.jpg?imageView2/1/format/webp)
مع تزايد أهمية الطاقة الحرارية الأرضية في البنية التحتية للتدفئة منخفضة الكربون، أصبح التحكم الموثوق في المضخات أمرا ضروريا للحفاظ على دوران المياه ومطابقة إمدادات الحرارة مع الطلب الفعلي. في مشروع تدفئة حرارية جوفية في غرب رينتشيو، حقل نفط شمال الصين، تم تركيب ثلاثة محولات تردد متوسطة الجهد FGI FG3000 لتشغيل مضخات كهربائية غاطسة تعمل على أعماق تقارب 400 متر.
يجمع التطبيق بين تقنية العاكس ثلاثي المستويات، وترشيح المخرجات المخصص، والتنظيم التلقائي للتردد لمعالجة التحديات الكهربائية والتشغيلية المرتبطة بضخ الآبار العميقة.
يمتلك حقل شمال الصين للنفط أكثر من 40 عاما من الخبرة في تطوير واستخدام موارد الطاقة الحرارية الأرضية. شملت تطبيقاته جمع النفط الخام وتدفئة النقل، والتدفئة السكنية في مجتمعات حقول النفط، والتطبيقات الزراعية، وتوليد الطاقة بالحرارة المهدرة.
استنادا إلى موارده الجيولوجية وخبرته في الاستكشاف، واصل حقل النفط توسيع التدفئة الحرارية الأرضية وتحسين استخدام الطاقة الحرارية عبر تطبيقات مختلفة.
كان مشروع التدفئة الحرارية الجوفية في غرب رينتشيو مشروعا رئيسيا لحقل نفط في عام 2023. وفقا لمعلومات المشروع، شملت البنية التحتية للتدفئة المخططة:
محطة مصدر حرارة مركزية واحدة
12 بئرا للطاقة الحرارية الجوفية
13 محطة تبادل حرارة في المناطق
12 كم من أنابيب التدفئة الرئيسية
ما يقرب من 20,000 عميل سكني
السعة الإجمالية للتدفئة تبلغ 3 ملايين متر مربع
كان أحد التحديات التقنية الرئيسية للمشروع هو استخراج المياه الحرارية الأرضية من عمق يقارب 400 متر تحت الأرض مع الحفاظ على تشغيل المضخة بشكل موثوق عبر كابلات طاقة طويلة.
طبقت FGI خبرتها في محركات المضخات الكهربائية الغاطسة، التي تم تطويرها أصلا لتطبيقات حقول النفط، على استخراج المياه الحرارية الأرضية. تم اختيار ثلاثة محولات تردد جهد متوسط من FG3000 لتنظيم سرعة المضخة، ودعم تشغيل المحرك لمسافات طويلة، وتقليل استهلاك الطاقة تحت الحاجة المتغيرة للحرارة.
سلسلة FGI FG3000 هي محول تردد ثلاثي المستويات بمصدر جهد كهربائي متردد متوفر بترددات 1,140 فولت و2,300 فولت.
تستخدم دائرته الرئيسية طوبولوجيا نقطة تثبيت متعادلة (NPC) ثلاثية المستويات. من خلال توزيع جهد الربط المستمر عبر أجهزة تبديل الطاقة، يمكن للعاكس إنتاج خرج جهد متوسط باستخدام أجهزة أشباه الموصلات ذات إجهاد جهد فردي أقل من ترتيب مستويين مماثل.
يوفر المخرج ذو المستويات الثلاثة أيضا خطوات جهد أكثر، مما يساعد على تحسين شكل موجة الإخراج وتقليل معدل تغير الجهد (dv/dt) والمحتوى التوافقي مقارنة بالطوبولوجيا التقليدية ذات المستويين.
