واحد پمپاژ تیر معلق سنتی، با اضافه کردن یک واحد ترمز یا طرح بازخورد انرژی، یک عملیات با سرعت ثابت را اتخاذ میکند که از نظر مصرف انرژی و هزینه دارای معایب قابل توجهی است. این مقاله به معرفی کاربرد سیستم کنترل الکترونیکی با مبدل فرکانس سری Dongli Kechuang CT100 به عنوان هسته در واحدهای پمپاژ میدان نفتی میپردازد و یک طرح جدید از کنترل حلقه بسته دوگانه انرژی و توان را پیشنهاد میکند که کارآمدتر و مقرون به صرفهتر است.
کاربرد مبدل فرکانس Dongli Kechuang CT100 در واحد پمپاژ تیر معلق
واحد پمپاژ تیر معلق سنتی، با اضافه کردن یک واحد ترمز یا طرح بازخورد انرژی، یک عملیات با سرعت ثابت را اتخاذ میکند که از نظر مصرف انرژی و هزینه دارای معایب قابل توجهی است. این مقاله به معرفی کاربرد سیستم کنترل الکترونیکی با مبدل فرکانس سری Dongli Kechuang CT100 به عنوان هسته در واحدهای پمپاژ میدان نفتی میپردازد و یک طرح جدید از کنترل حلقه بسته دوگانه انرژی و توان را پیشنهاد میکند که کارآمدتر و مقرون به صرفهتر است.
مقدمه
اکثریت قریب به اتفاق میادین نفتی در کشور ما، برخلاف میادین نفتی خارجی که از قابلیت تزریق خودکار قوی برخوردارند، میادین نفتی کمانرژی و کمبازده هستند. بیشتر نفت باید با تزریق آب به چاه تزریق شود و توسط دستگاههای پمپاژ (ماشینهای ضربهای) از سازند بالا کشیده شود. در چین، جایگزینی نفت با آب و نفت با برق در حال حاضر واقعیت میادین نفتی است و مصرف برق بخش قابل توجهی از هزینه استخراج نفت در کشور ما را تشکیل میدهد. بنابراین، صنعت نفت اهمیت زیادی به صرفهجویی در مصرف برق میدهد و صرفهجویی در مصرف برق به معنای کاهش مستقیم هزینه استخراج نفت است.
راه حل صرفه جویی در مصرف انرژی برای واحد پمپاژ، استفاده از مبدل فرکانس برای اصلاح سیستم محرک موتور آن است. پس از تغییر به مبدل فرکانس برای واحد پمپاژ، مزایای متعددی وجود دارد:
(1) بهبود ضریب توان: ضریب توان ورودی را میتوان از مقدار اولیه 0.25-0.5 به بالاتر از 0.9 افزایش داد که این امر جریان منبع تغذیه را تا حد زیادی کاهش میدهد و در نتیجه بار شبکه برق و ترانسفورماتورها را کاهش میدهد، تلفات خط را کم میکند و هزینههای "افزایش ظرفیت" را تا حد زیادی صرفهجویی میکند.
(2) بهبود راندمان عملیاتی: سرعت استخراج را میتوان به صورت پویا با توجه به ظرفیت واقعی تأمین مایع چاه نفت تنظیم کرد، که نه تنها به اهداف صرفهجویی در انرژی دست مییابد، بلکه تولید نفت خام را نیز افزایش میدهد و راندمان سیستم را تا حد زیادی بهبود میبخشد.
(3) «شروع نرم» واقعی حاصل شده است: از وارد شدن ضربه مکانیکی بیش از حد به موتور الکتریکی، گیربکس و واحد پمپاژ جلوگیری میکند، عمر مفید تجهیزات را تا حد زیادی افزایش میدهد، زمان از کارافتادگی را کاهش میدهد و راندمان تولید را بهبود میبخشد.
