Cụm bơm dầm treo truyền thống áp dụng cơ chế vận hành tốc độ không đổi, kết hợp với bộ hãm hoặc cơ chế phản hồi năng lượng, có những nhược điểm đáng kể về tiêu thụ năng lượng và chi phí. Bài viết này giới thiệu ứng dụng hệ thống điều khiển điện tử với bộ biến tần Dongli Kechuang dòng CT100 làm lõi trong cụm bơm dầu khí, đồng thời đề xuất một cơ chế điều khiển vòng kín kép năng lượng và công suất mới, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.
Ứng dụng biến tần Dongli Kechuang CT100 trong cụm bơm dầm treo
Cụm bơm dầm treo truyền thống áp dụng cơ chế vận hành tốc độ không đổi, kết hợp với bộ hãm hoặc cơ chế phản hồi năng lượng, có những nhược điểm đáng kể về tiêu thụ năng lượng và chi phí. Bài viết này giới thiệu ứng dụng hệ thống điều khiển điện tử với bộ biến tần Dongli Kechuang dòng CT100 làm lõi trong cụm bơm dầu khí, đồng thời đề xuất một cơ chế điều khiển vòng kín kép năng lượng và công suất mới, hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.
Giới thiệu
Phần lớn các mỏ dầu ở nước ta là các mỏ dầu có năng suất và sản lượng thấp, không giống như các mỏ dầu nước ngoài có khả năng tự bơm ép mạnh. Phần lớn dầu cần được bơm vào giếng bằng phương pháp bơm ép nước và được bơm lên khỏi vỉa bằng máy bơm (máy bơm va đập). Hiện nay, tại Trung Quốc, việc thay dầu bằng nước và thay dầu bằng điện đang là thực trạng của các mỏ dầu, và điện năng tiêu thụ chiếm một tỷ trọng đáng kể trong chi phí khai thác dầu mỏ ở nước ta. Vì vậy, ngành dầu khí rất coi trọng việc tiết kiệm điện, và tiết kiệm điện năng tiêu thụ đồng nghĩa với việc giảm trực tiếp chi phí khai thác dầu mỏ.
Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho tổ máy bơm là sử dụng bộ biến tần để điều chỉnh hệ thống truyền động động cơ. Sau khi chuyển sang sử dụng bộ biến tần cho tổ máy bơm, có một số lợi ích sau:
(1) Cải thiện hệ số công suất: Hệ số công suất đầu vào có thể tăng từ 0,25-0,5 ban đầu lên trên 0,9, giúp giảm đáng kể dòng điện cung cấp, từ đó giảm gánh nặng cho lưới điện và máy biến áp, giảm tổn thất đường dây và tiết kiệm rất nhiều chi phí "mở rộng công suất".
(2) Nâng cao hiệu quả vận hành: Tốc độ khai thác có thể được điều chỉnh linh hoạt theo khả năng cung cấp chất lỏng thực tế của giếng dầu, không chỉ đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng mà còn tăng sản lượng dầu thô, cải thiện đáng kể hiệu quả của hệ thống.
(3) Đã đạt được 'khởi động mềm' thực sự: nó tránh tác động cơ học quá mức lên động cơ điện, hộp số và cụm bơm, kéo dài đáng kể tuổi thọ của thiết bị, giảm thời gian chết máy và cải thiện hiệu quả sản xuất.
Tuy nhiên, cũng có một số vấn đề cần giải quyết khi sử dụng bộ biến tần cho động cơ của một tổ máy bơm, chủ yếu là vấn đề về dòng điện đột biến và cách xử lý năng lượng tái tạo, sẽ được phân tích riêng bên dưới.
Giới thiệu về tình hình hiện tại của các đơn vị bơm dầm treo
Giới thiệu về cơ chế cơ học của cụm bơm dầm treo
Đơn vị bơm chùm chủ yếu bao gồm bốn phần:
(1) Phần dầm: đầu lừa, dầm, dầm ngang, dầm đuôi, thanh truyền, khối cân bằng (bộ phận bơm cân bằng composite)
(2) Phần giá đỡ: bệ đỡ xà ngang, thang làm việc, vòng bảo vệ, sàn thao tác, giá đỡ.
(3) Bộ phận giảm tốc: đế, ghế xi lanh giảm tốc, bộ giảm tốc, trục khuỷu, đối trọng, phanh và các bộ phận khác.
(4) Bộ phận phân phối điện: đế động cơ, động cơ, hộp phân phối, v.v.
