Eficienţa energeticã în sistemele electrice (XIII). Bilanţ energetic pentru instalaţia de foraj F320 acţionată cu motoare de c.c.

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Ne propunem pe parcursul a două episoade să realizăm un studiu comparativ între bilanţurile energetice corespunzătoare instalaţiei de foraj F 320 pentru cele două cazuri posibile şi specifice de acţionare a acesteia: echipată cu motoare de c.c. (F 320 - EC /DEC), respectiv cu motoare de c.a. (F 320 - EA/DEA), la aceiaşi parametri ai motorului electric (putere P = 850 kW, cuplu M, turaţie n).

În episodul de faţă vom aborda cazul alimentării în c.c. a instalaţiei de foraj F 320 – EC/DEC, urmând ca în episodul viitor să analizăm cazul instalaţiei de foraj F 320 – EA/DEA. După acest studiu vom constata avantajele nete oferite de soluţia alimentării în curent alternativ, care conduc la economii importante de energie, combustibil, mentenanţă.

1. Schema electrică monofilară de principiu a instalaţiei F 320 – EC/DEC

Bilanţul energetic pe care ne propunem să îl realizăm în cele ce urmează corespunde unui sistem tehnologic de lucru din dotarea unei instalaţii de foraj tip F 320, care are posibilitate dublă de alimentare, atât de la reţeaua publică de 20 kV, cât şi de la o microcentrală de c.a., formată din 4 grupuri diesel generator de câte 1500 kVA, 3 x 660 V, 50 Hz. Schema electrică monofilară de principiu a instalaţiei este reprezentată în figura 1.

Echipamentul tehnologic de foraj conţine:

 un troliu, acţionat cu 2 motoare de c.c. (850 kW, 770 Vc.c.);

 3 pompe de noroi, fiecare acţionată de câte 2 motoare de c.c. (850 kW, 770 Vc.c);

 o masă rotativă, acţionată cu un motor de c.c. (850 kW, 770 Vc.c.).

Legenda:

  • Q1, Q2 – întreruptoare (celule) medie tensiune (24 kV, 630 A);
  • Q3, Q4 – întreruptoare joasă tensiune (690 V, 3200 A);
  • Q5 ÷ Q8 – întreruptoare joasă tensiune (690 V, 1600 A);
  • Q11 ÷ Q19 – întreruptoare joasă tensiune (690 V, 1250 A);
  • U1 ÷ U9 – convertoare c.a./c.c. (1500 A, 770 Vc.c.);
  • M – motoare de c.c. (850 kW, 770 Vc.c.);
  • T1, T2 – transformatoare trifazate (3000 kVA, 3 x 20 kV/3 x 660 V, 50 Hz);
  • G1 ÷ G4 – generatoare sincrone (1500 kVA, 3 x 660 V, 50 Hz) din dotarea grupurilor diesel – generator.

2. Bilanţ energetic general pentru instalaţia de foraj F 320 - EC/DEC

Pentru simplitate, vom aborda numai soluţia instalaţiei alimentate de la reţeaua publică de tensiune alternativă.

2.1 Condiţii generale impuse

Presupunem funcţionarea echipamentului tehnologic la parametrii maximi, într-una din condiţiile cele mai grele, dar nu departe de situaţia reală, adică cu toate cele 9 motoare de c.c. încărcate la cuplu maxim, la o valoare medie a turaţiei de circa 500 rot/min şi cu un coeficient de simultaneitate α de aproximativ 0,35. În această situaţie, parametrii de foraj amendaţi de coeficientul de simultaneitate α sunt:

 viteza medie de ridicare la troliu la o masă maximă: cca. 1 ÷ 1,5 m/s;

 presiunea maximă în coloana de circulaţie a pompelor la un debit mediu;

 viteza de rotire a mesei rotative la cuplu maxim şi turaţie medie: circa 500 rot/min la arborele motorului.

De asemenea, considerăm tensiunea de alimentare sinusoidală la parametrii standard.

2.2 Diagrama puterilor vehiculate între sursă şi sarcină

Schematic, putem sintetiza vehicularea energiei între sursă şi sarcină pe diagrama din figura 2.

În punctul C, parametrii energetici echivalenţi sunt:

  • Pechmax = 9 x 850 kW = 7650 kW
  • Pechcalcul = Pechmax × α = 7650 × 0,35 = 2677,5 kW

În punctul B, parametrii energetici echivalenţi sunt:

  • Pechcalcul = Pechcalcul în punctul B = 2677,5 kW

Având în vedere că turaţia medie a motorului de c.c. echivalent este aproximativ 500 rot/min, înseamnă că unghiul de aprindere al tiristoarelor este diferit de valoarea maximă a acestuia, ceea ce conduce la un factor de putere (FP) la intrarea în convertorul u (punctul B):

unde:

  • Ud – tensiunea redresată la ieşirea convertorului u la 500 rot/min;
  • Ud max – tensiunea maximă redresată;
  • nlucru – turaţia medie de lucru;
  • nmax – turaţia nominală a motorului M.

