1、1单片机技术在油井电加热中的应用设计蔡国庆（中油辽河油田公司沈阳采油厂，辽宁盘锦 110316）摘 要：提出了一种采用单片机技术，运用电能专用芯片，集成电机保护、油井井下电加热的自动运行控制的控制器；该项技术有效地解决油井井下电加热的自动运行控制问题。关键词：单片机 有功功率 电加热 1 概 述沈阳油田已投入开发的区块大部分都为高凝油，而高凝油以其原油含蜡量高、凝固点高的原油特性，给原油开采造成了较大的难度。为使油井能够正常生产，必须采用井筒保温、热量补偿以及化学降凝等措施；因此，我厂绝大多数的油井采用了井下电加热装置对原油加热。加热功率多为 3050KW，在原油开采中井下电加热装置的用电量占
2、总用电量的 5070%；因此井下电加热装置的节能降耗具有重要的现实意义。2005 年以来我厂开始试验运用定时加热、井口温度检测闭环控制等技术，经现场运用发现存在如下几个问题：、定时加热是采油工根据经验手动调节定时器，控制加热时间；这种方式要求采油工具有很强的责任心和工作经验，即使这样也还存在控制效果不好，要么节能效果不好，要么加热不足，影响原油的开采。、温度闭环的运用是在井口安装温度传感器，控制井口温度保持恒定，这种方式也存在以下缺点：a、温度的采集是在井口，受环境温度的影响较大，不能真实的反映井下温度；b、传感器的安装固定不便现场施工。针对上述问题，我们经过研究认为只有采取新的方式，才能在加
3、热装置的节能降耗上有所突破；于是 2007 年 11 月我们开始开发研制抽油机智能型节能保护控制器（以下简称控制器） 。起初，我们采用电流检测方式判断井下负荷，在现场实施中发现有些油井距变电站较远，当加热装置工作时，造成电网电压下降达到 10%，这样造成电机电流增大，影响井下负荷的准确判断，使用有一定的局限性；我们知道，在抽油机平衡一定的条件下，井下负荷与抽油机电机的有功功率成正比，与电网电压无关；因此，我们采用了检测有功功率的方式判断井下负荷，进而控制加热装置的起停，实现节能目的。2 控制器原理2.1 硬件构成控制器主要由单片机、电量检测芯片、键盘显示、电源、输出控制等组成。电 量 参 数
4、的 采 集 采 用三 相 三 线 模 式 的 两 元 件 测 量 方 式 ； 合 相 有 功 功 率 的 计 算 公 式 ： P=UABIA+ UCBIC， 电 压 、电 流 传 感 器 采 集 的 电 压 、 电 流 数 据 传 送 给 电 能 计 量 芯 片 ， 经 过 芯 片 内 DSP 处 理 器 的 运 算 处理 ， 检 测 出 电 压 、 电 流 、 有 功 功 率 、 无 功 功 率 及 有 无 功 电 能 等 数 据 ， 通 过 SPI 通 讯 口 传给 单 片 机 ， 完 成 数 据 采 集 。单 片 机 是 控 制 器 的 核 心 ， 它 接 收 来 自 电 能 芯 片 的
5、 数 据 信 息 ， 经 过 内 部 软 件 的 处 理 ， 判 断 电 机2电 流 是 否 过 载 、 缺 相 、 三 相 不 平 衡 等 保 护 功 能 ； 同 时 ， 通 过 有 功 功 率 的 检 测 处 理 ， 当 有 功 功 率高 于 加 热 上 限 时 ， 说 明 井 下 负 荷 重 ， 原 油 加 热 不 足 ， 经 延 时 处 理 后 ， 控 制 执 行 继 电 器 动 作 ， 外部 电 加 热 器 工 作 ； 当 有 功 功 率 低 于 加 热 下 限 时 ， 说 明 井 下 负 荷 轻 ， 经 延 时 处 理 后 ， 控 制 执 行 继电 器 动 作 ， 外 部 电 加
