.jpg?imageView2/1/format/webp)
À mesure que l’énergie géothermique devient une composante de plus en plus importante des infrastructures de chauffage à faible émission de carbone, un contrôle fiable de la pompe est essentiel pour maintenir la circulation de l’eau et faire correspondre l’approvisionnement en chaleur avec la demande réelle. Dans un projet de chauffage géothermique dans l’ouest du champ pétrolifère de Renqiu, dans le nord de la Chine, trois convertisseurs FGI FG3000 à moyenne tension ont été installés pour actionner des pompes électriques submersibles fonctionnant à des profondeurs d’environ 400 mètres.
L’application combine la technologie des onduleurs à trois niveaux, un filtrage de sortie dédié et une régulation automatique de la fréquence pour relever les défis électriques et opérationnels liés au pompage en puits profonds.
North China Oilfield possède plus de 40 ans d’expérience dans le développement et l’utilisation des ressources géothermiques. Ses applications ont inclus la collecte et le transport de pétrole brut, le chauffage, le chauffage résidentiel dans les communautés pétrolifères, les applications agricoles et la production d’énergie thermique usée.
S’appuyant sur ses ressources géologiques et son expertise en exploration, le champ pétrolier a continué d’étendre le chauffage géothermique et d’améliorer l’utilisation de l’énergie thermique dans différentes applications.
Le projet de chauffage géothermique de Renqiu occidental a été un projet clé dans les champs pétrolifères en 2023. Selon les informations du projet, l’infrastructure de chauffage prévue comprenait :
1 station centrale de chaleur
12 puits géothermiques
13 stations d’échange thermique de district
12 km de conduites principales de chauffage
Près de 20 000 clients résidentiels
Une capacité totale de chauffage de 3 millions de m²
L’un des principaux défis techniques du projet était d’extraire de l’eau géothermique d’environ 400 mètres sous terre tout en maintenant un fonctionnement fiable de la pompe sur de longs câbles électriques.
FGI a appliqué son expérience dans les entraînements de pompes électriques submersibles, initialement développées pour des applications pétrolières, à l’extraction d’eau géothermique. Trois convertisseurs FG3000 à moyenne tension ont été sélectionnés pour réguler la vitesse de la pompe, soutenir le fonctionnement des moteurs longue distance et réduire la consommation d’énergie sous une demande de chauffage variable.
La série FGI FG3000 est un convertisseur de fréquence AC-DC-AC à trois niveaux à source de tension, disponible en configurations 1 140 V et 2 300 V.
Son circuit principal utilise une topologie à trois niveaux à point neutre (NPC). En distribuant la tension du lien DC entre les dispositifs de commutation de puissance, l’onduleur peut produire une sortie moyenne tension à l’aide de dispositifs semi-conducteurs de puissance avec une contrainte individuelle inférieure à une configuration à deux niveaux comparable.
La sortie à trois niveaux offre également plus d’étapes, aidant à améliorer la forme d’onde de sortie et à réduire le taux de variation de tension (dv/dt) ainsi que le contenu harmonique par rapport à une topologie conventionnelle à deux niveaux.
Topologie des PNJ à trois niveaux
Le FG3000 utilise un circuit principal à trois niveaux pour obtenir une sortie à moyenne tension et fréquence variable. Sa forme d’onde de tension optimisée aide à réduire les contraintes électriques du moteur et peut améliorer les performances de fonctionnement dans des applications de pompe exigeantes.
Réduction de la puissance de puissance et de la détente et meilleure compatibilité moteur
Comparé à un onduleur à deux niveaux, la topologie à trois niveaux réduit les niveaux de tension de sortie et peut aider à limiter la contrainte de tension sur le système d’isolation du moteur. La conception permet également l’utilisation de moteurs standards sans obligation de déclassement dans les conditions de fonctionnement spécifiées.
Filtrage de sortie dédié pour câbles longs
Les installations de pompes submersibles longue distance peuvent impliquer plusieurs kilomètres de câbles électriques. L’interaction entre les impulsions de commutation de l’onduleur et les caractéristiques du câble peut provoquer des pics de tension en ondes réfléchies aux bornes du moteur.
