潜油电泵监测系统

摘要：潜油电泵监测系统是实时测量潜油电泵工况的仪器，主要监测潜油电泵进口压力、出口压力、电机温度，出口温度、X/Z方向振动、工作电压/电流等参数通过上述数据判断潜油电泵运行状态，根据参数调节变频器运行状态，保证潜油电泵不出现空抽及卡死等现象，降低停产造成的巨额损失。

关键词：潜油电泵;实时测量;参数调节

0 潜油电泵监测系统组成

潜油电泵监测系统主要由三部分组成，地面观测系统、地面扼流装置、井下监测系统。

地面观测系统（SURFACE PANEL）是人机交互端口，将井下监测系统采集的信号经过解码后显示在该观测系统中。该观测系统与变频器通过RS485线连接，可以根据观测到的参数调整变频器的运行状况，保证潜油电泵抽油保持高效状态。

地面扼流装置（ZENITH HV CHOKE）是监测系统与变频器之间的接口，采用变频器专用高压线连接二者，因为变频器存在各种谐波成分，采用该装置后可以将干扰信号与谐波信号尽可能的抑制在较低水平。内部由三相电抗器和电阻组成，外部的熔断器可以保证有大电流通过时监测系统不会受到冲击。它的LINE与CHASSIS接口与地面观测系统的接口相连。

井下监测系统是潜油电泵数据采集的核心，它不需要信号传输线，通过潜油电泵电机中性点可以将信号传输到地面观测系统中，可以观测的信号包括进口压力、出口压力、电机温度、进口温度、X/Z方向振动、工具电压/电流等7组参数。这些参数是潜油电泵操作人员最关心的参数，根据这些参数可以判断潜油电泵现在的运行状态，判断扬程及抽油状态，保证潜油电泵工作状态正常[1]。

1 潜油电泵监测系统的优点

传统潜油电泵运行状态的观测采用压力传感器（内含PTIOO）可以观测潜油电泵压力与温度两个参数，但信号传输需要信号线，且需要独立供电的电源线，总共6根（分别为压力信号两根、PTIOO两根、电源线两根。潜油电泵主要是针对深井（地下3000米以下），由于传输距离较长信号线耗材较贵，且信号线捆绑在潜油电泵泵体上。但井下抽油过程泵体始终处于钟摆状态，造成信号线磕碰，经常造成信号采集效果不佳或无信号传输到井上，无法观测潜油电泵运行工况，造成抽油过程中出现卡顿等现象，这样影响了抽油工作，往往需要提井维修，会造成重大经济损失[2]。

潜油电泵监测系统为实现给井下系统供电，地面扼流装置利用三相电抗器，构造一个人工星点。井上二次仪表接在此星点上。三相动力线在此两个星点上的电动势为0。因此井上星点可以获得井下耦合信号，变频器输出三相交流电是对称三相电，不论电压电流如何变化，电机星点与电抗器模拟星点的电势差都是0，因此三相电流电压不会影响信号传输与耦合。采用电力载波专用调制解调芯片XR2206将井下信号传输到井上，井上采用XR2211芯片进行信号解调完成信号传输。

2 监测系统硬件分析

监测系统主要由两部分组成，地面观测系统与井下监测系统。

（1）地面观测系统主要由如下几部分组成：液晶显示屏、AC/DC模块、信号解析采集板。

其中信号解析采集板主要有如下功能：①RS485接口，分别连接变频器与液晶显示屏。②DC/DC功能，AC/DC模块将220V市电转换为DC24 V，将该直流24 V分为两路，一路经过TI公司的LM22675-ADJ转换为SV电压供地面观测系统工作，转换电路如图4所示。另一路经过半桥驱动与正激变压器输出120 V直流信号给井下监测系统供电。

③8阶低通滤波器井下采集的信号已低频方式经过电机中性点，变频器高压信号线，地面扼流装置后传输给地面观测系统，信号的频率在15 Hz以下，而传输信号中夹杂着变频器的高次谐波成分，所以信号进入地面监测系统要把谐波信号滤除，采用8阶低通滤波器后，可以将15 Hz及以下的有用信号保留，图5为八阶低通滤波器中的初始两阶，后面还有三组二阶低通串联组成，四组区别只是电阻与电容的阻值与容值不同，为了滤除不同频率的信号。其中运放采用TI公司OP777芯片，需要双轨供电。

