Anbieter von Frequenzumrichtern für die Ölfeldindustrie weisen darauf hin, dass Frequenzumrichter in der industriellen Produktion und im Alltag weit verbreitet sind. Ihre breite Anwendung ist vor allem auf ihre hervorragenden Energiespar- und Drehzahlregelungseigenschaften zurückzuführen. Chinas Produktion und Energieverbrauch zählen zu den höchsten weltweit. Um den Energieverbrauch von Produkten zu senken und andere technische Aspekte zu verbessern, hat sich die variable Frequenzregelung als wirksame Maßnahme zur Energieeinsparung und Qualitätssteigerung erwiesen.
Derzeit ist die Balkenpumpe unter den in den meisten Ölfeldern eingesetzten Pumpen die am weitesten verbreitete und am häufigsten eingesetzte. Die Balkenpumpe bewegt sich wiederholt auf und ab, wobei jeder Hub einmal erfolgt. Angetrieben wird sie von zwei schweren Stahlschlitten, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Beim Anheben wirken die Schlitten wie Hebel und drücken das Fördergestänge in das Bohrloch. Beim Absenken wird das Fördergestänge mit Öl zum Bohrlochkopf befördert. Da der Motor mit konstanter Drehzahl läuft, sinkt die Last beim Absenken der Schlitten, und die durch den Motorwiderstand erzeugte Energie kann nicht von der Last aufgenommen werden. Sie wird zwangsläufig verbraucht, wodurch der Motor in den regenerativen Energieerzeugungsmodus wechselt und die überschüssige Energie in das Stromnetz zurückspeist. Dies führt zu einem Anstieg der Spannung am Hauptanschlusskasten, was wiederum Auswirkungen auf das gesamte Stromnetz hat und zu einer Verschlechterung der Versorgungsqualität und des Leistungsfaktors sowie zu Strafzahlungen der Energieversorgungsunternehmen führen kann. Häufige Hochspannungseinwirkungen können den Motor beschädigen und einen zuverlässigen Schutz beeinträchtigen. Ein beschädigter Motor führt zu geringerer Produktionseffizienz und erhöhtem Wartungsaufwand, was die Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung der Pumpenanlage erheblich beeinträchtigt und dem Unternehmen erhebliche wirtschaftliche Verluste verursacht. Zudem führt der Einsatz zweier großer Stahlgleiter in der Balkenpumpeneinheit zu Problemen wie einem hohen Anlaufstoß. Neben diesen beiden Problemen bedingt die besondere geographische Umgebung der Ölfeldproduktion spezifische Betriebseigenschaften der Ölförderanlagen. In der Anfangsphase der Ölförderung sind große Ölmengen vorhanden und die Flüssigkeitsversorgung ausreichend. Um die Effizienz zu steigern, kann der Betrieb mit Netzfrequenz erfolgen und eine hohe Ölproduktion gewährleisten. In der mittleren und späteren Phase sinken die Ölreserven, was leicht zu einer unzureichenden Flüssigkeitsversorgung führen kann. Läuft der Motor weiterhin mit Netzfrequenz, verschwendet er zwangsläufig elektrische Energie und verursacht unnötige Verluste. In diesem Fall muss die tatsächliche Betriebssituation berücksichtigt, die Motordrehzahl und der Hub entsprechend reduziert werden, um die Förderrate effektiv zu verbessern. Zur Lösung der oben genannten Probleme kann die Frequenzumwandlungstechnologie in die Steuerung von Strahlpumpeneinheiten eingeführt werden.
Durch die Bestimmung der Betriebsfrequenz des Motors anhand seines Betriebsstroms lässt sich der Hub der Pumpeneinheit flexibel an die sich ändernden Bohrlochbedingungen anpassen. Dies trägt zur Energieeinsparung und zur Verbesserung des Leistungsfaktors im Stromnetz bei. Gleichzeitig ermöglicht der Frequenzumrichter einen sanften Anlauf und eine stufenlose und weite Drehzahlregelung. Er verfügt über umfassende Motorschutzfunktionen wie Kurzschluss-, Überlast-, Überspannungs-, Unterspannungs- und Blockierschutz, die Motor und mechanische Anlagen effektiv schützen, einen sicheren Betrieb gewährleisten und zahlreiche Vorteile wie einen ruhigen und zuverlässigen Betrieb sowie einen verbesserten Leistungsfaktor bieten. Damit ist er die ideale Lösung für die Modernisierung von Ölförderanlagen.
