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지열 에너지가 저탄소 난방 인프라에서 점점 더 중요한 부분이 됨에 따라, 신뢰할 수 있는 펌프 제어는 물 순환을 유지하고 열 공급을 실제 수요와 맞추는 데 필수적입니다. 서부 인추, 화북 유전지대에서 진행된 지열 난방 프로젝트에서는 약 400미터 깊이에서 작동하는 잠수 전기 펌프를 구동하기 위해 FGI FG3000 중전압 주파수 변환기 3기가 설치되었습니다.
이 애플리케이션은 3단계 인버터 기술, 전용 출력 필터링, 자동 주파수 조절을 결합하여 심층 유정 펌핑과 관련된 전기적 및 운영 문제를 해결합니다.
북중국유전은 지열 자원 개발 및 활용 분야에서 40년 이상의 경험을 보유하고 있습니다. 이 분야의 응용 분야에는 원유 채집 및 운송 난방, 유전 지역 내 주거용 난방, 농업 응용 분야, 폐열 발전 등이 포함됩니다.
지질 자원과 탐사 전문성을 바탕으로 이 유전은 지열 가열을 지속적으로 확장하고 다양한 응용 분야에서 열에너지 활용을 개선해 왔습니다.
서부 인추 지열 난방 프로젝트는 2023년 주요 유전 프로젝트였습니다. 프로젝트 정보에 따르면, 계획된 난방 인프라는 다음과 같았습니다:
중앙 열원 스테이션 1개
12개의 지열 우물
13개의 구역 열교환소
주요 난방관 12km
약 20,000명의 주거용 고객
총 난방 용량은 300만 m²입니다
프로젝트의 주요 기술적 도전 과제 중 하나는 긴 전력 케이블을 통해 안정적인 펌프 작동을 유지하면서 약 400미터 깊이의 지열수를 추출하는 것이었습니다.
FGI는 원래 유전 용도로 개발된 잠수정 전기 펌프 구동 경험을 지열 추출에 적용했습니다. 펌프 속도를 조절하고, 장거리 모터 작동을 지원하며, 가변적인 난방 수요에서 에너지 소비를 줄이기 위해 세 개의 FG3000 중전압 주파수 변환기가 선택되었습니다.
FGI FG3000 시리즈는 1,140V 및 2,300V 구성으로 제공되는 3레벨 전압원 AC-DC-AC 주파수 변환기입니다.
주 회로는 3레벨 중성점 클램프(NPC) 토폴로지를 사용합니다. DC 링크 전압을 전력 스위칭 장치에 분산시킴으로써, 인버터는 비교 가능한 2레벨 배열보다 개별 전압 스트레스가 낮은 전력 반도체 소자를 사용하여 중전압 출력을 생성할 수 있습니다.
3레벨 출력은 더 많은 전압 단계를 제공하여 기존 2레벨 토폴로지에 비해 출력 파형을 개선하고 전압 변화율(dv/dt)과 조화파 성분을 줄이는 데 도움을 줍니다.
3단계 NPC 위상
FG3000은 3레벨 메인 회로를 사용하여 중전압 가변 주파수 출력을 달성합니다. 최적화된 전압 파형은 모터의 전기 스트레스를 줄이고 까다로운 펌프 응용 분야에서 작동 성능을 향상시킬 수 있습니다.
dv/dt 감소 및 모터 호환성 향상
2레벨 인버터와 비교할 때, 3레벨 토폴로지는 출력 전압 단계를 줄이고 모터 절연 시스템에 가해지는 전압 스트레스를 줄이는 데 도움을 줍니다. 이 설계는 또한 지정된 작동 조건 하에서 강제 감격 없이 표준 모터를 사용할 수 있도록 지원합니다.
긴 케이블을 위한 전용 출력 필터링
장거리 잠수 펌프 설치는 수 킬로미터에 달하는 전력 케이블이 필요할 수 있습니다. 인버터 스위칭 펄스와 케이블 특성 간의 상호작용은 모터 단자에서 반사파 전압 스파이크를 생성할 수 있습니다.