④信号比较经过8阶低通滤波器后有效信号需要经过电压比较器，此处比较器的作用是区分不同的信号，由于有7组不同的信号传输，根据其不同的电平值，定义其是哪组信号，便于处理器进行处理。

⑤信号分析及传输处理器将7组不同的信号经过分析解码后，通过RS485传输给液晶显示屏与变频器[3]。

（2）井下监测系统主要由稳压管、单相电抗器、电源板、信号采集板组成。稳压管为120 V稳压管，将地面观测系统提供的直流电压进行稳压处理。由于井下监测系统是利用潜油电泵电机中性点，电机中性点存在交流成分，故进入进行监测系统前需要对交流成分进行滤波处理。保留直流电源为系统供电。

电源板與信号采集板主要完成如下功能：①电源分配进入监测系统的120 V电压经过震荡电路与反激变压器将电压变换为10 V与SV电压，其中SV电压作为系统电源，10 V电压为甲乙功率放大器使用，推动采集的信号传输到井上地面设备。②信号采集采用2个溅射薄膜压力传感器分别采集潜油电泵进口与出口压力，采集的压力信号幅值很低，将信号传输给ADI公司的24位ADC芯片AD7794，该芯片可以处理微弱小信号，将信号处理后输出给处理器进行分析。温度采集采用J型热电偶，将冷端焊接在电路板上，热端接到潜油电泵电机内，测量其温度。采集的信号经过LTC公司的仪表放大器LTC2050进行型号放大后，输出给TI公司的ADC芯片ADCS7477，经模数转换后给处理器进行分析。振动信号采用ADI公司最新的两轴加速度传感器ADIS16006，该加速度传感器为数字输出，信号给处理器进行分析。③处理器接收到3组信号分析后将数字量输出给Microchip公司的DAC芯片MCP4728，经LTC公司比较器LTlOII输出给甲乙放大器，输出到井上设备。

3 监控系统软件流程

监控系统软件主要分为井下数据采集与井上数据分析两部分。井下数据采集主要工作包括，压力信号的校准、温度信号校准、振动信号校准、数据信号编码发送。井上数据分析包括数据解码接收、数据分析、数据发送到人机界面与变频器。

井下数据采集的压力信号由于压力传感器零点偏移及线性误差，采用活塞式压力计对压力信号进行校准，对采样信号与压力计码盘质量经过MATLAB进行拟合，拟合后的效果近似为二次函数。同理，对热电偶的温度信号进行采集及拟合工作，由于工作温度范围在0- 150度温度范围，故信号采集时需要更换介质，用加热设备分别加热水（100℃以下）和乙醇（100℃以上）。温度拟合曲线为三次函数。对振动加速度的测量主要是变换其所在方向，正上，正下，正左，正右，其数值分别对应一个方向最大，另一个方向最小。数据编码发送，将不同信号赋予不同的电平值经甲乙放大器发送到井上。

井上数据分析将不同电平值的信号解码为压力、温度、振动信号，并将不同的信号送到人机界面为其设定的地址号中显示。

4 结论

本文系统地分析了潜油电泵监测系统的组成、优点、软硬件设计思路。潜油电泵监测系统作为潜油电泵的伴侣可以实时将监测信号传输给井上采油人员，便于工作人员对工况进行调节，不再需要采油人员凭借经验来分析潜油电泵运行状况，减少了停井造成的经济损失，逐渐被主流采油厂商采用。

参考文献：

[1]张铭钧，董振刚，张丙良，潜油电泵机组及井下传感器状态监测技术研究[J]电机与控制学报.2009（1）.

[2]袁丽丽，潜油电泵井下参数高精度监测及高效运行研究[D].啥尔滨：啥尔滨工业大学，2011.

[3]张雯搏，潜油电泵机组及井下传感器状态监测技术研究[J].中国石油和化工标准与质量.2012（7）.

作者简介：

孙晓伟，高级工程师。