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

?

一種抽油機電力參數(shù)測量儀

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

【摘 要】當今社會科技飛速發(fā)展,對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發(fā)展中不可或缺的物質(zhì)。截止2015年中國石油開采量已達62億噸,剩余可采量206億噸,我國經(jīng)濟發(fā)展的腳步已經(jīng)遠快于我國石油開采的速度,在我國經(jīng)濟如此快速發(fā)展下,中國已成為石油第二大消耗國。根據(jù)預測至2020年我國原油缺口量將至少達2.7億噸,對外進口量將超過70%,因此油田企業(yè)以節(jié)能作為目標想要盡量提高抽油機的工作效率,進行了對抽油機以及抽油機測量儀的全方面技術(shù)提高,不僅能夠節(jié)能降耗,并且對我國油田采油工藝的發(fā)展也有較大影響。

【關鍵詞】抽油機 能源 測量儀

1 引言

當今能源的消耗量日益增大，然而開采量逐日遞減，人類的生命活動離不開能源，照這樣的速度發(fā)展能源也將枯竭。所以各個油田不得不把節(jié)能降耗的目標貫穿于油田生產(chǎn)經(jīng)營的整個過程。從中國發(fā)現(xiàn)大慶油田的初期，在僅僅的五十年期間中國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、科學發(fā)展才能對人類真正有益?，F(xiàn)代為了實現(xiàn)能源的最大效率以及節(jié)能降耗的目的，油田企業(yè)也加大對這一方面的研究力度，實現(xiàn)油田企業(yè)能在未來的良性循環(huán)，提出了各個有效的措施。如今國內(nèi)也產(chǎn)生了許多不同型號的電力參數(shù)測試儀。

相比國內(nèi)外的抽油機電力參數(shù)測量儀進行了一定的比較，國內(nèi)生產(chǎn)的抽油機測試儀比如DZY-III便攜式抽油機測試儀和BCX綜合測試儀，雖然價格低廉，操作方便簡單，但是體積過大，做工相對粗糙，精度較低，受周圍工作環(huán)境影響過大，并不利于在野外長時間的操作。國外的抽油機雖然價格比國內(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。國外生產(chǎn)的抽油機電力參數(shù)測試儀在不斷發(fā)展的新技術(shù)中實現(xiàn)了自身價值，在世界電力技術(shù)發(fā)展中也相對成熟。

在各大油田企業(yè)開采石油過程中，希望能得到一精度等級高的電力參數(shù)測量儀，才能進一步達到節(jié)能降耗的目的。然而我國的抽油機電力參數(shù)測試儀的體積和精度都是一個需要攻克的問題，所以我國目前就需設計一高精度、價格低廉、便攜式油井測試儀。

2 系統(tǒng)模塊設計

為了更精確的測量出抽油機的各個參數(shù)達到抽油機電能最小消耗量，同時要求在抽油機一個周期內(nèi)能夠進行對歷史數(shù)據(jù)的記錄分析，本課題主要研究并設計一種抽油機電力參數(shù)測試儀，不僅可以測量出電流與電壓，還可以對抽油機的平衡度進行分析。這里設計的抽油機電力參數(shù)測試儀以芯片STM32F103VCT6控制系統(tǒng)，包括鍵盤控制模塊、時鐘電路模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、LCD顯示模塊。主要功能是利用電壓電流信號對抽油機進行抽油機平衡度的監(jiān)測，過程為通過電壓采集模塊、電流采集模塊對電壓電流信號進行采集，并可以通過LCD串口顯示器進行實時的顯示。通過CPU執(zhí)行模塊將采集到的電壓電流信號傳輸?shù)綍r鐘電路模塊進行時間記錄，鍵盤控制模塊對其進行控制，數(shù)據(jù)存儲模塊進行對一個周期內(nèi)所記錄的電壓電流數(shù)據(jù)，當記錄了整個周期內(nèi)的電壓電流信號后就可以監(jiān)測抽油機的運行狀態(tài)和不平衡度。抽油機的能耗是通過點擊消耗的功率體現(xiàn)的，要求抽油機的平衡度達到一定的標準才能實現(xiàn)節(jié)能降耗，而抽油機的各種工作狀態(tài)(包括地面和地下)都是在電機電力參數(shù)上直接反映出來。實現(xiàn)抽油機節(jié)能降耗，這種抽油機電力參數(shù)測量儀既能測量整個周期的電流電壓，又能對其進行數(shù)據(jù)的分析，簡化了A/D復雜的外圍電路的設計，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 實現(xiàn)測量方法

