CN111766831B - 一种潜油电泵智能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油开采技术领域，且公开了一种潜油电泵智能控制系统，包括位于地面部分和位于井下的检测部分；井下部分包括与潜油电泵电性连接的井下传感器；地面部分包括控制柜和井口接线箱，所述井口接线箱与潜油电泵电性连接，所述井口接线箱电性连接有升压变压器和电抗器；所述控制柜内分为上中下三层，所述控制柜的中层设有PLC控制器和PLC控制器电性连接的传感器解码器。该潜油电泵智能控制系统及其控制方法，通过在地面部分的PLC控制器、升压变压器、正弦波滤波器、传感器解码器和电抗器和井下的井下传感器的配合使用，将潜油电泵的数据进行采集，并进行判断，可以本地实时调节潜油电泵的运行。

Description

一种潜油电泵智能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体为一种潜油电泵智能控制系统及其控制方法。

背景技术

潜油电泵作为一种井下大排量井液举升的设备，特别是在排水采气时具有不受井深井斜限制，适合全生命周期的可调排量，适应高气液比高扬程需求，且有一定的固体颗粒处理能力，解决了绝大多数井下问题，因而得到了广泛应用。

中国专利CN 105114295 B一种潜油电泵智能生产控制系统，其特征在于，该控制系统包括井下压力传感器，PLC和执行器，所述PLC包括CPU、电源、数模转换模块以及下载到PLC内的控制软件；所述井下压力传感器被固定到潜油电泵的潜油电机上，检测井底的压力，检测信号通过电缆以模拟量的方式传送回位于地面的所述PLC内，并由所述PLC内的数模转换模块转换成需要的开关量信号；所述PLC位于地面的电控箱内，通过预先编制于所述PLC内的控制软件对所述井下压力传感器传送的信号进行识别，并根据工艺的要求进行判别，以确定是否使执行器动作，从而接通或断开潜油电泵的电源，实现智能生产控制；所述执行器根据所述PLC发出的指令接通或断开潜油电泵的电源，使潜油电泵按照井下的状况和需要来生产；所述PLC与所述执行器置于防爆箱内，以提高防爆级别和安全性；传感器”+“PLC控制器(简称“PLC”)”的方式来组成这样的智能生产控制系统。通过测定井下的有关信息来决定潜油电泵是否运转或者停转，即智能化的实现开始生产或者停止生产。

但以上的控制系统和现有技术在对潜油电泵的启动过程中和潜油电泵的生产过程中的出现的异常情况不能够进行监控和自动进行处理，例如：有时固体颗粒或者沉淀物堵塞潜油电泵，造成潜油电泵启动困难；潜油电泵在过载和欠载时，导致潜油电泵工作温度过高，增加了电能消耗等；需要提供一种针对异常情况作出反应和处理并且能够远程控制的控制系统。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种潜油电泵智能控制系统及其控制方法，具备自动对潜油电泵控制等优点，解决了现有技术不能够对潜油电泵进行实时控制的问题。

(二)技术方案

为实现上述自动对潜油电泵控制并处理异常的目的，本发明提供如下技术方案：

一种潜油电泵智能控制系统，包括地面部分和井下部分；

井下部分包括与潜油电泵电性连接的井下传感器；

地面部分包括控制柜和井口接线箱

所述井口接线箱与潜油电泵电性连接，所述井口接线箱电性连接有升压变压器和电抗器；

所述控制柜内分为上中下三层，所述控制柜的中层设有PLC控制器和PLC控制器电性连接的传感器解码器，所述传感器解码器和电抗器电性连接；所述控制柜的下层设有正弦波滤波器；所述控制柜的上层设有与PLC控制器电性连接的变频器；所述变频器和正弦波滤波器电性连接，所述正弦波滤波器和升压变压器电性连接。