Công ty TNHH Công nghệ Đổi mới Khoa học và Công nghệ Thâm Quyến Dongli
1. Đế; 2-Giá đỡ; 3-Thiết bị dây treo; 4-Đầu lừa; 5-Dầm; 6-Đệm đỡ dầm; 7-Dầm ngang; 8-Thanh truyền; 9-Thiết bị chốt trục khuỷu; 10-Thiết bị trục khuỷu; 11-Bộ giảm tốc; 12. Thiết bị an toàn phanh; 13-Thiết bị phanh; 14-Động cơ điện; 15-Hộp phân phối.
Như thể hiện trong hình, cụm bơm dầm là một cơ cấu liên kết bốn thanh bị biến dạng, và đặc điểm cấu trúc tổng thể của nó giống như một sự cân bằng. Một đầu là tải bơm, và đầu kia là tải nặng cân bằng. Đối với giá đỡ, nếu mô-men xoắn do tải bơm và tải cân bằng tạo thành bằng nhau hoặc thay đổi liên tục, thì cụm bơm có thể hoạt động liên tục và không bị gián đoạn với rất ít công suất. Điều đó có nghĩa là, công nghệ tiết kiệm năng lượng của cụm bơm phụ thuộc vào sự cân bằng. Tỷ số cân bằng càng thấp thì công suất cần thiết từ động cơ điện càng lớn. Do tải bơm liên tục thay đổi và trọng lượng cân bằng không thể hoàn toàn phù hợp với tải bơm, khiến công nghệ tiết kiệm năng lượng của cụm bơm dầm trở nên rất phức tạp. Do đó, có thể nói rằng công nghệ tiết kiệm năng lượng của cụm bơm dầm là công nghệ cân bằng.
Giới thiệu về tình trạng hiện tại của biến đổi tần số thay đổi chùm treo
Từ tình hình thực tế của biến tần, phần lớn đối trọng của các tổ máy bơm thực tế bị mất cân bằng nghiêm trọng, dẫn đến dòng điện xung quá mức, không chỉ gây lãng phí điện năng không cần thiết mà còn đe dọa nghiêm trọng đến an toàn của thiết bị. Đồng thời, điều này cũng gây ra những khó khăn lớn cho việc sử dụng điều khiển tốc độ biến tần: công suất của biến tần thường được lựa chọn dựa trên công suất định mức của động cơ, và dòng điện xung quá mức có thể gây ra hiện tượng quá tải bảo vệ biến tần, khiến biến tần không thể hoạt động bình thường.
Ngoài ra, trong giai đoạn đầu khai thác giếng dầu, lượng dầu dự trữ lớn và nguồn cung cấp chất lỏng dồi dào. Để nâng cao hiệu suất, có thể sử dụng vận hành tần số điện để đảm bảo sản lượng dầu cao. Tuy nhiên, ở giai đoạn giữa và sau, do khả năng dự trữ dầu giảm, dễ dẫn đến tình trạng cung cấp chất lỏng không đủ. Nếu động cơ vẫn hoạt động ở trạng thái tần số điện, chắc chắn sẽ gây lãng phí điện năng và tổn thất không đáng có. Lúc này, cần xem xét tình hình vận hành thực tế và giảm tốc độ và hành trình của động cơ một cách hợp lý để cải thiện hiệu quả tốc độ nạp.
Giới thiệu về các giải pháp chuyển đổi tần số truyền thống
Việc áp dụng công nghệ biến tần vào điều khiển các cụm bơm chùm tia là xu hướng hiện nay. Điều chỉnh tốc độ biến tần thuộc loại điều chỉnh tốc độ vô cấp, xác định tần số làm việc của động cơ dựa trên biên độ dòng điện làm việc. Điều này cho phép điều chỉnh hành trình của cụm bơm một cách thuận tiện theo sự thay đổi của điều kiện giếng, đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng và cải thiện hệ số công suất của lưới điện. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển biến tần vector có thể đảm bảo đầu ra tốc độ thấp và mô-men xoắn cao, tốc độ có thể được điều chỉnh trơn tru và rộng rãi. Đồng thời, bộ biến tần có đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ, chẳng hạn như ngắn mạch, quá tải, quá áp, thấp áp và chết máy, có thể bảo vệ hiệu quả động cơ và thiết bị cơ khí, đảm bảo thiết bị hoạt động ở điện áp an toàn và có nhiều ưu điểm như vận hành trơn tru và đáng tin cậy, cải thiện hệ số công suất, v.v. Đây là giải pháp lý tưởng cho việc cải tạo thiết bị sản xuất dầu. Các giải pháp chủ đạo hiện nay như sau:
Biến tần có bộ phận phanh tiêu thụ năng lượng
Phương pháp này tương đối đơn giản, nhưng hiệu suất hoạt động thấp. Nguyên nhân chủ yếu là do phản hồi năng lượng do động cơ tạo ra ở trạng thái xuống dốc khi vận hành ở tốc độ không đổi. Khi sử dụng bộ biến tần thông thường, đầu vào được chỉnh lưu bằng diode, và năng lượng không thể chảy theo hướng ngược lại. Phần năng lượng điện phía trên không có đường dẫn trở về lưới điện và phải được tiêu thụ cục bộ bằng điện trở. Đây là lý do tại sao phải sử dụng các bộ hãm tiêu thụ năng lượng, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng cao và hiệu suất tổng thể thấp.
