Mitigación de armónicos para un centro de control de motores alimentado por generador: Planta Endulzadora de Gas Natural — Mirus International

01 Contexto operativo: Procesamiento de gases ácidos y por qué la calidad de la energía es crítica para la seguridad

Una empresa de procesamiento y transporte de gas natural en Columbia Británica opera una planta de endulzamiento de gas natural, una instalación que elimina el venenoso sulfuro de hidrógeno. (H₂S) del gas amargo antes de que pueda transportarse de forma segura por tuberías. El proceso de eliminación utiliza una solución acuosa de amina que absorbe H₂S de la corriente de gas.. La amina líquida debe mantenerse a una temperatura cuidadosamente controlada durante todo el proceso.: Demasiado calor y la eficiencia de absorción disminuye.; demasiado frío y el proceso se detiene.[1]

El control de la temperatura se logra mediante ventiladores de refrigeración accionados por variadores de frecuencia ajustable. (AFD). Cada uno de los ocho trenes de proceso, llamados trenes de aminas, tiene un centro de control de motores dedicado que contiene siete 480 Unidades V: uno 40 HP, cuatro 50 HP, y dos 60 Unidades de HP. Los ocho MCC son alimentados por generadores de turbinas in situ.. No hay conexión a la red pública.

Higo. 1. Instalación de Centro de Control de Motores en la planta endulzadora de gas natural, Columbia Británica. Ocho MCC, cada uno equipado exclusivamente con siete convertidores de frecuencia. Fuente: Mirus Internacional.[1]

02 El problema del CCM alimentado por generador: Por qué se descartaron las soluciones estándar

2.1 La imagen de carga armónica.

Ocho MCC, cada uno con siete cargas VSD de 6 pulsos, conectado a un bus de generador de turbina común. Sin mitigación armónica, la distorsión de voltaje armónico total predicha en el 480 Se superó el V del cuadro que alimenta los CCM 16.5%, con una distorsión de corriente tan alta como 40%.[1] Estos no son números límite: representan un sistema que estaría en estrés armónico severo desde el primer día de operación..

El origen del problema resulta familiar por los estudios de casos anteriores de esta serie.: Los generadores de turbina tienen una alta impedancia de fuente en relación con una red eléctrica.. Las mismas corrientes armónicas que producirían un THDv modesto en un bus de servicios públicos producen un THDv dramáticamente mayor en un bus de generador.. Con 56 impulsa toda la corriente armónica dibujada a través de la misma impedancia de fuente del generador, Se predijo que el efecto acumulativo sería severo..

2.2 Por qué se rechazó cada solución convencional

el ingeniero del proyecto, David Challoner, Evaluó sistemáticamente las opciones de mitigación disponibles y encontró que cada una de ellas era inadecuada para esta aplicación específica.:[1]

• Reactores de línea — atenuación armónica inadecuada para una fuente generadora de alta impedancia. Un reactor de línea reduce la corriente armónica agregando impedancia en serie, pero en un sistema alimentado por generador la impedancia de la fuente ya es alta, y la impedancia adicional del reactor provoca una caída de voltaje inaceptable en los terminales del variador sin lograr una reducción significativa de THDv a nivel del bus..
• 12- y soluciones de 18 pulsos — requeriría un transformador desfasador por variador o por MCC. Con 56 unidades pequeñas que van desde 40 a 60 HP, el costo de 56 o 8 Los transformadores desfasadores hicieron que esta opción fuera económicamente impracticable.. Las soluciones de pulsos múltiples no se adaptan bien a instalaciones con muchas unidades pequeñas.
• Filtros pasivos sintonizados — requieren conocimiento del entorno armónico completo en el punto de aplicación. La contribución armónica del resto del sistema de energía alimentado por generador fue difícil de caracterizar., haciendo imposible el tamaño exacto. Un filtro sintonizado incorrectamente en un sistema alimentado por generador puede crear resonancia que amplifica órdenes armónicas específicas en lugar de atenuarlas..
• Filtros activos — incertidumbre sobre la confiabilidad a largo plazo de la tecnología de filtro activo electrónico de potencia en un servicio continuo, entorno de proceso crítico para la seguridad. Los filtros activos requieren más mantenimiento que las soluciones pasivas y sus modos de falla pueden ser más disruptivos.