优选的，所述控制柜的中层还设有和PLC控制器电性连接的物联网关，所述控制柜上还设有三合一天线，所述物联网关和三合一天线电性连接。

优选的，所述控制柜的中层还设有温度传感器和除湿加热器，温度传感器和除湿加热器均与PLC控制器电性连接。

优选的，所述控制柜的中层还设有防雷保护器，所述防雷保护器和变频器电性连接。

优选的，所述地面部分还包括有用于对潜油电泵的管道进行检测的地面传感器组，所述地面传感器组与PLC控制器电性连接，包括油压传感器、套压传感器、气量传感器和液量传感器。

一种潜油电泵智能控制系统的控制方法，包括以下步骤：

利用PLC控制器采集变频器、地面传感器组和井下传感器的数据；

PLC控制器根据变频器、地面传感器组和井下传感器反馈参数判断当前作业状态；

PLC控制器根据作业状态，调用PLC控制器内部对应的启动智能控制程序或者生产智能控制程序进行控制潜油电泵。

优选的，所述启动智能控制程序包括震荡启动子程序、自动提高启动转速子程序、自动电压补偿子程序和电流脉冲启动子程序，对应的调用情况如下：

震荡启动子程序，潜油电泵通过运行一定次数的正反转循环，清理粘连在叶轮上的固体杂质，以减少启动摩擦，协助潜油电泵正常启动；

自动提高启动转速子程序，当交流升压变压器将低电压向中电压转换时，提高启动转速有利于提高功率传输效率，防止启动时出现升压变压器饱和现象；

自动电压补偿，在升压变压器的升压转换时，当升压变压器频率为零，转换无法进行；使用一个接近零的频率值来完成补偿，使潜油电泵获得额外的电压提升，以完成潜油电泵的低速启动；

电流脉冲启动，当正常启动流程运行结束后，潜油电泵没有达到设定转速时，系统能自动输出一系列高电流脉冲，帮助潜油电泵完成加速，直至达到设定转速。

优选的，所述自动电压补偿参数包括加强频率和零速启动电压占电机额定电压比例；

所述自动提高启动转速参数为接收启动命令后的开始调制频率，以潜油电泵运行频率为基准。

所述电流脉冲启动参数包括启动电流占潜油电泵额定电流比例、脉冲个数、脉冲持续时长和循环执行次数。

所述震荡启动参数包括振荡次数、反转频率、反转时长、正转频率、正转时长和正反转间隔时长。

优选的，所述生产智能控制程序包括能耗优化子程序、过载或欠载保护子程序和回转转速监测子程序，对应的调用情况如下：

能耗优化，根据实际的负载，自动调整潜油电泵磁通参数以优化潜油电泵电流，从而减少电能消耗和降低潜油电泵工作温度；

过载或欠载保护，通过设定负载曲线，实PLC控制器时监测潜油电泵的工作频率，判断系统负载状态；

回转转速监测子程序，在生产停止或者中断时，PLC控制器启用回转转速监测，只有当回转转速为零，或者低于安全值，潜油电泵才能重新启动。

优选的，所述能耗优化的具体指标可以通过计算可见，需要设置的主要参数为参考功率，此参数需要在作业现场观测后输入实际数据；

所述过载或欠载保护模块参数包括5组参数，5组参数为五个频率点、五个过载载荷设置点和五个欠载载荷设置点；

所述回转转速监测参数主要包括延时启动使能、延时启动时长、转速监测时长、监测测量时长、重启频率下限和重启频率上限。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种潜油电泵智能控制系统及其控制方法，具备以下有益效果：

1、该潜油电泵智能控制系统及其控制方法，通过在地面部分的PLC控制器、升压变压器、正弦波滤波器、传感器解码器和电抗器和井下的井下传感器的配合使用，将潜油电泵的数据进行采集的，并进行判断，可以本地实时调节潜油电泵的运行。

2、该潜油电泵智能控制系统及其控制方法，通过物联网关和三合一天线的设置可以远程实时调节潜油电泵的运行。

3、该潜油电泵智能控制系统及其控制方法，通过调用启动智能控制程序或者生产智能控制程序进行控制潜油电泵，来应对不同的使用情况，进而便于潜油电泵的工作，降低能耗，延长使用寿命。