Le système FG3000 intègre un filtre de sortie passe-bas RLC conçu pour les charges de pompes électriques submersibles. Ce filtre aide à supprimer les composants à haute fréquence et à réduire le risque de tension excessive sur les bornes du moteur causée par les effets des câbles longs.
Compensation automatique de tension
Le lecteur prend en charge la compensation de tension de sortie pour compenser les chutes de tension le long des câbles d’alimentation. Cette fonction permet de maintenir des conditions de fonctionnement adaptées du moteur lorsque la pompe est située loin de l’armoire d’entraînement.
Compensation des fluctuations de tension de grille
L’onduleur inclut une fonction de régulation automatique de la tension pour aider à s’adapter aux variations de l’alimentation entrante, dans sa plage de fonctionnement spécifiée.
Soutien local à l’exploitation et à la maintenance
Une interface homme-machine (HMI) dédiée fournit des informations de fonctionnement, des paramètres et une assistance au dépannage. Un guide d’exploitation intégré aide les utilisateurs à accéder directement aux instructions depuis l’interface de contrôle.
Fonctions de protection multiples
Selon l’équipement de protection configuré, le système assure la protection contre des conditions telles que les courts-circuits, les surcourants, la sous-charge, la surcharge et la perte de phase. Un dispositif de commutation fréquence-puissance/fréquence variable est également prévu pour une flexibilité opérationnelle, sous réserve de la conception de commutation et de protection du système.
Le FG3000 est un onduleur à source de tension AC-DC-AC. La puissance AC entrante est convertie en courant continu, qui est ensuite convertie en sortie triphasée à fréquence variable via l’étage inverter.
Dans la topologie NPC à trois niveaux, deux condensateurs à liaison continue connectés en série établissent une référence au point médian. Des diodes de serrage relient le circuit de commutation à ce point médian, permettant à chaque phase de produire trois niveaux de tension par rapport au point médian du lien DC : tension positive sur demi-bus, zéro et tension négative sur demi-bus.
Ce niveau de tension supplémentaire offre une forme d’onde de sortie plus précise que la configuration conventionnelle à deux niveaux.
L’onduleur produit une sortie triphasée de modulation sinusoïdale de la largeur d’impulsion (SPWM). Parce que le moteur est une charge inductive, le courant moteur devient approximativement sinusoïdal dans des conditions de fonctionnement appropriées.
Pour les pompes à puits profonds, cependant, les caractéristiques électriques du câble ne peuvent être ignorées. Lorsque la sortie PWM passe à travers un long câble, un décalage d’impédance et des ondes réfléchies peut provoquer une surtension transitoire aux bornes du moteur. La contrainte électrique qui en résulte peut endommager l’isolation du moteur et réduire la durée de vie de l’équipement.
Pour cette raison, l’application FG3000 intègre un filtre passe-bas RLC dédié côté sortie. Le filtre atténue les composants de commutation haute fréquence avant qu’ils n’atteignent le long câble et le moteur submersible.
La combinaison de la topologie à trois niveaux et d’un filtrage de sortie dédié est particulièrement pertinente pour les installations de pompes à puits profonds où le mécanisme et le moteur sont séparés par de longues lignes de câble.
Le projet utilise un contrôle coordonné à fréquence variable pour ajuster la circulation de l’eau en fonction de la demande de chauffage. Les pompes côté primaire et secondaire fonctionnent selon des stratégies de contrôle différentes.
Du côté primaire, on utilise un contrôle de débit variable basé sur la différence de température.
Les capteurs de température mesurent les températures d’eau d’alimentation et de retour pertinentes. Le système de contrôle envoie la différence de température mesurée à un automate programmable (API), qui calcule la commande de fonctionnement requise et ajuste la fréquence de sortie de l’onduleur FGI FG3000.
Au fur et à mesure que la charge de chauffage change, la vitesse de la pompe peut être ajustée pour réguler la circulation de l’eau géothermique plutôt que de maintenir un débit constant quelle que soit la demande.
Le système peut également coordonner le nombre de pompes fonctionnantes côté primaire, pompes géothermiques côté source et unités de pompe à chaleur selon les différences de température d’alimentation et de retour d’eau.