با این حال، هنگام استفاده از مبدل فرکانس برای موتور یک واحد پمپاژ، چندین مسئله نیز وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرند، عمدتاً مشکل جریان سرج و مدیریت انرژی احیا کننده، که در ادامه به طور جداگانه مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهند گرفت.
مقدمهای بر وضعیت فعلی واحدهای پمپاژ تیر معلق
مقدمهای بر مکانیزم مکانیکی واحد پمپاژ تیر معلق
واحد پمپاژ پرتو عمدتاً از چهار بخش تشکیل شده است:
(1) بخش تیر: سر خر، تیر، تیر عرضی، تیر دم، میله اتصال، بلوک تعادل (واحد پمپاژ تعادل کامپوزیت)
(2) بخش براکت: نشیمنگاه تیر عرضی، نردبان کار، حلقه محافظ، سکوی کار، براکت.
(3) بخش کاهنده: پایه، نشیمنگاه سیلندر کاهنده، کاهنده، میل لنگ، وزنه تعادل، ترمز و سایر اجزا.
(4) بخش توزیع برق: پایه موتور، موتور، جعبه توزیع و غیره
شرکت فناوری نوآوری علمی-فناوری شنژن دونگلی، با مسئولیت محدود
۱. پایه؛ ۲-براکت؛ ۳-دستگاه طناب تعلیق؛ ۴-سر خر؛ ۵-تیر؛ ۶-نشیمنگاه یاتاقان تیر؛ ۷-تیر ضربدری؛ ۸-میله رابط؛ ۹-دستگاه پین میل لنگ؛ ۱۰-دستگاه میل لنگ؛ ۱۱-کاهنده؛ ۱۲. دستگاه ایمنی ترمز؛ ۱۳-دستگاه ترمز؛ ۱۴-موتور الکتریکی؛ ۱۵-جعبه تقسیم.
همانطور که در شکل نشان داده شده است، واحد پمپاژ پرتو یک مکانیزم اتصال چهار میلهای تغییر شکل یافته است و ویژگیهای ساختاری کلی آن مانند یک ترازو است. یک سر آن بار پمپاژ و سر دیگر آن بار سنگین متعادل است. برای براکت، اگر گشتاور ایجاد شده توسط بار پمپاژ و بار تعادل برابر باشد یا به طور مداوم تغییر کند، واحد پمپاژ میتواند به طور مداوم و بدون وقفه با توان بسیار کمی کار کند. به عبارت دیگر، فناوری صرفهجویی در انرژی واحد پمپاژ به تعادل بستگی دارد. هرچه نسبت تعادل کمتر باشد، توان مورد نیاز از موتور الکتریکی بیشتر است. از آنجا که بار پمپاژ دائماً در حال تغییر است و وزن تعادل نمیتواند کاملاً با بار پمپاژ سازگار باشد، فناوری صرفهجویی در انرژی واحدهای پمپاژ پرتو را بسیار پیچیده میکند. بنابراین، میتوان گفت که فناوری صرفهجویی در انرژی واحد پمپاژ پرتو، فناوری متعادلسازی است.
مقدمهای بر وضعیت فعلی تبدیل فرکانس متغیر تیر معلق
از وضعیت واقعی تبدیل تبدیل فرکانس، اکثر وزنههای تعادل واحدهای پمپاژ در واقع به شدت نامتعادل هستند و در نتیجه جریان ضربهای بیش از حد ایجاد میشود که نه تنها انرژی الکتریکی زیادی را بیجهت هدر میدهد، بلکه ایمنی تجهیزات را نیز به طور جدی تهدید میکند. در عین حال، این امر مشکلات بزرگی را برای استفاده از کنترل سرعت مبدل فرکانس ایجاد میکند: ظرفیت مبدل فرکانس عموماً بر اساس توان نامی موتور انتخاب میشود و جریان ضربهای بیش از حد میتواند باعث محافظت در برابر اضافه بار مبدل فرکانس شود که نمیتواند به طور عادی کار کند.
