Балансирний насосний агрегат являє собою деформований чотириланковий механізм, а його загальні структурні характеристики подібні до балансира. Один кінець - це навантаження накачування, а інший кінець - збалансоване важке навантаження. Що стосується кронштейна, то якщо крутний момент, що утворюється навантаженням накачування та рівноважним навантаженням, є рівним або постійно змінюється, то насосний агрегат може працювати безперервно та безперебійно з дуже малою потужністю. Тобто, енергозберігаюча технологія насосного агрегату залежить від балансу. Чим нижчий коефіцієнт балансування, тим більша потужність, необхідна від електродвигуна. Оскільки навантаження накачування постійно змінюється, а балансувальна вага не може повністю узгоджуватися з навантаженням накачування, це робить енергозберігаючу технологію балансирних насосних агрегатів дуже складною. Тому можна сказати, що енергозберігаюча технологія балансирного насосного агрегату - це технологія балансування.
Вступ до сучасного стану перетворення змінної частоти підвісної балки
З фактичної ситуації перетворення частоти випливає, що більшість противаг насосних агрегатів насправді сильно розбалансовані, що призводить до надмірного імпульсного струму, який не тільки витрачає багато електроенергії без потреби, але й серйозно загрожує безпеці обладнання. Водночас це також створює великі труднощі для використання регулювання швидкості за допомогою частотного перетворювача: потужність частотного перетворювача зазвичай вибирається на основі номінальної потужності двигуна, а надмірний імпульсний струм може спричинити захист частотного перетворювача від перевантаження, який не може працювати нормально.
Крім того, на ранній стадії експлуатації нафтової свердловини є велика кількість нафтових резервуарів та достатній запас рідини. Для підвищення ефективності нафтодобутку можна використовувати режим роботи з фіксованою частотою, щоб забезпечити високий видобуток нафти. Однак на середніх та пізніх стадіях через зменшення ємності для зберігання нафти легко може виникнути недостатній запас рідини. Якщо двигун все ще працює на поточній частоті, це неминуче призведе до марнування електроенергії та непотрібних втрат. У цей час необхідно враховувати фактичні робочі умови та відповідно зменшувати швидкість обертання двигуна та його хід, щоб ефективно покращити швидкість заряджання.
Впровадження технології перетворення частоти в керування насосними установками з балкою є тенденцією. Регулювання швидкості зі змінною частотою належить до безступінчастого регулювання швидкості, яке визначає робочу частоту двигуна на основі величини його робочого струму. Це дозволяє зручно регулювати хід насосного агрегату відповідно до змін умов свердловини, досягаючи енергозбереження та покращуючи коефіцієнт потужності енергосистеми. Застосування технології векторного перетворення частоти може забезпечити низьку швидкість та високий крутний момент на виході, а швидкість може плавно та широко регулюватися. Водночас, перетворювач частоти має повний спектр функцій захисту двигуна, таких як коротке замикання, перевантаження, перенапруга, знижена напруга та зупинка, що може ефективно захистити двигун та механічне обладнання, забезпечити роботу обладнання при безпечній напрузі та мати багато переваг, таких як плавна та надійна робота, покращений коефіцієнт потужності тощо. Це ідеальне рішення для трансформації обладнання для видобутку нафти. Сучасні основні рішення такі:
Варіант 1: Частотно-регульований привід з гальмівним блоком, що споживає енергію
Цей метод відносно простий, але його експлуатаційна ефективність низька. Це головним чином пов'язано зі зворотним зв'язком енергії, що генерується двигуном під час руху вниз при роботі з постійною швидкістю. При використанні звичайного перетворювача частоти вхід випрямляється діодами, і енергія не може текти у зворотному напрямку. Вищевказана частина електричної енергії не має шляху для повернення до мережі та повинна споживатися локально за допомогою резисторів. Саме тому необхідно використовувати енергоємні гальмівні блоки, що безпосередньо призводить до високого споживання енергії та низької загальної ефективності.
Недоліки: Низька енергоефективність та необхідність встановлення гальмівних блоків і гальмівних резисторів.
Варіант 2: Частотний перетворювач із керуванням за допомогою блоку зворотного зв'язку
Для зворотного зв'язку регенерованої енергії та підвищення ефективності можна використовувати пристрій зворотного зв'язку за енергією, який повертає регенеровану енергію до енергомережі. Таким чином, система стає складнішою, а інвестиції вищими. Так званий пристрій зворотного зв'язку за енергією насправді є активним інвертором. Встановивши перетворювач частоти з блоком зворотного зв'язку за енергією, користувачі можуть визначати промивку, швидкість та виробництво рідини насосним агрегатом на основі рівня рідини та тиску в нафтовій свердловині, зменшуючи споживання енергії та підвищуючи ефективність насоса; зменшуючи знос обладнання, подовжуючи термін служби, досягаючи високої ефективності, енергозбереження та низької вартості, а також реалізуючи автоматизовану роботу в умовах максимальної енергозбереження. Однак, через режим роботи перетворювача частоти та пристрою зворотного зв'язку, використання схеми зворотного зв'язку за енергією викликає значне гармонічне забруднення на стороні джерела живлення, що призводить до значного зниження якості енергомережі.
