وحدة ضخ الشعاع هي آلية ربط مشوهة بأربعة قضبان، وخصائصها الهيكلية العامة تشبه الميزان. أحد طرفيها هو حمل الضخ، والطرف الآخر هو الحمل الثقيل المتوازن. بالنسبة للقوس، إذا كان عزم الدوران الناتج عن حمل الضخ وحمل التوازن متساويًا أو متغيرًا باستمرار، فيمكن لوحدة الضخ العمل بشكل مستمر ودون انقطاع مع القليل جدًا من الطاقة. وهذا يعني أن تقنية توفير الطاقة لوحدة الضخ تعتمد على التوازن. كلما انخفضت نسبة التوازن، زادت الطاقة المطلوبة من المحرك الكهربائي. نظرًا لأن حمل الضخ يتغير باستمرار، ولا يمكن أن يكون وزن التوازن متسقًا تمامًا مع حمل الضخ، فإن ذلك يجعل تقنية توفير الطاقة لوحدات ضخ الشعاع معقدة للغاية. لذلك، يمكن القول أن تقنية توفير الطاقة لوحدة ضخ الشعاع هي تقنية الموازنة.
مقدمة عن الوضع الحالي لتحويل التردد المتغير للحزمة المعلقة
في الواقع، عند تحويل التردد، نجد أن معظم أثقال الموازنة في وحدات الضخ غير متوازنة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تيار اندفاعي مفرط، مما يُهدر الكثير من الطاقة الكهربائية دون داعٍ، ويُهدد سلامة المعدات بشكل خطير. في الوقت نفسه، يُشكل هذا صعوبات كبيرة في استخدام التحكم في سرعة محول التردد: إذ يتم اختيار سعة محول التردد عادةً بناءً على القدرة المُصنّفة للمحرك، وقد يُؤدي تيار الاندفاعي المفرط إلى حماية محول التردد من الحمل الزائد، ما يُؤدي إلى توقفه عن العمل بشكل طبيعي.
بالإضافة إلى ذلك، في المرحلة المبكرة من استخراج النفط، تتوفر كمية كبيرة من النفط المخزن وكمية كافية من السوائل. لتحسين كفاءة استخلاص النفط، يمكن اعتماد التشغيل بتردد ثابت لضمان إنتاجية عالية. ومع ذلك، في المراحل المتوسطة والمتأخرة، بسبب انخفاض سعة تخزين النفط، من السهل أن يحدث نقص في إمدادات السوائل. إذا استمر تشغيل المحرك بالتردد الحالي، فسيؤدي ذلك حتمًا إلى هدر الطاقة الكهربائية وتسبب في خسائر غير ضرورية. في هذه المرحلة، من الضروري مراعاة ظروف التشغيل الفعلية وتقليل سرعة وشوط المحرك بشكل مناسب لتحسين معدل الشحن بشكل فعال.
يُعدّ إدخال تقنية تحويل التردد في التحكم بوحدات ضخ الشعاع اتجاهًا سائدًا. ينتمي تنظيم سرعة التردد المتغير إلى تنظيم السرعة غير المتدرج، والذي يُحدد تردد تشغيل المحرك بناءً على مقدار تيار تشغيله. يتيح هذا ضبطًا سهلًا لشوط وحدة الضخ وفقًا لتغيرات ظروف البئر، مما يُحقق توفيرًا للطاقة ويُحسّن معامل القدرة لشبكة الكهرباء. يضمن تطبيق تقنية التحكم بتحويل التردد المتجه إنتاجًا منخفض السرعة وعزم دوران مرتفع، ويمكن تعديل السرعة بسلاسة ونطاق واسع. في الوقت نفسه، يتميز محول التردد بوظائف حماية كاملة للمحرك، مثل قصر الدائرة، والحمل الزائد، والجهد الزائد، والجهد المنخفض، والتوقف، مما يحمي المحرك والمعدات الميكانيكية بفعالية، ويضمن عمل المعدات بجهد آمن، وله العديد من المزايا مثل التشغيل السلس والموثوق، وتحسين معامل القدرة، وغيرها. يُعدّ هذا الحل الأمثل لتحويل معدات إنتاج النفط. الحلول الشائعة حاليًا هي كما يلي:
الخيار 1: محرك تردد متغير مع وحدة كبح استهلاك الطاقة
هذه الطريقة بسيطة نسبيًا، لكن كفاءتها التشغيلية منخفضة. ويعود ذلك أساسًا إلى التغذية الراجعة للطاقة التي يولدها المحرك أثناء حالة الشوط السفلي عند التشغيل بسرعة ثابتة. عند استخدام محول تردد عادي، يتم تقويم المدخلات بالديود، ولا يمكن للطاقة أن تتدفق في الاتجاه المعاكس. لا يعود الجزء المذكور من الطاقة الكهربائية إلى الشبكة، ويجب استهلاكه محليًا باستخدام المقاومات. لهذا السبب، يجب استخدام وحدات كبح مستهلكة للطاقة، مما يؤدي مباشرةً إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وانخفاض الكفاءة الكلية.
