.jpg?imageView2/1/format/webp)
Khi năng lượng địa nhiệt ngày càng trở thành một phần quan trọng trong hạ tầng sưởi ấm ít carbon, việc kiểm soát bơm đáng tin cậy là điều thiết yếu để duy trì tuần hoàn nước và điều chỉnh nguồn cung nhiệt với nhu cầu thực tế. Trong một dự án sưởi địa nhiệt ở phía tây Renqiu, mỏ dầu Bắc Trung Quốc, ba bộ chuyển đổi tần số trung thế FGI FG3000 đã được lắp đặt để vận hành các bơm điện chìm hoạt động ở độ sâu khoảng 400 mét.
Ứng dụng kết hợp công nghệ biến tần ba mức, lọc đầu ra chuyên dụng và điều chỉnh tần số tự động để giải quyết các thách thức về điện và vận hành liên quan đến bơm giếng sâu.
Mỏ dầu Bắc Trung Quốc có hơn 40 năm kinh nghiệm trong phát triển và sử dụng tài nguyên địa nhiệt. Các ứng dụng của nó bao gồm sưởi ấm thu gom và vận chuyển dầu thô trong việc thu gom, sưởi ấm dân dụng trong các cộng đồng mỏ dầu, ứng dụng nông nghiệp và phát điện nhiệt thải.
Dựa trên tài nguyên địa chất và chuyên môn thăm dò, mỏ dầu tiếp tục mở rộng hệ thống sưởi địa nhiệt và cải thiện việc sử dụng năng lượng nhiệt trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Dự án nhiệt địa nhiệt phía tây Renqiu là một dự án mỏ dầu quan trọng vào năm 2023. Theo thông tin dự án, cơ sở hạ tầng sưởi ấm dự kiến bao gồm:
1 trạm nguồn nhiệt trung tâm
12 giếng địa nhiệt
13 trạm trao đổi nhiệt khu vực
12 km đường ống sưởi chính
Gần 20.000 khách hàng dân dụng
Tổng công suất sưởi là 3 triệu m²
Một trong những thách thức kỹ thuật chính của dự án là khai thác nước địa nhiệt từ khoảng 400 mét dưới lòng đất trong khi vẫn duy trì hoạt động bơm đáng tin cậy trên các cáp điện dài.
FGI đã áp dụng kinh nghiệm về truyền động bơm điện chìm, ban đầu được phát triển cho các ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí, vào việc khai thác nước địa nhiệt. Ba bộ chuyển đổi tần số điện áp trung FG3000 đã được lựa chọn để điều chỉnh tốc độ bơm, hỗ trợ vận hành động cơ đường dài và giảm tiêu thụ năng lượng dưới nhu cầu sưởi biến đổi.
Dòng FGI FG3000 là bộ chuyển đổi tần số AC-DC-AC ba cấp, nguồn điện áp, có sẵn với cấu hình 1.140 V và 2.300 V.
Mạch chính của nó sử dụng cấu trúc kẹp điểm trung tính (NPC) ba cấp. Bằng cách phân phối điện áp liên kết DC qua các thiết bị chuyển đổi nguồn, bộ nghịch đảo có thể tạo ra đầu ra điện áp trung bình thông qua các thiết bị bán dẫn công suất có ứng suất điện áp cá nhân thấp hơn so với bố trí hai mức tương đương.
Đầu ra ba mức cũng cung cấp nhiều bước điện áp hơn, giúp cải thiện dạng sóng đầu ra và giảm tốc độ thay đổi điện áp (dv/dt) cũng như hàm lượng hài so với cấu trúc hai cấp truyền thống.
Cấu trúc NPC ba cấp độ
FG3000 sử dụng mạch chính ba cấp để đạt được đầu ra biến tần ở điện áp trung bình. Dạng sóng điện áp tối ưu giúp giảm áp lực điện động cơ và cải thiện hiệu suất vận hành trong các ứng dụng bơm đòi hỏi cao.
Giảm dv/dt và cải thiện khả năng tương thích động cơ
So với biến tần hai mức, cấu trúc ba cấp giảm các bước điện áp đầu ra và có thể giúp hạn chế áp lực điện áp lên hệ thống cách điện động cơ. Thiết kế cũng hỗ trợ sử dụng động cơ tiêu chuẩn mà không bắt buộc phải giảm tốc độ trong các điều kiện vận hành quy định.
Lọc đầu ra chuyên dụng cho cáp dài
Việc lắp đặt bơm chìm đường dài có thể liên quan đến vài km cáp điện. Sự tương tác giữa các xung chuyển mạch của biến tần và đặc tính cáp có thể tạo ra các xung điện áp sóng phản xạ tại các cực động cơ.
