CN105652202A - 一种基于温度场检测的潜油电机故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种潜油电机温度在线检测及故障诊断系统。设计步骤包括：1.直接在井下潜油电机外壁安装多个温度传感器,测量不同位置处的温度。2.温度传感器使用金属卡箍固定，并采用防水、放油结构，保护传感器不受外界干扰。3.在一个潜油电机上安装12个温度传感器(T1，T2，…，T11，T12)，安装位置如图1所示。4.多个温度传感器采集的数据分析潜油电机一个部位的温度，实现对潜油电机部位的发热量测量。5.读取温度传感器不同时刻、不同位置的时间温度曲线，并结合正常潜油电机的时间温度曲线，对两条曲线进行拟合，通过拟合度判定潜油电机的工作状态，并绘出当前工作状态下潜油电机发生故障的几率。不仅提高了时效性，也节省了生产成本。

Description

一种基于温度场检测的潜油电机故障诊断方法

技术领域

本技术涉及装备制造领域，对传感器的金属外壳的设计与加工有着很高的要求，防水、防油、防酸、防碱等腐蚀。

特别涉及传感器领域，在井下复杂的环境条件下，实现对温度信号的采集、调理、存储、通信。

背景技术

温度诊断法就是潜油电机在正常运转的时候，采集电机从静止、启动、正常工作、停机、静止，记录一个周期下温度随时间的变化曲线，根据测量温度曲线与正常电机温度曲线对比，进行拟合度计算。

残差平方和：总平方和：式(1)中t_i实际测量的值，T_i拟合曲线计算出来的值。R²在(01)内，当R²越大，曲线的拟合度越高。

根据流体力学和传热学，计算潜油电机内部产热和热传导方式，运转过程各阶段的特点，推到温度曲线四个阶段的响应方程，建立标准的温度曲线模型。再考虑实际油田上可能出现的高含气、高原油乳化、电机电压不稳、管柱漏油等实际情况，分析这些故障在温度曲线上的响应，找出温度曲线的变化规律，再建立在各种工况下的温度曲线模型。结合现场实测数据，应用温度曲线模型对潜油电机性能进行分析，依照现场实测的工况诊断结论，对温度模型的准确性进行验证。

现在温度诊断故障法主要应用在衡量潜油电机的性能，潜油电机工作在井下1～3km，由于油井的内直径是159mm，潜油电机的外径是116mm和109mm两种，在潜油电机的下井作业时，空间相对狭小，这就对传感器的尺寸严格要求，传感器就需要满足体积足够小、密封、抗电磁干扰、抗油腐蚀、撞击不变形。

长期以来，对潜油电机的诊断，温度检测故障的方法没有实现对潜油电机的在线检测。但随着潜油电机在油田的广泛应用，潜油电机的故障检测成为难点问题。传统检测温度方式是在电机底部加一节传感器，但只能测得一个点或者某个位置的平均值，而大部分的检测是潜油电机在地面空载实验，测试环境不是潜油电机真正工作的环境，不能真正测试出电机的工作性能，也不能判断潜油电机主要部件的性能。

现有红外热成像仪采用的热成像原理，能找出高温点记录测量区域内的升温过程。红外测温方法和传统测温方法，都不能在线测量潜油电机在井下正常工作时的主要部件的温度变化、以及油井内部环境对电机造成的影响。因此红外热成像仪和传统测温方法都不适宜对正常工作下的潜油电机进行故障诊断。

发明内容

1实现用传感器对潜油电机的直接测量。

1、传感器的密封。传感器金属外壳顶上开盖，内部开腔，并在四个角洗出防水螺纹，如图2。传感器外壳在密封时再加上一层橡胶垫片，实现防油、防水、抗酸、抗碱的功能，并且保证外界的电磁干扰不会进入传感器内部，避免传感器采集信号和存储信号被外界电磁信号干扰，保证信号的准确性。

2、传感器结构。传感器外壳有着严格的要求，传感器外壳的弧形结构使得它与潜油电机外壳充分接触，实现无缝隙温度传导。

3、传感器外壳的厚度(30mm)。使得传感器固定在潜油电机上不妨碍下井作业。

4、传感器的材料。传感器坚硬的外壳材料使得传感器在下井作业时发生碰撞，不会导致传感器外壳发生变形，以影响传感器的工作状态。以上四点实现了温度传感器在井下对潜油电机的在线测量。

2解决了传感器金属外壳与潜油电机外壳接触热阻问题。

热姆油和锡箔有良好的导热性能，稀薄柔软放在传感器和潜油电机外壳之间，保证了传感器外壳和潜油电机外壳充分接触，在锡箔的两面分别涂上一层热姆油，既增加了传感器外壳与潜油电机外壳的接触面，也减小接触热阻，增强温度传导性能，使温度传感器测量的值更加精确。

3实现内部存储和信号传输不受外部干扰。

温度传感器采集到的温度信号转化为电信号，然后存储到存储电路。由于传感器使用金属外壳密封，保证外界的电磁干扰不能进入传感器，这也保证了信号的存储和传输不会受到外部电磁信号的干扰，保证了信号的准确性。

4解决电机内部不同部件故障出现问题的诊断

电机内部的热源主要有6种，分别是润滑油与转子的摩擦、润滑油与定子的摩擦、止推轴承的动静块摩擦、扶正轴承的摩擦、转子铜耗、定子铜耗。

根据流体力学和传热学，运用数量级分析法和有限元法，确定了热流方向及建立了二位稳态紊流边层对流换热的方程组的数学模型

求解出换热系数a。

其中边界层内主流方向流速u、沿壁面法线方向流速v、流体温度T为待求，u_∞是主流速度，γ动量扩散系数，β_m、β_h为粘度系数，P是压力，T_w是电机壁面温度，T_∞是流体温度，h为物体表面和周围流体间的表面传热系数，a热扩散系数为待求。热量传导方向和利用换热系数求出产热量，检测出热源位置，通过检测热源温度确定电机不同部件是否发生故障。

附图说明

图1是本发明型温度检测潜油电机故障方法的结构图

图2是本发明型温度传感器金属外壳横截面结构图

图3是本发明型内部结构示意图

图4是潜油电机内部液体流动示意图

图5是本发明型温度采集的实施原理框图

具体实施方式

结合附图，对本发明型作进一步描述。

参照图1，当进行温度测试时，温度传感器外壳与潜油电机外壳紧密连接，温度信号有效的被温度传感器所感知并转化成电信号，经过调理，存储、通信实现度电机温度的采集。温度传感器外壳横截面如图2采用密封防水结构设计，传感器上盖的四个固定脚采用的是防水螺纹设计，在密封时加一层橡胶垫，实现有限的防水、放油功能。温度传感器内部结构示意图如图3所示电路内部有温度芯片、处理器电路、存储电路、调理电路、通信电路，如图4所示的电机内部润滑液流动示意图有效的揭示了温度的传导方向，为温度分布提供了有效的参考。

参照图5，温度芯片采集到温度,温度转化成电压信号通过短导线将该电压信号传处理器电路,经过信号调理电路是对感应的电压信号进行放大、相位补偿、滤波以保证感应信号与实测电流信号的相位、波形一致，采用差动放大电路可消除共模信号的影响，减少测量误差。调理电路输出的信号接到图3所示的存储电路,存储电路与通信输出接口，输出接口采用多种通用接口，可连接示波器、频谱分析仪等，对电压、电流信号进行测试。

Claims (9)

1.潜油电机温度在线检测及故障诊断系统，其特征在于：直接在井下潜油电机外壁上安装多个温度传感器，测量不同位置上的温度；温度传感器外壳使用坚硬的金属外壳，利用热传递的性质，固定多个传感器于一个潜油电机的外壳上的不同位置，利用采集电路、处理电路、调理电路、存储电路、通信电路来检测电机的温度；传感器外壳厚度(30mm)，传感器外壳与潜油电机外壳之间夹着一层(0.1-0.2mm)厚的锡箔，锡箔两面涂有一层(0.01-0.1mm)的热姆油。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：提出温度的时空测量。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：传感器的体积足够小，长200mm,宽100mm,厚30mm，如图2所示。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：温度传感器金属外壳是密封、抗油、抗酸、抗碱等腐蚀，坚硬的金属外壳抗1000N的力不发生形变。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：使用金属卡箍固定传感器于潜油电机外壳上，在受到1000N的力不发生相对滑动。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：一组温度传感器放在一个潜油电机的不同位置，实现对电机内部不同部件发热量的精确测量。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于：扶正轴承的发热量由T1,T2,T3采集到的数据通过热扩散方程求得、止推轴承的发热量由T4,T5,T6采集到的数据通过热扩散方程求得、定子和转子的发热量由T7,T8,T9,T10,T11,T12采集到的数据通过热扩散方程求得。

8.根据权利要求1，使潜油电机外壳与传感器金属外壳充分接触，减小接触热阻，减少两个界面的温度降落。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于：传感器金属外壳密封抗电磁干扰，温度传感器时时采集，时时存储；保证信号不受外界信号的干扰，使得检测的温度更加精确。