附图说明

图1为实施例一的控制柜的立体图；

图2为实施例一的控制柜的内部结构图；

图3为A-A处剖视图

图4为实施例一的系统整体结构图；

图5为实施例一的启动智能控制程序框图

图6为实施例一的生产智能控制程序框图。

图中：1主控柜、2液晶显示器、3PLC控制器、4物联网关、5传感器解码器、6变频器、7防雷保护器、8温度传感器、9除湿加热器、10正弦波滤波器、11上位机、12升压变压器、13电抗器、14井口接线箱、15潜油电泵、16地面传感器组、17井下传感器、18三合一天线、19无线平板电脑、20油压传感器、21套压传感器、22气量传感器、23液量传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-6所示，一种潜油电泵智能控制系统，包括位于地面的部分和位于井下的部分；

井下部分包括与潜油电泵15电性连接的井下传感器17，用于对潜油电泵15的工作情况和井下的开采环境的进行检测；井下传感器17测量的数据包括吸入口压力、排出口压力、井下流体温度、传感器电路温度、电机温度和震动加速度等参数；

地面部分包括控制柜1和井口接线箱14

所述井口接线箱14与潜油电泵15电性连接，所述井口接线箱14电性连接有升压变压器12和电抗器13；

所述控制柜1内分为上中下三层，所述控制柜1的中层设有PLC控制器3和PLC控制器3电性连接的传感器解码器5，PLC控制器3用于对实时数据进行判断，并对潜油电泵15做出相应控制；所述传感器解码器5和电抗器13电性连接，将井下传感器17检测的数据信号从井口接线箱14处送入到传感器解码器5中解码，并加强数据信号的传递；所述控制柜1的下层设有正弦波滤波器10；所述控制柜1的上层设有与PLC控制器3电性连接的变频器6；所述变频器6和正弦波滤波器10电性连接，所述正弦波滤波器10和升压变压器12电性连接，可对潜油电泵15运行的频率电流进行控制；

所述控制柜1的中层还设有和PLC控制器3电性连接的物联网关4，所述控制柜1上还设有三合一天线18，所述物联网关4和三合一天线18电性连接，物联网关4还远程连接有上位机11，可以远程操控；三合一天线18为4G/WIFI/GPS三合一天线18，可以和无线设备连接，例如无线平板电脑19，利用物联网卡4建立了潜油电泵控制数据库后，可以进行实现远程的控制潜油电泵15，并且还可以进行远程的与现场人员交流，查看数据，进行远程的会诊；还可实现设备定位，并可在本地和远程实时监控所有传感器和变频器的工作状态，并可根据数据库调用相对应的程序，也就是说根据传感器和变频器的数据自动判断电潜泵的状态是否正常，判断后实时调用相关的程序，从而实现了电潜泵的智能自动控制和无人值守，降低人工成本和维护成本。

PLC控制器3还电性连接有温度传感器8和除湿加热器9，温度传感器8和除湿加热器9位于主控柜1内，用于主控柜1内的PLC控制器3和其他部件进行温度的检测和实时除湿，避免产生影响，从而对控制组件进行保护。

控制组件还包括一个和物联网关4电性连接的液晶显示器2，液晶显示器2位于控制柜的正面，用于显示潜油电泵15的数据，便于进行直观的查看。

PLC控制器3还电性连接有用于对油气进行检测的地面传感器组16，地面传感器组16包括油压传感器20、套压传感器21、气量传感器22和液量传感器23；油压传感器20测量油管压力(流动压力把油气从井底经过油管举升到井口后的剩余压力)，套压传感器21测量套管压力(流动压力把油气从井底经过油、套管之间的环形空间举升到井口后的剩余压力)，气量传感器22测量实时采气体积，液量传感器23测量实时排液体积。

变频器6还电性连接有防雷保护器7，用于对变频器6进行保护，避免雷雨的恶劣天气对其产生影响。

请参考图5和图6，由于在潜油电泵的启动过程中，有时固体颗粒或者沉淀物堵塞潜油电泵，造成潜油电泵启动困难，系统会根据变频器和传感器反馈的数据自动调用不同的子程序处理单元，协助潜油电泵正常启动；并且生产过程中的潜油电泵会存在能耗大，温度高的问题，因此提出一种潜油电泵智能控制系统的控制方法，包括以下步骤：