FG3000 시스템은 잠수 전기 펌프 부하를 위해 설계된 RLC 저역 통과 출력 필터를 통합합니다. 이 필터는 고주파 부품을 억제하고 긴 케이블 영향으로 인한 모터 단자 전압 과도한 위험을 줄이는 데 도움을 줍니다.
자동 전압 보상
이 드라이브는 긴 전력 케이블을 따라 발생하는 전압 강하를 해결하기 위해 출력 전압 보상을 지원합니다. 이 기능은 펌프가 구동 캐비닛에서 멀리 떨어져 있을 때 적절한 모터 작동 조건을 유지하는 데 도움을 줍니다.
그리드 전압 변동 보상
인버터는 지정된 작동 범위 내에서 입력 전원 공급 장치의 변동을 반영하는 자동 전압 조절 기능을 포함하고 있습니다.
지역 운영 및 유지보수 지원
전용 인간-기계 인터페이스(HMI)가 작동 정보, 매개변수 설정, 문제 해결 지원을 제공합니다. 통합 운영 가이드는 사용자가 제어 인터페이스에서 직접 지시사항에 접근할 수 있도록 돕습니다.
다중 보호 기능
구성 보호 장비에 따라 시스템은 단락, 과전류, 과부하, 과부하, 위상 손실과 같은 조건에 대한 보호를 지원합니다. 시스템의 스위칭 및 보호 설계에 따라 작동상의 유연성을 위해 전력-주파수/가변 주파수 스위칭 방식도 제공됩니다.
FG3000은 AC-DC-AC 전압원 인버터입니다. 들어오는 교류 전력은 직류 전력으로 변환되고, 이는 인버터 단계를 통해 가변 주파수 3상 출력으로 변환됩니다.
3차 수준 NPC 토폴로지에서는 두 개의 직렬 연결 DC 링크 커패시터가 중간 지점 기준을 설정합니다. 클램핑 다이오드는 스위칭 회로를 이 중간 지점에 연결하여, 각 위상이 DC 링크 중간 지점에 대해 세 가지 전압 레벨을 생성할 수 있게 합니다: 양의 반 버스 전압, 0, 그리고 음의 반 버스 전압입니다.
이 추가 전압 레벨은 기존의 2레벨 배열보다 더 정교한 출력 파형을 제공합니다.
인버터는 3상 사인파 펄스 폭 변조(SPWM) 출력을 생성합니다. 모터가 유도성 부하이기 때문에, 적절한 작동 조건에서는 모터 전류가 거의 사인파 형태가 됩니다.
하지만 심정 펌프에서는 케이블의 전기적 특성을 무시할 수 없습니다. PWM 출력이 긴 케이블을 통과할 때, 임피던스 불일치와 반사파가 모터 단자에서 과전압을 일으킬 수 있습니다. 이로 인해 발생하는 전기 스트레스는 모터 절연체를 손상시키고 장비 수명을 단축시킬 수 있습니다.
이 때문에 FG3000 애플리케이션은 출력 쪽에 전용 RLC 저역 통과 필터를 통합합니다. 필터는 고주파 스위칭 부품이 긴 케이블과 잠수 모터에 도달하기 전에 감쇠시킵니다.
3단계 토폴로지와 전용 출력 필터링의 조합은 드라이브와 모터가 긴 케이블 라인으로 분리된 딥웰 펌프 설치에 특히 적합합니다.
이 프로젝트는 난방 수요에 따라 물 순환을 조정하기 위해 조정된 가변 주파수 제어를 사용합니다. 1차 펌프와 2차 펌프는 서로 다른 제어 전략으로 작동합니다.
1차 측에서는 온도 차이 기반 가변 유량 제어가 사용됩니다.
온도 센서는 관련 급수 및 회수수 온도를 측정합니다. 제어 시스템은 측정된 온도 차이를 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)로 전송하여, PLC는 필요한 작동 명령을 계산하고 FGI FG3000 인버터의 출력 주파수를 조정합니다.
가열 부하가 변함에 따라 펌프 속도를 조절하여 수요에 관계없이 일정한 유량을 유지하는 대신 지열 물 순환을 조절할 수 있습니다.
