1、精選優質文檔-傾情為你奉上油井電機扭矩監測技術試驗應用項目可行性研究報告專心-專注-專業目 錄1 編制依據和原則1.1 編制依據1.1.1 節能降耗、控制成本隨著國民經濟的不斷發展，消費規模不斷擴大，能源問題已經成為制約經濟和社會發展的重要因素。為解決我國能源緊張問題，國家提出了堅持開發與節約并舉、節約優先的方針，大力推進節能降耗，提高能源利用效率。油氣勘探開發行業是我國主要的能源生產行業之一，也是能源消耗的大戶。在為國家生產更多油氣資源的同時，節能降耗也是油氣勘探開發行業主要任務之一。勝利油田自60年代初期開發至今，經多年的生產開發建設，油田產液含水率逐漸上升，原油產量逐漸遞減，油田生產進入

2、高含水的生產階段；為了降低開發成本，減緩油田的遞減趨勢，確保勝利油田的持續穩產高產，需要引入新思想、新觀念、新技術、新工藝，才能實現節能降耗、成本控制。目前，有桿泵(包括抽油機和螺桿泵)井占采油廠生產井的90%以上，采油廠的電量絕大部分都消耗在有桿泵采油上，電量的使用是采油廠的一大成本。如河口采油廠目前日用電量140多萬千瓦，如果能實時監控有桿泵的工況，對運行不平常的有桿泵電機進行調整，對電能的節約將是非?？捎^的。因此通過實時監測電機(包括異步和同步電機)的工作情況或供電情況，實現對電機的預知性維修，避免意外損失（如不必要的臨時維修和意外人員傷亡等），也可避免電機在低效率或不正常情況（電機故障

3、或供電異常）下長期工作，實現節能降耗、成本控制。本項目根據抽油電機的特性、結構、額定參數和實際工作環境等特點，采用電動機的無速度傳感器速度檢測方式，再進一步獲得其他關鍵電機運行參數，根據電機運行參數進一步獲取整個抽油系統的工況，為掌握抽油電機的運行情況、節約電能、提高采油效率和增加經濟效益奠定基礎。1.1.2 實時跟蹤、方便快捷目前，油田上分析抽油機井深井泵工況時，廣泛采用實測示功圖分析方法。實測示功圖可以反映出深井泵在井下工作中的異?，F象，可結合地質情況和利用生產數據、儀器工作狀況，來分析解釋抽油機的工作制度是否合理，機、桿、泵、參數組合是否與油井相適應。實測示功圖經過診斷技術處理，可以找出

4、影響油井泵效或不出油的原因，然后根據本油田采油工藝技術的配套措施來解決生產問題。由于油田油井數量多且分布范圍由幾十至上百平方公里，分布比較零散，且油區道路交通不是很好。人工每日定時檢查設備運行情況并記錄采油數據，用動力儀完成示功圖的繪制，但只能是一次測一口井，測量時需要停機安裝動力儀，結果往往使得實測示功圖不能很好地反映深井泵的實際工況，而且費時費力，影響抽油機井的產量,并且動力儀是機械式的,存在測量偏移,測量結果不準確,而且每一個沖程周期只采集一百多個點,很多微小的變化沒有在示功圖上反應出來。這種方式不但受天氣和距離的限制，也必然增加工人勞動強度，并且影響了設備監控與采油數據的實時性，甚至準

5、確性。當抽油機深井泵出現故障時不能及時發現，得不到有效檢測、防患和控制。本課題通過直接測量電機的電流、電壓、功率等參數，計算出電機的輸出扭矩，然后根據電機的輸出扭矩推出抽油機減速箱的扭矩，然后利用預先計算好的扭矩因數推出懸點載荷，間接獲得抽油機井的示功圖，從而可以使用目前比較成熟的示功圖分析和診斷技術對抽油機井的工況進行分析，并且通過對輸出扭矩曲線進行頻譜分析可以發現一些細節變化，這些細節是通過示功圖所不能發現的，而這些細節暗示著抽油機井的某種工況。通過GPRS遠程傳輸所測量電機的電參數，控制中心足不出戶就可以獲得抽油機井的實時動態工況，遠程控制抽油機井。1.2 編制原則一、采用新產品、新工藝

