毕业设计论文：大庆石油学院本科生.doc

I摘 要本设计介绍了地面驱动螺杆泵的常规控制系统装置的设计和螺杆泵的日常采样测试装置的设计。螺杆泵因为它的工作稳定，效率高，维护费用低以及适合稠油开采和含砂开采，从而越来越广泛的应用到油田上。但是，还缺少一套数据采集设备，缺少一个提供工作参数的设备。本设计就是为了适应这个情况，研制的一种简便实用的螺杆泵油井控制及检测装置。设计分为三个部分：控制部分、检测部分和控制箱部分。控制部分能实现过载、欠压保护，能实现瞬起瞬停以及电网断电后能在规定的时间内延时启动。控制部分设计两个档位：人工手动测档和自动档。检测部分能够利用单片机对工作电机参数采样，并且能处理数据，存储数据。存储的时间为 7 天。有一个与计算机通讯的串口输出数据和一个显示器接口连接显示器。控制柜设计是根据所选的各种芯片和电器元件的尺寸进行设计的，力求紧凑、布置合理。此外，也设计了一套于此相对应的电气接线电路，可以很明了的显示所有的实际接线，便于维修和检测。关键词： 地面驱动螺杆泵； 控制； 检测； 数据检测 IIAbstractThe design shows us the normal control system facility of Progressing Cavity Pump and its sampling inspection system for usual management of well.Because of the advantages, working more consistently, higher efficiency, lower expense of maintenance and more property to pump in the high-density well and sand-well, Progressing Cavity Pump is now applied in the oil field more and more extensively. But there is no sampling-device and facility to offer parameters of normal working. In order to solve this problem, this design will show you a simple and useful facility to control and sample for the Progressing Cavity Pump applied well. There are three parts in this design: control, inspection and control box design. For the control part, it can protect the device when overload and lack load. At the same time, it has the function to stop and start electrical machinery immediately. What is more, it can start automatically without worker in predetermined and scheduled time when the electricity takes in after a period of failure of the oil field electric system. It contains two selections manual-choice and auto-choice. For the second part, it can employ the computer to sample and inspect, then store the data from the facility. Time of storing should be 7 days and integrated. Honestly, it should have a parallel port to output data to computer and have the port to display the data in scheduled display.Control box is designed according to the sizes of the chose components and cards with perfect disposal, proper pace, safe environment .At the same time, we designed a series of circuit to comply with the whole design that can show obviously joints of circuit disposal, with which the worker can maintain and repair conveniently.Key words: Progressing Cavity Pump；Control；Inspection；Data samplingIII目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第 1 章 绪 论 .1第 2 章 地面驱动螺杆泵简介 .22.1 螺杆泵的组成以及工作原理 .22.2 地面驱动螺杆泵采油系统 .32.3 螺杆泵常见故障及其检测 .4第 3 章 螺杆泵的控制设计 .53.1 控制功能 .53.2 电器元件的选型 .63.3 控制原理 .7第 4 章 地面驱动螺杆泵测量装置设计 .104.1 测量装置功能 .104.2 设计思路 .104.3 芯片选择及各芯片性能 .124.4 测量装置的电源供给电路设计 .194.5 存储器芯片选择 .214.6 主要程序设计 .22第 5 章 电控柜的设计 .295.1 元件的位置设计 .295.2 元件的接线电路设计 .305.3 控制柜的外观设计 .32第 6 章 总 结 .33参考文献 .34致 谢 .35附 录 .37大庆石油学院本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论实践表明，每一项新技术都和传统技术有很大的差异，革命性的创新技术更是如此，要充分的发挥新技术的优势，同时要对新技术本身进行改进和完善，使之适应实际情况； 螺杆泵采油是人工举升工艺中的一项革命性的新技术，和常规游梁抽油机相比，没有四连杆机构和庞大的基座，所以耗电量大幅度下降；工作载荷平稳；效率高；日常维护工作量和费用很低；而且还适合稠油开采和含沙开采。 近几年来，随着地面驱动螺杆泵油井在油田上的使用量越来越多，螺杆泵油井的生产管理也趋于规范化，制度化，智能化。为了适应这一情况，研制一种简便实用的螺杆泵油井控制及其测量装置十分必要。所设计的装置能够测试、存储测量数据等。本论文主要设计了有关螺杆泵的智能化控制系统、单片机采样有功功率测量系统以及这两个系统之间的关系；以及各个元件，芯片的布局和接线电路；还有部分接口电路的设计；控制系统主要包括两个档位：手动档 和自动档。控制电机的启动，停止；断电后自动启动；延时期间的瞬时启动；点动控制；同时还有相应的电机，电路保护装置。修正了现今螺杆泵控制的一些不合理的设计。对于单片机控制对工作电机的采样是一项应用到地面驱动螺杆泵采油油井上的新技术。此系统能自动、连续地对工作的电机功率、电压等参数进行采样并把采集的数据通过 A/D 转换置入采集通道，通过 AT89C54 控制采样并处理数据，结果存放存储器 7 天，由工作人员定期通过 USB 或者计算机外接端口把数据提取到实验室进行更详细的诊断，确定某个时期内井下螺杆泵的工作状况。同时，还要介绍各种芯片的选型、引角功能等。最后还要设计控制柜用来和这些系统相配套, 控制柜设计是根据所选的各种芯片和电器元件的尺寸进行设计的，紧凑安全布置合理。同时也设计了一套于此相对应的电气接线电路，可以很明了的表现所有的布置原理，便于维修和检测。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）2第 2 章 地面驱动螺杆泵简介螺杆泵（Progressing Cavity Pump）又叫渐进容积式泵，由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续的密封的腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传输。由于它使用方便，效率高，噪音小，维护费用低占地面积小，适合稠油、含沙、含气油井开采，因此，近几年来，越来越多被油田上使用。2.1 螺杆泵的组成以及工作原理螺杆泵采油系统分为地面和井下两部分。地面部分包括：驱动头和控制柜。井下部分包括：井下泵、抽油杆、油管、配套工具等。井下单动螺杆由定子和转子组成，定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀烙并抛光加工而成。螺杆泵在工作的时候，沿着泵体在定子衬套双螺旋面与转子单螺旋面间形成许多个密封的腔室，随着转子的转动，密封腔由吸入端沿轴向端朝排出端推移，直至消失。随着密封腔的不断形成、推移和消失，介质在吸入端与排出端之间的压差作用下被吸入，并被推挤到排出端，压力不断升高，流量均匀，在推移的过程中，实现机械能与液体动能的相互转化。由于它使用方便，效率高，噪音小，维护费用低占地面积小，适合稠油、含沙、含气油井开采，因此，近几年来，越来越多被油田上使用。螺杆泵与其他采油方式相比，具有以下优点：1）一次性投资较少。与电动潜油泵、水力活塞泵和油粱式（链条式）抽油机相比，螺杆泵的结构简单，一次性投资最低。2) 泵效率高，节能效果好，维护费用低。由于螺杆泵工作时候负载稳定，机械损失小，泵效可达 90%，实现有机械采油设备中能耗最小、效率最高的几种之一。3）占地面积小。螺杆泵的地面装置简单，安装方便。4）适合稠油开采。一般来说，螺杆泵适合于粘度系数为 8000mPa.s 以下的原油开采。5）适应高含气井。螺杆泵不会发生气锁，但游离气体对螺杆泵的容积效大庆石油学院本科生毕业设计（论文）3率有影响。6）适合高含沙井。7）适合于海上油田丛式井组合水平井。螺杆泵可下在斜直井段，设备占用面积小。2.2 地面驱动螺杆泵采油系统2.2.1 分类按不同驱动形式螺杆泵采油系统可分为地面驱动和井下驱动。根据传动形式的不同，地面驱动螺杆泵还可分为皮带传动和直接传动两种类型。皮带传动螺杆泵采油系统电动机（柴油机或液压马达），皮带传动轮，减速器均置于地面采油井口装置上面。直接传动是将电动机轴立起来，通过行星减速器与抽油杆光杆直接相连。2.2.2 组成地面驱动螺杆泵采油系统由以下几部分组成：1 地面驱动部分2 井下泵部分3 电控部分4 配套工具5 其它井下管柱2.2.3 电控柜功能及组成地面驱动螺杆泵电控柜能够确保螺杆泵的正常运行。主要功能有：1. 控制电动机的启动，停止；2. 过载自动停机保护；3. 电流显示；实际运行工时显示等功能。4. 实际运行工时累计显示电控柜内主要电器元件：自动空气开关、电流互感器、交流接触器、时间继电器、中间继电器、电流继电器、电流表、计时表和熔断器等。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）42.3 螺杆泵常见故障及其检测螺杆泵常见故障有地面故障和井下故障。地面故障包括：井口漏油、减速箱故障、电机故障和电控柜故障等。井下故障包括：油管故障、油杆故障和井下泵故障等。相比之下井下故障则需要通过多项特征参数综合测试分析确定。因此，我们设计这一套数据采集系统，就是为了记录井下工作特征参数，并提供给工作人员带回实验室进行详细的诊断。本毕业设计是通过对电机的工作情况检测，从而获得电机工作参数电压、电流等。不同的受力、负载会引起电机的参数产生变化。利用对电压的分析，可以判断出电机的负载工作状况。螺杆泵井有八种故障诊断方法:1 查、看、摸、听的方法。2 电流法：电流法就是根据电机工作电流的大小来诊断泵况，如电流增大，可能是蜡堵引起的，如电流接近空载电流，则可能是抽油杆断脱。3 憋压法：憋压法就是通过关闭采油树生产闸门进行憋压观测井口油压和套压变化进行诊断的方法。憋压法可判断出泵的举升能力、泵漏失、管漏失和杆断脱等。4 扭矩法：通过测光杆的扭矩来诊断泵况的方法，如杆断脱旧没有光杆扭矩或扭矩很小。5 反转发：停机后观察光杆是否有反弹力，如一点反弹力都没有或光杆还有一点正转的惯性，则杆断脱的可能性极大。6 光杆轴向力法7 反洗井法8 提高光杆转速法本毕业设计是通过对电机的工作情况检测，从而获得电机工作参数电压、电流等。不同的受力、负载会引起电机的参数产生变化。利用对电压的分析，可以判断出电机的负载工作状况。本系统采用的检测方法就是类似于电流法的一种功率诊断法，即对螺杆泵运行时的电压信号进行检测，根据一系列的处理工作将其转化为功率信号，通过对功率值变化的分析来判断螺杆泵的实际工作状况以及出现故障的原因。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）5第 3 章 螺杆泵的控制设计目前油田上一般使用三相大功率电机，功率范围大约 7.5kw-22kw 之间。考虑到油田的采油作业大部分都在野外，所设计的控制装置应该于此相适应。3.1 控制功能现场的控制功能要求：1) 所设计的控制装置能控制螺杆泵的启动，停止，点动操作。2）采油电网断电后，再次供电能在无人的情况下自动延时启动。所需延长的时间可以根据工作需要自由修改。3）自动档位的时候，能够在延时的时间段内人为瞬间启动。4）对电机的控制电路能实现过载、欠载等保护功能。5) 控制单片机对电机参数的采样。设置备用 6V 电源，用以正常的时候给电池充电,电网断电的时候能保持采样芯片的通电。该电路有两个档位，一个为自动档，用于日常的运行。当发生故障，或者需要检修的时候选择手动档位进行控制。由于油田上基本都是使用得专用的 380V 工业电网，不受外部其他电网的干扰，对于主电路来说，稳定的电压源是正常工作的前提，在电网的入户端，接上空气开关，进行短路保护.经过一系列的触点后，放置一个热继电器用来过载保护。最后，接入电动机。但是对于控制电路、照明电路以及采样电路来说，380V 的电压是很不合理的。一般来说，控制电路采用的都是线圈，电阻以及开关等。所以用单相的火线和零线结合构成 220V 的供电电压源，对控制电路和照明电路进行供电，但同时由于考虑到对人的安全电压远低于 220V，所以，控制电路也要采用灭弧装置，保证工作人员的人身安全 。而 9V 的采样充电电路必须采用一个交流-直流转换器 HR-6 把 380V 的工业电压转变成 6V-12V 的直流电源，对电池充电。该电池的作用是用来向单片机的采样电路供电的。当油田电网断电的时候，电池能持续的对采样电路进行供电，以保证数据的完整。大庆石油学院本科生毕业设计（论文）6具体的控制流程图如下： 空气开关3.2 电器元件的选型 为了满足现场的具体要求，尽量使设计达到真实课题的标准，必须考虑各方面的原因与各种因素，依据国家行业标准和作业经验选型如下：电 机： 采用 Y225M-8 型电机，额定功率为 22kw,工业用电 380 伏三相电压,额定转速为 740 转/分，额定电流为 47.6A，功率因数为0.78 效率可达 90%。交流接触器： 根据额定电机的额定电流，采用 CJMI-45/63 型交流接触器。控制系统采用一个交流接触器，三个主触点，三个常开触点，一个常闭触点。主触点连接到 380V 的主电路上，其余的辅助触点连接到 220V 的电路上。时间继电器： JST 系列时间继电器 ，根据需要进行时间的设置。有自己的常开常闭触。空 气 开 关： 采用带有熔断器的空气开关，根据正常工作的额定电流，HR3-100 型空气开关，熔断电流为 100A。连接到主电路的开始端。螺杆泵电机控制电 路单 片 机 存储器显 示 器U S B等外 设功率变送器A/D 转换器三相电源 继 电 器照明电路大庆石油学院本科生毕业设计（论文）73一一L1L2L3一 一 一 一UAUCUBKMMFR热 继 电器： 长期稳定工作的电动机按照 IN 额定电流来选定，相配的整定电流大约为 0.93-1.05 倍或者中间值。使用时把整定电流调节至额定电流即可。 选用 JRSM1-63 型额定电流为 63A。交流、直流转换器： 为了给单片机的辅助电源-电池进行充电，特采用了交流、直流转换器，把 220v 的电压转换成 6-12v 的电压源对电池充电。所选型号为 HR62 交流电压变直流电压转换器。 3.3 控制原理原理的主电路应该由空气开关，交流接触器，热继电器还有电机。空气开关实现欠压，短路保护。热继电器实现过载保护。 图 3.3.1 -主 控 制 电 路在启动电机时候，瞬间的电流会非常的大，采用 Y225M-8 型电机，额定功率为 22kw,工业用电 380 伏三相电压,额定转速为 740 转/分，额定电流为 47.6A，那末，启动电流会达到正常工作的 6-7 倍。不过实际现场表明，绝大部分的螺杆