Hệ thống FG3000 tích hợp bộ lọc đầu ra thông thấp RLC được thiết kế cho tải bơm điện chìm. Bộ lọc này giúp ức chế các linh kiện tần số cao và giảm nguy cơ điện áp đầu cuối động cơ quá mức do hiệu ứng cáp dài.
Tự động bù điện áp
Ổ đĩa hỗ trợ bù điện áp đầu ra để xử lý sụt điện áp dọc theo các dây nguồn dài. Chức năng này giúp duy trì điều kiện vận hành động cơ phù hợp khi bơm đặt xa tủ truyền động.
Bù dao động điện áp lưới
Bộ biến tần bao gồm chức năng điều chỉnh điện áp tự động để hỗ trợ thích ứng với sự biến động của nguồn điện đầu vào, trong phạm vi hoạt động được chỉ định.
Hỗ trợ vận hành và bảo trì tại chỗ
Một giao diện người-máy chuyên dụng (HMI) cung cấp thông tin vận hành, cài đặt tham số và hỗ trợ khắc phục sự cố. Hướng dẫn vận hành tích hợp giúp người dùng truy cập hướng dẫn trực tiếp từ giao diện điều khiển.
Nhiều chức năng bảo vệ
Tùy thuộc vào thiết bị bảo vệ được cấu hình, hệ thống hỗ trợ bảo vệ chống lại các tình huống như ngắn mạch, quá dòng, thiếu tải, quá tải và mất pha. Một cơ chế chuyển mạch theo tần số công suất/biến tần số cũng được cung cấp để tăng tính linh hoạt trong vận hành, tùy thuộc vào thiết kế chuyển mạch và bảo vệ của hệ thống.
FG3000 là bộ biến tần nguồn điện áp AC-DC-AC. Điện AC đầu vào được chuyển đổi thành điện một chiều, sau đó chuyển đổi thành đầu ra ba pha tần số biến đổi thông qua tầng biến tần.
Trong cấu trúc NPC ba cấp, hai tụ điện liên kết DC-link nối tiếp nối nối tiếp tạo ra một tham chiếu điểm giữa. Điốt kẹp kết nối mạch chuyển mạch với điểm giữa này, cho phép mỗi pha tạo ra ba mức điện áp so với điểm giữa liên kết DC: điện áp nửa bus dương, điện áp nửa bus bằng 0 và điện áp nửa bus âm.
Mức điện áp bổ sung này tạo ra dạng sóng đầu ra tinh tế hơn so với bố trí hai mức truyền thống.
Bộ nghịch đảo tạo ra đầu ra điều chế độ rộng xung (SPWM) ba pha. Vì động cơ là tải cảm ứng, dòng điện động cơ trở nên gần như hình sin trong điều kiện vận hành phù hợp.
Tuy nhiên, đối với bơm giếng sâu, các đặc tính điện của cáp không thể bị bỏ qua. Khi đầu ra PWM truyền qua cáp dài, sự không khớp trở kháng và sóng phản xạ có thể gây quá áp tạm thời tại các đầu cực động cơ. Áp lực điện phát sinh có thể làm hỏng cách điện động cơ và làm giảm tuổi thọ thiết bị.
Vì lý do này, ứng dụng FG3000 tích hợp bộ lọc thông thấp RLC chuyên dụng ở phía đầu ra. Bộ lọc làm suy giảm các thành phần chuyển mạch tần số cao trước khi chúng đến được cáp dài và động cơ chìm.
Sự kết hợp giữa cấu trúc ba cấp độ và lọc đầu ra chuyên dụng đặc biệt phù hợp với các hệ thống bơm giếng sâu, nơi bộ truyền động và động cơ được ngăn cách bằng các đoạn cáp dài.
Dự án sử dụng điều khiển tần số biến đổi phối hợp để điều chỉnh tuần hoàn nước theo nhu cầu sưởi ấm. Bơm phía chính và phía phụ hoạt động dưới các chiến lược điều khiển khác nhau.
Về phía chính, điều khiển dòng chảy biến đổi dựa trên chênh lệch nhiệt độ được sử dụng.
Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước cấp và nước hồi phù hợp. Hệ thống điều khiển gửi sự chênh lệch nhiệt độ đo được đến bộ điều khiển logic lập trình (PLC), bộ điều khiển này tính toán lệnh vận hành cần thiết và điều chỉnh tần số đầu ra của bộ biến tần FGI FG3000.
Khi tải gia nhiệt thay đổi, tốc độ bơm có thể được điều chỉnh để điều chỉnh tuần hoàn nước địa nhiệt thay vì duy trì lưu lượng không đổi bất kể nhu cầu.
Hệ thống cũng có thể phối hợp số lượng máy bơm phía chính, máy bơm phía nguồn địa nhiệt và các đơn vị máy bơm nhiệt hoạt động dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ nước cấp và nước hồi hồi.