6、、新技術，及時掌握油區有桿泵電機的運行情況，提高油區的采油效率和增加經濟效益。二、采用可靠而且先進的技術，充分利用原有設備和設施，以節約工程投資。三、在滿足生產的前提下，做到方便施工，易于維護，環保節能。2.研究范圍2.1電機參數在線檢測技術電機參數在線檢測技術是通過測量異步電動機三相電壓、電流，獲得電機的有功功率、無功功率和功率因數，并且實現對電機定子磁鏈和電磁轉矩以及電機轉速的準確計算，同時可計算得到電機輸出功率和輸出轉矩以及電機的運行效率等。通過在線檢測抽油機的電參數實時監測抽油異步電動機的工作狀況和供電情況，對典型的電機故障進行示警。2.2扭矩載荷推算技術抽油機工作時，由懸點載荷及平衡

7、重在曲柄軸（減速箱輸出軸）上造成的扭矩與電動機輸給曲柄的扭矩相平衡。一定型號的抽油機所配減速箱都有允許的最大扭矩。在一定條件下它既限制著油井生產時所采用的最大抽汲參數，同時又限制著為了保證大參數生產所需要的電動機功率。因此，扭矩曲線除了用來確定最大扭矩和檢查是否超扭矩之外，還可以檢查抽油機的平衡狀況和進行平衡計算，確定電動機輸出的功率，檢查功率利用情況及利用均方根扭矩選擇電動機功率。根據所測得的電機電磁扭矩曲線推算出減速箱輸出軸扭矩曲線，然后利用預先計算好的扭矩因數推出懸點載荷，進而得到該井的示功圖并自動分析該井的工作狀態。2.3 數據遠程傳送技術GPRS通訊方式建設依賴移動通訊公司龐大的GP

8、RS網絡，建設成本與運行維護成本都很低，遠小于自行建設獨立運行的專用通訊網絡(電臺、有線DDN、微波等)。GPRS網絡建設方便簡單，使用GPRS模塊及相應配件，直接與帶有RS232串行口的監測設備連接，與中心數據服務器構建透明的數據傳輸通道。它運行可靠，數據采集實時性強，運行費用低，漏碼誤碼極少，克服、解決了其他通信方式存在的各種問題。在保證數據傳輸及時、準確的前提下，將系統運行費用也降低到了極低；同時，通信鏈路由專業的運營商來維護，避免了用戶在使用監測系統的同時，還需要耗費很大精力去維護通信線路的問題。3.遵循的標準、規范為確保工程技術先進合理，安全可靠，符合國家的方針、政策，符合客觀實際，

9、嚴格執行以下的標準、規范：(1)GB/T 2887-2000 電子計算機場地通用規范(2)GB/T16435-1996遠動設備終端通用技術條件(3)中華人民共和國安全行業管理規范(4)軟件工程國家標準(5)中國電氣安裝工程施工及驗收規范(6)GA/T75-94安全防范工程程序與要求(7)GA/T74-94安全檢查防范系統通用圖形符號(8)社會公共場所安全防范工種設計規范(9)GB 50343-2004 建筑物電子信息系統防雷技術規范 (10)公安部、公安廳技防辦有關文件規定。4.河口采油廠生產現狀及存在問題4.1生產現狀河口采油廠隸屬勝利油田有限公司，地

10、處渤海之濱黃河故道入?？谔?，河口因以得名。前身是1972年成立的河口指揮部，1983年將鉆井單位劃出另編，成立河口采油指揮部，1988年更名為河口采油廠至今。目前，河口采油廠管理著渤南、呈東、義和莊、義東、義北、邵家、大王莊、大王北、羅家、飛雁灘、陳家莊、英雄灘、富臺等大大小小13個油田，探明含油面積283.4平方千米，地質儲量36570萬噸（不含油公司的），動用含油面積242.2平方千米，動用地質儲量32770萬噸，可采儲量7918萬噸，標定采收率24.2%，累計產油6118萬噸；采油廠油井每天開井一千六百多口,日產液量八萬多噸,日產油量八千多噸。4.2存在問題目前常用的電機扭矩測試設備體積

11、龐大，價格昂貴，限制了這方面技術的發展，而電機扭矩又是油田現場生產用于監控電機乃至整個抽油系統生產工況的一個重要參數，由扭矩可以衍生出眾多工況指標，因此低成本的電機實時測試技術、實時有桿泵工況分析技術具有廣闊的應用前景。當前國內對電機本體質量是否合格的測試研究較多，而對電機自動測試系統的研究、應用則較少。因此，本項目擬采用實時性好、計算精確性高而且系統成本較低的電機自動測試系統實現對油田有桿泵電機運行工況的監測，為提高油田有桿泵電機系統運行效率，提高采油效率和經濟效益奠定基礎。5.河口采油廠抽油電機扭矩在線監測系統方案設計5.1系統功能及技術指標 該系統采用高性能32位ARM處理器（LPC23

12、64）作為核心數據處理器，LPC2364基于ARM7TDMI-S核，可在高達72MHz的頻率下運行，其體積小、功耗低、成本低，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，因此計算性能十分優異，其片內含有128 kB的程序存儲器，8 kB靜態存儲空間（SRAM）和6路10位ADC，具有先進的中斷控制器，支持多達32個中斷向量，同時其具有豐富的串行外設接口，便于實現與上位計算機通訊。系統軟件算法采用標準C語言編程，程序構架充分采用結構化和模塊化方案設計，程序執行效率高，易讀性強，可擴充性強，便于軟件程序的進一步修改、移植及擴展等。該系統通過實時采集異步電機的三相電壓和電流可實時計算電機的三

13、相有功功率、無功功率和功率因數，根據定子三相電壓和電流可實時計算得到電機定子磁鏈的幅值和相位，結合定子電流可估算得到電機電磁轉矩，利用定子電壓和電流還可進一步估算定子電角頻率，利用估算所得的定子磁鏈幅值和電磁轉矩可得到轉子轉差電角頻率，利用定子電角頻率和轉子轉差電角頻率就可計算得到轉子實際轉速。利用電磁轉矩和同步電角速度可計算電機電磁功率，結合所估算的轉差率和機械損耗可估算電機輸出機械轉矩，根據電機輸出轉矩和轉速可得到電機輸出機械功率以及系統的整體效率。為實現系統臨時數據保存、檢測系統參數保存以及系統時間實時顯示，選用低成本、低功耗的日歷時鐘芯片，日歷時鐘芯片不僅可作為系統的時間基準，而且其內

14、部的數據存儲單元可實現參數的保存，同時該系統的系統時間還可通過遠程通訊的方式進行時間校準，其日誤差小于1秒（0.5秒）。采用上位計算機系統通過RS232接口對檢測系統進行參數設置和修改，另外可根據實際要求選取通信方式，若需要對某些參數進行遠程修改或對檢測系統實現遠程監控，可采用RS422/RS485傳輸方式進行數據通信，還可采用無線通信方式進行監控。本系統通過連接油田企業網，所測量的數據保存到企業數據庫中，通過WEB方式提供用戶瀏覽，用戶可以通過瀏覽器在線檢測抽油機的電參數實時監測抽油異步電動機的工作狀況和供電情況，對典型的電機故障進行示警，通過直接測量電機的電流、電壓、功率等參數，計算出電機

15、的輸出扭矩，然后根據電機的輸出扭矩推出抽油機減速箱的扭矩，然后利用預先計算好的扭矩因數推出懸點載荷，間接獲得抽油機井的示功圖，從而可以使用目前比較成熟的示功圖分析和診斷技術對抽油機井的工況進行分析。通過GPRS遠程傳輸所測量電機的電參數，控制中心足不出戶就可以獲得抽油機井的實時動態工況，遠程控制抽油機井。主要技術指標：(1) 在電機功率大于額定功率50%的情況下，各項電機運行參數測試和估計誤差小于5%；時鐘在一天中誤差（在不通過上位機通信校正的情況下）小于5秒。.(2) 系統推算抽油機井懸點載荷與現場實測載荷誤差不大于10%，(3) 系統推算螺桿泵井光桿扭矩與現場實測光桿扭矩誤差不大于10%。

16、5.2系統核心測試算法5.2.1電機定子電壓和電流瞬時值的硬件檢測框圖前級調理電路電壓傳感器ARM處理器前級調理電路前級調理電路前級調理電路電壓傳感器電流傳感器電流傳感器多路模擬開關圖1定子電壓和電流瞬時值的硬件檢測框圖如圖1所示，定子線電壓和相電流分別經電壓傳感器、電流傳感器和相應的電平抬升、放大、濾波等處理電路后進入多路模擬開關，ARM處理器系統通過實時切換多路模擬開關檢測定子線電壓和相電流。5.2.2電機定子三相有功功率、無功功率及功率因數的計算方法將采樣得到的三相靜止坐標系下（ABC坐標系）的定子電壓、電流的瞬時值分別進行靜止坐標變換得到兩相靜止坐標系下（-坐標系）的電壓分量u、u和電

17、流分量i、i： （1） （2）由式（1）得到的兩相靜止坐標系下的電壓分量可求得定子電壓綜合矢量的幅值和相位： （3） （4）同理，可得到定子電流綜合矢量的幅值和相位： （5） （6）因此可計算得到電機的功率因數角： （7）根據式（1）和（2）計算所得的電壓、電流分量可計算得到電機的瞬時有功功率和無功功率： （8） （9）因此，電機的視在功率和功率因數分別為： （10） （11）5.2.3電機電磁轉矩、轉速估算原理由于抽油機異步電動機通常以額定頻率運行，電機正常工作時定子電壓遠大于定子電阻壓降，因此定子電阻變化對估算定子磁鏈的精度影響很小，可利用式（12）和（13）通過積分的方法來估算定子磁鏈分

