電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用

張樹起

（中國石油天然氣集團(tuán)公司大港油田公司第二采油廠電力管理站，河北黃驊 061103）

1 概述與現(xiàn)狀

目前生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行的電動機(jī)，特別是大功率電動機(jī)的電流測大多是通過過電流保護(hù)器來完成的，但始終不知道電動機(jī)運(yùn)行時的溫度，如果電動機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)問題，電流不會增加很多，但是溫度會上升很快，這樣會使電動機(jī)燒毀。即使電動機(jī)運(yùn)行電流正常，由于電動機(jī)的制造質(zhì)量或安裝接線不規(guī)范，會使接線端子溫度過高也會造成的電動機(jī)燒毀?？傊?，電動機(jī)燒毀的主要原因是因溫度過高而造成的絕緣破壞。

現(xiàn)場中使用過流保護(hù)器來保護(hù)電動機(jī)時，在電動機(jī)運(yùn)行的過程中，電流沒有超過閾值，而溫度上升了很多，同樣也會導(dǎo)致電動機(jī)的使用性能下降，甚至燒毀電動機(jī)。由于電動機(jī)保護(hù)器只有斷相、過載、過壓、欠壓保護(hù)而沒有超溫保護(hù)，每年因超溫運(yùn)行燒毀的電動機(jī)損失達(dá)幾十萬元至上百萬元。

2 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

（1）電動機(jī)運(yùn)行過程中無溫度控制，經(jīng)常因超溫?zé)龤щ妱訖C(jī)，增加電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)。

（2）電動機(jī)超溫后發(fā)出聲光報警，提醒工作人員停機(jī)或采取措施。

（3）電動機(jī)超溫后斷開電動機(jī)控制電路。

3 組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)

為了該項(xiàng)目能高效有序的開展工作，優(yōu)選了理論功底扎實(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、長期工作在一線的兩名集團(tuán)級專家、兩名首席技師、一名高級工程師為團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)隊(duì)伍。

工作分工是：隊(duì)長負(fù)責(zé)該參賽項(xiàng)目的總體策劃與指導(dǎo)工作。隊(duì)員分別負(fù)責(zé)該項(xiàng)目實(shí)施過程的監(jiān)督工作隊(duì)員，“項(xiàng)目攻關(guān)模式”匯報工作以及項(xiàng)目資料整理、課件的指導(dǎo)策劃工作，負(fù)責(zé)“項(xiàng)目成果展示”、“創(chuàng)新方法應(yīng)用”的匯報工作。

4 團(tuán)隊(duì)工作的開展

（1）團(tuán)隊(duì)成員對板橋油田、王徐莊油田的注水泵、輸油泵、抽油機(jī)等設(shè)備的電動機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場測溫采集數(shù)據(jù)。在注水大功率泵電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行溫度測試，制定攻關(guān)過程中檢測元件在運(yùn)行的電動機(jī)中安裝位置的合理性和安全性進(jìn)行評估。確保實(shí)現(xiàn)測溫保護(hù)等功能實(shí)現(xiàn)的同時保證電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。整理現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，制作圖表，對“電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的電路設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。

（2）團(tuán)隊(duì)成員針對難題發(fā)生原因進(jìn)行分析，對該項(xiàng)目進(jìn)行了分析論證，確定將存在的問題，組織小組成員對難題進(jìn)行分析研究，討論出解決難題的可行性方式和方法作為下步攻關(guān)的思路，最終確定攻關(guān)方案。

（3）數(shù)據(jù)采集。

團(tuán)隊(duì)成員繼續(xù)對板橋油田、王徐莊油田的注水泵、輸油泵、抽油機(jī)等設(shè)備的電動機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場測溫采集數(shù)據(jù)；對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，制作圖表，便于后期對“電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)”的電路設(shè)計提供基礎(chǔ)資料；

