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地熱エネルギーが低炭素暖房インフラの重要な一部となる中、信頼性の高いポンプ制御は水の循環を維持し、熱供給と実際の需要を合わせるために不可欠です。華北油田の仁丘西部で行われた地熱加熱プロジェクトでは、約400メートルの深さで稼働する潜水式電動ポンプを駆動するために、FGI FG3000中電圧周波数変換器3基が設置されました。
この用途は、3レベルインバーター技術、専用の出力フィルタリング、自動周波数調整を組み合わせ、深井戸ポンプに伴う電気的および運用上の課題に対応しています。
北中国油田は地熱資源の開発と利用において40年以上の経験を持っています。その用途には、原油の集積・輸送暖房、油田コミュニティの住宅暖房、農業用途、廃熱発電などが含まれます。
地質資源と探査の専門知識を活かし、油田は地熱加熱の拡大を続け、さまざまな用途で熱エネルギーの利用を向上させています。
西仁丘地熱暖房プロジェクトは、2023年の重要な油田プロジェクトでした。プロジェクト情報によると、計画中の暖房インフラは以下の通りです:
1つの中央熱源ステーション
12の地熱井戸
13の地区熱交換ステーション
12kmの主要暖房管
約2万人の住宅顧客
総暖房容量は300万平方メートルです
プロジェクトの主要な技術的課題の一つは、地下約400メートルから地熱水を抽出しつつ、長い電力ケーブル上で安定したポンプ運転を維持することでした。
FGIは、もともと油田用途向けに開発された潜水式電動ポンプドライブの経験を地熱水の抽出に応用しました。ポンプ速度の調整、長距離モーター運転のサポート、変動熱需時のエネルギー消費削減のために、3台のFG3000中電圧周波数変換器が選ばれました。
FGI FG3000シリーズは、3レベルの電圧源を持つAC-DC-AC周波数コンバータで、1,140 Vおよび2,300 Vの構成で提供されています。
その主回路は3レベル中性点クランプ(NPC)トポロジーを使用しています。直流リンク電圧を電力スイッチングデバイス間に分配することで、インバータは同等の二段位構成よりも個々の電圧ストレスが低いパワー半導体を用いて中電圧出力を生成できます。
3レベル出力はさらに多くの電圧ステップを提供し、出力波形の改善や電圧変化率(dv/dt)および高調波成分の低減に寄与します。
三層位相 NPC 位相
FG3000は3レベルのメイン回路を使用して中電圧可変周波数出力を実現しています。最適化された電圧波形により、モーターの電気的負荷を軽減し、負荷の高いポンプ用途での動作性能向上に寄与します。
dv/dtの低減とモーター互換性の向上
2レベルインバータと比較して、3レベルトポロジーは出力電圧のステップを低減し、モーター絶縁システムへの電圧応力を抑えるのに役立ちます。この設計は、指定された動作条件下で強制的な減格なしの標準モーターの使用もサポートしています。
長ケーブル専用の出力フィルタリング
長距離潜水ポンプ設置は数キロメートルの電力ケーブルを含むことがあります。インバータスイッチングパルスとケーブル特性の相互作用により、モーター端子で反射波電圧スパイクが発生することがあります。
FG3000システムは、潜水式電動ポンプ負荷向けに設計されたRLCローパス出力フィルターを組み込んでいます。このフィルターは高周波成分を抑制し、長ケーブルの影響による過剰なモーター端子電圧のリスクを低減します。
自動電圧補償
このドライブは、長い電源ケーブルに沿った電圧降下に対応するための出力電圧補償に対応しています。この機能は、ポンプがドライブキャビネットから遠く離れた場所にある場合でも適切なモーター動作条件を維持するのに役立ちます。
グリッド電圧変動補償
インバーターには、指定された動作範囲内で入力電源の変化に対応するための自動電圧調整機能が含まれています。
現地運用および整備支援
専用の人間・機械インターフェース(HMI)が、操作情報、パラメータ設定、トラブルシューティング支援を提供します。統合された操作ガイドにより、ユーザーは操作インターフェースから直接指示にアクセスできます。
多重保護機能
構成された保護装置によっては、短絡、過電流、過負荷、過負荷、位相損失などの状況に対する保護をサポートします。また、システムのスイッチングおよび保護設計に応じて運用の柔軟性を高めるために、電力周波数/可変周波数のスイッチング方式も提供されています。
