潛油電泵監測系統

　　孫曉偉（天津金米特科技股份有限公司，天津?300100）

　　摘?要：潛油電泵監測系統是實(shí)時(shí)測量潛油電泵工況的儀器，主要監測潛油電泵進(jìn)口壓力、出口壓力、電機溫度，出口溫度、X/Z方向振動(dòng)、工作電壓/電流等參數通過(guò)上述數據判斷潛油電泵運行狀態(tài)，根據參數調節變頻器運行狀態(tài)，保證潛油電泵不出現空抽及卡死等現象，降低停產(chǎn)造成的巨額損失。

　　關(guān)鍵詞：潛油電泵；實(shí)時(shí)測量；參數調節

　　0 潛油電泵監測系統組成

　　潛油電泵監測系統主要由三部分組成，地面觀(guān)測系統、地面扼流裝置、井下監測系統。

　　地面觀(guān)測系統(SURFACE PANEL)是人機交互端口，將井下監測系統采集的信號經(jīng)過(guò)解碼后顯示在該觀(guān)測系統中。該觀(guān)測系統與變頻器通過(guò)RS485線(xiàn)連接，可以根據觀(guān)測到的參數調整變頻器的運行狀況，保證潛油電泵抽油保持高效狀態(tài)。

　　地面扼流裝置(ZENITH HV CHOKE)是監測系統與變頻器之間的接口，采用變頻器專(zhuān)用高壓線(xiàn)連接二者，因為變頻器存在各種諧波成分，采用該裝置后可以將干擾信號與諧波信號盡可能的抑制在較低水平。內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)監測系統不會(huì )受到?jīng)_擊。它的LINE與CHASSIS接口與地面觀(guān)測系統的接口相連。

　　井下監測系統是潛油電泵數據采集的核心，它不需要信號傳輸線(xiàn)，通過(guò)潛油電泵電機中性點(diǎn)可以將信號傳輸到地面觀(guān)測系統中，可以觀(guān)測的信號包括進(jìn)口壓力、出口壓力、電機溫度、進(jìn)口溫度、X/Z方向振動(dòng)、工具電壓/電流等7組參數。這些參數是潛油電泵操作人員最關(guān)心的參數，根據這些參數可以判斷潛油電泵現在的運行狀態(tài)，判斷揚程及抽油狀態(tài)，保證潛油電泵工作狀態(tài)正常 ^[1] 。

　　1 潛油電泵監測系統的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統潛油電泵運行狀態(tài)的觀(guān)測采用壓力傳感器（內含PT100）可以觀(guān)測潛油電泵壓力與溫度兩個(gè)參數，但信號傳輸需要信號線(xiàn)，且需要獨立供電的電源線(xiàn)，總共6根(分別為壓力信號兩根、PT100兩根、電源線(xiàn)兩根。潛油電泵主要是針對深井（地下3000米以下），由于傳輸距離較長(cháng)信號線(xiàn)耗材較貴，且信號線(xiàn)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)，造成信號線(xiàn)磕碰，經(jīng)常造成信號采集效果不佳或無(wú)信號傳輸到井上，無(wú)法觀(guān)測潛油電泵運行工況，造成抽油過(guò)程中出現卡頓等現象，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)濟損失 ^[2] 。

　　潛油電泵監測系統為實(shí)現給井下系統供電，地面扼流裝置利用三相電抗器，構造一個(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(xiàn)在此兩個(gè)星點(diǎn)上的電動(dòng)勢為0。因此井上星點(diǎn)可以獲得井下耦合信號，變頻器輸出三相交流電是對稱(chēng)三相電，不論電壓電流如何變化，電機星點(diǎn)與電抗器模擬星點(diǎn)的電勢差都是0，因此三相電流電壓不會(huì )影響信號傳輸與耦合。采用電力載波專(zhuān)用調制解調芯片XR2206將井下信號傳輸到井上，井上采用XR2211芯片進(jìn)行信號解調完成信號傳輸。

　　2 監測系統硬件分析

　　監測系統主要由兩部分組成，地面觀(guān)測系統與井下監測系統。

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

　　其中信號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轉換為5 V電壓供地面觀(guān)測系統工作，轉換電路如圖4所示。另一路經(jīng)過(guò)半橋驅動(dòng)與正激變壓器輸出120 V直流信號給井下監測系統供電。

