（电力系统及其自动化专业论文）抽油机节能远程监控系统下位机设计.pdf

t h e d e s i g no fe n e r g y - s a v i n gr e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mt e r m i n a lo f p u m p i n g u n i t a b s t r a c t b e a mp u m p i n gu n i ti st h em a i no i lp r o d u c t i o ne q u i p m e n t d u et ot h e s p e c i a l w o r k i n gs t a t u so ft h ep u m p i n gu n i t ，t h ed r i v i n gm o t o rl o a dr a t ei sl o w e n e r g y u t i l i z a t i o nd e c r e a s e da n dt h ep o w e rl o s si n c r e a s e d o nt h eo t h e rh a n d ，a st h e o i l f i e l dw o r k i n ge n v i r o n m e n ti sp o o r , h o wt ot r a n s m i tt h eo i l r e l a t e dd a t at ot h e c e n t r a lc o n t r o lr o o mh a sb e e nad i f f i c u l tp r o b l e m a i m i n ga t t h i s s i t u a t i o n ，a ne n e r g y s a v i n gr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e mw h i c hi sb a s e do ng p r s ，v o l t a g er e g u l a t i o nw i t hs c ra n dc a p a c i t o r r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni s p r o p o s e d t h ed e s i g ni sb a s e do nt h em o d u l a r d e s i g nc o n c e p t ，a n di ti sm a d eu pw i t ht h r e em a i nm o d u l e s 。n a m e l y ：t h em o n i t o r t e r m i n a l ，g p r sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lc e n t e rc o m p u t e r s y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e do nt h et e r m i n a l o fp u m p i n gu n i t ，t h e f e a s i b i l i t y o f d e s i g n a i m i n ga tt h ep e c u li a rs i t u a t i o n v o l t a g er e g u l a t i o ne n e r g y - s a v i n gw a s d e m o n s t r a t e df r o mt h ep r i n c i p l eo fa s y n c h r o n o u sm o t o la n dt h em o d u l e sw e r e d e s i g n e da n dd e b u g g e d t h et e r m i n a lc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e p h a s e dp o w e r 、d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ，t r i g g e r e ds c rm o d u l e t h r e e p h a s e dp o w e rd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e df i r s t l y t h e r e a l t i m et h r e e p h a s e dv o l t a g e ，c u r r e n to fp u m p i n gu n i t sd i s p e r s e di nt h eo i lf i e l d a r et r a n s f o r m e di n t ow e a ke l e c t r i cs i g n a l sb yt r a n s f o r m e r so fo n s i t em o n i t o r i n g t e r m i n a l s ，a n dt h ee l e c t r i c s i g n a l s a r es a m p l e da n dc