18、量。 （12） （13）利用式（12）和（13）可計算得到定子磁鏈的幅值和相位： （14） （15）利用異步電動機的電磁轉矩方程和計算所得的定子磁鏈和電流分量可根據式（16）估算電機電磁轉矩，式中np為電機極對數。 （16）根據計算所得的電磁轉矩、定子磁鏈幅值可根據式（17）的異步電動機速度動態估算方法實現電機轉子轉差電角速度估算。 （17）電機定子同步電角速度可由靜止坐標系下的定子電壓方程得到： （18）因此，電機轉子機械轉速的計算表達式為： （19）利用電磁轉矩和同步電角速度可計算得到電機的電磁功率，利用轉差速度和同步速度可計算得到電機的轉差率，結合電機機械損耗P0，通過式（21）、（22

19、）和（23）可分別得到電機電磁轉矩、輸出功率和輸出轉矩。 （21） （22） （23）由此可計算得出電機系統的運行效率： （24）5.3系統硬件組成和基本工作方式核心處理器LPC2364系統穩壓工作電源時鐘芯片定子電壓頻率檢測電路電壓、電流檢測電路無線通信電路與上位機之間的通信電路，用于測試和參數設置圖2檢測系統硬件組成框圖檢測系統主要包括以LPC2364為核心的最小系統單元，最小系統主要包括ARM處理器、晶振電路、復位電路、JTAG調試接口電路等。晶振芯片采用22.059MHz/3.3V規格，經過CPU內部3倍頻獲得66.177MHz的系統時鐘頻率，利用ARM處理器的內部SRAM或外擴SRA

20、M可以大量保存臨時采樣數據、通信數據、中間計算結果等。采用看門狗和含非易失性存儲器的日歷時鐘芯片可以實現掉電情況下系統參數（如電機參數）的保存，保證系統參數的準確性。采用三端穩壓電源可獲得穩定的3.3V工作電源。為充分利用ARM處理器內部的A/D轉換器功能，設計異步電動機電壓、電流采樣、跟隨、電平抬升以及濾波放大電路，通過CPU的I/O口控制多路模擬開關切換轉換通道，實現各路電量的實時準確檢測。設計定子電壓頻率檢測電路，為軟件算法中的定子電角頻率計算值提供參考。ARM處理器與上位機之間的數據交換采用異步串行通訊方式，LPC2364帶有一個標準異步串行通信接口，在66MHz的系統時鐘下可實現接受

21、和發送的雙緩沖功能，可以全雙工方式工作。檢測系統對外通信方式采用基于GSM技術的GPRS為主，短消息為輔的通信方式，利用GPRS的在線功能保證通信的速度和通信質量。其通信原理框圖如圖73所示。利用該通信方式可實現終端檢測系統上傳檢測數據，中心計算機系統下達隨機讀指令，可靈活設置和修改終端檢測系統參數。5.4系統軟件基本工作方式檢測系統軟件主要包括主程序和中斷服務子程序兩大部分。主程序主要完成硬件系統配置、初始化，中斷向量進行初始化，程序變量初始化等功能。主程序與各中斷服務程序交互實現命令傳遞和數據傳遞，主程序實現從上位機命令的接收以及檢測系統數據的打包上傳功能。在中斷服務程序中則實現電機電壓、

22、電流的實時檢測，各電參數的實時計算以及與主程序的交互。MC35I模塊檢測終端1SIM卡MC35I模塊檢測終端NSIM卡INTERNET計算機上網設備移動基站圖3 基于GPRS技術的檢測系統無線通信框圖5.5載荷扭矩推算5.5.1抽油機井根據實測結果，根據理論模型可以推出功圖，如下圖所示：根據所測得的電機電磁扭矩曲線推算出減速箱輸出軸扭矩曲線，然后利用預先計算好的扭矩因數推出懸點載荷，進而得到該井的示功圖并利用成熟的示功圖分析技術分析該井的工作狀態。另外根據實測結果，可以準確計算電機的輸入功率，從而準確分析油井地面部分各個節點的效率，而不需要再手工測量電機的電壓/電流等參數。5.5.2螺桿泵利用

