Control armónico en un pozo petrolero remoto: Mejor rendimiento que el de 18 pulsos a un costo de 12 pulsos — Mirus International

01 Contexto operativo: Sitios de pozos remotos no tripulados en el norte de Alberta

Chevron opera variadores de velocidad ajustable en motores de bombas sumergibles de forma remota., Pozos de petróleo no tripulados en el extremo norte de Alberta. Estos sitios comparten una arquitectura eléctrica común.: un solo transformador de servicio alimenta un solo VSD, que controla un único motor de bomba sumergible. No hay otra carga en el transformador.. Los sitios no cuentan con personal alguno y se visitan periódicamente para realizar tareas de mantenimiento., monitoreado remotamente el resto del tiempo.[1]

Esta configuración crea dos requisitos distintos que van en direcciones opuestas.. La topología de un solo variador sobre transformador es el peor escenario armónico: el variador es la única carga, por lo que no hay corriente de carga lineal para diluir el contenido armónico, y la corriente extraída del transformador es esencialmente el espectro armónico sin procesar de un rectificador de 6 pulsos. Al mismo tiempo, La naturaleza remota y no tripulada del sitio exige la máxima confiabilidad: un problema armónico que causa un disparo del variador o una falla del sistema de comunicación significa que un pozo deja de producir., sin nadie en el sitio para responder.

Chevron’s engineering team took a proactive, preventive approach: rather than waiting for harmonic problems to manifest at well sites, they established a standard specification for harmonic mitigation on all low-voltage, single-drive well sites up to 1,000 HP. El sitio del pozo Simonette representa la aplicación de esa norma..[1]

Higo. 1. Sitio del pozo Simonette de Chevron, extremo norte de Alberta. La 200 transformador de servicio kVA y 150 Los gabinetes HP VSD son visibles. Unidad única, no tripulado, remoto. Fuente: Mirus Internacional / Cheurón.[1]

02 El problema de la unidad única: Armónicos sin dilución

2.1 Por qué esta topología es particularmente sensible

Un VSD de 6 pulsos extrae corriente en pulsos característicos: la familiar forma de onda de doble joroba por medio ciclo que contiene predominantemente 5., 7ª, 11ª, y componentes armónicos 13. En un gran autobús industrial con muchas cargas., Estos armónicos se mezclan con las corrientes de frecuencia fundamental de los motores., iluminación, y otras cargas lineales, y el THDi resultante en el autobús es inferior al que produciría cualquier unidad por sí sola.

En el sitio del pozo Simonette, nada de esta dilución existe. El secundario del transformador alimenta solo el VSD.. El primario del transformador solo ve la corriente VSD distorsionada.. La distorsión de voltaje en el secundario del transformador, que también es el voltaje de suministro a la electrónica de control del variador y a cualquier equipo de comunicación en el sitio, refleja todo el contenido armónico del rectificador de 6 pulsos a través de la impedancia del transformador..[1]

2.2 Vulnerabilidad del sistema de comunicación

Los sitios de pozos remotos dependen de SCADA y sistemas de telemetría para monitoreo y control. Estos sistemas comparten el suministro eléctrico del sitio.. La distorsión de voltaje y el contenido armónico de alta frecuencia pueden interferir con los circuitos de muestreo y comunicación de los equipos SCADA., causando lecturas falsas, abandonos de la comunicación, o bloqueos de equipos. En una aplicación no tripulada, una falla de comunicación significa pérdida de visibilidad de la producción del pozo, una consecuencia financiera directa sin personal en el sitio para diagnosticar o restablecer el sistema..[1]

Higo. 2. Formas de onda actuales en el sitio del pozo Simonette. Izquierda: entrada del variador antes de la instalación del Lineator: distorsión característica de 6 pulsos. Centro: resultado medido con Lineator instalado: casi sinusoidal. Bien: Forma de onda de entrada del Lineator predicha a partir de la simulación. Cifras 1 y 2 suministrado por Chevron.[1]

03 Unidades de pulsos múltiples vs.. el linealista: Una comparación tecnológica

Los ingenieros eléctricos de Chevron eran usuarios experimentados de la tecnología de accionamiento de impulsos múltiples.. Antes de seleccionar el Lineador, evaluaron específicamente opciones de unidad de 12 y 18 pulsos frente al Lineator AUHF para esta aplicación. La comparación es instructiva..[1]

3.1 Cómo funcionan las unidades multipulso

Un variador de 12 pulsos utiliza un transformador desfasador con dos devanados secundarios, uno en estrella y otro en triángulo, para alimentar dos puentes rectificadores de 6 pulsos en paralelo.. El cambio de fase de 30° entre los devanados hace que las corrientes armónicas 5.° y 7.° de los dos puentes se cancelen en el primario del transformador., dejando el 11 y el 13 como armónicos dominantes. Un variador de 18 pulsos extiende esto a tres devanados secundarios desfasados ​​que alimentan tres puentes., cancelando hasta el armónico 13 y dejando el 17 y el 19.[2]

Ambos enfoques reducen sustancialmente el THDi en comparación con un variador estándar de 6 pulsos.. Pero conllevan costos y limitaciones específicos que los hicieron problemáticos para la aplicación Simonette..