a l c u l a t e db ys i xr o a d s e c o n d o r d e r 一a d cs a m p l i n gm o d u l eo ft h r e ec s 5 4 6 3 t h e nt h er m sv a l u e o fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r ，p o w e rf a c t o r ，a n do t h e r o p e r a t i n gp a r a m e t e r sc a nb ea c q u i r e d t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ra n dt h ev o l t a g er e g u l a t e db y s c ra r ec o n t r o l l e da c c o r d i n gt ot h er e a c t i v ep o w e ra n dp o w e rf a c t o r a l a r m s i g n a l sw i l lb eg e n e r a t e di f t h ed o o ri sb r o k e n ，e l e c t r i c i t yi ss t o l e n ，s t r a pi sb r o k e n ， 1 1 哈尔滨理t 火学下学硕i j 学位论文 s y s t e mb r o k e nd o w n ，o i ls t o l e n a l lt h e s ep a r a m e t e r sa n ds i g n a l sc a nb es e n tt o t h e m o n i t o r i n g c e n t e r t h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n l i n k s t h r o u g hm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sg a t e w a yw h i c hw a sb u i l tb ym c 3 5 im o d u l e a n dt h e yw e r es e n t i nt h ed a t af o r mb a s e do nt c p i pa n du d p i pp r o t o c 0 1 t h es t a t e so fp u m p i n g u n i t sc a nb es e e ni n t u i t i v e l yi nt h em o n i t o r i n gc e n t e r a n di tc a nb ec o n t r o l l e d r e m o t e l yt os t a r t ，s t o p ，s h i f tb e t w e e ne n e r g ys a v i n gs t a t ea n da n - e n e r g ys a v i n g s t a t e k e y w o r d sp u m p i n gu n i t ，e n e r g y s a v i n g ，r e m o t em o n i t o r i n g ，g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文抽油机节能远程监控系统下 位机设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：哆_ 建2 皮日期：加田年3 月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 抽油机远程节能监控系统下位机设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 ， 不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：多_ 逮i 彼 日期：加。葛年) 月日 导师签名：唰钥 日期：川年) 月g 日 哈尔滨理t 大学工学硕j j 学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 现阶段，国内油田普遍采用的游梁式抽油机在运行过程中由于死点启动、 油井结蜡等异常工况下大转矩运行的特点，使得所选电机额定功率远大于j 下 常运行功率。因而大多数情况下，抽油机的驱动电机处于轻载运行状态，这 就导致抽油机的驱动电机经常处于“大马拉小车”的运行状况，从而使电机 的工作效率和功率因数明显下降，电能浪费严重。 随着计算机及无线通讯技术的不断提高和半导体功率器件性能不断发 展、完善，大范围推广先进的节能及监控技术的硬件条件已经成熟。我国油 田降低采油成本，提高油田开发的经济效益，增强企业竞争力的要求越来越 强烈。从“十一五 发展规划可以看出，国家对于节能问题非常重视，尤其 看重油f 只的节电。近年来，我国油田采油厂的自动化水平在不断提高，特别 是西部油田和一些新建的采油区块，应用了许多高新技术，使采油成本大大 降低。 应大庆油田要求，论文提出基于g p r s 无线网络、下位机采用晶闸管调压 及电力电容就地补偿的节能远程监控系统。