智能化抽油節(jié)能測控系統(tǒng)設計

薛小寶，屈文強，甄 浩，馬江波，賀可可，李 剛

(1.陜西延長石油股份有限公司杏子川采油廠 勘探開發(fā)研究所，陜西 延安 717400；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048)

由于油層開發(fā)整體不斷趨向老齡化，抽油機抽汲能力遠大于油井的滲透能力，油泵空抽及其造成的電能大量浪費、抽油機壽命縮短問題持續(xù)惡化，嚴重時破壞井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及原有壓力平衡，致使油井提前枯竭。同時，油田現(xiàn)場還存在抽油機系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷實時性差、可靠性低等問題。這不僅危害采油生產(chǎn)安全，降低油田生產(chǎn)能力，給國家和油田企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟損失，也給油田企業(yè)及社會的穩(wěn)定與和諧發(fā)展造成嚴重影響。

目前節(jié)能技術主要從節(jié)能電機的匹配、無功補償、抽油機平衡調(diào)整、變頻控制系統(tǒng)改造、降低運行負荷等方面著手，但低滲透油田典型的低產(chǎn)液特性限制了常規(guī)節(jié)能改造技術，常規(guī)節(jié)能改造技術的特點是噸液能耗高、系統(tǒng)效率低，不能有效解決油泵空抽造成的電能浪費問題。針對這些問題，為了提高抽油機的舉升效率，降低能耗，該研究通過數(shù)據(jù)采集、分析和綜合應用，形成了一套智能節(jié)能抽油機測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了抽油機的優(yōu)化控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)由后臺PC、以數(shù)字信號處理器和單片機結(jié)構(gòu)為核心的智能測控裝置和GPRS通信模塊組成。拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化抽油節(jié)能測控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

上位機采用PC作為整個系統(tǒng)的高層管理設備，實時監(jiān)測和管理單臺或多臺抽油機的工作過程，實現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)存儲、查詢、分類統(tǒng)計、實時保護、實時報警、信息查詢等功能。同時工作人員可以通過后臺PC對抽油機發(fā)出控制指令，實現(xiàn)抽油機的遠程啟、?？刂?。下位機采用以DSP+MCU為核心的智能測控裝置作為現(xiàn)場監(jiān)控終端，主要實現(xiàn)對抽油機系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，對抽油機驅(qū)動電機全電量的監(jiān)測計量，對抽油機自適應間抽控制的準確實施以及對抽油機系統(tǒng)的故障保護；同時，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及信息通過GPRS無線通信模塊上傳給監(jiān)控中心后臺PC，實現(xiàn)抽油機系統(tǒng)的遠程管控。

2 硬件設計

2.1 智能化抽油節(jié)能測控系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜

該測控系統(tǒng)中的控制柜包括核心測控裝置和控制柜內(nèi)部接線?？刂乒衽c驅(qū)動電機以三相三線連接，將驅(qū)動電機的三相電壓送到核心測控裝置的電壓采集口，通過電流互感器將驅(qū)動電機的三相電流變換為合適的電流，送到核心測控裝置的電流采集口。通過主回路上塑殼斷路器的分合對電機進行啟停控制；核心測控裝置通過開關量輸出給繼電器，繼電器控制電動操作機構(gòu)，完成電機的控制。由電網(wǎng)為電機和控制柜內(nèi)部提供電源；經(jīng)過380 V/220 V變壓器向核心測控裝置供電。智能化抽油節(jié)能控制柜內(nèi)部接線圖如圖2所示。

圖2 智能化抽油節(jié)能控制柜內(nèi)部接線圖

由于驅(qū)動電機是油井的動力源，所以該測控系統(tǒng)由控制柜控制抽油機的驅(qū)動電機，并通過控制柜傳輸數(shù)據(jù)。在實際工作中，電機由380 V交流電供電，主電路配有一個塑殼斷路器(型號CM1-63LP/3320)和一個電動操作機構(gòu)(型號CD2-63/DC220V)，電機可通過塑殼斷路器手動啟停，核心測控裝置通過電動操作機構(gòu)控制電機的啟停；電機信號開關量的采集是通過繼電器(型號JQX-10F-2Z)的輔助觸點接入核心測控裝置開關量輸入電路完成的；電壓采集電路和電流采集電路與核心測控裝置的電壓和電流輸入電路相連，完成電機模擬量的采集和監(jiān)控；根據(jù)采集的電氣參數(shù)輸出控制信號，然后通過繼電器將開關量輸出給電動操作機構(gòu)，完成間歇抽油控制和故障時的動作。