علاوه بر این، در مراحل اولیه بهرهبرداری از چاه نفت، مقدار زیادی ذخیره نفت و منبع کافی مایع وجود دارد. برای بهبود راندمان، میتوان از عملکرد فرکانس قدرت برای اطمینان از تولید بالای نفت استفاده کرد. با این حال، در مراحل میانی و بعدی، به دلیل کاهش ظرفیت ذخیرهسازی نفت، به راحتی میتوان منبع کافی مایع ایجاد کرد. اگر موتور هنوز در حالت فرکانس قدرت کار کند، ناگزیر انرژی الکتریکی را هدر میدهد و باعث تلفات غیرضروری میشود. در این زمان، لازم است وضعیت واقعی کار را در نظر گرفته و سرعت و ضربه موتور را به طور مناسب کاهش داد تا به طور موثر سرعت پر شدن بهبود یابد.
مقدمهای بر راهکارهای سنتی تبدیل فرکانس
معرفی فناوری تبدیل فرکانس در کنترل واحدهای پمپاژ پرتو، روندی رو به رشد است. تنظیم سرعت فرکانس متغیر، بخشی از تنظیم سرعت بدون پله است که فرکانس کار موتور را بر اساس بزرگی جریان کار آن تعیین میکند. این امر امکان تنظیم راحت کورس واحد پمپاژ را با توجه به تغییرات در شرایط چاه، دستیابی به صرفهجویی در انرژی و بهبود ضریب توان شبکه برق فراهم میکند. کاربرد فناوری کنترل تبدیل فرکانس برداری میتواند خروجی گشتاور کم سرعت و بالا را تضمین کند و سرعت را میتوان به طور روان و گسترده تنظیم کرد. در عین حال، مبدل فرکانس دارای عملکردهای کامل حفاظت از موتور مانند اتصال کوتاه، اضافه بار، اضافه ولتاژ، افت ولتاژ و توقف ناگهانی است که میتواند به طور موثر از موتور و تجهیزات مکانیکی محافظت کند، اطمینان حاصل کند که تجهیزات با ولتاژ ایمن کار میکنند و مزایای بسیاری مانند عملکرد روان و قابل اعتماد، بهبود ضریب توان و غیره دارند. این یک راه حل ایدهآل برای تبدیل تجهیزات تولید نفت است. راه حلهای اصلی فعلی به شرح زیر است:
اینورتر با واحد ترمز کاهش مصرف انرژی
این روش نسبتاً ساده است، اما راندمان عملیاتی آن پایین است. این امر عمدتاً به دلیل بازخورد انرژی تولید شده توسط موتور در حالت حرکت رو به پایین در حین کار با سرعت ثابت است. هنگام استفاده از مبدل فرکانس معمولی، ورودی با دیود یکسو میشود و انرژی نمیتواند در جهت مخالف جریان یابد. بخش فوق از انرژی الکتریکی مسیری برای بازگشت به شبکه ندارد و باید با استفاده از مقاومتها به صورت محلی مصرف شود. به همین دلیل است که باید از واحدهای ترمز مصرفکننده انرژی استفاده شود که مستقیماً منجر به مصرف بالای انرژی و راندمان کلی پایین میشود.
معایب: راندمان انرژی پایین و نیاز به نصب واحدهای ترمز و مقاومت ترمز.