实现对电动机节能控制、运行状 态监视和保护，所以本课题的研究有一定的学术意义和重要的实用价值。 1 2 国内外抽油机应用概况 1 2 1 抽油机的国际应用概况 抽油机在应用至今的1 0 0 多年中，发生了很大变化。特别是近2 0 年来，世 界抽油机技术发展较快，先后研究开发了多种新型抽油机。其特点是：增强 了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；改善了抽油性能，降低了抽 油机载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消耗，提高了抽油 机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性与平衡特性：增大了抽油 机的使用范围，减小了抽油机体积和质量，强化了抽油机自动化与智能化程 度。总之，抽油机的各项技术经济指标达到了前所未有的水平n 2 。引。 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 在国外，适合不同井况的多种新型抽油机得到了广泛的应用，下面是几 种典型的新型抽油机： 1 为了适应各种地质油藏条件和含砂、含气( h 2 s 、c 0 2 、0 2 ) 、含水含 蜡、含胶质、含石膏等石油以及稠油和低渗透油层采油的工况，研制与应用 了液压缸式抽油机、气压缸式抽油机、长冲程低冲次抽油机和螺杆泵采油系 统等。 2 为了满足陆地、城市、农村水利喷灌区、山区、沼泽、森林地带、沙 漠地区、浅海和海滩、海洋地区和更复杂地区抽油的需要，研制与应用了低 矮型抽油机、城市抽油机、前置式抽油机、前置式气平衡抽油机、紧凑型抽 油机、两点式抽油机和井架型抽油机等。 3 为了适应垂直井、斜井、丛式井和水平井抽油工况，研制了斜井抽油 机、丛式井抽油机、双驴头抽油机和高效能丛式井抽油机等。 4 为了满足稠油和深井开采的需要，研制与应用了各种大型抽油机。例 如常规型抽油机最大载荷1 6 0k n ；前置式抽油机最大载荷1 9 3k n ；前置式气 平衡抽油机最大载荷2 1 3l ( n 。 5 为了提高抽油系统效率，减少抽油机动载荷与振动载荷，研制了增大 冲程游梁抽油机和增大冲程无游梁抽油机及长冲程无游梁抽油机( 分立式和 卧式两种) 。 6 为了提高采油经济效益，降低能源消耗，减少抽油成本，研制与应用 了各种新型节能抽油机和节能部件。例如异相型抽油机、前置式抽油机、前 置式气平衡抽油机、大圈式抽油机、轮式抽油机、全胶带传动抽油机、井架 型抽油机、滚筒式抽油机、缸体式抽油机、玻璃钢抽油杆用抽油机、自动化 抽油机和智能抽油机等。节能部件有：高转差率电动机、天然气发动机、抽 油机节能控制柜、窄v 联组胶带、同步胶带、齿型胶带等。上述抽油机和部 件能节电1 0 一5 0 。 7 为了提高抽油机精确平衡效果，达到节电和提高抽油机运动平稳性与 使用寿命，研制与应用了各种平衡方式抽油机。例如变平衡力矩抽油机、气 平衡抽油机、气囊平衡抽油机、双井平衡抽油机和自动平衡抽油机等。 8 为了满足边远地区没有电源的抽油井试油或采油以及f b j 歇抽油的需 要，研制与应用了车装式抽油机，采用天然气发动机或汽油机、柴油机驱动 抽油机，具有使用移动灵活等特点。 9 为了提高采油效率，实现自动化开采石油，研制与应用了各种自动化 抽油机和智能抽油机，采用先进的微机系统控制、检测和诊断抽油机运行与 2 哈尔滨理1 = 人学t 学硕f j 学位论文 故障，以确保高效安全经济抽油。 随着科学技术的不断进步，对抽油机研究也会不断深入，未来的抽油机 将会更高效、更节能。根据抽油机效率提高的途径和世界各大公司新产品的 研究方向，可将抽油机发展方向总结为以下几个方面： 1 朝着大型化方向发展。随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度 逐年增加，石油含水量也在断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等， 都要求采用大型抽油机，所以年来，国外出现了许多大载荷抽油机加前置式 气平衡抽油机最大载荷2 1 3k n 气囊平衡抽油机最大载荷2 2 7k n 等。还会出现 更大载荷新型抽油机。采用长程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动 载荷小，排量稳定，具有较好的油经济效益，所以近年来国外出现了许多长 冲程抽油机，如法国m a p e 公司抽油机最大冲程1 0m ；美国w g c o 公司抽油机 最大冲程2 4 3 8m ，n s c c 公司抽油机最大冲程2 7 4 8m ；原苏联钢带式超长冲 程抽油机最大冲程1 5 0 0m 。长冲抽油机全部采用低冲次抽油方式，m a p e 公司 抽油机最大冲次为5 次m i n ，g d c o 公抽油机最大冲次为3 次m i n 。 2 朝着低能耗方向发展。为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国 外研制与应用了许多节能型油机。例如异相型抽油机节电1 5 3 5 ；前置式 抽油机节电3 6 8 ；前置式平衡抽油机节电3 5 ；轮式抽油机节电5 0 - 8 0 ； 大圈式抽油机节电3 0 ；动平衡抽油机节电3 0 一5 0 ：低矮型抽油机节电 5 2 0 ：r o t a f l e x 抽机节电2 5 ；智能抽油机节电1 7 4 ；螺杆泵采油系 统节电4 0 5 0 。 3 朝着精确平衡方向发展。