　?、?8階低通濾波器 井下采集的信號已低頻方式經(jīng)過(guò)電機中性點(diǎn)，變頻器高壓信號線(xiàn)，地面扼流裝置后傳輸給地面觀(guān)測系統，信號的頻率在15 Hz以下，而傳輸信號中夾雜著(zhù)變頻器的高次諧波成分，所以信號進(jìn)入地面監測系統要把諧波信號濾除，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。其中運放采用TI公司OP777芯片，需要雙軌供電。

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

　?、菪盘柗治黾皞鬏?處理器將7組不同的信號經(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測系統 主要由穩壓管、單相電抗器、電源板、信號采集板組成。穩壓管為120 V穩壓管，將地面觀(guān)測系統提供的直流電壓進(jìn)行穩壓處理。由于井下監測系統是利用潛油電泵電機中性點(diǎn)，電機中性點(diǎn)存在交流成分，故進(jìn)入進(jìn)行監測系統前需要對交流成分進(jìn)行濾波處理。保留直流電源為系統供電。

　　電源板與信號采集板主要完成如下功能：①電源分配 進(jìn)入監測系統的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電壓作為系統電源，10 V電壓為甲乙功率放大器使用，推動(dòng)采集的信號傳輸到井上地面設備。②信號采集 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，采集的壓力信號幅值很低，將信號傳輸給ADI公司的24位ADC芯片AD7794，該芯片可以處理微弱小信號，將信號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內，測量其溫度。采集的信號經(jīng)過(guò)LTC公司的儀表放大器LTC2050進(jìn)行型號放大后，輸出給TI公司的ADC芯片ADCS7477，經(jīng)模數轉換后給處理器進(jìn)行分析。振動(dòng)信號采用ADI公司最新的兩軸加速度傳感器ADIS16006，該加速度傳感器為數字輸出，信號給處理器進(jìn)行分析。③處理器接收到3組信號分析后將數字量輸出給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，輸出到井上設備。

　　3 監控系統軟件流程

　　監控系統軟件主要分為井下數據采集與井上數據分析兩部分。井下數據采集主要工作包括，壓力信號的校準、溫度信號校準、振動(dòng)信號校準、數據信號編碼發(fā)送。井上數據分析包括數據解碼接收、數據分析、數據發(fā)送到人機界面與變頻器。

　　井下數據采集的壓力信號由于壓力傳感器零點(diǎn)偏移及線(xiàn)性誤差，采用活塞式壓力計對壓力信號進(jìn)行校準，對采樣信號與壓力計碼盤(pán)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。同理，對熱電偶的溫度信號進(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，故信號采集時(shí)需要更換介質(zhì)，用加熱設備分別加熱水（100 ℃以下）和乙醇（100 ℃以上）。溫度擬合曲線(xiàn)為三次函數。對振動(dòng)加速度的測量主要是變換其所在方向，正上，正下，正左，正右，其數值分別對應一個(gè)方向最大，另一個(gè)方向最小。數據編碼發(fā)送，將不同信號賦予不同的電平值經(jīng)甲乙放大器發(fā)送到井上。

　　井上數據分析將不同電平值的信號解碼為壓力、溫度、振動(dòng)信號，并將不同的信號送到人機界面為其設定的地址號中顯示。

　　4 結論

　　本文系統地分析了潛油電泵監測系統的組成、優(yōu)點(diǎn)、軟硬件設計思路。潛油電泵監測系統作為潛油電泵的伴侶可以實(shí)時(shí)將監測信號傳輸給井上采油人員，便于工作人員對工況進(jìn)行調節，不再需要采油人員憑借經(jīng)驗來(lái)分析潛油電泵運行狀況，減少了停井造成的經(jīng)濟損失，逐漸被主流采油廠(chǎng)商采用。

　　參考文獻：

　　[1] 張銘鈞,董振剛,張丙良. 潛油電泵機組及井下傳感器狀態(tài)監測技術(shù)研究[J].電機與控制學(xué)報.2009(1).

　　[2] 袁麗麗.潛油電泵井下參數高精度監測及高效運行研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

　　[3] 張?chǎng)┎? 潛油電泵機組及井下傳感器狀態(tài)監測技術(shù)研究[J]. 中國石油和化工標準與質(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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）