CN203164663U - 采油设备的智能保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种采油设备的智能保护装置，包括，触摸屏单元、主控板单元、地面扼流单元、执行部件单元、主控板井下辅助单元；主控板井下辅助单元通过三相潜油电缆与执行部件单元和地面扼流单元并联连接，地面扼流单元的三相潜油电缆的星点通过主控板辅助单元与主控板单元电连接，触摸屏单元与主控板单元相互电连接，主控板单元与执行部件单元电连接。有益效果是，由于采用单片机为控制核心，能及时、准确、动态检测被测工作电机的运行状态，通过智能保护装置与预置的标准数据比对，控制开关柜、软启动控制柜、变频器控制柜等执行部件，实现油井实时数据的传输和故障信息报警，降低井下设备的机械磨损，保障工作电机正常、稳定地运行。

Description

采油设备的智能保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种智能保护装置；特别是涉及一种采油厂的采油设备的智能保护装置。

背景技术

采油设备智能保护装置，结合现场电压、电流互感器及多种采集仪表，以单片机为控制核心，在保证油井产量的前提下，能及时准确地动态调整井下工作电机的运行状态、检测其运行参数，为人们合理的使用采油设备提供重要的参考资料，通过智能保护装置与预置的标准数据比对，以开关柜、软启动控制柜、变频器控制柜作为控制对象的执行部件，实现油井实时数据的传输和故障信息的报警。从而保障井下工作电机的正常稳定运行，最大限度地节约电能，降低机械磨损。

目前，采油设备智能保护装置大多数均从国外进口成套设备，价格昂贵，且一旦智能保护装置故障，其维护周期长，费用高，给企业带来维护负担和巨大的经济损失，市场迫切需求质优价廉、运行稳定、可靠的采油设备智能保护装置。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，质优价廉、运行稳定、可靠的采油设备智能保护装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种采油设备的智能保护装置，包括，触摸屏单元、主控板单元、地面扼流单元、执行部件单元、主控板井下辅助单元，所述主控板井下辅助单元通过三相潜油电缆与所述执行部件单元和所述地面扼流单元并联连接，所述地面扼流单元的三相潜油电缆的星点通过主控板辅助单元与所述主控板单元电连接，所述触摸屏单元与所述主控板单元相互电连接，所述主控板单元与所述执行部件单元电连接。

所述的主控板井下辅助单元，包括，工作电机和井下检测单元，所述工作电机的三相潜油电缆的星点与所述井下检测单元电连接。

所述的主控板单元，包括，井上模拟量和数字量的采集与处理模块：井上电参数模拟与数字信号采集与输入；设置与显示模块：通过所述触摸屏单元完成参数的配置、设置和显示运行数据、状态；解调电路模块：从所述地面扼流单元模拟星点中提取所述井下检测单元的PWM信号；井上CPU单元：根据采集的模拟量和数字量数据，识别当前采油设备的工作状态与用户设定标准控制数据比对，通过所述执行部件单元合理控制井下工作电机，记录出现的所有设备的运行故障；保护电路模块：保护所述执行部件单元正常工作；内部通讯模块：用于智能保护装置内部的各电路模块之间的通讯，和智能保护装置与外部设备之间的通讯；无线通讯模块：用于远程监测、设置、启动、停止和调节所述工作电机的工作频率；串行接口模块：采用标准的串口通讯协议与外设数据交换；端子板模块：电参数的数据采集，控制信号的输入和输出接线端子；井上模拟量和数字量的输出驱动模块：根据所述井上CPU单元的指令调整所述工作电机的频率，并发出工作电机的运行/停止，报警信号；电源模块：为上述各电路模块提供电力，电源输出的直流电压为24V；所述的井上模拟量和数字量的采集与处理模块、设置与显示模块、保护电路模块、内部通讯模块、无线通讯模块、端子板模块和串行接口模块分别与所述的井上CPU单元相互电连接，所述的井上模拟量和数字量的输出驱动模块通过所述内部通讯模块与所述执行部件单元相互电连接。

