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Man mano che l'energia geotermica diventa una parte sempre più importante delle infrastrutture di riscaldamento a basse emissioni di carbonio, un controllo affidabile della pompa è essenziale per mantenere la circolazione dell'acqua e adattare l'approvvigionamento di calore alla domanda reale. In un progetto di riscaldamento geotermico nel campo petrolifero occidentale di Renqiu, North China, sono stati installati tre convertitori FGI FG3000 a media tensione per azionare pompe elettriche sommergibili che operano a profondità di circa 400 metri.
L'applicazione combina la tecnologia inverter a tre livelli, il filtraggio di uscita dedicato e la regolazione automatica della frequenza per affrontare le sfide elettriche e operative associate al pompaggio in pozzi profondi.
North China Oilfield vanta oltre 40 anni di esperienza nello sviluppo e utilizzo delle risorse geotermiche. Le sue applicazioni hanno incluso la raccolta e il trasporto di petrolio greggio, il riscaldamento, il riscaldamento residenziale nelle comunità petrolifere, applicazioni agricole e la produzione di energia termica di scarto.
Sfruttando le sue risorse geologiche e la sua esperienza esplorativa, il giacimento petrolifero ha continuato ad espandere il riscaldamento geotermico e a migliorare l'utilizzo dell'energia termica in diverse applicazioni.
Il progetto di riscaldamento geotermico di Renqiu occidentale è stato un progetto chiave nei giacimenti petroliferi nel 2023. Secondo le informazioni del progetto, l'infrastruttura di riscaldamento pianificata includeva:
1 stazione centrale di calore
12 pozzi geotermici
13 stazioni di scambio termico distrettuale
12 km di condotti principali di riscaldamento
Quasi 20.000 clienti residenziali
Una capacità totale di riscaldamento di 3 milioni di m²
Una delle principali sfide tecniche del progetto è stata l'estrazione di acqua geotermica da circa 400 metri sottoterra, mantenendo al contempo un funzionamento affidabile della pompa su lunghi cavi elettrici.
FGI applicò la sua esperienza nei propulsori a pompe elettriche sommergibili, originariamente sviluppati per applicazioni nei campi petroliferi, all'estrazione di acqua geotermica. Sono stati selezionati tre convertitori FG3000 a media tensione per regolare la velocità della pompa, supportare il funzionamento a lunga distanza del motore e ridurre il consumo energetico sotto domanda di riscaldamento variabile.
La serie FGI FG3000 è un convertitore di frequenza AC-DC-AC a tre livelli con sorgente di tensione, disponibile nelle configurazioni da 1.140 V e 2.300 V.
Il suo circuito principale utilizza una topologia a tre livelli a punto neutro (NPC). Distribuendo la tensione del collegamento DC tra i dispositivi di commutazione di alimentazione, l'inverter può produrre un'uscita a media tensione utilizzando dispositivi semiconduttori di potenza con stress di tensione individuale inferiore rispetto a una configurazione a due livelli comparabile.
L'uscita a tre livelli fornisce anche più livelli di tensione, aiutando a migliorare la forma d'onda di uscita e a ridurre la velocità di variazione di tensione (dv/dt) e il contenuto armonico rispetto a una topologia convenzionale a due livelli.
Topologia NPC a tre livelli
La FG3000 utilizza un circuito principale a tre livelli per ottenere un'uscita a media tensione a frequenza variabile. La sua forma d'onda di tensione ottimizzata aiuta a ridurre lo stress elettrico del motore e può migliorare le prestazioni operative in applicazioni di pompa impegnative.
Riduzione del consumo di potenza e riduzione del motore e miglioramento della compatibilità motore
Rispetto a un inverter a due livelli, la topologia a tre livelli riduce gli step di tensione di uscita e può aiutare a limitare lo stress di tensione sul sistema di isolamento del motore. Il progetto supporta anche l'uso di motori standard senza la dequalificazione obbligatoria nelle condizioni operative specificate.
Filtraggio di uscita dedicato per cavi lunghi
Le installazioni di pompe sommergibili a lunga distanza possono coinvolgere diversi chilometri di cavo elettrico. L'interazione tra impulsi di commutazione dell'inverter e le caratteristiche del cavo può produrre picchi di tensione a onde riflesse ai terminali del motore.
