Die herkömmliche, auf einem hängenden Träger basierende Pumpeneinheit arbeitet mit konstanter Drehzahl und verfügt über eine Bremsanlage oder ein Energierückführungssystem. Dies ist jedoch mit einem hohen Energieverbrauch und hohen Kosten verbunden. Dieser Artikel beschreibt den Einsatz eines elektronischen Steuerungssystems mit einem Frequenzumrichter der Serie CT100 von Dongli Kechuang als Kernkomponente in Ölfeldpumpeneinheiten und stellt ein neues, effizienteres und kostengünstigeres Verfahren zur dualen Regelung von Energie und Leistung vor.
Anwendung des Dongli Kechuang CT100 Frequenzumrichters in einer Hängebalken-Pumpeinheit
Die herkömmliche, auf einem hängenden Träger basierende Pumpeneinheit arbeitet mit konstanter Drehzahl und verfügt über eine Bremsanlage oder ein Energierückführungssystem. Dies ist jedoch mit einem hohen Energieverbrauch und hohen Kosten verbunden. Dieser Artikel beschreibt den Einsatz eines elektronischen Steuerungssystems mit einem Frequenzumrichter der Serie CT100 von Dongli Kechuang als Kernkomponente in Ölfeldpumpeneinheiten und stellt ein neues, effizienteres und kostengünstigeres Verfahren zur dualen Regelung von Energie und Leistung vor.
Einführung
Die überwiegende Mehrheit der Ölfelder in unserem Land sind energiearme und ertragsschwache Ölfelder, im Gegensatz zu ausländischen Ölfeldern mit hoher Eigeninjektionskapazität. Das Öl muss größtenteils durch Wasserinjektion in die Bohrung eingebracht und anschließend mit Pumpmaschinen (Schlagpumpen) aus der Formation gefördert werden. In China ist der Ersatz von Öl durch Wasser und Öl durch Strom bereits Realität, und der Stromverbrauch macht einen erheblichen Teil der Ölförderkosten aus. Daher legt die Ölindustrie großen Wert auf Energieeinsparung, denn eine Reduzierung des Stromverbrauchs bedeutet eine direkte Senkung der Ölförderkosten.
Die energiesparende Lösung für die Pumpeneinheit besteht in der Verwendung eines Frequenzumrichters zur Modifizierung des Motorantriebssystems. Die Umstellung auf einen Frequenzumrichter für die Pumpeneinheit bietet mehrere Vorteile:
(1) Verbesserung des Leistungsfaktors: Der Leistungsfaktor auf der Eingangsseite kann von ursprünglich 0,25-0,5 auf über 0,9 erhöht werden, wodurch der Versorgungsstrom erheblich reduziert wird. Dies verringert die Belastung des Stromnetzes und der Transformatoren, reduziert die Leitungsverluste und spart viele Kosten für den Kapazitätsausbau.
(2) Verbesserung der Betriebseffizienz: Die Fördergeschwindigkeit kann dynamisch an die tatsächliche Flüssigkeitsförderkapazität des Ölbrunnens angepasst werden, wodurch nicht nur Energiesparziele erreicht, sondern auch die Rohölproduktion gesteigert und die Systemeffizienz erheblich verbessert wird.
(3) Ein echter „sanfter Anlauf“ wurde erreicht: Dadurch werden übermäßige mechanische Belastungen des Elektromotors, des Getriebes und der Pumpeneinheit vermieden, was die Lebensdauer der Anlage erheblich verlängert, die Ausfallzeiten reduziert und die Produktionseffizienz verbessert.
Allerdings gibt es auch einige Probleme, die bei der Verwendung eines Frequenzumrichters für den Motor einer Pumpeneinheit angegangen werden müssen, vor allem das Problem des Stoßstroms und der Handhabung der Rückgewinnungsenergie, die weiter unten gesondert analysiert werden.
Einführung in die aktuelle Situation der Hängebalkenpumpen
Einführung in den mechanischen Mechanismus der Hängebalken-Pumpeinheit
Die Strahlpumpeneinheit besteht im Wesentlichen aus vier Teilen:
(1) Balkenabschnitt: Eselskopf, Balken, Querbalken, Schwanzbalken, Pleuelstange, Ausgleichsblock (zusammengesetzte Ausgleichspumpeneinheit)
(2) Halterungsbereich: Querträgerlager, Arbeitsleiter, Schutzring, Arbeitsplattform, Halterung.
(3) Reduziergetriebe: Sockel, Reduzierzylindersitz, Reduziergetriebe, Kurbelwelle, Gegengewicht, Bremse und andere Komponenten.
(4) Stromverteilung: Motorfuß, Motor, Verteilerkasten usw.
Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd
1. Sockel; 2. Halterung; 3. Aufhängungsseilvorrichtung; 4. Kopfstück; 5. Träger; 6. Trägerlagersitz; 7. Querträger; 8. Pleuelstange; 9. Kurbelzapfenvorrichtung; 10. Kurbelvorrichtung; 11. Reduziergetriebe; 12. Bremssicherheitsvorrichtung; 13. Bremsvorrichtung; 14. Elektromotor; 15. Verteilerkasten.
Wie in der Abbildung dargestellt, handelt es sich bei der Balkenpumpeneinheit um einen verformten Viergelenkmechanismus, dessen Gesamtstruktur einer Waage ähnelt. An einem Ende befindet sich die Förderlast, am anderen die Ausgleichslast. Wenn das durch die Förderlast und die Ausgleichslast erzeugte Drehmoment gleich groß ist oder sich gleichmäßig ändert, kann die Pumpeneinheit kontinuierlich und unterbrechungsfrei mit sehr geringem Energieaufwand arbeiten. Die Energiespartechnologie der Pumpeneinheit basiert also auf dem Gleichgewicht. Je geringer das Gleichgewichtsverhältnis, desto höher ist der Leistungsbedarf des Elektromotors. Da sich die Förderlast ständig ändert und das Ausgleichsgewicht nicht exakt mit der Förderlast übereinstimmt, ist die Energiespartechnologie von Balkenpumpeneinheiten sehr komplex. Daher kann man sagen, dass die Energiespartechnologie der Balkenpumpeneinheit im Wesentlichen auf dem Gleichgewicht beruht.
Einführung in den aktuellen Stand der Frequenzumwandlung an Hängebalken
Die tatsächliche Situation bei der Frequenzumwandlung zeigt, dass die Gegengewichte der Pumpeneinheiten größtenteils stark unausgewuchtet sind. Dies führt zu übermäßigen Stoßströmen, die nicht nur unnötig viel elektrische Energie verschwenden, sondern auch die Sicherheit der Anlage ernsthaft gefährden. Gleichzeitig stellt dies eine große Herausforderung für die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter dar: Die Kapazität des Frequenzumrichters wird üblicherweise anhand der Nennleistung des Motors ausgelegt, und übermäßige Stoßströme können eine Überlastung des Frequenzumrichters auslösen, wodurch dessen ordnungsgemäßer Betrieb verhindert wird.
Darüber hinaus stehen in der Anfangsphase der Ölförderung große Ölvorräte und eine ausreichende Flüssigkeitsversorgung zur Verfügung. Um die Effizienz zu steigern und eine hohe Ölproduktion zu gewährleisten, kann der Betrieb mit Netzfrequenz genutzt werden. In der mittleren und späteren Phase hingegen, aufgrund der sinkenden Ölvorratskapazität, kann es leicht zu einer unzureichenden Flüssigkeitsversorgung kommen. Läuft der Motor weiterhin mit Netzfrequenz, verschwendet er zwangsläufig elektrische Energie und verursacht unnötige Verluste. Daher ist es notwendig, die tatsächliche Betriebssituation zu berücksichtigen und die Motordrehzahl sowie den Hub entsprechend zu reduzieren, um die Förderrate effektiv zu verbessern.