所述的井下检测单元，包括，井下模拟量和数字量的采集与处理模块：井下电参数模拟与数字信号采集与输入；存储模块：用于存储井下电参数模拟与数字信号数据；编码电路模块：将井下电参数的模拟与数字信号编码为PWM信号；所述井下模拟量和数字量的采集与处理模块分别与所述的存储模块和编码电路模块电连接，所述编码电路模块的输出，将PWM信号通过所述工作电机的三相潜油电缆的星点传送给所述的主控板单元。

所述井上CPU单元采用集成电路的型号是PCC-100。

本实用新型的有益效果是，采用单片机为控制核心的技术方案，及时、准确地动态检测被测工作电机的运行状态，通过智能保护装置与预置的标准数据比对，控制开关柜、软启动控制柜、变频器控制柜等执行部件，实现油井实时数据的传输和故障信息的报警，从而，在保证油井产量的前提下，最大限度地节约电能，降低井下设备的机械磨损，保障工作电机正常、稳定地运行。

附图说明

图1是本实用新型采油设备的智能保护装置结构组成示意图；

图2是本实用新型采油设备的智能保护装置采油设备智能保护系统在开关控制柜内接线原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

如图1所示，本实用新型采油设备的智能保护装置，包括，触摸屏单元、主控板单元、地面扼流单元、执行部件单元、主控板井下辅助单元，所述主控板井下辅助单元通过三相潜油电缆与所述执行部件单元和所述地面扼流单元并联连接，所述地面扼流单元的三相潜油电缆的星点通过主控板辅助单元与所述主控板单元电连接，所述触摸屏单元与所述主控板单元相互电连接，所述主控板单元与所述执行部件单元电连接。

所述的主控板井下辅助单元，包括，工作电机和井下检测单元，所述工作电机的三相潜油电缆的星点与所述井下检测单元电连接。

所述的主控板单元，包括，井上模拟量和数字量的采集与处理模块：

用于井上电参数模拟与数字信号采集与输入，如：电能模块可实现井下工作电机电力参数的采集，包括三相电压、电流、有功功率、无功功率，功率因数，今日耗电量、昨日耗电量等；仪表模拟信号输入将井口原油温度、压力、井口套压、出油管线压力和温度压力等数据采集到采油设备的智能保护系统；对模拟数据进行量化处理为相应的可视化图形，并按一定的时间间隔存储。

设置与显示模块：通过所述触摸屏单元完成参数的配置、设置和显示运行数据、状态；在现场使用触摸屏完成参数的配置、设置过流、过压、缺相、短路、过载、断电、密码错误报警等，现场查看采油设备的运行数据、状态的显示，示功图和电流图的显示等。

井上CPU单元：根据采集的模拟量和数字量数据，识别当前采油设备的工作状态与用户设定标准控制数据比对，按照采油设备的工作原理和油井的变化规律，控制和预测采油设备的动作，采油设备的控制主要包括：空抽控制、时间定点控制、连喷带抽控制，实现用户的实际需要设定的控制功能的同时，通过所述执行部件单元合理控制井下工作电机，并记录出现的所有设备的运行故障；井上CPU单元采用集成电路的型号是PCC-100。

解调电路模块：从所述地面扼流单元模拟星点中提取所述井下检测单元的PWM(脉宽调制)信号，通过解调电路模块，对PWM信号进行实时滤波、校正，将PWM信号按照本装置的数据通信协议转化成数据，并将数据传送到井上CPU单元，井上CPU单元以触摸屏为显示终端和数据输入设备，基于任务优先级对采油设备进行实时控制。井上CPU单元将接收数据在触摸屏上显示，通过触摸屏对井上CPU单元进行参数设置及操作，利用存储模块(以SD卡为存储介质)对数据进行存储。

保护电路模块：保护所述执行部件单元正常工作。

内部通讯模块：用于智能保护装置内部的各电路模块之间的通讯，和智能保护装置与外部设备之间的通讯。

无线通讯模块：用于远程监测、设置、启动、停止和调节所述工作电机的工作频率。具有GPRS DTU等多种远程通讯设备的选项，根据油田井口的采集需要，可接入无线示功仪、无线油压、无线套压、无线温度等仪表，根据需要同时向上位机发送实时的井下工作电机的工作电压、工作电流、输入功率、输出功率、功率因数、冲次和示功图等信息和故障信息的主动式报警。

