A unidade de bombeamento com viga suspensa tradicional adota uma operação em velocidade constante com a adição de uma unidade de frenagem ou um sistema de realimentação de energia, o que apresenta desvantagens significativas em termos de consumo de energia e custo. Este artigo apresenta a aplicação de um sistema de controle eletrônico com o conversor de frequência da série CT100 da Dongli Kechuang como núcleo em unidades de bombeamento de petróleo e gás, e propõe um novo esquema de controle de malha fechada dupla para energia e potência, que é mais eficiente e econômico.
Aplicação do conversor de frequência Dongli Kechuang CT100 em unidade de bombeamento de viga suspensa
A unidade de bombeamento com viga suspensa tradicional adota uma operação em velocidade constante com a adição de uma unidade de frenagem ou um sistema de realimentação de energia, o que apresenta desvantagens significativas em termos de consumo de energia e custo. Este artigo apresenta a aplicação de um sistema de controle eletrônico com o conversor de frequência da série CT100 da Dongli Kechuang como núcleo em unidades de bombeamento de petróleo e gás, e propõe um novo esquema de controle de malha fechada dupla para energia e potência, que é mais eficiente e econômico.
Introdução
A grande maioria dos campos petrolíferos em nosso país são de baixa energia e baixa produtividade, ao contrário dos campos petrolíferos estrangeiros que possuem forte capacidade de autoinjeção. A maior parte do petróleo precisa ser injetada no poço por meio de injeção de água e extraída da formação por bombas (bombas de percussão). Na China, a substituição de petróleo por água e de petróleo por eletricidade é a realidade atual dos campos petrolíferos, e o consumo de eletricidade representa uma parcela considerável do custo da extração de petróleo em nosso país. Portanto, a indústria petrolífera atribui grande importância à economia de energia elétrica, e economizar energia significa reduzir diretamente o custo da extração de petróleo.
A solução para economia de energia na unidade de bombeamento é utilizar um conversor de frequência para modificar seu sistema de acionamento do motor. Após a troca para um conversor de frequência na unidade de bombeamento, diversos benefícios são obtidos:
(1) Melhoria do fator de potência: O fator de potência do lado de entrada pode ser aumentado do original 0,25-0,5 para acima de 0,9, reduzindo significativamente a corrente de alimentação, diminuindo assim a carga na rede elétrica e nos transformadores, reduzindo as perdas na linha e economizando muitas despesas de "expansão de capacidade".
(2) Melhoria da eficiência operacional: A velocidade de extração pode ser ajustada dinamicamente de acordo com a capacidade real de fornecimento de líquidos do poço de petróleo, o que não só atinge os objetivos de economia de energia, mas também aumenta a produção de petróleo bruto, melhorando muito a eficiência do sistema.
(3) Foi alcançado um verdadeiro 'arranque suave': evita-se o impacto mecânico excessivo no motor elétrico, na caixa de engrenagens e na unidade de bombeamento, prolongando consideravelmente a vida útil do equipamento, reduzindo o tempo de inatividade e melhorando a eficiência da produção.
No entanto, existem também várias questões que precisam ser abordadas ao usar um conversor de frequência para o motor de uma unidade de bombeamento, principalmente o problema da corrente de pico e o gerenciamento da energia regenerativa, que serão analisados separadamente a seguir.
Introdução à situação atual das unidades de bombeamento de viga suspensa
Introdução ao mecanismo mecânico da unidade de bombeamento de viga suspensa
A unidade de bombeamento por feixe é composta principalmente por quatro partes:
(1) Seção da viga: cabeça do burro, viga, travessa, viga traseira, biela, bloco de balanceamento (unidade de bombeamento de balanceamento composta)
(2) Seção de suporte: assento de apoio da viga transversal, escada de trabalho, anel de proteção, plataforma de operação, suporte.
(3) Parte redutora: base, sede do cilindro redutor, redutor, virabrequim, contrapeso, freio e outros componentes.
(4) Seção de distribuição de energia: base do motor, motor, caixa de distribuição, etc.
Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd
1. Base; 2. Suporte; 3. Dispositivo de suspensão por corda; 4. Cabeça de apoio; 5. Viga; 6. Assento do rolamento da viga; 7. Travessa; 8. Biela; 9. Dispositivo do pino da manivela; 10. Dispositivo da manivela; 11. Redutor; 12. Dispositivo de segurança do freio; 13. Dispositivo de frenagem; 14. Motor elétrico; 15. Caixa de distribuição.
Como ilustrado na figura, a unidade de bombeamento por viga é um mecanismo de ligação de quatro barras deformado, e suas características estruturais gerais assemelham-se a uma balança. Uma extremidade suporta a carga de bombeamento, e a outra, a carga de equilíbrio. Para o suporte, se o torque formado pela carga de bombeamento e pela carga de equilíbrio for igual ou variar de forma constante, a unidade de bombeamento pode operar continuamente e sem interrupções com consumo de energia muito baixo. Ou seja, a tecnologia de economia de energia da unidade de bombeamento depende do equilíbrio. Quanto menor a relação de equilíbrio, maior a potência exigida do motor elétrico. Como a carga de bombeamento está em constante mudança, e o contrapeso não pode ser completamente constante em relação à carga de bombeamento, a tecnologia de economia de energia das unidades de bombeamento por viga torna-se bastante complexa. Portanto, pode-se afirmar que a tecnologia de economia de energia da unidade de bombeamento por viga reside na tecnologia de equilíbrio.