3.2 la comparacion

El respaldo del proveedor de accionamientos tiene peso en este contexto.. Chevron no estaba evaluando un producto desconocido: el fabricante de la unidad había probado el Lineator para comprobar su compatibilidad con su plataforma de unidad específica.. Esto eliminó el riesgo de integración que puede acompañar a los filtros de armónicos de terceros y fue un factor decisivo en la selección..[1]

04 Resultados: Rendimiento según lo previsto, Costo por debajo de las alternativas

El Lineator AUHF se instaló en el sitio del pozo Simonette en el 150 HP, 480 unidad V. Las formas de onda de corriente medidas confirmaron las predicciones de la simulación.: La forma de onda de la corriente de entrada del variador se transformó del característico patrón distorsionado de 6 pulsos a una forma casi sinusoidal..[1]

El rendimiento armónico medido superó las especificaciones del variador de 18 pulsos, el estándar de pulsos múltiples más exigente que Chevron había utilizado anteriormente.. Esto se logró con un costo de capital. 9% debajo de una configuración de unidad de 12 pulsos, con una instalación más sencilla (no se requieren pruebas previas en fábrica) y confirmación de compatibilidad total por parte del proveedor de la unidad.

05 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso

5.1 El escenario de accionamiento único por transformador: una condición común en el campo

Sitios de pozos remotos, estaciones de bombeo de riego, pequeñas instalaciones de tratamiento de agua, e instalaciones similares de carga única comparten la misma topología eléctrica que Simonette: un transformador, un VSD, ninguna otra carga. Esta topología aparece en toda la infraestructura rural dondequiera que una bomba o un compresor sea la única carga eléctrica en un sitio remoto..

Desde el punto de vista de la utilidad, Estas instalaciones de una sola unidad son problemas de PQ que esperan desarrollarse.. El transformador ve un THDi alto continuamente, se calienta, y envejece más rápido. Si el transformador alimenta algún equipo de medición del lado de la red eléctrica, relés de comunicación, o medición de ingresos, La distorsión armónica afecta su precisión y confiabilidad.. El enfoque proactivo de Chevron (mitigación de armónicos estándar en todos los sitios de pozos de un solo accionamiento) es la respuesta de ingeniería correcta y produce costos de ciclo de vida más bajos que la mitigación reactiva después de que ocurren las fallas..

5.2 Unidades de impulsos múltiples: cuándo tienen sentido y cuándo no

Unidades de pulsos múltiples (12-pulso y 18 pulsos) Son una mitigación armónica efectiva cuando la aplicación justifica su costo y complejidad.. Tienen más sentido para grandes, Variadores de alta utilización donde el transformador de desplazamiento de fase es una fracción menor del costo total del sistema., donde la carga es relativamente constante (evitando la degradación del rendimiento con cargas ligeras), y donde la cancelación armónica se pueda verificar mediante pruebas de fábrica antes del envío..

Son menos adecuados para unidades pequeñas. (El costo del transformador se convierte en una fracción significativa del costo del variador.), aplicaciones de carga variable, y situaciones donde se valora la simplicidad de la instalación en campo. El sitio del pozo Simonette no cumplió con las tres condiciones que favorecen el impulso múltiple: impulso pequeño, carga de bomba variable, Instalación remota no tripulada que requiere un mantenimiento sencillo.. La comparación de tecnologías llevó directamente a la conclusión correcta.

5.3 Preventivo vs.. gestión armónica reactiva

Vale la pena señalar como enfoque de gestión la decisión de Chevron de especificar la mitigación de armónicos como un requisito estándar en todos los sitios de pozos de un solo accionamiento, antes de que ocurrieran los problemas., no sólo uno de ingeniería. El costo de un filtro de armónicos en la instalación es mucho menor que el costo de diagnosticar y resolver problemas de armónicos después del hecho.: reemplazo del transformador, reparaciones de unidades, Solución de problemas del sistema SCADA, y pérdida de producción durante tiempos de inactividad no planificados. La gestión preventiva de armónicos es sencilla de justificar cuando el punto único, La topología de alta impedancia hace que el resultado armónico sea predecible desde el primer día..

Este estudio de caso concluye la serie IPQDF de estudios de caso de Mirus International. En conjunto: protección del motor ESP, redimensionamiento del generador de tuberías, Cumplimiento de DP para buques offshore, Mitigación del MCC de la planta de procesamiento de gas natural, y control remoto de armónicos en sitios de pozos: cubren las principales categorías de aplicaciones de armónicos alimentadas por generadores y con suministro restringido que se encuentran en las industrias de petróleo y gas., marina, e industrias de proceso. El hilo común es una alta impedancia de fuente que amplifica las consecuencias armónicas más allá de lo que normalmente encuentran los ingenieros conectados a servicios públicos., y un filtro pasivo de amplio espectro que aborda el problema sin agregar la complejidad y los modos de falla de las soluciones activas o de múltiples pulsos..

Referencias

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudio de caso: Sitio del pozo Simonette de Chevron,” Estudio de caso de aplicación, Mississauga, Ontario, Canadá. Disponible: mirusinternacional.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica,” IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.