近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡 效果，使抽油机得到更精确衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力 矩大于下冲程力矩。前置式气衡抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡 效果较好。气囊平衡抽油机有9 0 以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口 油井抽油杆柱合理设计得到更精确平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程 每一瞬间得到较精确的平衡效果。 4 朝着高适应性方向发展。现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽 使用范围。例如适应各种自然理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分 石油抽汲的需要；适应各种类型井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长 冲程抽油的需要；适应节电的需要等。 5 朝着长冲程无游梁方向发展。近年来国外研制与应用了多种类型长冲 程抽油机，其中包括增大冲程游梁油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无 游梁抽油机。实践与理论分析表明，大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的 阶尔滨理工人学t 学硕： ：学位论文 发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增冲程抽油机的发展方向；长冲程无游 梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。 6 朝着自动化和智能化方向发展。近年来抽油机技术发展的显著标志是 自动化和智能化。美国b a k e r 提升系公司、d e l t a x 公司、a p s 公司等均研制了 自动化抽油机，具有保护和报警功实时测得油井运行参数，及时显示与记录 并通过计算机进行综合计算分析，推最优工况参数，进一步指导抽油机以最 优工况抽油。美国n s c o 公司智能抽机，采用微处理机和自适应电子控制器 进行控制与监测，具有抽油效率高、节功能多、全可靠、自动化程、经济性 好、适应性强的特点。 1 2 2 抽油机的国内应用概况 我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东地区的油f f l 那样有 很强的自喷能力，大部分油田要靠注水来压油入井，再靠抽油机把油从地层 中提升上来。以水换油，以电换油是目前我国油田的现实，电费在我国的石 油开采成本中占了相当大的比例。所以，石油行业十分重视节约电能。 国内抽油机的发展，在先进技术方面；新油田基本与国际接轨，在先进 技术的推广、大面积使用先进技术方面，比国外发达国家落后。尤其是老油 田使用的游梁式抽油机，由于用技术先进的抽油机代替，投入成本太高，回 收成本周期过长，影响了新式抽油机的推广使用，因此，各油f 只还是以游梁 式抽游机为主。约占油田人工举升设备的9 5 。游梁式抽游机以三相异步电 动机驱动，其中交流鼠笼型异步电动机结构简单、坚固、惯量小、运行可靠、 维修少、制造成本低及可应用于恶劣工作环境等优点，使其作为游梁式抽油 机动力驱动装置，得到了广泛的应用。在与游梁式抽油机配套的鼠笼型异步 电机的使用中，由于起动力矩很大，导致异步电机在许多场合都处于轻载状 态下工作，电机负载率低，功率因数低，浪费电能严重陌1 。 目前我国抽油机的保守量在1 0 万台以上，电动机装机总容量在3 5 0 0 m w ，每年耗电量逾百亿千瓦时。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效 率为2 5 9 6 ，国外平均水平为3 0 0 5 ，年节能潜力可达几十亿千瓦时。除了 抽油机之外，油田还有大量的注水泵、输油泵和潜油泵等设备，总耗电量超 过油f r 总用电量的8 0 ，可见，石油行业也是推广“电机系统节能”的重点行 业之一阳1 。 为了节能增效，各油田及研究单位，采取了各种不同的方法对常规游梁 4 哈尔滨理下大学丁学硕 j 学位论文 式抽油机进行技术改造，取得了一定的效果。 1 3 常用的抽油机节能方式概述 由于抽油机节能技术的研究具有显著的社会效益和经济效益，投入此项 研究的机构众多，研究的出发点各不相同，实现方式千差万别，但从基本原 理出发，常见的可归结为以下几种： 1 自耦降压器 自耦降压器的工作原理是通过多抽头变压器、p l c 、接触器等元器件组 成自动电压跟踪系统，在上行时给电机8 0 9 5 的端电压，在下行时通过 p l c 控制来调节变压器抽头从而给电机l o 1 5 的端电压，通过周期降压来 减小电机的实际有功功率，从而达到节能的目的。 优点：有功节电率可达1 0 1 5 ；成本较低。 缺点：工作不稳定，由于抽头的频率变化使相关的电气元件一直工作在 开合状态，频率承受大电流的冲击，易损；由于电机频率承受阶梯电压的冲 击，易损坏；适用性较差。 2 变频器 变频器是通过改变输出频率来改变电机转速，降低给电机的端电压从而 降低电机的有功功率，大幅度节省电能。