العيوب: انخفاض كفاءة الطاقة والحاجة إلى تركيب وحدات الفرامل ومقاومات الفرامل.
الخيار 2: محرك التردد المتغير مع وحدة التحكم في التغذية الراجعة
لتحسين كفاءة الطاقة المُعاد تدويرها، يُمكن استخدام جهاز تغذية راجعة للطاقة لإعادة تغذية الطاقة المُعاد تدويرها إلى شبكة الكهرباء. بهذه الطريقة، يصبح النظام أكثر تعقيدًا ويزداد الاستثمار. جهاز تغذية راجعة للطاقة هو في الواقع عاكس نشط. من خلال تركيب مُحوّل تردد مع وحدة تغذية راجعة للطاقة، يُمكن للمستخدمين تحديد تدفق وحدة الضخ وسرعتها وإنتاجها بناءً على مستوى السائل وضغط بئر النفط، مما يُقلل من استهلاك الطاقة ويُحسّن كفاءة المضخة؛ كما يُقلل من تآكل المعدات، ويُطيل عمر الخدمة، ويُحقق كفاءة عالية، ويوفر الطاقة، ويُقلل التكلفة، ويُحقق التشغيل الآلي في ظل أقصى ظروف توفير للطاقة. ومع ذلك، نظرًا لطريقة عمل مُحوّل التردد وجهاز التغذية الراجعة، فإن استخدام نظام تغذية راجعة للطاقة يُسبب تلوثًا توافقيًا كبيرًا في طرف مصدر الطاقة، مما يُؤدي إلى انخفاض كبير في جودة شبكة الكهرباء.
العيوب: يتطلب تركيب أجهزة تغذية راجعة، وهو أمر مكلف ويسبب تلوثًا كبيرًا لشبكة الطاقة.
من خلال الاستكشاف المتعمق لعملية وحدة ضخ الشعاع المعلق، تم اعتماد منطق برمجي مخصص قائم على عملية التحكم في وحدة ضخ الشعاع المعلق، واستخدام نظام تحكم مزدوج مغلق الحلقة للطاقة والقوة لتحقيق ضبط مستمر وسلس لتردد الخرج، والتخلص من التحكم السلبي في عزم الدوران، وتجنب التغذية الراجعة للطاقة الحركية للمحرك وجهد الناقل العالي. علاوة على ذلك، تم تحقيق هدف التخلص من وحدة الكبح وجهاز التغذية الراجعة للطاقة، وتجنب العيوب المختلفة لأنظمة تحويل التردد التقليدية.