Introdução ao estado atual da transformação de frequência variável em vigas suspensas
Na prática, com base na conversão de frequência, a maioria dos contrapesos das unidades de bombeamento apresenta desequilíbrio significativo, resultando em correntes de pico excessivas. Isso não só desperdiça energia elétrica desnecessariamente, como também representa uma séria ameaça à segurança do equipamento. Além disso, dificulta o controle de velocidade por meio de conversores de frequência: a capacidade do conversor é geralmente dimensionada com base na potência nominal do motor, e correntes de pico excessivas podem acionar a proteção contra sobrecarga do conversor, impedindo seu funcionamento normal.
Além disso, na fase inicial da exploração de poços de petróleo, há um grande volume de armazenamento de petróleo e suprimento de líquido suficiente. Para melhorar a eficiência, a operação em frequência de potência pode ser utilizada para garantir alta produção de petróleo. No entanto, nas fases intermediária e final, devido à diminuição da capacidade de armazenamento de petróleo, é comum ocorrer insuficiência de suprimento de líquido. Se o motor continuar operando em frequência de potência, inevitavelmente haverá desperdício de energia elétrica e perdas desnecessárias. Nesse momento, é necessário considerar a situação real de operação e reduzir adequadamente a velocidade e o curso do motor para melhorar efetivamente a taxa de enchimento.
Introdução às soluções tradicionais de conversão de frequência
A introdução da tecnologia de conversão de frequência no controle de unidades de bombeio por feixe é uma tendência. A regulação de velocidade por frequência variável pertence à regulação de velocidade contínua, que determina a frequência de trabalho do motor com base na magnitude de sua corrente de trabalho. Isso permite o ajuste conveniente do curso da unidade de bombeio de acordo com as mudanças nas condições do poço, alcançando economia de energia e melhorando o fator de potência da rede elétrica. A aplicação da tecnologia de controle por conversão de frequência vetorial pode garantir baixa velocidade e alto torque de saída, e a velocidade pode ser ajustada de forma suave e ampla. Ao mesmo tempo, o conversor de frequência possui funções completas de proteção do motor, como curto-circuito, sobrecarga, sobretensão, subtensão e travamento, que podem proteger eficazmente o motor e o equipamento mecânico, garantindo que o equipamento opere em uma tensão segura e apresentando muitas vantagens, como operação suave e confiável, fator de potência melhorado, etc. É uma solução ideal para a transformação de equipamentos de produção de petróleo. As principais soluções atuais são as seguintes:
Inversor com unidade de frenagem de consumo de energia
Este método é relativamente simples, mas sua eficiência operacional é baixa. Isso se deve principalmente à realimentação da energia gerada pelo motor durante o curso descendente em operação a velocidade constante. Ao usar um conversor de frequência convencional, a entrada é retificada por diodos, e a energia não pode fluir na direção oposta. A energia elétrica excedente não tem como retornar à rede e precisa ser dissipada localmente por meio de resistores. Por isso, é necessário utilizar unidades de frenagem que consomem muita energia, o que resulta em alto consumo energético e baixa eficiência geral.
Desvantagens: Baixa eficiência energética e necessidade de instalação de unidades de frenagem e resistores de frenagem.
Inversor com controle de unidade de feedback
Para realimentar a energia regenerada e melhorar a eficiência, um dispositivo de realimentação de energia pode ser usado para injetar a energia regenerada de volta na rede elétrica. Dessa forma, o sistema se torna mais complexo e o investimento maior. O chamado dispositivo de realimentação de energia é, na verdade, um inversor ativo. Ao instalar um conversor de frequência com uma unidade de realimentação de energia, os usuários podem determinar a vazão, a velocidade e a produção de líquido da unidade de bombeamento com base no nível e na pressão do poço de petróleo, reduzindo o consumo de energia e melhorando a eficiência da bomba; reduzindo o desgaste do equipamento, prolongando a vida útil, alcançando alta eficiência, economia de energia e baixo custo, e realizando a operação automatizada em condições de máxima economia de energia. No entanto, devido ao modo de funcionamento do conversor de frequência e do dispositivo de realimentação, o uso do esquema de realimentação de energia causa significativa poluição harmônica na extremidade de fornecimento de energia, resultando em uma queda significativa na qualidade da rede elétrica.
Desvantagens: Requer a instalação de dispositivos de realimentação, o que é dispendioso e causa poluição significativa à rede elétrica.