또한 이 시스템은 공급 및 반환수 온도 차이에 따라 작동 중인 1차 펌프, 지열원, 히트펌프 유닛의 수를 조정할 수 있습니다.
2차 순환 시스템은 일정한 차압 제어를 사용합니다.
차압 송신기는 공급 및 반환 배관 간의 압력 차이를 측정합니다. 측정값은 PLC로 전송되며, 비례적분미분(PID) 제어기가 목표 압력 차이와 비교합니다.
그 후 컨트롤러는 펌프 작동 빈도와 작동 펌프 수를 조정하여 필요한 유압 조건을 유지합니다.
펌프 속도 조절만으로는 필요한 유량 균형을 달성할 수 없을 때, 바이패스 파이프라인을 사용해 순환을 조절할 수 있습니다.
제어 시스템은 필드버스 네트워크를 통해 통신합니다. 작동 매개변수와 시스템 상태는 제어 캐비닛의 터치스크린에 표시되어 중앙 집중식 조정과 로컬 운영을 지원합니다.
펌프 출력을 실제 난방 수요와 맞추어 불필요한 순환과 과도한 스로틀링 손실을 방지하는 데 도움이 됩니다.
사용 가능한 장비에 대한 기술 평가 후, 프로젝트는 잠수 펌프 제어를 위해 FGI FG3000 중전압 주파수 변환기 3대를 채택했습니다.
설치는 여러 실질적인 이점을 보여주었습니다.
이 드라이브는 전용 HMI와 간단한 작동 절차를 제공합니다. 운영자는 작동 상태를 모니터링하고 인터페이스를 통해 관련 지시사항에 접근할 수 있어 일상적인 운영이 더욱 편리해집니다.
내장 도움말 기능은 터치스크린을 통해 운영 안내에 접근할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 정비원은 필요할 때 지침을 참고할 수 있고, 일상적인 장비 익숙도 지원이 됩니다.
3레벨 출력 토폴로지와 전용 RLC 저역 통과 필터는 긴 케이블 주로와 관련된 전압 스트레스를 줄이는 데 도움을 줍니다. 이는 수백 미터 아래에 설치된 잠수정 모터에 매우 중요합니다.
이 조합은 인버터, 긴 전력 케이블, 펌프 모터 간의 전기적 호환성을 향상시키기 위해 설계되었습니다.
기존 고정 주파수 운전에서는 펌프 흐름을 유정 헤드에 밸브를 추가하여 조절할 수 있습니다. 이 방법은 펌프가 요구되는 속도보다 더 빠르게 작동할 경우 스로틀링 손실을 초래할 수 있습니다.
가변 주파수 제어를 통해 FG3000은 난방 시스템의 온도 피드백에 반응하여 펌프 속도를 조절합니다. 이 프로젝트에서 보고된 작동 주파수 범위는 일반적으로 35–45 Hz였습니다.
유사한 유압 조건에서 작동하는 원심 펌프의 경우, 전력 수요는 회전 속도의 세제곱에 대략 따릅니다. 이러한 관계가 유량 요구량이 달라질 때 속도 조절이 상당한 에너지 절감 가능성을 제공할 수 있는 이유를 설명합니다.
실제 에너지 절감은 펌프의 작동 지점, 정적 수두, 유압 시스템 특성, 모터 효율, 제어 설정에 따라 달라집니다. 원래 프로젝트 정보에는 전력 소비의 정확한 비율 감소가 제공되지 않습니다.
HMI는 운영 정보를 표시하고 데이터 기록 및 문제 해결을 지원합니다. 이로 인해 현장 인원들이 작전 정보를 쉽게 접할 수 있습니다.
북중국 유전 지열 난방 프로젝트에서 중전압 3준위 주파수 변환기의 적용은 심정 수수 추출과 관련된 여러 공학적 고려사항을 부각시킵니다.
첫째, 지열 펌프 시스템은 기계식 스로틀링에만 전적으로 의존하지 않고 변화하는 난방 수요를 수용해야 합니다. 가변 주파수 제어는 펌프 출력을 조절하는 실용적인 수단을 제공합니다.
