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Da Geothermie immer wichtiger wird in der kohlenstoffarmen Heizinfrastruktur, ist eine zuverlässige Pumpensteuerung unerlässlich, um die Wasserzirkulation aufrechtzuerhalten und die Wärmeversorgung an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. In einem geothermischen Heizprojekt im westlichen Renqiu, Nordchina-Ölfeld, wurden drei FGI FG3000 Mittelspannungs-Frequenzwandler installiert, um Tauchpumpen in Tiefen von etwa 400 Metern anzutreiben.
Die Anwendung kombiniert dreistufige Wechselrichtertechnologie, dedizierte Ausgangsfilterung und automatische Frequenzregelung, um die elektrischen und betrieblichen Herausforderungen des Tiefbrunnenpumpens zu bewältigen.
North China Oilfield verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Nutzung geothermischer Ressourcen. Zu seinen Anwendungen gehörten die Erwärmung und Transporterwärmung von Rohöl, die Heizung von Wohnhäusern in Ölfeldern, landwirtschaftliche Anwendungen und die Stromerzeugung von Abwärme.
Aufbauend auf seinen geologischen Ressourcen und seiner Explorationsexpertise hat das Ölfeld weiterhin die geothermische Erwärmung ausgebaut und die Nutzung thermischer Energie in verschiedenen Anwendungen verbessert.
Das westliche Renqiu-Geothermie-Heizprojekt war 2023 ein zentrales Ölfeldprojekt. Laut den Projektinformationen umfasste die geplante Heizungsanlage:
1 zentrale Wärmequellenstation
12 geothermische Bohrlöcher
13 Fernwärmetauschstationen
12 km Hauptheizungsleitungen
Fast 20.000 Privatkunden
Eine Gesamtheizkapazität von 3 Millionen m²
Eine der wichtigsten technischen Herausforderungen des Projekts war die Gewinnung von geothermischem Wasser aus etwa 400 Metern Untertage, während gleichzeitig ein zuverlässiger Pumpenbetrieb über lange Stromkabel gewährleistet wurde.
FGI nutzte seine Erfahrung mit untertauchbaren elektrischen Pumpenantrieben, die ursprünglich für Ölfelder entwickelt wurden, auf die Förderung von geothermischem Wasser. Drei FG3000 Mittelspannungs-Frequenzwandler wurden ausgewählt, um die Pumpengeschwindigkeit zu regulieren, den Betrieb von Fernmotoren zu unterstützen und den Energieverbrauch bei variabler Heiznachfrage zu senken.
Die FGI FG3000-Serie ist ein dreistufiger, spannungsbezogener AC-DC-AC-Frequenzwandler, der in 1.140 V und 2.300 V erhältlich ist.
Seine Hauptschaltung verwendet eine dreistufige Neutralpunkt-Klemme (NPC) Topologie. Durch die Verteilung der DC-Link-Spannung über die Leistungsschaltvorrichtungen kann der Wechselrichter mittelspannungsbasierte Ausgangsleistung erzeugen, indem er Leistungshalbleiterbauelemente mit geringerer individueller Spannungsspannung als eine vergleichbare zweistufige Anordnung verwendet.
Der dreistufige Ausgang bietet zudem mehr Spannungsstufen, was dazu beiträgt, die Ausgangswellenform zu verbessern und die Spannungsänderung (dv/dt) sowie den harmonischen Gehalt im Vergleich zu einer herkömmlichen Zweistufige Topologie zu reduzieren.
Dreistufige NPC-Topologie
Der FG3000 verwendet eine dreistufige Hauptschaltung, um einen mittelspannungsvariablen Ausgang zu erreichen. Seine optimierte Spannungswellenform hilft, die elektrische Belastung des Motors zu reduzieren und kann die Betriebsleistung in anspruchsvollen Pumpenanwendungen verbessern.
Reduzierte dv/dt und verbesserte Motorkompatibilität
Im Vergleich zu einem zweistufigen Wechselrichter reduziert die dreistufige Topologie die Ausgangsspannungsstufen und kann helfen, die Spannungsbelastung des Motorisolierungssystems zu begrenzen. Das Design unterstützt außerdem den Einsatz von Standardmotoren ohne verpflichtende Dezerierung unter den angegebenen Betriebsbedingungen.
Dedizierte Ausgangsfilterung für lange Kabel
Langstrecken-Tauchpumpeninstallationen können mehrere Kilometer Stromkabel erfordern. Die Wechselwirkung zwischen Wechselrichter-Schaltimpulsen und Kabeleigenschaften kann reflektierte Wellenspannungsspitzen an den Motoranschlüssen erzeugen.
