Zusammenfassung: Dieser Artikel fasst die Anwendungsergebnisse von Fengguang-Wechselrichtern in Ölpumpen, Wasserpumpen und anderen Anlagen der Ölindustrie der letzten Jahre zusammen. Er analysiert die Anwendungskomplexität und die Schwierigkeiten beim Einsatz von Hoch- und Mittelspannungswechselrichtern und zeigt das Potenzial für die Weiterentwicklung der Wechselrichtersteuerung in der Ölindustrie auf. Schlüsselwörter: Ölpumpen, Wechselrichter, Anwendung [Chinesische Bibliotheksklassifikationsnummer] TE933 [Dokumentenidentifikationscode] B Artikelnummer 1561-0330 (2005) 03-008-03 1 Einleitung In allen Sektoren der chinesischen Volkswirtschaft spielt Erdöl eine zunehmend wichtige Rolle, und Erdöl und Kohle sind zu wichtigen Säulen der wirtschaftlichen Entwicklung Chinas geworden. Die Erdölreserven Chinas sind jedoch gering, die Förderkosten hoch und der Förderprozess schwierig. Darüber hinaus befindet sich ein Großteil des Erdöls in geologisch ungünstigen und stark salz- und alkalireichen Gebieten, sodass die derzeitige Erdölproduktion den Bedarf der gesellschaftlichen Entwicklung bei Weitem nicht deckt. Daher hat die Senkung der Produktionskosten und das Erreichen der diesjährigen Förderziele höchste Priorität. Untersuchungen und Analysen von Ölfeldern haben gezeigt, dass die frequenzgesteuerte Drehzahlregelung der direkteste Weg zur Energieeinsparung ist. Die Analyse der Erdölmaschinen in mehreren großen Ölfeldern Chinas zeigt, dass traditionelle Kurbelpumpen nach wie vor einen Großteil ausmachen, gefolgt von Tauchpumpen. Hochdruckpumpen werden in den Fördersystemen von Ölfeldern häufig eingesetzt. Unser Hochspannungs-Frequenzumrichter, der ursprünglich in Zusammenarbeit mit dem Ölfeld Liaohe entwickelt wurde, kommt nun in den Ölfeldern Daqing, Shengli, Zhongyuan, Liaohe und Qinghai für Hoch-, Mittel- und Niederspannungs-Frequenzumrichter zum Einsatz. Die erfolgreiche Anwendung der Frequenzumrichtertechnologie in Pumpen und Hilfseinrichtungen hat vielversprechende Ergebnisse geliefert. Wir werden dieses Thema in verschiedenen Aspekten erörtern und hoffen auf die Unterstützung der Branche. 2.1 Pumpenumrichter Die Kurbelpumpeneinheit, auch als Kipppumpe bekannt, nutzt die Kurbelbewegung, um Öl aus Tiefen von über 1000 Metern an die Oberfläche zu fördern. Der Arbeitsablauf ist wie folgt: Ein Motor treibt ein Untersetzungsgetriebe an, welches wiederum eine Riemenscheibe antreibt. Die Riemenscheibe treibt zwei schwere Stahlgleiter an. Die Hin- und Herbewegung dieser Stahlgleiter hebt und senkt, basierend auf der Hebelwirkung, den Ölbehälter und befördert das Öl an die Oberfläche in Pipelines oder Lagertanks. Damit ist der Pumpvorgang abgeschlossen. Aufgrund der komplexen Bedingungen in Ölquellen, der Tiefe der Ölschicht, des starken Vorkommens von Sand- und Wachsablagerungen sowie der ungleichmäßigen Viskosität des Öls muss die Förderrate in den verschiedenen Phasen des Bohrlochbetriebs angepasst werden. In der Anfangsphase, wenn ausreichend Öl vorhanden ist, kann der Hub kürzer sein, um die Ölförderung zu steigern und die Produktion zu verbessern. In der mittleren und späten Förderphase, wenn die Ölversorgung im Bohrloch unzureichend ist, kann der Hub verlängert werden, um die Förderrate zu reduzieren und die Auswirkungen von Sedimenten auf das Sauggestänge abzufedern. Die ursprüngliche Methode zur Anpassung des Förderbereichs in Ölfeldern bestand in der Verstellung von Riemenscheiben. Dies war nicht nur zeit- und arbeitsaufwändig, sondern manchmal selbst für die Pumpenbediener nicht durchführbar. Der Austausch von Riemenscheiben war umständlich, und der neue Förderbereich entsprach möglicherweise nicht den Anforderungen, was wiederholte Anpassungen erforderlich