（电气工程专业论文）油田抽油机智能节电控制器的研制.pdf

油田抽油机智能节电控制器的研制 摘要 随着油田原油的不断开采，老油田的低产井越来越多，油井空抽现象也越 来越严重，合理地控制抽油机的开机时间与停机时间长度，可以达到节电、防 止击液引起的油杆断裂以及抽油机磨损减少的目的。 解决油井空抽现象的关键是合理控制开机时间与停机时间长度，本文对各 种检测方法进行了理论分析及成本比较，认为功率检测最行之有效，同时提出 了功率检测的几种实现方法，即瞬时功率法、人工电耗法、设定功耗法及效益 功耗法，所设计的节电控制器集以上四种方法于一身，可通过自动手动切换采 取不同的功率检测方法，使其适应范围增宽。 为实现合理的控制，该智能节电控制器采用了a t m e l 公司出品的a v r 芯片 9 0 s 8 5 3 5 ，围绕该芯片进行了软、硬件设计。文章介绍了该节电控制器在现场使 用的测试效果。 关键词：抽油机节电算法流程a v r 9 0 s 8 5 3 5 t h er e a l i z a t i o no fs m a r t p o w e r - s a v i n g c o n t r o l l e r f o ro i l p u m p u n i t a b s t r a c t a sc r u d eo i li se x t r a c t e dc o n t i n u o u s l yi no i lf i e l d t h e r ea r em o r ea n dm o r el o w y i e l do i lw e l l si no l d o i lf i e l d ，a n dt h ep r o b l e mo f v o i dp u m p i n gi sb e c o m i n gm o r e s e r i o u s r a t i o n a lc o n t r o lo f t h ep u m p sw o r ka n dr e s tt i m ec a ns a v ee l e c t r i c i t y , p r e v e n tt h eb r e a k o f b e a m h a n g e rc a u s e db yb e a t i n gl i q u i d ，a n d r e d u c ea t t r i t i o no f t h e p u m p r a t i o n a lc o n t r o lo f t h ep u m p sw o r ka n dr e s tt i m ei st h ek e yt os o l v et h ep r o b l e m o f v o i d p u m p i n g t h i se s s a yg i v e st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o s tc o m p a r i s o no f e v e r y d e t e c t i v em e t h o d ，c o n s i d e r sp o w e rd e t e c t i o na st h em o s te f f e c t i v em e t h o d ，a n dp u t s f o r w a r ds e v e r a lw a y s o f p o w e rc o n s u m p t i o n a n de f f e c t i v e n e s sp o w e r c o n s u m p t i o n a tt h es a m et i m e t h e d e s i g n e de l e c t r i c i t ys a v i n g c o n t r o l l e ri n t e g r a t ea l lt h ea b o v e f o u rm e t h o d s ，a n di tc a r lw o r kw i t hd i f f e r e n tm e t h o d s b y s w i t c hb e “v e e na u t o m a t i c a n dm a n u a lt ob r o a d e ni t sa c c o m m o d a t i o n t oa c h i e v er a t i o n a lc o n t r o l ，t h i si n t e l l i g e n te l e c t r i c i t ys a v i n gc o n t r o l l e ra d o p t st h e a v r ( 9 0 s 8 5 3 5 ) c h i p w h i c hi sp r o d u c e d b ya t m e lc o m p a n y ，a n d h a st h er e l a t