Il sistema FG3000 incorpora un filtro passa-basso RLC progettato per carichi di pompe elettriche sommergibili. Questo filtro aiuta a sopprimere i componenti ad alta frequenza e a ridurre il rischio di tensione eccessiva nei terminali del motore causata da effetti di cavi lunghi.
Compensazione automatica della tensione
Il disco supporta la compensazione della tensione in uscita per affrontare le cadute di tensione lungo i cavi di alimentazione lunghi. Questa funzione aiuta a mantenere condizioni di funzionamento adatte al motore quando la pompa è posizionata lontano dal mobile di trasmissione.
Compensazione delle fluttuazioni di tensione della griglia
L'inverter include funzionalità di regolazione automatica della tensione per aiutare a gestire le variazioni dell'alimentazione in ingresso, all'interno del suo intervallo di funzionamento specificato.
Supporto operativo e manutenzione locale
Un'interfaccia uomo-macchina (HMI) dedicata fornisce informazioni operative, impostazioni dei parametri e assistenza nella risoluzione dei problemi. Una guida operativa integrata aiuta gli utenti ad accedere direttamente alle istruzioni dall'interfaccia di controllo.
Funzioni di protezione multiple
A seconda dell'apparecchiatura di protezione configurata, il sistema supporta la protezione contro condizioni come cortocircuiti, sovracorrenti, sottocarico, sovraccarico e perdita di fase. È inoltre previsto un sistema di commutazione tra frequenza di potenza/frequenza variabile per la flessibilità operativa, soggetto al design di commutazione e protezione del sistema.
La FG3000 è un inverter a sorgente di tensione AC-DC-AC. La potenza AC in ingresso viene convertita in corrente continua, che viene poi convertita in uscita trifase a frequenza variabile tramite lo stadio inverter.
Nella topologia NPC a tre livelli, due condensatori a collegamento DC collegati in serie stabiliscono un riferimento a metà punto. I diodi di serraggio collegano il circuito di commutazione a questo punto medio, permettendo a ogni fase di produrre tre livelli di tensione rispetto al punto medio del collegamento DC: tensione positiva a metà bus, zero e tensione negativa a metà bus.
Questo livello di tensione aggiuntivo fornisce una forma d'onda di uscita più raffinata rispetto alla configurazione convenzionale a due livelli.
L'inverter produce un'uscita trifase a modulazione sinusoidale a larghezza dell'impulso (SPWM). Poiché il motore è un carico induttivo, la corrente del motore diventa approssimativamente sinusoidale in condizioni di funzionamento adeguate.
Per le pompe a pozzi profondi, tuttavia, le caratteristiche elettriche del cavo non possono essere ignorate. Quando l'uscita PWM viaggia attraverso un cavo lungo, il disadattamento di impedenza e le onde riflesse possono causare sovratensione transitoria ai terminali del motore. Lo stress elettrico risultante può danneggiare l'isolamento del motore e ridurre la durata operativa delle apparecchiature.
Per questo motivo, l'applicazione FG3000 incorpora un filtro passa-basso RLC dedicato sul lato di uscita. Il filtro attenua i componenti di commutazione ad alta frequenza prima che raggiungano il lungo cavo e il motore sommersibile.
La combinazione di topologia a tre livelli e filtraggio di uscita dedicato è particolarmente rilevante per le installazioni di pompe a pozzi profondi dove il motore e la trasmissione sono separati da lunghe corse di cavi.
Il progetto utilizza un controllo coordinato a frequenza variabile per regolare la circolazione dell'acqua in base alla domanda di riscaldamento. Le pompe lato primario e secondario operano secondo strategie di controllo diverse.
Sul lato primario si utilizza il controllo di flusso variabile basato sulla differenza di temperatura.
I sensori di temperatura misurano le temperature rilevanti dell'acqua di alimentazione e ritorno. Il sistema di controllo invia la differenza di temperatura misurata a un controllore logico programmabile (PLC), che calcola il comando operativo richiesto e regola la frequenza di uscita dell'inverter FGI FG3000.
Con il cambiamento del carico di riscaldamento, la velocità della pompa può essere regolata per regolare la circolazione dell'acqua geotermica invece di mantenere una portata costante indipendentemente dalla domanda.
