A unidade de bombeamento por viga é um mecanismo de ligação de quatro barras deformado, e suas características estruturais gerais assemelham-se a uma balança. Uma extremidade suporta a carga de bombeamento, e a outra, a carga de equilíbrio. Para o suporte, se o torque formado pela carga de bombeamento e pela carga de equilíbrio for igual ou variar de forma constante, a unidade de bombeamento pode funcionar continuamente e sem interrupções com muito pouca energia. Ou seja, a tecnologia de economia de energia da unidade de bombeamento depende do equilíbrio. Quanto menor a relação de equilíbrio, maior a potência exigida do motor elétrico. Como a carga de bombeamento está em constante mudança, e o peso de equilíbrio não pode ser completamente constante em relação à carga de bombeamento, isso torna a tecnologia de economia de energia das unidades de bombeamento por viga muito complexa. Portanto, pode-se dizer que a tecnologia de economia de energia da unidade de bombeamento por viga é a tecnologia de equilíbrio.
Introdução ao estado atual da transformação de frequência variável em vigas suspensas
Na prática, com base na conversão de frequência, a maioria dos contrapesos das unidades de bombeamento apresenta desequilíbrio significativo, resultando em correntes de pico excessivas. Isso não só desperdiça energia elétrica desnecessariamente, como também representa uma séria ameaça à segurança do equipamento. Além disso, dificulta o controle de velocidade por meio de conversores de frequência: a capacidade do conversor é geralmente dimensionada com base na potência nominal do motor, e correntes de pico excessivas podem acionar a proteção contra sobrecarga do conversor, impedindo seu funcionamento normal.
Além disso, na fase inicial da exploração de poços de petróleo, há um grande volume de petróleo armazenado e suprimento de líquido suficiente. Para melhorar a eficiência da recuperação de petróleo, a operação em frequência fixa pode ser adotada para garantir alta produção. No entanto, nas fases intermediária e final, devido à diminuição da capacidade de armazenamento de petróleo, é comum ocorrer insuficiência de suprimento de líquido. Se o motor continuar operando na frequência atual, inevitavelmente haverá desperdício de energia elétrica e perdas desnecessárias. Nesse momento, é necessário considerar a situação real de trabalho e reduzir adequadamente a velocidade e o curso do motor para melhorar efetivamente a taxa de carregamento.
A introdução da tecnologia de conversão de frequência no controle de unidades de bombeio por feixe é uma tendência. A regulação de velocidade por frequência variável pertence à regulação de velocidade contínua, que determina a frequência de trabalho do motor com base na magnitude de sua corrente de trabalho. Isso permite o ajuste conveniente do curso da unidade de bombeio de acordo com as mudanças nas condições do poço, alcançando economia de energia e melhorando o fator de potência da rede elétrica. A aplicação da tecnologia de controle por conversão de frequência vetorial pode garantir baixa velocidade e alto torque de saída, e a velocidade pode ser ajustada de forma suave e ampla. Ao mesmo tempo, o conversor de frequência possui funções completas de proteção do motor, como curto-circuito, sobrecarga, sobretensão, subtensão e travamento, que podem proteger eficazmente o motor e o equipamento mecânico, garantindo que o equipamento opere em uma tensão segura e apresentando muitas vantagens, como operação suave e confiável, fator de potência melhorado, etc. É uma solução ideal para a transformação de equipamentos de produção de petróleo. As principais soluções atuais são as seguintes:
Opção 1: Inversor de frequência com unidade de frenagem de baixo consumo de energia
Este método é relativamente simples, mas sua eficiência operacional é baixa. Isso se deve principalmente à realimentação da energia gerada pelo motor durante o curso descendente em operação a velocidade constante. Ao usar um conversor de frequência convencional, a entrada é retificada por diodos, e a energia não pode fluir na direção oposta. A energia elétrica excedente não tem como retornar à rede e precisa ser dissipada localmente por meio de resistores. Por isso, é necessário utilizar unidades de frenagem que consomem muita energia, o que resulta em alto consumo energético e baixa eficiência geral.
Desvantagens: Baixa eficiência energética e necessidade de instalação de unidades de frenagem e resistores de frenagem.
Opção 2: Inversor de frequência com controle de unidade de realimentação
Para realimentar a energia regenerada e melhorar a eficiência, um dispositivo de realimentação de energia pode ser usado para injetar a energia regenerada de volta na rede elétrica. Dessa forma, o sistema se torna mais complexo e o investimento maior. O chamado dispositivo de realimentação de energia é, na verdade, um inversor ativo. Ao instalar um conversor de frequência com uma unidade de realimentação de energia, os usuários podem determinar a vazão, a velocidade e a produção de líquido da unidade de bombeamento com base no nível e na pressão do poço de petróleo, reduzindo o consumo de energia e melhorando a eficiência da bomba; reduzindo o desgaste do equipamento, prolongando a vida útil, alcançando alta eficiência, economia de energia e baixo custo, e realizando a operação automatizada em condições de máxima economia de energia. No entanto, devido ao modo de funcionamento do conversor de frequência e do dispositivo de realimentação, o uso do esquema de realimentação de energia causa significativa poluição harmônica na extremidade de fornecimento de energia, resultando em uma queda significativa na qualidade da rede elétrica.