Le système de circulation côté secondaire utilise un contrôle à pression différentielle constante.
Un émetteur à pression différentielle mesure la différence de pression entre les conduites d’alimentation et de retour. La valeur mesurée est envoyée à l’API, où un contrôleur à dérivée intégrale proportionnelle (PID) la compare à la différence de pression cible.
Le contrôleur ajuste ensuite la fréquence de fonctionnement de la pompe et le nombre de pompes en fonctionnement pour maintenir les conditions hydrauliques requises.
Lorsque le système ne peut pas atteindre l’équilibre de débit requis uniquement par un réglage de la vitesse de la pompe, une canalisation de dérivation peut être utilisée pour réguler la circulation.
Le système de contrôle communique via un réseau fieldbus. Les paramètres de fonctionnement et l’état du système sont affichés sur l’écran tactile de l’armoire de contrôle, assurant à la fois la coordination centralisée et l’opération locale.
En adaptant la puissance de la pompe à la demande réelle de chauffage, cette stratégie de contrôle permet d’éviter une circulation inutile et des pertes excessives par régulation.
Après son évaluation technique des équipements disponibles, le projet a adopté trois convertisseurs FGI FG3000 à moyenne tension pour le contrôle de la pompe submersible.
L’installation a démontré plusieurs avantages pratiques.
Le lecteur fournit une HMI dédiée et des procédures d’exploitation simples. Les opérateurs peuvent surveiller l’état de fonctionnement et utiliser l’interface pour accéder aux instructions pertinentes, rendant ainsi l’opération de routine plus pratique.
La fonction d’aide intégrée permet d’accéder à des indications de fonctionnement via l’écran tactile. Cela permet au personnel de maintenance de consulter les instructions lorsque nécessaire et soutient la familiarisation quotidienne avec l’équipement.
La topologie de sortie à trois niveaux, combinée au filtre passe-bas RLC dédié, aide à réduire la tension liée aux longs câbles. C’est important pour les moteurs submersibles installés à des centaines de mètres sous terre.
Cette combinaison est conçue pour améliorer la compatibilité électrique entre l’onduleur, le long câble d’alimentation et le moteur de la pompe.
Sous un fonctionnement conventionnel à fréquence fixe, le débit de la pompe peut être régulé en ajoutant une vanne à la tête de puits. Cette approche peut entraîner des pertes de régulation lorsque la pompe continue de fonctionner à une vitesse supérieure à la requise.
Grâce au contrôle à fréquence variable, le FG3000 ajuste la vitesse de la pompe en fonction du retour de température du système de chauffage. La plage de fréquences de fonctionnement rapportée dans ce projet était généralement de 35 à 45 Hz.
Pour une pompe centrifuge fonctionnant dans des conditions hydrauliques comparables, la demande en puissance suit approximativement le cube de la vitesse de rotation. Cette relation explique pourquoi la régulation de la vitesse peut offrir un potentiel d’économie d’énergie significatif lorsque les besoins en débit varient.
Les économies d’énergie réelles dépendent du point de fonctionnement de la pompe, de la hauteur statique, des caractéristiques du système hydraulique, de l’efficacité du moteur et des réglages de contrôle. Les informations originales du projet ne fournissent pas de réduction en pourcentage quantifiée de la consommation d’électricité.
L’HMI affiche les informations de fonctionnement et facilite l’enregistrement et le dépannage des données. Cela améliore l’accessibilité des informations opérationnelles pour le personnel de terrain.
L’application du convertisseur de fréquence à trois niveaux à tension moyenne dans le projet de chauffage géothermique des champs pétrolifères du nord de la Chine met en lumière plusieurs considérations techniques pertinentes pour l’extraction d’eau de puits profonds.
Premièrement, un système de pompe géothermique doit s’adapter à la demande de chauffage changeante sans dépendre entièrement de la régulation mécanique. Le contrôle à fréquence variable offre un moyen pratique d’ajuster la sortie de la pompe.
Deuxièmement, les connexions électriques longue distance nécessitent une attention particulière aux contraintes d’isolation des moteurs et à la surtension à onde réfléchie. Une topologie d’onduleur adaptée et un filtre de sortie dédié peuvent aider à résoudre ces problèmes.