Il sistema può anche coordinare il numero di pompe operative sul lato primario, pompe geotermiche lato fonte e unità di pompa di calore in base alle differenze di temperatura dell'acqua di alimentazione e ritorno.
Il sistema di circolazione secondaria utilizza un controllo costante della pressione differenziale.
Un trasmettitore a pressione differenziale misura la differenza di pressione tra le condotte di alimentazione e ritorno. Il valore misurato viene inviato al PLC, dove un controllore della derivata integrale proporzionale (PID) lo confronta con la differenza di pressione bersaglio.
Il controllore poi regola la frequenza di funzionamento della pompa e il numero di pompe operative per mantenere le condizioni idrauliche richieste.
Quando il sistema non riesce a raggiungere l'equilibrio di flusso richiesto solo tramite la regolazione della velocità della pompa, si può utilizzare una condotta di bypass per regolare la circolazione.
Il sistema di controllo comunica tramite una rete fieldbus. I parametri operativi e lo stato del sistema sono visualizzati sul touchscreen dell'armadio di controllo, supportando sia il coordinamento centralizzato sia l'operazione locale.
Abbinando la potenza della pompa alla domanda reale di riscaldamento, questa strategia di controllo aiuta a evitare circolazioni inutili e perdite eccessive da throttling.
Dopo la valutazione tecnica delle apparecchiature disponibili, il progetto adottò tre convertitori FGI FG3000 a media tensione per il controllo della pompa sommersa.
L'installazione ha dimostrato diversi vantaggi pratici.
Il disco fornisce un'HMI dedicata e procedure operative semplici. Gli operatori possono monitorare lo stato operativo e utilizzare l'interfaccia per accedere alle istruzioni pertinenti, rendendo il funzionamento di routine più comodo.
La funzione di aiuto integrata fornisce accesso alla guida operativa tramite il touchscreen. Questo permette al personale di manutenzione di consultare le istruzioni quando necessario e supporta la familiarizzazione quotidiana con le apparecchiature.
La topologia di uscita a tre livelli, insieme al filtro passa-basso RLC dedicato, aiuta a ridurre lo stress di tensione associato ai lunghi passaggi dei cavi. Questo è importante per i motori sommergibili installati a centinaia di metri sotto terra.
La combinazione è progettata per migliorare la compatibilità elettrica tra inverter, cavo di alimentazione lungo e motore della pompa.
Con il funzionamento convenzionale a frequenza fissa, il flusso della pompa può essere regolato aggiungendo una valvola sulla testa del pozzo. Questo approccio può introdurre perdite da throttling quando la pompa continua a funzionare a una velocità superiore a quella richiesta.
Con il controllo a frequenza variabile, la FG3000 regola la velocità della pompa in risposta al feedback termico del sistema di riscaldamento. La gamma di frequenze operative riportata in questo progetto era generalmente 35–45 Hz.
Per una pompa centrifuga che opera in condizioni idrauliche comparabili, la domanda di potenza segue approssimativamente il cubo della velocità di rotazione. Questa relazione spiega perché la regolazione della velocità può offrire un significativo potenziale di risparmio energetico quando i requisiti di flusso variano.
Il reale risparmio energetico dipende dal punto di funzionamento della pompa, dalla testa statica, dalle caratteristiche del sistema idraulico, dall'efficienza del motore e dalle impostazioni di controllo. Le informazioni originali del progetto non forniscono una riduzione percentuale quantificata del consumo elettrico.
L'HMI mostra le informazioni operative e facilita la registrazione e la risoluzione dei problemi dei dati. Questo migliora l'accessibilità delle informazioni operative per il personale sul campo.
L'applicazione del convertitore di frequenza a tre livelli a media tensione nel progetto di riscaldamento geotermico del North China Oilfield evidenzia diverse considerazioni ingegneristiche rilevanti per l'estrazione di acque profonde nei pozzi.
Innanzitutto, un sistema di pompa geotermica deve adattarsi alle variazioni della domanda di riscaldamento senza dipendere interamente dal throttling meccanico. Il controllo a frequenza variabile fornisce un mezzo pratico per regolare l'uscita della pompa.
