Os fornecedores de conversores de frequência específicos para o setor petrolífero lembram que esses dispositivos têm sido amplamente utilizados na produção industrial de empresas e no cotidiano das pessoas. A ampla aplicação dos conversores de frequência se deve principalmente às suas excelentes características de economia de energia e regulação de velocidade. A China possui uma produção e um consumo de energia entre os mais altos do mundo. Para solucionar o problema do consumo de energia dos produtos, além de outras questões técnicas relacionadas que necessitam de melhorias, a regulação de velocidade por frequência variável tornou-se uma medida eficaz para a conservação de energia e a melhoria da qualidade dos produtos.
Atualmente, entre os equipamentos de bombeamento utilizados na maioria dos campos petrolíferos, a unidade de bombeamento por viga é a mais comum e a mais numerosa. O movimento da unidade de bombeamento por viga consiste em subir e descer repetidamente, uma vez por ciclo. Sua força provém de dois deslizadores de aço com peso considerável, acionados por um motor elétrico. Quando os deslizadores são elevados, atuam como alavancas, impulsionando a haste de extração de petróleo para dentro do poço. Quando os deslizadores são abaixados, a haste de extração de petróleo é elevada até a cabeça do poço com o óleo. Devido à velocidade constante do motor, a carga é reduzida durante a descida dos deslizadores, e a energia gerada pelo arrasto do motor não consegue ser absorvida pela carga. Inevitavelmente, essa energia encontra um canal para ser consumida, fazendo com que o motor entre em um estado de geração de energia regenerativa, devolvendo o excesso de energia para a rede elétrica e causando um aumento na tensão do barramento do circuito principal. Isso inevitavelmente impacta toda a rede elétrica, levando a uma diminuição na qualidade do fornecimento de energia e no fator de potência, além de acarretar multas das empresas fornecedoras de energia. Choques frequentes de alta tensão podem danificar o motor e a falta de proteção confiável. Uma vez danificado, o motor pode levar à redução da eficiência de produção e ao aumento da manutenção, o que é extremamente prejudicial à conservação de energia e à redução do consumo dos equipamentos de bombeio, causando perdas econômicas significativas para a empresa. Por outro lado, a introdução de dois grandes deslizadores de aço na unidade de bombeio de viga acarreta diversos problemas, como o alto impacto na partida. Além dos dois problemas mencionados, o ambiente geográfico específico da produção de petróleo determina que os equipamentos de extração de petróleo tenham características operacionais próprias. No estágio inicial da produção de um poço de petróleo, há um grande volume de petróleo armazenado e suprimento de líquido suficiente. Para melhorar a eficiência, a operação em frequência de potência pode ser adotada para garantir alta produção de petróleo. Nos estágios intermediário e final, devido à diminuição das reservas 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 trabalho, reduzir adequadamente a velocidade do motor, diminuir o curso e melhorar efetivamente a taxa de enchimento. Para solucionar os problemas acima, a tecnologia de conversão de frequência pode ser introduzida no controle das unidades de bombeamento de feixe.
Ao determinar a frequência de operação do motor com base na magnitude de sua corrente de trabalho, o curso da unidade de bombeio pode ser ajustado de forma conveniente de acordo com as mudanças nas condições do poço, atingindo o objetivo de conservação de energia e melhoria do fator de potência da rede elétrica. Simultaneamente, o conversor de frequência possui partida suave em baixa velocidade, permitindo um ajuste contínuo e amplo da velocidade. Conta com funções completas de proteção do motor, como curto-circuito, sobrecarga, sobretensão, subtensão e travamento, protegendo eficazmente o motor e os equipamentos mecânicos, garantindo o funcionamento em uma tensão segura e oferecendo diversas vantagens, como operação suave e confiável, além de melhoria do fator de potência. É uma solução ideal para a modernização de equipamentos de produção de petróleo.
Atualmente, existem três aspectos principais na transformação do conversor de frequência para unidades de bombeamento de feixe:
(1) A transformação por conversão de frequência visa melhorar a qualidade da rede elétrica e reduzir seu impacto sobre ela. Isso se concentra principalmente em situações em que as empresas fornecedoras de energia têm altos requisitos de qualidade da rede. Para evitar uma queda na qualidade da rede, é necessário introduzir o controle de frequência variável, com o objetivo principal de reduzir o impacto do processo de trabalho da unidade de bombeamento na rede. Essa aplicação foi incluída no cronograma de implementação da planta de produção de petróleo de Linpan, no campo petrolífero de Shengli.
(2) Renovação por conversão de frequência com a conservação de energia como objetivo principal. Isso é bastante comum. Por um lado, para superar o elevado torque de partida das unidades de bombeamento de petróleo, são utilizados motores elétricos com potência muito superior à necessária. A taxa de utilização dos motores elétricos durante a operação geralmente fica entre 20% e 30%, não ultrapassando 50%. Os motores elétricos frequentemente operam em regime de baixa carga, resultando em desperdício de energia. Por outro lado, as condições de operação da unidade de bombeamento estão em constante mudança, dependendo das condições do subsolo. Se a operação for sempre na frequência da rede elétrica, haverá inevitavelmente desperdício de energia. Para economizar energia e melhorar a eficiência dos motores elétricos, é necessária a transformação por conversão de frequência.
(3) Renovação da conversão de frequência com o objetivo de melhorar a qualidade da rede elétrica e a conservação de energia. Esta situação combina as vantagens das duas transformações anteriores e é uma importante direção de desenvolvimento em aplicações.
No processo de aplicação prática, surgiram diversos problemas, principalmente relacionados ao processamento da energia gerada pela unidade de bombeamento de feixe. No primeiro cenário, o uso de um conversor de frequência convencional com uma unidade de frenagem que consome energia pode ser relativamente conveniente, porém, isso acarreta um maior consumo de energia, principalmente porque a energia gerada não pode ser injetada na rede elétrica. Quando o conversor de frequência não é utilizado e o motor está em funcionamento, ele absorve energia da rede (o motor gira para frente); quando o motor está em modo de geração, ele libera energia (o motor gira para trás), e a energia elétrica é injetada diretamente na rede sem ser consumida pelos equipamentos locais. O resultado geral é um fator de potência relativamente baixo no sistema de alimentação da unidade de bombeamento, o que impacta significativamente a qualidade da rede elétrica. Porém, ao utilizar um conversor de frequência convencional, a situação se altera. A entrada de um conversor de frequência convencional é retificada por diodos, e a energia não pode fluir na direção oposta. A parte da energia elétrica gerada acima não possui um caminho de volta para a rede e deve ser consumida localmente por meio de resistores, motivo pelo qual é necessário o uso de unidades de frenagem que consomem energia. Para o segundo e terceiro cenários, é necessário gerenciar adequadamente a energia elétrica gerada pelo motor e injetá-la na rede. Caso contrário, a energia economizada pelo ajuste do curso da unidade de bombeamento pode não ser suficiente para compensar a energia consumida pela unidade de frenagem do conversor de frequência, resultando em consumo de energia durante a operação de conversão de frequência, o que contraria o objetivo de conservação de energia. Para solucionar esse problema, é necessário modificar o conversor de frequência convencional, introduzindo uma estrutura PWM dupla para garantir que a eletricidade gerada durante a geração de energia seja injetada na rede; e introduzir controle adaptativo nos métodos de controle para se adaptar às mudanças no ambiente de trabalho das unidades de bombeamento de feixe.