Analisis de Armonicos Campo SSFD de Petroproduccion

ANALISIS DE ARMONICOS DEL CAMPO SHUSHUFINDI DE PETROPRODUCCION

REALIZADO POR: JAIRO A. VERA

22 DE DICIEMBRE DEL 2006

1. INTRODUCCION

1.1. OBJETIVOS:

Realizar mediciones de distorsión armónica de voltaje y corriente, a la entrada de los variadores de velocidad (VSD) Centrilift instalados en el campo SHUSHUFINDI.

Analizar los resultados obtenidos y en base a estos implementar en el campo soluciones rápidas, eficientes y económicas que permitan que los niveles de distorsión armónica de voltaje como de corriente estén en los limites permisibles de la *IEEE 519 - 1982 y 1992

1.2. ALCANCE:

Este procedimiento y análisis de armónicos se desarrollara en el campo Shushufindi, únicamente en las locaciones que se encuentren variadores de velocidad CTL. Los resultados nos servirán para disminuir la distorsión armónica de voltaje y corriente, con lo que se elevara el factor de potencia total y por ende la eficiencia del sistema de generación, algo que ya se esta poniendo en practica en el campo Libertador.

* Las practicas recomendadas en la normas IEEE Std 519-1992, son una guía para el diseño de sistemas de potencia con

cargas no lineales.

Análisis de Armónicos Campo SSFD Field Service Ecuador21

2

2. MEDICION Y RECOLECCION DE INFORMACION

El equipo empleado para el análisis de armónicos en el campo incluye; Analizador de Calidad de Energía (Fluke 43B), Multímetro digital (Fluke 87III), Pinza Amperométrica, Puntas de Alta Tensión TSW-22 y Equipo de Protección Personal.

Las lecturas fueron tomadas entre los días 7 a 9 de Diciembre del presente, a la entrada y salida de los variadores de velocidad VSD en la que se ha tomado como puntos de común acoplamiento el secundario de los transformadores reductores con nivel de tensión de 480 VAC. El espectro armónico del THD incluye desde el 1 (fundamental) hasta el armónico 51; la distorsión armónica en corriente en cada entrada hacia el VSC, incluye igualmente desde el 1 hasta el 51 y se detalla como valor de ITHD.

En el campo Shushufindi existen instalados un total de 18 Variadores GCS de 6 y 12 Pulsos, de los cuales 10 variadores son de 12 Pulsos y 8 de 6 Pulsos, de los variadores de 12 Pulsos solo 1 trabaja como tal (SSFD 106D), el restante funciona como de 6 pulsos ya que no se tiene un transformador desfasador reductor a la entrada.

En la tabla 2.1 se detalla el modelo, tipo, potencia y la forma de trabajo de los variadores de velocidad VSD que se encuentran operando en el campo.


3

POZO MODELO TIPO Forma de Trabajo KVA

SSFD 2 GCS 6 PULSOS 6 PULSOS 518





SSFD 52D GCS 6 PULSOS 6 PULSOS 390













Tabla 2.1

A continuación se detallan las mediciones eléctricas realizadas en las distintas locaciones. En la tabla 2.2 se describen numéricamente la potencia de entrada al VSD, porcentaje de carga, factor de potencia de deslizamiento y total, como la distorsión armónica de voltaje y corriente a la entrada del variador de frecuencia variable.


4

LOCACIONPOTENCIA LOAD

VSD (%)V OUT

(V)D fp

fp TOTAL

THD VOLTAJE in

THD CORRIENTE

inKW KVAR KVA

SSFD 2 185 117 209 81.0 % 441 0.85 0.79 5.4 % 37.8 %SSFD 14 74.1 50.8 89.8 70,7% 423 0.83 0.74 5.9 % 52.5 %SSFD 19 169 101 196 75.0 % 465 0.86 0.81 6.0 % 35.8 %SSFD 23 249 110 272 89.1 % 480 0.91 0.86 5.0 % 35.1 %SSFD 28 146 109 183 74.1 % 432 0.80 0.74 7.7 % 40.3 %

SSFD 52B 88.3 63.8 109 77.5 % 424 0.81 0.73 6.2 % 47.7 %


5

SSFD 54 83.6 37 91.5 79.3 % 468 0.91 0.84 5.4 % 42.8 %SSFD 67 163 101 193 72,4% 435 0.85 0.80 13.6 % 33.5 %SSFD 68 229 119 258 78,1% 471 0.89 0.84 8 % 33.1 %SSFD 69 101 64.4 120 75,0% 448 0.84 0.75 6.8 % 49.7 %SSFD 74 158 33.4 161 79,0% 480 0.98 0.93 6.5 % 31.9 %SSFD 75 124 51.4 134 66,7% 480 0.92 0.86 6.7 % 37.2 %SSFD 76 213 122 247 63,0% 413 0.86 0.80 10.8 % 37.7 %SSFD 89 48.6 37.9 61.7 76.3 % 437 0.79 0.67 7.1 % 60.7 %SSFD 92 250 173 306 90.5 % 438 0.82 0.77 11.1 % 34.5 %

SSFD 106D 86.1 49.5 99.5 72.5 % 450 0.90 0.82 3.0 % 8.0 %SSFD 108D 76.7 55.5 94.7 86.7 % 418 0.81 0.72 5.1 % 53.8 %SSFD 109D 80.6 55.3 97.7 70.0 % 421 0.83 0.73 5.3 % 55.0 %

Tabla 2.2

En la tabla 2.3 se muestran los mismos valores de la tabla 2.2 pero de tal manera que se pueda observar la forma de onda (Obtenida del FluKe 43B) como el porcentaje de los armónicos tanto de voltaje y corriente a la entrada del VSD.

LOCACION

POTENCIA ARMONICOS VOLTAJE ARMONICOS CORRIENTE


6

SSFD 2

SSFD 14

SSFD 19


7

SSFD 23

SSFD 28

SSFD 52B


8

SSFD 54

SSFD 67

SSFD 68


9

SSFD 69

SSFD 74

SSFD 75


10

SSFD 76

SSFD 89

SSFD 92

SSFD 106D


11

SSFD 108D

SSFD 109D

Tabla 2.3


12

3. ANALISIS DE LAS MEDICIONES

Los valores de distorsión armónica de corriente a la entrada de los variadores de velocidad variable que trabajan en forma de 6 Pulsos, se encuentran en los rangos admitidos por Centrilift, que permiten que nuestro equipo electro sumergible trabaje en condiciones eléctricas normales, pero no que cumplen con la Norma IEEE 519-1992 cuyos valores permisibles para la entrada son de 5% para la distorsión armónica de Voltaje y menor al 15% para distorsión de corriente.

Todo variador de 6 o 12 pulsos independientemente de la marca consumirá una corriente (salida VSD) con una distorsión armónica no menor al 25%, esto se puede observar en la tabla 3.1 en donde se realiza una comparación entre las locaciones SSFD 106D (VSD 12 pulsos) y SSFD 28 (VSD 6 pulsos).


13

LOCACION POTENCIA ARMONICOS VOLTAJE ARMONICOS CORRIENTE

SSFD 106D


14

SSFD 28

Tabla 3.1

La distorsión armónica obtenida en la salida del variador es característica de la forma de onda de salida cuasi-cuadrada, por lo tanto el Valor de THD de voltaje de salida siempre permanecerá constante aprox. 28% mientras que el THD de corriente oscila entre 23 % y 33% que depende exclusivamente de la carga que maneja. Estos valores de distorsión ya están considerados en el diseño de los motores Centriift, por lo tanto no se tiene ningún problema al usar la forma de salida cuasi cuadrada.

La distorsión armónica que se tiene a la salida del variador no afecta la distorsión armónica en la entrada debido a que la configuración del variador es siempre la misma, independientemente de la marca.

Del resultado obtenido de distorsión armónica de corriente a la entrada del variador de 12 pulsos, SSFD 106D, que es el único que trabaja con transformador desfasador reductor, presenta una distorsión armónica de corriente del 8%, y de voltaje del 3 %, estos valores cumplen con la norma aplicable para la entrada del variador hacia generación, obteniendo una mejor calidad de energía.

