CD-1273.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UNA SOLUCIÓN PARA LA REDUCCIÓN DE LA
DISTORSIÓN ARMÓNICA PRODUCIDA POR LOS VARIADORES
DE FRECUENCIA INSTALADOS EN LOS POZOS DE
PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO EN EL CAMPO LIBERTADOR DE
PETROPRODUCCIÓN.
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
ANGEL FERNANDO USHIÑA GUSQUE
DIRECTOR: ING. GERMÁN CASTRO MACANCELA
QUITO, DICIEMBRE 2007
2
DECLARACIÓN
Yo, Angel Fernando Ushiña Gusque, declaro bajo juramento que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo
establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
_____________________________
Angel Fernando Ushiña Gusque
3
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Angel Fernando Ushiña
Gusque, bajo mi supervisión.
_______________________________
Ing. Germán Castro Macancela
DIRECTOR DEL PROYECTO
4
AGRADECIMIENTOS
Un verdadero agradecimiento a mi madre Sarita por apoyarme y darme el aliento
necesario en los momentos difíciles y alentarme a seguir adelante porque que
aunque camine en un valle oscuro nunca temeré por que siempre Dios esta
conmigo.
Quiero agradecer de todo corazón a Petroproducción por haberme dado la
oportunidad de realizar este trabajo en sus instalaciones del campo Libertador. Mi
estadía durante el tiempo empleado en la realización del presente proyecto que
se desarrolló en un ambiente agradable y de cordial respeto.
También quiero dar las gracias
a: WOOD GROUP, BAKER-CENTRILIFT y
SCHLUMBERGER,
que
compañías
prestan
el
servicio
de
bombeo
electrosumergible a Petroproducción en el campo Libertador, por prestarme y
facilitarme su ayuda en los momentos que fue requerida.
Quiero expresar mi más sincera gratitud al Ing. Angel Fernando Ushiña Puma,
quien con sus indicaciones y enseñanzas hizo que mi trabajo se exponga de la
mejor manera.
Agradezco a mi Director, el Ing. Germán Castro Macancela, por toda la paciencia
y tiempo en mí invertido para la realización y culminación del presente proyecto.
Finalmente, agradezco a todas aquellas personas que me apoyaron y a las que
no, de igual manera gracias, ya que con sus actitudes me incentivaron a seguir
adelante y a culminar el presente proyecto.
5
DEDICATORIA
El presente proyecto, deseo dedicarle a Dios,
a mis padres Sara y Angel, a mis hermanos, Santiago y Javier;
que siempre han tenido confianza en mí y han estado presentes
para apoyarme en todas las iniciativas que me he tenido
Angel
6
RESUMEN
El presente proyecto tiene como objetivo mejorar la distorsión armónica producida
por los variadores de velocidad que se encuentran instalados en los pozos de
producción de petróleo del campo Libertador, mediante el uso de un sistema de
variadores de velocidad de 12 pulsos con sus respectivos transformadores
desfasadores de 30º. A continuación se brinda una idea global de los temas
tratados en los subsiguientes capítulos.
Con el primer capítulo, se pretende que el lector conozca las características del
campo Libertador operado por Petroproducción filial de Petroecuador, como es: la
ubicación, descubrimiento del campo, estructura y arenas productoras, sistemas
de levantamiento artificial
que se encuentran implementados, potencial de
producción, diagramas de completación del equipo electrosumergible de fondo,
tratamiento químico a las bombas electrosumergibles en los pozos y el sistema
de generación eléctrica que alimenta al sistema eléctrico.
En el segundo capítulo, se procede a la descripción técnica del sistema de
bombeo electrosumergible, mediante el uso de los variadores de velocidad,
además se describen los equipos
de superficie y de fondo instalados en los
pozos que se analizan hasta la fecha de cierre del presente estudio (31 de marzo
del 2007), por marcas de fabricantes.
En el tercer capítulo, se proporciona las mediciones realizadas de la distorsión
armónica en los puntos de acoplamiento en el
sistema de bombeo
electrosumergible en cada pozo donde se encuentran instalados variadores de
velocidad, se halla la potencia total incluida la potencia de las componentes
armónicas (potencia de distorsión armónica), se calcula la potencia armónica de
carga en los equipos de bombeo electrosumergible y finalmente se determina el
porcentaje de carga en los respectivos equipos.
En el cuarto capítulo, se plantea el mejoramiento de la distorsión armónica en los
puntos
de
acoplamiento
a
la
entrada
de
cada
sistema
de
bombeo
7
electrosumergible (punto de acoplamiento PCC1), mediante la implementación de
un sistema de
variadores de velocidad de 12 pulsos con sus respectivos
transformadores reductores desfasadores de 30º, se obtienen nuevos valores de
la distorsión armónica de corriente, potencias
y corrientes consumidas,
finalmente se proyecta una disminución de potencia de: 420,55 kVA, 136,4 kW y
una reducción de 1.101,47 kVAR de potencia de las componentes armónicas.
Además, se estima el costo de los equipos (VSDs de 12 pulsos y transformadores
reductores desfasadores de 30º), para implementar el sistema de VSDs de 12
pulsos en los pozos de bombeo electrosumergible del campo Libertador.
Finalmente, en el capítulo cinco, se mencionan un conjunto de conclusiones y
recomendaciones a ser consideradas por los Departamentos de Ingeniería
Eléctrica e Ingeniería de Petróleos del Área
Libertador, para que se tomen
acciones correctivas expuestas en el presente proyecto.
8
PRESENTACIÓN
Este proyecto estudia por primera vez la distorsión armónica que generan los
variadores de velocidad (VSD) que se emplean en los pozos con el sistema de
levantamiento artificial de petróleo mediante bombeo electrosumergible y de
manera particular los que se encuentran instalados en el campo Libertador
operado por Petroproducción.
De la investigación y la verificación realizada en los pozos del campo Libertador,
se observa que se encuentran funcionando VSDs de 12 pulsos en la forma de
VSDs de 6 pulsos, haciéndose necesario el cambio de los respectivos
transformadores reductores por transformadores reductores desfasadores de 30º,
el cambio e instalación correcta de VSDs de 12 pulsos por VSDs de 6 pulsos
proyectándose un mejorando la distorsión armónica de corriente que se esta
inyectando al Sistema Eléctrico Interconectado del Libertador (SEIL) por cada
pozo a niveles recomendados y que también se encuentra afectando a los
equipos electrosumergibles instalados en los respectivos pozos.
Debido a la creciente utilización de variadores de velocidad en los pozos de
extracción de petróleo que emplean el sistema de bombeo electrosumergible en el
campo Libertador, se plantea la utilización de variadores de velocidad de 12
pulsos con los respectivos transformadores reductores desfasadores de 30º, para
que no se siga incrementándose el nivel de distorsión armónica actualmente
generada por los variadores de velocidad que se encuentran instalados.
9
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN...................................................................................................................
PRESENTACIÓN........................................................................................................
I
III
CAPÍTULO 1
CARACTERÍSTICAS DEL CAMPO LIBERTADOR
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.9.1
1.9.2
UBICACIÓN……………...……………..........................................................
DESCUBRIMIENTO…………………………………………...........................
ESTRUCTURA Y ARENAS PRODUCTORAS............................................
SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL…………………...............
POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DEL CAMPO LIBERTADOR.................
DIAGRAMAS DE COMPLETACIÓN DEL EQUIPO DE FONDO................
TRATAMIENTO QUÍMICO DE LOS POZOS..............................................
GENERACIÓN ELÉCTRICA EN EL CAMPO LIBERTADOR.....................
GLOSARIO DE TÉRMINOS UTILIZADOS..................................................
ABREVIATURAS.........................................................................................
CONCEPTOS..............................................................................................
1
1
4
5
6
6
7
8
12
12
13
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL EQUIPO DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
2.1
SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE……….........................
2.1.1
EQUIPO DE SUPERFICIE……………………………………….....................
2.1.1.1
Cabezal del pozo………………………………………...................................
2.1.1.2
Caja de Venteo (Caja de Empalme)……………….......................................
2.1.1.3
Controlador del motor electrosumergible (VSD)……………........................
2.1.1.3.1 Etapa Conversora…………………...............................................................
2.1.1.3.2 Etapa de Filtrado……………………............................................................
2.1.2.1.3 Etapa Inversora………………………..…......................................................
2.1.1.4
Transformadores………………………..……................................................
2.1.2
EQUIPO DE FONDO……………………...………….....................................
2.1.2.1
Motor Electrosumergible……………............................................................
2.1.2.1.1 Bastidor o Housing…………….....................................................................
2.1.2.1.2 Estator……………………….........................................................................
2.1.2.1.3 Rotor………………………............................................................................
2.1.2.2
Protector ó Sello………………………..........................................................
2.1.2.3
Bomba Electrosumergible……………..…....................................................
2.1.2.4
Cable Eléctrico de Potencia (Power Cable)……..………............................
2.1.2.5
Cable Eléctrico de Extensión (Motor Lead Extensión MLE)…….................
2.1.2.6
Separador de Gas……………………………….…........................................
2.1.2.7
Sensor de Fondo……………………………..................................................
2.2
EQUIPO ELECTROSUMERGIBLE INSTALADOS
EN LOS POZOS DEL CAMPO LIBERTADOR….………............................
15
17
18
19
20
21
23
23
24
26
27
28
29
30
33
34
37
39
40
41
42
10
CAPÍTULO 3
ESTUDIO DE ARMÓNICOS GENERADOS POR LOS
VARIADORES DE VELOCIDAD
3.1
3.1.1
3.1.1.1
3.1.1.1.1
3.1.1.2
3.1.1.2.1
3.1.1.3
3.1.1.3.1
3.1.2
3.1.3
3.1.3.1
3.1.3.2
3.1.3.3
3.2
PUNTOS DE MEDICIÓN DE LA DISTORSIÓN
ARMÓNICA EN EL SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE....
MEDICIÓN DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1...............................................
Variador de Velocidad 12 Pulsos………………………………….................
Parámetros Armónicos Medidos…………...................................................
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos……...............
Parámetros Armónicos Medidos…………...................................................
VSDs de 6 pulsos…………………..............................................................
Parámetros Armónicos Medidos…………...................................................
DETERMINACIÓN DEL CONSUMO TOTAL DE POTENCIA
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1...............................................
MEDICIÓN DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA GENERADA
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2……........................................
Distorsión armónica a la salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT............
Distorsión armónica a la salida de los VSDs REDA-SCHLUMBERGER.....
Distorsión armónica a la salida de los VSDs WOOD GROUP..................
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN
LOS EQUIPOS ELECTROSUMERGIBLES................................................
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN EL EQUIPO DE SUPERFICIE....
Potencia Armónica en el Núcleo Magnético del Transformador.................
Potencia Armónica Debida al Efecto Piel....................................................
Potencia Armónica Debida a la Circulación de Corrientes de Eddy............
Potencia Armónica de carga Total en el Transformador..............................
Potencia Armónica de Carga Total en Términos de “Por Unidad”..............
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN EL EQUIPO DE FONDO............
Efecto del Contenido Armónico de Voltaje...................................................
Resonancia del Equipo de Fondo…............................................................
3.2.1
3.2.1.1
3.2.1.2
3.2.1.3
3.2.1.4
3.2.1.5
3.2.2
3.2.2.1
3.2.2.1.1
3.2.2.2
Potencia Armónica debida al THDI …........................................................
48
50
50
53
56
56
63
63
71
76
78
80
81
82
82
83
83
84
84
85
86
87
87
91
3.2.2.2.1 Potencia Armónica de Carga por Efecto Piel
en el Cable Eléctrico de Potencia................................................................ 91
3.2.2.2.2 Potencia Armónica de Carga por Efecto Piel
en el Motor Electrosumergible..................................................................... 91
3.2.2.2.3 Torque en el Motor Electrosumergible…….................................................. 91
3.2.3
CÁLCULO DE LA POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN LOS
EQUIPOS ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR........... 93
3.2.3.1
Cálculo de la Potencia Armónica de Carga en el Equipo de Superficie...... 93
3.2.3.2
Cálculo de la Potencia Armónica de Carga en el Equipo de Fondo............ 103
3.3
PORCENTAJE DE CARGA TOTAL EN LOS EQUIPOS
ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR........................... 109
11
3.3.1
3.3.2
PORCENTAJE DE CARGA EN EL EQUIPO DE SUPERFICIE................. 111
PORCENTAJE DE CARGA EN EL EQUIPO DE FONDO........................... 113
CAPÍTULO 4
MEJORAMIENTO DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA MEDIANTE EL USO DE UN
SISTEMA DE VARIADORES DE VELOCIDAD DE 12PULSOS EN LOS POZOS DE
BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE DEL CAMPO LIBERTADOR
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.2.1
4.1.3
4.1.3.1
4.1.4
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
MEJORAMIENTO DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1...…..……...............................
ANÁLISIS ARMÓNICO PARA LOS VSDs DE 12 PULSOS.......................
VSDs DE 12 PULSOS QUE FUNCIONAN COMO VSDs DE 6 PULSOS...
Análisis Armónico como VSDs de 12 Pulsos.............................................
VARIADORES DE VELOCIDAD DE 6 PULSOS.......................................