Das FG3000-System verfügt über einen RLC-Tiefpass-Ausgangsfilter, der für Lasten von untertauchbaren elektrischen Pumpen ausgelegt ist. Dieser Filter hilft, Hochfrequenzkomponenten zu unterdrücken und das Risiko einer übermäßigen Motorspannung durch Effekte von langen Kabeln zu verringern.
Automatische Spannungskompensation
Das Laufwerk unterstützt Ausgangsspannungskompensation, um Spannungsabfälle entlang langer Stromkabel zu adressieren. Diese Funktion hilft, geeignete Motorbetriebsbedingungen zu gewährleisten, wenn die Pumpe weit vom Antriebsschrank entfernt ist.
Gitterspannungsschwankungskompensation
Der Wechselrichter verfügt über eine automatische Spannungsregelung, um Variationen der eingehenden Stromversorgung innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs auszugleichen.
Lokale Betriebs- und Wartungsunterstützung
Eine dedizierte Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) bietet Betriebsinformationen, Parametereinstellungen und Unterstützung bei der Fehlersuche. Eine integrierte Betriebsanleitung hilft Benutzern, Anweisungen direkt über die Steueroberfläche zuzurufen.
Mehrere Schutzfunktionen
Je nach konfigurierter Schutzausrüstung unterstützt das System Schutz gegen Bedingungen wie Kurzschlüsse, Überstrom, Unterlastung, Überlastung und Phasenverlust. Eine Leistungs- und Frequenzschaltanordnung ist ebenfalls für betriebliche Flexibilität vorgesehen, abhängig vom Schalt- und Schutzdesign des Systems.
Der FG3000 ist ein AC-DC-AC-Spannungsquellen-Wechselrichter. Eingehende Wechselstrom wird in Gleichstrom umgewandelt, der dann über die Wechselrichterstufe in einen dreiphasigen Ausgang mit variabler Frequenz umgewandelt wird.
In der dreistufigen NPC-Topologie stellen zwei seriengeschaltete DC-Link-Kondensatoren eine Mittelpunktreferenz her. Klemmdioden verbinden die Schaltung mit diesem Mittelpunkt, sodass jede Phase drei Spannungspegel relativ zum Gleichstrom-Mittelpunkt erzeugen kann: positive Halbbusspannung, Nullspannung und negative Halbbusspannung.
Dieser zusätzliche Spannungspegel sorgt für eine verfeinerte Ausgangswellenform als die herkömmliche Zwei-Pegel-Anordnung.
Der Wechselrichter erzeugt einen dreiphasigen sinusförmigen Pulsbreitenmodulationsausgang (SPWM). Da der Motor eine induktive Last ist, wird der Motorstrom unter geeigneten Betriebsbedingungen annähernd sinusförmig.
Bei Tiefbrunnenpumpen können jedoch die elektrischen Eigenschaften des Kabels nicht ignoriert werden. Wenn der PWM-Ausgang durch ein langes Kabel geleitet wird, können Impedanzunstimmigkeiten und reflektierte Wellen zu transienten Überspannungen an den Motoranschlüssen führen. Die daraus resultierenden elektrischen Belastungen können die Motorisolierung beschädigen und die Lebensdauer der Geräte verkürzen.
Aus diesem Grund verfügt die FG3000-Anwendung über einen dedizierten RLC-Tiefpassfilter auf der Ausgangsseite. Der Filter dämpft hochfrequente Schaltkomponenten, bevor sie das lange Kabel und den Tauchmotor erreichen.
Die Kombination aus dreistufiger Topologie und dedizierter Ausgangsfilterung ist besonders relevant für Tiefbrunnenpumpenanlagen, bei denen Antrieb und Motor durch lange Kabelstrecken getrennt sind.
Das Projekt verwendet eine koordinierte Frequenzsteuerung, um die Wasserzirkulation an den Heizbedarf anzupassen. Primär- und Sekundärpumpen arbeiten nach unterschiedlichen Steuerungsstrategien.
Auf der Hauptseite wird eine temperaturdifferenzbasierte variable Durchflussregelung verwendet.
Temperatursensoren messen die entsprechenden Zu- und Rücklauftemperaturen des Wassers. Das Steuerungssystem sendet den gemessenen Temperaturunterschied an einen programmierbaren Logikregler (SPS), der den erforderlichen Betriebsbefehl berechnet und die Ausgangsfrequenz des FGI-FG3000-Inverters anpasst.
Wenn sich die Heizlast ändert, kann die Pumpendrehzahl so eingestellt werden, dass die Zirkulation des geothermischen Wassers reguliert wird, anstatt eine konstante Durchflussrate unabhängig vom Bedarf aufrechtzuerhalten.
