Pferdekopfpumpen gehören weltweit zu den bedeutendsten Pumpenarten und werden zur Gewinnung unterirdisch lagernder Flüssigkeiten - vorwiegend Erdöl - eingesetzt. Heute stehen vor allem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit im Fokus vieler Erdölförderfirmen. Mit der neuen Pferdekopfpumpe von ICA System steht Anwendern ein System zur Verfügung, das eine optimale Anpassung der Pumpentätigkeit an den Lagerstättendruck erlaubt.

Eine der größten Herausforderungen für jeden Betreiber von Pferdekopfpumpen besteht darin, die Pumpenleistung an den Zufluss des Bohrloches und somit den herrschenden Druck optimal anzupassen. Fördert die Pumpe weniger Flüssigkeit als die Bohrung liefert, so liegt die Produktivität unter dem Optimum. Wenn die Pumpe mehr Erdöl fördert als die Bohrung bereitstellt, ist diese „überpumpt". Hier besteht die Gefahr des Fluid-Pound-Phänomens, das zu Beschädigungen am gesamten Pumpensystem führen kann.

Von Fluid Pound spricht man dann, wenn die Produktionsrate des Bohrloches nicht ausreicht, um die Pumpe während ihres Aufwärtshubs zu füllen. Dies führt dazu, dass der Kolben während des Abwärtshubs plötzlich ungebremst herunterfällt. Durch den Aufschlag auf die Flüssigkeit am Brunnenboden kann die Pumpe heftige Stöße und Vibrationen verursachen, die zu Schäden an den Pumpenventilen, dem Gestänge sowie den Pumpengetrieben führen können. Das Auftreten des Fluid-Pound-Phänomens verkürzt die Lebensdauer dieser Komponenten erheblich - zudem arbeitet die Pumpe langsamer bei gleichzeitig erhöhtem Energieverbrauch.

Vollautomatische Steuerung mit RPC

Zur Vermeidung des Fluid-Pound-Phänomens kommt üblicherweise ein Prozenttimer zur optimalen Zeitsteuerung zum Einsatz. So wird beispielsweise eine Pumpeneinheit für 15 Minuten in Betrieb gesetzt und anschließend für 30 Minuten ausgeschaltet. Auf diese Weise hat der Brunnen genügend Zeit, sich zu regenerieren. Bei Prozenttimern handelt es sich um kostengünstige und effiziente Steuereinheiten. Das Einstellen der Zeitwerte erfolgt manuell durch eine Bedienperson.

Pferdekopfpumpen-Controller (Rod Pump Controller, RPC) sind eine elektronische Alternativlösung zur automatischen Steuerung der Pumpeneinheit und zur Vermeidung des Fluid-Pound-Phänomens. Dabei wird die Last am Gestänge kontinuierlich gemessen, wodurch mögliche Veränderungen rasch erkannt werden können. Der Pumpenmotor wird so lange angehalten, bis sich das Bohrloch wieder ausreichend gefüllt hat. Die RPC-Einheiten sind in der Lage, Daten von einer Kraftmesszelle, einem Inklinometer und mehreren Stromfühlern zu lesen und verwenden zur Prozesssteuerung einen digitalen Signalprozessor. Weiterhin liefern sie Informationen zur Belastung und zum Energieverbrauch der Pumpe sowie dem Drehmoment des Gestänges.

Energieeffizient und robust

Das von ICA-System gewählte Steuerungssystem basiert auf der Acopos-Antriebstechnologie. Diese sorgt für die präzise Steuerung des Pferdekopfpumpenmotors, indem das Abtriebsdrehmoment und der Energieverbrauch des Motors stets an die aktuellen Bohrlochverhältnisse angepasst werden. Die aktive Leistungsfaktorkorrektur optimiert den Energieverbrauch (cosφ=1) und ermöglicht es der Pumpe, entweder Energie in das Stromnetz zurückzuspeisen oder den Verbraucher im Bereich der Pumpe zu versorgen.

Gesteuert wird die neue Pumpenlösung mittels X20 System. Aufgrund der modularen Bauweise der B&R-Steuerung sind rasche Neukonfigurationen sowie spätere Systemerweiterung problemlos möglich. Durch den Einsatz der sicheren Zentraleinheit SafeLogic verfügt die Pumpe zusätzlich über ein integriertes Sicherheitsmanagement.
Aufgrund der hohen Kompatibilität sämtlicher Systemelemente können Software Updates im Zuge der Fernwartung einfach durchgeführt werden. Ausgelegt für den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen gewährleisten die robusten Automatisierungskomponenten selbst bei Extremtemperaturen im Bereich von - 55 °C bis 80 °C einen reibungslosen Pumpenbetrieb.

Für jeden Anwendungsfalldie passende Architektur

Grundsätzlich kann die Architektur von Automatisierungssystemen für Pferdekopfpumpen zwei Formen aufweisen: Entweder handelt es sich um ein dezentrales System zur Bearbeitung einer einzelnen Bohrung oder um ein zentrales System, das ein gesamtes Ölfeld mit mehreren Bohrungen integriert.

Innerhalb des zentralen Systems befindet sich eine weitere Steuerungsebene, die für die Steuerung des gesamten Industrieparks sowie die Koordination des gesamten Pumpensystems sorgt. Sie übernimmt die Sammlung, Speicherung und Anzeige aller Prozessdaten. Alarme werden zentral aufgezeichnet und an die zuständige Person übermittelt. Die Reaktionszeit des Wartungsteams wird dadurch erheblich reduziert. Es besteht die Option, ein Messsystem, das mit zertifizierten Bibliotheken arbeitet, zu integrieren. Dieses misst die geförderte Menge jedes einzelnen Brunnens sowie des gesamten Ölfeldes. Alle erhobenen Daten fließen in eine Förderprognose - dadurch können unerwünschte Verluste verhindert und eventueller Diebstahl sofort erkannt werden.

Mithilfe des B&R-Prozessleitsystems Aprol ist es möglich, eine visuelle Schnittstelle zu realisieren, die einen Überblick über das gesamte Pumpensystem gibt. Zur Kontrolle des Zustandes der Erdölbrunnen werden Daten archiviert und in die Zukunft prognostiziert. Dies gibt Aufschluss über die künftige Entwicklung der Fördermengen. Durch die Festlegung kundenspezifischer Meldungen, Alarme und Trendaufzeichnungen profitieren Erdölfirmen von einem optimal angepassten Funktionsspektrum.