طوبولوجيا NPC ذات المستويات الثلاثة
يستخدم FG3000 دائرة رئيسية ثلاثية المستويات لتحقيق خرج متوسط الجهد وتردد متغير. شكل موجة الجهد المحسن يساعد في تقليل الإجهاد الكهربائي للمحرك ويمكن أن يحسن أداء التشغيل في تطبيقات المضخات المتطلبة.
تقليل dv/dt وتحسين توافق المحركات
مقارنة بالعاكس ذي المستويين، فإن الطوبولوجيا ذات المستويات الثلاثة تقلل من خطوات جهد الخرج ويمكن أن تساعد في تقليل إجهاد الجهد على نظام عزل المحرك. يدعم التصميم أيضا استخدام المحركات القياسية دون الحاجة إلى خفض التصنيف تحت ظروف التشغيل المحددة.
تصفية مخرجات مخصصة للكابلات الطويلة
قد تتطلب تركيبات مضخات الغاطس لمسافات طويلة عدة كيلومترات من كابلات الطاقة. يمكن أن يؤدي التفاعل بين نبضات تبديل العاكس وخصائص الكابل إلى ارتفاع موجات موجة منعكسة في جهد المحرك.
يدمج نظام FG3000 فلتر خرج منخفض التمرير RLC مصمم لتحمل أحمال المضخة الكهربائية الغاطسة. يساعد هذا المرشح في تقليل المكونات عالية التردد وتقليل خطر الجهد المفرط في الطرف المحركي الناتج عن تأثيرات الكابلات الطويلة.
تعويض الجهد التلقائي
يدعم القرص تعويض جهد الخرج لمعالجة انخفاضات الجهد على طول كابلات الطاقة الطويلة. تساعد هذه الوظيفة في الحفاظ على ظروف تشغيل المحرك المناسبة عندما تكون المضخة بعيدة عن خزانة الدفع.
تعويض تذبذب جهد الشبكة
يحتوي العاكس على وظيفة تنظيم الجهد التلقائي للمساعدة في استيعاب التغيرات في مصدر الطاقة الوارد، ضمن نطاق التشغيل المحدد.
دعم التشغيل والصيانة المحلي
توفر واجهة الإنسان والآلة (HMI) المخصصة معلومات التشغيل، وإعدادات المعلمات، والمساعدة في استكشاف المشكلة. يساعد دليل التشغيل المدمج المستخدمين على الوصول إلى التعليمات مباشرة من واجهة التحكم.
وظائف حماية متعددة
اعتمادا على معدات الحماية المكونة، يدعم النظام الحماية من حالات مثل الدوائر القصيرة، والتيار الزائد، والحمل المنخفض، والحمل الزائد، وفقدان الطور. كما يوفر ترتيب تبديل تردد الطاقة/التردد المتغير لضمان المرونة التشغيلية، مع مراعاة تصميم التحويل والحماية للنظام.
FG3000 هو عاكس مصدر جهد من نوع AC-DC-AC. يتم تحويل الطاقة التيار المترددة الواردة إلى تيار مستمر، ثم يتم تحويلها إلى مخرج ثلاثي الطور بتردد متغير عبر مرحلة العاكس.
في طوبولوجيا NPC ذات المستويات الثلاثية، يقوم مكثفان متصلان متسلسلين بتوصيل DC بإنشاء مرجع نقطة وسط. تربط صمامات التثبيت دائرة التحويل بهذه النقطة الوسطى، مما يسمح لكل طور بإنتاج ثلاثة مستويات جهد بالنسبة لنقطة منتصف الوصل المستمر (DC-link): جهد نصف ناقل موجب، جهد صفر، وسلبي جهد نصف ناقل.
يوفر هذا المستوى الإضافي من الجهد موجة خرج أكثر دقة من الترتيب التقليدي ذو المستويين.
ينتج العاكس خرجا ثلاثي الطور لتعديل عرض النبضة (SPWM). نظرا لأن المحرك هو حمل حثي، يصبح تيار المحرك تقريبا جيبيا تحت ظروف التشغيل المناسبة.
