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À medida que a energia geotérmica se torna uma parte cada vez mais importante da infraestrutura de aquecimento de baixo carbono, o controle confiável das bombas é essencial para manter a circulação de água e igualar o fornecimento de calor com a demanda real. Em um projeto de aquecimento geotérmico no oeste de Renqiu, no Campo Petrolífero do Norte da China, três conversores de frequência de média tensão FGI FG3000 foram instalados para acionar bombas elétricas submersíveis operando a profundidades de aproximadamente 400 metros.
A aplicação combina tecnologia de inversor de três níveis, filtragem dedicada de saída e regulação automática de frequência para enfrentar os desafios elétricos e operacionais associados ao bombeamento em poços profundos.
O North China Oilfield possui mais de 40 anos de experiência no desenvolvimento e utilização de recursos geotérmicos. Suas aplicações incluíram coleta e transporte de petróleo bruto, aquecimento por meio de petróleo, aquecimento residencial em comunidades petrolíferas, aplicações agrícolas e geração de energia por calor residual.
Aproveitando seus recursos geológicos e expertise em exploração, o campo petrolífero continuou a expandir o aquecimento geotérmico e a melhorar a utilização da energia térmica em diferentes aplicações.
O projeto de aquecimento geotérmico do oeste de Renqiu foi um projeto chave do campo petrolífero em 2023. De acordo com as informações do projeto, a infraestrutura de aquecimento planejada incluía:
1 estação central de fonte de calor
12 poços geotérmicos
13 estações distritais de troca de calor
12 km de tubulações principais de aquecimento
Quase 20.000 clientes residenciais
Uma capacidade total de aquecimento de 3 milhões de m²
Um dos principais desafios técnicos do projeto foi extrair água geotérmica de aproximadamente 400 metros de profundidade, mantendo a operação confiável da bomba sobre cabos de energia longos.
A FGI aplicou sua experiência em acionamentos de bombas elétricas submersíveis, originalmente desenvolvidas para aplicações em campos petrolíferos, à extração de água geotérmica. Três conversores de frequência de média tensão FG3000 foram selecionados para regular a velocidade da bomba, apoiar o funcionamento de motores a longa distância e reduzir o consumo de energia sob demanda variável de aquecimento.
A série FGI FG3000 é um conversor de frequência AC-DC-AC de três níveis com fonte de voltagem, disponível nas configurações de 1.140 V e 2.300 V.
Seu circuito principal utiliza uma topologia de três níveis com ponto neutro (NPC). Ao distribuir a tensão do link DC entre os dispositivos de comutação de potência, o inversor pode produzir saída de média tensão usando dispositivos semicondutores de potência com menor tensão individual do que um arranjo de dois níveis comparável.
A saída de três níveis também oferece mais passos de tensão, ajudando a melhorar a forma de onda de saída e reduzir a taxa de variação de tensão (dv/dt) e o conteúdo harmônico em comparação com uma topologia convencional de dois níveis.
Topologia NPC de três níveis
A FG3000 utiliza um circuito principal de três níveis para alcançar saída de frequência variável de média tensão. Sua forma de onda de tensão otimizada ajuda a reduzir o estresse elétrico do motor e pode melhorar o desempenho operacional em aplicações exigentes de bombas.
Redução de dv/dt e melhor compatibilidade de motores
Comparado a um inversor de dois níveis, a topologia de três níveis reduz os passos de tensão de saída e pode ajudar a limitar o estresse de tensão no sistema de isolamento do motor. O projeto também suporta o uso de motores padrão sem desclassificação obrigatória sob as condições de operação especificadas.
Filtragem de saída dedicada para cabos longos
Instalações de bombas submersíveis de longa distância podem envolver vários quilômetros de cabo de energia. A interação entre os pulsos de comutação do inversor e as características dos cabos pode produzir picos de tensão em onda refletida nos terminais do motor.
O sistema FG3000 incorpora um filtro passa-baixa RLC projetado para cargas de bombas elétricas submersíveis. Esse filtro ajuda a suprimir componentes de alta frequência e reduz o risco de tensão excessiva nos terminais do motor causada por efeitos de cabos longos.
Compensação automática de tensão
O drive suporta compensação de tensão de saída para lidar com quedas de tensão ao longo de cabos de alimentação longos. Essa função ajuda a manter condições adequadas de operação do motor quando a bomba está localizada longe do armário de acionamento.
Compensação de flutuação de tensão na grade
O inversor inclui funcionalidade de regulação automática de tensão para ajudar a acomodar variações na fonte de alimentação de entrada, dentro da faixa de operação especificada.
Suporte local à operação e manutenção
Uma interface homem-máquina (HMI) dedicada fornece informações operacionais, configurações de parâmetros e assistência na resolução de problemas. Um guia operacional integrado ajuda os usuários a acessar as instruções diretamente pela interface de controle.
Múltiplas funções de proteção
Dependendo do equipamento de proteção configurado, o sistema suporta proteção contra condições como curtos-circuitos, sobrecorrente, subcarga, sobrecarga e perda de fase. Também é fornecido um arranjo de comutação entre frequência de potência/frequência variável para flexibilidade operacional, sujeito ao projeto de comutação e proteção do sistema.