Nhược điểm: Hiệu suất năng lượng thấp và cần phải lắp đặt bộ phận phanh và điện trở phanh.
Biến tần với bộ điều khiển phản hồi
Để phản hồi năng lượng tái tạo và cải thiện hiệu suất, có thể sử dụng thiết bị phản hồi năng lượng để phản hồi năng lượng tái tạo về lưới điện. Theo cách này, hệ thống trở nên phức tạp hơn và đầu tư cao hơn. Cái gọi là thiết bị phản hồi năng lượng thực chất là một biến tần chủ động. Bằng cách lắp đặt bộ biến tần với bộ phản hồi năng lượng, người dùng có thể xác định tốc độ xả, tốc độ và sản lượng chất lỏng của tổ máy bơm dựa trên mức chất lỏng và áp suất của giếng dầu, giảm mức tiêu thụ năng lượng và cải thiện hiệu suất bơm; Giảm hao mòn thiết bị, kéo dài tuổi thọ, đạt hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp, đồng thời thực hiện vận hành tự động trong điều kiện tiết kiệm năng lượng tối đa. Tuy nhiên, do chế độ làm việc của bộ biến tần và thiết bị phản hồi, việc sử dụng sơ đồ phản hồi năng lượng gây ra ô nhiễm sóng hài đáng kể ở đầu nguồn điện, dẫn đến chất lượng lưới điện giảm đáng kể.
Nhược điểm: Cần phải lắp đặt thiết bị phản hồi, tốn kém và gây ô nhiễm đáng kể cho lưới điện.
Giới thiệu về giải pháp chuyển đổi tần số Dongli Sci Tech CT100 Series
Nhận thấy những nhược điểm của các phương án biến đổi tần số truyền thống, Công ty TNHH Công nghệ Đổi mới Khoa học Công nghệ Dongli Thâm Quyến đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về quy trình vận hành cụm bơm dầm treo, áp dụng logic phần mềm chuyên dụng dựa trên quy trình điều khiển cụm bơm dầm treo, đồng thời áp dụng điều khiển vòng kín kép về năng lượng và công suất để điều chỉnh tần số đầu ra liên tục và trơn tru, loại bỏ điều khiển mô-men xoắn âm, tránh phản hồi động năng và điện áp bus cao của động cơ. Hơn nữa, mục tiêu loại bỏ bộ phận phanh và thiết bị phản hồi năng lượng đã đạt được, tránh được những nhược điểm của các phương án biến đổi tần số truyền thống.
Khái niệm điều khiển cốt lõi của sơ đồ này là điều khiển đầu ra không đổi. Bộ biến tần dựa trên chế độ điều khiển PID với vòng lặp đầu ra không đổi. Bằng cách điều chỉnh tần số đầu ra, có thể đạt được điều khiển đầu ra không đổi, giúp giảm hiệu quả công suất đầu ra trung bình, tiết kiệm năng lượng hiệu quả và bảo vệ cơ cấu bơm trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về xung. Nói cách khác, bộ biến tần không cần thiết lập tần số hoạt động cụ thể, và tần số đầu ra thực tế được tự động điều chỉnh thông qua vòng lặp kín PID. Trong quá trình xuống, do quán tính của tải lớn, khi tốc độ đồng bộ thấp hơn tốc độ động cơ, động cơ sẽ tạo ra điện, và mô-men xoắn đầu ra của bộ biến tần sẽ âm. Lúc này, bộ biến tần tự động tăng tần số đầu ra để loại bỏ mô-men xoắn âm và tránh động cơ ở trạng thái phát điện. Trong quá trình lên, thế năng được chuyển đổi hoàn toàn thành động năng. Lúc này, tốc độ và quán tính cực đại đạt được, và động cơ giảm tốc để thực hiện hành động lên. Khi tốc độ thấp, bộ biến tần hoạt động ở chế độ điều chỉnh PID đầu ra không đổi, và tự động tăng tốc độ lên để hoàn thành hành động lên. Trong toàn bộ quá trình điều khiển, động cơ không ở trạng thái phát điện, do đó không cần lắp đặt bộ phận phanh và thiết bị phản hồi RBU. Đồng thời, trong toàn bộ quá trình, hành trình xuống chậm và có thể bơm nhiều dầu hơn; hành trình lên nhanh, giảm rò rỉ dầu: tăng đáng kể sản lượng dầu.