Derzeit gibt es drei Hauptaspekte der Frequenzumrichter-Transformation für Strahlpumpeneinheiten:
(1) Die Frequenzumwandlung zielt darauf ab, die Netzqualität zu verbessern und die Auswirkungen des Betriebs von Pumpanlagen auf das Stromnetz zu reduzieren. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn Energieversorgungsunternehmen hohe Anforderungen an die Netzqualität stellen. Um eine Verschlechterung der Netzqualität zu vermeiden, ist eine variable Frequenzregelung erforderlich, deren Hauptziel die Reduzierung der Auswirkungen des Pumpanlagenbetriebs auf das Netz ist. Diese Maßnahme wurde für die Ölförderanlage Linpan im Ölfeld Shengli in den Projektplan aufgenommen.
(2) Frequenzumwandlung mit dem Hauptziel der Energieeinsparung. Dies ist ein gängiges Verfahren. Um das hohe Anlaufdrehmoment von Ölfeldpumpen zu bewältigen, werden zum einen Elektromotoren eingesetzt, die deutlich über der benötigten Leistung liegen. Der Auslastungsgrad dieser Motoren liegt im Betrieb üblicherweise zwischen 20 % und 30 %, maximal jedoch bei 50 %. Da die Motoren häufig nur unter Last laufen, werden unnötig Energie verschwendet. Zum anderen ändert sich der Betriebszustand der Pumpenanlage kontinuierlich, abhängig von den Gegebenheiten unter Tage. Ein Betrieb mit Netzfrequenz führt zwangsläufig zu Energieverschwendung. Um Energie zu sparen und die Effizienz der Elektromotoren zu verbessern, ist daher eine Frequenzumwandlung erforderlich.
(3) Frequenzumwandlungsmodernisierung mit dem Ziel, die Qualität des Stromnetzes zu verbessern und Energie zu sparen. Diese Maßnahme vereint die Vorteile der beiden oben genannten Transformationen und stellt eine wichtige Entwicklungsrichtung für Anwendungen dar.
Im praktischen Einsatz traten zahlreiche Probleme auf, insbesondere im Zusammenhang mit der Verarbeitung der vom Pumpwerk erzeugten Energie. Im ersten Szenario ist der Einsatz eines herkömmlichen Frequenzumrichters mit einer energieverbrauchenden Bremseinheit zwar relativ einfach, führt aber zu einem höheren Energieverbrauch, da die erzeugte Energie nicht ins Netz eingespeist werden kann. Im Leerlaufbetrieb bezieht der Motor elektrische Energie aus dem Netz (der Zähler dreht sich vorwärts). Im Generatorbetrieb gibt der Motor Energie ab (der Zähler dreht sich rückwärts), die direkt ins Netz eingespeist wird, ohne von lokalen Geräten verbraucht zu werden. Dies führt zu einem relativ niedrigen Leistungsfaktor des Pumpwerks und beeinträchtigt die Netzqualität erheblich. Bei Verwendung eines herkömmlichen Frequenzumrichters ändert sich die Situation. Dessen Eingang ist diodengleichgerichtet, sodass kein Energiefluss in umgekehrter Richtung möglich ist. Der oben genannte Teil der elektrischen Energie kann nicht ins Netz zurückgespeist werden und muss lokal mittels Widerständen verbraucht werden. Daher sind energieverbrauchende Bremseinheiten erforderlich. In den zweiten und dritten Szenarien muss die vom Motor erzeugte elektrische Energie entsprechend dem Leistungszustand des Motors korrekt verarbeitet und ins Netz zurückgespeist werden. Andernfalls kann die durch die Hubverstellung der Pumpeinheit eingesparte Energie den Energieverbrauch der Bremseinheit des Frequenzumrichters möglicherweise nicht ausgleichen. Dies führt zu einem Energieverbrauch während des Frequenzumrichterbetriebs, was dem Ziel der Energieeinsparung widerspricht. Um dieses Problem zu lösen, muss der herkömmliche Frequenzumrichter durch die Einführung einer dualen PWM-Struktur modifiziert werden, um die Rückspeisung des während der Stromerzeugung erzeugten Stroms ins Netz zu gewährleisten. Zusätzlich ist eine adaptive Regelung der Steuerungsmethoden erforderlich, um sich an die sich ändernden Betriebsbedingungen der Strahlpumpen anzupassen.