e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h e c h i p t h ea t m e lc o m p a n y , a n d h a st h er e l a t e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h ec h i p t h ep a p e rp r o p o s e st h ea c t u a lt e s te f f e c t o f t h i se l e c t r i c i t ys a v i n gc o n t r o l l e rw h e nu s e do nt h es p o t k e y w o r d sp u m pp o w e r - s a v i n ga l g o r i t h m i cf l o wa v r ( 9 0 s 8 5 3 5 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加 以标注和致i 勇 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名耐彳参签字日期：。5 年月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或结构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥 工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授衩书) 学位论文作者签名：钟。2 - 手。-导师签名：毒9 磊纠廷垂 学位论文作者签名： 导师签名：毒9 现纠辫 签字日期：加；年p 月f 目签字日期9 ，垆弓年矿月j 。目 醇( 跳5 日 ， 巧7 0 t 致谢 自2 0 0 0 年下半年入学以来，得到了合肥工大电气工程学院及研究生院的支 持与帮助，从而使我顺利修完了在职工程硕士研究生的全部课程。在合大张崇 巍教授的悉心指导下，在现场指导教师李日秀高工的热情帮助下，完成了课题 的设计与实验调试，并最后完成了毕业论文的撰写工作。我的每一点进步都浸 透着导师们的心血，在此衷心感谢导师们对我学业上的帮助和教诲。 我的导师张崇巍教授在我的论文选题、实验方案的选择与确定等方面都倾 注了不少心血。提供了齐备的实验设施与器材，使得我能够顺利地完成论文实 验。 现场指导老师李日秀高工，为我提供了课题，热情洋溢的与我探讨课题的 研究方向与设计思路，为课题的完成指出了正确的方法。再次表示感谢。 石油大学的老师，百忙之中为我提供了很有价值的参考资料，这种既是老 师又是朋友的情谊我会铭记在心。 由于本人水平有限，再加上工作占去了一些精力和时间，使得实验和论文 还存在不少瑕疵，为此谨向导师们表示诚挚的歉意。 三年来，老师们的教诲与潜移默化的影响，对我的工作起到了积极作用， 工作能力得到了进一步提高，在解决工作中的问题时有了更多的思路和方法。 通过三年的学习，我也清醒地认识到自己的不足，今后一定继续学习，工 作中取得更大的成绩，以回报我的老师们。 孙正贵 2 0 0 3 8 1 1 项目的背景和意义 第1 章绪论 有杆抽油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中 一直占主导地位的人工举升方式。据估计全国共有五至六万台抽油机在运行。 按文献数据，抽油机井占各油田生产井数的8 0 ，产液量占各油田的6 0 ，产 油量占各油田的7 5 ，能耗占油田总能耗的三分之一。由于我国各油田每年 要有几千口新井投入生产，连同已有设备的更新，每年需要新增几千台抽油 机。 目前应用最多的是往复驱动柱塞式抽油机，在这类抽油机中，游梁式抽 油机又占了主导地位( 近年来为了满足大泵、深抽、长冲程及节能的需求， 国内各抽油机生产厂家开发了各种新型抽油机，如异相型、前置型、气平衡 型、旋转驴头型、链条型、双驴头型、异型游梁型、偏轮型、二次平衡型等 几十种新型抽油机) 。这类抽油机在设计时就需要留有一定的余量，随着开采 时间的延续，油井供液不足，就会出现抽取能力大于油井实际负荷的情况。 在这种情况发生时仍然让抽油机工作在连续运行的方式下，必然会发生空抽 现象，即每次只能抽取很少甚至完全抽不到油。空抽首先会造成电能的大量 浪费；其次由于抽油设备长期连续运行，机械损耗大、加速设备老化，随之 也增加了维护费用和停枫维修时间；更严重的情况下会由于液击而导致抽油 杆的断裂。 长期以来，石油行业的专家、技术人员一直致力于在不降低产量的前提 下如何避免抽油机出现空抽，从而减少无效电耗和机械损耗。控制抽油机在 空抽状态下停止运行是最常用的方法。此时，如何判定抽油机处于空抽状态 成为问题的关键。对此，专家们进行了大量的研究，并取得了不少成果，在 实际运行中也出现了采取人工操作、辅助测量、定时控制等多种控制方法和 相应设备。但是由于处理技术复杂，需要昂贵的仪器设备，因此很长一段时 间内都没有理想、实用的解决方案。