利用压力、流量等传感器来实现实 时监控，通过泄载和反锁等形式来解决反电势问题。 优点：节电率高；监测反锁速度快。 缺点：故障率高，不能实现野外长期稳定的运行；由于降低了电机的转 速，从而会影响原油产量；污染严重，对电网不利，由于高频载波达1m h z 以上， 使电机产生高频啸叫，电机发热，从而会降低电机工作寿命1 。 3 节能型抽油机控制箱：目前在油田内常用的节能型抽油机控制箱主要 有以下7 种类型旧一1 ： ( 1 ) 具有定子绕组y 转换变压+ 静态无功补偿型 该类控制箱通过实时检测抽油机电机的工作状态，采用交流接触器实现 y 自动转换。这类控制箱多数具有缺相、短路、过载等保护功能，还可实 现降压启动。 ( 2 ) 具有定子绕组y 转换变压+ 动态无功补偿型 这种抽油机控制箱采用微电子技术和单片机进行检测和控制，电容器组 的投入和切除采用大功率硅整流二极管和大功率晶闸管，c p u 自动选择最佳 哈尔滨理下大学_ 丁学硕一j j 学位论文 点实现高速投切，并根据电机的负载情况，采用交流接触器实现星角运行方 式互换。该控制箱具有延时启动、缺相、短路、过压等保护功能，通过l e d 实时显示电压、电流和功率因数。 ( 3 ) 具有定子绕组y 转换变压+ 功率因数控制器调压+ 静态无功补偿型 这种控制箱一般通过单片机检测抽油机电机的工作状态，确定最佳工作 电压，然后采用交流接触器、采用大功率晶闸管实现y 转换调压或采用大 功率晶闸管实现连续调压，这类控制箱一般具有软起动，及断相、短路、过 载等保护功能。 ( 4 ) 定子绕组y 转换变压型 这种控制箱采用单片机通过实时检测抽油机电机的工作状态，自动控制， 采用晶闸管实现无触电y 自动转换，软起动。该控制箱具有缺相、短路、 过载等保护功能。 ( 5 ) 动态无功补偿型 控制箱采用高性能单片机进行检测和控制，电容器组的投入和切除采用 大功率晶闸管，c p u 自动选择最佳点实现高速投切，这五种控制箱能自动识 别相序，具有缺相、过载、过欠压告警等保护功能。系统停电后再来电时， 可自动启动抽油机电机，并可根据电网状态自动生成启动时间，避免多台抽 油机同时起动，减少对电网的冲击。 ( 6 ) 静态无功补偿型 这种控制箱是在普通配电箱的基础上，加装一定容量的电容器，只对电 网进行静态无功补偿，控制箱均具有缺相、短路、过载保护功能，具有过压 保护功能及自动延时启动功能。 ( 7 ) 功率因数控制器调压型 该控制箱采用单片机通过实时检测抽油机电动机的工作状态，进行自动 控制，通过调节晶闸管的触发角便可调节电动机的输入电压，从而达到节电 的目的”玑。 使用中存在的问题：通过对使用情况及测试结果的分析和总结，目前节 能型抽油机控制箱在使用中主要存在以下几个方面的问题： 1 由于受现场和环境、人员条件的限制，节能型抽油机控制箱的装配和 使用越简单越好。 2 节能型抽油机控制箱节电效果的好坏与抽油机井的平衡度有着直接的 关系： a ) 当抽油机井的平衡度小于5 0 且电机的瞬时最大电流达到或超过额 6 哈尔滨理1 = 大学t 学硕 j 学位论文 定电流时，所有调压节电技术都达不到节电的目的： b ) 当抽油机井的平衡度大于5 0 ，电机的瞬时最大电流达到其额定电 流，但电机的功率利用率小于3 0 时，调压节电技术有节电效果但节电效果 不理想； c ) 当抽油机井的平衡度大于5 0 ，且电机的瞬时最大电流小于其额定电 流时，调压节电技术的节电效果比较理想2 1 。 3 y 一转换变压从转换的原器件看，分无触点( 晶闸管) 和有触点( 交流 接触器) 二种，从测试结果看，二者没有什么差异，无触点和有触点y 变换 一样，只能要么在星接运行，要么在角接运行。 4 节能型抽油机控制箱的安装必须做到具体问题具体分析，每口油井安 装什么样的节能型抽油机控制箱或补偿多大容量的电容，必须在测试基础上 才能决定，否则节电效果就不太理想。 5 安装节能型抽油机控制箱后，抽油机井的平衡度将发生变化，平衡度 有所降低。因此，安装节能型抽油机控制箱后，抽油机井必须调平衡3 “4 1 5 1 。 1 4 本文研究的主要内容 论文的工作围绕抽油机远程节能监控系统下位机研究设计展开，主要研 究工作如下： 1 阅读国内外文献，研究目前抽油机应用现状和趋势、主要的节能措施， 系统分析抽油机电机的运行特点、进行能耗计算，晶闸管调压节能方式可行 性分析； 2 依据模块化的设计理念，进行三相电数据采集模块的设计及软硬件调 试： 3 进行主控电路的逻辑及软硬件设计、调试； 4 完成晶闸管触发电路的硬件电路设计、调试； 5 设计、调试下位机通信接口。 7 哈尔滨理t 人学t 学硕二j j 学位论义 第2 章抽油机电动机降压运行分析 2 1 游梁式抽油机工作原理分析 游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是相同的。抽油机 主要由游梁一连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分 组成，如图2 1 所示。 ；i 1 游粱 i 萋 l | 膀； 尾轴 横粱 连杆 图2 1 抽油机结构图 f i g 2 1s t r u c t u r ed r a w i n go ft h eo i l p u m p i n gu n i t s 抽油机的工作原理是：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴， 并经中问轴带动输出轴，输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过 连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动( 或者是连杆直接拉着游梁后端) 。