)交互端口，將井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后顯示在該觀測(cè)系統(tǒng)中。該觀測(cè)系統(tǒng)與變頻器通過(guò)RS485線連接，可以根據(jù)觀測(cè)到的參數(shù)調(diào)整變頻器的運(yùn)行狀況，保證潛油電泵抽油保持高效狀態(tài)。

　　地面扼流裝置(ZENITH HV CHOKE)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與變頻器之間的接口，采用變頻器專用高壓線連接二者，因?yàn)樽冾l器存在各種諧波成分，采用該裝置后可以將干擾信號(hào)與諧波信號(hào)盡可能的抑制在較低水平。內(nèi)部由三相電抗器和電阻組成，外部的熔斷器可以保證有大電流通過(guò)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不會(huì)受到?jīng)_擊。它的LINE與CHASSIS接口與地面觀測(cè)系統(tǒng)的接口相連。

　　井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是潛油電泵數(shù)據(jù)采集的核心，它不需要信號(hào)傳輸線，通過(guò)潛油電泵電機(jī)中性點(diǎn)可以將信號(hào)傳輸?shù)降孛嬗^測(cè)系統(tǒng)中，可以觀測(cè)的信號(hào)包括進(jìn)口壓力、出口壓力、電機(jī)溫度、進(jìn)口溫度、X/Z方向振動(dòng)、工具電壓/電流等7組參數(shù)。這些參數(shù)是潛油電泵操作人員最關(guān)心的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)可以判斷潛油電泵現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)，判斷揚(yáng)程及抽油狀態(tài)，保證潛油電泵工作狀態(tài)正常 ^[1] 。

　　1 潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統(tǒng)潛油電泵運(yùn)行狀態(tài)的觀測(cè)采用壓力傳感器（內(nèi)含PT100）可以觀測(cè)潛油電泵壓力與溫度兩個(gè)參數(shù)，但信號(hào)傳輸需要信號(hào)線，且需要獨(dú)立供電的電源線，總共6根(分別為壓力信號(hào)兩根、PT100兩根、電源線兩根。潛油電泵主要是針對(duì)深井（地下3000米以下），由于傳輸距離較長(zhǎng)信號(hào)線耗材較貴，且信號(hào)線捆綁在潛油電泵泵體上。但井下抽油過(guò)程泵體始終處于鐘擺狀態(tài)，造成信號(hào)線磕碰，經(jīng)常造成信號(hào)采集效果不佳或無(wú)信號(hào)傳輸?shù)骄希瑹o(wú)法觀測(cè)潛油電泵運(yùn)行工況，造成抽油過(guò)程中出現(xiàn)卡頓等現(xiàn)象，這樣影響了抽油工作，往往需要提井維修，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失 ^[2] 。

　　潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)給井下系統(tǒng)供電，地面扼流裝置利用三相電抗器，構(gòu)造一個(gè)人工星點(diǎn)。井上二次儀表接在此星點(diǎn)上。三相動(dòng)力線在此兩個(gè)星點(diǎn)上的電動(dòng)勢(shì)為0。因此井上星點(diǎn)可以獲得井下耦合信號(hào)，變頻器輸出三相交流電是對(duì)稱三相電，不論電壓電流如何變化，電機(jī)星點(diǎn)與電抗器模擬星點(diǎn)的電勢(shì)差都是0，因此三相電流電壓不會(huì)影響信號(hào)傳輸與耦合。采用電力載波專用調(diào)制解調(diào)芯片XR2206將井下信號(hào)傳輸?shù)骄?，井上采用XR2211芯片進(jìn)行信號(hào)解調(diào)完成信號(hào)傳輸。

　　2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件分析

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分組成，地面觀測(cè)系統(tǒng)與井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　?、诺孛嬗^測(cè)系統(tǒng)主要由如下幾部分組成：液晶顯示屏、AC/DC模塊、信號(hào)解析采集板。

　　其中信號(hào)解析采集板主要有如下功能：

　?、賀S485接口，分別連接變頻器與液晶顯示屏。

　?、贒C/DC功能，AC/DC模塊將220V市電轉(zhuǎn)換為DC24 V，將該直流24 V分為兩路，一路經(jīng)過(guò)TI公司的LM22675-ADJ轉(zhuǎn)換為5 V電壓供地面觀測(cè)系統(tǒng)工作，轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。另一路經(jīng)過(guò)半橋驅(qū)動(dòng)與正激變壓器輸出120 V直流信號(hào)給井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

　?、?8階低通濾波器 井下采集的信號(hào)已低頻方式經(jīng)過(guò)電機(jī)中性點(diǎn)，變頻器高壓信號(hào)線，地面扼流裝置后傳輸給地面觀測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)的頻率在15 Hz以下，而傳輸信號(hào)中夾雜著變頻器的高次諧波成分，所以信號(hào)進(jìn)入地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要把諧波信號(hào)濾除，采用8階低通濾波器后，可以將15 Hz及以下的有用信號(hào)保留，圖5為八階低通濾波器中的初始兩階，后面還有三組二階低通串聯(lián)組成，四組區(qū)別只是電阻與電容的阻值與容值不同，為了濾除不同頻率的信號(hào)。其中運(yùn)放采用TI公司OP777芯片，需要雙軌供電。