Troisièmement, le chauffage géothermique nécessite une coordination entre la source de chaleur, l’équipement de pompe à chaleur, les pompes de circulation et le réseau de distribution. L’intégration de rétroaction de température, de contrôle de la pression différentielle et de régulation par API permet au fonctionnement de la pompe de répondre aux exigences du système.
Ces considérations sont pertinentes non seulement pour le chauffage géothermique, mais aussi pour d’autres applications de circulation industrielle de l’eau et de pompage profond où le débit variable, les longues distances de câbles et le fonctionnement fiable des moteurs sont essentiels.
L’application du convertisseur de fréquence à trois niveaux FGI FGI FG3000 à tension moyenne dans le projet de chauffage géothermique des champs pétrolifères du nord de la Chine démontre comment la technologie de l’électronique de puissance peut soutenir l’extraction d’eau géothermique en puits profonds et un fonctionnement de chauffage à la demande adapté à la demande.
En combinant la topologie NPC à trois niveaux, le filtrage de sortie RLC dédié, la compensation de tension sur câble long et le contrôle à fréquence variable basé sur des PLC, le système répond aux principaux défis du fonctionnement de la pompe submersible.
Pour les opérateurs de chauffage géothermique et les intégrateurs de systèmes de pompes industrielles, ce cas illustre l’importance d’adapter la topologie de l’onduleur, du filtrage de sortie et de la stratégie de contrôle aux conditions électriques et hydrauliques réelles de l’installation.
FGI continue d’appliquer son expérience en entraînement moteur et en électronique de puissance à des applications industrielles où un contrôle fiable des pompes, la flexibilité opérationnelle et les performances économes en énergie sont essentiels.
Vous vous intéressez à des solutions d’onduleur à moyenne tension pour les pompes de puits profonds, le chauffage géothermique ou la circulation industrielle de l’eau ? Contactez FGI pour discuter de vos exigences de candidature.
FAQ
À quoi sert un convertisseur de fréquence à trois niveaux à tension moyenne dans le chauffage géothermique ?
Un convertisseur de fréquence à trois niveaux à tension moyenne régule la vitesse des pompes à eau géothermiques en fonction de la demande de chauffage. Dans le projet du champ pétrolifère du nord de la Chine, le FGI FG3000 a été utilisé pour entraîner des pompes submersibles à puits profonds, soutenir l’exploitation de câbles longs et améliorer le contrôle du débit.
Pourquoi un onduleur à trois niveaux est-il adapté aux pompes submersibles à puits profonds ?
Un onduleur à trois niveaux fournit plus de niveaux de tension de sortie qu’une topologie conventionnelle à deux niveaux. Cela peut réduire les étapes-tension de sortie et la tension dv/dt. Combiné à un filtre de sortie adapté, il aide à réduire les contraintes électriques causées par les câbles d’alimentation longs.
Comment le contrôle à fréquence variable réduit-il la consommation d’énergie de la pompe ?
Le contrôle à fréquence variable ajuste la vitesse de la pompe pour correspondre au débit requis. Pour les pompes centrifuges dans des conditions de fonctionnement comparables, la demande en puissance peut suivre approximativement le cube de la vitesse de rotation, bien que les économies réelles dépendent du système hydraulique et du point de fonctionnement.
Quel est le rôle d’un filtre de sortie LC dans les applications de pompes à câble long ?
Un filtre de sortie atténue les composants de commutation à haute fréquence et aide à réduire les pics de tension en ondes réfléchies aux bornes du moteur. Le choix du filtre doit tenir compte de la longueur du câble, des caractéristiques du moteur, de la fréquence de commutation de l’onduleur et de la plage de fonctionnement requise.
Quel projet de chauffage géothermique a utilisé l’onduleur FGI FG3000 ?
Le FGI FG3000 a été utilisé dans le projet de chauffage géothermique de Renqiu occidental, dans le champ pétrolier du nord de la Chine. Les informations du projet précisent trois unités FG3000, 12 puits géothermiques, 13 stations d’échange thermique de district et une capacité de chauffage prévue de 3 millions de mètres carrés.