الفكرة الأساسية للتحكم في هذا النظام هي التحكم في طاقة الخرج الثابتة. يعتمد محول التردد على وضع تحكم PID مع حلقة طاقة خرج ثابتة. بضبط تردد الخرج، يمكن تحقيق التحكم في طاقة الخرج الثابتة، مما يقلل بشكل فعال من متوسط طاقة الخرج، ويحقق توفيرًا فعالًا للطاقة، ويحمي آلية وحدة الضخ مع تلبية متطلبات النبضات. أي أن محول التردد لا يحتاج إلى ضبط تردد تشغيل محدد، ويتم ضبط تردد الخرج الفعلي تلقائيًا من خلال حلقة PID المغلقة. أثناء الشوط السفلي، وبسبب القصور الذاتي الكبير للحمل، عندما تكون السرعة المتزامنة أقل من سرعة المحرك، يولد المحرك الكهرباء، ويكون عزم خرج محول التردد سالبًا. في هذه الحالة، يزيد محول التردد تلقائيًا تردد الخرج للتخلص من عزم الدوران السالب وتجنب دخول المحرك في حالة توليد. أثناء الشوط العلوي، تتحول الطاقة الكامنة بالكامل إلى طاقة حركية. في هذه الحالة، تكون السرعة في أعلى مستوياتها والقصور الذاتي في أقصى حد. يتباطأ المحرك لأداء عمل الشوط العلوي. عند انخفاض السرعة، يعمل مُحوِّل التردد في وضع تنظيم PID بطاقة خرج ثابتة. في هذه الحالة، يزيد مُحوِّل التردد تلقائيًا سرعة الشوط الصاعد لإكماله.
خلال عملية التحكم الكاملة، يتضح أن المحرك لم يكن في حالة توليد، لذا لا حاجة لتركيب وحدة كبح ووحدة تغذية راجعة RBU. في الوقت نفسه، خلال عملية الشوط، يكون الشوط السفلي بطيئًا، مما يسمح بغمر المزيد من الزيت؛ أما الشوط العلوي السريع، فيقلل من تسرب الزيت، مما يزيد إنتاج الزيت بشكل كبير.
المزايا: لا حاجة لتركيب أجهزة استهلاك الطاقة أو التغذية الراجعة، وتكلفة أقل؛ تحسين عملية استخراج الزيت، مما يُحسّن الكفاءة الكلية للآلة بشكل كبير؛ جهد ناقل التردد مستقر، واستهلاك الحرارة منخفض، واستقرار أفضل. الميزات التقنية:
صناعة محددة: استنادًا إلى منطق البرنامج لعملية التحكم في وحدة ضخ الشعاع، فإنه يحقق بالفعل حلولاً رائدة ومحددة للصناعة.
اختيار موثوقية عالية: المكونات الرئيسية كلها من علامات تجارية محلية وأجنبية معروفة، مما يضمن استقرارًا موثوقًا به للمكونات.
◆ تصميم التكرار الكبير: من خلال الحسابات الدقيقة والتحقق التجريبي، تم تصميم المكونات الرئيسية بهامش كبير لضمان الاستقرار الطويل الأمد للآلة بأكملها في بيئات حقول النفط القاسية.
التحكم الأمثل في المتجهات: التحكم في المتجهات الحرة ذات ردود الفعل السريعة الرائدة محليًا مع عزم دوران منخفض التردد واستجابة سريعة لعزم الدوران.
◆ وظيفة تحديد التيار والجهد البرمجي: تحديد جيد للجهد والتيار، وتحديد معلمات التحكم الرئيسية بشكل فعال لتقليل خطر فشل العاكس.
قدرة قوية على التكيف مع البيئة: مع نقطة ارتفاع درجة الحرارة الإجمالية، وتصميم مجرى الهواء المستقل، ومعالجة الطلاء الثلاثية السميكة، فهي أكثر ملاءمة للتشغيل طويل الأمد في حقول النفط الخارجية.
◆ وظيفة إعادة تشغيل تتبع السرعة: تحقيق بداية سلسة للمحركات الدوارة دون تأثير
◆ وظيفة ضبط الجهد التلقائي: عندما يتغير جهد الشبكة، يمكنها الحفاظ تلقائيًا على جهد خرج ثابت
حماية شاملة من الأخطاء: التيار الزائد، الجهد الزائد، الجهد المنخفض، درجة الحرارة الزائدة، فقدان الطور، الحمل الزائد ووظائف الحماية الأخرى