2.2 智能化抽油節(jié)能核心測控裝置

該測控系統(tǒng)中智能抽油機節(jié)能核心測控裝置的原理設計如圖3所示，由游梁式抽油機驅(qū)動電機電參數(shù)處理單元(A)、游梁式抽油機驅(qū)動電機電參數(shù)及其他信號量檢測單元(B)和輸出執(zhí)行單元(C)三部分組成，分別通過相應的接口與游梁式抽油機驅(qū)動電機電參數(shù)處理單元相連。

圖3 智能化抽油節(jié)能核心測控裝置原理圖

2.2.1 測控裝置的輸入、輸出部分

1)模擬信號采集部分

系統(tǒng)模擬量主要為抽油機系統(tǒng)驅(qū)動電機的三相電流、電壓，經(jīng)過精密測量互感器HPT304和HCT255(西安橫山微型互感器研究所生產(chǎn))二次隔離變換，再經(jīng)過模擬量調(diào)理電路進行濾波、去噪、幅值變換，最終輸入DSP系統(tǒng)模塊進行處理。

2)開關量輸入部分

開關量輸入主要用來采集外部開關信號，判斷抽油機運行狀態(tài)。采用光電耦合器TLP181將外部輸入信號進行隔離后輸入CPLD邏輯與組合回路，增強系統(tǒng)抗干擾性，避免外部輸入回路對整個系統(tǒng)的干擾。

3)控制量輸出部分

系統(tǒng)輸出控制4個繼電器，其中一個繼電器完成抽油機啟動控制，一個進行抽油機電機保護，一個進行電容器補償控制，一個進行抽油機啟動前預報警。由單片機系統(tǒng)發(fā)出控制命令，經(jīng)過CPLD進行邏輯運算和鎖存后，通過TLP127進行光電隔離后輸出給控制繼電器。

2.2.2 核心處理部分

核心處理部分主要由電參量采集處理、系統(tǒng)管理及控制、系統(tǒng)外部邏輯擴展3個部分構(gòu)成。該部分將采集信號進行處理后，根據(jù)系統(tǒng)設置完成系統(tǒng)功能。

1)DSP系統(tǒng)模塊

DSP系統(tǒng)模塊采用計量芯片ATT7002C，作為專用的高精度防盜電三相電能計量芯片，主要完成三相電壓、三相電流的采樣，預留一路用于完成零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣；芯片支持純軟件校表，有效提高了采樣精度。通過SPI接口與外部系統(tǒng)進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

2)單片機系統(tǒng)模塊

單片機系統(tǒng)模塊采用dsPIC30F6014A芯片，它集單片機的控制功能和數(shù)字信號處理器的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐量于一體，具備強大的外圍設備和快速中斷處理能力。該芯片主要完成整個系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)運算處理及控制功能。

3)系統(tǒng)外部邏輯擴展CPLD

該系統(tǒng)采用Altera公司MAX7000系列產(chǎn)品的EPM7128STC100-10型CPLD，對單片機系統(tǒng)進行I/O擴展，通過SPI總線完成單片機系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、M41T94及液晶之間的連接；運用CPLD豐富的I/O口資源完成4路繼電器控制輸出，12路開關量輸入以及按鍵模塊和狀態(tài)指示的輸入和輸出，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理；利用譯碼技術輸出片選信號，防止由于電氣干擾引起的誤碼導致誤動作，提高系統(tǒng)控制的可靠性。

2.2.3 通信部分

為了方便與上位機通信，測控裝置作為下位機，通過擴展專用通信芯片，實現(xiàn)基于RS-232和RS-485兩種標準通信接口，為該裝置與后臺上位機或多個裝置的級聯(lián)提供了物理基礎。當單臺裝置與上位機進行通信時，可選擇RS-232或RS-485方式，多臺裝置進行級聯(lián)時選擇RS-485方式。