随着超大规模集成电路、微处理机的出 现，计算机测控技术的发展，使人们能够用较低廉的成本生产出高效能的节 能控制设备。近几年来国内外纷纷把这一研究的重点集中到以微处理机为核 心的智能化抽油机节能控制装置上。 由于我国高速的经济发展需要大量的原油，因此许多低产油井仍在继续 采油。如何使这类抽油机在基本不影响产量的情况下大幅度节能，是一个急 待解决的课题。 1 2 项目的基本指导思想 抽油机智能节电控制器最基本的功能一是能够判断出发生空抽的情况， 并在空抽发生时停止抽油机的抽汲：二是决定停抽多少时间，然后再重新开 机抽油。为此必须解决的两个最关键的问题，一是如何判断是否发生空抽， 二是用什么算法模型来计算出最佳的停机时间。 目前判断空抽最常规和有效的方法是实时测定抽油机的光杆示功图，但 是这种方法需要安装辅助测量设备，代价高且安装维护不方便。本文采用实 时测量电功率的方法，因为抽油的过程无非是一个提升势能的过程，抽油机 耗费的有功电能一定与提升的油量呈接近线性的关系。即在一段时间内，有 功电能e 、提升的油量q 、机械损耗e k 之间可用下式描述： q = k ( e - e m ) 当0 接近于0 时可以断定发生了空抽。 基于以上的控制思想，本文开发成功了抽油机智能节能控制器( 下称智 能控制器) 。该装置基本具备了国外著名品牌s u p e r s a v e r 抽油机节电控制器 的功能，有人工设定空抽值、在判断发生空抽的情况下停机、按照人工设定 的停机时间停机蓄油，待停机时间过后再自动开机运行。此外增加了一些辅 助功能，如开机前的语音报警，防止在自动开机时伤及人或家畜；运行数据 的记录和报表显示，使操作人员可以掌握运行时间及用电情况等。该设备样 机在胜利油田临盘采油厂和东辛采油三矿投入试运行，基本达到预期目标， 取得了较为满意的效果，具有推广的价值。同时本文还将大量的运行数据传 输到便携机上，为日后的分析和进一步完善算法模型做好准备。 1 3 项目样机的功能特点 本文开发的智能控制器提供了四种运行方式：全自动、人工设定、周期 运行、定时运行，这在国内外所有抽油机控制中尚属最全面的，能满足迄今 为止本文遇到的各种用户的要求。人工设定方式相当于s u p e r s a v e r 抽油机 节电控制器的功能，但是采用了自动检测冲程的算法，因此比s u p e r s a v e r 操作简单；定时运行则实现了国外另一品牌井上控制器的功能。全自动则是 一种完全不需要人工干预的运行方式，它采用模糊推理的方法白行检测和设 定空抽点，因此只要接通电源它就可以自动控制运行。在计算停机时间长度 方面，全自动和人工设定方式都采用了一种单位时间产量最高的算法，由以 前的停机时间和单位时间产量计算出下一次停机时间的长度。 在前期样机系统中都配备了液晶显示器和操作键盘，操作起来很方便。 但是其缺点是容易产生误操作、可靠性降低，另外液晶显示器是一个薄弱环 2 节，它既怕低温、又不适合连续工作。由于实际使用中很少需要操作，因此 本文在后续样机的设计中将操作和显示功能从系统中剥离，代之一个独立的 手持式操作装置，它采用低功耗的单片机为核心，配备了日历时钟、1 2 8 x 6 4 点阵的液晶显示器、1 6 键的触摸键盘，汉字显示。操作器通过串口与智能控 制器连接，它具有参数设置，数据采集、记录、查询功能，能保存十台智能 控制器的设置数据以及它们的历史数据，使用起来比便携式计算机更方便。 采用操作器与控制器分离的结构，可以由专业人员在办公室的环境下对所有 的油井预先进行参数设置，控制器本身不能进行参数修改，减少了误操作。 记录在操作器中的数据可以带回到办公室填写报表、分析，还可以传输到p c 机上长期保存。 1 4 智能控制器的结构和特点 智能控制器主控制柜由三部分组成：机柜、电力控制部件、智能控制部 件。机壳采用全封闭结构，防止雨水和沙尘侵入。钢板制作，内嵌式门框， 双向插入式锁簧，具有较强的抗损和防盗性能。 三相电源由空气开关控制，具有短路保护功能。三相电流通过热继电器 进行过流保护；补偿电容用以在轻载时改善功率因数：由隔离变压器对计算 机控制部件提供2 2 0 v 交流电源，以加强其抗干扰能力。具有手动和自动两 种基本运行方式，通过手动，自动切换开关方便地进行切换。在手动状态下， 由人工操作“开机”和“关机”按键起动或停止抽油机的运行，此时仅有过 流保护功能。在自动状态下由计算机起停控制抽油机的运行或停止，提供全 面的控制、保护和数据处理功能。 智能控制部件以与i t m e l 公司出品的a v r 芯片9 0 s 8 5 3 5 为核心，它是一 款全新配置的精简指令集( r i s c ) 单片机，内置可加密的8 k b 程序存储器，使 程序执行效率更高、运行更可靠。整个控制部件设计在单一的印制电路板上， 连接简洁、结构紧凑、可靠性高。智能控制部件被安装在一个全封闭的小机 箱内，以增强其防尘和安全性。计算机核心部件和外围器件之间均通过光电 隔离，以增强其可靠性。 