游梁6 ，j 端装有驴头，活塞以上液柱及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 于驴头随同游梁一起上下摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动， 就将油抽出井筒。 抽油泵主要由工作筒、衬套、柱塞( 空心的) 和装在柱塞上的游动凡尔及 装在工作筒下端的固定凡尔组成，其工作原理如下： 当活塞上行时如图2 2 ( a ) 所示，游动凡尔受油管内液柱压力作用而关闭并 排出活塞冲程的一段液体。与此同时，活塞下面泵筒空间压力降低，在环形 空问的液柱压力作用下，井中液体顶开固定凡尔，进入泵内活塞所让出的空 间。活塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力增高，当此压力等于环形空间内 液柱压力时，固定凡尔靠自重而关闭。在活塞继续下行中如图2 - 2 ( b ) 所示， 泵内压力继续升高，当泵内压力超过油管内液柱压力时，泵内液体即项开游 动凡尔并进入油管内。这样，在活塞不断地上下运动中，固定凡尔和游动凡 尔也不断地交替关闭和打开，结果油管内液面不断上升，一直到井口排入输 油管线。 5 a ) 活塞上行b ) 活塞f 行 1 拉杆，2 工作筒，3 游动凡尔，4 柱塞，5 固定凡尔 图2 - 2 抽油泵工作原理图 f i g 2 - 2w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eo i l - p u m p i n gu n i t 综上所述，泵的工作原理可概括为：活塞上行时吸液入泵，排液出井； 活塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井。在理想情况下，当泵充满度很 好时，是上下冲程都出油。当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察排油 时，应当是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周 期性的变化。实际上，由于原油中混有天然气，具有可压缩性，使液体运动 9 喻尔演理丁大学t 学硕f j 学位论文 滞后于活塞运动，同时由于泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈复杂 状况引。 抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管 网中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩呈周期性波动，每周期有 两次载荷冲击、有一次负值扭矩出现，为此在横梁上安装平衡块对扭矩进行 协调，减小电动机负载的波动，使电动机转矩变化平稳。扭矩t 随曲柄转角 。的变化曲线见图2 3 。 丁 图2 - 3 扭矩随曲柄转角的变化曲线 f i g 2 - 3c u r v eo ft h et o r q u ec h a n g i n gw i t ht h ec r a n ka n g l e 油f f l 抽油机上配套的电动机大多处在轻载运行状态，引起抽油机电机负 载率低，功率因数低，浪费电能严重的问题，问题产生的原因主要有以下几 个方面： ( 1 ) 抽油机的转动惯量较大，并且是带负载起动，因此起动时所需的起 动转矩较大，一般情况下对电动机的功率需求也较大，所以电动机选型时要 满足起动力矩的要求。电动机起动完成后需要的转矩要求只有起动转矩的一 半左右，这导致电动机的负载率较低。 ( 2 ) 抽油机电动机的准确选择需要测量大量数据，往往很难做到，而且 对抽油机电动机的选择计算还没有一个统一的、准确的计算公式，因此大多 数情况下都采用估算的方法选择配套电动机的功率，并且留有较大的功率余 且i l7 】 里0 ( 3 ) 抽油机的使用周期是很长的，在其使用周期内，由于油井工况的变 化，对于电动机的功率需求可能有很大的差异，较合理的做法是根据不同时 期的功率需求进行匹配，以提高电动机的运行效率和功率因数。但在实际生 产中很难做到，一般是在使用期内不再更换电动机，因此都是按抽油机可能 遇到的最大功率需求进行匹配。 1 0 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论义 ( 4 ) 电动机属于感性负载，电流滞后于电压，导致产生无功电流，功率 因数较小，也造成电能的浪费。另外还考虑到复杂的地质情况等因素，大部 分电机的额定功率为工作周期输出功率的两倍左右。而抽油机在工作时，约 有一半时间处于接近空载的工作状态( 称为空载周期) ，另一半时间处于带负 荷的状态( 称为工作周期) 。据调查，游梁式抽油机电动机的平均负载率仅为 4 0 。5 0 。 通过分析可知，抽油机电动机经常处于轻载运行，而且负载变化比较大， 采用调节输入端电压使其在能安全带动负载的前提下，自身损耗尽可能的小， 达到节能的目的，下面从三相异步电机运行原理出发对电动机的降压运行进 行分析。 2 2 抽油机电动机经济运行 2 2 1 电动机调压节能 2 2 1 1 电动机的机械特性与电压的关系 关系曲线或者指转矩与转差率关系曲线。 转矩表示为： 式： 电动机的机械特性是指转矩和转速 根据电机学知识可知电动机的电磁 3 u j 噍 r = 了厂l 一 ( 2 - 1 ) 。 鲨1 2 + ( x l + x 2 1 2i v s l ：1 亍丝一( 2 - 2 ) 如l 七专灿”搿 由于s 很小时，生伍，+ 邑) ， s 同时垒_ ，那么可以有以下近似 s 丁3 u j s ( 2 - 3 ) 屹 所以，电动机转矩与端电压的平方成正比，转差率与端电压的平方成反 哈尔滨理丁大学t 学硕l j 学位论文 比。假设定子电压降低系数为墨，2 器可知不同降压系数下的转矩和转差率 关系为： r = t ( k u ) 2 ( 2 - 4 ) 据此可以画出人为机械特性曲线如图2 4 所示，图中采用标幺值单位。 从该人为机械特性曲线得到以下结论： ( 1 ) 电磁转矩与端电压平方成正比； ( 2 ) 降低端电压时人为机械特性曲线的斜率加大了，恒转矩负载下，电动 机只能在s = o 到s 。之间有稳定运行区，调速范围不大； ( 3 ) 由于降低端电压时供电频率并没有变化，因此电动机的气隙主磁通被 减弱。在负载电流相同的条件下，电动机电磁转矩减小n 引。 刀 刀0 0 t 乞栏 丁二职瓦程 7 皿嵌 qm q 图2 - 4 电动机机械特性曲线 f i g 2 - 4m o t o rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc h i v e 由特性曲线可以看出，抽油机电动机的起动转矩很大需要电动机全压起 动，当电动机起动完成后负载较低，降压以后的转矩也可以保证安全带动。 降低电动机定子电压，输出转矩减小，即使得电动机负载率增大。 负载率的变化会导致电动机的功率因数和效率变化，具体变化曲线如图 2 5 所示。从图中可以看出随着负载率鼠的降低，功率因数和效率都降低， 空载时两者都很低。当通过降低电动机的定子电压提高电动机的负载率时， 功率因数和效率都将得到改善。并且在负载低于额定值时，两者有相同的变 化趋势，图2 - 6 为利普l p s c j t - 1 2 8 6 电动机在负载率为3 0 时调节端电压所 1 2 哈尔滨理工人学工学硕f ：学位论文 i 哩 羽 蠖 【。 备 昝 o u 1 5 夕 、- c o s9 7 、?、， 、 ?“ 一， v s _ _ ， 00 5l1 5 恐( 负载率) 图2 5 异步电动机的效率和功率因数曲线 f i g 2 - 5c u r v eo fe f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o rf o ra s y n c h r o n o u sm o t o r 得到的功率因数及效率曲线，从曲线的变化趋势可明显地看出，降低端电压 时负载率和效率都得到明显的提升，并且效率最大值在额定功率因数( 额定功 率因数为o 7 6 ) 附近。因此，功率因数可以作为调压控制的参考量幢仉2 1 1 。 图2 - 6 低负载率时功率因数、效率随电压变化曲线 f i g 2 - 6p o w e rf a c t o r 、e f f i c i e n c yc u r v ec h a n g i n gw i t hv o l t a g el i g h tl o a d e d 哈尔滨理下火学工学硕j j 学位论文 2 2 1 2 降压范围的确定采取降压措施节能时，降压行为还受电动机能否带 动负载正常运行的制约，即电动机所具有的电磁转矩必须能克服空载转矩且 带动负载正常运行。简单的异步电动机机械特性实用表达式为 丁：e r s ( 2 5 ) s 脚 式中：j 。为临界转差率；乙为某端电压下电机所具有的最大转矩。 若定子的阻抗参数不变，则它与端电压的平方成正比，可表示为他2 1 ： 乙告鬲素 p 6 ， 式中：m ，为定子绕组的相数，q ，为机械角速度，为电动机端相电压。 考虑式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) ，电动机轻载时的电磁转矩与额定运行状况的电磁 转矩之比为： ( 2 7 ) 式中：瓦为轻载降压时的电磁转矩；瓦为额定电压时的电磁转矩；呀为轻 载降压时电动机的转差率；s 为额定转差率。 若不计转子铜耗、机械损耗和附加损耗，有： 旦：! 型盟：刍塑二盟 ( 2 - 8 ) t np n | q np n | q s x 、) 、。 式中：q 。为轻载降压时的机械角速度；q 为额定负载额定电压时的机械角 速度。 由公式( 2 7 ) 和公式( 2 8 ) 得： ( 2 - 9 ) 由公式( 2 9 ) 知，电动机端电压的降低不仅与负载大小有关，而且与转差 率有关，即与转速有关，所以电动机端电压的降低程度由负载功率及负载对 转速的要求决定。为了保证降压运行时，负载由轻载突变为额定负载时电动 机能正常工作，电动机能提供的最大转矩不应低于额定负载时的电磁转矩， 其最大电磁转矩 1 4 研 跨 巧一瓦 哈尔滨理t 大学丁学硕j j 学位论文 = 筹瓦 ( 2 1 0 ) 式中：为降压时电动机的最大电磁转矩；为额定电压时电动机的最大 电磁转矩。由( 2 - 1 0 ) 进一步有： 函啦 ( 2 - 1 1 ) 式中：k ，为过载倍数，即额定电压时电机的最大电磁转矩与额定转矩之比， k t 2 t n m 澹n o 由式( 2 - 9 ) 计算得到的电压再按式( 2 1 1 ) 进行校验。