従来の吊り下げビームポンプユニットは、ブレーキユニットやエネルギーフィードバック方式を追加した定速運転を採用しており、エネルギー消費とコストの面で大きな欠点がありました。本稿では、東力科創CT100シリーズ周波数変換器を核とした電子制御システムの油田ポンプユニットへの応用を紹介し、より効率的でコスト効率の高い、エネルギーと電力の二重閉ループ制御という新たな方式を提案します。
吊り下げビームポンプユニットにおける東力科創CT100周波数変換器の応用
従来の吊り下げビームポンプユニットは、ブレーキユニットやエネルギーフィードバック方式を追加した定速運転を採用しており、エネルギー消費とコストの面で大きな欠点がありました。本稿では、東力科創CT100シリーズ周波数変換器を核とした電子制御システムの油田ポンプユニットへの応用を紹介し、より効率的でコスト効率の高い、エネルギーと電力の二重閉ループ制御という新たな方式を提案します。
導入
わが国の油田の大部分は、自己注入能力の高い海外の油田とは異なり、エネルギー消費量が少なく、生産量も低い油田です。ほとんどの油は水注入によって井内に注入され、揚水機（パーカッションマシン）によって地層から汲み上げられます。中国では、油を水に、油を電気に置き換えることが現在の油田の現実であり、わが国の石油採掘コストのかなりの部分を占めています。そのため、石油業界は節電を非常に重視しており、節電は石油採掘コストの削減に直接つながります。
ポンプユニットの省エネソリューションは、周波数変換器を使用してモーター駆動システムを変更することです。ポンプユニットを周波数変換器に切り替えると、いくつかのメリットがあります。
（1）力率の改善：入力側の力率を従来の0.25～0.5から0.9以上に高めることができ、電源電流を大幅に削減できるため、電力網や変圧器への負担が軽減され、線路損失が低減し、「容量拡張」費用を大幅に節約できます。
（2）運用効率の向上：油井の実際の液体供給能力に応じて抽出速度を動的に調整できるため、省エネ目標を達成できるだけでなく、原油生産量が増加し、システム効率が大幅に向上します。
（3）真の「ソフトスタート」を実現：電動モーター、ギアボックス、ポンプユニットへの過度の機械的衝撃を回避し、機器の耐用年数を大幅に延ばし、ダウンタイムを短縮し、生産効率を向上させます。
ただし、ポンプユニットのモーターに周波数変換器を使用する場合、主にサージ電流の問題と回生エネルギーの処理など、対処する必要がある問題もいくつかあり、これらについては以下で個別に分析します。
吊り下げビームポンプユニットの現状紹介
サスペンションビームポンプユニットの機械機構の紹介
ビームポンピングユニットは主に 4 つの部分で構成されています。
（１）梁部：ドンキーヘッド、梁、横梁、尾梁、連結棒、バランスブロック（複合バランスポンプユニット）
（２）ブラケット部：横梁支持座、作業用はしご、保護リング、操作プラットフォーム、ブラケット。
（３）減速機部：ベース、減速機シリンダシート、減速機、クランクシャフト、カウンターウェイト、ブレーキ等の部品。
（4）配電部：モーターベース、モーター、配電箱等
深セン東麗科技イノベーションテクノロジー株式会社
1. ベース; 2-ブラケット; 3-吊りロープ装置; 4-ドンキーヘッド; 5-ビーム; 6-ビームベアリングシート; 7-横梁; 8-コネクティングロッド; 9-クランクピン装置; 10-クランク装置; 11-減速機; 12.ブレーキ安全装置; 13-ブレーキ装置; 14-電動モーター; 15-配電ボックス。
図に示すように、ビームポンプユニットは変形4リンク機構であり、その全体的な構造特性は天秤のようなものです。一端はポンプ負荷であり、他端はバランスの取れた重い負荷です。ブラケットにとって、ポンプ負荷と平衡負荷によって形成されるトルクが等しいか、または一貫して変化する場合、ポンプユニットは非常に少ない電力で連続的に中断なく動作できます。つまり、ポンプユニットの省エネ技術はバランスに依存しています。バランス比が低いほど、電動モーターに必要な電力が大きくなります。ポンプ負荷は常に変化しており、バランスウェイトはポンプ負荷と完全に一致できないため、ビームポンプユニットの省エネ技術は非常に複雑になります。したがって、ビームポンプユニットの省エネ技術はバランス技術であると言えます。