FG3000はAC-DC-AC電圧源インバータです。入力された交流電力は直流電力に変換され、その後インバータ段を通じて可変周波数の三相出力に変換されます。
3レベルNPCトポロジーでは、2つの直列接続直流リンクコンデンサが中間点参照を確立します。クランプダイオードはスイッチング回路をこの中間点に接続し、各相はDCリンクの中間点に対して3つの電圧レベル(正の半バス電圧、ゼロ、負の半バス電圧)を生成できるようにします。
この追加の電圧レベルにより、従来の2レベル配置よりもより洗練された出力波形が得られます。
インバータは三相正弦波幅変調(SPWM)出力を生成します。モーターは誘導負荷であるため、適切な動作条件下ではモーター電流はほぼ正弦波になります。
しかし、ディープウェルポンプの場合、ケーブルの電気的特性は無視できません。PWMの出力が長いケーブルを通ると、インピーダンスの不整合や反射波がモーター端子で一時的な過電圧を引き起こすことがあります。その結果生じる電気的ストレスはモーター絶縁を損傷し、機器の使用寿命を短くすることがあります。
このため、FG3000アプリケーションには出力側に専用のRLCローパスフィルターが組み込まれています。フィルターは高周波スイッチング部品が長いケーブルや潜水モーターに到達する前に減衰させます。
三層トポロジーと専用の出力フィルタリングの組み合わせは、ドライブとモーターが長いケーブルで分離される深井ポンプ設置に特に重要です。
このプロジェクトでは、暖房需要に応じて水の循環を調整するために調整された可変周波数制御を用いています。一次側と二次側のポンプは異なる制御戦略で動作します。
一次側では、温度差に基づく可変流量制御が用いられています。
温度センサーは給水温度と戻水温度を測定します。制御システムは測定された温度差をプログラム可能なロジックコントローラ(PLC)に送信し、PLCは必要な動作指令を計算し、FGI FG3000インバーターの出力周波数を調整します。
加熱負荷の変化に応じて、需要に関係なく一定流量を維持するのではなく、地熱水の循環を調整するためにポンプの速度を調整できます。
また、供給水と戻水の温度差に応じて、運転中の一次側ポンプ、地熱源側ポンプ、ヒートポンプユニットの数を調整することも可能です。
二次側循環システムは一定差圧制御を採用しています。
差圧トランスミッターは給水管とリターン管間の圧力差を測定します。測定値はPLCに送られ、比例積分微分(PID)コントローラが目標圧力差と比較します。
その後、コントローラーはポンプの運転頻度と稼働ポンプの数を調整し、必要な水力条件を維持します。
ポンプ速度調整だけでは必要な流量バランスが得られない場合、バイパスパイプラインを用いて循環調整が可能です。
制御システムはフィールドバスネットワークを通じて通信します。操作パラメータやシステムの状態は制御キャビネットのタッチスクリーンに表示され、集中管理とローカル運用の両方をサポートします。
ポンプ出力を実際の暖房需要にマッチさせることで、この制御戦略は不要な循環や過度のスロットリング損失を回避します。
利用可能な機器の技術的評価を経て、プロジェクトは潜水ポンプ制御用に3台のFGI FG3000中電圧周波数変換器を採用しました。
この設置はいくつかの実用的な利点を示しました。
このドライブは専用のHMIとシンプルな操作手順を提供します。オペレーターは操作状況を監視し、インターフェースを使って関連する指示にアクセスでき、日常操作をより便利にします。
内蔵ヘルプ機能により、タッチスクリーンを通じて操作案内にアクセスできます。これにより、メンテナンス担当者は必要に応じて指示を参照でき、日々の機器慣れも支援できます。
3レベル出力トポロジーと専用のRLCローパスフィルターは、長距離ケーブルに伴う電圧ストレスの軽減に寄与します。これは、地下数百メートルに設置された潜水式モーターにとって重要です。
この組み合わせは、インバーター、長い電源ケーブル、ポンプモーター間の電気的互換性を向上させることを目的としています。
従来の固定周波数運転では、井戸口にバルブを追加することでポンプ流量を調整できます。この方法は、ポンプが要求速度を超えて運転し続けるとスロットリング損失が発生することがあります。
可変周波数制御により、FG3000は暖房システムの温度フィードバックに応じてポンプの速度を調整します。このプロジェクトで報告された動作周波数帯域は一般的に35〜45 Hzでした。
同様の油圧条件下で動作する遠心ポンプの場合、動力需要は回転速度の三乗におおよそ従います。この関係性から、流量要求が変わる際に速度調整が大きな省エネ効果をもたらす理由が説明されています。
実際のエネルギー節約は、ポンプの動作点、静止ヘッド、油圧システムの特性、モーター効率、制御設定によって異なります。元のプロジェクト情報では、電力消費の定量的な削減率は提供されていません。
HMIは動作情報を表示し、データ記録やトラブルシューティングを支援します。これにより、現場要員の運用情報へのアクセスが向上しています。
華北油田地熱加熱プロジェクトにおける中電圧三準周波数変換器の応用は、深井戸水抽出に関連するいくつかの工学的考慮事項を浮き彫りにしています。
まず、地熱ポンプシステムは機械的なスロットリングに完全に依存せずに変化する加熱需要に対応しなければなりません。可変周波数制御は、ポンプ出力を実用的に調整する手段を提供します。
次に、長距離電気接続ではモーター絶縁応力や反射波過電圧への注意が必要です。適切なインバータートポロジーと専用の出力フィルターがあれば、これらの問題を解決できます。
第三に、地熱暖房には熱源、ヒートポンプ設備、循環ポンプ、配水網間の連携が必要です。温度フィードバック、差圧制御、PLCベースの調整を統合することで、ポンプの運転はシステム要件に対応できます。
これらの考慮事項は地熱加熱だけでなく、変動流量、長距離ケーブル距離、信頼性の高いモーター運転が重要な他の産業用水循環や深井戸ポンプ用途にも関係しています。
北中国油田地熱加熱プロジェクトにおけるFGI FG3000中電圧三準位周波数変換器の応用は、パワーエレクトロニクス技術が深井地熱水の抽出や需要応答型暖房運転を支援できることを示しています。
3層NPCトポロジー、専用RLC出力フィルタリング、長ケーブル電圧補償、PLCベースの可変周波数制御を組み合わせることで、潜水ポンプ運転における主要な課題に取り組みます。
地熱暖房オペレーターや産業用ポンプシステム統合業者にとって、この事例はインバーターのトポロジー、出力フィルタリング、制御戦略を実際の電気的および水理的条件に適合させることの重要性を示しています。
FGIは、信頼性の高いポンプ制御、運用の柔軟性、エネルギー効率の高いシステム性能が不可欠な産業用途に、モータードライブおよびパワーエレクトロニクスの経験を引き続き適用しています。
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FAQ
地熱暖房で使われる中電圧の三準周波数コンバータとは何ですか?
中電圧の三レベル周波数変換器は、加熱需要に応じて地熱水ポンプの速度を調整します。華北油田プロジェクトでは、FGI FG3000が深井潜水ポンプの駆動、長距離ケーブル運用の支援、流量制御の改善に使用されました。
なぜ3レベルインバーターは深井の潜水ポンプに適したのでしょうか?
3レベルインバータは、従来の2レベルトポロジーよりも多くの出力電圧レベルを提供します。これにより出力電圧のステップやdv/dtを低減できます。適切な出力フィルターと組み合わせることで、長い電源ケーブルによる電気的ストレスを軽減するのに役立ちます。
可変周波数制御はどのようにポンプのエネルギー消費を削減するのでしょうか?
可変周波数制御はポンプの速度を調整し、必要な流量に合わせます。同様の運転条件下での遠心ポンプでは、動力需要は回転速度の三乗におおよそ従うことができますが、実際の節約は油圧システムや作動点に依存します。
長距離ケーブルポンプ用途におけるLC出力フィルターの役割は何ですか?
出力フィルターは高周波スイッチング部品を減衰させ、モーター端子での反射波電圧スパイクを低減します。フィルターの選択はケーブル長、モーター特性、インバータスイッチング周波数、必要な動作範囲を考慮しなければなりません。
FGI FG3000インバーターを使用した地熱暖房プロジェクトはどこですか?
FGI FG3000は、華北油田の西部仁丘地熱加熱プロジェクトに適用されました。プロジェクト情報には、3基のFG3000ユニット、12基の地熱井戸、13の地区熱交換ステーション、そして計画中の暖房容量300万平方メートルが指定されています。