O FG3000 é um inversor de fonte de tensão AC-DC-AC. A energia AC de entrada é convertida em energia DC, que então é convertida em saída trifásica de frequência variável através do estágio inversor.
Na topologia NPC de três níveis, dois capacitores de ligação contínua conectados em série estabelecem uma referência de ponto médio. Diodos de fixação conectam o circuito de comutação a esse ponto médio, permitindo que cada fase produza três níveis de tensão em relação ao ponto médio do elo DC: tensão positiva no meio barramento, tensão zero e tensão negativa no meio barramento.
Esse nível de tensão adicional fornece uma forma de onda de saída mais refinada do que o arranjo convencional de dois níveis.
O inversor produz saída trifásica de modulação de largura de pulso sinusoidal (SPWM). Como o motor é uma carga indutiva, a corrente do motor torna-se aproximadamente senoidal sob condições adequadas de operação.
Para bombas de poço profundo, entretanto, as características elétricas do cabo não podem ser ignoradas. Quando a saída PWM passa por um cabo longo, o desajuste de impedância e as ondas refletidas podem causar sobretensão transitória nos terminais do motor. O estresse elétrico resultante pode danificar o isolamento do motor e reduzir a vida útil dos equipamentos.
Por esse motivo, a aplicação FG3000 incorpora um filtro passa-baixa RLC dedicado no lado de saída. O filtro atenua os componentes de comutação de alta frequência antes que cheguem ao cabo longo e ao motor submersível.
A combinação de topologia de três níveis e filtragem dedicada de saída é particularmente relevante para instalações de bombas em poços profundos, onde o acionamento e o motor são separados por longos trechos de cabo.
O projeto utiliza controle coordenado de frequência variável para ajustar a circulação da água de acordo com a demanda de aquecimento. Bombas do lado primário e secundário operam sob estratégias de controle diferentes.
No lado primário, é utilizado o controle de fluxo variável baseado em diferença de temperatura.
Sensores de temperatura medem as temperaturas relevantes de abastecimento e retorno da água. O sistema de controle envia a diferença de temperatura medida para um controlador lógico programável (CLP), que calcula o comando operacional necessário e ajusta a frequência de saída do inversor FGI FG3000.
À medida que a carga de aquecimento muda, a velocidade da bomba pode ser ajustada para regular a circulação de água geotérmica, em vez de manter uma vazão constante independentemente da demanda.
O sistema também pode coordenar o número de bombas operacionais do lado primário, bombas geotérmicas do lado da fonte e unidades de bomba de calor de acordo com as diferenças de temperatura de abastecimento e retorno da água.
O sistema de circulação do lado secundário utiliza controle de pressão diferencial constante.
Um transmissor de pressão diferencial mede a diferença de pressão entre os dutos de fornecimento e retorno. O valor medido é enviado para o CLP, onde um controlador de derivada integral proporcional (PID) o compara com a diferença de pressão alvo.
O controlador então ajusta a frequência de operação da bomba e o número de bombas em operação para manter as condições hidráulicas necessárias.
Quando o sistema não consegue atingir o equilíbrio de fluxo necessário apenas com ajuste da velocidade da bomba, um duto de desvio pode ser usado para regular a circulação.
O sistema de controle se comunica por meio de uma rede fieldbus. Parâmetros operacionais e status do sistema são exibidos na tela sensível ao toque do gabinete de controle, suportando tanto a coordenação centralizada quanto a operação local.
Ao alinhar a potência da bomba com a demanda real de aquecimento, essa estratégia de controle ajuda a evitar circulação desnecessária e perdas excessivas de estrangulamento.
Após a avaliação técnica dos equipamentos disponíveis, o projeto adotou três conversores de frequência de média tensão FGI FG3000 para controle de bombas submersíveis.
A instalação demonstrou vários benefícios práticos.
O drive oferece uma HMI dedicada e procedimentos operacionais simples. Os operadores podem monitorar o status operacional e usar a interface para acessar instruções relevantes, tornando a operação rotineira mais conveniente.
A função de ajuda embutida oferece acesso à orientação operacional através da tela sensível ao toque. Isso permite que o pessoal de manutenção consulte as instruções quando necessário e apoia a familiarização diária com os equipamentos.
A topologia de saída de três níveis, juntamente com o filtro passa-baixa RLC dedicado, ajuda a reduzir o estresse de tensão associado a longos trechos de cabo. Isso é importante para motores submersíveis instalados a centenas de metros abaixo do solo.
A combinação foi projetada para melhorar a compatibilidade elétrica entre o inversor, o cabo de alimentação longo e o motor da bomba.
Sob operação convencional de frequência fixa, o fluxo da bomba pode ser regulado adicionando uma válvula na cabeça do poço. Essa abordagem pode introduzir perdas por estrangulamento quando a bomba continua operando em uma velocidade maior do que o necessário.
Com controle de frequência variável, a FG3000 ajusta a velocidade da bomba em resposta ao feedback de temperatura do sistema de aquecimento. A faixa de frequência operacional reportada neste projeto era geralmente de 35–45 Hz.