Das System kann außerdem die Anzahl der betrieblichen primären Pumpen, geothermischen Quellpumpen und Wärmepumpeneinheiten entsprechend den Unterschieden in der Wasserversorgung und Rücklauftemperatur koordinieren.
Das Sekundärsirkulationssystem verwendet eine konstante Differenzdruckregelung.
Ein Differenzdrucktransmitter misst den Druckunterschied zwischen Zu- und Rücklaufleitungen. Der gemessene Wert wird an die SPS gesendet, wo ein Proportional-Integral-Ableitungsregler (PID) ihn mit dem Zieldruckunterschied vergleicht.
Der Steuerregler passt dann die Betriebsfrequenz der Pumpe und die Anzahl der Betriebspumpen an, um die erforderlichen hydraulischen Bedingungen aufrechtzuerhalten.
Wenn das System das erforderliche Durchflussgleichgewicht nicht allein durch Pumpendrehzahlanpassung erreichen kann, kann eine Bypass-Pipeline zur Regulierung der Zirkulation verwendet werden.
Das Steuerungssystem kommuniziert über ein Fieldbus-Netzwerk. Betriebsparameter und Systemstatus werden auf dem Touchscreen des Steuerungsschranks angezeigt, was sowohl zentrale Koordination als auch lokalen Betrieb unterstützt.
Durch die Anpassung der Pumpenleistung an den tatsächlichen Heizbedarf hilft diese Steuerungsstrategie, unnötige Zirkulation und übermäßige Drosselungsverluste zu vermeiden.
Nach der technischen Bewertung der verfügbaren Ausrüstung übernahm das Projekt drei FGI FG3000 Mittelspannungs-Frequenzwandler zur Steuerung der Tauchpumpen.
Die Installation zeigte mehrere praktische Vorteile.
Das Laufwerk bietet eine dedizierte HMI und einfache Betriebsabläufe. Bediener können den Betriebsstatus überwachen und die Schnittstelle nutzen, um relevante Anweisungen abzurufen, was den Routinebetrieb bequemer macht.
Die integrierte Hilfefunktion ermöglicht den Zugriff auf Betriebsanleitung über den Touchscreen. Dies ermöglicht es dem Wartungspersonal, bei Bedarf Anweisungen einzuholen, und unterstützt die tägliche Eingewöhnung der Geräte.
Die dreistufige Ausgangstopologie zusammen mit dem dedizierten RLC-Tiefpassfilter hilft, die Spannungsbelastung bei langen Kabelstrecken zu reduzieren. Dies ist wichtig für Tauchmotoren, die Hunderte von Metern unter der Erde installiert sind.
Die Kombination ist darauf ausgelegt, die elektrische Kompatibilität zwischen Wechselrichter, langem Stromkabel und Pumpenmotor zu verbessern.
Unter herkömmlichem Betrieb mit fester Frequenz kann der Pumpenfluss durch Anbau eines Ventils am Bohrlochkopf reguliert werden. Dieser Ansatz kann Drosselungsverluste verursachen, wenn die Pumpe weiterhin mit einer höheren Geschwindigkeit als erforderlich läuft.
Mit variabler Frequenzregelung passt der FG3000 die Pumpengeschwindigkeit entsprechend der Temperaturrückkopplung des Heizsystems an. Der gemeldete Betriebsfrequenzbereich in diesem Projekt betrug im Allgemeinen 35–45 Hz.
Für eine Zentrifugalpumpe, die unter vergleichbaren hydraulischen Bedingungen betrieben wird, folgt der Leistungsbedarf ungefähr dem Quadrat der Drehzahl. Diese Beziehung erklärt, warum Geschwindigkeitsregulierung ein erhebliches Energiesparpotenzial bieten kann, wenn die Durchflussanforderungen variieren.
Die tatsächlichen Energieeinsparungen hängen vom Betriebspunkt der Pumpe, dem statischen Kopf, den Eigenschaften des Hydrauliksystems, dem Motorwirkungsgrad und den Steuereinstellungen ab. Die ursprünglichen Projektinformationen geben keine quantifizierte prozentuale Reduktion des Stromverbrauchs an.
Das HMI zeigt Betriebsinformationen an und erleichtert die Datenerfassung und -fehlerbehebung. Dies verbessert die Zugänglichkeit von operativen Informationen für das Außendienstpersonal.
Der Einsatz des dreistufigen Mittelspannungs-Frequenzwandlers im Geothermie-Heizprojekt Nordchina-Ölfelder hebt mehrere ingenieurtechnische Überlegungen hervor, die für die Tiefbrunnenwasserförderung relevant sind.
Erstens muss ein geothermisches Pumpensystem den sich ändernden Heizbedarf bewältigen, ohne vollständig auf mechanische Drosselung angewiesen zu sein. Die variable Frequenzregelung bietet eine praktische Möglichkeit, die Pumpenleistung anzupassen.