Einführung in traditionelle Frequenzumwandlungslösungen
Die Einführung der Frequenzumrichtertechnologie in die Steuerung von Bohrlochpumpen ist ein Trend. Die variable Frequenzdrehzahlregelung zählt zur stufenlosen Drehzahlregelung und bestimmt die Betriebsfrequenz des Motors anhand der Größe seines Betriebsstroms. Dies ermöglicht eine komfortable Anpassung des Pumpenhubs an die sich ändernden Bohrlochbedingungen, was Energieeinsparungen und eine Verbesserung des Leistungsfaktors im Stromnetz zur Folge hat. Der Einsatz der Vektorfrequenzumrichtertechnologie gewährleistet niedrige Drehzahlen bei hohem Drehmoment und ermöglicht eine stufenlose und weite Drehzahlregelung. Gleichzeitig verfügt der Frequenzumrichter über umfassende Motorschutzfunktionen wie Kurzschluss-, Überlast-, Überspannungs-, Unterspannungs- und Blockierschutz. Dadurch werden Motor und mechanische Anlagen effektiv geschützt, ein sicherer Betrieb mit der Betriebsspannung sichergestellt und zahlreiche Vorteile wie ein reibungsloser und zuverlässiger Betrieb sowie ein verbesserter Leistungsfaktor erzielt. Die Frequenzumrichtertechnologie ist eine ideale Lösung für die Modernisierung von Ölförderanlagen. Die gängigen Lösungen sind derzeit:
Wechselrichter mit Energieverbrauchsbremseinheit
Diese Methode ist zwar relativ einfach, aber wenig effizient. Das liegt hauptsächlich an der Rückkopplung der vom Motor während des Abwärtshubs im Konstantdrehzahlbetrieb erzeugten Energie. Bei Verwendung eines herkömmlichen Frequenzumrichters wird der Eingang diodengleichgerichtet, und Energie kann nicht in die entgegengesetzte Richtung fließen. Dieser Teil der elektrischen Energie kann nicht ins Netz zurückgespeist werden und muss lokal mittels Widerständen verbraucht werden. Daher sind energieintensive Bremsanlagen erforderlich, was direkt zu einem hohen Energieverbrauch und einer geringen Gesamteffizienz führt.
Nachteile: Geringe Energieeffizienz und die Notwendigkeit, Bremsanlagen und Bremswiderstände einzubauen.
Wechselrichter mit Rückkopplungsregelung
Um die zurückgewonnene Energie zurückzuspeisen und die Effizienz zu steigern, kann ein Energierückkopplungsgerät eingesetzt werden. Dadurch wird das System komplexer und die Investitionskosten steigen. Das Energierückkopplungsgerät ist im Prinzip ein aktiver Wechselrichter. Durch die Installation eines Frequenzumrichters mit Energierückkopplungseinheit können Anwender Spülung, Drehzahl und Fördermenge der Pumpanlage anhand des Flüssigkeitsstands und des Drucks im Ölfeld steuern. Dies reduziert den Energieverbrauch und verbessert die Pumpeneffizienz. Gleichzeitig werden Verschleiß, Lebensdauer und Effizienz gesteigert, Energieeinsparung und niedrige Kosten erzielt und ein automatisierter Betrieb unter maximal energiesparenden Bedingungen ermöglicht. Aufgrund der Funktionsweise des Frequenzumrichters und des Rückkopplungsgeräts verursacht die Energierückkopplung jedoch erhebliche Oberwellenbelastungen im Netz, was die Netzqualität deutlich verschlechtert.
Nachteile: Es erfordert die Installation von Rückkopplungsvorrichtungen, was kostspielig ist und zu erheblichen Umweltbelastungen des Stromnetzes führt.
Einführung in die Dongli Sci Tech CT100-Serie Frequenzumsetzerlösung
Angesichts der verschiedenen Nachteile herkömmlicher Frequenzumwandlungsverfahren hat Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd. die Funktionsweise der Schwingbalken-Pumpeinheit eingehend untersucht, eine spezielle Softwarelogik für deren Steuerung entwickelt und eine duale Regelung von Energie und Leistung implementiert. Dadurch wird eine kontinuierliche und stufenlose Anpassung der Ausgangsfrequenz erreicht, eine negative Drehmomentregelung eliminiert und eine Rückkopplung von Motorkinetikenergie und hoher Busspannung vermieden. Zudem konnte auf Bremseinheit und Energierückkopplungseinrichtung verzichtet werden, wodurch die Nachteile herkömmlicher Frequenzumwandlungsverfahren umgangen werden.
Das Kernkonzept dieses Systems ist die Konstantleistungsregelung. Der Frequenzumrichter arbeitet mit einem PID-Regler und einem Konstantleistungsregelkreis. Durch die Anpassung der Ausgangsfrequenz wird eine Konstantleistungsregelung erreicht, die die durchschnittliche Ausgangsleistung effektiv reduziert, Energie spart und gleichzeitig die Pumpenmechanik schützt und die Impulsanforderungen erfüllt. Das heißt, der Frequenzumrichter benötigt keine voreingestellte Betriebsfrequenz; die tatsächliche Ausgangsfrequenz wird automatisch über den geschlossenen PID-Regelkreis angepasst. Während des Abwärtshubs erzeugt der Motor aufgrund der großen Lastträgheit Strom, wenn die Synchrondrehzahl niedriger als die Motordrehzahl ist. Das Ausgangsdrehmoment des Frequenzumrichters ist dann negativ. In diesem Fall erhöht der Frequenzumrichter automatisch die Ausgangsfrequenz, um das negative Drehmoment auszugleichen und zu verhindern, dass der Motor im Generatorbetrieb bleibt. Beim Aufwärtshub wird die potenzielle Energie vollständig in kinetische Energie umgewandelt. Hierbei werden die maximale Drehzahl und Trägheit erreicht, und der Motor bremst ab, um den Aufwärtshub auszuführen. Bei niedriger Drehzahl arbeitet der Frequenzumrichter im PID-Regelmodus mit konstanter Ausgangsleistung und erhöht automatisch die Aufwärtshubgeschwindigkeit, um den Aufwärtshub abzuschließen. Da der Motor während des gesamten Regelungsprozesses nicht im Generatorbetrieb ist, sind weder eine Bremseinheit noch ein RBU-Rückmeldesystem erforderlich. Gleichzeitig ist der Abwärtshub während des gesamten Hubvorgangs langsam, wodurch mehr Öl eingetaucht werden kann; der schnelle Aufwärtshub reduziert den Ölverlust und steigert die Ölproduktion erheblich.
