Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XLVII)

În numărul precedent am abordat problemele de eficiență energetică în aplicațiile privind frânarea electrică în tracțiunea electrică, principiile frânării dinamice în tracțiunea electrică cu și fără recuperarea energiei de frânare și utilizarea motorului asincron în tracțiunea electrică, avantajele și dezavantajele lui în aceste aplicații și bineînțeles concluziile privind soluțiile abordate de ICPE ACTEL în domeniul amintit.

1. Introducere

În articolul de azi voi face o incursiune în istoria forajului marin românesc, focalizând soluțiile ICPE ACTEL privind acționările utilajelor tehnologice specifice activităților de forare și exploatare resurse fosile de petrol și gaze. În 1975 specialiștii români din domeniul cercetării, proiectării și construcției navale românești au lansat la apă, la Galați, prima platformă marină de foraj - GLORIA. Au urmat rând pe rând, nu neapărat în ordine cronologică, platformele FORTUNA, ORIZONT, JUPITER, PROMETEU, ATLAS, SATURN, iar anii ”90 au găsit în stare avansată încă 2 platforme rea lizate în proporție de peste 90%, dar care au sf#rșit ca și industria românească la groapa de fiare REMAT, punându-se capăt astfel unei perioade de luciditate și probitate profesională pentru inginerii români integrați în tot ceea ce putea, în acei ani, să producă economia unei țări care reprezenta pionierat în acest domeniu în EUROPA. Cum în anii ”75 începeam activitatea inginerească la ICPE, am avut privilegiul de a ne implica activ în dezvoltarea până astăzi a câteva generații de soluții și echipamente electrice din domeniul acționării și automatizării proceselor tehnologice specifice activităților de foraj marin, atât din perimetrul Mării Negre, dar și din alte mări ale lumii (Egee, Mediterană, Golful Mexic, Barents, etc).

2. Energetica platformelor de foraj marin

Pentru cei care au avut o legătură directă sau indirectă cu o platformă de foraj, menționez de la început asocierea acesteia cu o uzină plutitoare în care mărimile de intrare energetice sunt:

• Sursa de energie primară care în principiu este constituită din combustibil fosil de tip motorină, gaz metan sau gaz de sondă.
•  Energia rezultată în procesul de forare sub forma lucrului mecanic dezvoltat de:

● Troliul de foraj pentru ridicarea și coborârea coloanei de susținere 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 existenț a petrolului și / sau gazului de sondă din adâncuri.

Criteriile care au contribuit la evoluția platformelor de foraj de la începuturi și până în prezent se pot prezenta după cum urmează:

• 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 eficiența energetică a procesului de foraj, un deziderat important al activităților noastre curente.
• Flexibilitatea și maleabilitatea procesului de foraj
• Calitatea energiei electrice oferite serviciilor auxiliare strict necesare într-o asemenea uzină plutitoare
• Valoarea parametrilor statici și dinamici specifici procesului de foraj
• Densitatea specifică de ocupare a suprafeței orizontale a unei platforme

Dintre criteriile amintite mai sus, în lucrarea prezentă vom dezvolta evoluția soluțiilor electrice pornind de la primul criteriu și anume cel legat de randamentul global al funcționării unei platforme de foraj marin.

3. Soluții tehnice de antrenare electrică, comandă şi reglare a utilajelor dedicate forajului marin

Pentru oricare din utilajele prezentate în capitolul 2, parametrii urmăriți și controlați în procesul de foraj sunt în principal:

• Viteza de lucru a instalației tehnologice
• Cuplul mecanic dezvoltat de motorul de antrenare

Pentru forajul electric, acest lucru se realizează prin asocierea utilajului tehnologic al unui motor electric cuplat mecanic printr-un arbore electric și cu ajutorul căruia se realizează atât turația variabilă a acestuia, cât și cuplul activ necesar controlului procesului de foraj.

Din acest punct de vedere, cronologic au existat 3 etape importante în evoluția echipamentelor electrice de foraj, etape dictate de evoluția electronicii de putere, în speță a dispozitivelor semiconductoare cu care acestea lucrează, dar și a calculatoarelor și a programelor software dedicate.

3.1. Etapa ,,Ward-Leonard”

Toate platformele de foraj românești amintite, 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 fig. 1

• FIGURA 1. Schema electrică de principiu a sistemului Ward – Leonard

MD - motor termic, de regulă Diesel

G,M - mașini de curent continuu funcționând în regim de generator G și în regim de motor M

U1,U2 - surse de tensiune continuă variabilă

S - sarcina, care în cazul de față poate fi oricare din utilajele amintite (troliu, pompe de noroi, masă rotativă)

Motorul Diesel are practic turația n1 constantă, aceeași turație având și generatorul G.