6、热 器 停 止 工 作 。键 盘 显 示 电 路 ， 提 供 人 机 操 作 界 面 ； 可 完 成 各 项 参 数 的 设 置 ， 显 示 各 项 电 量 参 数 以 及故 障 保 护 信 息 。图 1 控 制 器 原 理 框 图2.2 软 件 编 程控 制 器 中 的 CPU 的 软 件 采 用 汇 编 语 言 编 写 ； CPU 的 指 令 采 用 精 简 指 令 集 RISC 结 构 ，由 于 其 先 进 的 指 令 集 以 及 单 时 钟 周 期 指 令 执 行 时 间 ， CPU 的 数 据 吞 吐 率 高 达 1 MIPS/MHz， 从 而 可 以 缓 减 系 统 在 功 耗 和
7、 处 理 速 度 之 间 的 矛 盾 ， 内 核 具 有 丰 富 的 指 令 集 和32 个 通 用 工 作 寄 存 器 。程序分主程序和各种功能的子程序；主程序流程图如图2，各功能子程序简介：a、 启 动 检 测 子 程 序 完 成 电 机 启 动 的 判 断 ；b、 启 动 中 过 载 、 缺 相 检 测 子 程 序 完 成 启 动 中 的 电 机 保 护 ；c、 电 流 检 测 子 程 序 完 成 电 机 电 流 的 检 测 ；d、 过 载 、 缺 相 检 测 子 程 序 完 成 运 行 中 的 电 机 保 护 ；e、 有 功 功 率 检 测 子 程 序 完 成 有 功 功 率 的 检
8、测 ；f、 电 加 热 控 制 子 程 序 完 成 是 否 电 加 热 的 运 行 控 制 ；g、 停 机 检 测 子 程 序 完 成 电 机 是 否 停 机 的 判 断 ；h、 保 护 动 作 子 程 序 完 成 电 机 保 护 动 作 的 控 制 。UcCB相 电 压 互 感 器bIaA相 电 流 互 感 器IcC相 电 流 互 感 器 DSP电 能 计 量 芯 片 单 片 机 （ CPU）键 盘 、 显 示 电 路保 护 执 行 机 构电 源 电 路 接 触 器电 源AB相 电 压 互 感 器Ua3调 电 流 检 测 子 程 序NY0.5S到 否 ？保 护 否 ？N调 过 载 、 缺 相
9、 检 测子 程 序调 电 加 热 控 制子 程 序调 有 功 功 率 检 测 子程 序N调 用 启 动 中 的 过 载 、缺 相 判 断 子 程 序电 机 运 行 否 ？Y调 启 动 检 测 子 程 序主 程 序数 据 初 始 化调 停 机 检 测 子 程 序调 保 护 动 作 子 程 序Y停 机 否 ？YN图 2 主 程 序 流 程 图43 控制器的参数和特点3.1 控制器的技术参数、输入电压：三相 AC 380V；、缺相动作时间：1.5S；、不加热转换到加热的延时时间：1040S；、加热转换到不加热的延时时间：120S；3.2 控制器的特点、电机的过载、缺相及堵转保护，过载反时限特性。、电
10、加热的自动控制，节能降耗。、生产工艺简单，安装调试简便，维护管理工作量相对较小。4 结论：抽油机智能型节能保护控制器，有效地解决油井井下电加热器的如何自动运行控制的难题，节能降耗效果显著，减轻了采油工的劳动强度；同时，有效利用硬件资源，合理利用单片机的可编程特点，实现一机两用功能，具有一定的经济和社会效益，在辽河油田也具有较好的推广应用前景。参考文献：1Atmega8 原理及运用手册（马潮、詹卫前、耿德根 编）清华大学出版社，2003.32ATT7022A 用户手册 （珠海炬力集成电路设计有限公司 编） 作者简介：蔡国庆（1965-） ，工程师，1987 年毕业于桂林电子工业学院无线电工程专业，目前从事电力系统管理，油田节能开发与应用等项工作。电话：04277560624、传真：04277560593、手机：13898807666、E-mail:
