تعتمد وحدة ضخ الشعاع المعلق التقليدية على تشغيل ثابت السرعة مع إضافة وحدة كبح أو نظام تغذية راجعة للطاقة، مما يُسبب عيوبًا كبيرة من حيث استهلاك الطاقة والتكلفة. تُقدم هذه المقالة تطبيق نظام التحكم الإلكتروني مع محول التردد من سلسلة Dongli Kechuang CT100 كنواة في وحدات ضخ حقول النفط، وتقترح نظامًا جديدًا للتحكم المزدوج في الطاقة والكهرباء بحلقة مغلقة، وهو أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
تطبيق محول التردد Dongli Kechuang CT100 في وحدة ضخ الشعاع المعلق
تعتمد وحدة ضخ الشعاع المعلق التقليدية على تشغيل ثابت السرعة مع إضافة وحدة كبح أو نظام تغذية راجعة للطاقة، مما يُسبب عيوبًا كبيرة من حيث استهلاك الطاقة والتكلفة. تُقدم هذه المقالة تطبيق نظام التحكم الإلكتروني مع محول التردد من سلسلة Dongli Kechuang CT100 كنواة في وحدات ضخ حقول النفط، وتقترح نظامًا جديدًا للتحكم المزدوج في الطاقة والكهرباء بحلقة مغلقة، وهو أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
مقدمة
الغالبية العظمى من حقول النفط في بلدنا منخفضة الطاقة والإنتاجية، على عكس حقول النفط الأجنبية التي تتميز بقدرات حقن ذاتي قوية. يحتاج معظم النفط إلى الحقن في البئر بالماء، ثم رفعه من الطبقة بواسطة آلات الضخ (آلات الدق). في الصين، يُعدّ استبدال النفط بالماء والنفط بالكهرباء واقعًا قائمًا حاليًا في حقول النفط، ويمثل استهلاك الكهرباء نسبة كبيرة من تكلفة استخراج النفط في بلدنا. لذا، تولي صناعة النفط أهمية كبيرة لتوفير الكهرباء، وترشيد استهلاكها يعني خفض تكلفة استخراج النفط بشكل مباشر.
الحل الأمثل لتوفير الطاقة في وحدة الضخ هو استخدام محول تردد لتعديل نظام تشغيل المحرك. بعد استخدام محول تردد لوحدة الضخ، هناك العديد من الفوائد:
(1) تحسين معامل القدرة: يمكن زيادة معامل القدرة على جانب الإدخال من 0.25-0.5 الأصلي إلى أكثر من 0.9، مما يقلل بشكل كبير من تيار مصدر الطاقة، وبالتالي تقليل العبء على شبكة الطاقة والمحولات، وتقليل خسائر الخطوط، وتوفير الكثير من نفقات "توسيع السعة".
(2) تحسين الكفاءة التشغيلية: يمكن تعديل سرعة الاستخراج ديناميكيًا وفقًا لسعة إمداد السائل الفعلية لبئر النفط، مما لا يحقق أهداف توفير الطاقة فحسب، بل يزيد أيضًا من إنتاج النفط الخام، مما يحسن كفاءة النظام بشكل كبير.
(3) تم تحقيق "بداية ناعمة" حقيقية: فهي تتجنب التأثير الميكانيكي المفرط على المحرك الكهربائي وعلبة التروس ووحدة الضخ، مما يطيل عمر خدمة المعدات بشكل كبير، ويقلل من وقت التوقف عن العمل، ويحسن كفاءة الإنتاج.
ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من المشكلات التي تحتاج إلى معالجة عند استخدام محول التردد لمحرك وحدة الضخ، وأهمها مشكلة التيار الزائد والتعامل مع الطاقة المتجددة، والتي سيتم تحليلها بشكل منفصل أدناه.
مقدمة عن الوضع الحالي لوحدات ضخ العوارض المعلقة
مقدمة عن الآلية الميكانيكية لوحدة ضخ العارضة المعلقة
تتكون وحدة ضخ الشعاع بشكل أساسي من أربعة أجزاء:
(1) قسم الشعاع: رأس الحمار، الشعاع، الشعاع العرضي، شعاع الذيل، قضيب التوصيل، كتلة التوازن (وحدة ضخ التوازن المركبة)
(2) قسم القوس: مقعد محمل العارضة المتقاطعة، سلم العمل، الحلقة الواقية، منصة التشغيل، القوس.
(3) جزء المخفض: القاعدة، مقعد أسطوانة المخفض، المخفض، العمود المرفقي، ثقل الموازنة، الفرامل والمكونات الأخرى.
(4) قسم توزيع الطاقة: قاعدة المحرك، المحرك، صندوق التوزيع، إلخ.
شركة شنتشن دونغلي للعلوم والتكنولوجيا والابتكار المحدودة
1. القاعدة؛ 2-القوس؛ 3-جهاز حبل التعليق؛ 4-رأس الحمار؛ 5-العارضة؛ 6-مقعد محمل العارضة؛ 7-العارضة المستعرضة؛ 8-ذراع التوصيل؛ 9-جهاز دبوس العمود المرفقي؛ 10-جهاز العمود المرفقي؛ 11-المخفض؛ 12-جهاز أمان الفرامل؛ 13-جهاز الفرامل؛ 14-المحرك الكهربائي؛ 15-صندوق التوزيع.
كما هو موضح في الشكل، فإن وحدة ضخ الشعاع هي آلية ربط مشوهة بأربعة قضبان، وخصائصها الهيكلية العامة تشبه الميزان. أحد طرفيها هو حمل الضخ، والطرف الآخر هو الحمل الثقيل المتوازن. بالنسبة للقوس، إذا كان عزم الدوران الناتج عن حمل الضخ وحمل التوازن متساويين أو يتغيران باستمرار، فيمكن لوحدة الضخ العمل بشكل مستمر ودون انقطاع مع القليل جدًا من الطاقة. وهذا يعني أن تقنية توفير الطاقة لوحدة الضخ تعتمد على التوازن. كلما انخفضت نسبة التوازن، زادت الطاقة المطلوبة من المحرك الكهربائي. نظرًا لأن حمل الضخ يتغير باستمرار، ولا يمكن أن يكون وزن التوازن متسقًا تمامًا مع حمل الضخ، فإنه يجعل تقنية توفير الطاقة لوحدات ضخ الشعاع معقدة للغاية. لذلك، يمكن القول أن تقنية توفير الطاقة لوحدة ضخ الشعاع هي تقنية الموازنة.
مقدمة عن الوضع الحالي لتحويل التردد المتغير للحزمة المعلقة
في الواقع، عند تحويل التردد، نجد أن معظم أثقال الموازنة في وحدات الضخ غير متوازنة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تيار اندفاعي مفرط، مما يُهدر الكثير من الطاقة الكهربائية دون داعٍ، ويُهدد سلامة المعدات بشكل خطير. في الوقت نفسه، يُشكل هذا صعوبات كبيرة في استخدام التحكم في سرعة محول التردد: إذ يتم اختيار سعة محول التردد عادةً بناءً على القدرة المُصنّفة للمحرك، وقد يُؤدي تيار الاندفاعي المفرط إلى حماية محول التردد من الحمل الزائد، ما يُؤدي إلى توقفه عن العمل بشكل طبيعي.
بالإضافة إلى ذلك، في المرحلة المبكرة من استخراج النفط، تتوفر كمية كبيرة من النفط المخزن وكمية كافية من السوائل. لتحسين الكفاءة، يمكن استخدام نظام تردد الطاقة لضمان إنتاجية عالية من النفط. ومع ذلك، في المراحل المتوسطة والمتأخرة، بسبب انخفاض سعة تخزين النفط، من السهل حدوث نقص في إمدادات السوائل. إذا استمر تشغيل المحرك في حالة تردد الطاقة، فسيؤدي ذلك حتمًا إلى هدر الطاقة الكهربائية وتسبب في خسائر غير ضرورية. في هذه المرحلة، من الضروري مراعاة ظروف التشغيل الفعلية وتقليل سرعة المحرك وشوطه بشكل مناسب لتحسين معدل التعبئة بشكل فعال.
مقدمة لحلول تحويل التردد التقليدية
يُعدّ إدخال تقنية تحويل التردد في التحكم بوحدات ضخ الشعاع اتجاهًا سائدًا. ينتمي تنظيم سرعة التردد المتغير إلى تنظيم السرعة غير المتدرج، والذي يُحدد تردد تشغيل المحرك بناءً على مقدار تيار تشغيله. يتيح هذا ضبطًا سهلًا لشوط وحدة الضخ وفقًا لتغيرات ظروف البئر، مما يُحقق توفيرًا للطاقة ويُحسّن معامل القدرة لشبكة الكهرباء. يضمن تطبيق تقنية التحكم بتحويل التردد المتجه إنتاجًا منخفض السرعة وعزم دوران مرتفع، ويمكن تعديل السرعة بسلاسة ونطاق واسع. في الوقت نفسه، يتميز محول التردد بوظائف حماية كاملة للمحرك، مثل قصر الدائرة، والحمل الزائد، والجهد الزائد، والجهد المنخفض، والتوقف، مما يحمي المحرك والمعدات الميكانيكية بفعالية، ويضمن عمل المعدات بجهد آمن، وله العديد من المزايا مثل التشغيل السلس والموثوق، وتحسين معامل القدرة، وغيرها. يُعدّ هذا الحل الأمثل لتحويل معدات إنتاج النفط. الحلول الشائعة حاليًا هي كما يلي:
عاكس مع وحدة كبح استهلاك الطاقة
هذه الطريقة بسيطة نسبيًا، لكن كفاءتها التشغيلية منخفضة. ويعود ذلك أساسًا إلى التغذية الراجعة للطاقة التي يولدها المحرك أثناء حالة الشوط السفلي عند التشغيل بسرعة ثابتة. عند استخدام محول تردد عادي، يتم تقويم المدخلات بالديود، ولا يمكن للطاقة أن تتدفق في الاتجاه المعاكس. لا يعود الجزء المذكور من الطاقة الكهربائية إلى الشبكة، ويجب استهلاكه محليًا باستخدام المقاومات. لهذا السبب، يجب استخدام وحدات كبح مستهلكة للطاقة، مما يؤدي مباشرةً إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وانخفاض الكفاءة الكلية.
العيوب: انخفاض كفاءة الطاقة والحاجة إلى تركيب وحدات الفرامل ومقاومات الفرامل.
عاكس مع وحدة التحكم بالتغذية الراجعة
لتحسين كفاءة الطاقة المُعاد تدويرها، يُمكن استخدام جهاز تغذية راجعة للطاقة لإعادة تغذية الطاقة المُعاد تدويرها إلى شبكة الكهرباء. بهذه الطريقة، يصبح النظام أكثر تعقيدًا ويزداد الاستثمار. جهاز تغذية راجعة للطاقة هو في الواقع عاكس نشط. من خلال تركيب مُحوّل تردد مع وحدة تغذية راجعة للطاقة، يُمكن للمستخدمين تحديد تدفق وحدة الضخ وسرعتها وإنتاجها بناءً على مستوى السائل وضغط بئر النفط، مما يُقلل من استهلاك الطاقة ويُحسّن كفاءة المضخة؛ كما يُقلل من تآكل المعدات، ويُطيل عمر الخدمة، ويُحقق كفاءة عالية، ويوفر الطاقة، ويُقلل التكلفة، ويُحقق التشغيل الآلي في ظل أقصى ظروف توفير للطاقة. ومع ذلك، نظرًا لطريقة عمل مُحوّل التردد وجهاز التغذية الراجعة، فإن استخدام نظام تغذية راجعة للطاقة يُسبب تلوثًا توافقيًا كبيرًا في طرف مصدر الطاقة، مما يُؤدي إلى انخفاض كبير في جودة شبكة الكهرباء.
العيوب: يتطلب تركيب أجهزة تغذية راجعة، وهو أمر مكلف ويسبب تلوثًا كبيرًا لشبكة الطاقة.
مقدمة عن حلول تحويل التردد من سلسلة Dongli Sci Tech CT100
نظراً للعيوب العديدة لأنظمة تحويل التردد التقليدية، أجرت شركة شنتشن دونغلي للعلوم والتكنولوجيا والابتكار المحدودة بحثاً معمقاً حول عملية وحدة ضخ الشعاع المعلق، واعتمدت منطقاً برمجياً مخصصاً يعتمد على عملية التحكم في وحدة ضخ الشعاع المعلق، واعتمدت نظام تحكم مزدوج مغلق الحلقة للطاقة والقوة لتحقيق ضبط مستمر وسلس لتردد الخرج، والتخلص من التحكم السلبي في عزم الدوران، وتجنب التغذية الراجعة للطاقة الحركية للمحرك وجهد الناقل العالي. علاوة على ذلك، تم تحقيق هدف التخلص من وحدة الكبح وجهاز التغذية الراجعة للطاقة، وتجنب العيوب العديدة لأنظمة تحويل التردد التقليدية.