أما بالنسبة لمضخات البئر العميقة، فلا يمكن تجاهل الخصائص الكهربائية للكابل. عندما يمر خرج PWM عبر كابل طويل، يمكن أن تسبب عدم تطابق الممانعة والموجات المنعكسة جهدا زائدا عابرا عند أطراف المحرك. الإجهاد الكهربائي الناتج يمكن أن يضر بعزل المحرك ويقلل من عمر خدمة المعدات.
لهذا السبب، يتضمن تطبيق FG3000 مرشح تمرير منخفض مخصص ل RLC على جانب الإخراج. يقوم المرشح بتخفيف مكونات التبديل عالية التردد قبل أن تصل إلى الكابل الطويل والمحرك الغاطس.
يعد الجمع بين الطوبولوجيا ثلاثية المستويات والترشيح المخصص للخرج ذا صلة خاصة في تركيبات مضخات البئر العميق حيث يفصل بين المحرك والمحرك بسلاسل طويلة من الكابلات.
يستخدم المشروع التحكم المنسق في التردد المتغير لضبط دوران المياه وفقا لطلب التدفئة. تعمل مضخات الجانب الأساسي والثانوي تحت استراتيجيات تحكم مختلفة.
على الجانب الأساسي، يستخدم التحكم في التدفق المتغير القائم على فرق درجة الحرارة.
تقيس حساسات درجة الحرارة درجات حرارة المياه المهمة ذات الصلة والإمداد والعودة. يرسل نظام التحكم فرق درجة الحرارة المقاس إلى وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، تقوم بحساب أمر التشغيل المطلوب وتضبط تردد خرج عاكس FGI FG3000.
مع تغير حمل التسخين، يمكن ضبط سرعة المضخة لتنظيم دوران المياه الحرارية الأرضية بدلا من الحفاظ على معدل تدفق ثابت بغض النظر عن الطلب.
يمكن للنظام أيضا تنسيق عدد المضخات التشغيلية في الجانب الأولي، ومضخات المصدر الأرضي، ووحدات المضخات الحرارية وفقا لفروق درجة حرارة المياه في الإمداد والعودة.
يستخدم نظام الدوران الثانوي التحكم في الضغط التفاضلي الثابت.
يقيس جهاز إرسال الضغط الفارق فرق الضغط بين خطوط الأنابيب للإمداد والعودة. ترسل القيمة المقاسة إلى PLC، حيث يقارن متحكم المشتقة التناسبية التكاملية (PID) ذلك مع فرق الضغط المستهدف.
يقوم المتحكم بعد ذلك بضبط تردد تشغيل المضخة وعدد المضخات التشغيلية للحفاظ على الظروف الهيدروليكية المطلوبة.
عندما لا يستطيع النظام تحقيق توازن التدفق المطلوب من خلال ضبط سرعة المضخة فقط، يمكن استخدام خط أنابيب تجاوز لتنظيم الدوران.
يتواصل نظام التحكم عبر شبكة حافلة الميدان. تعرض معلمات التشغيل وحالة النظام على شاشة اللمس في خزانة التحكم، مما يدعم كل من التنسيق المركزي والتشغيل المحلي.
من خلال مطابقة خرج المضخة مع الطلب الفعلي على التدفئة، تساعد هذه الاستراتيجية في التحكم على تجنب الدوران غير الضروري وخسائر الاختناق المفرطة.
بعد التقييم الفني للمعدات المتاحة، اعتمد المشروع ثلاثة محولات تردد FGI FG3000 ذات جهد متوسط للتحكم في المضخات الغاطسة.
أظهر التركيب عدة فوائد عملية.
يوفر المحرك نظام HMI مخصص وإجراءات تشغيل مباشرة. يمكن للمشغلين مراقبة حالة التشغيل واستخدام الواجهة للوصول إلى التعليمات ذات الصلة، مما يجعل التشغيل الروتيني أكثر سهولة.