①利用PLC控制器3采集变频器6、地面传感器组16和井下传感器17的数据；

②PLC控制器3根据变频器6、地面传感器组16和井下传感器17反馈参数判断当前作业状态；

③PLC控制器3根据作业状态，调用PLC控制器3内部对应的启动智能控制程序或者生产智能控制程序进行控制潜油电泵。

启动智能控制程序包括震荡启动子程序、自动提高启动转速子程序、自动电压补偿子程序和电流脉冲启动子程序，对应的调用情况如下：

震荡启动子程序，潜油电泵通过运行一定次数的正反转循环，清理粘连在叶轮上的固体杂质，以减少启动摩擦，协助潜油电泵正常启动；震荡启动参数包括振荡次数(缺省值3)，反转频率(缺省值-2Hz)，反转时长(缺省值5s)，正转频率(缺省值2Hz)，正转时长(缺省值5s)，正反转间隔时长(缺省值5s)；

参数名称	缺省值	取值范围
			震荡次数	3	0-65000
反转频率(Hz)	-2	-20…0
			反转时长(s)	5	0-100
正转频率(Hz)	2	0…20
			正转时长(s)	5	0-100
正反转间隔时长(s)	5	0-1000

自动提高启动转速子程序，当交流升压变压器将低电压向中电压转换时，提高启动转速有利于提高功率传输效率，防止启动时出现升压变压器饱和现象；自动提高启动转速参数为接收启动命令后的开始调制频率，以电潜泵最低运行频率为基准(缺省值12Hz)；

自动电压补偿，在升压变压器的升压转换时，当升压变压器频率为零，转换无法进行；使用一个接近零的频率值来完成补偿，使潜油电泵获得额外的电压提升，以完成潜油电泵的低速启动；自动电压补偿参数包括加强频率(缺省值0.01Hz)，零速启动电压占电机额定电压比例(缺省值20％)；

参数名称	缺省值	取值范围
			加强频率(Hz)	0.01	0…0.1
零速启动电压占比(％)	20％	0-100

电流脉冲启动，当正常启动流程运行结束后，潜油电泵没有达到设定转速时，系统能自动输出一系列高电流脉冲，帮助潜油电泵完成加速，直至达到设定转速；电流脉冲启动参数包括启动电流占电潜泵额定电流比例(缺省值10％)，脉冲个数(缺省值3)，脉冲持续时长(缺省值0.1s)，循环执行次数(缺省值4)；

参数名称	缺省值	取值范围
			启动电流占比(％)	10	0-100％
脉冲个数	3	1-10
			脉冲持续时长(s)	0.1	0-5
循环执行次数	4	0-65000

生产智能控制程序包括能耗优化子程序、过载或欠载保护子程序和回转转速监测子程序，对应的调用情况如下：

能耗优化，根据实际的负载，自动调整变频器异步电机矢量控制模型里的磁通给定控制器，通过修改控制器磁通绝对值来改变潜油电泵磁通参数，优化潜油电泵电流，从而减少电能消耗和降低潜油电泵工作温度，延长设备使用寿命；能耗优化模块可以通过使能参数选择激活或关闭；能耗优化的具体指标可以通过计算可见，需要设置的主要参数为参考功率(连接到直接启动并操作该模块时电机吸收的实际功率)，此参数需要在作业现场观测后输入实际数据；

过载或欠载保护，通过设定负载曲线，实PLC控制器3时监测潜油电泵的工作频率，判断系统负载状态。当运行中出现过载或欠载时，变频器会按照用户设定的处理方式(不做处理、警告、警告并停机、故障跳闸、智能处理)来进行后续处理，使系统尽快脱离过载或欠载状态。该功能可以有效保护设备的长时间稳定运行，在设备安全与生产效率之间达到良好平衡；过载/欠载保护模块参数包括5组参数(5个频率点，5个过载载荷设置点，5个欠载载荷设置点)，由这5组参数构成电潜泵的正常载荷工作范围。5个频率点(缺省值5Hz，20Hz，50Hz，55Hz，65Hz)，5个过载载荷参数(缺省值80％，80％，75％，70％，70％)，5个欠载载荷参数(10％，5％，20％，30％，30％)。以上参数可以根据现场作业情况进行实时调整；该模块还包括选择过载/欠载发生后的处理方式，有不做处理、警告、警告并停机、故障跳闸、智能处理(自动控制变频器输出频率，使载荷调节至正常载荷工作范围)；