Hệ thống tuần hoàn phía thứ cấp sử dụng điều khiển chênh áp không đổi.
Bộ truyền áp suất chênh lệch đo sự chênh lệch áp suất giữa đường ống cấp và đường dẫn hồi. Giá trị đo được được gửi đến PLC, nơi bộ điều khiển đạo hàm tỷ lệ (PID) so sánh với hiệu số áp suất mục tiêu.
Bộ điều khiển sau đó điều chỉnh tần số hoạt động của bơm và số lượng bơm hoạt động để duy trì điều kiện thủy lực cần thiết.
Khi hệ thống không thể đạt được cân bằng lưu lượng cần thiết chỉ bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm, có thể sử dụng đường ống bypass để điều chỉnh tuần hoàn.
Hệ thống điều khiển giao tiếp thông qua mạng fieldbus. Các thông số vận hành và trạng thái hệ thống được hiển thị trên màn hình cảm ứng của tủ điều khiển, hỗ trợ cả phối hợp tập trung và vận hành cục bộ.
Bằng cách điều chỉnh công suất bơm phù hợp với nhu cầu sưởi thực tế, chiến lược kiểm soát này giúp tránh lưu thông không cần thiết và tổn thất điều tiết quá mức.
Sau khi đánh giá kỹ thuật các thiết bị hiện có, dự án đã áp dụng ba bộ chuyển đổi tần số trung thế FGI FG3000 để điều khiển bơm chìm.
Việc lắp đặt đã chứng minh một số lợi ích thực tiễn.
Ổ đĩa cung cấp một HMI chuyên dụng và quy trình vận hành đơn giản. Người vận hành có thể theo dõi trạng thái vận hành và sử dụng giao diện để truy cập các hướng dẫn liên quan, giúp việc vận hành hàng ngày trở nên thuận tiện hơn.
Chức năng trợ giúp tích hợp cho phép truy cập hướng dẫn vận hành qua màn hình cảm ứng. Điều này cho phép nhân viên bảo trì tham khảo hướng dẫn khi cần thiết và hỗ trợ việc làm quen thiết bị hàng ngày.
Cấu trúc đầu ra ba cấp, cùng với bộ lọc thông thấp RLC chuyên dụng, giúp giảm áp lực điện áp liên quan đến các đoạn cáp dài. Điều này rất quan trọng đối với động cơ chìm được lắp đặt hàng trăm mét dưới lòng đất.
Sự kết hợp này nhằm cải thiện khả năng tương thích điện giữa bộ biến tần, dây nguồn dài và động cơ bơm.
Trong vận hành tần số cố định truyền thống, lưu lượng bơm có thể được điều chỉnh bằng cách thêm van tại đầu giếng. Cách tiếp cận này có thể gây tổn thất do điều tiết khi bơm tiếp tục chạy với tốc độ cao hơn mức cần thiết.
Với điều khiển tần số biến đổi, FG3000 điều chỉnh tốc độ bơm theo phản hồi nhiệt độ của hệ thống sưởi. Dải tần số hoạt động được báo cáo trong dự án này thường là 35–45 Hz.
Đối với bơm ly tâm hoạt động trong điều kiện thủy lực tương tự, nhu cầu công suất xấp xỉ theo khối lập phương tốc độ quay. Mối quan hệ này giải thích tại sao điều chỉnh tốc độ có thể mang lại tiềm năng tiết kiệm năng lượng đáng kể khi yêu cầu lưu lượng thay đổi.
Mức tiết kiệm năng lượng thực tế phụ thuộc vào điểm hoạt động của bơm, cột áp tĩnh, đặc tính hệ thống thủy lực, hiệu suất động cơ và các thiết lập điều khiển. Thông tin dự án ban đầu không cung cấp tỷ lệ giảm tiêu thụ điện một cách định lượng.
HMI hiển thị thông tin vận hành và hỗ trợ ghi dữ liệu cũng như khắc phục sự cố. Điều này cải thiện khả năng tiếp cận thông tin hoạt động cho nhân viên hiện trường.
Việc ứng dụng bộ biến tần ba tầng trung áp trong dự án sưởi ấm địa nhiệt mỏ dầu Bắc Trung Quốc làm nổi bật một số cân nhắc kỹ thuật liên quan đến việc khai thác nước giếng sâu.
Thứ nhất, hệ thống bơm địa nhiệt phải thích ứng với nhu cầu sưởi thay đổi mà không hoàn toàn phụ thuộc vào việc điều chỉnh công suất cơ học. Điều khiển tần số biến thiên cung cấp một phương tiện thực tế để điều chỉnh đầu ra của bơm.
Thứ hai, các kết nối điện đường dài đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến ứng suất cách điện của động cơ và quá áp sóng phản xạ. Một cấu trúc biến tần phù hợp và bộ lọc đầu ra chuyên dụng có thể giúp giải quyết các vấn đề này.
