Eficienţă energetică - Sisteme de acţionare electrică (V)

În numărul precedent, prin prisma eficienței energetice am prezentat indicatorii de calitate ai sistemelor automate de reglare. S-au evidențiat precizia reglării, constanta reglării, procesele tranzitorii specifice reglării automate, suprareglajul și gradul de amortizare al răspunsului unui sistem automat la o excitație de tip treaptă. În final s-au prezentat concluziile privind creșterea eficienței energetice pentru sistemele de acționare electrică.

1. Introducere

Structura instalaţiilor de foraj electrice este de o complexitate importantă, dar principalele elemente componente sunt:

• Sursa de energie, care poate fi:
  • Reţeaua publică de tensiune;
  • Surse formate din grupuri diesel-generator pe o bară comună de tensiune alternativă;
• Echipamentul tehnologic format din:
  • Troliul de foraj;
  • Pompe de noroi;
  • Masă rotativă sau instalaţiile de tip top-drive system.

Menţionăm că toate echipamentele tehnologice sunt antrenate de motoare de curent continuu sau curent alternativ de putere importantă (500-1000kW)

• Echipamente de tip servicii auxiliare formate din pompe, ventilatoare, iluminat, bucătărie etc.

Din punct de vedere energetic transferul sursăsarcină este materializat într-un bilanţ între energia primară care poate fi primită de la sursa de energie și energia consumată de sarcină.

În cazul instalaţiilor de foraj electrice, energia primară este energia electrică oferită de reţeaua publică de energie sau/și sursele izolate formate din grupuri termice-generatoare de curent alternativ, iar energia consumată de sarcină este formată din lucrul mecanic al motoarelor electrice din instalaţiile tehnologice și energia consumată pentru serviciile auxiliare.

2. Frânarea troliului în procesul forajului electric de explorare 

• FIGURA 2.1. Schema de principiu a troliului de foraj

În figura 2.1 este prezentată schema de principiu a troliului de foraj în care notaţiile au următoarea semnificaţie: m = masa coloanei de prăjini purtătoare a sapei de foraj M = motor electric de antrenare troliu; poate fi de curent continuu sau de curent alternativ g = acceleraţia gravitaţională h = lungimea coloanei de prăjini s = separator electric

În regimul de ridicare al greutăţii mg a coloanei de prăjini, mașina M funcţionează în regim de motor, energia necesară regimului de motor fiind asigurată de sursa de energie primară.

În regimul de coborâre al greutăţii mg a coloanei de prăjini, mașina M va fi antrenată de cablul troliului funcţionând în regim de generator dacă:

• Mașina de curent continuu este excitată de la o sursă de energie externă;
• Mașina asincronă are o viteză de rotaţie mai mare decât viteza de rotaţie de sincronism.

Dacă înfășurarea rotorică a mașinii de curent continuu, respectiv înfășurarea statorică a mașinii de curent alternativ, nu este închisă pe o sarcină, astfel spus dacă energia debitată de generator nu este consumată, mașina M nu poate fi o frână pentru troliu.

De altfel, în proporţie de peste 99% din aplicaţiile ce reprezintă forajul electric de hidrocarburi, frânarea troliului se realizează prin două metode:

• Frânare mecanică cu ferodouri pe axul motorului;
• Frânare cu frână electromagnetică cu curenţi turbionari.

În ambele cazuri, energia de frânare se pierde în mediul ambiant sub formă de căldură. În plus, în aceste cazuri se pierd materiale care trebuie înlocuite periodic.

Din punct de vedere cantitativ pe baza unei experienţe reale validate de practică putem determina energia de frânare la coborârea garniturii și anume:

Pentru o instalaţie de foraj F320DEC avem:

• m_max = 320t
• m_med = 250t
• h_max = 6000m
• h_med = 5000m

În aceste condiţii energia potenţială la coborârea garniturii este: 

(2.1)

Având în vedere că puterea mașinilor care compun troliul însumează o putere de circa 1500kW, putem deduce că timpul în care un troliu funcţionează în regim de coborâre, respectiv cele două mașini însumând 1500kW, vor funcţiona în regim de generator un timp tmediu egal cu: 

 (2.2)

În concluzie se poate spune că aproximativ în 2,3 ore în medie în instalaţiile de foraj electrice în procesul de frânare a garniturii se pierd 1500kW.

3. Soluţie de eficientizare energetică a funcţionării instalaţiilor de foraj electric

În scopul utilizării mașinii M de c.a. funcţionând în regim de generator la coborârea garniturii, dar și a obţinerii unei redundante sporite pentru metodele de frânare a garniturii la coborâre propunem următoarea soluţie tehnică, soluţie prezentată în figura 3.1.