Din relaţia de mai sus rezultă că:

Deci, în punctul B, puterea aparentă absorbită din reţea este:

iar puterea reactivă absorbită din reţea este:

În punctul A, parametrii electrici (P, Q, S) sunt identici cu cei din punctul B, diferenţa este dată numai de tensiunea de lucru de 20 kV în loc de 660 V.

Din punct de vedere energetic, legat de vehicularea de energie între sursă şi sarcină, se pot trage următoarele concluzii:

1 Pentru a se produce un lucru mecanic la axul motoarelor de c.c. pentru instalaţia F - 320 EC/DEC, echivalent cu o putere activă echivalentă P de aproximativ 2678 kW, este necesară dimensionarea sursei la aproximativ 6000 kVA şi o vehiculare de putere reactivă de aproximativ 5314 kVAr.

2 Curentul electric vehiculat între convertorul u şi motorul M este de 3477 A. Pentru a se obţine parametrii tehnologici doriţi, curentul absorbit din sursa T suplimentar pentru a asigura necesarul de putere reactivă de 5314 kVAr este de 4654 A.

3 Pierderile suplimentare de energie în cablurile în care se vehiculează componenta reactivă a curentului absorbit sunt:

  • rech – rezistenţa echivalentă a căilor de curent;
  • Ir – curentul reactiv vehiculat.

2.3 Pierderi datorate armonicilor produse de convertoarele u

Utilizarea convertoarelor c.a/c.c. (u) pentru antrenarea motoarelor de c.c. (M) cu turaţie variabilă şi cuplu controlat, în afara vehiculării unei energii reactive, mai prezintă şi dezavantajele perturbării formei de undă a tensiunii reţelei de alimentare, respectiv a curentului absorbit din reţeaua de alimentare.

Din măsurătorile efectuate de specialiştii noştri pe instalaţii de foraj din seria F 320 - EC/DEC a rezultat următorul spectru de armonici cu ponderile faţă de fundamentală de tensiune şi de curent absorbit:

Restul armonicilor se consideră neglijabile în raport cu cele de mai sus.

Într-un calcul estimativ, rezultă că 20 % din:

 puterea activă Pechcalcul a motoarelor (aproximativ 535,3 kW),

 puterea reactivă vehiculată (aproximativ 1062,8 kVAr),

 pierderile vehiculării puterii reactive (aproximativ 114,4 kW)

sunt pierderi suplimentare datorate armonicilor produse de convertoarele c.a./c.c.

2.4 Bilanţ final pentru instalaţiile de foraj F 320 - EC/DEC utilizând motoarele de c.c.

În condiţii normale de funcţionare, pentru obţinerea unui proces tehnologic şi de producţie dat, suplimentar şi independent de voinţa operatorului de foraj, pierderile de energie anuale pentru o instalaţie de foraj F 320 - EC/DEC cu motoare de c.c. sunt:

 consumul de energie reactivă: 55.860.760 kVArh

 pierderile de putere activă datorate armonicilor: 4.689.228 kWh;

 pierderile de putere activă datorate transportului (vehiculării) energiei reactive. 6.012.864 kWh

Rezultă următoarele cheltuieli suplimentare:

Ea 10.702.092 kWh şi Er 55.860.768 kVArh.

3. Bilanţ financiar

Pornind de la un preţ mediu zi - noapte pentru energia activă, respectiv pentru consumatori industriali, cheltuielile suplimentare pentru o instalaţie de foraj F 320 - EC/DEC utilizând motoare de c.c. într-un an calendaristic sunt:

A = 10.702.092 kWh x 0,31475 lei/kWh = 3.368.483 lei

B = 55.860.768 kVArh x 0,0467/kVArh = 2.608.697 lei

Total = A + B = 5.977.180 lei 1.374.065 EUR

4. Concluzii

Convertoarele c.a./c.c. aferente motoarelor tehnologice de c.c. de pe o instalaţie de foraj induc puteri reactive şi armonici mari, atrăgând cheltuieli suplimentare mari. Se va vedea în episodul viitor avantajul utilizării motoarelor tehnologice de c.a. acţionate cu convertoare c.a./c.a., care reduc considerabil puterea reactivă şi armonicile şi în consecinţă cresc eficienţa economică.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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