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1、前言
    隨著老油田進(jìn)入中后期開采階段，油井地層能量逐步降低，只有按照“充分挖掘油井生產(chǎn)能力，兼顧電能消耗最小”的原則，才能實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)的效益最大化。但是國內(nèi)外廣泛采用的抽油機(jī)由于其機(jī)械特性的特殊原因，造成了抽油機(jī)的動力系統(tǒng)大部分運(yùn)行在“大馬拉小車”的工作狀態(tài)，動力系統(tǒng)的效率一般低于30%，造成了效率低下、能耗高、采油成本居高不下的局面。
    為了改善抽油機(jī)井面臨的這種局面，在保留常規(guī)抽油機(jī)井配電柜全部功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)井的工況及抽油機(jī)的工作狀態(tài)變化，以有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，以全數(shù)控電力拖動為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、過程控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電腦技術(shù)和傳感器技術(shù)，按照機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，通過增加功圖，壓力．電量、油溫等參數(shù)與時間的連續(xù)采樣，綜合分析判斷電機(jī)、抽油機(jī)、抽油泵工作狀況，自動優(yōu)化油井生產(chǎn)制度等，研制出一種可以自動調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)的抽油機(jī)井智能一體化配電柜，它可以根據(jù)每口油井實(shí)時檢測的工況數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時分析，及時自動調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井智能化閉環(huán)控制，使抽油機(jī)始終在最佳參數(shù)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能及提高抽油系統(tǒng)效率的目的。
2、配電柜的總體結(jié)構(gòu)
    抽油機(jī)井智能一體化配電柜采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)要求進(jìn)行擴(kuò)容組件，不影響其它功能模塊使用。其整體框圖如圖1所示。
  下面介紹一下配電柜的各組件。
    (1)無線通訊模塊將存儲在數(shù)據(jù)采集控制器里的各種井口工況數(shù)據(jù)，通過GPRS/CDMA/SCDMA/EVDO等無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳到油田信息中心．
    (2)功圖測試傳感器、數(shù)字壓力傳感器、數(shù)字溫度傳感器，三相電量采集模塊等，采用微功耗芯片和短距離先進(jìn)的數(shù)字無線傳輸技術(shù)-2.4G/Zigbee方式（即傳感器測量及無線通訊融為一體），實(shí)時采集功圖、壓力、溫度、電量參數(shù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集控制器。傳感器信息獲取技術(shù)從過去的有線式單一化漸漸向集成化、微型化和無線網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
    (3)無線功圖測試傳感器實(shí)時檢測抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)功圖測試。該功圖傳感器通過加速度器件采集運(yùn)動加速度，通過計(jì)算得到抽油機(jī)懸點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，使位移測試更加簡單。
    (4)變頻控制器單元使得控制器與電機(jī)獲得最佳匹配，以保證抽油機(jī)系統(tǒng)始終工作在最佳變頻的狀態(tài)下。
    (5)抽油機(jī)智能間抽控制器，結(jié)合電機(jī)電流、功率、示功圖、壓力動態(tài)變化曲線等，并運(yùn)用新型的供排理論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，能夠快速分析油井產(chǎn)液規(guī)律及其變化情況，實(shí)現(xiàn)在油井產(chǎn)量不減的前提下，制定出油井最佳間抽方案，即有油就抽、無油就停，從而達(dá)到節(jié)電降耗的目的。
    (6)三相電量采集模塊采用低功耗單片機(jī)，完成模塊數(shù)據(jù)采集處理，可測量三相交流電壓，電流，有功功率，功率因素等電參量。
    (7)電力控制電路由空氣開關(guān)，交流接觸器、電機(jī)綜合保護(hù)器、功率因數(shù)補(bǔ)償電容、中間繼電器、斷路器和接
線端子等構(gòu)成。它具有通用配電柜的全部功能，有獨(dú)立于自動控制的手動操作面版，能進(jìn)行手動／自動切換。
    (8) 110模塊是系統(tǒng)輸入、輸出的橋梁。它處理傳感器的輸入信號并傳送給數(shù)據(jù)采集控制器，接受并執(zhí)行控制系統(tǒng)對外部設(shè)備的各種控制指令。
    (9)數(shù)據(jù)采集控制器能按設(shè)置要求實(shí)時采集各種工況數(shù)據(jù)及控制，所有的工況數(shù)據(jù)在現(xiàn)場配電柜中可儲存一個月以上，且能使用U盤、筆記本、PDA或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備讀取工況數(shù)據(jù)。
3、功能及特點(diǎn)
    5.1功能
    (1)油井工況數(shù)據(jù)自動巡檢。實(shí)時采集三相電流、三相電壓、正反向有功功率和電量、正反向無功功率和電量、平衡度，功率因數(shù)等全部電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷、位移、沖次、油壓、套壓、回壓，油溫等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動采集、顯示、記錄和存儲。