吊りビーム可変周波数変換の現状の紹介
周波数変換の実際の状況を見ると、ポンプユニットのカウンターウェイトの大部分は深刻なアンバランス状態にあり、その結果、過大なサージ電流が発生しています。これは大量の電気エネルギーを不必要に浪費するだけでなく、設備の安全性を深刻に脅かしています。同時に、周波数変換器の速度制御にも大きな困難をもたらします。周波数変換器の容量は通常、モーターの定格出力に基づいて選択されますが、過大なサージ電流は周波数変換器の過負荷保護を引き起こし、正常に動作しなくなる可能性があります。
また、油井開発の初期段階では、油の貯蔵量が多く、液体供給も十分であるため、効率を向上させるために商用周波数運転を採用することで高い石油生産量を確保できます。しかし、中期以降になると、貯蔵油量の低下により液体供給不足が発生しやすくなります。モーターを商用周波数状態で運転し続けると、必然的に電気エネルギーを無駄にし、不要な損失が発生します。このとき、実際の運転状況を考慮し、モーターの回転速度とストロークを適切に下げることで、充填率を効果的に向上させる必要があります。
従来の周波数変換ソリューションの紹介
ビームポンプユニットの制御に周波数変換技術を導入することがトレンドとなっています。可変周波数速度制御は無段階速度制御に属し、モータの動作電流の大きさに基づいてモータの動作周波数を決定します。これにより、坑井条件の変化に応じてポンプユニットのストロークを便利に調整でき、省エネと電力網の力率向上を実現します。ベクトル周波数変換制御技術を適用することで、低速・高トルク出力を確保し、スムーズかつ広範囲な速度調整が可能です。同時に、周波数変換器は、短絡、過負荷、過電圧、不足電圧、失速などの完全なモータ保護機能を備えており、モータと機械設備を効果的に保護し、機器が安全な電圧で動作することを保証し、スムーズで信頼性の高い操作、力率の向上など、多くの利点があります。石油生産設備の改造に理想的なソリューションです。現在主流のソリューションは次のとおりです。
エネルギー消費ブレーキユニット付きインバータ
この方法は比較的シンプルですが、運転効率は低くなります。これは主に、定速運転時の下降ストローク時にモータが生成したエネルギーをフィードバック制御するためです。通常の周波数変換器を使用する場合、入力はダイオード整流されるため、エネルギーは逆方向に流れません。そのため、上方に流れた電気エネルギーは系統に還流する経路がなく、抵抗器を用いて局所的に消費する必要があります。そのため、エネルギーを消費するブレーキユニットを使用する必要があり、これがエネルギー消費量の増加と全体効率の低下に直接つながります。
デメリット: エネルギー効率が低く、ブレーキユニットとブレーキ抵抗器を設置する必要があります。
フィードバックユニット制御付きインバータ
回生エネルギーをフィードバックして効率を向上させるために、エネルギーフィードバック装置を使用して回生エネルギーを電力網にフィードバックすることができます。このようにして、システムはより複雑になり、投資額も高くなります。いわゆるエネルギーフィードバック装置は、実際にはアクティブインバータです。エネルギーフィードバック装置を備えた周波数変換器を設置することで、ユーザーは油井の液位と圧力に基づいてポンプ装置のフラッシング、速度、液体生産量を決定し、エネルギー消費を削減し、ポンプ効率を向上させることができます。機器の摩耗を減らし、耐用年数を延ばし、高効率、省エネ、低コストを実現し、最大の省エネ条件下での自動運転を実現します。ただし、周波数変換器とフィードバック装置の動作モードにより、エネルギーフィードバック方式を使用すると、電源端で重大な高調波汚染が発生し、電力網の品質が大幅に低下します。
デメリット: フィードバック デバイスの設置が必要であり、コストがかかり、電力網に大きな汚染を引き起こします。
Dongli Sci Tech CT100シリーズ周波数変換ソリューションの紹介
