În numărul anterior, am prezentat o soluție dezvoltată în proiectele ICPE ACTEL de eficientizare energetică a echipamentelor electrice de acționare utilizate în acționările electrice din dotarea instalațiilor de foraj terestre și marine prin recuperarea energiei dezvoltate de frânarea troliului la coborârea garniturilor de foraj, stocarea acesteia și folosirea în asigurarea serviciilor auxiliare strict necesare în procesul de foraj.
1. Introducere
Încă din anii 70', specialiștii ICPE, compartimentul LEAAMP și-au aplecat spiritul inventiv ingineresc în domeniul cercetării, proiectării și realizării echipamentelor electrice destinate antrenării cu turaţie variabilă și cuplu controlat a motoarelor electrice din structura sistemelor tehnologice folosite în forajul electric românesc.
Până la acea perioadă începuturile moderne ale forajului de explorare hidrocarburi se realizau cu motoare termice, cupla de antrenare permiţând, oarecum limitat, atât domeniul de variaţie al turaţiei cât și controlul cuplului utilajului tehnologic de tip troliu, pompa de noroi sau masă rotativă.
Toate aceste lucruri s-au datorat faptului că în acei ani nu apăruseră elementele semiconductoare care să poată asigura construcţia convertoarelor statice de putere, iar apariţia timidă a acestora, cu parametri de început mici și nesiguri, întârziind previziunile știinţifice la nivel de proiect de soluţie. Sfârșitul deceniului șapte a reprezentat începutul soluţiilor care au revoluţionat forajul electric, istoria subliniind faptul că prima instalaţie electrică F320 realizată pentru forajul petrolier COBIA-GORJ, ar fi prima în lume de acest fel.
2. Energetica instalaţiilor de foraj marin și/ sau terestru
Pentru cei care au avut o legătură directă sau indirectă cu o instalaţie electrică de foraj, menţionez de la început asocierea acesteia cu o uzină în care mărimile de intrare energetice sunt:
- Sursa de energie primară care în principiu este constituită din combustibil de tip motorină, gaz metan sau gaz de sondă sau sistemul naţional de energie electrică de medie tensiune.
- Energia rezultată în procesul de forare sub forma lucrului mecanic dezvoltat de:
- Troliul de foraj pentru ridicarea și coborârea coloanei de susţinere a sapei de forare a solului, coloană ce poate atinge lungimi de câteva mii de metri.
- Pompele de noroi pentru asigurarea fluidului suport pentru sapă în procesul de forare.
- Masa rotativă pentru asigurarea penetrării sapei spre adâncimea în care se presupune existenţa petrolului și / sau gazului de sondă din adâncuri.
Criteriile care au contribuit la evoluţia instalaţiilor de foraj de la începuturi și până în prezent, sunt:
- Consumul specific de energie primară tradus în litri de combustibil sau m3 de combustibil gazos raportat la metru liniar de sol forat. Acest criteriu se confundă cu eficienţa energetică a procesului de foraj, un deziderat important al activităţilor noastre curente.
- Flexibilitatea și maleabilitatea procesului de foraj
- Calitatea energiei electrice oferite serviciilor auxiliare strict necesare într-o asemenea uzină
- Valoarea parametrilor statici și dinamici specifici procesului de foraj
- Densitatea specifică de ocupare a suprafeţei orizontale a unei instalaţii de foraj.
Dintre criteriile amintite mai sus, în lucrarea prezentă vom dezvolta evoluţia soluţiilor electrice pornind de la primul criteriu și anume cel legat de randamentul global al funcţionării unei instalaţii electrice de foraj.
3. Istoria soluţiilor tehnice de antrenare electrică, comandă și reglare a utilajelor dedicate forajului electric
Pentru oricare din utilajele prezentate în capitolul 2, parametrii urmăriţi și controlaţi în procesul de foraj sunt în principal:
- Viteza de lucru a instalaţiei tehnologice
- Cuplul mecanic dezvoltat de motorul de antrenare
Pentru forajul electric, acest lucru se realizează prin asocierea utilajului tehnologic a unui motor electric cuplat mecanic printr-un arbore electric și cu ajutorul căruia se realizează atât turaţia variabilă a acestuia, cât și cuplul activ necesar controlului procesului de foraj.
Din acest punct de vedere, cronologic au existat câteva etape importante în evoluţia echipamentelor electrice de foraj, etape dictate de evoluţia electronicii de putere, în speţă a dispozitivelor semiconductoare cu care acestea lucrează dar și a calculatoarelor și a programelor software dedicate.