串行接口模块：采用标准的串口通讯协议与外设数据交换；在工作现场使用RS232接口通信的Modbus协议；串行接口模块分别提供三路对外串行接口，包括，以太网接口、9针通讯接口和标准的通讯协议接口。通过对外串行接口或9针通讯接口，可以使用笔记本电脑，启动数据分析软件，即可实时获取井下工作电机的各种数据信息，亦可实时采集井下工作电机的示功图，将数据保存后，就可实现当前井下工作电机数据的报表打印，现场绘制等操作，便于现场数据的分析。

端子板模块：电参数的数据采集，控制信号的输入和输出接线端子；

井上模拟量和数字量的输出驱动模块：根据所述井上CPU单元的指令调整所述工作电机的频率，并发出工作电机的运行/停止，报警信号。

电源模块：为上述各电路模块提供电力，电源输出的直流电压为24V；提供各种需要的电压，可直接入两线制仪表。

井上模拟量和数字量的采集与处理模块、设置与显示模块、保护电路模块、内部通讯模块、无线通讯模块、端子板模块和串行接口模块分别与所述的井上CPU单元相互电连接，所述的井上模拟量和数字量的输出驱动模块通过所述内部通讯模块与所述执行部件单元相互电连接。

所述的井下检测单元，包括，

井下模拟量和数字量的采集与处理模块：井下电参数模拟与数字信号采集与输入。

存储模块：用于存储井下电参数模拟与数字信号数据。

编码电路模块：将井下电参数的模拟与数字信号编码为PWM(脉宽调制)信号；所述井下模拟量和数字量的采集与处理模块分别与所述的存储模块和编码电路模块电连接，所述编码电路模块的输出，将PWM(脉宽调制)信号通过所述工作电机的三相潜油电缆的星点传送给主控板单元。

图2是本实用新型智能保护装置采油设备智能保护系统在开关控制柜内接线原理图；如图2所示，图中详细给出了多种检测信号和控制工作电机的接线原理图。

本实用新型可以对油田中的多种油井进行监控和智能保护，例如：

1、抽油机油井的监控：

在许多油田中抽油机的抽油常用的是人工举升方式，但是有些抽油设备的抽油能力超过了油层供油能力，这样就造成了泵抽空现象。出现泵抽空时，游动凡尔在下冲程时冲击液面，引起增压和冲击波，造成泵、抽油杆和地面抽油设施的损坏。此外，在这种状态下，生产效率低、能耗大。

抽油机监控系统是由变送器、电机控制柜和本实用新型智能保护系统三部分组成。电机控制柜用来控制抽油机电机的运行，并将电机的有关数据(如电压、电流、电功率和运行状态等)传送给井场采油设备智能保护系统。抽油机的变送器主要有抽油杆负荷、位置开关(其信号用来构成示功图)和其它一些参数的变送器，如高/低出油管压力、盘根泄漏和抽油机振动等信号。抽油杆负荷传感器可安装在光杆卡子和载杆之间，也可安装在游梁上，传感器具备温度补偿，最大瞬时载荷为额定载荷的两倍。井场采油设备智能保护装置完成数据采集和控制抽油机的工作。它利用由抽油杆负荷与位置开关构成的示功图，将示功图数据与操作员输入的停泵扇形齿轮负荷给定值比较，当前者超过给定值时停泵，按操作员根据油井的具体情况确定的停泵间隔，使油井恢复到一定液位到达操作员给定的停泵间隔时间后，重新启泵，从而达到抽油机控制的目的。井场采油设备智能保护装置将采集的数据通过通讯模块传送给井上CPU单元，井上CPU单元的操作员根据油田和油井的具体情况，设定停泵值和停泵间隔，并进行数据处理、存储和抽油机故障诊断。