In secondo luogo, le connessioni elettriche a lunga distanza richiedono un'attenta attenzione allo stress dell'isolamento del motore e alla sovratensione a onde riflesse. Una topologia adatta dell'inverter e un filtro di uscita dedicato possono aiutare a risolvere questi problemi.
In terzo luogo, il riscaldamento geotermico richiede il coordinamento tra la fonte di calore, l'attrezzatura della pompa di calore, le pompe di circolazione e la rete di distribuzione. L'integrazione di feedback di temperatura, controllo differenziale della pressione e regolazione basata su PLC consente il funzionamento della pompa di rispondere ai requisiti del sistema.
Queste considerazioni sono rilevanti non solo per il riscaldamento geotermico, ma anche per altre applicazioni di circolazione industriale dell'acqua e pompaggio in pozzi profondi, dove sono importanti flusso variabile, lunghe distanze dei cavi e un funzionamento affidabile dei motori.
L'applicazione del convertitore di frequenza a tre livelli a media tensione FGI FG3000 nel progetto di riscaldamento geotermico del North China Oilfield dimostra come la tecnologia dell'elettronica di potenza possa supportare l'estrazione di acqua geotermica a pozzi profondi e il funzionamento di riscaldamento a risposta alla domanda.
Combinando la topologia NPC a tre livelli, il filtraggio di uscita RLC dedicato, la compensazione di tensione a cavo lungo e il controllo a frequenza variabile basato su PLC, il sistema affronta le principali sfide nel funzionamento della pompa sommergibile.
Per gli operatori di riscaldamento geotermico e gli integratori di sistemi di pompaggio industriali, il caso illustra l'importanza di adattare la topologia dell'inverter, il filtraggio di uscita e la strategia di controllo alle reali condizioni elettriche e idrauliche dell'installazione.
FGI continua ad applicare la sua esperienza in motorizzazione ed elettronica di potenza ad applicazioni industriali dove il controllo affidabile della pompa, la flessibilità operativa e le prestazioni del sistema a basso consumo energetico sono essenziali.
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Domande frequenti
A cosa serve un convertitore di frequenza a tre livelli a media tensione nel riscaldamento geotermico?
Un convertitore di frequenza a tre livelli a media tensione regola la velocità delle pompe d'acqua geotermiche in base alla domanda di riscaldamento. Nel progetto North China Oilfield, il FGI FG3000 è stato utilizzato per azionare pompe sommergibili a pozzi profondi, supportare il funzionamento a cavi lunghi e migliorare il controllo del flusso.
Perché un inverter a tre livelli è adatto per pompe sommergibili a pozzi profondi?
Un inverter a tre livelli fornisce più livelli di tensione di uscita rispetto a una topologia convenzionale a due livelli. Questo può ridurre gli step di tensione di uscita e dv/dt. Quando combinato con un filtro di uscita adatto, aiuta a ridurre lo stress elettrico causato dai cavi di alimentazione lunghi.
In che modo il controllo a frequenza variabile riduce il consumo energetico della pompa?
Il controllo a frequenza variabile regola la velocità della pompa per adattarsi al flusso richiesto. Per pompe centrifughe in condizioni operative comparabili, la domanda di potenza può seguire approssimativamente il cubo della velocità di rotazione, anche se i risparmi reali dipendono dal sistema idraulico e dal punto di funzionamento.
Qual è il ruolo di un filtro di uscita LC nelle applicazioni di pompe a cavo lungo?
Un filtro di uscita attenua i componenti di commutazione ad alta frequenza e aiuta a ridurre i picchi di tensione a onde riflesse ai terminali del motore. La selezione del filtro deve tenere conto della lunghezza del cavo, delle caratteristiche del motore, della frequenza di commutazione dell'inverter e dell'intervallo di funzionamento richiesto.
Quale progetto di riscaldamento geotermico ha utilizzato l'inverter FGI FG3000?
Il FGI FG3000 è stato applicato nel progetto di riscaldamento geotermico di Renqiu occidentale nel giacimento petrolifero della Cina del Nord. Le informazioni sul progetto specificano tre unità FG3000, 12 pozzi geotermici, 13 stazioni di scambio termico distrettuali e una capacità di riscaldamento prevista di 3 milioni di metri quadrati.