03 Selección de filtro: Un Lineador por MCC

3.1 Por qué se eligió el Lineator AUHF

El Lineador AUHF (Filtro armónico universal avanzado) fue seleccionado por recomendación del proveedor de VSD, y confirmado por Dave Challoner basándose en tres atributos específicos requeridos para esta aplicación:[1]

• Atenuación armónica premium — reducción de amplio espectro del perfil armónico completo generado por variadores de 6 pulsos, no sólo órdenes armónicos específicos
• Diseño pasivo confiable — sin electrónica de potencia activa, sin sistema de control, sin software. En un entorno de proceso crítico para la seguridad de servicio continuo, La simplicidad del filtro pasivo se traduce directamente en confiabilidad y baja carga de mantenimiento.
• Independencia del sistema — el filtro funciona según las especificaciones independientemente del contenido de armónicos de otras cargas en el bus del generador, sin requerir un conocimiento detallado del entorno armónico externo

3.2 La estrategia de aplicación a nivel de MCC

En lugar de aplicar un filtro por unidad, lo que habría requerido 56 unidades: se aplicó un solo Lineator a cada alineación de MCC, Filtrar las siete unidades en ese MCC simultáneamente.. Este enfoque funciona porque el Lineator tiene el tamaño adecuado para la carga agregada del MCC., no a unidades individuales. El resultado fueron ocho filtros en lugar de 56, con importantes ahorros de costes, complejidad de la instalación, y espacio del panel.[1]

04 Resultados: Rendimiento que superó las predicciones

Las mediciones posteriores a la instalación casi a plena carga confirmaron que el Lineator AUHF superó tanto el objetivo del proyecto como el IEEE. 519 límites de referencia:[1]

El resultado THDv de 1.9% es particularmente notable: es menos de la mitad del 5% objetivo del proyecto y muy por debajo del IEEE 519 límite aplicable a este sistema.[2] Un THDv debajo 2% en un sistema alimentado por generador con 56 Las cargas VSD representan un excelente rendimiento del filtro. El THDi de 5.7% superó de manera similar el 8% objetivo.

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

5.1 La metodología de selección de filtros: eliminación según los requisitos de la aplicación.

Este estudio de caso es un buen ejemplo de selección de tecnología de filtrado mediante eliminación sistemática basada en restricciones específicas de la aplicación.. Las restricciones fueron: suministro de generador (descartar los reactores de línea como insuficientes y los filtros sintonizados como demasiado riesgosos), muchas unidades pequeñas (descartar el uso de pulsos múltiples por ser demasiado costoso), servicio continuo crítico para la seguridad (descartar filtros activos por no estar suficientemente probados). El proceso de eliminación condujo directamente al filtro pasivo de amplio espectro, la única tecnología que satisfizo todas las limitaciones simultáneamente..

Esta metodología: definir las restricciones primero, combinar la tecnología en segundo lugar: es más confiable que comenzar con una solución preferida y encontrar razones para aplicarla. También produce una mejor documentación de los fundamentos de ingeniería., Lo cual es relevante a la hora de justificar gastos de capital ante la gestión de proyectos..

5.2 Nivel MCC vs.. filtrado a nivel de unidad: cuando cada uno es apropiado

La decisión de filtrar a nivel de MCC en lugar de por variador es válida cuando la carga de MCC es predominante o exclusivamente cargas VSD.. En este caso, los siete variadores por MCC eran variadores de frecuencia ajustable: 100% carga no lineal. En estas condiciones, El filtrado a nivel de MCC es eficaz y económico.

El cálculo cambia cuando un MCC contiene una combinación de VSD y cargas lineales (motores directos en línea, calentadores resistivos, transformers). en ese caso, las cargas lineales no generan armónicos pero sí consumen potencia reactiva, que altera la carga efectiva vista por el filtro. Un filtro dimensionado para la carga completa del MCC, incluidas las cargas lineales, puede estar sobredimensionado para la fuente de armónicos.. Entonces se requiere un filtrado por unidad o una cuidadosa medición del tamaño de los agregados para la mezcla de carga.. La aplicación de la planta de endulzamiento de gas natural evitó esta complejidad al especificar cargas de MCC que eran 100% unidades: una alineación afortunada de los requisitos del proceso y la ingeniería de calidad de la energía.

5.3 El patrón alimentado por generador: un tema recurrente

Este es el tercer estudio de caso consecutivo en esta serie que involucra un sistema aislado alimentado por generador.: la estación del oleoducto Plains All-American (generador diesel, VSD único), el buque de servicio offshore (múltiples generadores, Unidades de propulsión de CC), y ahora una planta alimentada por un generador de turbina con 56 conduce a través 8 MCC. El patrón es consistente: Los problemas armónicos que serían manejables en una red eléctrica se vuelven críticos en un sistema alimentado por generador., y la solución en cada caso requiere una tecnología de filtrado que tenga en cuenta la alta impedancia de la fuente y el riesgo de inestabilidad del regulador de voltaje del generador..

El próximo artículo técnico de esta serie examinará el rectificador de 6 pulsos desde la dirección opuesta, no como una fuente de armónicos que contamina la red., sino como víctima de una mala calidad de la tensión de alimentación. Comprender cómo los problemas de PQ del lado de la red degradan el rendimiento de las unidades completa el panorama de la relación bidireccional entre las unidades y su fuente de alimentación..

Referencias

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudio de caso: Planta Endulzadora de Gas Natural,” 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.