2.2.4 人機接口部分

在保證系統(tǒng)功能的前提下，提供良好的人機接口，保證工作人員能夠及時了解系統(tǒng)的運行情況，對系統(tǒng)參數(shù)進行設置或根據(jù)現(xiàn)場需求進行人工干預。

1)液晶顯示

液晶顯示模塊采用帶有中文字庫的128×64點陣型液晶顯示器。為了節(jié)省單片機系統(tǒng)的I/O口，同時提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用串行方式，將CPLD通過高速光電隔離器后與液晶模塊相連，單片機系統(tǒng)通過CPLD控制液晶模塊進行參數(shù)顯示。

2)按鍵控制及運行狀態(tài)顯示

按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設置的功能，是人工干預的主要手段。智能化抽油核心測控裝置使用非編碼鍵獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，利用硬件防抖，采用循環(huán)掃描方式。功能鍵有復位、確認、退出、加鍵、減鍵。4個功能鍵產(chǎn)生的開關量信號經(jīng)TLP181耦合后直接送給CPLD。2個指示燈顯示系統(tǒng)通信或故障狀態(tài)。

3 軟件設計

該智能化抽油節(jié)能測控裝置的軟件設計主要包括:①主程序設計，完成系統(tǒng)初始化，調(diào)用各子程序；②讀取并處理抽油機驅(qū)動電機的電氣參數(shù)，測量并計算抽油機驅(qū)動電機工作時的電流、電壓、有功功率等參數(shù)；③間抽控制程序和間抽時間修正子程序判斷電流信號和有功功率信號特征是否出現(xiàn)，并根據(jù)自適應修正算法修正間抽時間，從而確定最佳間抽時間，最終輸出控制信號給電機；④抽油機電機保護程序，完成啟動保護、速斷保護、過流保護、過高或過低電壓保護等功能。各部分的程序流程如圖4～圖8所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 電參量讀取并處理子程序流程圖

圖6 電機保護子程序流程圖

圖7 抽油機間開控制子程序流程圖

圖8 抽油機間開時間修正子程序流程圖

圖4是整套測控系統(tǒng)的主程序流程圖，通過開啟初始化程序和封面顯示程序進入主界面，通過調(diào)用電氣參數(shù)讀取和處理子程序?qū)崿F(xiàn)對抽油機驅(qū)動電機電氣參數(shù)的采集和處理功能，之后遙控信號和遙信控制處理程序?qū)崿F(xiàn)開關量的采集和控制輸出，空抽時發(fā)出抽油機控制信號，故障時發(fā)出報警信號。

4 現(xiàn)場應用

該測控系統(tǒng)在延長油田杏子川采油廠314井組、313井組進行了試驗和跟蹤測試,系統(tǒng)安裝前后節(jié)能效果見表1。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在不影響產(chǎn)量的前提下安裝該測控系統(tǒng)可節(jié)電30%以上，不僅節(jié)約了大量的電能，提高了抽油機工作效率，同時解決了空抽時的機械磨損和液積問題，故障判定準確率≥80%，延長設備的使用壽命，并預計3年收回成本，使杏子川采油廠獲得最大經(jīng)濟效益。

表1 杏子川采油廠21口井節(jié)能統(tǒng)計表

5 結(jié)語

該研究將抽油系統(tǒng)電參數(shù)賦予別樣的含義，提出了以地面電力能耗預測井筒油液量的新方法，利用所設計的智能化抽油節(jié)能測控系統(tǒng)實現(xiàn)了“有油就抽，無油就?！薄Ｏ到y(tǒng)成功應用于延長油田杏子川采油廠，經(jīng)過一年的現(xiàn)場運行試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效解決油泵空抽導致的電能浪費問題，節(jié)電率30%以上，大大提高了機采效率，同時具有工作可靠性強、操作方便等優(yōu)勢,證明了間抽控制應用在數(shù)字化油田的必要性、可行性，為實現(xiàn)節(jié)能降耗提供了一種新思路。