　?、苄盘?hào)比較 經(jīng)過(guò)8階低通濾波器后有效信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電壓比較器，此處比較器的作用是區(qū)分不同的信號(hào)，由于有7組不同的信號(hào)傳輸，根據(jù)其不同的電平值，定義其是哪組信號(hào)，便于處理器進(jìn)行處理。

　　⑤信號(hào)分析及傳輸 處理器將7組不同的信號(hào)經(jīng)過(guò)分析解碼后，通過(guò)RS485傳輸給液晶顯示屏與變頻器 ^[3] 。

　?、凭卤O(jiān)測(cè)系統(tǒng) 主要由穩(wěn)壓管、單相電抗器、電源板、信號(hào)采集板組成。穩(wěn)壓管為120 V穩(wěn)壓管，將地面觀測(cè)系統(tǒng)提供的直流電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理。由于井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用潛油電泵電機(jī)中性點(diǎn)，電機(jī)中性點(diǎn)存在交流成分，故進(jìn)入進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前需要對(duì)交流成分進(jìn)行濾波處理。保留直流電源為系統(tǒng)供電。

　　電源板與信號(hào)采集板主要完成如下功能：①電源分配 進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的120 V電壓經(jīng)過(guò)震蕩電路與反激變壓器將電壓變換為10 V與5 V電壓，其中5 V電壓作為系統(tǒng)電源，10 V電壓為甲乙功率放大器使用，推動(dòng)采集的信號(hào)傳輸?shù)骄系孛嬖O(shè)備。②信號(hào)采集 采用2個(gè)濺射薄膜壓力傳感器分別采集潛油電泵進(jìn)口與出口壓力，采集的壓力信號(hào)幅值很低，將信號(hào)傳輸給ADI公司的24位ADC芯片AD7794，該芯片可以處理微弱小信號(hào)，將信號(hào)處理后輸出給處理器進(jìn)行分析。溫度采集采用J型熱電偶，將冷端焊接在電路板上，熱端接到潛油電泵電機(jī)內(nèi)，測(cè)量其溫度。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)LTC公司的儀表放大器LTC2050進(jìn)行型號(hào)放大后，輸出給TI公司的ADC芯片ADCS7477，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后給處理器進(jìn)行分析。振動(dòng)信號(hào)采用ADI公司最新的兩軸加速度傳感器ADIS16006，該加速度傳感器為數(shù)字輸出，信號(hào)給處理器進(jìn)行分析。③處理器接收到3組信號(hào)分析后將數(shù)字量輸出給Microchip公司的DAC芯片MCP4728，經(jīng)LTC公司比較器LT1011輸出給甲乙放大器，輸出到井上設(shè)備。

　　3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要分為井下數(shù)據(jù)采集與井上數(shù)據(jù)分析兩部分。井下數(shù)據(jù)采集主要工作包括，壓力信號(hào)的校準(zhǔn)、溫度信號(hào)校準(zhǔn)、振動(dòng)信號(hào)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)信號(hào)編碼發(fā)送。井上數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)解碼接收、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)送到人機(jī)界面與變頻器。

　　井下數(shù)據(jù)采集的壓力信號(hào)由于壓力傳感器零點(diǎn)偏移及線性誤差，采用活塞式壓力計(jì)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)采樣信號(hào)與壓力計(jì)碼盤質(zhì)量經(jīng)過(guò)MATLAB進(jìn)行擬合，擬合后的效果近似為二次函數(shù)。同理，對(duì)熱電偶的溫度信號(hào)進(jìn)行采集及擬合工作，由于工作溫度范圍在0～150度溫度范圍，故信號(hào)采集時(shí)需要更換介質(zhì)，用加熱設(shè)備分別加熱水（100 ℃以下）和乙醇（100 ℃以上）。溫度擬合曲線為三次函數(shù)。對(duì)振動(dòng)加速度的測(cè)量主要是變換其所在方向，正上，正下，正左，正右，其數(shù)值分別對(duì)應(yīng)一個(gè)方向最大，另一個(gè)方向最小。數(shù)據(jù)編碼發(fā)送，將不同信號(hào)賦予不同的電平值經(jīng)甲乙放大器發(fā)送到井上。

　　井上數(shù)據(jù)分析將不同電平值的信號(hào)解碼為壓力、溫度、振動(dòng)信號(hào)，并將不同的信號(hào)送到人機(jī)界面為其設(shè)定的地址號(hào)中顯示。

　　4 結(jié)論

　　本文系統(tǒng)地分析了潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、優(yōu)點(diǎn)、軟硬件設(shè)計(jì)思路。潛油電泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為潛油電泵的伴侶可以實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸給井上采油人員，便于工作人員對(duì)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，不再需要采油人員憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析潛油電泵運(yùn)行狀況，減少了停井造成的經(jīng)濟(jì)損失，逐漸被主流采油廠商采用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 張銘鈞,董振剛,張丙良. 潛油電泵機(jī)組及井下傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2009(1).

　　[2] 袁麗麗.潛油電泵井下參數(shù)高精度監(jiān)測(cè)及高效運(yùn)行研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

　　[3] 張?chǎng)┎? 潛油電泵機(jī)組及井下傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量.2012(7).

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第62頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）