1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上油井電機(jī)扭矩監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用項(xiàng)目可行性研究報(bào)告專心-專注-專業(yè)目 錄1 編制依據(jù)和原則1.1 編制依據(jù)1.1.1 節(jié)能降耗、控制成本隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，消費(fèi)規(guī)模不斷擴(kuò)大，能源問題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。為解決我國能源緊張問題，國家提出了堅(jiān)持開發(fā)與節(jié)約并舉、節(jié)約優(yōu)先的方針，大力推進(jìn)節(jié)能降耗，提高能源利用效率。油氣勘探開發(fā)行業(yè)是我國主要的能源生產(chǎn)行業(yè)之一，也是能源消耗的大戶。在為國家生產(chǎn)更多油氣資源的同時(shí)，節(jié)能降耗也是油氣勘探開發(fā)行業(yè)主要任務(wù)之一。勝利油田自60年代初期開發(fā)至今，經(jīng)多年的生產(chǎn)開發(fā)建設(shè)，油田產(chǎn)液含水率逐漸上升，原油產(chǎn)量逐漸遞減，油田生產(chǎn)進(jìn)入

2、高含水的生產(chǎn)階段；為了降低開發(fā)成本，減緩油田的遞減趨勢(shì)，確保勝利油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，需要引入新思想、新觀念、新技術(shù)、新工藝，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、成本控制。目前，有桿泵(包括抽油機(jī)和螺桿泵)井占采油廠生產(chǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控有桿泵的工況，對(duì)運(yùn)行不平常的有桿泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電能的節(jié)約將是非常可觀的。因此通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)(包括異步和同步電機(jī))的工作情況或供電情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的預(yù)知性維修，避免意外損失（如不必要的臨時(shí)維修和意外人員傷亡等），也可避免電機(jī)在低效率或不正常情況（電機(jī)故障

3、或供電異常）下長期工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、成本控制。本項(xiàng)目根據(jù)抽油電機(jī)的特性、結(jié)構(gòu)、額定參數(shù)和實(shí)際工作環(huán)境等特點(diǎn)，采用電動(dòng)機(jī)的無速度傳感器速度檢測(cè)方式，再進(jìn)一步獲得其他關(guān)鍵電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)一步獲取整個(gè)抽油系統(tǒng)的工況，為掌握抽油電機(jī)的運(yùn)行情況、節(jié)約電能、提高采油效率和增加經(jīng)濟(jì)效益奠定基礎(chǔ)。1.1.2 實(shí)時(shí)跟蹤、方便快捷目前，油田上分析抽油機(jī)井深井泵工況時(shí)，廣泛采用實(shí)測(cè)示功圖分析方法。實(shí)測(cè)示功圖可以反映出深井泵在井下工作中的異常現(xiàn)象，可結(jié)合地質(zhì)情況和利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)、儀器工作狀況，來分析解釋抽油機(jī)的工作制度是否合理，機(jī)、桿、泵、參數(shù)組合是否與油井相適應(yīng)。實(shí)測(cè)示功圖經(jīng)過診斷技術(shù)處理，可以找出

4、影響油井泵效或不出油的原因，然后根據(jù)本油田采油工藝技術(shù)的配套措施來解決生產(chǎn)問題。由于油田油井?dāng)?shù)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(qū)道路交通不是很好。人工每日定時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行情況并記錄采油數(shù)據(jù)，用動(dòng)力儀完成示功圖的繪制，但只能是一次測(cè)一口井，測(cè)量時(shí)需要停機(jī)安裝動(dòng)力儀，結(jié)果往往使得實(shí)測(cè)示功圖不能很好地反映深井泵的實(shí)際工況，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響抽油機(jī)井的產(chǎn)量,并且動(dòng)力儀是機(jī)械式的,存在測(cè)量偏移,測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,而且每一個(gè)沖程周期只采集一百多個(gè)點(diǎn),很多微小的變化沒有在示功圖上反應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度，并且影響了設(shè)備監(jiān)控與采油數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，甚至準(zhǔn)

