Eficienţa energetică în sistemele electrice (XII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică în sistemele electrice (XII)
Episodul XI a fost dedicat problemelor specific acţionării motoarelor de antrenare a pompelor de fluid din dotarea instalaţiilor de foraj, urmărindu-se cu preponderenţă utilizarea sistemului convertor c.a./c.a. – motor asincron. În prezentarea făcută cu această ocazie, s-au evidenţiat aspectele tehnice aferente cât şi componentele de eficienţă energetică pe care le urmărim în proiectarea şi execuţia acestor sisteme, mari consumatoare de energie (combustibil) în procesul de foraj.
 
1. Sistemele de rotire folosite în forajul electric
Indicatorul de bază al activităţilor de foraj îl constituie viteza de lucru în foraj. Acest indicator este o funcţie de foarte mulţi parametri (mediu de dislocare, instrumental de lucru - sapa de foraj, regimul de lucru, etc.). În ceea ce priveşte regimul de lucru, ansamblul de activităţi şi produse din procesul tehnologic este definitoriu pentru obţinerea unei viteze de foraj optime. De aceea sistemul de rotire al sapei de foraj prin intermediul garniturii de foraj reprezintă unul din elementele pe care le avem în vedere în mod deosebit în eficientizarea activităţilor corespondente.
Metoda de optimizare a acestui proces constă în esenţă în exprimarea duratei de funcţionare a sapei (T) şi a avansării pe sapă (H) în funcţie de apăsarea pe sapă şi de viteza de rotire a acesteia. Experienţa arată că modificarea apăsării şi a turaţiei în decursul lucrului sapei, în vederea corelării dinamice a parametrilor de foraj, nu este justificată prin sporul de eficienţă obţinut. În schimb, menţinerea lor constantă pe toată durata lucrului este esenţială pentru obţinerea unor condiţii de eficienţă maximă. Dar cuplul rezistent la nivelul sapei nu este constant, motiv pentru care controlul cuplului şi al turaţiei motorului de antrenare al sistemului de rotire reprezintă cheia obţinerii unei eficienţe maxime a procesului de forare.
 
2. Determinarea puterii necesare procesului de rotire
Calculul puterii necesare procesului de rotire este determinat experimental funcţie de mărimile care-l influenţează şi anume:
 
2.1 Puterea necesară sapei:
P1 = f1(D, n), unde: (1)
D - diametrul sapei
n - turaţia garniturii
 
2.2. Puterea necesară rotirii garniturii:
P2 = f2 (D, n, l), unde: (2)
l - lungimea garniturii
 
2.3 Puterea totală necesară sistemului de rotire:
P = α1· P1 + α2· P2, unde: (3)
coeficienţii α1, α2 depind de tipul rocii dislocate şi de tipul instalaţiei de rotire utilizate.
 
3. Tipuri de instalaţii de rotire folosite în foraj
Tipurile de instalaţii de rotire utilizate în forajul românesc şi internaţional sunt următoarele:
  • sistemul cu masă rotativă, un sistem complex în care coloana de prăjini este prinsă într-un mecanism consolidat cu structura instalaţiei de foraj, mecanism care se roteşte antrenat de un motor electric şi care asigură cele două componente forajului, apăsarea, respectiv turaţia, într-un mod controlat;
  • sistemul top-drive, un sistem mai nou care este compus dintr-un mecanism consolidate de turla (mast-ul) sondei şi care fie hidraulic, fie electric, asigură pentru garnitură şi sapă, tot controlat, aceleaşi componente: apăsare şi turaţie.
 
Foarte multe din instalaţiile de foraj existente folosesc unul sau celălalt mod de antrenare a sistemului de rotire, dar tot atât de multe le folosesc pe amândouă în regim de redundanţă pentru a se asigura o eficienţă maximă a procesului de foraj.
Parametrii sistemului de rotire avuţi în vedere pentru dimensionarea sistemului convertor – motor electric sunt:
  • puterea masei rotative, respectiv a mecanismului top-drive;
  • turaţia acestora.
 
Relaţia de bază obţinută experimental, pentru determinarea puterii necesare rotirii, indiferent de metodă este:
P = A· n + B· H· nm, unde: (4)
A, B sunt factori constanţi funcţie de solul dislocat;
n – turaţia;
m – un coeficient subunitar care depinde de condiţiile procesului de foraj;
H – adâncimea forată.
 