machte. Darüber hinaus verschwendete diese Methode mit ihrer konstanten Motordrehzahl Energie. Wir haben diese Fördermethode mithilfe eines Frequenzumrichters modifiziert. Die Anpassung der Motordrehzahl anstelle der Riemenscheiben während der Förderbereichseinstellung erwies sich als deutlich effektiver. In Bohrungen der frühen Förderphase erhöhte die Erhöhung der Motordrehzahl, sogar über die Nenndrehzahl (50 Hz, üblicherweise auf 65 Hz eingestellt), das Fördervolumen und verbesserte die Produktion. In Bohrungen der mittleren bis späten Förderphase ermöglichte die Verringerung der Motordrehzahl, den Förderbereich an die Betriebsbedingungen anzupassen und somit die gewünschte Förderbereichseinstellung zu erreichen. Diese Methode ist einfach und leicht umzusetzen. Der Pumpenbediener muss lediglich den Drehknopf des Frequenzumrichters einstellen, was zusätzlich Energie spart. In der Frühphase von Bohrungen bedeutet eine höhere Fördermenge Energieeinsparungen, und der Betrieb unter 50 Hz spart noch mehr Energie. Tatsächliche Messungen zeigen eine Energieeinsparung von ca. 35 %. Allerdings ist bei diesem Frequenzumrichtertyp Folgendes zu beachten: Wenn die Pumpeneinheit Öl fördert, senkt sich der entsprechende Stahlschieber aufgrund der Hebelwirkung. In diesem Moment überschreitet der Motor die Synchrondrehzahl und erzeugt Strom, der zum Frequenzumrichter zurückgespeist wird und dessen sicheren Betrieb gefährdet. Daher muss eine Energiedissipationsschaltung hinzugefügt werden, um diesen Teil der Energie abzuführen. Um sicherzustellen, dass die Produktion bei einem Ausfall des Frequenzumrichters nicht unterbrochen wird, kann ein Netzfrequenz-Bypass realisiert werden. Dessen Anwendungsdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Im Betrieb des Frequenzumrichters sind die Schalter C1 und C2 geschlossen und C3 geöffnet; im Falle eines Ausfalls des Frequenzumrichters sind C1 und C2 geöffnet und C3 geschlossen. Wenn der Frequenzumrichter in Betrieb ist, ist C3 mit C1 und C2 verriegelt, und der Schließvorgang wird verhindert. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Externer Schaltplan des Frequenzumrichters[/ALIGN] 2.2 Mittelfrequenz-Heizung In Kurbelpumpen gibt es viele geologische Gegebenheiten, bei denen das Öl zähflüssig und schwer zu fördern ist. Daher werden Hohlstangen elektrisch beheizt, um das zähflüssige Öl zu verflüssigen und die Förderung zu erleichtern. Herkömmliche Heizmethoden nutzen industrielle Frequenzheizung, deren Prinzip in Abbildung 2 dargestellt ist. [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Schaltplan der industriellen Frequenzheizung[/ALIGN] Ein Heizkabel befindet sich im Inneren einer Hohlstange, die anschließend in die Ölquelle eingebracht wird. Sobald das Heizkabel bestromt wird und sich erhitzt, erwärmt sich auch die Hohlstange, wodurch das Öl in der Nähe der Quelle verflüssigt wird. Diese Heizmethode erfordert einen speziellen Transformator zur Umwandlung des 380-V-Drehstroms in 500-V-Wechselstrom, was zu Netzungleichgewichten und Umweltbelastungen führen kann. Die Heizwirkung ist ebenfalls gering, und Beschädigungen des Heizkabels führen häufig zu Fehlfunktionen oder sogar zum Durchbrennen des Transformators. Angesichts dieser Probleme haben wir in Zusammenarbeit mit dem Ölfeld ein spezielles Netzteil zur Kabelheizung entwickelt. Dieses Netzteil nutzt eine neuartige Frequenzumwandlungstechnologie und heizt mit einer Mittelfrequenz (ca. 500 Hz). Dies führt zu schnellerer Erwärmung, höheren Temperaturen, besserer Leistung und Energieeinsparungen. Es handelt sich um ein Mittelfrequenz-Heiznetzteil. Seine Funktionsweise ist in Abbildung 3 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 3: Schaltplan