与现有的国内外抽油机节能控制器相比，本文开发的智能控制器具有以 下特点： 1 、操作与实时控制分离，简化结构、降低成本，专业操作、减少误动； 2 、运行方式齐全，具有全自动、人工设定、周期、定时四种控制运行 方式：以有效功率为基础，测算空抽标准和油量： 3 、糊推理方法、以最大单位时间产量为目标进行调节： 4 、运行数据记录、查询； 3 5 、故障事件记录、查询： 6 、开机前自动报警( 语音或警笛) ： 7 、低温时能不停机运行： 8 、过流、断杆检测。 4 第2 章抽油机智能节电控制器工作原理 2 1 游梁式抽油机工作原理 典型的抽油机装置如图2 1 所示。有杆抽油系统包括原动机、 抽油机、抽油杆、抽油泵、井下 管柱和井口装置。 抽油泵是由泵筒、柱塞、游 动阀( 排出阀、出油阀) 和固定 阀( 吸入阀、进油阀) 组成的容 积式往复泵。如图2 2 中所示。 在柱塞开始向上运动之前的瞬 间，游动阀的上腔和下腔压力相 等，游动阀由于阀球的自重而下 落，游动阀关闭，不出油。当柱 塞上行时，因阀已关闭，并且柱 塞和泵筒又形成液体密封，所以 游动阀上腔的全部液体就随同柱 塞被提升。柱塞上行腾出了游动 阀下面的空间，这是在两阀之间 的压力低于油管与套筒之问的环 形空问的压力，从而固定阀打开， 使井液流入泵内，填满柱塞下面 的空间。环行空间的液体随着柱 塞的运动而流入泵筒的速度和数 量、在井下条件一定的情况下主 要取决于环行液柱的高度( 即泵 的沉没度) 。在上冲程时，抽油杆 柱承受的载荷有抽油杆柱在井液 中重量、油管内液柱的重量和摩 擦力。随着固定阀的关闭和柱塞 开始下行，在两阀之间的压力大 5 图2 一l 抽油机示意图 于油管中液柱造成的压力时，游动阀就打开，这是油管中的液柱重量就从杆 柱转移到油管上。于是在下冲程时，杆柱承受的负荷为秆柱在液体中的重量 减去摩擦力。 当泵充满液体时，上下冲程之间 的这种负荷的变化几乎是在柱塞开始 下行的同时发生的，但由于此时柱塞 以很低的速度下行，所以这是一种平 稳缓和的变化。但是，在环行空间的 液面很低，以致上冲程期间泵筒不能 完全充满时，情况就截然不同，如图 2 3 所示。上冲程时井液不能充满泵 筒，在游动阀下面留有气穴，这样， 转为下冲程时游动阀不能立即打开， 只有到气穴内气体被压缩达到油管中 液柱的静压时才打开。而在打开的瞬 间，油管中的液柱重量，从抽油杆柱 转移到油管上，如图2 3 。这个瞬时 的负荷转移发生时，柱塞已经以相当 大的速度在运动，并且由于突然而激 烈的负荷降低，使抽油杆柱实际上受 开始【i 冲程 j ：= ： 阡蛤f 冲群 目2 2正常抽油j ：况 l 一泵筒2 一套简3 一油管 t 4 一柱塞5 一游动阀6 一固定阀 压缩并弯曲，这种弯曲造成抽油杆外部纤维断裂，形成微小的横向裂纹。重 复的弯曲就象往复弯折纸夹 一样，几次之中就会折断。 在柱塞接触液面时这种瞬 时的负荷转移叫做“液 击”，因为传到地面的冲击 声就象在井底敲泵一样。 液击不仅破坏抽油杆，也 使油管经受突然拉伸或膨 胀，引起接头松动与漏失。 液击还会在抽油机的曲柄 销、轴承和齿轮上附加一 个负扭矩或齿隙游移，导 致设备的过早损坏。 j = = = ll 二= = ：l 6 ：【上 图2 3 液击工况 m 冯 2 2 抽油机的“空抽”运行状态 当泵装置工作的时间足够长，液面水平低于泵的吸入口时，空抽现象便 会发生。当空抽发生后，液面水平降至泵装置的吸入口以下，但是，此时依 然会有液体被泵装置抽取到地面。在空抽条件下生产的井，所产出的是一个 低于泵装置设计能力的稳态产出率。无论人工控制的间歇性周期运行井，还 是机器控制的2 4 小时不间断运行的井，都会有空抽现象发生。 抽油机出现“空抽”是泵装置的一种运行状态，主要表现为轻负荷或低 负荷，但不完全是千抽或一点流体都抽不上来的零负荷。而且，空抽是相对 于满负荷或满抽而言的。比如，当泵装置在抽量最大时每一抽可抽上地面5 升的流体，而当抽上来的流体降至2 升时，即可判断空抽现象已经发生。判 断空抽现象，应参照现场泵装置的5 个方面的物理现象与量度： 1 ) 声音。当泵装置负荷减轻时，抽油机运行的声音就变小。 2 ) 速率。当泵装置负荷减轻时，抽取的速度会变快。 3 ) 产量。当泵装置负荷减轻时，抽至地面的流体的量会明显减少。 4 ) 电流。当泵装置负荷减轻时，电流表的指针会往下摆。 5 ) 振动。当泵装置负荷减轻时，设备的振动会减轻。 在由人工控制的问歇运行条件下，当人们将泵装置停机，井内的液体和 油就会开始蓄积，并达到一定的高出泵装置吸入口的液面水平。当泵装置在 一个间歇完成，投入下一个运行周期之后，产出率将会表现为一个比空抽条 件下的稳态产出率为高的产出率，我们姑且称之为”满抽”。经过一个时间段 的运行之后，液面水平下降至低于泵装置的吸入口以下的水平。此时，空抽 便告发生。空抽发生之后，产出率降至稳态的产出率，迫使人们停掉泵装置， 使井内的液体及油开始再次蓄积，直至液面水平高出泵装置的吸入口，重新 启动泵装置，开始新一轮的抽取，如此循环往复，直至空抽再次发生。这是 人工控制间歇的油井的运行模式。 然而，有很多油井是2 4 小时不停运行的。在这样的状况下，空抽便是 一种常态，也就是说，液面通常都会低于泵装置的吸入口，因为泵装置的设 计能力远远大于井的实际负荷水平。