.jpg?imageView2/1/format/webp)
По мере того как геотермальная энергия становится всё более важной частью низкоуглеродной отопительной инфраструктуры, надёжное управление насосом становится жизненно важным для поддержания циркуляции воды и согласования тепловых поставок с реальным спросом. В проекте геотермального отопления на западе Жэньцю, Северо-Китайский нефтяной промысл, были установлены три средневольтных преобразователя FGI FG3000 для привода в действие погружных электронасосов, работающих на глубинах примерно 400 метров.
Приложение сочетает в себе технологию трёхуровневых инверторов, специализированную фильтрацию выходов и автоматическую регулирование частоты для решения электрических и эксплуатационных задач, связанных с откачкой в глубоких скважинах.
Северокитайское нефтяное месторождение имеет более 40 лет опыта в разработке и использовании геотермальных ресурсов. Его применения включали сбор и транспортировку сырой нефти, отопление жилых домов в нефтяных сообществах, сельскохозяйственные приложения и производство отходов тепловой энергии.
Опираясь на свои геологические ресурсы и опыт в разведке, нефтяное месторождение продолжает расширять геотермальное отопление и улучшать использование тепловой энергии в различных областях.
Западный геотермальный проект отопления Жэньцю был ключевым нефтяным месторождением в 2023 году. Согласно информации проекта, запланированная инфраструктура отопления включала:
1 центральная станция источника тепла
12 геотермальных скважин
13 районных теплообменных пунктов
12 км основных отопительных трубопроводов
Почти 20 000 жилых клиентов
Общая отопительная мощность составляет 3 миллиона м²
Одной из ключевых технических задач проекта было извлечение геотермальной воды примерно с глубины около 400 метров под землёй при сохранении надёжной работы насосов по длинным силовым кабелям.
FGI применила свой опыт в области погружных электронасосов, изначально разработанных для нефтяных месторождений, для добычи геотермальной воды. Были выбраны три преобразователя среднего напряжения FG3000 для регулирования скорости насоса, поддержки работы двигателя на большие расстояния и снижения энергопотребления при переменном требовании нагрева.
Серия FGI FG3000 — это трёхуровневый преобразователь частоты с источником напряжения, AC-DC-AC, доступный в конфигурациях 1 140 В и 2 300 В.
Основная схема использует трёхуровневую топологию с зажимом с нейтральной точкой (NPC). Распределяя напряжение постоянного тока между устройствами переключения мощности, инвертор может получать выход среднего напряжения с помощью силовых полупроводниковых устройств с меньшим индивидуальным напряжением по сравнению с аналогичной двухуровневой схемой.
Трёхуровневый выход также обеспечивает больше шагов напряжения, помогая улучшить исходную форму сигнала и снизить скорость изменения напряжения (dv/dt) и гармоническое содержание по сравнению с традиционной двухуровневой топологией.
Трёхуровневая топология NPC
FG3000 использует трёхуровневую основную схему для достижения средневольтного выхода с переменной частотой. Его оптимизированная волна напряжения помогает снизить электрическое напряжение двигателя и улучшает рабочие характеристики в требовательных насосах.
Снижение DV/DT и улучшенная совместимость двигателей
По сравнению с двухуровневым инвертором, трёхуровневая топология снижает выходные ступени напряжения и может помочь снизить напряжение в системе изоляции двигателя. Конструкция также поддерживает использование стандартных двигателей без обязательного снижения мощности при заданных условиях эксплуатации.
Выделенная фильтрация выходов для длинных кабелей
Установка дальних погружных насосов может включать несколько километров силового кабеля. Взаимодействие между импульсами переключения инвертора и характеристиками кабеля может вызывать скачки напряжения в отражённых волнах на клеммах мотора.
Система FG3000 оснащён низкочастотным выходным фильтром RLC, предназначенным для загрузок погружных электронасосов. Этот фильтр помогает подавлять высокочастотные компоненты и снижать риск чрезмерного напряжения на клемме мотора, вызванного эффектом длинных кабелей.
Автоматическая компенсация напряжения
Диск поддерживает компенсацию выходного напряжения для устранения падений напряжения вдоль длинных силовых кабелей. Эта функция помогает поддерживать подходящие условия работы двигателя, когда насос находится далеко от приводного корпуса.
Компенсация флуктуаций напряжения в сетке
Инвертор оснащён функцией автоматического регулирования напряжения, чтобы учитывать изменения входящего питания в пределах заданного рабочего диапазона.
Местная эксплуатация и поддержка технического обслуживания
Выделенный интерфейс человек-машина (HMI) предоставляет операционную информацию, настройки параметров и помощь в устранении неполадок. Интегрированное руководство по эксплуатации помогает пользователям получать доступ к инструкциям напрямую с интерфейса управления.
Многофункциональные функции защиты
В зависимости от настроенного защитного оборудования система поддерживает защиту от таких условий, как короткое замыкание, перегрузка, недонагрузка, перегрузка и потери фазы. Также предусмотрена схема переключения с переключением мощности/переменной частоты для гибкости в эксплуатации, в зависимости от конструкции коммутации и защиты системы.
FG3000 — это инвертор с источником напряжения на основе AC-DC-AC. Входящая переменная энергия преобразуется в постоянное токовое питание, которое затем преобразуется в трёхфазный выход с переменной частотой через инверторный каскад.
В трёхуровневой топологии NPC два последовательно соединённых конденсатора постоянного тока устанавливают промежуточную точку. Зажимные диоды соединяют коммутационную цепь с этой средней точкой, позволяя каждой фазе создавать три уровня напряжения относительно середины постоянного тока: положительное напряжение на половине шины, ноль и отрицательное напряжение на половине шины.
Этот дополнительный уровень напряжения обеспечивает более тонкую выходную форму сигнала, чем традиционная двухуровневая схема.
Инвертор обеспечивает трёхфазный синусоидальный импульсный диапазон с ширинной импульсной модуляцией (SPWM). Поскольку двигатель представляет собой индуктивную нагрузку, ток двигателя становится примерно синусоидальным при подходящих условиях работы.
Однако для насосов глубокой скважины электрические характеристики кабеля нельзя игнорировать. Когда выход PWM проходит по длинному кабелю, несоответствие импеданса и отражённые волны могут вызывать переходное перенапряжение на выводах двигателя. Возникающее электрическое напряжение может повредить изоляцию двигателя и сократить срок службы оборудования.
По этой причине приложение FG3000 оснащён выделенным низкочастотным фильтром RLC на выходной стороне. Фильтр ослабляет высокочастотные коммутационные компоненты до того, как они достигнут длинного кабеля и погружного двигателя.
Сочетание трёхуровневой топологии и выделенной выходной фильтрации особенно актуально для установок насосов в глубоких скважинах, где привод и двигатель разделены длинными кабелями.
В проекте используется координированное управление переменной частотой для регулировки циркуляции воды в соответствии с потребностью в отоплении. Насосы первичной и вторичной сторон работают под разными стратегиями управления.
На первичной стороне используется переменное управление расходом на основе разницы температур.
Датчики температуры измеряют соответствующую температуру подачи и возврата воды. Система управления передаёт измеренную разницу температур на программируемый логический контроллер (ПЛК), который вычисляет необходимую команду и регулирует выходную частоту инвертора FGI FG3000.
По мере изменения нагревающей нагрузки скорость насоса может регулироваться для регулирования циркуляции геотермальной воды, а не для поддержания постоянного расхода вне зависимости от спроса.
Система также может координировать количество работающих насосов первичной стороны, геотермальных насосов и тепловых насосов в зависимости от разницы температуры подачи и возврата воды.
Система циркуляции вторичной стороны использует постоянное дифференциальное давление.
Передатчик дифференциального давления измеряет разницу давления между трубопроводами подачи и возврата. Измеренное значение отправляется в ПЛК, где пропорционально-интегральный производный (PID) контроллер сравнивает его с целевой разницей давлений.
Затем контроллер регулирует рабочую частоту насоса и количество рабочих насосов для поддержания необходимых гидравлических условий.
Если система не может достичь необходимого баланса потока только за счёт регулировки скорости насоса, для регулирования циркуляции можно использовать обходной трубопровод.
Система управления взаимодействует через сеть fieldbus. Рабочие параметры и состояние системы отображаются на сенсорном экране шкафа управления, поддерживая как централизованную координацию, так и локальную работу.
Благодаря согласованию мощности насоса с фактическим потреблением в нагреве, эта стратегия управления помогает избежать ненужной циркуляции и чрезмерных потерь на троттлинг.
После технической оценки доступного оборудования проект внедрил три преобразователя среднего напряжения FGI FG3000 для управления погружным насосом.
Установка продемонстрировала несколько практических преимуществ.
Диск обеспечивает отдельный HMI и простые процедуры эксплуатации. Операторы могут отслеживать рабочее состояние и использовать интерфейс для доступа к соответствующим инструкциям, что делает рутинную работу более удобной.
Встроенная функция помощи обеспечивает доступ к навигации по работе через сенсорный экран. Это позволяет обслуживающему персоналу обращаться к инструкциям при необходимости и способствует ежедневному знакомству с оборудованием.
Трёхуровневая выходная топология вместе с выделенным низкочастотным фильтром RLC помогает снизить напряжение, связанное с длинными проводами кабелей. Это важно для погружных двигателей, установленных на глубине сотен метров под землёй.
Комбинация разработана для улучшения электрической совместимости между инвертором, длинным силовым кабелем и насосным двигателем.
При обычной работе с фиксированной частотой поток насоса может регулироваться добавлением клапана на устье скважины. Такой подход может привести к потере дроссельной заслонки, если насос продолжает работать с большей скоростью, чем требуется.
С регулированием переменной частоты FG3000 регулирует скорость насоса в зависимости от температурной обратной связи системы отопления. Заявленный диапазон рабочих частот в этом проекте обычно составлял 35–45 Гц.
Для центробежного насоса, работающего в сопоставимых гидравлических условиях, потребность мощности примерно соответствует кубу скорости вращения. Эта связь объясняет, почему регулирование скорости может обеспечивать значительный потенциал для энергосбережения, когда требования расхода различаются.
Фактическая экономия энергии зависит от точки работы насоса, статического напора, характеристик гидравлической системы, эффективности двигателя и настроек управления. Исходная информация о проекте не содержит количественного процентного снижения потребления электроэнергии.
HMI отображает операционную информацию и облегчает запись данных и устранение неполадок. Это улучшает доступность оперативной информации для полевого персонала.
Применение средневольтного трёхуровневого частотного преобразователя в проекте геотермального отопления нефтяного месторождения Северного Китая выделяет несколько инженерных аспектов, связанных с добычей воды из глубоких скважин.
Во-первых, геотермальная насосная система должна учитывать изменяющийся спрос на отопление, не полагаясь полностью на механическое ограничивание. Управление переменной частотой обеспечивает практический способ регулировки мощности насоса.
Во-вторых, дальние электрические соединения требуют тщательного внимания к напряжениям изолирования двигателя и перенапряжению отражённых волн. Подходящая топология инвертора и выделенный выходной фильтр могут помочь решить эти проблемы.
В-третьих, геотермальное отопление требует координации между источником тепла, оборудованием теплового насоса, циркуляционными насосами и распределительной сетью. Интеграция температурной обратной связи, регулирование дифференциального давления и регулирование на основе ПЛК позволяет работе насоса соответствовать требованиям системы.
Эти соображения актуальны не только для геотермального нагрева, но и для других промышленных приложений для циркуляции воды и откачки глубоких скважин, где важны переменный поток, большие расстояния между кабелями и надёжная работа мотора.
Применение средневольтного трёхуровневого частотного преобразователя FGI FG3000 в проекте геотермального отопления на нефтяном месторождении Северного Китая демонстрирует, как технологии силовой электроники могут поддерживать добычу геотермальной воды из глубоких скважин и работу отопления с реагированием на потребность.
Объединяя трёхуровневую топологию NPC, выделенную выходную фильтрацию RLC, компенсацию напряжения длинного кабеля и управление переменной частотой на основе PLC, система решает ключевые задачи работы погружного насоса.
Для операторов геотермального отопления и интеграторов промышленных насосных систем этот случай иллюстрирует важность согласования топологии инвертора, выходной фильтрации и стратегии управления с реальными электрическими и гидравлическими условиями установки.
FGI продолжает применять свой опыт в области моторного привода и силовой электроники в промышленных приложениях, где надёжное управление насосом, оперативная гибкость и энергоэффективность системы имеют решающее значение.
Интересуетесь решениями для средневольтных инверторов для глубоких скважин, геотермального отопления или промышленной циркуляции воды? Свяжитесь с FGI, чтобы обсудить требования к вашей заявке.
FAQ
Для чего используется средневольтный трёхуровневый частотный преобразователь в геотермальных нагревах?
Средневольтный трёхуровневый преобразователь частоты регулирует скорость геотермальных водяных насосов в зависимости от потребности в нагреве. В проекте Северокитайского нефтяного месторождения FGI FG3000 использовался для привода в действие глубокопогружных насосов, поддержки работы по длинным кабелям и улучшения регулирования потока.
Почему трёхуровневый инвертор подходит для глубокопогружных насосов?
Трёхуровневый инвертор обеспечивает больше уровней выходного напряжения, чем обычная двухуровневая топология. Это может снизить выходные шаги напряжения и dv/dt. В сочетании с подходящим выходным фильтром он помогает снизить электрическую нагрузку, вызванную длинными силовыми кабелями.
Как регулируемое управление частотой снижает энергопотребление насосов?
Система управления переменной частотой регулирует скорость насоса под требуемый поток. Для центробежных насосов при аналогичных условиях потребность в мощности может примерно соответствовать кубической скорости вращения, хотя фактическая экономия зависит от гидравлической системы и рабочей точки.
Какова роль выходного фильтра LC в приложениях с длинными кабельными насосами?
Выходной фильтр ослабляет высокочастотные коммутационные компоненты и помогает уменьшить скачки напряжения в отражённых волнах на выводах двигателя. Выбор фильтра должен учитывать длину кабеля, характеристики мотора, частоту переключения инвертора и необходимый рабочий диапазон.
В каком геотермальном проекте отопления использовался инвертор FGI FG3000?
FGI FG3000 применялся в западном геотермальном проекте Жэньцю на Северо-Китайском нефтяном месторождении. Информация по проекту указывает три блока FG3000, 12 геотермальных скважин, 13 районных теплообменных станций и планируемую отопительную мощность 3 миллиона квадратных метров.
