Eficienta energetica în sistemele electrice (VIll)

Episodul al VII-lea a urmarit aspectele legate de cresterea eficientei energetice folosind filtrele pasive în cadrul echipamentelor de actionare electrica a instalatiilor de foraj utilizînd motorul de c.c. în antrenarea troliului. În episodul prezent ne propunem sa punem în valoare experienta ICPE ACTEL cu privire la echipamentele electrice de actionare a pompelor de noroi utilizând motorul de c.c. prin evidentierea aspectelor legate de obtinerea unor parametri superiori privind eficienta energetica. 

1. Parametrii sistemului de circulatie utilizat în instalatiile de foraj

Având în vedere ca energia consumata pentru circulatia fluidului de foraj reprezinta 70...80% din energia totala consumata în procesul de foraj, rezulta ca eficienta energetica a forajului depinde în mod direct de felul în care aceasta este utilizata.

Utilizarea rationala a pompelor de fluid (noroi) are loc la putere constanta, variindu-se debitul si presiunea în conformitate cu necesitatea forajului prin modificarea turatiei motoarelor de antrenare.
Puterea hidraulica a pompelor se determina dupa relatia: 

PH = pQp, în care 

Debitul Qp este acela care asigura viteza ascensionala minima, adica:

Qp = a*π* (Ds2 - De2)vα/4, unde

• p este presiunea necesara pentru învingerea tuturor diferentelor de presiune de pe tractul fluidului de foraj

• Ds - diametrul sapei

• De- diametrul exterior al prajinilor de foraj

• vα - viteza ascensionala a fluidului de foraj

• α - coeficient adimensional care tine cont de repartitia vitezelor într-o sectiune data

Pompele cele mai utilizate în circulatia fluidului de foraj sunt pompele cu piston la care debitul teoretic mediu Qt variaza cu turatia n si cu sectiunea pistonului A.

Se întâlnesc în practica urmatoarele tipuri de pompe:

• pompa cu simplu efect : Qt = Asni/60;

• pompa cu dublu efect : Qt = (2A-a)sni/60;

• pompa duplex : Qt = 2Asni/60;

• pompa triplex : Qt = 3Asni/60, 

unde :

• s = lungimea cursei pistonului;

• a = sectiunea tijei pistonului

• i =numarul de cilindri.

 Oricare ar fi tipul pompei utilizate, pentru parametrii constructivi dati, debitul pompei este direct proportional cu turatia acesteia, ceea ce conduce la ipoteza ca obtinerea unor performante deosebite pentru sistemul de actionare este strâns legata de modul de variatie si mentinere a turatiei în timp pentru motorul de antrenare.

2. Controlul dinamic al turatiei motorului de c.c. antrenând pompe cu fluid în instalatiile de foraj

Putem asocia sistemului convertor c.a./c.c. - motor de c.c. din teoria circuitelor electrice convertorul de ordinul al doilea de tip circuit RLC (figura 1).

Aplicând a doua teorema a lui Kirchhoff pe ochiul de retea RLC se obtine urmatoarea relatie:

 u(t)= Ri(t)+L di(t)/dt+1/C?i(t)dt  (1) se scoate din pdf - jpg

Pentru o evolutie în timp u(t) de tip functie treapta de tensiune:

u(t) = U pt t ≥ 0

u(t) = 0 pt t<0, relatia (1) devine:

du/dt=Rdi(t)/dt+Ld2i(t)/dt2+1/C*i(t)   (2) se scoate din pdf - jpg

sau trecând în Laplace:

 U(p)/p=(Lp2+Rp+1/C)*I(p)               (3) se scoate din pdf - jpg

Functia de transfer I(p)/U(p) =H(p) devine

H(p)=k/p(p2+2?ώp+ώ2)      (4) , cu notatiile: se scoate din pdf - jpg

k=1/L  - factor de amplificare;

ώ=1/? LC  - pulsatia sistemului de comanda; se scoate din pdf - jpg

?=R/2? C/L - factor de amortizare. se scoate din pdf - jpg

În functie de discriminantul polinomului de gradul II, Δ= 4.2 (ß2-1), vom obtine cele trei raspunsuri ale sistemului la aplicarea unei trepte de tensiune pentru alimentarea circuitului RLC, si anume:

• pentru lßl < 1 - regim periodic amortizat;

• pentru lßl = 1 - regim aperiodic critic;

• pentru lßl > 1 - regim aperiodic supraamortizat.

