潛油電泵監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)是實時測量潛油電泵工況的儀器，主要監(jiān)測潛油電泵進口壓力、出口壓力、電機溫度，出口溫度、X/Z方向振動、工作電壓/電流等參數(shù)通過上述數(shù)據(jù)判斷潛油電泵運行狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)變頻器運行狀態(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；實時測量；參數(shù)調(diào)節(jié)

　　0 潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)組成

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

　　地面觀測系統(tǒng)(SURFACE PANEL)是人機交互端口，將井下監(jiān)測系統(tǒng)采集的信號經(jīng)過解碼后顯示在該觀測系統(tǒng)中。該觀測系統(tǒng)與變頻器通過RS485線連接，可以根據(jù)觀測到的參數(shù)調(diào)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(jiān)測系統(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(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時監(jiān)測系統(tǒng)不會受到?jīng)_擊。它的LINE與CHASSIS接口與地面觀測系統(tǒng)的接口相連。

　　井下監(jiān)測系統(tǒng)是潛油電泵數(shù)據(jù)采集的核心，它不需要信號傳輸線，通過潛油電泵電機中性點可以將信號傳輸?shù)降孛嬗^測系統(tǒng)中，可以觀測的信號包括進口壓力、出口壓力、電機溫度、進口溫度、X/Z方向振動、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(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

　　傳統(tǒng)潛油電泵運行狀態(tài)的觀測采用壓力傳感器（內(nèi)含PT100）可以觀測潛油電泵壓力與溫度兩個參數(shù)，但信號傳輸需要信號線，且需要獨立供電的電源線，總共6根(分別為壓力信號兩根、PT100兩根、電源線兩根。潛油電泵主要是針對深井（地下3000米以下），由于傳輸距離較長信號線耗材較貴，且信號線捆綁在潛油電泵泵體上。但井下抽油過程泵體始終處于鐘擺狀態(tài)，造成信號線磕碰，經(jīng)常造成信號采集效果不佳或無信號傳輸?shù)骄?，無法觀測潛油電泵運行工況，造成抽油過程中出現(xiàn)卡頓等現(xiàn)象，這樣影響了抽油工作，往往需要提井維修，會造成重大經(jīng)濟損失 ^[2] 。

　　潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)為實現(xiàn)給井下系統(tǒng)供電，地面扼流裝置利用三相電抗器，構(gòu)造一個人工星點。井上二次儀表接在此星點上。三相動力線在此兩個星點上的電動勢為0。因此井上星點可以獲得井下耦合信號，變頻器輸出三相交流電是對稱三相電，不論電壓電流如何變化，電機星點與電抗器模擬星點的電勢差都是0，因此三相電流電壓不會影響信號傳輸與耦合。采用電力載波專用調(diào)制解調(diào)芯片XR2206將井下信號傳輸?shù)骄?，井上采用XR2211芯片進行信號解調(diào)完成信號傳輸。

　　2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件分析

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

　?、诺孛嬗^測系統(tǒng)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(zhuǎn)換為DC24 V，將該直流24 V分為兩路，一路經(jīng)過TI公司的LM22675-ADJ轉(zhuǎn)換為5 V電壓供地面觀測系統(tǒng)工作，轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。另一路經(jīng)過半橋驅(qū)動與正激變壓器輸出120 V直流信號給井下監(jiān)測系統(tǒng)供電。

　?、?8階低通濾波器 井下采集的信號已低頻方式經(jīng)過電機中性點，變頻器高壓信號線，地面扼流裝置后傳輸給地面觀測系統(tǒng)，信號的頻率在15 Hz以下，而傳輸信號中夾雜著變頻器的高次諧波成分，所以信號進入地面監(jiān)測系統(tǒng)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(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。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8階低通濾波器后有效信號需要經(jīng)過電壓比較器，此處比較器的作用是區(qū)分不同的信號，由于有7組不同的信號傳輸，根據(jù)其不同的電平值，定義其是哪組信號，便于處理器進行處理。

　?、菪盘柗治黾皞鬏?處理器將7組不同的信號經(jīng)過分析解碼后，通過RS485傳輸給液晶顯示屏與變頻器 ^[3] 。

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

　　電源板與信號采集板主要完成如下功能：①電源分配 進入監(jiān)測系統(tǒng)的120 V電壓經(jīng)過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，推動采集的信號傳輸?shù)骄系孛嬖O(shè)備。②信號采集 采用2個濺射薄膜壓力傳感器分別采集潛油電泵進口與出口壓力，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(nèi)，測量其溫度。采集的信號經(jīng)過LTC公司的儀表放大器LTC2050進行型號放大后，輸出給TI公司的ADC芯片ADCS7477，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后給處理器進行分析。振動信號采用ADI公司最新的兩軸加速度傳感器ADIS16006，該加速度傳感器為數(shù)字輸出，信號給處理器進行分析。③處理器接收到3組信號分析后將數(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，壓力信號的校準、溫度信號校準、振動信號校準、數(shù)據(jù)信號編碼發(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)送到人機界面與變頻器。

　　井下數(shù)據(jù)采集的壓力信號由于壓力傳感器零點偏移及線性誤差，采用活塞式壓力計對壓力信號進行校準，對采樣信號與壓力計碼盤質(zhì)量經(jīng)過MATLAB進行擬合，擬合后的效果近似為二次函數(shù)。同理，對熱電偶的溫度信號進行采集及擬合工作，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)。對振動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(shù)值分別對應一個方向最大，另一個方向最小。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析將不同電平值的信號解碼為壓力、溫度、振動信號，并將不同的信號送到人機界面為其設(shè)定的地址號中顯示。

　　4 結(jié)論

　　本文系統(tǒng)地分析了潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)的組成、優(yōu)點、軟硬件設(shè)計思路。潛油電泵監(jiān)測系統(tǒng)作為潛油電泵的伴侶可以實時將監(jiān)測信號傳輸給井上采油人員，便于工作人員對工況進行調(diào)節(jié)，不再需要采油人員憑借經(jīng)驗來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(jiān)測技術(shù)研究[J].電機與控制學報.2009(1).

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

　　[3] 張雯搏. 潛油電泵機組及井下傳感器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量.2012(7).

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第06期第62頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）