اینورتر با واحد کنترل فیدبک
به منظور بازخورد انرژی بازیابی شده و بهبود راندمان، میتوان از یک دستگاه بازخورد انرژی برای بازگرداندن انرژی بازیابی شده به شبکه برق استفاده کرد. به این ترتیب، سیستم پیچیدهتر و سرمایهگذاری بیشتر میشود. دستگاهی که به آن بازخورد انرژی میگویند، در واقع یک اینورتر فعال است. با نصب یک مبدل فرکانس با واحد بازخورد انرژی، کاربران میتوانند میزان شستشو، سرعت و تولید مایع واحد پمپاژ را بر اساس سطح مایع و فشار چاه نفت تعیین کنند و مصرف انرژی را کاهش داده و راندمان پمپ را بهبود بخشند. فرسودگی تجهیزات را کاهش دهند، عمر مفید را افزایش دهند، به راندمان بالا، صرفهجویی در مصرف انرژی و هزینه کم دست یابند و عملکرد خودکار را در شرایط حداکثر صرفهجویی در مصرف انرژی محقق کنند. با این حال، به دلیل نحوه کار مبدل فرکانس و دستگاه بازخورد، استفاده از طرح بازخورد انرژی باعث آلودگی هارمونیکی قابل توجهی در انتهای منبع تغذیه میشود که منجر به کاهش قابل توجه کیفیت شبکه برق میشود.
معایب: نیاز به نصب دستگاههای فیدبک دارد که پرهزینه است و آلودگی قابل توجهی را برای شبکه برق ایجاد میکند.
مقدمهای بر راهکار تبدیل فرکانس سری Dongli Sci Tech CT100
با توجه به معایب مختلف طرحهای سنتی تبدیل فرکانس، شرکت فناوری نوآوری علمی-فناوری شنژن دونگلی تحقیقات عمیقی در مورد فرآیند واحد پمپاژ پرتو معلق انجام داده، یک منطق نرمافزاری اختصاصی مبتنی بر فرآیند کنترل واحد پمپاژ پرتو معلق اتخاذ کرده و کنترل حلقه بسته دوگانه انرژی و توان را برای دستیابی به تنظیم پیوسته و روان فرکانس خروجی، حذف کنترل گشتاور منفی و جلوگیری از بازخورد انرژی جنبشی موتور و ولتاژ بالای باس اتخاذ کرده است. علاوه بر این، هدف حذف واحد ترمز و دستگاه بازخورد انرژی محقق شده و از معایب مختلف طرحهای سنتی تبدیل فرکانس جلوگیری میشود.
مفهوم اصلی کنترل در این طرح، کنترل خروجی ثابت است. مبدل فرکانس بر اساس حالت کنترل PID با حلقه خروجی ثابت عمل میکند. با تنظیم فرکانس خروجی، میتوان به کنترل خروجی ثابت دست یافت که میتواند به طور موثر میانگین توان خروجی را کاهش دهد، به صرفهجویی موثر در انرژی دست یابد و از مکانیسم واحد پمپاژ در عین برآورده کردن الزامات ضربه محافظت کند. به عبارت دیگر، مبدل فرکانس نیازی به تنظیم فرکانس کاری خاص ندارد و فرکانس خروجی واقعی به طور خودکار از طریق حلقه بسته PID تنظیم میشود. در طول حرکت رو به پایین، به دلیل اینرسی زیاد بار، هنگامی که سرعت سنکرون کمتر از سرعت موتور است، موتور برق تولید میکند و گشتاور خروجی مبدل فرکانس منفی است. در این زمان، مبدل فرکانس به طور خودکار فرکانس خروجی را افزایش میدهد تا گشتاور منفی را از بین ببرد و از قرار گرفتن موتور در حالت مولد جلوگیری کند. در طول حرکت رو به بالا، انرژی پتانسیل به طور کامل به انرژی جنبشی تبدیل میشود. در این زمان، حداکثر سرعت و اینرسی رخ میدهد و موتور برای انجام عمل حرکت رو به بالا سرعت خود را کاهش میدهد. وقتی سرعت پایین است، مبدل فرکانس در حالت تنظیم PID با خروجی ثابت کار میکند و به طور خودکار سرعت حرکت رو به بالا را برای تکمیل عمل حرکت رو به بالا افزایش میدهد. در کل فرآیند کنترل، مشخص است که موتور در حالت تولید نبوده است، بنابراین نیازی به نصب واحد ترمز و دستگاه بازخورد RBU نیست. در همین حال، در کل فرآیند حرکت، حرکت رو به پایین آهسته است و روغن بیشتری میتواند غوطهور شود. حرکت رو به بالای سریع، نشت روغن را کاهش میدهد: تولید روغن را به میزان زیادی افزایش میدهد.
