Станок-качалка представляет собой деформированный четырехзвенный рычажный механизм, и его общие структурные характеристики подобны балансу. Один конец - это качающая нагрузка, а другой конец - уравновешенный тяжелый груз. Для кронштейна, если крутящий момент, образованный качающей нагрузкой и равновесной нагрузкой, равен или изменяется последовательно, то насосный агрегат может работать непрерывно и бесперебойно с очень небольшой мощностью. То есть, энергосберегающая технология насосного агрегата зависит от баланса. Чем ниже соотношение баланса, тем больше мощность, требуемая от электродвигателя. Поскольку качающая нагрузка постоянно меняется, и противовес не может быть полностью согласован с качающей нагрузкой, это делает энергосберегающую технологию станков-качалок очень сложной. Поэтому можно сказать, что энергосберегающая технология станка-качалки - это технология балансировки.
Введение в современное состояние проблемы преобразования переменной частоты с помощью подвесной балки
Реальная ситуация с преобразованием частоты показывает, что большинство противовесов насосных агрегатов имеют серьёзный дисбаланс, что приводит к избыточным импульсным токам, которые не только приводят к ненужному расходу электроэнергии, но и серьёзно угрожают безопасности оборудования. Кроме того, это создаёт серьёзные трудности при использовании преобразователя частоты для управления скоростью: мощность преобразователя частоты, как правило, выбирается исходя из номинальной мощности двигателя, а избыточные импульсные токи могут привести к срабатыванию защиты преобразователя частоты от перегрузки, что может привести к сбою в его нормальной работе.
Кроме того, на начальном этапе эксплуатации нефтяных скважин имеется большой запас нефти и достаточный запас жидкости. Для повышения эффективности нефтедобычи можно использовать работу на фиксированной частоте, что обеспечит высокий уровень добычи. Однако на промежуточных и поздних этапах, из-за уменьшения запаса нефти, легко может возникнуть недостаточный запас жидкости. Если двигатель продолжает работать на текущей частоте, это неизбежно приведет к потерям электроэнергии и ненужным потерям. В этот момент необходимо учитывать фактическую рабочую ситуацию и соответствующим образом снижать скорость и ход двигателя для эффективного повышения скорости зарядки.
Внедрение технологии преобразования частоты в систему управления станками-качалками является актуальной тенденцией. Регулирование скорости с помощью переменной частоты относится к бесступенчатому регулированию скорости, которое определяет рабочую частоту двигателя на основе величины его рабочего тока. Это позволяет удобно регулировать ход насосного агрегата в соответствии с изменениями условий скважины, обеспечивая энергосбережение и повышение коэффициента мощности энергосистемы. Применение технологии векторного преобразования частоты обеспечивает низкую скорость и высокий крутящий момент, а также плавную и широкую регулировку скорости. Кроме того, преобразователь частоты обладает полным набором функций защиты двигателя, таких как защита от короткого замыкания, перегрузки, повышенного и пониженного напряжения, а также от заклинивания. Это позволяет эффективно защищать двигатель и механическое оборудование, обеспечивать работу оборудования при безопасном напряжении и обладает рядом преимуществ, таких как плавная и надежная работа, повышение коэффициента мощности и т. д. Это идеальное решение для модернизации оборудования для добычи нефти. В настоящее время основными решениями являются:
Вариант 1: Частотно-регулируемый привод с энергосберегающим тормозным устройством
Этот метод относительно прост, но его эксплуатационная эффективность низка. Это обусловлено, главным образом, обратной связью энергии, вырабатываемой двигателем в режиме холостого хода при работе с постоянной скоростью. При использовании обычного преобразователя частоты входной сигнал выпрямляется диодом, и энергия не может течь в обратном направлении. Указанная часть электроэнергии не имеет пути обратно в сеть и должна потребляться локально с помощью резисторов. Поэтому необходимо использовать энергоёмкие тормозные устройства, что напрямую приводит к высокому энергопотреблению и низкой общей эффективности.
Недостатки: Низкая энергоэффективность и необходимость установки тормозных устройств и тормозных резисторов.
Вариант 2: Частотно-регулируемый привод с блоком обратной связи
Для обеспечения обратной связи по регенерированной энергии и повышения эффективности можно использовать устройство обратной связи по энергии, которое возвращает регенерированную энергию в электросеть. Таким образом, система становится сложнее, а инвестиции выше. Так называемое устройство обратной связи по энергии фактически является активным инвертором. Установив преобразователь частоты с устройством обратной связи по энергии, пользователи могут определять промывку, скорость и производительность насосного агрегата на основе уровня жидкости и давления в нефтяной скважине, снижая потребление энергии и повышая эффективность насоса; уменьшая износ оборудования, продлевая срок службы, достигая высокой эффективности, энергосбережения и низкой стоимости, а также реализуя автоматизированную работу в условиях максимального энергосбережения. Однако из-за рабочего режима преобразователя частоты и устройства обратной связи использование схемы обратной связи по энергии вызывает значительное гармоническое загрязнение на стороне электроснабжения, что приводит к значительному снижению качества электросети.