des Heizprinzips mit Netzfrequenz[/ALIGN] Mit dem Prinzip der Frequenzumwandlung lässt sich 50-Hz-Drehstrom relativ einfach in ein 500-Hz-Mittelfrequenznetzteil mit stufenlos einstellbarer Spannung umwandeln. Ein Mittelspannungstransformator dient als Impedanzanpasser. Ein Mikrocontroller erkennt Änderungen im Stromnetz und der Kabellast und bietet so einen hervorragenden Schutz für das gesamte System. Basierend auf den Gegebenheiten des Stromnetzes im Ölfeld haben wir ein 1140-V-Mittelspannungs-Mittelfrequenznetzteil entwickelt. Fast hundert dieser Stromversorgungen sind bereits in Ölfeldern im Einsatz und verbessern die Heizleistung, sparen Energie und erhalten positives Feedback von den Anwendern. Im Vergleich zum ursprünglichen Netzfrequenzsystem können Energieeinsparungen von über 33 % erzielt werden. 3. Nachrüstung mit Tauchpumpen: In einigen Ölfeldern führt die Verwendung herkömmlicher Kurbelpumpen aufgrund der Tiefe der Ölschicht und des hohen Wassergehalts (in der Regel 2–3 km) zu geringen Förderraten und ist störungsanfällig. Daher werden Tauchpumpen zur Ölförderung eingesetzt, ähnlich wie Wasserpumpen. Elektrische Tauchpumpen (ESPs) werden in größeren Tiefen und mit längeren Kabeln verwendet, weshalb in der Regel Mittelspannungsübertragung eingesetzt wird, um Spannungsabfallverluste zu reduzieren. Es werden Mittelspannungsmotoren verwendet; eine einteilige ESP benötigt 1140 V, eine zweiteilige ESP 2300 V. Die ursprüngliche Netzfrequenzregelung nutzte Vollspannungsanlauf mit einem Motorschutzschalter (siehe Abbildung 4). [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Vollspannungsregelung einer Tauchpumpe [/ALIGN] Aufgrund des Vollspannungsanlaufs ist die Belastung des Stromnetzes erheblich, und der Motor erfährt ein hohes Drehmoment. In sand- oder wachshaltigen Ölschichten kommt es häufig zu Wellenbrüchen. Zudem entsteht nach dem Durchlaufen eines 2–3 km langen Kabels ein Spannungsabfall von ca. 150 V am Motor ohne Kompensation, was schließlich zum Durchbrennen des Motors führt. Tritt ein Problem auf, sind erhebliche finanzielle Ressourcen (in der Ölfeldtechnik als „Upstream-Operationen“ bezeichnet) erforderlich, um die Pumpe zur Reparatur und zum Austausch zu heben. Das Kabel ist nach fünfmaligem Heben und Senken unbrauchbar, was zu erheblichen Verlusten führt und eine Modifikation notwendig macht. Da der Frequenzumrichter über eine Sanftanlauffunktion verfügt und eine Sanftanlaufkompensation durchführen kann, wurde ein spezieller Frequenzumrichter zur Modifizierung der Tauchpumpe eingesetzt. Der Frequenzumrichter für Tauchpumpen wurde in vielerlei Hinsicht weiterentwickelt. Aufgrund der speziellen Spannungscharakteristik und der begrenzten Spannungsfestigkeit des IGBT-Moduls wurde eine Reihenschaltung der Module und ein dreistufiger Schaltkreis verwendet, um eine Spannung von 1140 V bis 2300 V zu erreichen. Dadurch konnte ein spezieller Frequenzumrichter für die Tauchpumpe entwickelt werden. Eine Niederfrequenzkompensation kompensierte unzureichende Anlaufspannung. Der Niederfrequenz-Sanftanlauf gewährleistete einen ruhigen Motorstart und kompensierte effektiv unzureichende Anlaufspannung bei Netzfrequenz. Darüber hinaus konnten die Ölfeldmitarbeiter die Motordrehzahl entsprechend dem Ölgehalt des Bohrlochs anpassen, sich so den tatsächlichen Arbeitsbedingungen anpassen, Energie sparen und zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Die Energieeinsparung kann über 25 % betragen. Ein Schaltplan der Frequenzumrichter-Modifikation ist in Abbildung 5 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 5: Schaltplan der Steuerschaltung des Frequenzumrichters für die Tauchpumpe[/ALIGN] 4 Hochdruckölpumpe und Wassereinspritzpumpe 