2、潜油电泵油井的监控：

电潜泵油井是由电潜泵变速驱动器和电潜泵RTU(远程终端装置)组成的。潜油电泵的控制由所选用的电气控制柜完成，可进行远程控制，根据油田的生产要求，将潜油电泵和井下检测单元下到井底，通过电缆与电潜泵变速驱动器相连，井下检测单元测量井下参数，根据井下参数来调整制潜油电泵驱动器工作频率。潜油电泵的数据采集由本实用新型完成，采集的信号有模拟信号、开关信号和脉冲信号。拟信号有井下监测参数、电机频率、电机电流、驱动器交流电压、驱动器交流电流、驱动器直流电压、驱动器直流电流、出油管线压力和温度；开关信号有驱动器运行状态、过载和欠载状态、冷却系统状态；脉冲信号是电功率KWH。这些信号经通过采油设备智能保护装置的通讯模块传至井上CPU单元，对潜油电泵油井进行远程监控。

3、自喷井的监控：

自喷井需要采集的数据一般为油压、套压、回压和油温，如果油嘴采用电动可调油嘴，还要采集油嘴阀位数据，控制油嘴的开度。具备电动可调油嘴的自喷井。所有变送器传送的信号都是4-20MA的模拟信号，这些信号都传送到油井采油设备智能保护系统，通过这些数据(如油压、回压和油嘴直径)和油井测试系统，可估算出油井的产量，为油田的配产提供参考数据。

电动可调油嘴接收从油井采油设备智能保护系统下传的模拟信号，控制可调油嘴的开度，从而控制油井的原油产量。油井的采油设备智能保护装置通过通讯模块与井上CPU单元进行数据传输，把油井的实时数据传输给井上CPU单元，并进行数据运算、处理、存储、趋势显示和打印报表等功能。井上CPU单元根据油田生产的需要和油田优化系统的要求，发出控制命令给RTU(远程终端装置)控制油嘴的开度，从而控制油田的产量。

4、气举井的监控：

气举井是在油田的开发中期采用的一种开采、方式，它与自喷井不同之处是增加了注气举气控制。气举井与自喷井不同之处是在套管部分加入气举气，并测量气举气的压力、温度和流量，除此之外，在气举气入口处还有气举气流量控制，该流量控制是通过一个电动调节阀由采油设备智能保护装置控制的。如井场仪表气源方便的话，流量控制阀也可采用气动控制阀。所有变送器的信号均通过采油设备智能保护装置传送到井上CPU单元，在井上CPU单元的操作站，通过气举优化软件的运算，发出指令改变电动可调油嘴和气举气控制阀的开度，从而优化控制油田的生产。

5、油井的开关和安全保护：

由于工艺过程可能发生意外事故(如管道堵塞、破裂和油处理系统故障等)、或由于生产要求，需要对油井进行远程开关和安全保护。油井的远程开关系统是由油井的井下安全阀和地面安全阀、油井地面安全控制系统和井场采油设备智能保护装置组成。采油树有两个安全阀，地面安全阀和井下安全阀。安全阀由液压驱动，由三通电磁阀控制。地面安全阀的控制有就地控制、安全保护和远程控制。井下安全阀有安全保护和就地控制，也可进行远程关井。就地控制通过开关井下安全阀和地面安全阀的方式就地开关来完成；安全保护控制信号有两种，一是为防止管线破裂和堵塞，来自压力变送器的信号，当压力变化较小达到关闭地面安全阀的设定值时，压力开关PS动作，关闭地面安全阀，二是来自井场的火焰信号，当井场出现火灾时，由火焰探测器发出信号，关闭地面和井下安全阀；油井的远程开关信号由油田自动化系统的ESD系统(紧急关断系统)和控制中心的操作员发出，通过通讯模块传送至采油设备智能保护装置，由采油设备智能保护装置给地面安全控制系统发出信号，控制地面安全阀的开关。油井的开关和安全保护并不是独立的，它与整个油田的安全保护系统和紧急关断系统是密切相连的。当联合站油气处理系统、原油外输系统和输油管线出现故障时，井上CPU单元向油井发出关井信号，有顺序的关闭部分或全部油井。