2 4 小时不停运行的泵，即使井内负荷较 低，通常也都有液体被抽上来，但它只会以新产出的进入井内的液体的产出 率来产液。 当油井由于供液不足而出现空抽时，首先会造成电能的大量浪费；其次 会造成抽油设备做无用功，造成机械磨损，加速设备老化；更严重的情况下 会形成液击，造成抽油秆的断裂等严重事故。 7 2 3 防止抽油机出现“空抽”的方法 防止液击最直接的办法是减慢泵速、缩短冲程或改用小泵来降低排量。 但是因为在特定的装置上，规定的规格较少，可调的范围有限，这些办法往 往不切合实际。 保持适当的沉没深度是保证液体充满泵简、防止液击的最实用的办法。 当抽油机井环空波面降至最低位置( 相当于允许的沉没度最小值) 时，暂时 停泵，待更多的液体流入井底，环空液面升高后，再起动开机。这种办法， 可根据泵抽预计的最大产量来配置抽油设备，并补偿因磨损造成的正常效率 损失。井底压力保持在相当低的水平，而液击现象被降到最低程度，甚至被 消除，只要通过所需泵抽时间的长短，就能适应产量和设备的变化。然而， 泵抽多久合适，何时停泵，是这种操作方法的关键。 人们一直致力研究一种自动确定泵抽时问、何时停机和自动起抽的液击 监控系统。现在已经有了一些实用的井场监控装置，它们能监视油井空抽及 其它故障，并在发生反常情况时关掉抽油机上的电动机。整个装置由传感器、 微机和控制器组成。微机接受传感器送来的信号，经过运算判断并确定油井 是否处于正常生产状态。如果发生不正常的情况，就由控制器自动关掉抽油 机的电动机。 根据监测油井的作用原理，监测方法有以下三种： l 、 机械负荷监测装置监测。装置包括振动传感器、游粱应力和光杆 负荷传感器。前者用来发现液击时加在抽油机上的冲击负荷；后 者用来发现反常的力。 2 、 通过对抽油期间电动机的不正常工况进行监测，从而发现抽油井 异常情况。 3 、通过监测井液产量变化，从而发现异常情况。 针对第1 和第3 种方法由于要附件较为昂贵的测量设备，同时在安装和 调试上较为麻烦，所以在实际使用和推广应用中遇到了很大的困难。对于第 2 种方法，由于电机的电流和电压很容易测量，同时对原控制设备的改造方 便，所以目前常用这种方法进行油井的监测。 2 4 抽油机智能控制系统核心工作原理 图2 - 4 是抽油机井的示意图，游动阀位于抽油冲程的最高位置，此时活 塞距地面( 井口) 的高度为h o ，活塞行程为l 。井口距液面的高度为h f 。设 泵径为d ，则半捞高度为_ ，的油重量为：i 忙p ( d 2 ) 2 厶，；满捞每冲程 8 油的重量为： m op ( d 1 2 ) 2 l ( 2 1 ) m o 对于不同的井可能不同，但是对于具体的某口井来说是一个常量。 设每个冲程的有功功耗为e 、有效功耗为e a j 、机械损耗为e m e l = e a 寸e m ( 2 - - 2 ) 根据能量守衡定律，e a ，全部用于油提升过程中势能的增加，即： e a 产m h = p ，2 ) 2 n l f h j ( 2 3 ) 当h h h o 时，处于上 半部分仍然可能为满抽，当油液面 处于下半部分时出现半抽情况，越 接近泵底抽油量越少，此时： h i = h o + ( l l i ) 由于l h o ，所以可认为 h h o ，因此： e a ，m h o ( 2 6 ) 最接近泵底的满抽，也是e a ， 的最大值。 因为h 。h o ，因此可表示为： e a i = m oxh i m o h o = e a o 即满油程功耗e a o 是任一口油 井最大的单冲程有用功耗。 幽2 - - 4 抽油机井示意图 每个冲程的机械损耗e m 会随 负载变化( 油液面的高低、满抽空 抽) 引起的摩擦力的变化而变化，负载重时摩擦力大，因此在获得满量程功 耗时e m 最大，表示为e m m a x 。由( 2 1 ) 式e j = e a j 斗e 砌可见，在获得满 量程功耗时e i = e a o + e m m a x 。此时有功功耗e 也取得最大值e m a x ， e m a x = e a o + e m m a x 。在检测过程中，e m a x 很容易获得和识别出来，e a o 可 9 计算出来( 见式2 4 ) ，因此对于任一口油井来说，e m m a x 也是可以计算出 来的常量。 由于在降落过程中，满抽与空抽机械磨损情况基本相同；而在提升过程 中满抽与空抽油重之差远远小于抽油杆及整个油管中油的重量，因此空抽与 满抽时摩擦力及由此产生的机械能耗的变化不大，可以假定机械能耗e m 是 常量。即认为： e m = e m m a x = e m a x e a o( 2 7 ) 因此e m 可由控制机自行检测和计算出来。 由以上分析可知，通过测量和计算抽油机电动机的功耗，即可反应抽油 机的工况是处于满抽还是处于空抽。这种判断空抽的方法称为功率检测法。 2 5 功率检测的几种实现方法 在采用功率检测进行判空的情况下，有以下几种常用方法： 1 瞬时功率法 控制机自动检测和标定每个冲程的起始和过程时刻，以人工事先设定的 相对冲程时刻作为判定点。