Недостатки: требуется установка устройств обратной связи, что является дорогостоящим и приводит к значительному загрязнению электросети.
Благодаря глубокому изучению процесса работы подвесного балансирного станка-качалки, была внедрена специализированная программная логика, основанная на процессе управления подвесным балансирным станком-качалкой, а также применено двойное замкнутое управление энергией и мощностью для достижения непрерывной и плавной регулировки выходной частоты, устранения отрицательного управления крутящим моментом и предотвращения обратной связи по кинетической энергии двигателя и высокому напряжению на шине. Кроме того, была достигнута цель устранения тормозного устройства и устройства обратной связи по энергии, что позволило избежать различных недостатков традиционных схем преобразования частоты.
Основная идея управления этой схемы заключается в поддержании постоянной выходной мощности. Преобразователь частоты работает по принципу ПИД-регулирования с контуром поддержания постоянной выходной мощности. Регулируя выходную частоту, можно добиться поддержания постоянной выходной мощности, что позволяет эффективно снизить среднюю выходную мощность, добиться эффективного энергосбережения и защитить механизм насосного агрегата, одновременно удовлетворяя требованиям к импульсным нагрузкам. Другими словами, преобразователю частоты не требуется задавать конкретную рабочую частоту, а фактическая выходная частота автоматически регулируется посредством ПИД-регулятора. Во время хода вниз, из-за большой инерции нагрузки, когда синхронная скорость ниже скорости двигателя, двигатель генерирует электроэнергию, а выходной крутящий момент преобразователя частоты отрицательный. В этот момент преобразователь частоты автоматически увеличивает выходную частоту, чтобы устранить отрицательный крутящий момент и избежать перехода двигателя в режим генерации. Во время хода вверх потенциальная энергия полностью преобразуется в кинетическую. В этот момент скорость и инерция максимальны. Двигатель замедляется для выполнения хода вверх. При низкой скорости преобразователь частоты работает в режиме ПИД-регулирования с постоянной выходной мощностью. В этом режиме преобразователь частоты автоматически увеличивает скорость подъёма для завершения подъёма.
На протяжении всего процесса управления двигатель не находился в режиме генерации, поэтому нет необходимости устанавливать тормозной блок и устройство обратной связи RBU. При этом, в течение всего процесса движения поршня вниз ход поршня медленный, что позволяет погрузить больше масла; быстрый ход поршня вверх уменьшает утечки масла, что значительно увеличивает производительность.
Преимущества: отсутствие необходимости установки устройств управления энергопотреблением или обратной связи, снижение затрат; оптимизация процесса извлечения масла, значительное повышение общей эффективности оборудования; стабильное напряжение на шине преобразователя частоты, низкое общее тепловыделение и повышение общей стабильности. Технические характеристики:
Специфика отрасли: основанная на программной логике процесса управления станком-качалкой, она действительно реализует отраслевые и передовые решения.
Высокий уровень надежности: все ключевые компоненты поставляются известными отечественными и зарубежными брендами, что гарантирует надежность и стабильность работы компонентов.
◆ Конструкция с большим запасом прочности: благодаря строгим расчетам и экспериментальной проверке ключевые компоненты проектируются с большими запасами, чтобы обеспечить долгосрочную стабильность всей машины в суровых условиях нефтяных месторождений.
Оптимизированное векторное управление: передовое в стране векторное управление без обратной связи по скорости с высоким низкочастотным крутящим моментом и быстрой реакцией на крутящий момент.
◆ Программная функция ограничения тока и напряжения: хорошее ограничение напряжения и тока, эффективное ограничение ключевых параметров управления для снижения риска выхода из строя инвертора.
Высокая степень адаптации к окружающей среде: высокая общая точка перегрева, независимая конструкция воздуховодов и утолщенная трехслойная покраска делают его более подходящим для длительной эксплуатации на открытых нефтяных месторождениях.
◆ Функция повторного запуска с отслеживанием скорости: обеспечивает плавный запуск вращающихся двигателей без ударов
◆ Функция автоматической регулировки напряжения: при изменении напряжения сети устройство может автоматически поддерживать постоянное выходное напряжение.
Комплексная защита от неисправностей: перегрузка по току, перенапряжение, пониженное напряжение, перегрев, потеря фазы, перегрузка и другие функции защиты