系統(tǒng)主要用SA9904B芯片實現(xiàn)對抽油機的三相電各項參數(shù)的測量。電壓互感器和電流互感器采集到的電壓與電流信號，將大電流信號和電壓信號變換為可以經(jīng)過SA9904B處理的小信號，處理后信號可以直接供給CPU控制單元進行運算處理。測量的數(shù)據(jù)或波形通過串口顯示屏顯示，并能夠?qū)Ρ粶y量數(shù)據(jù)進行分析。使用鍵盤進行選擇測量，屏幕上就會顯示出被測量值。此外利用E2PROM存儲芯片來對過去一段時間內(nèi)測得的數(shù)據(jù)進行存儲，并可隨時進行調(diào)取這些數(shù)據(jù)進行分析，配有的USB借口實現(xiàn)測量儀與上機位之間的數(shù)據(jù)通信基本量的測量是實現(xiàn)儀器其它參數(shù)測量的基礎。

測量的主要電路:

(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轉(zhuǎn)換成SA9904B 可以測量的電壓信號(±5V)。用A相電壓模擬輸入為例，其余兩相的輸入通道設計原理相同。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0.5V。R5和C1構(gòu)成一個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 最大信號電壓變換范圍為±0.5V。其中給以SA9904B 的信號取樣電阻R10 和R11都為1.8歐，且當電流最大為0.1A時，其輸出電壓最大值約為0.36V，不超過0.5V。限幅二極管起到保護作用。

測量的主要參數(shù)運算:

SA9904B芯片內(nèi)部能夠?qū)㈦妷弘娏餍盘栠M行計算得到有功功率、無功功率以及功率因數(shù)等參數(shù)。SA9904B內(nèi)部總共含有20個引腳，用PDIP-20進行封裝。SA9904B內(nèi)部有9個元暫存器來裝載各相的無功耗能、有功耗能與電壓參數(shù)。被測電路的功率不會直接提供給用戶，而是通過內(nèi)部公式運算后的最終結(jié)果傳送給用戶。

計算每相的有功或無功電能:

(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)間的時間差值(單位為秒)。

電能=(VRATED*IRATED)/320000 (1)

(2)計算每相的有功或無功功率:

功率=電能*N/INTTIME/320000 (2)

(3)精度:

SA9904B芯片的RMS電壓的測量精度為1%，有功功率的測量精度為1.0級。適合做抽油機電力參數(shù)測試儀的三相有功和無功儀表，所以利用此芯片設計出的儀表精度誤差在1%之內(nèi)。

4 結(jié)語

完成整個抽油機電力參數(shù)測試儀的理論分析和硬件實物制作，以成品的形式進行成果展示，預期檢測誤差在0.03%左右，定位誤差在1%范圍以內(nèi)，更好的滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需求，同時能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機電力參數(shù)的測量和分析，通過USB接口可以實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信和相應的設置，有效的提高系統(tǒng)工作職能和自動化程度，并配有SD數(shù)據(jù)存儲芯片，方便對歷史測量信息和分析結(jié)果的存儲和查詢調(diào)用，從而強化該系統(tǒng)的管理職能。

總之，該電力參數(shù)測量儀相比國內(nèi)市場所有的測量儀更加安全可靠、使用方便、精度高、測試參數(shù)多、支持數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)通信等優(yōu)點，亦可以用于對抽油機電機的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)等參數(shù)的測量。

參考文獻

[1]李成凱.智能油井電參數(shù)測試儀[D].北京:中國石油大學,2009.

[2]馮建勤,趙志永,喬智等.多功能電力儀表計量芯片[J].電子設計工程,2011.

[3]廖百健.抽油機能效測試分析儀的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[4]劉志剛.基于ADE7758的電力監(jiān)測儀表的研究與實現(xiàn)[D].北京:北京化工大學,2010.