Desvantagens: Requer a instalação de dispositivos de realimentação, o que é dispendioso e causa poluição significativa à rede elétrica.
Por meio de uma análise aprofundada do processo da unidade de bombeamento de viga suspensa, adota-se uma lógica de software dedicada, baseada no controle dessa unidade. Um controle de malha fechada dupla, que envolve energia e potência, é utilizado para alcançar um ajuste contínuo e suave da frequência de saída, eliminando o controle de torque negativo e evitando a realimentação da energia cinética do motor e a alta tensão do barramento. Além disso, atinge-se o objetivo de eliminar a unidade de frenagem e o dispositivo de realimentação de energia, evitando as diversas desvantagens dos esquemas tradicionais de transformação por conversão de frequência.
A ideia central de controle deste esquema é o controle de potência de saída constante. O conversor de frequência é baseado em um controle PID com um laço de potência de saída constante. Ajustando a frequência de saída, é possível obter o controle de potência de saída constante, o que reduz efetivamente a potência média de saída, proporciona economia de energia e protege o mecanismo da unidade de bombeamento, atendendo aos requisitos de impulso. Ou seja, o conversor de frequência não precisa definir uma frequência de operação específica, e a frequência de saída real é ajustada automaticamente por meio do controle PID em malha fechada. Durante o curso descendente, devido à grande inércia da carga, quando a velocidade síncrona é menor que a velocidade do motor, o motor gera eletricidade e o torque de saída do conversor de frequência é negativo. Nesse momento, o conversor de frequência aumenta automaticamente a frequência de saída para eliminar o torque negativo e evitar que o motor entre em estado de geração. Durante o curso ascendente, a energia potencial é completamente convertida em energia cinética. Nesse momento, a velocidade é máxima e a inércia também. O motor desacelera para realizar o movimento ascendente. Quando a velocidade é baixa, o conversor de frequência opera no modo de regulação PID com potência de saída constante. Nesse momento, o conversor de frequência aumenta automaticamente a velocidade de subida para completar a ação ascendente.
Durante todo o processo de controle, sabe-se que o motor não está em estado de geração, portanto não há necessidade de instalar uma unidade de frenagem e um dispositivo de feedback RBU. Além disso, durante todo o processo de curso, o curso descendente é lento, permitindo maior imersão de óleo; o curso ascendente rápido reduz o vazamento de óleo, aumentando consideravelmente a produção de óleo.
Vantagens: Não há necessidade de instalar dispositivos de consumo de energia ou feedback, reduzindo custos; Otimiza o processo de extração de óleo, melhorando significativamente a eficiência geral da máquina; A tensão do barramento do conversor de frequência é estável, o consumo geral de calor é baixo e a estabilidade geral é melhor. Características técnicas:
Específico para o setor: Baseado na lógica de software do processo de controle da unidade de bombeamento de feixe, ele realmente alcança soluções líderes e específicas para o setor.
Seleção de alta confiabilidade: Os componentes principais são todos de marcas nacionais e estrangeiras renomadas, garantindo a estabilidade e confiabilidade dos componentes.
◆ Projeto com ampla redundância: Através de cálculos rigorosos e verificação experimental, os componentes principais são projetados com grandes margens para garantir a estabilidade a longo prazo de toda a máquina em ambientes severos de campos petrolíferos.
Controle vetorial otimizado: controle vetorial sem feedback de velocidade, líder no mercado nacional, com alto torque em baixa frequência e resposta de torque rápida.
◆ Função de limitação de corrente e tensão por software: Boa limitação de tensão e corrente, limitando efetivamente os principais parâmetros de controle para reduzir o risco de falha do inversor.
Alta adaptabilidade ambiental: Com um alto ponto de superaquecimento geral, design de dutos de ar independentes e tratamento de pintura tripla reforçada, é mais adequado para operação de longo prazo em campos petrolíferos ao ar livre.
◆ Função de reinicialização com rastreamento de velocidade: permite a partida suave de motores rotativos sem impacto.
◆ Função de ajuste automático de tensão: Quando a tensão da rede elétrica varia, o dispositivo mantém automaticamente uma tensão de saída constante.
Proteção completa contra falhas: sobrecorrente, sobretensão, subtensão, sobretemperatura, falta de fase, sobrecarga e outras funções de proteção.