Zweitens erfordern elektrische Fernverbindungen sorgfältige Aufmerksamkeit für die Motorisolationsspannung und die reflektierte Wellenüberspannung. Eine geeignete Inverter-Topologie und ein spezieller Ausgangsfilter können helfen, diese Probleme zu lösen.
Drittens erfordert die geothermische Erwärmung die Koordination zwischen Wärmequelle, Wärmepumpenanlagen, Umwälzpumpen und Verteilnetz. Die Integration von Temperaturrückkopplung, Differenzdruckregelung und SPS-basierter Regelung ermöglicht es, dass der Pumpenbetrieb auf Systemanforderungen reagieren kann.
Diese Überlegungen sind nicht nur für die geothermische Erwärmung relevant, sondern auch für andere industrielle Wasserzirkulations- und Tiefbrunnenpumpanwendungen, bei denen variabler Durchfluss, lange Kabelentfernungen und zuverlässiger Motorbetrieb wichtig sind.
Der Einsatz des FGI FG3000 Mittelspannungs-Dreistufigkeits-Frequenzwandlers im Geothermie-Heizprojekt Nordchinas zeigt, wie Leistungselektroniktechnologie die Entnahme von geothermischem Wasser aus Tiefbrunnen und einen bedarfsorientierten Heizbetrieb unterstützen kann.
Durch die Kombination von dreistufiger NPC-Topologie, dedizierter RLC-Ausgangsfilterung, Langkabelspannungskompensation und SPS-basierter variabler Frequenzsteuerung adressiert das System wichtige Herausforderungen im Betrieb der Unterwasserpumpe.
Für Geothermie-Heizungsbetreiber und industrielle Pumpensystemintegratoren zeigt der Fall die Bedeutung, die Wechselrichtertopologie, Ausgangsfilterung und Steuerungsstrategie an die tatsächlichen elektrischen und hydraulischen Bedingungen der Installation anzupassen.
FGI setzt seine Erfahrung in Motorantrieb und Leistungselektronik weiterhin in industrielle Anwendungen ein, bei denen zuverlässige Pumpensteuerung, Betriebsflexibilität und energieeffiziente Systemleistung unerlässlich sind.
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FAQ
Wofür wird ein dreistufiger Mittelspannungs-Frequenzwandler bei der geothermischen Erwärmung verwendet?
Ein dreistufiger Mittelspannungs-Frequenzwandler regelt die Geschwindigkeit von geothermischen Wasserpumpen entsprechend dem Heizbedarf. Im Nordchina-Ölfeldprojekt wurde der FGI FG3000 eingesetzt, um tiefe Bohrloch-Tauchpumpen anzutreiben, den Langseilbetrieb zu unterstützen und die Durchflusskontrolle zu verbessern.
Warum eignet sich ein dreistufiger Inverter für tiefe Tiefbrunnen-Tauchpumpen?
Ein dreistufiger Wechselrichter liefert mehr Ausgangsspannungspegel als eine herkömmliche zweistufige Topologie. Dies kann die Ausgangsspannungsschritte und dv/dt reduzieren. In Kombination mit einem geeigneten Ausgangsfilter hilft es, elektrische Belastungen durch lange Stromkabel zu mindern.
Wie reduziert die Frequenzsteuerung den Energieverbrauch der Pumpe?
Die variable Frequenzregelung passt die Pumpengeschwindigkeit an den erforderlichen Durchfluss an. Bei Zentrifugalpumpen unter vergleichbaren Betriebsbedingungen kann der Leistungsbedarf ungefähr dem Quadrat der Drehzahl entsprechen, wobei die tatsächlichen Einsparungen jedoch vom Hydrauliksystem und dem Betriebspunkt abhängen.
Welche Rolle spielt ein LC-Ausgangsfilter in Anwendungen mit Langkabelpumpen?
Ein Ausgangsfilter dämpft hochfrequente Schaltkomponenten und hilft, reflektierte Wellenspannungsspitzen an den Motoranschlüssen zu reduzieren. Die Filterauswahl muss die Kabellänge, Motoreigenschaften, die Wechselfrequenz des Wechselrichters und den erforderlichen Betriebsbereich berücksichtigen.
Welches Geothermie-Heizprojekt hat den FGI FG3000 Wechselrichter verwendet?
Der FGI FG3000 wurde im westlichen Renqiu-Geothermieheizprojekt im Nordchinesischen Ölfeld eingesetzt. Die Projektinformationen spezifizieren drei FG3000-Einheiten, 12 Geothermiebrunnen, 13 Fernwärmeaustauschstationen und eine geplante Heizkapazität von 3 Millionen Quadratmetern.