5、確性。當(dāng)抽油機(jī)深井泵出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，得不到有效檢測(cè)、防患和控制。本課題通過直接測(cè)量電機(jī)的電流、電壓、功率等參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的輸出扭矩，然后根據(jù)電機(jī)的輸出扭矩推出抽油機(jī)減速箱的扭矩，然后利用預(yù)先計(jì)算好的扭矩因數(shù)推出懸點(diǎn)載荷，間接獲得抽油機(jī)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(shù)對(duì)抽油機(jī)井的工況進(jìn)行分析，并且通過對(duì)輸出扭矩曲線進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)一些細(xì)節(jié)變化，這些細(xì)節(jié)是通過示功圖所不能發(fā)現(xiàn)的，而這些細(xì)節(jié)暗示著抽油機(jī)井的某種工況。通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸所測(cè)量電機(jī)的電參數(shù)，控制中心足不出戶就可以獲得抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)工況，遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)井。1.2 編制原則一、采用新產(chǎn)品、新工藝

6、、新技術(shù)，及時(shí)掌握油區(qū)有桿泵電機(jī)的運(yùn)行情況，提高油區(qū)的采油效率和增加經(jīng)濟(jì)效益。二、采用可靠而且先進(jìn)的技術(shù)，充分利用原有設(shè)備和設(shè)施，以節(jié)約工程投資。三、在滿足生產(chǎn)的前提下，做到方便施工，易于維護(hù)，環(huán)保節(jié)能。2.研究范圍2.1電機(jī)參數(shù)在線檢測(cè)技術(shù)電機(jī)參數(shù)在線檢測(cè)技術(shù)是通過測(cè)量異步電動(dòng)機(jī)三相電壓、電流，獲得電機(jī)的有功功率、無功功率和功率因數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)可計(jì)算得到電機(jī)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)的運(yùn)行效率等。通過在線檢測(cè)抽油機(jī)的電參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油異步電動(dòng)機(jī)的工作狀況和供電情況，對(duì)典型的電機(jī)故障進(jìn)行示警。2.2扭矩載荷推算技術(shù)抽油機(jī)工作時(shí)，由懸點(diǎn)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(dòng)機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。一定型號(hào)的抽油機(jī)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(chǎn)時(shí)所采用的最大抽汲參數(shù)，同時(shí)又限制著為了保證大參數(shù)生產(chǎn)所需要的電動(dòng)機(jī)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(jī)的平衡狀況和進(jìn)行平衡計(jì)算，確定電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率。根據(jù)所測(cè)得的電機(jī)電磁扭矩曲線推算出減速箱輸出軸扭矩曲線，然后利用預(yù)先計(jì)算好的扭矩因數(shù)推出懸點(diǎn)載荷，進(jìn)而得到該井的示功圖并自動(dòng)分析該井的工作狀態(tài)。2.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送技術(shù)GPRS通訊方式建設(shè)依賴移動(dòng)通訊公司龐大的GP

8、RS網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成本與運(yùn)行維護(hù)成本都很低，遠(yuǎn)小于自行建設(shè)獨(dú)立運(yùn)行的專用通訊網(wǎng)絡(luò)(電臺(tái)、有線DDN、微波等)。GPRS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方便簡單，使用GPRS模塊及相應(yīng)配件，直接與帶有RS232串行口的監(jiān)測(cè)設(shè)備連接，與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)建透明的數(shù)據(jù)傳輸通道。它運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行費(fèi)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(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、準(zhǔn)確的前提下，將系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也降低到了極低；同時(shí)，通信鏈路由專業(yè)的運(yùn)營商來維護(hù)，避免了用戶在使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)，還需要耗費(fèi)很大精力去維護(hù)通信線路的問題。3.遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為確保工程技術(shù)先進(jìn)合理，安全可靠，符合國家的方針、政策，符合客觀實(shí)際，