异步电动机的过载倍 数一般为1 8 - 3 7 ，从而由式( 2 1 1 ) 可知，降低的电压的最小值范围大致为 o 5 6 【2 3 1 。 2 2 2 晶闸管调压计算 图2 7 为一相晶闸管的工作电压示意图，由图可得 秒= 万- c r + 伊( 2 - 1 2 ) 式中：口为晶闸管的触发角，妒为电动机的功率因数角，口为晶闸管的导通 角。 i i 、 +比- 1 ， 口一 剖v 二 l 7 、u 一 v 7 三 图2 7 品闸管工作波形 f i g 2 7s c rw o r k i n gw a v e f o r m 可知只有当口 矽时，调压电路才有调压作用。此时，口角的大小决定了 晶闸管的输出电压，即加在电机端口的电压。一般对晶闸管正负半周的触发 哈尔滨理t 大学工学硕卜学位论文 是对称的，晶闸管的输出电压有效值可由式( 2 13 ) 计算： t 二型丝= ：二丝：尘陋 俘( 肛2 删斛扣2 彩t d o j r ) 川卯) 式中：u 。为正弦电压瞬时值：u s 为j 下弦电压有效值；u ，为负载侧的电压有 效值，是口及够的函数心“拍1 。 调压的目的是使矽为固定值，则有 u 。= ) ( 2 - 1 4 ) 此时只需调整触发角口，就可以得到期望的u ，值，使功率因数c o s 呼。保持在 理想状态旧6 7 1 。调压电路原理见第4 章图4 2 。 2 2 3 异步电动机无功补偿节能 根据g b l 2 4 9 7 ，电动机的综合功率损耗为 尼= 昂+ 毪2 ( r 一咒) + q o + 心2 ( 级- q o ) ( 2 - 1 5 ) 式中：丑为电动机的综合功率损耗，k w ：昂为空载有功损耗，为无功 经济当量，取0 0 4k w k v a r 。q 为额定负载下的无功功率 q ：益胁，z 纨( 2 1 6 ) 刁 式中：r 指电动机的额定容量，k w ：r 指电动机在额定负载下的效率；纨 指电动机在额定功率时功率因数角。q o 空载下的无功功率 q o = 扛瓦丽矿彳 ( 2 1 7 ) 式中：u 为电源电压，厶为空载电流。通常，q 约占总无功功率的6 0 一8 0 。 这是因为电动机的无功功率主要是由空载时所消耗的无功功率来决定的心引。 依据以上理论及相关规定，本文引入了电力电容器无功补偿，具体补偿 方式将在第4 章讨论瞄钒捌。 2 4 本章小结 本章首先从抽油机的工作原理出发，分析抽油机电动机运行过程中负载 1 6 哈尔滨理t 人学丁学硕j j 学位论文 变化特性，造成电能浪费的原因。理论分析了降压过程中电动机机械特性， 电动机的效率和功率因数随着负载率的降低而降低，可以通过降低电动机定 子电压的方式使电动机的负载率升高，从而改善电动机的功率因数和效率。 对电动机降压运行的分析，得到在保证带动负载情况下的降压范围及控制策 略。 哈尔滨理_ t 大学丁学硕1 j 学位论文 第3 章三相电参数采集方法及硬件电路设计 在前一章中，提出了异步电机运行效率的软测量法，即由功率因数推算 电机运行效率的方法。在系统下位机设计中，还包括其它三相电参数的采集， 这些数据通过g p r s 模块传输到监控中心。在本章中，将具体给出三相电参数 ( 包括功率因数) 采集的具体方法及硬件电路设计。 3 1 三相电参数采集的原理 本文采用集成度很高的c s 5 4 6 3 芯片作为下位机三相电参数采集模块核 心，p i c l 6 f 8 7 7 a 作为控制器进行三相电参数采集模块的设计。 c s 5 4 6 3 是美国c i r r u sl o g i c 公司生产的电能测量电路，其内部集成了2 个 模数转换器，有a c 和d c 校准功能及相位补偿，可以进行多种电能的高 速计算，数据通过串行接口对外连接。 c s 5 4 6 3 结构及工作原理如图3 1 所示，c s 5 4 6 3 内部2 个可编程放大器采集 电压和电流数据，调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高 通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电 压、电流、计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接e e p r o m ，也可 以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或 步进电机，从而省去微控制器而直接外送用电量。 图3 1c s 5 4 6 3 的结构框图 f i g 3 1c o n f i g u r a t i o no fc s 5 4 6 3 1 8 m o d e c s s d i s d 0 s c l k j - i n t e 1 e 2 e 3 哈尔滨理工人学工学硕j j 学位论文 3 2 电参数采集模块硬件电路设计 3 2 1 直流电源电路 直流电源模块如图3 2 所示，为此模块提供+ 5v 电压，此电源模块由电 源变压器，桥式整流电路，滤波电路，稳压电路组成，电源变压器将电网交 流电压变换成符合需要的交流电压，t n l 、t n 2 为电源变压器的输出端；桥 式整流电路将讵负交替变换的正弦波交流电压变换成单方向的脉动电压；滤 波电路采用电容，尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉使输出电压成 为比较平滑的直流电压；稳压电路利用三端固定电压稳压器7 8 0 5 实现的。 图3 - 2 直流电源模块电路图 f i g 3 - 2d cp o w e