Die Balkenpumpeneinheit ist ein verformter Viergelenkmechanismus, dessen Gesamtstruktur einer Waage ähnelt. An einem Ende befindet sich die Förderlast, am anderen die Ausgleichslast. Wenn das durch Förderlast und Ausgleichslast erzeugte Drehmoment gleich groß ist oder sich gleichmäßig ändert, kann die Pumpeneinheit kontinuierlich und unterbrechungsfrei mit sehr geringem Energieaufwand arbeiten. Die Energiespartechnologie der Pumpeneinheit basiert also auf diesem Gleichgewicht. Je geringer das Gleichgewichtsverhältnis, desto höher die benötigte Leistung des Elektromotors. Da sich die Förderlast ständig ändert und das Ausgleichsgewicht nicht exakt mit der Förderlast übereinstimmt, ist die Energiespartechnologie von Balkenpumpeneinheiten sehr komplex. Daher kann man sagen, dass die Energiespartechnologie der Balkenpumpeneinheit im Wesentlichen auf dem Gleichgewicht beruht.
Einführung in den aktuellen Stand der Frequenzumwandlung an Hängebalken
Die tatsächliche Situation bei der Frequenzumwandlung zeigt, dass die Gegengewichte der Pumpeneinheiten größtenteils stark unausgewuchtet sind. Dies führt zu übermäßigen Stoßströmen, die nicht nur unnötig viel elektrische Energie verschwenden, sondern auch die Sicherheit der Anlage ernsthaft gefährden. Gleichzeitig stellt dies eine große Herausforderung für die Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter dar: Die Kapazität des Frequenzumrichters wird üblicherweise anhand der Nennleistung des Motors ausgelegt, und übermäßige Stoßströme können eine Überlastung des Frequenzumrichters auslösen, wodurch dessen ordnungsgemäßer Betrieb verhindert wird.
Darüber hinaus sind in der Anfangsphase der Ölförderung große Ölvorräte und eine ausreichende Flüssigkeitsversorgung vorhanden. Um die Ölfördereffizienz zu steigern und eine hohe Ölproduktion zu gewährleisten, kann der Betrieb mit fester Frequenz eingesetzt werden. In der mittleren und späteren Phase hingegen, aufgrund der sinkenden Ölvorratskapazität, kann es leicht zu einer unzureichenden Flüssigkeitsversorgung kommen. Läuft der Motor weiterhin mit der aktuellen Frequenz, verschwendet er zwangsläufig elektrische Energie und verursacht unnötige Verluste. Daher ist es notwendig, die tatsächliche Betriebssituation zu berücksichtigen und die Motordrehzahl und den Hub entsprechend zu reduzieren, um die Laderate effektiv zu verbessern.
Die Einführung der Frequenzumrichtertechnologie in die Steuerung von Bohrlochpumpen ist ein Trend. Die variable Frequenzdrehzahlregelung zählt zur stufenlosen Drehzahlregelung und bestimmt die Betriebsfrequenz des Motors anhand der Größe seines Betriebsstroms. Dies ermöglicht eine komfortable Anpassung des Pumpenhubs an die sich ändernden Bohrlochbedingungen, was Energieeinsparungen und eine Verbesserung des Leistungsfaktors im Stromnetz zur Folge hat. Der Einsatz der Vektorfrequenzumrichtertechnologie gewährleistet niedrige Drehzahlen bei hohem Drehmoment und ermöglicht eine stufenlose und weite Drehzahlregelung. Gleichzeitig verfügt der Frequenzumrichter über umfassende Motorschutzfunktionen wie Kurzschluss-, Überlast-, Überspannungs-, Unterspannungs- und Blockierschutz. Dadurch werden Motor und mechanische Anlagen effektiv geschützt, ein sicherer Betrieb mit der Betriebsspannung sichergestellt und zahlreiche Vorteile wie ein reibungsloser und zuverlässiger Betrieb sowie ein verbesserter Leistungsfaktor erzielt. Die Frequenzumrichtertechnologie ist eine ideale Lösung für die Modernisierung von Ölförderanlagen. Die gängigen Lösungen sind derzeit:
Option 1: Frequenzumrichter mit energieverbrauchender Bremseinheit
Diese Methode ist zwar relativ einfach, aber wenig effizient. Das liegt hauptsächlich an der Rückkopplung der vom Motor während des Abwärtshubs im Konstantdrehzahlbetrieb erzeugten Energie. Bei Verwendung eines herkömmlichen Frequenzumrichters wird der Eingang diodengleichgerichtet, und Energie kann nicht in die entgegengesetzte Richtung fließen. Dieser Teil der elektrischen Energie kann nicht ins Netz zurückgespeist werden und muss lokal mittels Widerständen verbraucht werden. Daher sind energieintensive Bremsanlagen erforderlich, was direkt zu einem hohen Energieverbrauch und einer geringen Gesamteffizienz führt.
Nachteile: Geringe Energieeffizienz und die Notwendigkeit, Bremsanlagen und Bremswiderstände einzubauen.
Option 2: Frequenzumrichter mit Rückkopplungsregelung
Um die zurückgewonnene Energie zurückzuspeisen und die Effizienz zu steigern, kann ein Energierückkopplungsgerät eingesetzt werden. Dadurch wird das System komplexer und die Investitionskosten steigen. Das Energierückkopplungsgerät ist im Prinzip ein aktiver Wechselrichter. Durch die Installation eines Frequenzumrichters mit Energierückkopplungseinheit können Anwender Spülung, Drehzahl und Fördermenge der Pumpanlage anhand des Flüssigkeitsstands und des Drucks im Ölfeld steuern. Dies reduziert den Energieverbrauch und verbessert die Pumpeneffizienz. Gleichzeitig werden Verschleiß, Lebensdauer und Effizienz gesteigert, Energieeinsparung und niedrige Kosten erzielt und ein automatisierter Betrieb unter maximal energiesparenden Bedingungen ermöglicht. Aufgrund der Funktionsweise des Frequenzumrichters und des Rückkopplungsgeräts verursacht die Energierückkopplung jedoch erhebliche Oberwellenbelastungen im Netz, was die Netzqualität deutlich verschlechtert.