Introdução à solução de conversão de frequência da série CT100 da Dongli Sci Tech
Considerando as diversas desvantagens dos esquemas tradicionais de transformação por conversão de frequência, a Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd. realizou uma pesquisa aprofundada sobre o processo da unidade de bombeamento por viga suspensa. Adotou-se uma lógica de software dedicada baseada no processo de controle dessa unidade e um controle duplo em malha fechada de energia e potência para alcançar um ajuste contínuo e suave da frequência de saída, eliminar o controle de torque negativo e evitar a realimentação da energia cinética do motor e a alta tensão do barramento. Além disso, o objetivo de eliminar a unidade de frenagem e o dispositivo de realimentação de energia foi alcançado, evitando as diversas desvantagens dos esquemas tradicionais de transformação por conversão de frequência.
O conceito central de controle deste esquema é o controle de saída constante. O conversor de frequência é baseado em um controle PID com malha de saída constante. Ajustando a frequência de saída, é possível obter o controle de saída constante, o que reduz efetivamente a potência média de saída, proporciona economia de energia e protege o mecanismo da unidade de bombeamento, atendendo aos requisitos de impulso. Ou seja, o conversor de frequência não precisa definir uma frequência de operação específica, pois a frequência de saída real é ajustada automaticamente por meio do controle PID em malha fechada. Durante o curso descendente, devido à grande inércia da carga, quando a velocidade síncrona é menor que a velocidade do motor, o motor gera eletricidade e o torque de saída do conversor de frequência é negativo. Nesse momento, o conversor de frequência aumenta automaticamente a frequência de saída para eliminar o torque negativo e evitar que o motor permaneça em estado de geração. Durante o curso ascendente, a energia potencial é completamente convertida em energia cinética. Nesse momento, a velocidade e a inércia atingem o máximo, e o motor desacelera para realizar o movimento ascendente. Quando a velocidade é baixa, o conversor de frequência opera em modo de regulação PID de saída constante e aumenta automaticamente a velocidade de subida para completar o movimento ascendente. Durante todo o processo de controle, sabe-se que o motor não está em estado de geração, portanto, não há necessidade de instalar uma unidade de frenagem e um dispositivo de feedback RBU. Além disso, durante todo o processo de curso, a descida é lenta, permitindo maior imersão de óleo; a subida rápida reduz o vazamento de óleo, aumentando significativamente a produção de óleo.
Vantagens: Não há necessidade de instalar dispositivos de consumo de energia ou de feedback, e o processo de extração de óleo é otimizado, melhorando significativamente a eficiência geral.
Introdução à série de conversores de frequência CT100 da Dongli Sci Tech
O conversor de frequência CT100 da Shenzhen Dongli Kechuang Technology Co., Ltd. é baseado em um sistema de controle DSP e adota a tecnologia de controle vetorial livre PG, líder no mercado nacional, combinada com múltiplos métodos de proteção, podendo ser aplicado a motores assíncronos e proporcionando excelente desempenho de acionamento. O produto apresenta melhorias significativas na usabilidade e adaptabilidade ambiental em termos de projeto de dutos de ar, configuração de hardware e funcionalidade de software.
Características técnicas
Específico para o setor: Baseado na lógica de software do processo de controle da unidade de bombeamento de feixe, ele realmente alcança soluções líderes e específicas para o setor.
Seleção de alta confiabilidade: Os componentes principais são todos de marcas nacionais e estrangeiras renomadas, garantindo a estabilidade e confiabilidade dos componentes.
◆ Projeto com ampla redundância: Através de cálculos rigorosos e verificação experimental, os componentes principais são projetados com amplas margens para garantir a integridade de toda a máquina em campos petrolíferos.
Estabilidade a longo prazo em ambientes adversos.
Controle vetorial otimizado: controle vetorial sem feedback de velocidade, líder no mercado nacional, com alto torque em baixa frequência e resposta de torque rápida.
◆ Função de limitação de corrente e tensão por software: Boa limitação de tensão e corrente, limitando efetivamente os principais parâmetros de controle para reduzir o risco de falha do inversor.
Alta adaptabilidade ambiental: Com um alto ponto de superaquecimento geral, design de dutos de ar independentes e tratamento de pintura tripla reforçada, é mais adequado para operação de longo prazo em campos petrolíferos ao ar livre.
◆ Função de reinicialização com rastreamento de velocidade: permite a partida suave de motores rotativos sem impacto.
◆ Função de ajuste automático de tensão: Quando a tensão da rede elétrica varia, o dispositivo mantém automaticamente uma tensão de saída constante.
Proteção completa contra falhas: sobrecorrente, sobretensão, subtensão, sobretemperatura, falta de fase, sobrecarga e outras funções de proteção.
Conclusão
Devido às diversas desvantagens do modo de aplicação tradicional de conversão de frequência em unidades de bombeamento de feixe, o aprimoramento contínuo do esquema de controle de transformação por conversão de frequência é inevitável. A Shenzhen Dongli Sci Tech Innovation Technology Co., Ltd. liderará a transformação do setor com suas soluções de controle inovadoras. Ao mesmo tempo, a confiabilidade do software e a estabilidade do hardware do conversor de frequência da série CT100 garantem uma experiência de usuário altamente rentável para os clientes.