在人工判断发生空抽时给控制机输入一个按键信 号，控制机自动将判点时刻的瞬时平均有功功率r 记录下来作为该油井的空 抽判据。以后在正常运行时只要检测到判点时刻的瞬时平均有功功率等于或 小于r ，就操作空抽停机。 该方法的优点是判点数据变化明显、易于捕捉；其缺点是要求控制机能 准确检测到冲程的起始点。有的设备为了简便，冲程的起始点也可由人工设 定。 2 人工电耗法 在人工判断发生空抽时给控制机输入个按键信号，控制机自动将冲程 的有功功耗记录下来作为该油井的空抽功耗e 疗。以后在正常运行时只要检测 到一冲程的有功功耗等于或小于6 ，就操作空抽停机。 3 设定功耗法 用键盘设定空抽功耗岛为满程功耗旮。的百分比，在检测和计算出e 后立即计算出巳。以后在正常运行时只要检测到一冲程的有功功耗等于或小 于昂，就操作空抽停机。 4 效益功耗法 以经济效益为依据，要求抽上来的油的售价要大于抽油所用电费，并将 等值处作为空抽点。设油价为a ，电价为b ，定义空抽点的抽油重量( 一个 冲程) 为几靠，则有( 假定重量与功耗采用同一系列的量纲) ： a m h 。b e h 1 0 ( 2 8 ) 由( 2 - - 2 ) 式及( 2 - - 5 ) 式可求得在空抽点的功耗： e h = 7 x + e m m a x ( 2 9 ) 将( 2 8 ) 代入，可得： e 。：五 m - m a x ( 2 - - 1 0 ) 占 2 f u 1 一_ h o 口 因此通过( 2 6 ) 式计算出e m m a x 后，可立即算出矗值。 以后在正常运行时只要检测到一冲程的有功功耗等于或小于巳，就作空 抽停机。 若考虑含水量，设含水量为c ，则( 2 8 ) 式变为a m h ( 1 一c ) = b 昂， 则可得到： 即i , e i m m a 面x 2 6 本文采用的控制策略 ( 2 1 1 ) 1 控制目标 抽油机节电控制的基本机理是在发生空抽现象时停止抽油机工作，减少 电机运行时间。在不降低或稍降低石油产量的前提下尽可能地增加关机时间， 是本系统的原始目标( 若考虑到运行时间减少可延长设备不维护运行时间， 反而会增加产量) 。但是，由于并不明确原本应当是多少产量，而且原产量不 一定是最佳产量。所以系统的实际目标定为在空抽停机的前提下，寻求产量 最高；或为在空抽停机的前提下，寻求经济效益最大。在空抽点确定之后， 开通时间o 。不能由控制机选择了，系统通过对关断时间l 的调节来达到 最高产量或最佳效益的l f l 的。 2 单通功耗 设瞬时平均有功功率为p 。，一个冲程周期的采样次数为、时间为了- ， 则一个冲程周期的有功功耗( 单冲程功耗) e j 可由下式计算： 0 e 。争r ( 2 1 2 ) 每个上冲程、下冲程期间的有功功耗也可用同样的方法计算出来。 若不限于冲程来考虑问题，用( 2 1 2 ) 式也可以计算出一段时间内的 有功功耗。一个完整开通期间的有功功耗( 单通功耗) e o n e 可以用两种方 法进行计算。 丁0 门是整个开通时间，是t o n 期间总的采样次数。 e o n e = y e ( 2 1 3 ) 智 m 为该期间包含的冲程数，可见使用( 2 1 3 ) 要求控制机必须能自动鉴 别出每个冲程。 3 单通产量 单通产量指一个完整丌通期间的抽油量。在满抽时，每个冲程的抽油量 是m o ，在半抽时抽油量是m ，半抽时由( 2 5 ) 式可知m = e a h o ，所以 单通产量： v l y o n e = m o k + 生：盟 y 垒h mok+2寻(2-14)i=10i = 10 式中，( 为满抽次数，l 为半抽次数。 另外，在( 2 2 ) 式中，e a i 正比于产量，设为= k e a ，对予一个完整 的开通期有e j = 三e a ，+ 4 e m ( 这里m 为该期间内总的冲程次数) ，则有： y o n e = y 产k ( e rm e m ) = k e o n e k m e m 即产量与有功功耗呈单调上升的函数关系。 控制目标有三个，开通时间比最大、单位时间产量最大或单位时间经济 效益最大。 开通时间比最大： 开通时间比定义为： t o ：堡 瓦+ 丁0 的最大值的寻求由于限定了空抽关机条件 时间长、出油多。 单位时间产量最高： 平均单位时间产量： y o = ! 竺! ! 乙+ 乙 若考虑含水量，则( 2 1 6 ) 式变为： y o ：y o n e ( 1 - c ) 瓦。+ 单位时间经济效益最大： u o = a y o n e - b e o n e 乙+ 1 2 ( 2 1 5 ) 所以o 大反映有效抽油 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 懿争 = 舱【岛 可通过调整t 。f f 来寻求丁o 、y o 、o o 的最大值。 若考虑含水量，则( 2 1 7 ) 式变为： u o - a y o n e ( 1 - c ) - b e o n e( 2 1 8 ) l 。+ 7 有效功耗最大： 在限定了空抽关机的条件下，有功功耗与产油量呈线性关系。 以上三个控制目标中，“效益最大”的效果优于前两个目标。