本实用新型采用单片机为控制核心的技术方案，及时、准确地动态检测被测工作电机的运行状态，通过智能保护装置与预置的标准数据比对，控制开关柜、软启动控制柜、变频器控制柜等执行部件，实现油井实时数据的传输和故障信息的报警，从而，在保证油井产量的前提下，最大限度地节约电能，降低井下设备的机械磨损，保障工作电机正常、稳定地运行。

采油设备智能保护系统可以实现采油设备电机状态监视；过载保护、过载速断保护；过载反时限保护；欠载保护、延时欠载保护；电流不平衡保护；欠压保护和延时欠压保护；过压保护和延时过压保护；负序过压保护；电压不平衡保护；本体1保护和本体2保护；直流电压保护和直流电流保护PT断线监视和CT断线监视；延时自动启机、手动启机；运行交流数据记忆存储；遥测等功能。

Claims (5)

1.一种采油设备的智能保护装置，其特征在于，包括，触摸屏单元、主控板单元、地面扼流单元、执行部件单元、主控板井下辅助单元；所述主控板井下辅助单元通过三相潜油电缆与所述执行部件单元和所述地面扼流单元并联连接，所述地面扼流单元的三相潜油电缆的星点通过主控板辅助单元与所述主控板单元电连接，所述触摸屏单元与所述主控板单元相互电连接，所述主控板单元与所述执行部件单元电连接。

2.根据权利要求1所述的一种采油设备的智能保护装置，其特征在于，所述的主控板井下辅助单元，包括，工作电机和井下检测单元，所述工作电机的三相潜油电缆的星点与所述井下检测单元电连接。

3.根据权利要求1所述的一种采油设备的智能保护装置，其特征在于，所述的主控板单元，包括，

井上模拟量和数字量的采集与处理模块：井上电参数模拟与数字信号采集与输入；

设置与显示模块：通过所述触摸屏单元完成参数的配置、设置和显示运行数据、状态；

解调电路模块：从所述地面扼流单元模拟星点中提取所述井下检测单元的PWM信号；

井上CPU单元：根据采集的模拟量和数字量数据，识别当前采油设备的工作状态与用户设定标准控制数据比对，通过所述执行部件单元合理控制井下工作电机，记录出现的所有设备的运行故障；

保护电路模块：保护所述执行部件单元正常工作；

内部通讯模块：用于智能保护装置内部的各电路模块之间的通讯，和智能保护装置与外部设备之间的通讯；

无线通讯模块：用于远程监测、设置、启动、停止和调节所述工作电机的工作频率；

串行接口模块：采用标准的串口通讯协议与外设数据交换；

端子板模块：电参数的数据采集，控制信号的输入和输出接线端子；

井上模拟量和数字量的输出驱动模块：根据所述井上CPU单元的指令调整所述工作电机的频率，并发出工作电机的运行/停止，报警信号；

电源模块：为上述各电路模块提供电力，电源输出的直流电压为24V；

所述的井上模拟量和数字量的采集与处理模块、设置与显示模块、保护电路模块、内部通讯模块、无线通讯模块、端子板模块和串行接口模块分别与所述的井上CPU单元相互电连接，所述的井上模拟量和数字量的输出驱动模块通过所述内部通讯模块与所述执行部件单元相互电连接。

4.根据权利要求2所述的一种采油设备的智能保护装置，其特征在于，所述的井下检测单元，包括，

井下模拟量和数字量的采集与处理模块：井下电参数模拟与数字信号采集与输入；

存储模块：用于存储井下电参数模拟与数字信号数据；

编码电路模块：将井下电参数的模拟与数字信号编码为PWM信号；

所述井下模拟量和数字量的采集与处理模块分别与所述的存储模块和编码电路模块电连接，所述编码电路模块的输出，将PWM信号通过所述工作电机的三相潜油电缆的星点传送给所述的主控板单元。

5.根据权利要求3所述的一种采油设备的智能保护装置，其特征在于，所述井上CPU单元采用集成电路的型号是PCC-100。

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