由于項(xiàng)目進(jìn)度受到各采油廠及電力管理站相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，團(tuán)隊(duì)對該項(xiàng)目的進(jìn)展情況進(jìn)行初期匯報。

通過數(shù)據(jù)測量、采集分析，電動機(jī)最早發(fā)熱部位為軸承，軸承間隙變大或軸承缺油造成電動機(jī)溫度升高，進(jìn)而造成電動機(jī)掃膛。定子、轉(zhuǎn)子相互摩擦造成在電動機(jī)電流不會增大很多的情況下發(fā)熱，電動機(jī)保護(hù)器不動作。軸承不損壞電動機(jī)溫度不升高，所以主要監(jiān)控軸承溫度、定子溫度。

5 產(chǎn)品制造方案

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)集體通論，確定采用性能好、價格廉的單片機(jī)為控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個控制單元，每個單元連接一個探頭，分別測量電動機(jī)4個不同位置的溫度。因?yàn)檩S承損壞時溫度最先發(fā)熱，特別是注重軸承端溫度的測量。

（1）該系統(tǒng)由耐溫200℃，體積小、便于安裝的（長2 cm直徑? 為0.3 cm）的溫度探頭安裝在電動機(jī)定子繞組槽楔處、電動機(jī)軸承端，采用熱熔膠粘接固定，保證測溫正確，電動機(jī)運(yùn)行安全。探頭與控制系統(tǒng)連接采用直徑1 mm 外層耐高溫軟線作為信號傳輸導(dǎo)線，保證信號傳輸正確。信號傳輸導(dǎo)線耐高溫、強(qiáng)度高，適合各種場所使用。

（2）該系統(tǒng)精準(zhǔn)檢測電動機(jī)運(yùn)行溫度并在控制柜和設(shè)備管理人員值班室安裝報警警鈴，當(dāng)電動機(jī)溫度高于設(shè)定溫度1℃時，報警警鈴發(fā)出報警提醒工作人員根據(jù)情況進(jìn)行處理。當(dāng)高于設(shè)定溫度5℃時，控制系統(tǒng)斷開電動機(jī)控制電路，電動機(jī)停止運(yùn)行，保護(hù)電動機(jī)不被燒毀。同時面板顯示各溫度探頭的溫度，以便工作人員判斷電動機(jī)超溫報警的原因。

6 改造及創(chuàng)新點(diǎn)

采用單片機(jī)作為電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)以及與單片機(jī)連接的檢測芯片、報警蜂鳴器、LED 報警燈、電動機(jī)控制電路、LCD 顯示器、程序調(diào)試接口、鍵盤輸入接口，電動機(jī)溫度控制原理如圖1所示。

圖1 電動機(jī)溫度控制原理圖

檢測芯片用于檢測電動機(jī)溫度的，設(shè)置在芯片支座上；芯片支座與電動機(jī)的接線端子連接；通過接線端子及芯片支座將電動機(jī)運(yùn)行溫度傳導(dǎo)到檢測芯片上。檢測芯片將溫度信號傳送至所述單片機(jī)，單片機(jī)將信號傳輸至LCD 顯示屏，LCD顯示屏顯示電動機(jī)運(yùn)行檢測溫度；通過程序調(diào)試接口和鍵盤輸入接口給單片機(jī)上為電動機(jī)設(shè)定溫度；設(shè)定溫度在LCD 顯示屏上顯示；當(dāng)檢測溫度大于設(shè)定溫度時，單片機(jī)輸出信號給報警蜂鳴器或LED 報警燈或電動機(jī)控制電路。

（1）當(dāng)檢測溫度大于設(shè)定溫度時，單片機(jī)輸出脈沖波驅(qū)動報警蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時單片機(jī)輸出脈沖波驅(qū)動LED報警燈發(fā)出報警燈光。