El factor de potencia de desplazamiento es bajo en los casos en los que el variador trabaja con un voltaje de salida menor a 460 V, razón por la cual se hace necesario realizar un retap para optimizar el variador y obtener factores de potencia mayores a 0.95, el factor de potencia tiene un comportamiento lineal con la tensión de salida, bajo este concepto, es posible mejorar el factor de potencia de los variadores instalados, haciendo que el voltaje de salida sea lo mas cercano posible a la tensión de entrada. Debido a que la tensión de entrada es, en la mayoría de los casos, 480V la tendencia es setear los variadores para que entreguen 480V a la salida. Para este caso, lograremos que el factor de potencia sea mayor a 0.95 y a efectos prácticos, alcanzaremos un ahorro de potencia considerable.


15

El factor de potencia total calculado con la ecuación 1 demuestra como influyen los armónicos en un bajo factor de potencia.

Ecuación 1

Este resultado indica que el factor de potencia total se ve afectado notablemente por la distorsión armónica de corriente si esta es mayor del 10%. Es así que los resultados obtenidos para la mayoría de pozos trabajando con variadores de 6 pulsos los factores actuales son bajos.

La potencia activa total de los variadores CTL en el campo SSFD es 2525 KW, Potencia reactiva 1451 KVAR, Potencia de distorsión 179 KVAD, Potencia Total 2922.9 KVA, lo que da como resultado un factor de potencia redesplazamiento 0.86, y un factor de potencia total de 0.80.

De la tabla 2.3 en las locaciones en que los Vsd’s trabajan en forma de 6 Pulsos se tienen los armónicos mas significativos el No. 5, 7, 11 y 13, mientras que en l Vsd que trabaja en forma de 12 pulsos (SSFD 106D) los armónicos mas significativos son los 11 y 13 eliminándose prácticamente los armónicos 5 y 7.

Esto demuestra el buen funcionamiento de los variadores de 6 y 12 pulsos que cumplen con la regla de generación de armónicos del orden NP±1, donde P es el numero de pulsos y N= 1,2,3,4…etc.

Los datos obtenidos de THD de voltaje, que se pueden observar en la tabla 2.3, demuestran la influencia de los armónicos de corriente en generación, afectando de igual forma al voltaje. En el caso del uso de 6 pulsos el voltaje se ve más afectado que el de 12, constatando que si existe una reducción de armónicos de corriente se eliminan los efectos en generación y por ende el voltaje proporcionado.


16

4. PROYECCION DE RESULTADOS

4.1 PROYECCIÓN DE RESULTADOS CON VARIADORES DE 12 PULSOS

Con los valores medidos se realiza una proyección si se lograra migrar a variadores de 6 a 12 pulsos, y si los variadores de 12 pulsos trabajarán de esa forma, esto se


17

realiza con la finalidad de reducir armónicos a la entrada y con todas las ventajas que esto conlleva.

Asumiendo una THD del 10%, típica para VSD 12 pulsos, y un FP total de 0.92, tendríamos:

LOCACIONPOTENCIA

D fpfp

TOTAL

THD CORRIENTE

PROMEDIO inKW KVAR KVA

SSFD 2 185 78.6 201.0 0.92 0.92 10 %SSFD 14 74.1 31.6 80.54 0.92 0.92 10 %SSFD 19 169 72.0 183.7 0.92 0.92 10 %SSFD 23 249 106.0 270.7 0.92 0.92 10 %SSFD 28 146 62.2 158.7 0.92 0.92 10 %

SSFD 52B 88.3 37.7 96.0 0.92 0.92 10 %SSFD 54 83.6 35.7 90.9 0.92 0.92 10 %SSFD 67 163 69.0 177.2 0.92 0.92 10 %SSFD 68 229 97.8 249.0 0.92 0.92 10 %SSFD 69 101 43.0 109.8 0.92 0.92 10 %SSFD 74 158 67.2 171.7 0.92 0.92 10 %SSFD 75 124 52.6 134.7 0.92 0.92 10 %SSFD 76 213 90.7 231.5 0.92 0.92 10 %SSFD 89 48.6 20.7 52.83 0.92 0.92 10 %SSFD 92 250 106.4 271.7 0.92 0.92 10 %

SSFD 106D 86.1 36.7 93.6 0.92 0.92 10 %SSFD 108D 76.7 32.7 83.4 0.92 0.92 10 %SSFD 109D 80.6 34.3 87.6 0.92 0.92 10 %

Tabla 4.1.1

Los resultados que se obtendrán con variadores de 12 pulsos son los siguientes:

Reducción de la distorsión armónica de corriente valor máximo 16% de entrada.

Reducción de la distorsión armónica de voltaje menor al 5 % de entrada Reducción de consumo de combustible para la generación de la misma carga

instalada Reducción de corriente en las líneas de alta tensión evitando pérdidas en la

transmisión de la energía Reducción de paradas por fallas en generación debida a armónicos. Reducción de variaciones de voltaje en las líneas.


18

Reducción del efecto skin en los cables. Reducción de 179 KVA de potencia de generación, disponibles para otra

aplicación Aumento del factor de potencia de 0.92.

Cabe señalar que los parámetros de salida permanecerán invariantes debido a que se usa la misma forma de onda.

4.2 PROYECCIÓN DE RESULTADOS CON VARIADORES DE 12 PULSOS FPWM.

Las características que presentan los variadores FPWM de 12 Pulsos son las siguientes.

Factor de potencia de Entrada 0.99 THD de corriente de entrada menor al 15 % THD de voltaje de salida menor al 3% THD de Corriente de salida menor al 3% Filtro de salida instalado en el VSD.

Los valores de distorsión en la salida son menores al 10 % tanto en voltaje como en corriente antes del filtro, esta distorsión no se le entrega directamente a la carga, se usa un filtro para disminuir los armónicos a la carga.

La distorsión de voltaje y corriente están alrededor del 3%, con este se disminuye notablemente la inyección de armónicos hacia la carga.

Con la utilización de Vsd’s de 12 Pulsos y filtro en la salida FPWM se podrían obtendrán los siguientes resultados:

LOCACIONPOTENCIA

D fpfp

TOTAL

THD CORRIENTE

PROMEDIO inKW KVAR KVA

SSFD 2 185 25.9 186.8 0.99 0.99 10 %SSFD 14 74.1 10.2 74.8 0.99 0.99 10 %SSFD 19 169 24.0 170.7 0.99 0.99 10 %SSFD 23 249 35.4 251.5 0.99 0.99 10 %SSFD 28 146 20.3 147.4 0.99 0.99 10 %

SSFD 52B 88.3 12.6 89.2 0.99 0.99 10 %


19

SSFD 54 83.6 11.6 84.4 0.99 0.99 10 %SSFD 67 163 22.9 164.6 0.99 0.99 10 %SSFD 68 229 30.3 231.3 0.99 0.99 10 %SSFD 69 101 14.2 102.0 0.99 0.99 10 %SSFD 74 158 22.5 159.6 0.99 0.99 10 %SSFD 75 124 17.2 125.2 0.99 0.99 10 %SSFD 76 213 30.7 215.2 0.99 0.99 10 %SSFD 89 48.6 7.0 49.1 0.99 0.99 10 %SSFD 92 250 35.4 252.5 0.99 0.99 10 %

SSFD 106D 86.1 11.8 86.9 0.99 0.99 10 %SSFD 108D 76.7 11.1 77.5 0.99 0.99 10 %SSFD 109D 80.6 11.4 81.4 0.99 0.99 10 %

Tabla 4.1.2

Obteniéndose las siguientes ventajas.

Factor de potencia 0.99 independiente del valor del voltaje de salida. Distorsión Armónica de Corriente de entrada máxima 15% Distorsión Armónica de Voltaje de salida máxima 3% Distorsión Armónica de Corriente de salida máxima 3% Reducción de la potencia de Distorsión Disponibilidad de 373 KVA para otras aplicaciones Reducción significativa de armónicos tanto a la entrada como a la salida del

VSD Aumento del Run Life del equipo de Fondo.

5. CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES

Los valores de distorsión armónica encontrados en los diferentes pozos del distrito se encuentran por encima de los valores indicados por la norma IEEE 519 1992 de niveles recomendados de distorsión, los elevados valores de distorsión corresponden al empleo de VSD en configuración a seis pulsos.


