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

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

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

În ultimul număr, am evidențiat stadiul actual în domeniul acționărilor electrice pe plan național și mondial trecând în revistă progresele făcute în ultimul timp în domeniul materialelor electrice și magnetice, componentelor electronice și al tehnicilor de reglare cu microcontrolere și microprocesoare performante.

Toate performanțele evidențiate au ca suport progresele în domeniul chimiei, fizicii corpului solid, circuitelor integrate, calculatoarelor și, nu în ultimul rând, în domeniul conceptelor privind sistemele automate de reglare și control.

1. Introducere

În numărul de față, voi face o trecere în revistă a rezultatelor cercetărilor specialiștilor ICPE ACTEL în domeniul sistemelor automate de acționări folosite în forajul marin românesc.

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 într-o ordine cronologică, platformele FORTUNA, ORIZONT, JUPITER, PROMETEU, ATLAS, SATURN, iar anii ’90, au găsit în stare avansată încă două platforme realizate în proporție de peste 90%, dar care au sfârșit, ca și industria românească, la groapa de fiare REMAT, punându-se astfel capăt unei perioade de luciditate și probitate profesională pentru inginerii români integrați în tot 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 câtorva generații de soluții și echipamente electrice din domeniul acționării și automatizării proceselor tehnologice specifice activităților de foraj marin, atât din perimetrul Mării Negre, cât și din alte mări ale lumii (Egee, Mediterana, 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/ieşire 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 la care se presupune existența 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 metrul 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. Soluţii tehnice de antrenare electrică, comandă şi reglare a utilajelor dedicate forajului marin

Pentru oricare dintre 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 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 trei 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 au fost realizate, la origine, 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 1:

Etapa Ward-Leonard

Unde:

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 dintre utilajele amintite (troliu, pompe de noroi, masă rotativă)

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

Tensiunea la bornele generatorului G este:

Eg=kG Φeg Ω1 (1)

Eg=I(Rg+ΣR+Rm )+Em (2)

Eg=IRe+Em (3)

M=kM Φem I (4)

Em=kM Ω2 Φem (5)

Din relațiile 1÷5 rezultă:

Tensiunea la bornele generatorului G

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 (eficiență 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 figura 2:

Etapa „motor de cc – convertor ca/cc”

Unde:

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 parametrilor turație-cuplu pentru sarcină Si, ecuațiile caracteristice 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 din cauza 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 memorie au impus tot mai mult înlocuirea motorului de cc cu cel de ca, asociat cu convertoare de tip ca/ca.

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

Etapa „motor de ca-convertor ca/ca”

Unde:

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 generatoare 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÷ Use obține o nouă bară de energie în curent continuu cu următorii parametri:

Potarniche13

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 ca să nu fie afectat de un regim nesinusoidal de tensiune la borne, iar cuplul activ dezvoltat de motorul Mi va fi:

Potarniche14

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

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

Avantajele soluției sunt însă de luat în considerare 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, deocamdată este legat de prețul pe ansamblu al acesteia, mai mare decât cele trei soluții prezentate mai sus.

4. Concluzii

În afara aspectelor teoretice prezentate în această 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.

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 kilometri de cabluri materializate până la urmă tot prin reducerea pierderilor datorate armonicelor de curent.

În preocupările noastre actuale, în funcție și de evoluția combustibililor fosili în viitorul apropiat, gândim etapa a patra pentru soluțiile electroenergetice de pe platformele de foraj marin prin punerea în valoare a filtrelor active.


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


 


Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord