油井能耗监测系统的开发和应用

2022-09-10

油田是大型的能源消耗型企业, 其中以以消耗电能为主。多年来, 油田十分重视节能降耗工作, 推出了多项油田生产节能新产品、新技术, 在降低生产成本, 提高了效能方面发挥了积极作用。但是生产系统 (集输、注水、机采) 的终端耗能设备没有实现电能计量, 尤其是占油田生产总用电量50%以上的采油井没有实现计量, 从而无法为节能降耗措施提供验证依据, 很难实现油田用电的精细化管理。为加强成本管理, 推进胜利油田各项节能降耗措施的实施, 实现油田用电精细化管理, 开发油田采油井能耗监测装置具有重要的意义。本项目可实现采油厂用电动态管理, 实现日用电监控, 有效提高生产用电管理水平。

1 问题的提出

1.1 无法及时掌握采油井用电量

由于胜利油田有限公司改制以前, 发电、供电、用电等单位均属于胜利油田, 各采油厂用电计量点设在变电站6 (10) kV线路出口处, 只对整条线路的电量进行计量, 缺少油井能耗。改制后, 由于电网交叉, 一条线路上经常带有油井负荷、管理局单位负荷及地方负荷, 为了满足精细管理的要求, 各采油厂需要掌握单井的用电量。根据《中华人民共和国节约能源法》、《节约用电管理办法》的规定, 要求电力用户应当及时掌握消耗电能, 积极采取经济合理、技术可行、环境允许的节约用电措施, 制定节约用电规划和降耗目标, 做好节约用电工作。

1.2 无法实现对能耗的监督考核

由于无法获得及时、准确的单井电能统计数据, 各采油矿目前按照采油井电机额定功率将电量进行分摊, 无法实现电量成本考核的层层分解, 难以建立起一个节能管理和能源利用监测体系;提出节能控制指标体系, 将能源管理责任落实到具体部门和相关人员。

1.3 用电管理手段落后, 影响电网的经济运行

由于缺少先进的监控手段, 无法对单井的电量及时、统一地进行抄收、汇总和分析, 因而难以准确地掌握线路损耗及电机效率等重要数据, 不能及时调整运行方式, 采取有效的节约用电措施, 影响了电网的经济运行。

1.4 油井耗能大

油井用电机经常处于大马拉小车状态, 电机容量小, 无法起动油井, 电机容量大, 存在很大浪费。如果油井运行状态不平衡, 电机耗电量大。如何使油井处于较佳平衡状态从而使电机少出力一直是油田生产的大难题, 由此节约的电力和成本不可估量。

综上所述, 实现占油田生产成本50%以上的油井能耗监测是大势所趋、势在必行。

2 研究的主要内容、目的和意义

2.1 主要内容

(1) 利用现有的成熟的技术应用到油井的电能计量, 实现采油井基础耗电量数据的采集和应用。

(2) 把电能计量和生产管理结合起来, 增加油井时效管理和电机平衡状态监控。

2.2 目的和意义

(1) 采用先进成熟的技术, 研制出完善油井电能计量和运行状况监测的装置, 有效地解决油田生产设备用电计量的问题。

(2) 准确计量油井电能消耗情况, 分析用电存在的问题, 为制定节能降耗的措施提供依据, 同时实现对油井工作状况的监测。

(3) 使油井电能的监督考核成为可能, 对电网的经济运行水平的提高有很大的促进作用, 具有很强的现实意义。

3 应用范围

(1) 应用于油田机采井、油井变压器的电能计量、油井井时率统计和电机平衡度的监测, 集油井用电计量和油井工作状况监测于一体。实现油井用电量基础数据的采集、用电量的监督考核、线路损耗和变压器损耗的统计分析。

(2) 应用于油田集输、注水系统等用电设备的电能计量。

4 实现的功能

4.1 实现油井电量计量功能

采油巡视人员定期将电量抄汇到各采油队, 作为成本核算和用电管理的依据。各采油队通过相应的分析管理软件, 对来自现场的电量数据进行处理, 实现用电量的汇总、计算、传递。以上数据可作为采油队采取经济节约用电措施, 制定节约用电规划和降耗目标的依据。

4.2 实现采油厂电量管理、监测

各采油厂利用目前已有的网络平台, 接收各采油队统计的单井电量数据, 可随时了解和掌握采油厂单井的用电情况、及时调整生产运行方式, 以上数据也可作为采油厂与供电部门进行电量数据确认的参考依据。

4.3 实现电网网络损耗的计算和监测

采油厂电网管理单位, 利用采集的电量对线路、变压器、电机等设备进行损耗计算, 实现对各设备和区域电网的网络损耗计算和监测, 为进一步降低线损, 提高电网经济运行管理水平提供先进的技术手段。

4.4 实现油井的工作状况的监测

通过统计油井的有效工作时间和采集冲程电流图可监测油井井时率和电机平衡状况。

5 研发目标和技术路线

目前的多功能电表设计标准是应用于室内, 主要实现电度计量功能, 不能满足油井户外环境和对油井运行状况监视的要求。WAT05-D油井能耗监测终端在标准电能表功能的基础上增加了井时率和冲程电流图功能, 既能采集油井耗电量, 又能监测油井工作状况。井时率是油井的有效工作时间比例, 反映油井的工作效率, 冲程电流图反映油井一个冲程周期内电流的变化情况, 可以体现电机的平衡度, 井时率和电流图是油井管理所需要的。油井能耗监测系统遵循开放式国际标准:硬件平台标准, 软件平台标准, 通信协议标准, 数据库标准以及应用程序接口标准等, 硬件接口开放, 利于将来的功能扩展。整个设计保证和标准电能表的兼容性, 即油井能耗监测终端设计标准遵循电能表各种标准, 可以作为电能表使用。

为了达到以上目标, 必须有可靠的技术保证。广域公司组织技术人员对国内外机采系统监控和计量终端设备的技术状况、设计思路进行系统详细的调研, 对目前用户的实际需求进行了系统分析, 通过比较分析当前国内流行的开发方法、应用技术, 结合自己多年的开发经验, 制定出了以下技术路线:

5.1 采用目前成熟的电量采集芯片

采样芯片用珠海炬力ATT7022B, 是一片高精度三相电能专用计量芯片, 适用于三相三线和三相四线应用。

该芯片集成了7通道的1 6位高精度ADC和24位高速DSP, 第七路ADC可用于防窃电, 片上集成有温度传感器, 通过SPI通讯接口输出三相多功能电表所需的各项电能参数。在1000:1的动态范围内功率测量精度优于0.1%, 电流和电压的有效值测量精度优于0.5%。采用ATT7022B设计的多功能电表, 可以同时给出总有功/无功电能、基波有功/无功电能、谐波有功/无功电能等参数, 非常适合于发电厂、变电站、炼钢厂、电气化铁路等需要对基波、谐波电能进行分析和考核的应用场合。

5.2 核心器件CPU

C P U采用P H I L I P S的A R M 7芯片LPC210X, 该系列芯片的优点是内置大容量FLASH, 可以加密, 高速的32位CPU, 运算能力强, IO引脚多, 扩展能力强, 使用起来像单片机, 开发手段多, 仿真和调试工具廉价。

5.3 冲程周期内电流采样技术

通过采集位移信号, 判断冲程周期, 高速采集216个电流值绘制冲程电流图, 判断油井电机平衡状况。

5.4 井时率分析

通过功率值判断油井的起、停井时间, 统计油井有效工作时间, 计算油井时效。

6 技术方案

6.1 系统构成

系统包括油井能耗监测终端、手抄器和采油队主站三部分。油井能耗监测终端通过GPRS/CDMA无线传输或用手抄器通过短距离无线模块和红外现场抄收方式获得终端采集的各种数据, 数据远传或导入采油小队主站, 主站对数据进行解释、处理和分析。

(1) 油井能耗监测终端。

采集并计算出有功和无功电度及电流电压, 通过手抄器现场读取。

(2) 手抄器

手抄器通过红外或串口模式就地读取多功能终端数据, 导入主站数据库。

(3) 采油队主站

采油队主站读取抄表终端所送的瞬时量数据 (电压、电流、功率) 、电量 (有功、无功、峰、平、谷等电量) 、信号数据, 以图形、报表等方式显示各采集点实时数据;通过各点的信息、报警和事件记录分析判断表计运行情况;Web方式的信息发布手段向管理网转发现场采集的各种数据、计算所得的各种信息、系统生成各种报表及其它信息等。

系统结构图见图1

6.2 油井能耗监测终端

终端安装在油井电机配电箱内、油井变压器上或杆上, 户外标准设计, 能适应胜利油田室外严酷环境, 抗低温、耐高温、耐盐碱。终端实现电量的采集和计算, 通过红外手抄器可现场抄收数据, 通过主站RS232/485接口导入数据库, 用于分析和存储。终端功能包括以下几点。

(1) 数据采集功能:正、反向有功总、尖、峰、谷、平电量;正、反向无功总、尖、峰、谷、平电量;A、B、C三相电流;A、B、C三相电电压;功率、功率因数;油井起、停井时间。

(2) 存储功能:正向有功总、峰、谷、平电量;正向无功总电量;A、B、C三相电流;A、B、C三相电电压;功率因数;油井起、停井时间 (井时率) 。

(3) 电流图功能:根据油井冲程绘制周期电流图, 可用于分析油井电机平衡状况, 继而了解油井工作状况。

6.3 主站系统

每个采油小队装一套主站系统, 实现小队所辖油井电量的管理, 如有需要, 小队数据可通过网络上传至大队和采油厂管理部门, 使运行管理人中及时了解用户用电情况, 提高运行管理水平。

系统主要功能有以下几点。

(1) 数据采集功能。实时采集电能量、瞬时量数据及和电能量相关的重要信息 (如PT缺相、CT断线、相序错误、失电等事件) 。

(2) 线损及电机工况分析功能:根据采集数据和用户电网模式进行线路的线损分析, 根据瞬时量模拟抽油机功图。

(3) 历史数据管理。采集的数据直接传输到历史数据库, 通过对于所有计量点的相关数据定义、管理, 与采集数据建立相应的对应关系, 实现数据转存、计算、处理, 并提供数据访问服务。

(4) 档案管理功能。能方便地在线修改或定义电能量表计的名称、编号、窗口值、倍率参数、费率以及数据处理方式。

(5) 报表和曲线。系统具有全图形、全汉化的显示和打印功能的支持软件, 人机界面良好, 采用多窗口技术和交互式操作手段, 画面的调用方便、快捷, 能方便地生成各种统计和分析报表, 具有定时、召唤和异常情况时自动打印功能。所有数据可以曲线形式查看。

(6) Web应用。采用全动态网页设计, 提供良好的查询检索界面, 能够采用多种方式进行分类检索和查询, 检索、查询方便、快捷。

(7) 数据备份与恢复。数据的备份与恢复包括描述库和历史库两方面的备份与恢复。备份的方式使一般采用自动、手动备份相结合的方式。

6.4 手抄器

通过内装的红外发射器实现能耗监测终端的数据采集, 通过RS232串口实现主站数据导入。主要功能包括以下几点。

(1) 支持《部规约》和《省规约》能抄收电量采集终端电量、需量、失压断相数据, 抄收本月/上月/上上月有功正向总电量及有功反向总电量, 电量抄收完成后, 数据按电表号入库, 并显示当前抄收的数据。

(2) 采集井时率和冲程电流。

(3) 安全密码功能。

(4) 参数初始编程等。

7 与国内同技术比较

油井能耗监测系统在电能计量的基础上增加了井时率和冲程电流图功能, 既能采集油井耗电量, 又能监测油井工作状况, 井时率是油井的有效工作时间, 反映油井的工作效率, 冲程电流图反映油井一个冲程周期内电流的变化情况, 可以体现电机的平衡度, 井时率和电流图是油井管理所需要的。目前国内没有同类集电能计量和油井工况监测于一体的同类产品。本产品采用成熟的电能计量和通讯技术, 保证产品的可靠性和稳定性。