Недоліки: вимагає встановлення пристроїв зворотного зв'язку, що є дорогим і спричиняє значне забруднення електромережі.
Завдяки глибокому дослідженню процесу роботи насосного агрегату з підвісною балкою було застосовано спеціальну програмну логіку, засновану на процесі керування насосним агрегатом з підвісною балкою, а також подвійне замкнуте керування енергією та потужністю для досягнення безперервного та плавного регулювання вихідної частоти, усунення негативного керування крутним моментом та уникнення зворотного зв'язку по кінетичній енергії двигуна та високій напрузі шини. Крім того, досягнуто мети усунення гальмівного блоку та пристрою зворотного зв'язку по енергії, що дозволило уникнути різних недоліків традиційних схем перетворення частоти.
Основна ідея керування цієї схеми полягає в управлінні постійною вихідною потужністю. Перетворювач частоти базується на режимі ПІД-регулювання з контуром постійної вихідної потужності. Регулюючи вихідну частоту, можна досягти постійного керування вихідною потужністю, що може ефективно зменшити середню вихідну потужність, досягти ефективного енергозбереження та захистити механізм насосного агрегату, одночасно задовольняючи вимоги до імпульсів. Тобто, перетворювачу частоти не потрібно встановлювати певну робочу частоту, а фактична вихідна частота автоматично регулюється за допомогою замкнутого контуру ПІД. Під час ходу вниз, через велику інерцію навантаження, коли синхронна швидкість нижча за швидкість двигуна, двигун генерує електроенергію, а вихідний крутний момент перетворювача частоти є негативним. У цей час перетворювач частоти автоматично збільшує вихідну частоту, щоб усунути негативний крутний момент і уникнути перебування двигуна в стані генерації. Під час ходу вгору потенційна енергія повністю перетворюється на кінетичну енергію. У цей час швидкість найвища, а інерція максимальна. Двигун сповільнюється, щоб виконати дію ходу вгору. Коли швидкість низька, перетворювач частоти працює в режимі ПІД-регулювання з постійною вихідною потужністю. У цей час перетворювач частоти автоматично збільшує швидкість ходу вгору, щоб завершити дію ходу вгору.
Протягом усього процесу керування відомо, що двигун не перебував у стані генерації, тому немає потреби встановлювати гальмівний блок та пристрій зворотного зв'язку RBU. Тим часом, протягом усього процесу ходу хід вниз є повільним, і може занурюватися більше оливи; швидкий хід вгору, що зменшує витік оливи: значно збільшує видобуток оливи.
Переваги: Немає потреби встановлювати пристрої споживання енергії або зворотного зв'язку, нижча вартість; Оптимізовано процес екстракції олії, що значно підвищує загальну ефективність машини; Напруга шини перетворювача частоти стабільна, загальне споживання тепла низьке, а загальна стабільність краща. Технічні характеристики:
Галузева специфіка: на основі програмної логіки процесу керування балковим насосним агрегатом, він дійсно дозволяє досягти галузевих та передових рішень.
Висока надійність вибору: ключові компоненти виготовлені від відомих вітчизняних та іноземних брендів, що забезпечує надійну та стабільну роботу компонентів.
◆ Конструкція з великим резервуванням: завдяки ретельному розрахунку та експериментальній перевірці ключові компоненти розроблені з великим запасом міцності для забезпечення довгострокової стабільності всієї машини в суворих умовах нафтопромислової діяльності.
Оптимізоване векторне керування: провідне на вітчизняному ринку векторне керування зі зворотним зв'язком за швидкістю, високим низькочастотним крутним моментом та швидкою реакцією на крутний момент.
◆ Функція програмного обмеження струму та напруги: Хороше обмеження напруги та струму, ефективно обмежує ключові параметри керування для зменшення ризику виходу з ладу інвертора.
Висока адаптивність до навколишнього середовища: завдяки високій загальній температурі перегріву, незалежній конструкції повітроводів та потовщеному тришаровому покриттю, він більше підходить для тривалої експлуатації на відкритих нафтових родовищах.
◆ Функція перезапуску відстеження швидкості: забезпечення плавного запуску обертових двигунів без ударів
◆ Функція автоматичного регулювання напруги: при зміні напруги мережі вона може автоматично підтримувати постійну вихідну напругу
Комплексний захист від несправностей: перевантаження по струму, перенапруга, знижена напруга, перегрівання, втрата фази, перевантаження та інші функції захисту