Dacă consideram că în procesul de foraj, aşa cum am amintit, este indicat ca n = ct, rezultă că odată cu creşterea adâncimii trebuie redusă turaţia pentru a ne încadra în puterea disponibilă.
În ceea ce priveşte cuplul rezistent la nivelul sapei, el variază funcţie de apăsarea pe sapă şi este profund variabil.
Din acest punct de vedere, regimul de funcţionare al motorului sistemului de rotire este unul puternic variabil în timp, cu cerinţe exprese privind limitarea lui pentru protejarea sistemului.
 
4. Cinestatica sistemului de rotire
Asociind elementele sistemului de rotire (sapă, masă rotativă (top-drive) şi coloanele prăjinii) unui cilindru căruia îi aplicăm un cuplu M de rotire cu o turaţie n putem avea:
Mt = G· Ip· Δφ/l, unde: (5)
Mt – cuplul de răsucire;
G – modulul de elasticitate al sistemului;
Ip – momentul de inerţie polar;
Δϕ – deformaţia unghiulară;
l – lungimea prăjinii.
 
Ip = π· (D2-d2)/32, unde: (6)
D, d - diametrul exterior şi interior al prăjinii de foraj.
 
Corespunzător acestui cuplu de rotire Mt, rezultă puterea motorului electric de antrenare:
P = Mt· Ω = 2π· Mt· n (7)
În cele mai multe cazuri, această putere este cuprinsă între 400…800 kW pentru o turaţie a mecanismului de rotire cuprinsă între 200…400 rot/min.
 
5. Sistemul de acţionare convertor-motordispozitiv rotire
În dotarea instalaţiilor de foraj moderne, pentru menţinerea unui nivel controlat al parametrilor de foraj, antrenarea sistemului de rotire se face cu motoare electrice. Schema de principiu a acestui ansamblu, conform figurii de mai jos, pune în valoare următoarele elemente necesare sistemului de acţionare cu turaţie variabilă şi cuplu controlat:
  • sursa de alimentare în curent alternativ, U;
  • întrerupătorul de cuplare, Q;
  • convertorul c.a./c.c., respectiv c.a./c.a. funcţie de motorul de antrenare, P;
  • m - motorul de antrenare, ce poate fi de c.c. sau de c.a.;
  • S – sarcina antrenată (sistemul de rotire).
 
FIGURA 1. Schema de principiu pentru antrenarea sistemului de rotire
 
Funcţiile fiecărui element din schema de mai sus sunt importante, dar esenţial pentru obţinerea unei eficienţe sporite şi pentru atingerea performanţelor dorite în procesul de foraj este funcţionarea convertorului P.
În principal, caracteristica M = f(n) a motorului antrenat trebuie să urmărească 3 cerinţe:
 
  1. Să asigure turaţia constantă pentru oricare din punctele de funcţionare cuprinse între turaţia minimă şi maximă;
  2. Să limiteze cuplul activ la orice valoare aparţinând valorilor minime şi maxime ale acestuia, indiferent de turaţie;
  3. Să învingă cuplul rezistent la axul motorului fără a se distruge componentele sistemului de rotire.
 
Aceste deziderate sunt obţinute astăzi cu ambele tandemuri convertor - motor, deoarece caracteristica M = f(n) la axul motorului pentru fiecare din ele este o caracteristică liniară cu alura de mai jos:
 
FIGURA 2. Caracteristica M= f(n)
 
Din această caracteristică observăm că pentru orice turaţie nk, cuprinsă între 0 şi nmax, se poate limita orice valoare de cuplu Mk ∈ (0 ÷ Mmax).
Astăzi, în cele mai multe cazuri, masa rotativă este antrenată de motoare de c.c. sau motoare de c.a. iar instalaţia de tip top-drive este antrenată electric cu motoare de c.a.
 
6. Concluzii
Activitatea ICPE ACTEL aferentă dezvoltării echipamentelor de acţionare a motoarelor de antrenare a sistemului de rotire constă în realizarea de:
  • echipamente de acţionare motoare de c.c. pentru antrenare masă rotativă şi top-drive cu puteri cuprinse între 315 ÷ 850 kW;
  • echipamente de acţionare motoare de c.a. pentru antrenare masă rotativă şi top-drive cu puteri cuprinse între 400 şi 1000 kW;
  • echipamente de compensare a factorului de putere pentru ambele soluţii.
 
Fiabilitatea produselor şi reglarea caracteristicilor principale ale procesului de foraj (M, n) cu o precizie deosebită conferă soluţiilor noastre garanţia obţinerii unei eficienţe maxime pentru parametrii forajului electric.
________________________________________________________
ION POTÂRNICHE dr. ing., Director General ICPE ACTEL
________________________________________________________

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