何渝霜董實(shí)(.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江大慶 6338;.中國(guó)石油大慶第二采油廠信息中心,黑龍江大慶 63300)

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一種抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)量?jī)x

何渝霜1董實(shí)2
(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318;2.中國(guó)石油大慶第二采油廠信息中心,黑龍江大慶 163300)

【摘 要】當(dāng)今社會(huì)科技飛速發(fā)展,對(duì)能源的需求量也日益增加。石油,作為全世界重要能源之一,如今成為人類在未來(lái)發(fā)展中不可或缺的物質(zhì)。截止2015年中國(guó)石油開采量已達(dá)62億噸,剩余可采量206億噸,我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步已經(jīng)遠(yuǎn)快于我國(guó)石油開采的速度,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)如此快速發(fā)展下,中國(guó)已成為石油第二大消耗國(guó)。根據(jù)預(yù)測(cè)至2020年我國(guó)原油缺口量將至少達(dá)2.7億噸,對(duì)外進(jìn)口量將超過(guò)70%,因此油田企業(yè)以節(jié)能作為目標(biāo)想要盡量提高抽油機(jī)的工作效率,進(jìn)行了對(duì)抽油機(jī)以及抽油機(jī)測(cè)量?jī)x的全方面技術(shù)提高,不僅能夠節(jié)能降耗,并且對(duì)我國(guó)油田采油工藝的發(fā)展也有較大影響。

【關(guān)鍵詞】抽油機(jī) 能源 測(cè)量?jī)x

1 引言

當(dāng)今能源的消耗量日益增大，然而開采量逐日遞減，人類的生命活動(dòng)離不開能源，照這樣的速度發(fā)展能源也將枯竭。所以各個(gè)油田不得不把節(jié)能降耗的目標(biāo)貫穿于油田生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的整個(gè)過(guò)程。從中國(guó)發(fā)現(xiàn)大慶油田的初期，在僅僅的五十年期間中國(guó)石油的消耗量上升速度驚人，隨后逐步調(diào)整為開采要可持續(xù)發(fā)展、科學(xué)發(fā)展才能對(duì)人類真正有益。現(xiàn)代為了實(shí)現(xiàn)能源的最大效率以及節(jié)能降耗的目的，油田企業(yè)也加大對(duì)這一方面的研究力度，實(shí)現(xiàn)油田企業(yè)能在未來(lái)的良性循環(huán)，提出了各個(gè)有效的措施。如今國(guó)內(nèi)也產(chǎn)生了許多不同型號(hào)的電力參數(shù)測(cè)試儀。

相比國(guó)內(nèi)外的抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了一定的比較，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的抽油機(jī)測(cè)試儀比如DZY-III便攜式抽油機(jī)測(cè)試儀和BCX綜合測(cè)試儀，雖然價(jià)格低廉，操作方便簡(jiǎn)單，但是體積過(guò)大，做工相對(duì)粗糙，精度較低，受周圍工作環(huán)境影響過(guò)大，并不利于在野外長(zhǎng)時(shí)間的操作。國(guó)外的抽油機(jī)雖然價(jià)格比國(guó)內(nèi)昂貴，但有利操作人員掌控，體型輕巧攜帶方便，并且精度高。國(guó)外生產(chǎn)的抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀在不斷發(fā)展的新技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了自身價(jià)值，在世界電力技術(shù)發(fā)展中也相對(duì)成熟。

在各大油田企業(yè)開采石油過(guò)程中，希望能得到一精度等級(jí)高的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x，才能進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能降耗的目的。然而我國(guó)的抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀的體積和精度都是一個(gè)需要攻克的問(wèn)題，所以我國(guó)目前就需設(shè)計(jì)一高精度、價(jià)格低廉、便攜式油井測(cè)試儀。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

為了更精確的測(cè)量出抽油機(jī)的各個(gè)參數(shù)達(dá)到抽油機(jī)電能最小消耗量，同時(shí)要求在抽油機(jī)一個(gè)周期內(nèi)能夠進(jìn)行對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄分析，本課題主要研究并設(shè)計(jì)一種抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀，不僅可以測(cè)量出電流與電壓，還可以對(duì)抽油機(jī)的平衡度進(jìn)行分析。這里設(shè)計(jì)的抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀以芯片STM32F103VCT6控制系統(tǒng)，包括鍵盤控制模塊、時(shí)鐘電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、LCD顯示模塊。主要功能是利用電壓電流信號(hào)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行抽油機(jī)平衡度的監(jiān)測(cè)，過(guò)程為通過(guò)電壓采集模塊、電流采集模塊對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集，并可以通過(guò)LCD串口顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。通過(guò)CPU執(zhí)行模塊將采集到的電壓電流信號(hào)傳輸?shù)綍r(shí)鐘電路模塊進(jìn)行時(shí)間記錄，鍵盤控制模塊對(duì)其進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行對(duì)一個(gè)周期內(nèi)所記錄的電壓電流數(shù)據(jù)，當(dāng)記錄了整個(gè)周期內(nèi)的電壓電流信號(hào)后就可以監(jiān)測(cè)抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和不平衡度。抽油機(jī)的能耗是通過(guò)點(diǎn)擊消耗的功率體現(xiàn)的，要求抽油機(jī)的平衡度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，而抽油機(jī)的各種工作狀態(tài)(包括地面和地下)都是在電機(jī)電力參數(shù)上直接反映出來(lái)。實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能降耗，這種抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)量?jī)x既能測(cè)量整個(gè)周期的電流電壓，又能對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，簡(jiǎn)化了A/D復(fù)雜的外圍電路的設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 實(shí)現(xiàn)測(cè)量方法