（2）當(dāng)檢測溫度大于設(shè)定溫度，單片機(jī)驅(qū)動電動機(jī)控制電路控制電動機(jī)停止。

（3）鍵盤輸入接口包括4個設(shè)置鍵，分別為S1、S2、S3、S4；設(shè)置鍵S1為設(shè)定鍵，按下需要設(shè)定的數(shù)值后開始閃爍；設(shè)置鍵S2為平移鍵，可以水平移動光標(biāo)；設(shè)置鍵S3為上升鍵，進(jìn)行數(shù)值的增加；設(shè)置鍵S4為下降鍵，進(jìn)行數(shù)值的減少。

7 現(xiàn)場安裝應(yīng)用效果

（1）第一次性能測試。對測元件的準(zhǔn)確性能和安全性能進(jìn)行測試并做好分析，為項(xiàng)目推進(jìn)做好技術(shù)支撐和理論論據(jù)。所述檢測芯片用于檢測電動機(jī)溫度的，設(shè)置在芯片支座上；芯片支座與電動機(jī)的接線端子連接。

檢查接線端子及芯片支座將電動機(jī)運(yùn)行溫度傳導(dǎo)到檢測芯片上，檢測芯片將溫度信號傳送至所述單片機(jī)，單片機(jī)將信號傳輸至所述LCD 顯示屏，檢查LCD 顯示屏顯示電動機(jī)運(yùn)行檢測溫度；通過所述程序調(diào)試接口和鍵盤輸入接口給在所述單片機(jī)上為電動機(jī)設(shè)定溫度；所述設(shè)定溫度在所述LCD顯示屏上顯示；當(dāng)所述檢測溫度大于設(shè)定溫度時，所述單片機(jī)輸出信號給所述報警蜂鳴器或LED 報警燈或電動機(jī)控制電路。

用示波器檢查當(dāng)所述檢測溫度大于設(shè)定溫度時，單片機(jī)輸出脈沖波驅(qū)動所述報警蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時單片機(jī)輸出脈沖波驅(qū)動所述LED 報警燈發(fā)出報警燈光。

檢測溫度大于設(shè)定溫度，并運(yùn)行超過3 min 時，單片機(jī)是否驅(qū)動電動機(jī)控制電路控制電動機(jī)停止。

（2）第二次性能測試。團(tuán)隊(duì)成員對新到貨的YY-460型四通道智能溫控儀表進(jìn)行測試安裝，四路溫度控制儀可以同時配接4路傳感器，獨(dú)立的自整定模式和獨(dú)立的PID 參數(shù)，對高溫電動機(jī)進(jìn)行溫度測試。

團(tuán)隊(duì)成員繼續(xù)對單片機(jī)進(jìn)行程序編制工作，包括檢測芯片、報警蜂鳴器、LED 報警燈、電動機(jī)控制電路、LCD 顯示器多次調(diào)試，并記錄正常生產(chǎn)電動機(jī)溫度統(tǒng)計，并做好分析，為項(xiàng)目推進(jìn)做好技術(shù)支撐和理論論據(jù)。

在塘一注水站185 kW 注水電動機(jī)和板26站185 kW 注水電動機(jī)進(jìn)行測試并做好運(yùn)轉(zhuǎn)電動機(jī)定子溫度。做好記錄，并分析溫度高（除天氣溫度外）的原因。將檢測芯片用于檢測電動機(jī)溫度的，通過檢測原件將電動機(jī)運(yùn)行溫度傳導(dǎo)到所述檢測芯片上，檢測芯片將溫度信號傳送至單片機(jī)，單片機(jī)再將信號傳輸至所述LCD 顯示屏，LCD 顯示屏顯示電動機(jī)運(yùn)行溫度，并做好測試記錄。做好測試安全保障工作和測試工作的應(yīng)急預(yù)案，確保測試電動機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)。

（3）第三次性能測試。對測元件的準(zhǔn)確性能和安全性能進(jìn)行測試并做好分析，為項(xiàng)目推進(jìn)做好技術(shù)支撐和理論論據(jù)。自2020 年6 月在大港油田羊二莊地區(qū)、板橋地區(qū)安裝試驗(yàn)，共安裝控制系統(tǒng)10臺。