9、嚴(yán)格執(zhí)行以下的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范：(1)GB/T 2887-2000 電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范(2)GB/T16435-1996遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備終端通用技術(shù)條件(3)中華人民共和國安全行業(yè)管理規(guī)范(4)軟件工程國家標(biāo)準(zhǔn)(5)中國電氣安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)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(tǒng)通用圖形符號(hào)(8)社會(huì)公共場(chǎng)所安全防范工種設(shè)計(jì)規(guī)范(9)GB 50343-2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范 (10)公安部、公安廳技防辦有關(guān)文件規(guī)定。4.河口采油廠生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在問題4.1生產(chǎn)現(xiàn)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海口處，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(tái)等大大小小13個(gè)油田，探明含油面積283.4平方千米，地質(zhì)儲(chǔ)量36570萬噸（不含油公司的），動(dòng)用含油面積242.2平方千米，動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量32770萬噸，可采儲(chǔ)量7918萬噸，標(biāo)定采收率24.2%，累計(jì)產(chǎn)油6118萬噸；采油廠油井每天開井一千六百多口,日產(chǎn)液量八萬多噸,日產(chǎn)油量八千多噸。4.2存在問題目前常用的電機(jī)扭矩測(cè)試設(shè)備體積

11、龐大，價(jià)格昂貴，限制了這方面技術(shù)的發(fā)展，而電機(jī)扭矩又是油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)用于監(jiān)控電機(jī)乃至整個(gè)抽油系統(tǒng)生產(chǎn)工況的一個(gè)重要參數(shù)，由扭矩可以衍生出眾多工況指標(biāo)，因此低成本的電機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)、實(shí)時(shí)有桿泵工況分析技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前國內(nèi)對(duì)電機(jī)本體質(zhì)量是否合格的測(cè)試研究較多，而對(duì)電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究、應(yīng)用則較少。因此，本項(xiàng)目擬采用實(shí)時(shí)性好、計(jì)算精確性高而且系統(tǒng)成本較低的電機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)油田有桿泵電機(jī)運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)，為提高油田有桿泵電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率，提高采油效率和經(jīng)濟(jì)效益奠定基礎(chǔ)。5.河口采油廠抽油電機(jī)扭矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo) 該系統(tǒng)采用高性能32位ARM處理器（LPC23

12、64）作為核心數(shù)據(jù)處理器，LPC2364基于ARM7TDMI-S核，可在高達(dá)72MHz的頻率下運(yùn)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(jì)算性能十分優(yōu)異，其片內(nèi)含有128 kB的程序存儲(chǔ)器，8 kB靜態(tài)存儲(chǔ)空間（SRAM）和6路10位ADC，具有先進(jìn)的中斷控制器，支持多達(dá)32個(gè)中斷向量，同時(shí)其具有豐富的串行外設(shè)接口，便于實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)通訊。系統(tǒng)軟件算法采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編程，程序構(gòu)架充分采用結(jié)構(gòu)化和模塊化方案設(shè)計(jì)，程序執(zhí)行效率高，易讀性強(qiáng)，可擴(kuò)充性強(qiáng)，便于軟件程序的進(jìn)一步修改、移植及擴(kuò)展等。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集異步電機(jī)的三相電壓和電流可實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的三

13、相有功功率、無功功率和功率因數(shù)，根據(jù)定子三相電壓和電流可實(shí)時(shí)計(jì)算得到電機(jī)定子磁鏈的幅值和相位，結(jié)合定子電流可估算得到電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，利用定子電壓和電流還可進(jìn)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(zhuǎn)矩可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電角頻率，利用定子電角頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電角頻率就可計(jì)算得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速。利用電磁轉(zhuǎn)矩和同步電角速度可計(jì)算電機(jī)電磁功率，結(jié)合所估算的轉(zhuǎn)差率和機(jī)械損耗可估算電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，根據(jù)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可得到電機(jī)輸出機(jī)械功率以及系統(tǒng)的整體效率。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)臨時(shí)數(shù)據(jù)保存、檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)保存以及系統(tǒng)時(shí)間實(shí)時(shí)顯示，選用低成本、低功耗的日歷時(shí)鐘芯片，日歷時(shí)鐘芯片不僅可作為系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，而且其內(nèi)

14、部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的保存，同時(shí)該系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間還可通過遠(yuǎn)程通訊的方式進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，其日誤差小于1秒（0.5秒）。采用上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過RS232接口對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改，另外可根據(jù)實(shí)際要求選取通信方式，若需要對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改或?qū)z測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可采用RS422/RS485傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還可采用無線通信方式進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)通過連接油田企業(yè)網(wǎng)，所測(cè)量的數(shù)據(jù)保存到企業(yè)數(shù)據(jù)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(cè)抽油機(jī)的電參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油異步電動(dòng)機(jī)的工作狀況和供電情況，對(duì)典型的電機(jī)故障進(jìn)行示警，通過直接測(cè)量電機(jī)的電流、電壓、功率等參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)