通过分析可 知( 此处不加证明) 效益一关断时间( u k ) 曲线具有单一最大值，但是 它不是一个可预知的控制目标，而且会因环境情况的变化而偏移( 幅值和区 段) ，因此需使用非精确化的模糊控制模型，并具有自适应的能力。 2 7 控制算法基本思想和算法流程 方法，实际运行所产生的三个功耗对应值分别是u 。，、乩2 、乩3 ，它们之间 k 零u 卜芦一蛩u 卜。一芦一手 i i ；il i ：葛备= 1 ：1 井l 鑫鑫一书 图2 5 关断时间和功耗关系图 虽然改变关断时间可以改变均时功耗( 或者说产量) ，但是这种影响并不 是敏感到秒或分，因此可以选用固定的步长，例如选t o 籽一d 舵= 丁。艘o 椰= 5 ( 分钟) 。 2 7 2 算法流程 1 3 1 初始算法 在壳牌c a o 系统对几十1 ：3 井检测控制的数据中，最小停机时间为15 分 钟，本系统暂以1 5 分钟作为最小停机时间，以5 分钟作为基准步距。 在第一次开机或丌机时没有以前的记录参数情况下首先使系统运行到中 图所式状态。 ( 1 ) 开机运行，至空抽点停机：即当e f 巳时停机； ( 2 ) 停机o 胛= 3 0 分钟( 或取来己保存下来的停机参数丁新，即令 t o f i = t o ) ： 丌机运行至5 巳时停机，记录开机运行时间l 胁按( 2 - 1 7 ) 式计算 出u 0 7 ： 蜘糌； 其中： 。弓 e o o e 产e ，( 或者e o n o 产r o n l ) ； y o 。= m 0 胁l 毕。 ( 3 ) 令步长丁s f e p = 5 t o 胛，丁o 。7 分钟( 取整) ； ( 4 ) 停机t o 仟2 = t o 们+ t s i e 口； ( 5 ) 开机运行至e 姜e h 时停机，记录开机运行时间7 _ 品2 ，按( 2 1 7 ) 式计 算出乩2 ； ( 6 ) 如果u 。2 u 。1 ，则令t 。i f 3 = , t 。f f 2 + t s l e d ，执行( 9 ) ； ( 7 ) 令t 。f f 3 = t 。i f 2 一t s l e d ： ( 8 ) 停机丁。肥： ( 9 ) 开机运行至e f 三e h 时停机，记录开机运行时间l 仃3 ，按( 2 1 7 ) 式计 算出u 0 3 ； ( 10 ) 对t 。仟1 、t 。协t 。竹3 进行替换式排序，使t o 仟1 t 。f f 2 = u o l ，则执行( 1 5 ) ： ( 1 3 ) 令丁。们= l 胛一丁s 卸，如果t o 船 u 0 2 ，则t o 仃2 一t 。仟3 ，u 0 2 一u 。3 ，t o 忏4 一t o 他，u 0 4 一u 0 2 ， 返回( 1 7 ) ： ( 2 2 ) t 。f f 4 一t o f f l ，u 0 4 一u 。1 ，返回( 1 7 ) ； 2 参数检测 在系统进行控制运行之前，必须先测得或计算出部分参数，如：满抽时 每冲程油的重量m o 、满油程功耗e 日o 、有功功耗最大值e k 。每个冲程的最 大机械损耗e 岛。空抽点功耗邑、每个冲程的起始点判断数据。 为了计算这些量，首先要输入以下数据：石油的比重p 、石油的含水量 c 、抽油管直径d 、冲程长度r 、拙油泵距井口的高度、油价a 、电价b 。 然后程序按以下顺序进行检测和计算。 满抽时每冲程油的重量： m o = p ( d 2 ) 2 l( 含水量为零时) ； 或 m o = p ( d 2 ) 2 l ( 1 一c ) + ( d 2 ) 2 3 il c ( 含水量不为零时) 满油程功耗： e a o = m ox h o 3 冲程的检测和判别 当电机转速稳定后，连续两次在驴头处于最低位置时都用按键通知控制 机。程序检测和记录下第一次按键时刻t s7 和丁s 2 、两次按键的间隔时间丁c 、 检测这两次按键中的最大值并记录其发生的时刻t p ( 在有若干相同最大值时 以第一个为准) 。 在控制运行状态下，避开电机启动运行的前两分钟，检测并记录第一个 丁c ( 或再延长一点) 期间内的最大功率及其发生的时刻( 相对值) 丁m 。这样 从t r m 一丁e 到t m l + 丁c 就构成一个冲程周期，然后以t m 一丁e + 丁c 作为起始 时刻，在下面的丁c 其间内检测最大功率及其发生的时刻。k 2 ，t m 2 一m 构成 新的冲程周期丁c 2 ，由k 一丁e + l 到7 _ 一l + 丁_ c + 丁c 2 作为这一周期的起始时 刻。以同样的方法不断判别和处理以下的冲程周期。 1 5 4 单冲程最大有功功耗e ，竹。的检测 在液位较高、肯定满抽的情况下开机运行。连续测量电功率，并用( 2 - - e 1 6 ) 式e f = 上 丁 计算出单冲程的功耗，记录其中最大的值即为e 岛。 v 当控制器不能分辨单个冲程时，则在液位较高、肯定满抽的情况下开机 运行。连续测量电功率，并用( 2 1 6 ) 式计算出每分钟的功耗，其中7 _ 为 6 0 ( 秒) ，n 为6 0 秒内采样次数。 每个冲程的最大机械损耗：岛。= e 名。