둘째, 장거리 전기 연결은 모터 절연 스트레스와 반사파 과전압에 대한 주의가 필요합니다. 적절한 인버터 토폴로지와 전용 출력 필터가 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
셋째, 지열 난방은 열원, 히트펌프 장비, 순환 펌프, 배전망 간의 조정이 필요합니다. 온도 피드백, 차압 제어, PLC 기반 조절을 통합함으로써 펌프 작동이 시스템 요구사항에 대응할 수 있습니다.
이러한 고려사항은 지열 난방뿐만 아니라 가변 유량, 긴 케이블 거리, 신뢰할 수 있는 모터 작동이 중요한 다른 산업용 물 순환 및 심정 펌핑 응용 분야에도 적용됩니다.
북중국 유전 지열 난방 프로젝트에서 FGI FG3000 중전압 3준위 주파수 변환기의 적용은 전력 전자 기술이 심부 지열 추출과 수요 반응 난방 운영을 어떻게 지원할 수 있는지를 보여줍니다.
3단계 NPC 토폴로지, 전용 RLC 출력 필터링, 긴 케이블 전압 보상, PLC 기반 가변 주파수 제어를 결합하여 잠수 펌프 작동의 주요 과제를 해결합니다.
지열 난방 운영자와 산업용 펌프 시스템 통합업체에게 이 사건은 인버터 토폴로지, 출력 필터링, 제어 전략이 실제 전기 및 유압 조건과 일치하는 것의 중요성을 보여줍니다.
FGI는 신뢰할 수 있는 펌프 제어, 운영 유연성, 에너지 효율 시스템 성능이 필수적인 산업 분야에 모터 구동 및 전력 전자 경험을 계속 적용하고 있습니다.
심층 우물 펌프, 지열 난방, 산업용 물 순환을 위한 중전압 인버터 솔루션에 관심이 있으신가요? 지원 요건을 논의하려면 FGI에 연락하세요.
자주 묻는 질문
지열 난방에서 사용되는 중전압 3준위 주파수 변환기는 무엇인가요?
중전압 3준위 주파수 변환기는 난방 수요에 따라 지열 펌프의 속도를 조절합니다. 화북유전 프로젝트에서는 FGI FG3000이 심정 잠수정 펌프 구동, 장케이블 운영, 유량 제어 개선에 사용되었습니다.
왜 3레벨 인버터가 심하정 잠수 펌프에 적합한가요?
3레벨 인버터는 기존의 2레벨 토폴로지보다 더 많은 출력 전압 레벨을 제공합니다. 이로 인해 출력 전압 단계와 dv/dt가 줄어듭니다. 적절한 출력 필터와 결합하면 긴 전력 케이블로 인한 전기 스트레스를 완화하는 데 도움이 됩니다.
가변 주파수 제어는 어떻게 펌프의 에너지 소비를 줄이나요?
가변 주파수 제어는 펌프 속도를 필요한 유량에 맞게 조절합니다. 비슷한 작동 조건에서 원심 펌프의 경우, 전력 수요는 회전 속도의 세제곱을 따라 할 수 있으나, 실제 절감 효과는 유압 시스템과 작동 지점에 따라 달라집니다.
롱케이블 펌프 응용에서 LC 출력 필터의 역할은 무엇인가요?
출력 필터는 고주파 스위칭 부품을 감쇠시키고 모터 단자에서 반사파 전압 스파이크를 줄이는 데 도움을 줍니다. 필터 선택은 케이블 길이, 모터 특성, 인버터 스위칭 주파수, 필요한 작동 범위를 고려해야 합니다.
어떤 지열 난방 프로젝트에서 FGI FG3000 인버터를 사용했나요?
FGI FG3000은 중국 북부 유전의 서부 인추 지열 난방 프로젝트에 적용되었습니다. 프로젝트 정보에는 FG3000 유닛 3개, 지열정 12개, 지역 열교환소 13개, 그리고 계획된 난방 용량 300만 평방미터가 명시되어 있습니다.