4.1 Ölpumpe Die Ölpumpe ist die Hauptenergieverbraucheranlage in der Produktion und im Betrieb des Öldepots. Ursprünglich wurde der Ölfluss in der Regel durch die Steuerung des Auslassventils der Ölpumpe reguliert, was zu einem erheblichen Energieverbrauch vor und nach dem Auslassventil führte. In der anfänglichen Auslegungsphase wurde die Pumpe unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsbedingungen in der Regel mit einer großen Sicherheitsmarge ausgelegt. Dies führte üblicherweise zu einer Überdimensionierung der Pumpe. Berechnungen zeigen, dass die Drosselverluste am Auslassventil der Ölpumpe bis zu 39 % der Nennleistung ausmachen. Dies verdeutlicht die alarmierende Energieverschwendung und macht eine energiesparende Nachrüstung unerlässlich. Die Huansan-Station der Jinzhou-Ölproduktionsanlage im Liaohe-Ölfeld rüstete eine 6-kV/335-kW-Ölpumpe mithilfe des Hochspannungs-Frequenzumrichters unseres Unternehmens nach. Basierend auf den strömungsmechanischen Eigenschaften konnte durch die Anpassung der Motordrehzahl die benötigte Eingangsleistung der Pumpe deutlich reduziert und somit Energie eingespart werden. Durch die bedarfsgerechte Anpassung der Betriebsparameter des Frequenzumrichters an die Betriebsbedingungen vor Ort wurde eine Gesamtenergieeinsparung von 37 % erzielt. 4.2 Wasserinjektionspumpe In der Erdölförderung wird Wasserinjektion eingesetzt, um Öl in Bohrungen mit geringem Ölgehalt zu transportieren. In manchen Bohrungen ist die Wasserinjektion auch nach dem Abpumpen des Öls notwendig, um das geologische Gleichgewicht zu erhalten. Der Einsatz von Wasserinjektionspumpen ist in Erdölfeldern weit verbreitet. Aufgrund der rauen Betriebsbedingungen werden in der Regel Hochspannungsmotoren mit relativ hoher Leistung verwendet. Aufgrund der variierenden Betriebsbedingungen und der großen Auslegungsmargen besteht weiterhin das Phänomen, dass „überdimensionierte Motoren unterdimensionierte Pumpen antreiben“, was zu erheblicher Energieverschwendung führt. Im Erdölfeld Jinzhou in Liaohe haben wir an der Station Changhuan Nr. 3 zwei Wasserinjektionspumpen mit energiesparenden Frequenzumrichtern (FU) nachgerüstet. Eine Pumpe hatte eine Leistung von 6 kV/400 kW, die andere von 6 kV/1800 kW und nutzte Hochspannungs-Hochleistungs-FU. Nach über einem Jahr Betrieb arbeiten die Pumpen einwandfrei und erzielen eine Energieeinsparung von 46 %. 5. Fazit Die Modernisierung von Ölpumpenanlagen ist eine sinnvolle Maßnahme für Ölfelder, um die Produktion zu steigern und Energie zu sparen. Frequenzumrichter haben dabei eine wichtige Rolle gespielt und werden auch in Zukunft eine noch wichtigere Rolle einnehmen. Dank jahrelanger Erfahrung konnten wir wertvolle Erkenntnisse gewinnen. Es ist absehbar, dass sich die Anwendungsbereiche von Frequenzumrichtern in naher Zukunft weiter ausdehnen und sie zu einem unverzichtbaren Produkt für die Modernisierung von Ölfeldanlagen werden. Referenzen [1] Ma Mingli, „Anwendung der Hochspannungs-Frequenzumrichter-Drehzahlregelung zur Energieeinsparung in Ölfeld-Ölpumpeneinheiten“, Variable Frequency World, 2005 (1) [2] Han Wenzhao, Li Ruilai, Cheng Xudong, „Spezieller Frequenzumrichter für 1140-V-Tauchpumpen“, Electrical Drive, 2002 (3) [3] Li Ruilai, He Hongchen, Han Wenzhao, „Spezieller Frequenzumrichter für 2300-V-Tauchpumpen“, China International Power Supply Science and Technology Papers, 2002 (5) Über den Autor: Zhou Jiasheng, männlicher Ingenieur, absolvierte 1990 die Fakultät für Elektrotechnik der Technischen Universität Shandong mit dem Schwerpunkt Industrielle Elektroautomation. Er ist derzeit in der Forschung und Entwicklung von Frequenzumrichtern bei Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. tätig.