Nachteile: Es erfordert die Installation von Rückkopplungsvorrichtungen, was kostspielig ist und zu erheblichen Umweltbelastungen des Stromnetzes führt.
Durch die eingehende Untersuchung des Prozesses der hängenden Balkenpumpeneinheit wurde eine spezielle Softwarelogik zur Steuerung dieser Einheit entwickelt. Eine duale Regelung von Energie und Leistung ermöglicht die kontinuierliche und stufenlose Anpassung der Ausgangsfrequenz, eliminiert negative Drehmomentregelung und verhindert die Rückkopplung von Motorkinetikenergie und hoher Busspannung. Darüber hinaus wird das Ziel erreicht, auf Bremseinheit und Energierückkopplungseinrichtung zu verzichten und somit die Nachteile herkömmlicher Frequenzumwandlungsverfahren zu vermeiden.
Das Kernprinzip dieses Systems ist die Konstantleistungsregelung. Der Frequenzumrichter arbeitet mit einem PID-Regler zur Konstantleistungsregelung. Durch die Anpassung der Ausgangsfrequenz wird eine konstante Ausgangsleistung erreicht, wodurch die durchschnittliche Ausgangsleistung effektiv reduziert, Energie gespart und der Pumpenmechanismus geschützt wird, während gleichzeitig die Impulsanforderungen erfüllt werden. Das heißt, der Frequenzumrichter benötigt keine voreingestellte Betriebsfrequenz; die tatsächliche Ausgangsfrequenz wird automatisch über den geschlossenen PID-Regler angepasst. Während des Abwärtshubs erzeugt der Motor aufgrund der hohen Lastträgheit Strom, wenn die Synchrondrehzahl niedriger als die Motordrehzahl ist. Das Ausgangsdrehmoment des Frequenzumrichters ist dann negativ. In diesem Fall erhöht der Frequenzumrichter automatisch die Ausgangsfrequenz, um das negative Drehmoment auszugleichen und zu verhindern, dass der Motor im Generatorbetrieb bleibt. Beim Aufwärtshub wird die potenzielle Energie vollständig in kinetische Energie umgewandelt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Drehzahl am höchsten und die Trägheit maximal. Der Motor bremst ab, um den Aufwärtshub auszuführen. Bei niedriger Drehzahl arbeitet der Frequenzumrichter im PID-Regelmodus mit konstanter Ausgangsleistung. In diesem Fall erhöht der Frequenzumrichter automatisch die Aufwärtshubgeschwindigkeit, um den Aufwärtshub abzuschließen.
Da der Motor während des gesamten Regelungsprozesses nicht im Generatorbetrieb ist, entfällt die Notwendigkeit einer Bremseinheit und eines RBU-Rückmeldesystems. Gleichzeitig verläuft der Abwärtshub während des gesamten Hubvorgangs langsam, wodurch mehr Öl eingetaucht werden kann; der schnelle Aufwärtshub reduziert den Ölverlust und steigert die Ölproduktion erheblich.
Vorteile: Keine Installation von Energieverbrauchs- oder Rückkopplungsgeräten erforderlich, geringere Kosten; optimierter Ölgewinnungsprozess, wodurch die Gesamteffizienz der Maschine deutlich verbessert wird; stabile Busspannung des Frequenzumrichters, geringer Wärmeverbrauch und höhere Gesamtstabilität. Technische Merkmale:
Branchenspezifisch: Basierend auf der Softwarelogik des Steuerungsprozesses der Strahlpumpeneinheit werden branchenspezifische und führende Lösungen realisiert.
Auswahl von Komponenten mit hoher Zuverlässigkeit: Die wichtigsten Bauteile stammen allesamt von namhaften in- und ausländischen Marken, wodurch eine zuverlässige und stabile Funktion der Komponenten gewährleistet wird.
◆ Großflächige Redundanz: Durch sorgfältige Berechnungen und experimentelle Überprüfungen wurden Schlüsselkomponenten mit großen Sicherheitsmargen ausgelegt, um die langfristige Stabilität der gesamten Maschine in rauen Ölfeldumgebungen zu gewährleisten.
Optimierte Vektorregelung: führende geschwindigkeitsrückkopplungsfreie Vektorregelung mit hohem Drehmoment bei niedrigen Frequenzen und schneller Drehmomentreaktion.
◆ Softwarebasierte Strom- und Spannungsbegrenzungsfunktion: Gute Spannungs- und Strombegrenzung, effektive Begrenzung wichtiger Steuerungsparameter zur Reduzierung des Ausfallrisikos des Wechselrichters.
Hohe Anpassungsfähigkeit an die Umwelt: Dank eines hohen Gesamtüberhitzungspunktes, unabhängiger Luftkanalkonstruktion und einer dreifach verstärkten Lackierung eignet es sich besonders für den Langzeitbetrieb auf Ölfeldern im Freien.
◆ Drehzahlregelung mit Neustartfunktion: Sorgt für einen sanften Anlauf von rotierenden Motoren ohne Stoß.
◆ Automatische Spannungsanpassungsfunktion: Bei Änderungen der Netzspannung kann die Ausgangsspannung automatisch konstant gehalten werden.
Umfassender Fehlerschutz: Überstrom-, Überspannungs-, Unterspannungs-, Übertemperatur-, Phasenausfall-, Überlast- und andere Schutzfunktionen