Similar putem judeca raspunsul în turatie pentru motorul de c.c. la aplicarea unei comenzi de tip excitatie treapta pentru sistemul de reglare.

 În figura 2 sunt prezentate cele trei tipuri de raspuns dupa cum urmeaza:

 

3. Regimul optim de antrenare a pompelor de fluid

Am amintit în cap. 1 ca regimul ideal de functionare a pompelor este acela la putere constanta.

Cum, din punct de vedere electric, pentru un cuplu dat la axul motorului, puterea este direct proportionala cu turatia, rezulta ca un regim optim pentru functionarea pompelor de fluid este acela la turatie constanta pentru un anume debit.

Din caracteristicile prezentate în diagrama n = f(t) putem concluziona urmatoarele:

 

3.1 Din punct de vedere tehnologic:

 

• Caracteristica 1- regimul periodic amortizat este complet dezavantajos deoarece pentru câteva perioade nu putem controla presiunea pe coloana de fluid, consecintele putând fi destul de neplacute.

• Caracteristica 3 - regimul aperiodic supraamortizat este dezavantajos deoarece timpul de raspuns al sistemului, acela de a ajunge la presiunea dorita, este foarte lung, de asemenea cu consecinte neplacute.

3.2 Din punct de vedere energetic:

• Caracteristica 1 se caracterizeaza prin aceea ca randamentul sistemului este diminuat de pierderile de energie care în principiu corespund suprafetelor hasurate.

• Caracteristica 3 se caracterizeaza prin acelasi randament diminuat de pierderile de energie corespunzatoare suprafetei cuprinse între caracteristica reala n= f(t), curba 3 si caracteristica dorita nst = f(t), nst fiind valoarea în regim stationar de durata a turatiei pompelor.

 Nu este foarte greu de dedus ca varianta optima de reglare a turatiei motoarelor de c.c. antrenând pompe de noroi în forajul electric este cea corespunzatoare unui raspuns n= f(t) de tipul unui regim aperiodic critic, la aplicarea unei trepte de comanda a turatiei de tipul unei excitatii treapta n= f(t).

4. Concluzii

Experienta specialistilor ICPE ACTEL în domeniul sistemelor de reglare automata a turatiei motoarelor de c.c. având ca sarcina la ax pompele de noroi utilizate în forajul terestru si marin s-a materializat în:

• Obtinerea unor sisteme stabile si cu un timp de raspuns suficient de bun pentru a raspunde cerintelor forajistilor;

• Obtinerea unui regim de putere constanta pe toata perioada de lucru la acelasi debit cerut de procesul tehnologic.

• Economii importante de energie rezultate atât din eliminarea suprareglajelor turatiei în antrenarea pompelor, cât si din acordarea optima a stabilitatii sistemului convertor – motor de c.c. si a timpului de raspuns al acestuia.

Din punct de vedere cantitativ, aceste economii au fost evaluate în timp de cei ce-si desfasoara activitatea în domeniul forajului electric si putem spune ca ele sunt în jurul a 4,6% din energia totala consumata în acest proces. (va urma)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Conf. dr.ing Ion Potârniche, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 30 de ani de activitate aplicativa în cadrul ICPE

• Autor al: 7 inventii brevetate, 17 lucrari publicate în reviste de specialitate, 59 lucrari practice elaborate, 70 lucrari publicate în sesiuni de comunicari stiintifice, 4 carti publicate.

• Experienta în managementul proiectelor de cercetare nationala, coordonator al 17contracte de cercetare aplicativa din cadrul PNCDI

• Membru al: Consiliului Inovarii-AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetica

• Membru de onoare al CNR-CME

• Vicepresedinte al A.P. ENERGIA

• Vicepresedinte al APREL

• Consultant stiintific al Federatiei Patronale din Constructii de Masini Activitate didactica la U.P.B. si Univesitatea Valahia

Nota: În articolul trecut s-au strecurat doua erori, si anume:

La pag. 76, capitolul 2: corect este "termenul Ke. este constant"
La pag. 77, capitolul 3: corect este: "compensarea energiei reactive..."