توفر وظيفة المساعدة المدمجة الوصول إلى إرشادات التشغيل عبر شاشة اللمس. يتيح ذلك لموظفي الصيانة استشارة التعليمات عند الحاجة ويدعم التعرف اليومي على المعدات.
تساعد طوبولوجيا الخرج ذات المستويات الثلاثية، إلى جانب مرشح RLC المخصص منخفض التمرير، في تقليل إجهاد الجهد المرتبط بتمريرات الكابلات الطويلة. وهذا مهم للمحركات الغاطسة التركب على عمق مئات الأمتار تحت الأرض.
تم تصميم هذا المزيج لتحسين التوافق الكهربائي بين العاكس، وكابل الطاقة الطويل، ومحرك المضخة.
في التشغيل التقليدي بتردد ثابت، يمكن تنظيم تدفق المضخة بإضافة صمام عند رأس البئر. يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى خسائر في الاختناق عندما تستمر المضخة في العمل بسرعة أعلى من المطلوب.
مع التحكم في التردد المتغير، يقوم FG3000 بضبط سرعة المضخة استجابة لتغذية فعل نظام التدفئة في درجة الحرارة. كان نطاق تردد التشغيل المبلغ عنه في هذا المشروع عموما بين 35–45 هرتز.
بالنسبة لمضخة طرد مركزي تعمل تحت ظروف هيدروليكية مماثلة، يتبع الطلب على الطاقة تقريبا مكعب سرعة الدوران. تفسر هذه العلاقة لماذا يمكن لتنظيم السرعة أن يوفر إمكانات كبيرة لتوفير الطاقة عندما تختلف متطلبات التدفق.
تعتمد التوفير الفعلي في الطاقة على نقطة تشغيل المضخة، الرأس الثابت، خصائص النظام الهيدروليكي، كفاءة المحرك، وإعدادات التحكم. المعلومات الأصلية للمشروع لا توفر نسبة منخفضة كمية في استهلاك الكهرباء.
يعرض HMI معلومات التشغيل ويسهل تسجيل البيانات وحل المشكلة. هذا يحسن من سهولة الوصول إلى المعلومات التشغيلية للأفراد الميدانيين.
يسلط تطبيق محول التردد ثلاثي المستويات متوسط الجهد في مشروع التدفئة الحرارية الأرضية لحقول شمال الصين النفطي عدة اعتبارات هندسية ذات صلة باستخراج مياه الآبار العميقة.
أولا، يجب أن يستوعب نظام المضخة الحرارية الأرضية متطلبات التدفئة المتغير دون الاعتماد كليا على التخفيف الميكانيكي. يوفر التحكم في التردد المتغير وسيلة عملية لضبط خرج المضخة.
ثانيا، تتطلب الاتصالات الكهربائية لمسافات طويلة اهتماما دقيقا بإجهاد عزل المحرك والجهد الزائد الناتج عن الموجة المنعكسة. يمكن أن تساعد طوبولوجيا العاكس المناسبة ومرشح خرج مخصص في معالجة هذه المشكلات.
ثالثا، يتطلب التدفئة الحرارية الأرضية تنسيقا بين مصدر الحرارة، ومعدات المضخات الحرارية، ومضخات الدوران، وشبكة التوزيع. يتيح دمج تغذية راجعة درجة الحرارة، والتحكم في الضغط التفاضلي، والتنظيم المعتمد على PLC لتشغيل المضخة استجابة لمتطلبات النظام.
هذه الاعتبارات ذات صلة ليس فقط بالتسخين الحراري الأرضي، بل أيضا بتطبيقات تدوير المياه الصناعية وضخ الآبار العميقة الأخرى حيث يكون التدفق المتغير، والمسافات الطويلة على الكابلات، والتشغيل الموثوق للمحرك أمرا مهما.