يعتمد مفهوم التحكم الأساسي في هذا النظام على التحكم في الخرج الثابت. يعتمد محول التردد على وضع تحكم PID مع حلقة خرج ثابتة. بضبط تردد الخرج، يمكن تحقيق التحكم في الخرج الثابت، مما يُقلل بشكل فعال من متوسط طاقة الخرج، ويُحقق توفيرًا فعالًا للطاقة، ويحمي آلية وحدة الضخ مع تلبية متطلبات النبضات. أي أن محول التردد لا يحتاج إلى ضبط تردد تشغيل محدد، ويتم ضبط تردد الخرج الفعلي تلقائيًا من خلال حلقة PID المغلقة. أثناء الشوط السفلي، وبسبب القصور الذاتي الكبير للحمل، عندما تكون السرعة المتزامنة أقل من سرعة المحرك، يُولد المحرك الكهرباء، ويكون عزم خرج محول التردد سالبًا. في هذه الحالة، يزيد محول التردد تلقائيًا من تردد الخرج للتخلص من عزم الدوران السالب وتجنب دخول المحرك في حالة توليد. أثناء الشوط العلوي، تتحول الطاقة الكامنة بالكامل إلى طاقة حركية. في هذه الحالة، تصل السرعة إلى أقصى سرعة وقوة قصور ذاتي، فيتباطأ المحرك لأداء عمل الشوط العلوي. عند انخفاض السرعة، يعمل مُحوِّل التردد في وضع تنظيم PID ذي خرج ثابت، ويزيد تلقائيًا سرعة الشوط الصاعد لإكماله. خلال عملية التحكم الكاملة، يُلاحظ أن المحرك لم يكن في حالة توليد، لذا لا حاجة لتركيب وحدة كبح ووحدة تغذية راجعة RBU. في الوقت نفسه، يكون الشوط الهابط بطيئًا طوال عملية الشوط، مما يسمح بغمر المزيد من الزيت. الشوط الصاعد السريع يقلل من تسرب الزيت، مما يزيد إنتاج الزيت بشكل كبير.
المزايا: لا حاجة لتثبيت أجهزة استهلاك الطاقة أو ردود الفعل، وعملية استخراج الزيت المحسنة، مما يحسن الكفاءة الشاملة بشكل كبير.
مقدمة عن تحويل التردد لسلسلة Dongli Sci Tech CT100
يعتمد محول التردد CT100 من شركة شنتشن دونغلي كيتشوانغ للتكنولوجيا المحدودة على نظام تحكم DSP، ويتبنى تقنية التحكم في ناقل PG الحرة الرائدة محليًا، بالإضافة إلى أساليب حماية متعددة، مما يُمكّن من تطبيقه على المحركات غير المتزامنة، ويوفر أداءً تشغيليًا ممتازًا. وقد حسّن المنتج بشكل كبير من سهولة الاستخدام والتكيف مع البيئة من حيث تصميم قنوات الهواء، وتكوين الأجهزة، ووظائف البرنامج.
الميزات التقنية
صناعة محددة: استنادًا إلى منطق البرنامج لعملية التحكم في وحدة ضخ الشعاع، فإنه يحقق بالفعل حلولاً رائدة ومحددة للصناعة.
اختيار موثوقية عالية: المكونات الرئيسية كلها من علامات تجارية محلية وأجنبية معروفة، مما يضمن استقرارًا موثوقًا به للمكونات.
◆ تصميم التكرار الكبير: من خلال الحسابات الدقيقة والتحقق التجريبي، تم تصميم المكونات الرئيسية بهامش كبير لضمان سلامة الآلة بأكملها في حقول النفط
الاستقرار طويل الأمد في البيئات المعاكسة.
التحكم الأمثل في المتجهات: التحكم في المتجهات الحرة ذات ردود الفعل السريعة الرائدة محليًا مع عزم دوران منخفض التردد واستجابة سريعة لعزم الدوران.
◆ وظيفة تحديد التيار والجهد البرمجي: تحديد جيد للجهد والتيار، وتحديد معلمات التحكم الرئيسية بشكل فعال لتقليل خطر فشل العاكس.
قدرة قوية على التكيف مع البيئة: مع نقطة ارتفاع درجة الحرارة الإجمالية، وتصميم مجرى الهواء المستقل، ومعالجة الطلاء الثلاثية السميكة، فهي أكثر ملاءمة للتشغيل طويل الأمد في حقول النفط الخارجية.
◆ وظيفة إعادة تشغيل تتبع السرعة: تحقيق بداية سلسة للمحركات الدوارة دون تأثير
◆ وظيفة ضبط الجهد التلقائي: عندما يتغير جهد الشبكة، يمكنها الحفاظ تلقائيًا على جهد خرج ثابت
حماية شاملة من الأخطاء: التيار الزائد، الجهد الزائد، الجهد المنخفض، درجة الحرارة الزائدة، فقدان الطور، الحمل الزائد ووظائف الحماية الأخرى
خاتمة
نظرًا للعديد من عيوب طريقة تطبيق تحويل التردد التقليدية لوحدة ضخ الشعاع، فإن التحسين المستمر لنظام التحكم في تحويل التردد أمرٌ لا مفر منه. ستقود شركة شنتشن دونغلي ساينس تك إنوفيشن تكنولوجي المحدودة تحول الصناعة بحلولها المبتكرة للتحكم. في الوقت نفسه، يضمن استقرار البرامج والأجهزة الموثوق به لمحول التردد سلسلة CT100 تجربة مستخدم فعالة من حيث التكلفة للعملاء.