8 現(xiàn)場應(yīng)用

8.1 電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)在抽油機(jī)上的應(yīng)用

大港油田在用抽油機(jī)井3000口，每年因超溫?zé)龤У碾妱訖C(jī)500臺以上，造成經(jīng)濟(jì)損失200萬元，有效解決抽油機(jī)電動機(jī)超溫?zé)龤栴}意義重大。抽油機(jī)的系統(tǒng)效率分為地面效率和井下效率兩部分，抽油系統(tǒng)的地面效率損失主要發(fā)生在電動機(jī)、皮帶、減速器和四連桿機(jī)構(gòu)中。從機(jī)、電、井系統(tǒng)工程的角度研究。第一，對常年不停連續(xù)工作的抽油機(jī)，降低配套動力是節(jié)能的關(guān)鍵。降低配套動力既減少自身空載損耗，又提高電網(wǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)雙重節(jié)能作用。第二，達(dá)到井下液面動態(tài)平衡是抽油機(jī)的最佳抽汲參數(shù)，大沖程理論有局限性。大沖程不適合低滲油田抽油工況，會造成嚴(yán)重空抽能耗。抽油機(jī)只有在上行時才出力，下行狀態(tài)處于發(fā)電狀態(tài)。根據(jù)抽油機(jī)的生產(chǎn)特點(diǎn)，選取抽油機(jī)的電動機(jī)皮帶輪端受力處作為溫度測量點(diǎn)，檢測其變化溫度最早的位置，一有問題立即停止電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

8.2 電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)在注水系統(tǒng)上的應(yīng)用

油田輸配系統(tǒng)是電能消耗大戶。注水系統(tǒng)方面，一是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行注水管網(wǎng)改造。系統(tǒng)壓力為21.5 MPa，每臺機(jī)泵日耗電1.2萬kW·h。輸摻系統(tǒng)方面，根據(jù)機(jī)泵效率調(diào)整，更換用電設(shè)施，280 kW 電動機(jī)供輸摻系統(tǒng)生產(chǎn)。油田注水設(shè)備負(fù)荷率較高、電動機(jī)大，注水電動機(jī)采用溫度控制意義重大。先后有板17站、板21站、白一站等3個中轉(zhuǎn)站的輸油280 kW電動機(jī)上進(jìn)行安裝，選取電動機(jī)的皮帶輪端進(jìn)行四點(diǎn)測溫。經(jīng)過3個月的運(yùn)行，電動機(jī)溫度保護(hù)動作3次。事后經(jīng)檢查，原因全部為電動機(jī)掃膛造成溫度過高，電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)保護(hù)了電動機(jī)不被燒毀，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益50萬元。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)檢測電動機(jī)運(yùn)行溫度可靠，是保護(hù)電動機(jī)安全運(yùn)行的必備系統(tǒng)。

9 結(jié)束語

電動機(jī)溫度控制系統(tǒng)保護(hù)了電動機(jī)安裝運(yùn)行，避免了電動機(jī)故障發(fā)生，延長了電動機(jī)使用壽命，減少維護(hù)更換次數(shù)，減少成本投入，減低勞動強(qiáng)度，具有良好的社會效益。電動機(jī)控制系統(tǒng)在解決電動機(jī)燒毀重大生產(chǎn)技術(shù)難題成果達(dá)到領(lǐng)先水平，本技術(shù)成果在本行業(yè)及中油集團(tuán)公司首創(chuàng)，實(shí)用性強(qiáng)，適合集團(tuán)公司各種抽油機(jī)生產(chǎn)場所推廣應(yīng)用。不但適合戶內(nèi)電動機(jī)使用，同樣適合在戶外電動機(jī)應(yīng)用，具有在本行業(yè)及集團(tuán)公司推廣的前景。