Thứ ba, sưởi ấm địa nhiệt đòi hỏi sự phối hợp giữa nguồn nhiệt, thiết bị bơm nhiệt, bơm tuần hoàn và mạng lưới phân phối. Việc tích hợp phản hồi nhiệt độ, kiểm soát áp suất chênh lệch và điều chỉnh dựa trên PLC cho phép vận hành bơm đáp ứng yêu cầu của hệ thống.
Những cân nhắc này không chỉ liên quan đến sưởi địa nhiệt mà còn cho các ứng dụng tuần hoàn nước công nghiệp và bơm giếng sâu khác, nơi lưu lượng biến đổi, khoảng cách cáp dài và vận hành động cơ đáng tin cậy là quan trọng.
Việc ứng dụng bộ chuyển đổi tần số ba tầng điện áp trung FGI FG3000 trong dự án sưởi ấm địa nhiệt mỏ dầu Bắc Trung Quốc cho thấy công nghệ điện tử công suất có thể hỗ trợ khai thác nước địa nhiệt sâu và vận hành sưởi ấm đáp ứng nhu cầu.
Bằng cách kết hợp cấu trúc NPC ba cấp, lọc đầu ra RLC chuyên dụng, bù điện áp cáp dài và điều khiển tần số biến đổi dựa trên PLC, hệ thống giải quyết các thách thức chính trong vận hành bơm chìm.
Đối với các nhà vận hành hệ thống sưởi địa nhiệt và các nhà tích hợp hệ thống bơm công nghiệp, trường hợp này minh họa tầm quan trọng của việc điều chỉnh cấu trúc biến tần, lọc đầu ra và chiến lược điều khiển phù hợp với điều kiện điện và thủy lực thực tế của hệ thống.
FGI tiếp tục áp dụng kinh nghiệm về truyền động động cơ và điện tử công suất vào các ứng dụng công nghiệp, nơi điều khiển bơm đáng tin cậy, linh hoạt vận hành và hiệu suất hệ thống tiết kiệm năng lượng là điều thiết yếu.
Bạn quan tâm đến các giải pháp biến tần trung thế cho bơm giếng sâu, sưởi địa nhiệt hoặc tuần hoàn nước công nghiệp? Liên hệ với FGI để thảo luận về yêu cầu ứng tuyển của bạn.
Câu hỏi thường gặp
Bộ biến tần ba tầng trung áp được sử dụng để làm gì trong sưởi địa nhiệt?
Bộ biến tần ba mức trung áp điều chỉnh tốc độ của máy bơm nước địa nhiệt theo nhu cầu sưởi ấm. Trong dự án mỏ dầu Bắc Trung Quốc, FGI FG3000 được sử dụng để vận hành bơm chìm giếng sâu, hỗ trợ vận hành cáp dài và cải thiện kiểm soát dòng chảy.
Tại sao bộ biến tần ba cấp phù hợp cho bơm chìm giếng sâu?
Biến tần ba cấp cung cấp nhiều mức điện áp đầu ra hơn so với cấu trúc hai cấp truyền thống. Điều này có thể giảm số bước điện áp đầu ra và dv/dt. Khi kết hợp với bộ lọc đầu ra phù hợp, nó giúp giảm thiểu áp lực điện do dây nguồn dài gây ra.
Điều khiển tần số biến đổi giúp giảm tiêu thụ năng lượng của máy bơm như thế nào?
Điều khiển tần số biến thiên điều chỉnh tốc độ bơm để phù hợp với lưu lượng yêu cầu. Đối với bơm ly tâm trong điều kiện vận hành tương đương, nhu cầu công suất có thể gần như bằng bậc ba tốc độ quay, mặc dù mức tiết kiệm thực tế phụ thuộc vào hệ thống thủy lực và điểm vận hành.
Vai trò của bộ lọc đầu ra LC trong các ứng dụng bơm cáp dài là gì?
Bộ lọc đầu ra làm suy giảm các thành phần chuyển mạch tần số cao và giúp giảm các xung điện áp sóng phản xạ tại các cực động cơ. Việc lựa chọn bộ lọc phải tính đến chiều dài cáp, đặc tính động cơ, tần suất chuyển đổi biến lưu và phạm vi hoạt động cần thiết.
Dự án sưởi địa nhiệt nào đã sử dụng biến tần FGI FG3000?
FGI FG3000 đã được áp dụng trong dự án nhiệt địa nhiệt phía tây Renqiu tại mỏ dầu Bắc Trung Quốc. Thông tin dự án quy định ba căn hộ FG3000, 12 giếng địa nhiệt, 13 trạm trao đổi nhiệt khu vực, và công suất sưởi dự kiến là 3 triệu mét vuông.