Ưu điểm: Không cần lắp đặt thiết bị tiêu thụ năng lượng hoặc phản hồi, tối ưu hóa quy trình khai thác dầu, cải thiện đáng kể hiệu quả tổng thể.
Giới thiệu về bộ chuyển đổi tần số Dongli Sci Tech CT100 Series
Biến tần CT100 của Công ty TNHH Công nghệ Dongli Kechuang Thâm Quyến dựa trên hệ thống điều khiển DSP và áp dụng công nghệ điều khiển vector tự do PG hàng đầu trong nước, kết hợp với nhiều phương pháp bảo vệ, có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ và mang lại hiệu suất truyền động tuyệt vời. Sản phẩm đã cải thiện đáng kể khả năng sử dụng và khả năng thích ứng với môi trường của khách hàng về thiết kế ống gió, cấu hình phần cứng và chức năng phần mềm.
Tính năng kỹ thuật
Dành riêng cho ngành: Dựa trên logic phần mềm của quy trình điều khiển bộ phận bơm chùm tia, sản phẩm thực sự đạt được các giải pháp hàng đầu và dành riêng cho ngành.
Lựa chọn độ tin cậy cao: Các thành phần chính đều đến từ các thương hiệu nổi tiếng trong và ngoài nước, đảm bảo tính ổn định và đáng tin cậy của các thành phần.
◆ Thiết kế dự phòng lớn: Thông qua tính toán nghiêm ngặt và xác minh thử nghiệm, các thành phần chính được thiết kế với biên độ lớn để đảm bảo tính toàn vẹn của toàn bộ máy trong các mỏ dầu
Tính ổn định lâu dài trong môi trường bất lợi.
Kiểm soát vectơ được tối ưu hóa: kiểm soát vectơ không phản hồi tốc độ hàng đầu trong nước với mô-men xoắn tần số thấp cao và phản ứng mô-men xoắn nhanh.
◆ Chức năng giới hạn dòng điện và điện áp bằng phần mềm: Giới hạn điện áp và dòng điện tốt, hạn chế hiệu quả các thông số điều khiển chính để giảm nguy cơ hỏng biến tần.
Khả năng thích ứng với môi trường mạnh mẽ: Với điểm quá nhiệt tổng thể cao, thiết kế ống dẫn khí độc lập và lớp sơn ba lớp dày, sản phẩm phù hợp hơn cho hoạt động lâu dài tại các mỏ dầu ngoài trời.
◆ Chức năng khởi động lại theo dõi tốc độ: giúp động cơ quay khởi động trơn tru mà không bị va đập
◆ Chức năng điều chỉnh điện áp tự động: Khi điện áp lưới thay đổi, nó có thể tự động duy trì điện áp đầu ra không đổi
Bảo vệ lỗi toàn diện: quá dòng, quá áp, thiếu áp, quá nhiệt, mất pha, quá tải và các chức năng bảo vệ khác
Phần kết luận
Do nhiều nhược điểm của chế độ ứng dụng biến tần truyền thống của cụm bơm chùm tia, việc liên tục cải tiến sơ đồ điều khiển biến tần là điều tất yếu. Công ty TNHH Công nghệ Đổi mới Khoa học Kỹ thuật Dongli Thâm Quyến sẽ dẫn đầu sự chuyển đổi của ngành bằng các giải pháp điều khiển tiên tiến. Đồng thời, tính ổn định phần mềm và phần cứng đáng tin cậy của bộ biến tần dòng CT100 cũng đảm bảo mang đến cho khách hàng trải nghiệm người dùng hiệu quả cao về mặt chi phí.