Črpalka z žarkom je deformiran štiridelni mehanizem, njegove strukturne značilnosti pa so podobne tehtnici. En konec je črpalna obremenitev, drugi konec pa uravnotežena težka obremenitev. Če je navor, ki ga tvorita črpalna obremenitev in ravnotežna obremenitev, enak ali se enakomerno spreminja, lahko črpalna enota deluje neprekinjeno in nemoteno z zelo majhno močjo. To pomeni, da je tehnologija varčevanja z energijo črpalne enote odvisna od tehtnice. Nižje kot je razmerje ravnotežja, večja je moč, ki jo potrebuje elektromotor. Ker se črpalna obremenitev nenehno spreminja in se tehtnica ne more popolnoma ujemati s črpalno obremenitvijo, je tehnologija varčevanja z energijo črpalnih enot z žarkom zelo zapletena. Zato lahko rečemo, da je tehnologija varčevanja z energijo črpalne enote tehnologija uravnoteženja.
Uvod v trenutno stanje transformacije spremenljive frekvence visečega nosilca
Glede na dejanske razmere pri pretvorbi frekvence je večina protiuteži črpalnih enot dejansko močno neuravnotežena, kar povzroča prekomerni udarni tok, ki ne le nepotrebno porablja veliko električne energije, temveč tudi resno ogroža varnost opreme. Hkrati pa to predstavlja velike težave pri uporabi regulacije hitrosti s frekvenčnim pretvornikom: zmogljivost frekvenčnega pretvornika se običajno izbere glede na nazivno moč motorja, prekomerni udarni tok pa lahko povzroči zaščito frekvenčnega pretvornika pred preobremenitvijo, ki ne more normalno delovati.
Poleg tega je v zgodnji fazi izkoriščanja naftnih vrtin veliko skladiščenega olja in zadostna zaloga tekočine. Za izboljšanje učinkovitosti črpanja nafte se lahko uporabi delovanje s fiksno frekvenco, da se zagotovi visoka proizvodnja nafte. Vendar pa v srednji in poznejši fazi zaradi zmanjšanja zmogljivosti skladiščenja nafte zlahka pride do nezadostne zaloge tekočine. Če motor še vedno deluje pri trenutni frekvenci, bo neizogibno zapravljal električno energijo in povzročil nepotrebne izgube. V tem primeru je treba upoštevati dejanske delovne razmere in ustrezno zmanjšati hitrost in hod motorja, da se učinkovito izboljša hitrost polnjenja.
Uvedba tehnologije frekvenčne pretvorbe v krmiljenje črpalnih enot je trend. Regulacija hitrosti s spremenljivo frekvenco spada med brezstopenjsko regulacijo hitrosti, ki določa delovno frekvenco motorja glede na velikost njegovega delovnega toka. To omogoča priročno prilagajanje hoda črpalne enote glede na spremembe pogojev v vrtini, s čimer se doseže varčevanje z energijo in izboljša faktor moči električnega omrežja. Uporaba tehnologije krmiljenja vektorske frekvenčne pretvorbe lahko zagotovi nizko hitrost in visok navor, hitrost pa je mogoče gladko in široko prilagajati. Hkrati ima frekvenčni pretvornik popolne funkcije zaščite motorja, kot so kratek stik, preobremenitev, prenapetost, prenizka napetost in zastoj, kar lahko učinkovito zaščiti motor in mehansko opremo, zagotovi, da oprema deluje pri varni napetosti, in ima številne prednosti, kot so nemoteno in zanesljivo delovanje, izboljšan faktor moči itd. Je idealna rešitev za preoblikovanje opreme za proizvodnjo nafte. Trenutne prevladujoče rešitve so naslednje:
Možnost 1: Frekvenčni pogon z zavorno enoto za porabo energije
Ta metoda je relativno preprosta, vendar je njena operativna učinkovitost nizka. To je predvsem posledica povratne zanke energije, ki jo motor ustvari med delovanjem s konstantno hitrostjo. Pri uporabi običajnega frekvenčnega pretvornika je vhod diodno usmerjen in energija ne more teči v nasprotni smeri. Zgornji del električne energije nima poti, da bi se vrnil v omrežje, in ga je treba porabiti lokalno z upori. Zato je treba uporabiti energetsko porabo zavornih enot, kar neposredno vodi do visoke porabe energije in nizke splošne učinkovitosti.
Slabosti: Nizka energetska učinkovitost in potreba po vgradnji zavornih enot in zavornih uporov.
Možnost 2: Frekvenčni pogon z regulacijo z povratno zanko
Za povratno informacijo o regenerirani energiji in izboljšanje učinkovitosti se lahko uporabi naprava za povratno informacijo o energiji, ki regenerirano energijo vrača v električno omrežje. Na ta način sistem postane bolj zapleten, naložba pa višja. Tako imenovana naprava za povratno informacijo o energiji je pravzaprav aktivni razsmernik. Z namestitvijo frekvenčnega pretvornika z enoto za povratno informacijo o energiji lahko uporabniki določijo izpiranje, hitrost in proizvodnjo tekočine črpalne enote glede na nivo tekočine in tlak v naftni vrtini, s čimer se zmanjša poraba energije in izboljša učinkovitost črpalke. Zmanjša se obraba opreme, podaljša se življenjska doba, doseže se visoka učinkovitost, prihranek energije in nizki stroški ter se realizira avtomatizirano delovanje v pogojih največjega varčevanja z energijo. Vendar pa zaradi načina delovanja frekvenčnega pretvornika in naprave za povratno informacijo uporaba sheme za povratno informacijo o energiji povzroča znatno harmonično onesnaženje na strani napajanja, kar povzroči znatno zmanjšanje kakovosti električnega omrežja.
Slabosti: Zahteva namestitev povratnih naprav, kar je drago in povzroča znatno onesnaževanje električnega omrežja.
S poglobljeno raziskavo procesa črpalne enote z visečim žarkom je bila uporabljena namenska programska logika, ki temelji na procesu krmiljenja črpalne enote z visečim žarkom, in dvojno zaprtozančno krmiljenje energije in moči za doseganje neprekinjenega in gladkega prilagajanja izhodne frekvence, odpravo negativnega krmiljenja navora in preprečevanje povratne zanke kinetične energije motorja in visoke napetosti vodila. Poleg tega je bil dosežen cilj odprave zavorne enote in naprave za povratno zanko o energiji, s čimer se je izognilo različnim pomanjkljivostim tradicionalnih shem za pretvorbo frekvence.
Osrednja ideja krmiljenja te sheme je krmiljenje konstantne izhodne moči. Frekvenčni pretvornik temelji na PID načinu krmiljenja z zanko konstantne izhodne moči. Z nastavitvijo izhodne frekvence je mogoče doseči krmiljenje konstantne izhodne moči, kar lahko učinkovito zmanjša povprečno izhodno moč, doseže učinkovit prihranek energije in zaščiti mehanizem črpalne enote, hkrati pa izpolni zahteve glede impulzov. To pomeni, da frekvenčnemu pretvorniku ni treba nastaviti določene delovne frekvence, dejanska izhodna frekvenca pa se samodejno prilagodi prek zaprte zanke PID. Med gibanjem navzdol, ko je sinhrona hitrost nižja od hitrosti motorja, zaradi velike vztrajnosti bremena motor proizvaja elektriko, izhodni navor frekvenčnega pretvornika pa je negativen. V tem času frekvenčni pretvornik samodejno poveča izhodno frekvenco, da odpravi negativni navor in prepreči, da bi motor bil v stanju generiranja. Med gibanjem navzgor se potencialna energija v celoti pretvori v kinetično energijo. V tem času je hitrost najvišja in vztrajnost največja. Motor zavira, da izvede gibanje navzgor. Ko je hitrost nizka, frekvenčni pretvornik deluje v načinu PID regulacije s konstantno izhodno močjo. V tem času frekvenčni pretvornik samodejno poveča hitrost dvigovanja, da dokonča dvigovanje.
Skozi celoten postopek krmiljenja je znano, da motor ni bil v stanju generiranja, zato ni treba namestiti zavorne enote in povratne naprave RBU. Medtem je med celotnim postopkom hoda hod navzdol počasen in se lahko potopi več olja; hiter hod navzgor, kar zmanjša puščanje olja: znatno poveča proizvodnjo olja.
Prednosti: Ni potrebe po namestitvi naprav za porabo energije ali povratnih informacij, nižji stroški; Optimiziran je postopek ekstrakcije olja, kar močno izboljša splošno učinkovitost stroja; Napetost vodila frekvenčnega pretvornika je stabilna, skupna poraba toplote je nizka, splošna stabilnost pa je boljša. Tehnične lastnosti:
Specifično za industrijo: Na podlagi programske logike procesa krmiljenja črpalne enote s snopom resnično dosega specifične in vodilne rešitve za industrijo.
Visoka zanesljivost izbire: Ključne komponente so vse od znanih domačih in tujih blagovnih znamk, kar zagotavlja zanesljivo in stabilno delovanje komponent.
◆ Zasnova z veliko redundanco: S strogimi izračuni in eksperimentalnim preverjanjem so ključne komponente zasnovane z velikimi rezervami, da se zagotovi dolgoročna stabilnost celotnega stroja v zahtevnih okoljih naftnih polj.
Optimizirano vektorsko krmiljenje: vodilno prosto vektorsko krmiljenje s povratno zanko hitrosti na domačem trgu z visokim nizkofrekvenčnim navorom in hitrim odzivom navora.
◆ Funkcija programske opreme za omejevanje toka in napetosti: Dobra omejitev napetosti in toka, ki učinkovito omejuje ključne krmilne parametre za zmanjšanje tveganja okvare pretvornika.
Močna prilagodljivost okolju: Z visoko skupno točko pregrevanja, neodvisno zasnovo zračnih kanalov in odebeljeno troslojno obdelavo barve je bolj primerna za dolgotrajno delovanje na zunanjih naftnih poljih.
◆ Funkcija ponovnega zagona s sledenjem hitrosti: doseže gladek zagon vrtečih se motorjev brez udarcev
◆ Funkcija samodejnega prilagajanja napetosti: Ko se napetost omrežja spremeni, lahko samodejno vzdržuje konstantno izhodno napetost
Celovita zaščita pred napakami: preobremenitev toka, prenapetost, prenizka napetost, previsoka temperatura, izpad faze, preobremenitev in druge zaščitne funkcije