系統(tǒng)主要用SA9904B芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)的三相電各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量。電壓互感器和電流互感器采集到的電壓與電流信號(hào)，將大電流信號(hào)和電壓信號(hào)變換為可以經(jīng)過(guò)SA9904B處理的小信號(hào)，處理后信號(hào)可以直接供給CPU控制單元進(jìn)行運(yùn)算處理。測(cè)量的數(shù)據(jù)或波形通過(guò)串口顯示屏顯示，并能夠?qū)Ρ粶y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用鍵盤進(jìn)行選擇測(cè)量，屏幕上就會(huì)顯示出被測(cè)量值。此外利用E2PROM存儲(chǔ)芯片來(lái)對(duì)過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，配有的USB借口實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x與上機(jī)位之間的數(shù)據(jù)通信基本量的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)儀器其它參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)。

測(cè)量的主要電路:

(1)電壓互感器電路如圖2所示。

電壓輸入端電路主要是將輸入的工頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成SA9904B 可以測(cè)量的電壓信號(hào)(±5V)。用A相電壓模擬輸入為例，其余兩相的輸入通道設(shè)計(jì)原理相同。其采集電壓電路如圖2所示，電壓互感器選擇HPT205N，電阻R4選擇220歐，電阻R1選擇130K歐，經(jīng)仿真輸入電流大小范圍為0-2mA，輸出電流大小范圍為0-2mA。這樣電壓值輸出最大為0.44V，不超過(guò)0.5V。R5和C1構(gòu)成一個(gè)RC濾

波器。

(2)電流互感器電路如圖3所示。

選用的互感器CT1為TA5061，其輸入電流范圍為0-500A，輸出電流0.1A。ADE7758 的電流通道IAP、IAN 最大信號(hào)電壓變換范圍為±0.5V。其中給以SA9904B 的信號(hào)取樣電阻R10 和R11都為1.8歐，且當(dāng)電流最大為0.1A時(shí)，其輸出電壓最大值約為0.36V，不超過(guò)0.5V。限幅二極管起到保護(hù)作用。

測(cè)量的主要參數(shù)運(yùn)算:

SA9904B芯片內(nèi)部能夠?qū)㈦妷弘娏餍盘?hào)進(jìn)行計(jì)算得到有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)等參數(shù)。SA9904B內(nèi)部總共含有20個(gè)引腳，用PDIP-20進(jìn)行封裝。SA9904B內(nèi)部有9個(gè)元暫存器來(lái)裝載各相的無(wú)功耗能、有功耗能與電壓參數(shù)。被測(cè)電路的功率不會(huì)直接提供給用戶，而是通過(guò)內(nèi)部公式運(yùn)算后的最終結(jié)果傳送給用戶。

計(jì)算每相的有功或無(wú)功電能:

(1)VRATED為電表的額定電源電壓，IRATED為電表的額定電源電流，N=相繼讀數(shù)間的暫存器數(shù)值之差(Δ值)，INTTIME為相繼讀數(shù)間的時(shí)間差值(單位為秒)。

電能=(VRATED*IRATED)/320000 (1)

(2)計(jì)算每相的有功或無(wú)功功率:

功率=電能*N/INTTIME/320000 (2)

(3)精度:

SA9904B芯片的RMS電壓的測(cè)量精度為1%，有功功率的測(cè)量精度為1.0級(jí)。適合做抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀的三相有功和無(wú)功儀表，所以利用此芯片設(shè)計(jì)出的儀表精度誤差在1%之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

完成整個(gè)抽油機(jī)電力參數(shù)測(cè)試儀的理論分析和硬件實(shí)物制作，以成品的形式進(jìn)行成果展示，預(yù)期檢測(cè)誤差在0.03%左右，定位誤差在1%范圍以內(nèi)，更好的滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)電力參數(shù)的測(cè)量和分析，通過(guò)USB接口可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和相應(yīng)的設(shè)置，有效的提高系統(tǒng)工作職能和自動(dòng)化程度，并配有SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，方便對(duì)歷史測(cè)量信息和分析結(jié)果的存儲(chǔ)和查詢調(diào)用，從而強(qiáng)化該系統(tǒng)的管理職能。

總之，該電力參數(shù)測(cè)量?jī)x相比國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所有的測(cè)量?jī)x更加安全可靠、使用方便、精度高、測(cè)試參數(shù)多、支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點(diǎn)，亦可以用于對(duì)抽油機(jī)電機(jī)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因數(shù)等參數(shù)的測(cè)量。

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