15、的輸出扭矩，然后根據(jù)電機(jī)的輸出扭矩推出抽油機(jī)減速箱的扭矩，然后利用預(yù)先計(jì)算好的扭矩因數(shù)推出懸點(diǎn)載荷，間接獲得抽油機(jī)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(shù)對(duì)抽油機(jī)井的工況進(jìn)行分析。通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸所測(cè)量電機(jī)的電參數(shù)，控制中心足不出戶就可以獲得抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)工況，遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)井。主要技術(shù)指標(biāo)：(1) 在電機(jī)功率大于額定功率50%的情況下，各項(xiàng)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試和估計(jì)誤差小于5%；時(shí)鐘在一天中誤差（在不通過上位機(jī)通信校正的情況下）小于5秒。.(2) 系統(tǒng)推算抽油機(jī)井懸點(diǎn)載荷與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)載荷誤差不大于10%，(3) 系統(tǒng)推算螺桿泵井光桿扭矩與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)光桿扭矩誤差不大于10%。

16、5.2系統(tǒng)核心測(cè)試算法5.2.1電機(jī)定子電壓和電流瞬時(shí)值的硬件檢測(cè)框圖前級(jí)調(diào)理電路電壓傳感器ARM處理器前級(jí)調(diào)理電路前級(jí)調(diào)理電路前級(jí)調(diào)理電路電壓傳感器電流傳感器電流傳感器多路模擬開關(guān)圖1定子電壓和電流瞬時(shí)值的硬件檢測(cè)框圖如圖1所示，定子線電壓和相電流分別經(jīng)電壓傳感器、電流傳感器和相應(yīng)的電平抬升、放大、濾波等處理電路后進(jìn)入多路模擬開關(guān)，ARM處理器系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)切換多路模擬開關(guān)檢測(cè)定子線電壓和相電流。5.2.2電機(jī)定子三相有功功率、無功功率及功率因數(shù)的計(jì)算方法將采樣得到的三相靜止坐標(biāo)系下（ABC坐標(biāo)系）的定子電壓、電流的瞬時(shí)值分別進(jìn)行靜止坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下（-坐標(biāo)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(biāo)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(jì)算得到電機(jī)的功率因數(shù)角： （7）根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算所得的電壓、電流分量可計(jì)算得到電機(jī)的瞬時(shí)有功功率和無功功率： （8） （9）因此，電機(jī)的視在功率和功率因數(shù)分別為： （10） （11）5.2.3電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速估算原理由于抽油機(jī)異步電動(dòng)機(jī)通常以額定頻率運(yùn)行，電機(jī)正常工作時(shí)定子電壓遠(yuǎn)大于定子電阻壓降，因此定子電阻變化對(duì)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(jì)算得到定子磁鏈的幅值和相位： （14） （15）利用異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和計(jì)算所得的定子磁鏈和電流分量可根據(jù)式（16）估算電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，式中np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。 （16）根據(jù)計(jì)算所得的電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈幅值可根據(jù)式（17）的異步電動(dòng)機(jī)速度動(dòng)態(tài)估算方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電角速度估算。 （17）電機(jī)定子同步電角速度可由靜止坐標(biāo)系下的定子電壓方程得到： （18）因此，電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速的計(jì)算表達(dá)式為： （19）利用電磁轉(zhuǎn)矩和同步電角速度可計(jì)算得到電機(jī)的電磁功率，利用轉(zhuǎn)差速度和同步速度可計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，結(jié)合電機(jī)機(jī)械損耗P0，通過式（21）、（22

19、）和（23）可分別得到電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。 （21） （22） （23）由此可計(jì)算得出電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率： （24）5.3系統(tǒng)硬件組成和基本工作方式核心處理器LPC2364系統(tǒng)穩(wěn)壓工作電源時(shí)鐘芯片定子電壓頻率檢測(cè)電路電壓、電流檢測(cè)電路無線通信電路與上位機(jī)之間的通信電路，用于測(cè)試和參數(shù)設(shè)置圖2檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成框圖檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以LPC2364為核心的最小系統(tǒng)單元，最小系統(tǒng)主要包括ARM處理器、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試接口電路等。晶振芯片采用22.059MHz/3.3V規(guī)格，經(jīng)過CPU內(nèi)部3倍頻獲得66.177MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，利用ARM處理器的內(nèi)部SRAM或外擴(kuò)SRA