Para uma bomba centrífuga operando sob condições hidráulicas comparáveis, a demanda de potência segue aproximadamente o cubo de velocidade de rotação. Essa relação explica por que a regulação de velocidade pode oferecer um potencial significativo de economia de energia quando os requisitos de fluxo variam.
A economia real de energia depende do ponto de operação da bomba, altura estática, características do sistema hidráulico, eficiência do motor e configurações de controle. As informações originais do projeto não fornecem uma redução percentual quantificada no consumo de eletricidade.
A HMI exibe informações operacionais e facilita o registro e a resolução de problemas de dados. Isso melhora a acessibilidade das informações operacionais para o pessoal de campo.
A aplicação do conversor de frequência de média tensão de três níveis no projeto de aquecimento geotérmico do Campo Petrolífero do Norte da China destaca várias considerações de engenharia relevantes para a extração de água em poços profundos.
Primeiro, um sistema de bombas geotérmicas deve acomodar a demanda de aquecimento variável sem depender inteiramente da estrangulação mecânica. O controle de frequência variável oferece um meio prático de ajustar a saída da bomba.
Segundo, conexões elétricas de longa distância exigem atenção cuidadosa ao estresse de isolamento do motor e à sobretensão por onda refletida. Uma topologia adequada para inversor e um filtro de saída dedicado podem ajudar a resolver essas questões.
Terceiro, o aquecimento geotérmico requer coordenação entre a fonte de calor, equipamentos da bomba de calor, bombas de circulação e rede de distribuição. A integração de feedback de temperatura, controle diferencial de pressão e regulação baseada em PLC permite que a operação da bomba responda aos requisitos do sistema.
Essas considerações são relevantes não apenas para o aquecimento geotérmico, mas também para outras aplicações industriais de circulação de água e bombeamento em poços profundos, onde fluxo variável, longas distâncias de cabos e operação confiável do motor são importantes.
A aplicação do conversor de frequência de média tensão FGI FG3000 de três níveis no projeto de aquecimento geotérmico do Campo Petrolífero do Norte da China demonstra como a tecnologia de eletrônica de potência pode suportar a extração de água geotérmica em poços profundos e a operação de aquecimento responsiva à demanda.
Ao combinar topologia NPC de três níveis, filtragem de saída RLC dedicada, compensação de tensão de cabos longos e controle de frequência variável baseado em PLC, o sistema aborda os principais desafios na operação da bomba submersível.
Para operadores de aquecimento geotérmico e integradores de sistemas industriais de bombas, o caso ilustra a importância de ajustar a topologia do inversor, filtragem de saída e estratégia de controle às condições elétricas e hidráulicas reais da instalação.
A FGI continua aplicando sua experiência em acionamento motorizado e eletrônica de potência a aplicações industriais, onde controle confiável da bomba, flexibilidade operacional e desempenho eficiente em termos energéticos do sistema são essenciais.
Interessado em soluções de inversores de média tensão para bombas de poço profundo, aquecimento geotérmico ou circulação industrial de água? Entre em contato com a FGI para discutir os requisitos da sua inscrição.
FAQ
Para que serve um conversor de frequência de três níveis de média tensão no aquecimento geotérmico?
Um conversor de frequência de três níveis de média tensão regula a velocidade das bombas de água geotérmicas de acordo com a demanda de aquecimento. No projeto do Campo Petrolífero do Norte da China, o FGI FG3000 foi usado para acionar bombas submersíveis de poços profundos, apoiar a operação de cabos longos e melhorar o controle de fluxo.
Por que um inversor de três níveis é adequado para bombas submersíveis de poço profundo?
Um inversor de três níveis fornece mais níveis de tensão de saída do que uma topologia convencional de dois níveis. Isso pode reduzir os passos de tensão de saída e o dv/dt. Quando combinado com um filtro de saída adequado, ajuda a mitigar o estresse elétrico causado por cabos de energia longos.
Como o controle de frequência variável reduz o consumo de energia da bomba?
O controle de frequência variável ajusta a velocidade da bomba para corresponder ao fluxo desejado. Para bombas centrífugas sob condições operacionais comparáveis, a demanda de potência pode seguir aproximadamente o cubo da velocidade de rotação, embora a economia real dependa do sistema hidráulico e do ponto de operação.
Qual é o papel de um filtro de saída LC em aplicações de bombas de cabo longo?
Um filtro de saída atenua os componentes de comutação de alta frequência e ajuda a reduzir picos de tensão em ondas refletidas nos terminais do motor. A seleção do filtro deve levar em conta o comprimento do cabo, características do motor, frequência de comutação do inversor e a faixa de operação necessária.
Qual projeto de aquecimento geotérmico utilizou o inversor FGI FG3000?
O FGI FG3000 foi aplicado no projeto de aquecimento geotérmico de Renqiu no oeste, no Campo Petrolífero do Norte da China. As informações do projeto especificam três unidades FG3000, 12 poços geotérmicos, 13 estações distritais de troca de calor e uma capacidade planejada de aquecimento de 3 milhões de metros quadrados.