يظهر تطبيق محول التردد المتوسط الجهد FGI FG3000 في مشروع التدفئة الحرارية الجوفية في حقل شمال الصين كيف يمكن لتقنية إلكترونيات الطاقة دعم استخراج المياه الحرارية الأرضية في الآبار العميقة وتشغيل التسخين استجابة للطلب.
من خلال دمج طوبولوجيا NPC ثلاثية المستويات، وترشيح مخرجات RLC مخصص، وتعويض الجهد بالكابل الطويل، والتحكم في التردد المتغير المعتمد على PLC، يعالج النظام التحديات الرئيسية في تشغيل المضخات الغاطسة.
بالنسبة لمشغلي التدفئة الحرارية الأرضية ومدمجي أنظمة المضخات الصناعية، توضح الحالة أهمية مطابقة طوبولوجيا العاكس، وتصفية المخرجات، واستراتيجية التحكم مع الظروف الكهربائية والهيدروليكية الفعلية للتركيب.
تواصل FGI تطبيق خبرتها في نظام الدفع المحرك والإلكترونيات الكهربائية على التطبيقات الصناعية حيث تعتبر التحكم الموثوق في المضخات والمرونة التشغيلية وأداء النظام الموفر للطاقة أمرا أساسيا.
هل تهتم بحلول العاكس المتوسط الجهد لمضخات الآبار العميقة، أو التدفئة الحرارية الأرضية، أو دوران المياه الصناعية؟ تواصل مع FGI لمناقشة متطلبات طلبك.
الأسئلة الشائعة
ما هو استخدام محول التردد ثلاثي المستويات ذو الجهد المتوسط في التدفئة الحرارية الأرضية؟
ينظم محول التردد الثلاثي المستويات متوسط الجهد سرعة مضخات المياه الحرارية الأرضية وفقا لطلب التدفئة. في مشروع حقل شمال الصين النفطي، استخدم FGI FG3000 لتشغيل مضخات الغواصات العميقة، ودعم تشغيل الكابل الطويل، وتحسين التحكم في التدفق.
لماذا يعتبر العاكس ذو المستويات الثلاثة مناسبا لمضخات الغاطس العميقة؟
يوفر العاكس ذو المستويات الثلاثة مستويات جهد خرج أكثر من الطوبولوجيا التقليدية ذات المستويين. هذا يمكن أن يقلل من خطوات جهد الخرج وتقليل الجهد الخارجي. عند دمجه مع فلتر خرج مناسب، يساعد في تخفيف الإجهاد الكهربائي الناتج عن كابلات الطاقة الطويلة.
كيف يقلل التحكم في الترددات المتغيرة من استهلاك طاقة المضخة؟
يقوم التحكم بتردد متغير بضبط سرعة المضخة لتتناسب مع التدفق المطلوب. بالنسبة للمضخات الطرد المركزي في ظروف تشغيل مماثلة، يمكن أن يتبع الطلب على الطاقة تقريبا مكعب سرعة الدوران، رغم أن التوفير الفعلي يعتمد على النظام الهيدروليكي ونقطة التشغيل.
ما هو دور مرشح إخراج LC في تطبيقات مضخات الكابل الطويل؟
يقوم مرشح الإخراج بتخفيف مكونات التبديل عالية التردد ويساعد في تقليل ارتفاعات الجهد الموجة المنعكسة عند أطراف المحرك. يجب أن يأخذ اختيار المرشح في الاعتبار طول الكابل، وخصائص المحرك، وتردد تبديل العاكس، ونطاق التشغيل المطلوب.
ما هو مشروع التدفئة الحرارية الأرضية الذي استخدم عاكس FGI FG3000؟
تم تطبيق FGI FG3000 في مشروع التدفئة الحرارية الجوفية في غرب رينتشيو في حقل نفط شمال الصين. تحدد معلومات المشروع ثلاث وحدات FG3000، و12 بئرا حراريا جوفية، و13 محطة تبادل حراري منطقي، وقدرة تدفئة مخططة تبلغ 3 ملايين متر مربع.