Tensiunea la bornele generatorului G este :

Din relațiile 1÷5 rezultă:

Interpretarea fizică a relației 6 constă în:

• variația vitezei de lucru a sarcinii și a cuplului activ al motorului de antrenare depinde de tensiunea generatorului G, Eg și de curentul de excitație al curentului 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 cunoștințe pentru personalul angrenat în mentenanța sistemului. Dezavantajele metodei sunt însă determinante pentru a o folosi cât mai puțin și anume:
• Randament scăzut (eficiența energetică scăzută)
• Mentenanță costisitoare datorată multor mașini în mișcare
• Prezența a numeroase tandemuri MD-G-M funcție de numărul de utilaje tehnologice de pe o platformă, deci costuri de investiții ridicate.

3.2. Etapa ,,motor de cc - convertor ca/cc”

Odată cu apariția convertoarelor ca/cc locul grupurilor Ward-Leonard a fost luat de un nou tandem, motor de cc – convertor ca/cc lucru întâlnit azi pe platforma centrală de producție PCPF, pe cei trei sateliți PGSU 3, 6, 7, pe platformele ORIZONT, FORTUNA, ATLAS și JUPITER.

Soluția de mai sus este prezentată în schema electrică din fig. 2

MD1 ÷ MDk- grupuri motor diesel-generator sincron

U1÷Ui – convertoare ca/cc

M1÷Mi – motoare de cc

S1- Si – sarcini de tipul utilajelor tehnologice

• FIGURA 2. Schema electrică de principiu a sistemului motor de cc – convertor ca/cc.

Urmând același criteriu de control al parametrilor turație-cuplu pentru sarcina Si ecuațiile caracteristicile sunt:

Relația 12 reprezintă esența explicativă a controlului turației, respectiv a cuplului motorului Mi și a fluxului de excitație al acestuia.

Avantajele soluției de față constau în:

• Creșterea eficienței energetice totale prin diminuarea pierderilor individuale
• Flexibilitate sporită
• Gabarite reduse.

Dezavantajele soluției sunt legate de:

• Calitatea energiei vehiculate, afectată de factori de distorsiune pentru U și I, sporiți cu implicații asupra unor pierderi suplimentare datorate armonicelor de curent.

Sunt însă măsuri de compensare a acestor efecte prin folosirea unor echipamente specializate în acest sens.

3.3. Etapa ,,motor de ca-convertor ca/ca”

Evoluția accelerată a aplicațiilor hardware și software din ultimii 25 de ani, apariția unor microcontrolere cu puteri mari de calcul și me - morie au impus tot mai mult înlocuirea moto ru lui de cc cu cel de c.a. asociat cu convertoare de tip ca/ca.

Schema electrică de principiu a unei astfel de aplicații este prezentată în fig.3.

• FIGURA 3. Schema electrică de principiu a sistemului motor de ca – convertor ca/ca

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 obține o sursă de energie trifazată sinusoidală de putere egală cu suma puterilor generate de grupurile diesel-generator MDK.

Pentru a se obține o funcție între puterea generală și puterea necesară pentru sarcină, cele K generatore sunt controlate într-un sistem PMS (Power Management System), sistem care asigură atât protecțiile fiecăruia dintre generatoare, sincronizarea lor în funcționarea 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 obține 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, 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:

În anumite condiții această relație poate fi pusă și sub forma:

Relația 15,evidențiază faptul că tandemul motor asincrin-convertor ca/ca se comportă din punct de vedere al ca racteristicii mecanice, M=f(Ω) ca și motorul de curent continuu.

Avantajele soluției sunt însă de luat în considerație datorită:

• Unei eficiențe energetice sporite
• Unei calități deosebite a energiei debitate de sursă
• Unei flexibilități superioare datorate supleței și avantajelor motorului asincron.

Dezavantajul important al soluției este legat de prețul pe ansamblu al acesteia, mai mare decât cele două soluții prezentate mai sus.

4. Concluzii

În afara aspectelor teoretice prezentate în acestă lucrare, în cadrul acțiunilor de validare a rezultatelor implementării soluțiilor 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 referință 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 față de GLORIA
• Platforma SATURN – grad de disponibiltate 1,27 față de GLORIA și 1,114 față de JUPITER

Câștigul maxim obținut prin introducerea acestor soluții îl constituie ultima soluție prezentată și integrată pe platforma SATURN, și anume:

• Eficiența maximă energetică prin reducerea substanțială 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 funcție și de evoluția combustibililor fosili în viitorul apropiat gândim etapa a patra pentru soluțiile electroenergetice de pe plarformele de foraj marin prin punerea în valoare a filtrelor active.

Ion Potârniche este dr. ing., Director General  ICPE ACTEL