3.1 Etapa ,,amplificatoare magnetice”
Prima instalaţie electrică de foraj realizată în ROMÂNIA (1969) realizată pentru exploatarea COBIA-GORJ, a fost realizată cu această soluţie, schema electrică de principiu fiind prezentată în figura 1.
- Q - celula medie tensiune
- T - amplificator magnetic
- U - convertor ca/cc cu diode
- M - motor de cc cu excitaţie serie
Tensiunea la ieșirea amplificatorului magnetic are două componente:
- Componenta sinusoidală – Ue~ dată de raportul de transformare al transformatorului magnetic
- Componenta continuă – Ue= dată de valoarea curentului Im de magnetizare a miezului transformatorului T
Ue~ = Ua • ki (a)
Ue~ = f (Ua, Im) (b)
Tensiunea Ud la ieșirea convertorului U este o tensiune variabilă de cc ce se aplică motorului M= și care asigură condiţiile obţinerii unei turaţii variabile. Puterea amplificatorului magnetic și valoarea Im asigură condiţiile controlului cuplului activ al motorului M=.
3.2 Etapa ,,Ward-Leonard”
Toate platformele de foraj românești, la origine au fost realizate cu sistemul Ward Leonard, astăzi mai păstrează acest sistem doar platformele GLORIA și PROMETEU.
Schema electrică de principiu a acestui sistem este prezentată în figura 2, unde:
MD - motor termic, de regulă Diesel
G,M - mașini de curent continuu funcţionând în regim de generator G și în regim de motor M
U1,U2- surse de tensiune continuă variabilă
S - sarcina care în cazul de faţă poate fi oricare din utilajele amintite (troliu, pompe de noroi, masă rotativă)
Motorul Diesel are practic turaţia n1 constantă aceeași turaţie având și generatorul G.
Tensiunea la bornele generatorului G este :
Interpretarea fizică a relaţiei 6 constă în:
- variaţia vitezei de lucru a sarcinii și a cuplului activ al motorului de antrenare depinde de tensiunea generatorului G, Eg și de curentul de excitaţie al curentulu M, Iem
Avantajele acestei metode constau în:
- Tot schimbul energetic se realizează în curent continuu ceea ce asigură un factor de putere ridicat și o calitate a energiei vehiculate deosebite, fără pierderi suplimentare datorate unor armonice de curent
- Flexibilitate sporită a controlului celor 2 parametri M și Ω
- Nivel mediu de cunoștinţe pentru personalul angrenat în mentenanţa sistemului.
Dezavantajele metodei sunt însă determinante pentru a o folosi cât mai puţin și anume:
- Randament scăzut (eficienţa energetică scazută)
- Mentenanţă costisitoare datorată multor mașini în mișcare
- Prezenţa a numeroase tandemuri MD-G-M funcţie de numărul de utilaje tehnologice de pe o platformă, deci costuri de investiţii ridicate
3.3 Etapa ,,motor de cc — convertor ca/cc”
Odată cu apariţia convertoarelor ca/cc locul grupurilor Ward-Leonard a fost luat de un nou tandem, motor de cc – convetor ca/cc lucru întâlnit azi pe platforma centrală de producţie PCPF, pe cei trei sateliţi PGSU 3, 6, 7, pe platformele ORIZONT, FORTUNA, ATLAS și JUPITER și pe foarte multe din instalaţiile de foraj terestre F100, F100 EC, F200, F320, F400 EC/DEC.
Soluţia de mai sus este prezentată în schema electrică din figura 3.
- MD1 ÷ MDk- grupuri motor diesel-generator sincron
- U1÷Ui- convertoare ca/cc
- M1÷Mi – motoare de cc
- S1-Si – sarcini de tipul utilajelor tehnologice
Urmând același criteriu de control al parame-trilor turaţie-cuplu pentru sarciană Si ecuaţiile carac-teristice sunt:
Relaţia 12 reprezintă esenţa explicativă a controlului turaţiei, respectiv a cuplului motorului Mi și a fluxului de excitaţie al acestuia.
Avantajele soluţiei de faţă constau în:
- Creșterea eficienţei energetice totale prin diminuarea pierderilor individuale
- Flexibilitate sporită
- Gabarite reduse.
Dezavantajele soluţiei sunt legate de:
- Calitatea energiei vehiculate, afectată de factori de distorsiune pentru U și I, sporiţi cu implicaţii asupra unor pierderi suplimentare datorate armonicelor de curent.