20

La distorsión armónica en voltaje se produce debido a que corrientes armónicas fluyen a través de reactancias y resistencias, creando caídas de tensión a frecuencias armónicas. Estos voltajes armónicos se suman a la distorsión de voltaje de fuente fundamental. Los niveles apreciados durante las mediciones realizadas alcanzan valores de 14% producto del efecto explicado anteriormente, por lo anterior para minimizar el efecto de distorsión de VTHD se debe reducir la impedancia de sistema o minimizar el ITHD, para efectos prácticos y significativos se recomienda la segunda opción.

Los factores de potencia registrados promedian valores de 0.82, los mismos que pueden ser elevados a valores como 0.95 optimizando el voltaje de salida y por ende el ajuste de máxima frecuencia teniéndose voltajes seguros a la salida del VSD (460V<Vout≤ 520 VAC).

El método de supresión por Reducción de la impedancia del sistema es poco practico y no recomendable ya que implica mayor capacidad instalada con el consecuente incremento en costos operativos y de mantenimiento, además los variadores GCS poseen inductancias para disminuir la distorsión.

El empleo de filtros sintonizados es una alternativa de solución e implementación local por el tipo de instalaciones existentes. Serian más óptimos si se instalaran a la red de Transmisión lo que implicaría el empleo de transformadores para conectar el filtro a la línea de 13.8KV (filtros para operar a altas tensiones requerirían costos demasiado elevados), minimizando la efectividad del mismo al introducir reactancias, circuladas por corrientes armónicas. Es adecuada su implementación en alimentación tipo bus y a un nivel de voltaje adaptable al filtro en conexión directa al bus, sin transformadores. Este método es económico aunque de cierta complejidad, dado que se requiere de un cálculo y para ello se necesita conocer la impedancia del sistema.

El empleo de filtros activos es una muy buena alternativa dado que no necesitan requerimientos especiales para su elección. Aun si quedaran pequeños, no habría inconvenientes. El costo es elevado aunque el beneficio es muy alto.

La alternativa mejor recomendada para reducir THD, es la utilización de variadores 12 pulsos. Estos requieren de transformadores desfasadotes (Phase Shift Transformer) a la entrada. La distorsión armónica alcanza unos valores muy aceptables. Esto puede apreciarse en el análisis anterior. Y contando con la disponibilidad de los mismos hace falta instalar los transformadores desfasadotes. La instalación es muy sencilla, no implica de estudios previos al montaje. Solo se debe


21

instalar el Transformador Desfasador de la misma potencia o mayor a la potencia del Variador. La reducción de armónicos es auto contenida, es decir, se efectúa en el primario del transformador desfasador, en tanto que no inyecta armónicos al sistema. Desde el punto de vista del sistema, se vería como una carga de baja cantidad de armónicos. Por otra parte, la distorsión armónica generada, además de tener valores bajos, es mucho menos dependiente de la carga, como lo es en el caso de variadores de 6 pulsos. La potencia ahorrada debido a la disminución de distorsión armónica es considerable. Esta potencia, además de dejar de generar problemas de calentamiento e inestabilidades, pasará a estar disponible en el sistema.

El costo de los variadores 12 pulsos es relativamente bajo y por ello en los campos petroleros, esta suele ser una opción muy viable y por ello en la actualidad son ampliamente utilizados.

La implementación de variadores 12 pulsos / FPWM es la opción que mejorará las condiciones a la entrada y salida, aunque en cualquier caso de seteo, carga, etc., mantendría condiciones eléctricas ideales. Estos variadores cumplen la Norma IEEE 519 en su totalidad. En la salida, entrega una señal sinusoidal, reduciendo los efectos que generan los armónicos hacia el equipo de fondo, lo que conduciría a una mejora del Run Life.

La potencia ahorrada es considerable y se debe a la disminución de armónicos y por otra parte el factor de potencia independiente del seteo.

Con el objeto de optimizar el factor de potencia es recomendable ajustar las frecuencias operación a la máxima frecuencia de ajuste permitiendo tenerse a la salida del VSD un voltaje mínimo igual al de la entrada y en el mejor de los casos superior.


22

Analisis de Armonicos Campo SSFD de Petroproduccion

Documents

Transcript of Analisis de Armonicos Campo SSFD de Petroproduccion