e a o 空抽点功耗：e h = e h xh d + e m m a x = e h = e m _ f f t s x 1 一旦风 d 每个冲程的起始点判断数据( 或者可以明确分辨出各个冲程的任意位置 点) 。 5 根据环境温度自动调整停机时间的上限值 在天气寒冷时输油管中的油在静止情况下容易凝固，因此在零度以下遥 常不允许断流，即不允许停抽；在较冷时也不能停流较长时间。因此要以温 度为依据来限定停抽的时间。 首先要增加温度检测功能。停机时间上限与温度呈单调变化关系，温度 越低允许的停机时问越短。可以把温度与对应的上限时间用列表形式固化： 温度范围( ) 停机上限时间( 分钟) 2不停机 2 薹t 61 0 6 三t 硬件应用h a r w a r d 结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时 钟周期内执行。而m c s 5 1 需要1 2 个时钟周期执行一条指令： 采用r i s c 精简指令集的内部结构，具有3 2 个通用工作寄存器，克 服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象； 支持串行在线i s p 擦写程序，可直接在电路板上进行程序修改，方 嚣篇荟釜翟露黜裟嚣篙燃趱絮捌簖溅 便现场升级； 具有高度保密的保密性能，目前没有破解的手段； 具有8 通道l o b i t a d 通道( 和i o 口复用) ： 具有一个可编程u a r t 口和一个s p i 接口： 有4 0 脚p d i p 、4 4 脚p l c c 、4 4 脚t q f p 封装： 开发比较方便和便利：从i n t e r n e t 上( w w w , i m a g e c r a f t c o m ) 可以 获得免费的软件模拟环境、汇编语言编译器和有限制的c 语言编译器。硬件 仿真器( 挪威原装) i c e 2 0 0 的价格在2 5 0 0 元左右，并且有较为丰富的应用 资料提供： 芯片价格低廉，目前( 2 0 0 1 1 0 ) 该芯片的零售价格为3 0 元左右。 3 2 抽油机电机工作电能的测量 如果不考虑抽油机的配重是否平衡，那么在一个冲程中，电机所消耗的 电能应该等于光杆克服上下摩擦力所作的功加上一个冲程中提升的石油对应 的机械能。这样，如果认为光杆上下运动所需克服的摩擦力几乎保持不变， 那么，测量电机所消耗的电能就能直观地反应出石油的产量。所以如何准确 地测量电机消耗的电能，是本系统中的一个关键环节。 电机在抽油机的一个冲程中，并不一定一直作正功，即消耗能量。和配 重平衡有密切关系一般来说，有可能在下冲程，电机作负功，即向电网提 供能量，此时的功率因数为负。 测量电机在一段时间内消耗的电能，有以下两种方案可以考虑。 夺采用具有a ，d 转换的单片机，实时地采集三相电压和两相电流，经 过乘积求和后，得出瞬时功率。这种方案对单片机的运算速度和a d 转换速 度的要求很高。并且由于该计算必须一直进行，所以作为抽油机的控制核心， 不能很好地完成其它的一些需要实时监控的故障。 夺采用具有数字接口的电能测量芯片来完成电机的电能测量，单片机 直接获得测量结果，仅仅需要不断地进行累加求和即可，使控制核心单片机 的负担大大减轻，从而有丰富的资源可以用于系统的监控和控制算法的运算 等。 经过仔细的分析和查询，最后本文确定使用第二种电机电能测量方案， 采用的电能测量芯片为c s 5 4 6 0 a 。 3 2 1 c s 5 4 6 0 a 芯片功能介绍 c s 5 4 6 0 a 是c r y s t a l 公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率电能 计量集成电路芯片。与目前在电子式电度表应用中广泛使用的a d 7 7 , 5 0 和 a d 7 7 5 5 相比较，c s 5 4 6 0 a 增加了以下功能： 夺具有片内看门狗定时器( w a t c hd o gt i m e r ) 与内部电源监视器； 夺具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、 功率有效值测量及电能计量功能； 提供了外部复位引脚； 夺双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接； 夺外部时钟最高频率可达2 0 m h z ； 夺具有功率方向输出指示。 这些增加的功能更加便于与微处理器( m p u ) 接口，并能方便地实现电压、 电流、功率的测量和用电量累积等功能。 3 2 2c s 5 4 6 0 a 基本结构与技术指标 1 内部结构 c s 5 4 6 0 a 内部集成了两 个一a d 转换器、高、低 通数字滤波器、能量计算单 元、串行接口、数字一频率转 换器、寄存器阵列和看门狗 定时器等模拟、数字信号处 理单元，其内部结构框图如 图3 5 所示。 2 串行接口及其操作 剩凝：、l 罱 酬篓塑倒 五团珏曼蚕园i - 翠西匹因臣互耍卫 脯 p f 鼾 x lx 砷计娆“ 图3 5c s 5