20、M可以大量保存臨時(shí)采樣數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、中間計(jì)算結(jié)果等。采用看門狗和含非易失性存儲(chǔ)器的日歷時(shí)鐘芯片可以實(shí)現(xiàn)掉電情況下系統(tǒng)參數(shù)（如電機(jī)參數(shù)）的保存，保證系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確性。采用三端穩(wěn)壓電源可獲得穩(wěn)定的3.3V工作電源。為充分利用ARM處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器功能，設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)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(guān)切換轉(zhuǎn)換通道，實(shí)現(xiàn)各路電量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。設(shè)計(jì)定子電壓頻率檢測(cè)電路，為軟件算法中的定子電角頻率計(jì)算值提供參考。ARM處理器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用異步串行通訊方式，LPC2364帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信接口，在66MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下可實(shí)現(xiàn)接受

21、和發(fā)送的雙緩沖功能，可以全雙工方式工作。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)外通信方式采用基于GSM技術(shù)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(zhì)量。其通信原理框圖如圖73所示。利用該通信方式可實(shí)現(xiàn)終端檢測(cè)系統(tǒng)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)，中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下達(dá)隨機(jī)讀指令，可靈活設(shè)置和修改終端檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)。5.4系統(tǒng)軟件基本工作方式檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。主程序主要完成硬件系統(tǒng)配置、初始化，中斷向量進(jìn)行初始化，程序變量初始化等功能。主程序與各中斷服務(wù)程序交互實(shí)現(xiàn)命令傳遞和數(shù)據(jù)傳遞，主程序?qū)崿F(xiàn)從上位機(jī)命令的接收以及檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的打包上傳功能。在中斷服務(wù)程序中則實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓、

22、電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，各電參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算以及與主程序的交互。MC35I模塊檢測(cè)終端1SIM卡MC35I模塊檢測(cè)終端NSIM卡INTERNET計(jì)算機(jī)上網(wǎng)設(shè)備移動(dòng)基站圖3 基于GPRS技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)無線通信框圖5.5載荷扭矩推算5.5.1抽油機(jī)井根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，根據(jù)理論模型可以推出功圖，如下圖所示：根據(jù)所測(cè)得的電機(jī)電磁扭矩曲線推算出減速箱輸出軸扭矩曲線，然后利用預(yù)先計(jì)算好的扭矩因數(shù)推出懸點(diǎn)載荷，進(jìn)而得到該井的示功圖并利用成熟的示功圖分析技術(shù)分析該井的工作狀態(tài)。另外根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，可以準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的輸入功率，從而準(zhǔn)確分析油井地面部分各個(gè)節(jié)點(diǎn)的效率，而不需要再手工測(cè)量電機(jī)的電壓/電流等參數(shù)。5.5.2螺桿泵利用

23、每秒鐘幾十個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電流、電壓和功率因數(shù)等電機(jī)工作參數(shù)，考慮電機(jī)的內(nèi)部損耗，準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)同期的輸出軸扭矩，進(jìn)而計(jì)算出光桿扭矩，利用光桿扭矩值及其變化規(guī)律，對(duì)螺桿泵井的工況進(jìn)行診斷。5.5.2.1 電機(jī)輸出軸功率根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的輸出軸功率與其轉(zhuǎn)子電流成正比，而又近似與成正比，即式中，為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流; 為電動(dòng)機(jī)空載電流。這樣，某負(fù)載時(shí)的為式中， 為電動(dòng)機(jī)額定效率(電動(dòng)機(jī)的額定技術(shù)數(shù)據(jù)); 為額定負(fù)載時(shí)的總損耗; 為輸入電功率; 為不變損耗;為可變損耗(與對(duì)應(yīng))。5.5.2.2光桿轉(zhuǎn)速螺桿泵井抽油桿柱是在地面電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，通過地面設(shè)備中減速箱和驅(qū)動(dòng)頭的作用，把