    (2)油井工況自動診斷分析。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動生成示功圖、電流圖、功率圖等，實(shí)時進(jìn)行示功圖診斷分析，工況故障診斷分析；計(jì)算油井產(chǎn)液量、泵效、單井能耗、單機(jī)效率及整個區(qū)塊的平均系統(tǒng)效率等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的打印、輸出等。
    (3)優(yōu)化運(yùn)行。對于供液量充足的油井，按建議加快抽油速度，對于供液不足的油井，自動放慢抽油速度，并進(jìn)行間抽。如果井口電機(jī)安裝變頻控制器，則可將優(yōu)化建議應(yīng)用于實(shí)際控制過程中。可以設(shè)置一組建議參數(shù)讓操作人員選擇，如操作人員未干預(yù)，就按默認(rèn)方式進(jìn)行控制運(yùn)行。
    (4)電機(jī)綜合保護(hù)功能。電參量計(jì)量，存儲與實(shí)時監(jiān)測，并記錄抽油機(jī)電機(jī)的電流、電壓，功率因數(shù)以及過流、過載、缺相等情況。如電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)突發(fā)性故障或嚴(yán)重超出界限值時，系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光報警，給予提示，無應(yīng)答時能夠自動緊急跳閘斷電，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的保護(hù)。
    (5)聯(lián)鎖控制。具備油井工況與變頻控制器、間抽控制器等聯(lián)鎖控制功能}控制模式采用手／自動，本地／遠(yuǎn)程的方式。
    (6)故障自檢。故障自檢是指現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行的故障自檢，包括各傳感器故障、變送器故障、自身故障等，如果這些故障出現(xiàn)，它將及時向上位機(jī)匯報請求支援。如果井場不能與上位機(jī)通訊，則自動轉(zhuǎn)入獨(dú)立運(yùn)行程序，上位機(jī)則做報警并予以記錄。
    (7)紅外探測防護(hù)功能。紅外三鑒探測器和語音報警配合，在自動啟動前若有人，畜進(jìn)入非安全區(qū)則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，語音報警受控工作，直至物體離開，防止誤傷人畜等意外事故的發(fā)生。
    (8)抽油機(jī)安全啟動功能。模擬人工啟停抽油機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)低負(fù)荷自動安全啟動。通過遙控器可以實(shí)現(xiàn)對抽油機(jī)的非接觸式啟停控制操作，增強(qiáng)抽油機(jī)啟停操作的安全性。
    (9)報警功能。油井現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備連續(xù)采集各傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。具有停電、停機(jī)、回壓異常、缺相及電流異常等報警功能；開機(jī)前進(jìn)行80分貝標(biāo)準(zhǔn)語音（或其它聲音信號）報警。
    (10)生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理。自動記錄油井工況數(shù)據(jù)及油井故障情況，生產(chǎn)報表、圖表并打印；對歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)、控制量生產(chǎn)運(yùn)行日志進(jìn)行查詢，并可實(shí)現(xiàn)與油田局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享。
    3.2特點(diǎn)
    (1)全無線微功耗數(shù)字化傳感器應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)傳感器輔設(shè)信號線，排除了信號線故障，大大降低了維護(hù)工作量，使用性能更加可靠。
    (2)整合了油井工況數(shù)據(jù)巡檢、工況自動診斷分析、產(chǎn)液量計(jì)算、電力控制、液晶顯示及觸摸屏技術(shù)，優(yōu)化了主機(jī)的節(jié)能功能。
    (3)在保留常規(guī)抽油機(jī)節(jié)電控制柜全部功能的基礎(chǔ)上，以有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，通過增加功圖、壓力、電量、油溫等參數(shù)與時間的連續(xù)采樣，通過綜合分析判斷電機(jī)、抽油機(jī)、抽油泵工作狀況，自動優(yōu)化油井生產(chǎn)制度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井智能化閉環(huán)控制。
    (4)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，既便于系統(tǒng)功能的各種組合和修改，又便于抽油機(jī)廠家配套設(shè)備在油田上的應(yīng)用。
    (5)配電柜符合油田生產(chǎn)管理的規(guī)定，滿足相關(guān)人員日常使用的需要，并滿足操作過程中直觀、方便、實(shí)用，安全等要求。
4、結(jié)論
    抽油機(jī)井智能一體化配電柜在保留常規(guī)抽油機(jī)井配電柜全部功能的基礎(chǔ)上，以有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，通過增加功圖，壓力、電量、油溫等參數(shù)與時間的連續(xù)采樣，通過綜合分析判斷電機(jī)、抽油機(jī)、抽油泵工作狀況，自動優(yōu)化油井生產(chǎn)制度，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井智能化閉環(huán)控制。研究成果形成了具有手動啟動和停止或自動延時自啟動，電機(jī)軟啟動、變頻調(diào)速、間歇式采油控制、電機(jī)保護(hù)、油井工況巡檢、產(chǎn)液量計(jì)算等功能的油井電動機(jī)專用控制與保護(hù)裝置。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該配電柜采集數(shù)據(jù)可靠、工況分析準(zhǔn)確、頻率調(diào)整科學(xué)、現(xiàn)場應(yīng)用穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)節(jié)能及提高抽油系統(tǒng)效率的目的。
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