23、每秒鐘幾十個測試點的電流、電壓和功率因數等電機工作參數，考慮電機的內部損耗，準確計算出電機同期的輸出軸扭矩，進而計算出光桿扭矩，利用光桿扭矩值及其變化規律，對螺桿泵井的工況進行診斷。5.5.2.1 電機輸出軸功率根據電機學理論，在穩定運行區內電動機的輸出軸功率與其轉子電流成正比，而又近似與成正比，即式中，為電動機負載電流; 為電動機空載電流。這樣，某負載時的為式中， 為電動機額定效率(電動機的額定技術數據); 為額定負載時的總損耗; 為輸入電功率; 為不變損耗;為可變損耗(與對應)。5.5.2.2光桿轉速螺桿泵井抽油桿柱是在地面電機的帶動下進行旋轉運動的，通過地面設備中減速箱和驅動頭的作用，把

24、地面電機的高速轉動，轉換成光桿的低速轉動。要計算光桿的轉速，首先應得到地面電機的輸出軸轉速。電機的輸出軸轉速式中，為電機的額定功率; 為電機的輸入功率; 為電機空載時同步轉速; 為電機的額定轉速。電機通過減速箱驅動光桿轉動，光桿轉速：式中，b為減速箱傳動比; 為減速箱效率; 為電機負載時轉速。5.5.2.3光桿扭矩光桿扭矩是進行螺桿泵井監測與診斷的重要技術參數，由電機的輸出軸功率和光桿轉速等參數可計算得出其準確的光桿扭矩值。電機輸出軸扭矩:式中， 為電機輸出功率; 為電機負載時轉速。光桿扭矩:式中，為電機的輸出功率; 為減速箱效率; 為光桿轉速。5.5.2.4螺桿泵井故障診斷抽油桿斷脫后，光桿

25、承受的垂向拉力發生相應變化，電機的輸出電流也發生相應的變化，如果是底部桿斷脫，抽油桿不轉動時，垂向拉力接近正常時的值。螺桿泵采油系統正常運行時，泵轉子在定子內旋轉，由于過盈配合，轉子只能在定子規定的范圍內做偏心運動，而垂直方向由于泵兩端壓差作用，轉子不能大幅度上下運動，相當于抽油桿柱的下部是被約束的。當抽油桿斷脫后，約束被解除，電流曲線和軸向扭矩曲線都顯示出周期波動。抽油桿斷脫后光桿扭矩的變化規律如下圖。根據電機輸出軸扭矩與光桿扭矩的對應關系以及電機輸出軸扭矩與電參數的對應關系，如果出現這種特征曲線就可以判斷為抽油桿斷脫，而斷脫的位置可以根據與正常生產時的扭矩進行比較來判斷。油管漏的主要現象是

26、該井產液少甚至不出液。油管漏失的位置不同，電機輸出扭矩變化不同。下部油管漏，螺桿泵井光桿所承受的扭矩值遠小于該井正常工作時的扭矩值;上部油管漏，扭矩曲線和正常工作時的扭矩曲線近似，其變化曲線如下圖。螺桿泵每個腔室相互并不連通，泵轉子在運轉過程中，不同腔室內的液體壓力由于泵上油管內液體的作用逐漸增加，同時因定、轉子是窄面接觸，所以每個腔室的液壓力表現為靜吸附力。螺桿泵啟動時，轉子必須克服靜摩擦力和吸附力，啟動扭矩有一個峰值。泵漏失的原因是因為定、轉子之間過盈不夠，電機啟動時無峰值電流，電流增加的趨勢較平緩。在泵發生漏失時，泵的定、轉子過盈摩擦扭矩小，因此在舉升時抽油桿所需的扭矩小于正常舉升時的扭

27、矩。其變化趨勢曲線如圖。任何導致轉子旋轉阻力過大的原因均可能造成卡泵。定、轉子出廠時配合過盈偏大，或定子橡膠溶脹、受溫度影響等因素造成過盈偏大，或定子脫膠，均可造成卡泵。扭矩變化曲線如下圖。5.6投資概算投資概算見下表：方案投資 萬元序號項目內容費用（萬元）1現場調研及文獻查閱以及理論研究52需求分析103系統總體方案設計304系統硬件方案設計、硬件電路設計及制作605系統硬件電路調試306檢測系統軟件代碼編制207系統分析軟件508差旅費及交通費109材料印刷費用510專家技術咨詢及評審費5合計2255.7經濟效益分析油井電機扭矩監測系統建設后，不僅大大提高河口油區運行的安全性、可靠性，還可以節約車輛、人工等費用，以往的人工巡井，現在足不出戶就可以知道有桿泵的工況。據不完全統計每天可以節約日用電量的2%到3%,約3萬千瓦，一年將是1000萬千瓦，將節省電費500萬元；車輛、人工等費用一年可節約60萬元。6.環