24、地面電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成光桿的低速轉(zhuǎn)動(dòng)。要計(jì)算光桿的轉(zhuǎn)速，首先應(yīng)得到地面電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速。電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速式中，為電機(jī)的額定功率; 為電機(jī)的輸入功率; 為電機(jī)空載時(shí)同步轉(zhuǎn)速; 為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)光桿轉(zhuǎn)動(dòng)，光桿轉(zhuǎn)速：式中，b為減速箱傳動(dòng)比; 為減速箱效率; 為電機(jī)負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速。5.5.2.3光桿扭矩光桿扭矩是進(jìn)行螺桿泵井監(jiān)測(cè)與診斷的重要技術(shù)參數(shù)，由電機(jī)的輸出軸功率和光桿轉(zhuǎn)速等參數(shù)可計(jì)算得出其準(zhǔn)確的光桿扭矩值。電機(jī)輸出軸扭矩:式中， 為電機(jī)輸出功率; 為電機(jī)負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速。光桿扭矩:式中，為電機(jī)的輸出功率; 為減速箱效率; 為光桿轉(zhuǎn)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(fā)生相應(yīng)變化，電機(jī)的輸出電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，如果是底部桿斷脫，抽油桿不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，垂向拉力接近正常時(shí)的值。螺桿泵采油系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，泵轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于過盈配合，轉(zhuǎn)子只能在定子規(guī)定的范圍內(nèi)做偏心運(yùn)動(dòng)，而垂直方向由于泵兩端壓差作用，轉(zhuǎn)子不能大幅度上下運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于抽油桿柱的下部是被約束的。當(dāng)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(dòng)。抽油桿斷脫后光桿扭矩的變化規(guī)律如下圖。根據(jù)電機(jī)輸出軸扭矩與光桿扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及電機(jī)輸出軸扭矩與電參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果出現(xiàn)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(jù)與正常生產(chǎn)時(shí)的扭矩進(jìn)行比較來判斷。油管漏的主要現(xiàn)象是

26、該井產(chǎn)液少甚至不出液。油管漏失的位置不同，電機(jī)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(yuǎn)小于該井正常工作時(shí)的扭矩值;上部油管漏，扭矩曲線和正常工作時(shí)的扭矩曲線近似，其變化曲線如下圖。螺桿泵每個(gè)腔室相互并不連通，泵轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不同腔室內(nèi)的液體壓力由于泵上油管內(nèi)液體的作用逐漸增加，同時(shí)因定、轉(zhuǎn)子是窄面接觸，所以每個(gè)腔室的液壓力表現(xiàn)為靜吸附力。螺桿泵啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子必須克服靜摩擦力和吸附力，啟動(dòng)扭矩有一個(gè)峰值。泵漏失的原因是因?yàn)槎ā⑥D(zhuǎn)子之間過盈不夠，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)無峰值電流，電流增加的趨勢(shì)較平緩。在泵發(fā)生漏失時(shí)，泵的定、轉(zhuǎn)子過盈摩擦扭矩小，因此在舉升時(shí)抽油桿所需的扭矩小于正常舉升時(shí)的扭

27、矩。其變化趨勢(shì)曲線如圖。任何導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力過大的原因均可能造成卡泵。定、轉(zhuǎn)子出廠時(shí)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(hào)項(xiàng)目內(nèi)容費(fèi)用（萬元）1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及文獻(xiàn)查閱以及理論研究52需求分析103系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)304系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)及制作605系統(tǒng)硬件電路調(diào)試306檢測(cè)系統(tǒng)軟件代碼編制207系統(tǒng)分析軟件508差旅費(fèi)及交通費(fèi)109材料印刷費(fèi)用510專家技術(shù)咨詢及評(píng)審費(fèi)5合計(jì)2255.7經(jīng)濟(jì)效益分析油井電機(jī)扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)后，不僅大大提高河口油區(qū)運(yùn)行的安全性、可靠性，還可以節(jié)約車輛、人工等費(fèi)用，以往的人工巡井，現(xiàn)在足不出戶就可以知道有桿泵的工況。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)每天可以節(jié)約日用電量的2%到3%,約3萬千瓦，一年將是1000萬千瓦，將節(jié)省電費(fèi)500萬元；車輛、人工等費(fèi)用一年可節(jié)約60萬元。6.環(huán)