• FIGURA 3.1. Soluție de conversie a energiei ,,de frânare” în energie electrică

Unde: u₁ = convertor ca/cc u₂, u₅ = convertor cc/cc u₃ = convertor cc/ca u₄ = baterie de acumulatori

Procesul de frânare a garniturii este real dacă mașina M în regim de generator are un consumator sigur din zona serviciilor auxiliare.

De asemenea, în același timp putem spune că avem eficienţă energetică reală dacă energia obţinută la bornele mașinii M funcţionând în regim de generator este consumată în zona serviciilor auxiliare și mai ales dacă asigurăm toată energia necesară serviciilor auxiliare, motiv pentru care am ales în schema din figura 3.1 două elemente ajutătoare

• Bateria de acumulatori u4 care asigură stocarea energiei în surplus
• Centrala fotovoltaică pentru a asigura necesarul de energie pentru serviciile auxiliare în situaţia unui deficit de energie ,,de frânare”.

4. Bilanţul energetic al procesului de frânare la coborârea garniturii

Conform celor prezentate anterior, garnitura de foraj la coborâre antrenează mașina electrică în regim de generator. Tensiunea la bornele mașinii este proporţională cu turaţia pentru mașina de curent continuu, respectiv cu alunecarea pentru cea asincronă. 

(4.1)

Cum mișcarea controlată a coborârii garniturii de foraj este o mișcare uniform accelerată, viteza de coborâre este: 

(4.2)

Rezultă că tensiunea la ieșirea mașinii variază în limite destul de largi, motiv pentru care am folosit următoarele blocuri constitutive (figura 3.1):

• Redresorul u₁, indiferent de mașină, dar strict necesar dacă mașina M este o mașină de curent alternativ, un redresor necomandat la ieșirea căruia tensiunea U₁ are valoarea: 

(4.3)

• Variatorul de tensiune continuă u₂, cu rolul de stabilizare a tensiunii U₁, în limitele necesare încărcării bateriei de acumulatori u4.

Cum tensiunea necesară serviciilor auxiliare este de 3x400V+Nul, rezultă că tensiunea la bornele bateriei este: 

(4.4)

Puterea necesară serviciilor auxiliare pentru o instalaţie de foraj F320DEC este în medie de 630kVA.

La un factor de putere mediu FPmed=0.8, rezultă că necesarul de putere activă pentru serviciile auxiliare este de 504kW.

În capitolul doi am arătat că puterea medie în regim de generator a mașinii este de 1500kW, diferenţa până la 504kW fiind dedicate încărcării bateriei de acumulatori și menţinerii ei în stare activă de eliberare a energiei pentru serviciile auxiliare în perioada în care troliul nu oferă energie în regim de frânare. Tot pentru asigurarea regimului de energie în lipsa energiei de frânare am prevăzut o centrală fotovoltaică care să ofere circa 8h atât energia pentru serviciile auxiliare, cât și pentru încărcarea bateriei de acumulatori. Din motive tehnice (spaţii, transfer) centrala fotovoltaică nu poate avea o putere mai mare de 120kW.

În aceste condiţii pentru diferenţa de putere și pentru redundanţă este nevoie să folosim și un grup electrogen de 400kVA 3x400V, 50Hz.

Alegerea capacităţii bateriei de acumulatori se face în așa fel încât să asigure o autonomie de circa 2 ore pentru alimentarea serviciilor auxiliare la puterea medie de circa 504 kW.

Bilanţul final se poate exprima astfel:

• Funcţionarea serviciilor auxiliare la putere medie: 24h;
• Funcţionarea serviciilor auxiliare alimentate din energia obţinută la frânarea garniturii: 3h;
• Funcţionarea serviciilor auxiliare alimentate din bateria de acumulatori: 2h;
• Funcţionarea serviciilor auxiliare alimentate din centrala fotovoltaică:

• Funcţionarea serviciilor auxiliare independent de sursa primară de energie: 6.9h;
• Funcţionare relativă a serviciilor auxiliare independent de sursa primară de energie:

• Știind că puterea instalată reprezintă energia primară de la patru grupuri CAT 3512 de 1500kVA (1050kW), se poate spune că economia de energie prin introducerea soluţiei de mai sus, exprimată în procente din randamentul energetic total este:

 (4.5)

5. Concluzii

În lucrarea de faţă am prezentat o soluţie tehnică de eficientizare energetică a funcţionării instalaţiilor de foraj electrice punând în valoare una din operaţiile tehnologice din procesul de forare. Pentru instalaţiile alimentate de la reţeaua publică de tensiune alternativă, soluţia prezentată se reduce la recuperarea energiei de frânare a troliului în reţeaua de alimentare. Pentru soluţiile de alimentare de la microcentrale cu grupuri electrogene, acest lucru nu este posibil. Astăzi, peste 95% din instalaţiile de foraj acţionate electric sunt alimentate de la astfel de centrale, motiv pentru care soluţia propusă își găsește locul în aceste soluţii de eficientizare energetică, soluţii tot mai cerute de industrie.