DGMK/ÖGEW-Frühjahrstagung 2016, Fachbereich Aufsuchung und Gewinnung Celle, 21./22. April 2016

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1 Weiterentwicklung des elektro-hydraulischen Tiefpumpenantriebs mit Fernwartungskonzept von Bosch Rexroth D. Seubert*, M. Brust** *Bosch Rexroth AG, Lohr a.m; **Bosch Rexroth AG, Lohr am M. Kurzfassung Die Präsentation ist in 2 Bereiche gegliedert. Im ersten Teil wird kurz die Funktionsweise des elektro-hydraulisches Antriebssystems R7 von Bosch Rexroth vorgestellt. Das elektro-hydraulische Antriebssystem R7 von Bosch Rexroth stellt eine echte Alternative zum weit verbreiteten mechanischen Tiefpumpenantrieb (TPA) dar. In der DGMK/ÖGEW-Frühjahrstagung 2014 wurde dies bereits von Dietmar Seubert, Bosch Rexroth in Lohr, vorgestellt. Im zweiten Teil wird die Weiterentwicklung des Steuerungskonzepts erläutert. Die Anlagensteuerung wurde von einer Rexroth Industriesteuerung (L20) auf ein Rexroth Mobilsteuergerät (RC28) portiert und das Rexroth Industriedisplay(VCP05) durch ein leistungsfähigeres Rexroth Display ersetzt. Neben den hierbei entstehenden Vorteilen, wurde ein komplettes Fernwartungskonzept für das Antriebssystem realisiert. (Vorstellung DGMK/ÖGEW-Frühjahrstagung 2016, Michael Brust, Bosch Rexroth Lohr.) Einleitung Bereits auf der Frühjahrstagung 2010 wurde das Tiefpumpenantriebssystem R7 von Bosch Rexroth erstmalig vorgestellt. Dieses System wurde Ende Oktober 2009 in Deutschland bei Fa. Wintershall in Landau/Pfalz installiert (siehe Abbildung 1). Nach kurzer Laufzeit wurden auf der Frühjahrstagung 2011 bereits erste Ergebnisse erläutert. Mittlerweile hat Bosch Rexroth einige 100 Anlagen weltweit an den unterschiedlichsten Förderstellen bei unterschiedlichen Kunden in Betrieb. Der elektro-hydraulische Tiefpumpenantrieb R7 bietet eine Reihe von Vorteilen, die letztendlich zu einer deutlichen Produktionssteigerung führen. Auf der Frühjahrstagung 2014 wurden diese Vorteile bereits präsentiert. Abbildung 1: Elektro-hydraulischer Tiefpumpenantrieb R7 in Landau

2 Aufbau des elektro-hydraulischen Tiefpumpenantriebs R7 Die Hauptkomponenten des Hydraulikaggregates sind die Axialkolbeneinheit (A), der E- Motor (B) mit integrierter Schwungmasse und die Anlagensteuerung (C) (siehe Abb. 2) Das R7 System besteht aus dem Hydraulikaggregat und einem Hydraulikzylinder. Der Hydraulikzylinder kann direkt auf das Bohrloch/Tubing montiert werden und wird mit dem Tiefpumpengestänge verbunden. Durch die direkte Montagemöglichkeit des Hydraulikzylinders auf das Tubing entfallen aufwendige Vorarbeiten (Betonfundament) und die kompakte Anlage ist schnell installiert. Das Hydraulikaggregat kann außerhalb der ATEX-Zone bei Bedarf auch in einem Container aufgestellt und entsprechend schallisoliert werden. Hydraulikzylinder Hydraulikaggregat A B C Abbildung 2: Elektro-hydraulischer Tiefpumpenantrieb R7 Funktionsweise des elektro-hydraulischen Tiefpumpenantriebes R7 Die Erdölförderung wird durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Tiefpumpenkolbens generiert. Für die Aufwärtsbewegung schwenkt die Axialkolbeneinheit (Pos.1) in den Pumpenbetrieb. Dadurch wird das Hydrauliköl zum Zylinder gefördert und erzeugt die notwendige Hub- bzw. Zugkraft. Die Zylinderstange, das Tiefpumpengestänge und der Kolben der gefüllten Tiefpumpe werden gehoben. Die zum Hubvorgang benötigte Energie wird zu einem Teil vom Elektromotor (Pos. 2) und zum anderen Teil aus der Schwungmasse (Pos. 3) geliefert. Der zulässige Schlupf des Elektromotor kann bis zu 10% betragen.

3 Erreicht der Zylinder den oberen Umschaltpunkt, findet die Umkehrung/Abwärtsbewegung statt. Die Axialkolbeneinheit schwenkt nun in den sog. Motorbetrieb und wird von der potentiellen Energie des Gestänges und der Masse der Tiefpumpe angetrieben. Dadurch wird der Elektromotor mit angeflanschter Schwungmasse wieder auf Netz-Synchrondrehzahl beschleunigt und die Energie mechanisch gespeichert. Bei der folgenden Aufwärtsbewegung unterstützt diese mechanische Energie den Elektromotor. Somit wird der Energiebedarf auf den gesamten Zyklus verteilt, dies hat einen geringeren Stromverbrauch zur Folge (siehe Abbildung 3). Pos. 1 Pos. 2 Pos. 3 Abbildung 3: Funktionsschema des elktrohydraulischen Tiefpumpenantriebs R7 Herausragende Merkmale des elektro-hydraulischen Tiefpumpenantriebes R7 Effizienzsteigerung durch individuelle Zykluszeitenanpassung: Hub- und Senkgeschwindigkeiten sind separat einstellbar Funktionsweise ist unabhängig von sinusförmiger v/t Funktion Effizienzsteigerung durch Überlastschutz: Vermeidung von Gestängebrüchen durch Zugkraftbegrenzung Bei Gestängeklemmung wird automatisch eine langsame Bewegung in Gegenrichtung eingeleitet Effizienzsteigerung durch Condition Monitoring: Start und Regelung der Förderanlage direkt von Leitstelle aus Direkte Optimierung des Erdölförderprozesses möglich Einfache Installation und schnelle Inbetriebnahme Geringer Platzbedarf

4 Niedriges Gewicht der kompakten Module Weiterentwicklung des Steuerungskonzepts mit Komponenten aus der Mobilbranche Die Anlagensteuerung wurde in der Vergangenheit von einer Industriesteuerung (L20) und einem Industriedisplay (VCP05) von Rexroth ausgeführt. Dabei wird eine zusätzliche Verstärkerelektronik für die Schwenkwinkelverstellung (VT5035) benötigt. Die Neuentwicklung mit einem einfachen Fernwartungskonzept ersetzt all diese Komponenten und basiert auf einem bewährtem Rexroth Mobilsteuergerät (RC28-14/30) mit einem grafikfähigem und leistungsfähigerem Display. Zudem wird die Schwenkwinkelregelung direkt mit Hilfe der PWM Leistungsausgänge des Steuergeräts ausgeführt. Zusätzlich können Komponenten aus der Mobilbranche mit erweiterten Umweltbedingungen an das Steuergerät angebunden werden (Temperatur-, Druck-, Schwenkwinkelsensoren). Für die Realisierung des Fernwartungskonzepts ist neben dem Display zur Fernwartung noch ein 3G Modem notwendig. Abbildung 4: Steuerungskonzept des elektrohydraulischen Tiefpumpenantriebs R7 Vorteile: Verwendung von langjährig eingesetzten Komponenten (Mobilsteuergerät) Verwendung von erprobter und bewährter Sensorik aus der Mobilbranche (Temperatur-, Druck- und Schwenkwinkelsensor) Erweiterte Umweltbedingungen (-20 bis +60 C, teilweise sogar bis -40 C) Keine aufwendige Klimatisierung des Schaltschranks notwendig Ausführliche und überarbeitete Dokumentation Ausführliche und überarbeitete Visualisierung Universales Softwarekonzept für verschiedene Hardware Funktionen des Aggregats Unterschiedliche Drucksensoren (Strom- oder Spannungssignal) Wegmesssystem oder Endschalter Analoge oder digitale Ölniveauerfassung des Aggregats

5 Input aller bisherigen Erfahrungen (Inbetriebnahmen) in Entwicklung miteingebracht. Systeme zur Integration in den Schaltschrank oder separatem Steuerungsschaltschrank. ( RC28 Set mit Kabelsätzen und Display oder Universalschaltschrank ) ETHERNET Abbildung 5: Funktionsweise des Fernwartungskonzept Dargestellt wird die Funktionsweise des entwickelten Fernwartungskonzeptes mit einem zusätzlichen 3G Modem. Mehrwert ist die Optimierung und Überwachung des Tiefpumpenantriebs ohne persönlich vor Ort zu sein. Über die Parametrierung der Umkehrpunkte oder der Verweildauer im unteren Umkehrpunkt kann die Effektivität der Anlage optimiert werden. Das Dynogramm (Weg-Kraft-Diagramm) stellt die Effektivität der Anlage dar. Auch können Prozessdaten der Anlage (Betriebsstunden, Öl- und Schaltschranktemperaturen oder Hydraulikölfüllanzeige, usw.) angezeigt werden. Durch die permanente Überwachung werden auftretende Fehlern angezeigt, es können sofort die notwendigen Maßnahmen eingeleitet werden. Gleichzeitig können mögliche Ausfälle der Anlage vorbeugend verhindert werden, zum Beispiel durch Messung des Metallgehalts im Hydrauliköl oder der Temperatur des Pumpengehäuses. Die etwaige Ausfallzeit der Erdölproduktion verringert sich dadurch erheblich! Weiterentwicklungen/Ausblicke Um die wachsenden klimatischen Anforderungen (Arktik, Wüste) bei der Erschließung neuer Förderstätten bedienen zu können, wird Bosch Rexroth den kompletten elektrohydraulischen Tiefpumpenantrieb R7 für einen Temperaturbereich von -40 C bis +60 C qualifizieren. Darüber hinaus werden wir weiterhin kundenspezifische Lösungen erarbeiten und gemeinsam mit unseren Kunden in Betrieb nehmen.

6 Unsere weltweiten Serviceangebote und Ersatzteillieferungen bieten neben erprobten und qualifizierten Systemen einen weiteren Vorteil in dieser Branche.