回转转速监测子程序，在生产停止或者中断时，PLC控制器3启用回转转速监测，只有当回转转速为零，或者低于安全值，潜油电泵才能重新启动，回转转速监测能有效防止意外重启产生叶轮附着，并且减少下次重启时间，提高生产效率；回转转速监测参数主要包括延时启动使能(缺省值激活)，延时启动时长(缺省值30min)，转速监测时长(缺省值30s)，监测测量时长(缺省值5s)，重启频率下限(缺省值-7Hz)，重启频率上限(7Hz)。

本发明的有益效果是：该潜油电泵智能控制系统及其控制方法，通过在地面部分的PLC控制器、升压变压器、正弦波滤波器、传感器解码器和电抗器和井下的井下传感器的配合使用，将潜油电泵的数据进行采集，并进行判断，可以本地实时调节潜油电泵的运行；通过物联网关和三合一天线的设置可以远程实时调节潜油电泵的运行；通过调用启动智能控制程序或者生产智能控制程序进行控制潜油电泵，来应对不同的使用情况，进而便于潜油电泵的工作，降低能耗，延长使用寿命；解决了现有技术不能够对潜油电泵进行实时控制的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种潜油电泵智能控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用PLC控制器(3)采集地面传感器组(16)和井下传感器(17)的数据；

PLC控制器(3)根据地面传感器组(16)和井下传感器(17)反馈参数判断当前作业状态；

PLC控制器(3)根据作业状态，调用PLC控制器(3)内部对应的启动智能控制程序或者生产智能控制程序进行控制潜油电泵；

所述启动智能控制程序包括震荡启动子程序、自动提高启动转速子程序、自动电压补偿子程序和电流脉冲启动子程序，对应的调用情况如下：

震荡启动子程序，潜油电泵通过运行一定次数的正反转循环，清理粘连在叶轮上的固体杂质，以减少启动摩擦，协助潜油电泵正常启动；

自动提高启动转速子程序，当交流升压变压器将低电压向中电压转换时，提高启动转速，防止启动时出现升压变压器饱和现象；

自动电压补偿子程序，在升压变压器的升压转换时，当升压变压器频率为零，转换无法进行；使用一个接近零的频率值来完成补偿，使潜油电泵获得额外的电压提升，以完成潜油电泵的低速启动；

电流脉冲启动子程序，当正常启动流程运行结束后，潜油电泵没有达到设定转速时，系统自动输出一系列高电流脉冲，帮助潜油电泵完成加速，直至达到设定转速；

所述生产智能控制程序包括能耗优化子程序、过载或欠载保护子程序和回转转速监测子程序，对应的调用情况如下：

能耗优化子程序，根据实际的负载，自动调整潜油电泵磁通参数以优化潜油电泵电流，减少电能消耗和降低潜油电泵工作温度；

过载或欠载保护子程序，通过设定负载曲线，PLC控制器(3)实时监测潜油电泵的工作频率，判断系统负载状态；

回转转速监测子程序子程序，在生产停止或者中断时，PLC控制器(3)启用回转转速监测，只有当回转转速为零，或者低于安全值，潜油电泵才能重新启动。

2.根据权利要求1所述的一种潜油电泵智能控制系统的控制方法，其特征在于：自动电压补偿参数包括加强频率和零速启动电压占电机额定电压比例；

自动提高启动转速参数为接收启动命令后的开始调制频率，以潜油电泵运行频率为基准；

电流脉冲启动参数包括启动电流占潜油电泵额定电流比例、脉冲个数、脉冲持续时长和循环执行次数；

震荡启动参数包括振荡次数、反转频率、反转时长、正转频率、正转时长和正反转间隔时长。

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