深圳市東力科技イノベーションテクノロジー株式会社は、従来の周波数変換変換方式の様々な欠点に鑑み、吊りビームポンプユニットのプロセスを徹底的に研究し、吊りビームポンプユニットの制御プロセスに基づく専用ソフトウェアロジックを採用し、エネルギーと電力の二重閉ループ制御を採用することで、出力周波数の連続的かつスムーズな調整を実現し、負のトルク制御を排除し、モーターの運動エネルギーと高バス電圧のフィードバックを回避しました。さらに、ブレーキユニットとエネルギーフィードバック装置を不要にするという目標も達成し、従来の周波数変換変換方式の様々な欠点を回避しました。
この方式の中核となる制御概念は定出力制御である。周波数変換器は、定出力ループを備えたPID制御モードに基づいている。出力周波数を調整することで定出力制御を実現し、平均出力電力を効果的に低減し、効果的な省エネを実現し、インパルス要件を満たしながらポンプユニット機構を保護することができる。つまり、周波数変換器は特定の動作周波数を設定する必要がなく、実際の出力周波数はPID閉ループによって自動的に調整される。下降ストローク中、負荷の大きな慣性により、同期速度がモータ速度よりも低い場合、モータは発電し、周波数変換器の出力トルクは負になる。このとき、周波数変換器は自動的に出力周波数を上昇させ、負のトルクを排除し、モータが発電状態になることを回避します。上昇ストローク中は、位置エネルギーが完全に運動エネルギーに変換されます。このとき、最大速度と慣性が発生し、モータは減速して上昇動作を実行します。低速時には、周波数変換器は定出力PID制御モードで動作し、自動的に上昇速度を上げて上昇動作を完了します。制御プロセス全体を通して、モーターが発電状態ではないことが分かるため、ブレーキユニットやRBUフィードバック装置を設置する必要はありません。一方、ストロークプロセス全体を通して、下降ストロークは遅く、より多くのオイルを浸漬できます。上昇ストロークが速いため、オイル漏れが減少し、オイル生産量が大幅に増加します。
利点: エネルギー消費やフィードバック装置を設置する必要がなく、オイル抽出プロセスが最適化され、全体的な効率が大幅に向上します。
Dongli Sci Tech CT100シリーズ周波数変換の紹介
深圳東力科創科技有限公司のCT100周波数変換器は、DSP制御システムをベースとし、国内最先端のPGフリーベクトル制御技術を採用し、複数の保護方式を組み合わせることで、非同期モータにも適用でき、優れた駆動性能を提供します。また、ダクト設計、ハードウェア構成、ソフトウェア機能の面で、顧客の使いやすさと環境適応性を大幅に向上させました。
技術的特徴
業界固有: ビーム ポンピング ユニット制御プロセスのソフトウェア ロジックに基づいて、真に業界固有の最先端のソリューションを実現します。
高い信頼性の選択: 主要コンポーネントはすべて国内外の有名ブランドのものであり、コンポーネントの信頼性と安定性を保証します。
◆ 大規模な冗長設計：厳密な計算と実験検証を通じて、主要コンポーネントは大きな余裕を持って設計され、油田における機械全体の完全性を確保します。
悪環境下でも長期安定性を維持します。
最適化されたベクトル制御：国内トップクラスの速度フィードバックフリーベクトル制御で、低周波トルクが高く、トルク応答が速いです。
◆ ソフトウェア電流および電圧制限機能: 優れた電圧および電流制限により、主要な制御パラメータを効果的に制限し、インバータの故障のリスクを軽減します。
強力な環境適応性: 全体的な過熱点が高く、独立した空気ダクト設計と厚くなった三層防水塗装処理により、屋外油田での長期運転に適しています。
◆ 速度追従再始動機能：衝撃を与えずに回転モーターのスムーズな始動を実現
◆自動電圧調整機能：グリッド電圧が変化しても、一定の出力電圧を自動的に維持できます。
包括的な障害保護：過電流、過電圧、低電圧、過熱、位相欠落、過負荷などの保護機能
結論
ビームポンピングユニットの従来の周波数変換応用モードには様々な欠点があるため、周波数変換制御方式の継続的な改善は不可欠です。深圳東力科技イノベーションテクノロジー株式会社は、革新的な制御ソリューションで業界の変革をリードします。同時に、CT100シリーズ周波数変換器は、信頼性の高いソフトウェアとハードウェアの安定性により、お客様にコスト効率の高いユーザーエクスペリエンスを提供します。