Sunt însă măsuri de compensare a acestor efecte prin folosirea unor echipamente specializate în acest sens.
3.4 Etapa ,,motor de ca-convertor ca/ca”
Evoluţia accelerată a aplicaţiilor hardware și software din ultimii 25 de ani, apariţia unor microcontrolere cu puteri mari de calcul și memorie au impus tot mai mult înlocuirea motorului de cc cu cel de c.a. asociat cu convertoare de tip ca/ca.
Schema electrică de principiu a unei astfel de aplicaţii este prezentată în figura 4.
- MD1÷MDK – grupuri motor diesel-generator sincron
- U1÷Ui – convertoare ca/cc
- U11÷U1i – convertoare cc/ca
- M1÷Mi – motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit
- S1÷Si – sarcini de tipul utilajelor tehnologice
Pe bara 1 se obţine o sursă de energie trifazată sinusoidală de putere egală cu suma puterilor generate de grupurile diesel-generator MDK.
Pentru a se obţine o funcţie între puterea generală și puterea necesară pentru sarcină, cele K generatore sunt controlate într-un sistem PMS (Power Management System), sistem care asigură atât protecţiile fiecăruia dintre generatoare, sincronizarea lor în funcţionarea pe bara comună de energie cât și cuplarea și decuplarea automată a generatoarelor astfel încât puterea debitată de sursă să fie mai mare sau egală cu cea cerută de sarcină.
Prin intermediul convertoarelor U1÷ Ui se obţine o nouă bară de energie în curent continuu cu următorii parametri:
Rolul acestei bare de tensiune continuă este foarte important în randamentul global al echipamentului electroenergetic de pe platforma de foraj SATURN, singura platformă echipată cu acest sistem, dar și pentru instalaţii de foraj terestru F200 respectiv F400 livrate catre GAZPROM, prin faptul că reprezintă un filtru între sursa de alimentare MDK și sursa de armonice U-I reprezentată de tandemul convertor ca/cc, U1i și motorul asincron M1.
La ieșirea fiecărui convertor ca/ca U1i, vom avea un sistem trifazat de tensiune sinusoidală, astfel încât motorul de c.a. să nu fie afectat de un regim nesinusoidal de tensiune la borne, iar cuplul activ dezvoltat de motorul Mi va fi :
Relaţia 15, evidenţiază faptul că tandemul motor asincron-convertor ca/ca se comportă din punct de vedere al caracteristicii mecanice, M=f(Ω) ca și motorul de curent continuu.
Avantajele soluţiei sunt însă de luat în consideraţie datorită:
- Unei eficienţe energetice sporite
- Unei calităţi deosebite a energiei debitate de sursă
- Unei flexibilităţi superioare datorate supleţei și avantajelor motorului asincron.
Dezavantajul important al soluţiei, deocamdată este legat de preţul pe ansamblu al acesteia, mai mare decât cele două soluţii prezentate mai sus.
4. Concluzii
În afara aspectelor teoretice prezentate în acest articol, în cadrul acţiunilor de validare a rezultatelor implementării soluţiilor de mai sus, am efectuat și o monitorizare a consumului de combustibil pe trei platforme diferite (GLORIA, JUPITER, SATURN) dar cu același tip de sarcină pe platoul Mării Negre.
Luând ca referinţă platforma GLORIA, consumul de motorină a scăzut pe JUPITER cu 8,69% iar pe SATURN cu 17,21%.
De asemenea, din punct de vedere al serviciilor oferite de platformele amintite, pot aminti:
- Platforma JUPITER – grad de disponibilitate 1,14 faţă de GLORIA
- Platforma SATURN – grad de disponibiltate 1,27 faţă de GLORIA și 1,114 faţă de JUPITER Câștigul maxim obţinut prin introducerea acestor soluţii îl constituie ultima soluţie prezentată și integrată pe platforma SATURN și anume:
- Eficienţa maximă energetică prin reducerea substanţială a consumurilor primare.
- Calitatea deosebită a energiei vehiculate prin cele câteva sute de km de cabluri materializate până la urmă tot prin reducerea pierderilor datorate armonicelor de curent.
În preocupările noastre actuale funcţie și de evoluţia combustibililor fosili în viitorul apropiat gândim etapa a cincea pentru soluţiile electroenergetice de pe platforme de foraj marin prin punerea în valoare a filtrelor active, soluţie ce va conduce la un factor de putere total superior și economii suplimentare faţă de cifrele enumerate mai sus.