Vorteile: Es müssen keine Geräte zur Messung des Energieverbrauchs oder zur Rückkopplung installiert werden, und der Ölgewinnungsprozess wurde optimiert, wodurch die Gesamteffizienz erheblich gesteigert wird.
Einführung in die Dongli Sci Tech CT100-Serie Frequenzumwandlung
Der Frequenzumrichter CT100 der Shenzhen Dongli Kechuang Technology Co., Ltd. basiert auf einem DSP-Steuerungssystem und nutzt die führende PG-freie Vektorregelungstechnologie in Kombination mit vielfältigen Schutzmechanismen. Er eignet sich für Asynchronmotoren und bietet hervorragende Antriebsleistung. Das Produkt zeichnet sich durch deutlich verbesserte Benutzerfreundlichkeit und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungen hinsichtlich Luftkanaldesign, Hardwarekonfiguration und Softwarefunktionalität aus.
Technische Merkmale
Branchenspezifisch: Basierend auf der Softwarelogik des Steuerungsprozesses der Strahlpumpeneinheit werden branchenspezifische und führende Lösungen realisiert.
Auswahl von Komponenten mit hoher Zuverlässigkeit: Die wichtigsten Bauteile stammen allesamt von namhaften in- und ausländischen Marken, wodurch eine zuverlässige und stabile Funktion der Komponenten gewährleistet wird.
◆ Großflächige Redundanz: Durch sorgfältige Berechnungen und experimentelle Überprüfungen wurden Schlüsselkomponenten mit großen Sicherheitsmargen ausgelegt, um die Integrität der gesamten Maschine in Ölfeldern zu gewährleisten.
Langzeitstabilität unter widrigen Bedingungen.
Optimierte Vektorregelung: führende geschwindigkeitsrückkopplungsfreie Vektorregelung mit hohem Drehmoment bei niedrigen Frequenzen und schneller Drehmomentreaktion.
◆ Softwarebasierte Strom- und Spannungsbegrenzungsfunktion: Gute Spannungs- und Strombegrenzung, effektive Begrenzung wichtiger Steuerungsparameter zur Reduzierung des Ausfallrisikos des Wechselrichters.
Hohe Anpassungsfähigkeit an die Umwelt: Dank eines hohen Gesamtüberhitzungspunktes, unabhängiger Luftkanalkonstruktion und einer dreifach verstärkten Lackierung eignet es sich besonders für den Langzeitbetrieb auf Ölfeldern im Freien.
◆ Drehzahlregelung mit Neustartfunktion: Sorgt für einen sanften Anlauf von rotierenden Motoren ohne Stoß.
◆ Automatische Spannungsanpassungsfunktion: Bei Änderungen der Netzspannung kann die Ausgangsspannung automatisch konstant gehalten werden.
Umfassender Fehlerschutz: Überstrom-, Überspannungs-, Unterspannungs-, Übertemperatur-, Phasenausfall-, Überlast- und andere Schutzfunktionen
Abschluss
Aufgrund verschiedener Nachteile der herkömmlichen Frequenzumwandlungsanwendung von Strahlpumpeneinheiten ist eine kontinuierliche Verbesserung des Frequenzumwandlungs-Steuerungsverfahrens unerlässlich. Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd. wird mit seinen innovativen Steuerungslösungen den Branchenwandel anführen. Gleichzeitig gewährleistet die zuverlässige Software- und Hardwarestabilität des Frequenzumrichters der CT100-Serie ein äußerst kosteneffizientes Nutzererlebnis.