مزایا: نیازی به نصب دستگاههای مصرف انرژی یا بازخورد نیست و فرآیند استخراج روغن بهینه شده است که راندمان کلی را تا حد زیادی بهبود میبخشد.
مقدمهای بر تبدیل فرکانس سری Dongli Sci Tech CT100
مبدل فرکانس CT100 شرکت فناوری شنژن دانگلی کچوانگ، مبتنی بر سیستم کنترل DSP است و از فناوری کنترل برداری بدون PG پیشرو در داخل کشور، همراه با روشهای حفاظتی چندگانه، بهره میبرد که میتواند برای موتورهای آسنکرون اعمال شود و عملکرد رانندگی عالی را ارائه دهد. این محصول از نظر طراحی مجرای هوا، پیکربندی سختافزار و عملکرد نرمافزاری، قابلیت استفاده مشتری و سازگاری با محیط را تا حد زیادی بهبود بخشیده است.
ویژگیهای فنی
مختص صنعت: بر اساس منطق نرمافزاری فرآیند کنترل واحد پمپاژ پرتو، این سیستم واقعاً به راهحلهای خاص و پیشرو در صنعت دست مییابد.
انتخاب با قابلیت اطمینان بالا: اجزای کلیدی همگی از برندهای شناخته شده داخلی و خارجی هستند که پایداری و اطمینان قابل اعتمادی را برای اجزا تضمین میکنند.
◆ طراحی افزونگی بزرگ: از طریق محاسبات دقیق و تأیید تجربی، اجزای کلیدی با حاشیههای بزرگ طراحی شدهاند تا یکپارچگی کل دستگاه در میادین نفتی تضمین شود.
پایداری طولانی مدت در شرایط نامساعد محیطی
کنترل برداری بهینه شده: کنترل برداری بدون فیدبک سرعت پیشرو در داخل کشور با گشتاور فرکانس پایین بالا و پاسخ گشتاور سریع.
◆ تابع محدودکننده جریان و ولتاژ نرمافزاری: محدودکننده ولتاژ و جریان خوب، که به طور مؤثر پارامترهای کنترل کلیدی را محدود میکند تا خطر خرابی اینورتر را کاهش دهد.
سازگاری قوی با محیط زیست: با نقطه گرمایش کلی بالا، طراحی مستقل مجرای هوا و پوشش رنگ سهلایه ضخیم، برای کارکرد طولانیمدت در میدانهای نفتی روباز مناسبتر است.
◆ تابع راهاندازی مجدد ردیابی سرعت: دستیابی به شروع روان موتورهای دوار بدون ضربه
◆ عملکرد تنظیم ولتاژ خودکار: هنگامی که ولتاژ شبکه تغییر میکند، میتواند به طور خودکار ولتاژ خروجی ثابتی را حفظ کند
حفاظت جامع در برابر خطا: اضافه جریان، اضافه ولتاژ، کاهش ولتاژ، اضافه دما، قطع فاز، اضافه بار و سایر عملکردهای حفاظتی
نتیجهگیری
با توجه به معایب مختلف روش سنتی تبدیل فرکانس در واحد پمپاژ پرتو، بهبود مستمر طرح کنترل تبدیل فرکانس اجتنابناپذیر است. شرکت فناوری و نوآوری علمی-فناوری شنژن دونگلی با ارائه راهکارهای کنترلی نوآورانه خود، تحول صنعت را رهبری خواهد کرد. در عین حال، پایداری نرمافزاری و سختافزاری قابل اعتماد مبدل فرکانس سری CT100 نیز تضمین میکند که این مبدل، یک تجربه کاربری بسیار مقرونبهصرفه را برای مشتریان فراهم میکند.