Análisis Armónico como VSDs de 12 Pulsos.............................................
ANÁLISIS FINAL DE PARÁMETROS CALCULADOS EN
EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 PARA EL SISTEMA
DE VSDs DE 12 PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR..........................
MEJORAMIENTO DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2..............................................
INVERSIÓN DE VOLTAJE A 6 PASOS.....................................................
INVERSIÓN DE VOLTAJE MEDIANTE PWM ASINCRÓNICO.................
COSTO DE CAMBIO AL SISTEMA DE VSDs DE 12 PULSOS
EN LOS POZOS BES DEL CAMPO LIBERTADOR...................................
115
116
121
123
125
127
130
140
144
144
145
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1
5.2
CONCLUSIONES........................................................................................ 148
RECOMENDACIONES................................................................................ 150
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................
ANEXOS........................................................................................................................
ANEXO A DIAGRAMAS DE COMPLETACIÓN DEL EQUIPO DE FONDO..............
ANEXO B POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN LOS EQUIPOS DE
ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR.........................
ANEXO C PORCENTAJE DE CARGA Y COMPARACIÓN CON LA
CARGA ARMÓNICA MÁXIMA PERMITIDA EN LOS EQUIPOS
ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR.........................
ANEXO D NORMA IEEE – 519 1992.........................................................................
ANEXO E EQUIPO DE MEDIDA Y EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL
UTILIZADO PARA LA MEDICIÓN DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA
EN LOS POZOS BES DEL CAMPO LIBERTADOR.................................
ANEXO F DATOS TÉCNICOS...................................................................................
153
154
155
186
193
202
206
209
12
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1:
FIGURA 1.2:
FIGURA 2.1:
FIGURA 2.2:
FIGURA 2.3:
FIGURA 2.4:
FIGURA 2.5:
FIGURA 2.6:
FIGURA 2.7:
FIGURA 2.8:
FIGURA 2.9:
FIGURA 2.10:
FIGURA 2.11:
FIGURA 2.12:
FIGURA 2.13:
FIGURA 2.14:
FIGURA 2.15:
FIGURA 2.16:
FIGURA 2.17:
FIGURA 2.18:
FIGURA 2.19:
FIGURA 2.20:
FIGURA 2.21:
FIGURA 2.22:
FIGURA 2.23:
FIGURA 2.24:
FIGURA 2.25:
FIGURA 2.26:
FIGURA 2.27:
FIGURA 2.28:
FIGURA 2.29:
FIGURA 2.30:
FIGURA 2.31:
FIGURA 2.32:
FIGURA 3.1:
FIGURA 3.2:
Litología interna de un pozo de petróleo.............................................
Diagrama de Completación básico de un sistema BES.......................
Componentes del equipo de superficie
y de fondo en el sistema BES..............................................................
Equipo de superficie en el sistema BES.............................................
Cabezal del pozo..................................................................................
Caja de Venteo (Caja de Empalmes)...................................................
Carta amperimétrica.............................................................................
Controlador de velocidad variable (VSD)............................................
Diagrama de bloques de la estructura
interna de un VSD de 6 pulsos.............................................................
Etapa Conversora AC/DC del VSD......................................................
Voltaje rectificado.................................................................................
Etapa de filtrado del VSD.....................................................................
Voltaje filtrado.......................................................................................
Etapa inversora del VSD....................................................................
Transformadores en el sistema BES....................................................
Panel de conexiones en el transformador elevador multi-taps............
Placa del Transformador Elevador Multi-taps......................................
Equipo de fondo en el sistema BES.....................................................
Segmento en corte del Motor Electrosumergible.................................
Laminaciones internas en el núcleo del estator...................................
Segmento en corte del bobinado en el estator.....................................
Segmento en corte del Rotor……........................................................
Curvas de rendimiento del motor electrosumergible............................
Partes del Protector o Sello……..........................................................
a)Impulsor b)Difusor.............................................................................
Movimiento del fluido a través de las etapas
internas de la bomba electrosumergible..............................................
Curva de comportamiento de la bomba
electrosumergible GC 2900..................................................................
“Curvas Tornado” de la bomba electrosumergible GC 2900...............
Cable de potencia trifásico a) plano b) redondo..................................
Componentes internos del cable de potencia......................................
a)Cable de extensión plano b)Conector al motor electrosumergible...
Separador de gas.................................................................................
“Paquete Inductor” del sensor de fondo...............................................
“Paquete Indicador” del sensor de fondo.............................................
Puntos medición de la distorsión armónica en el sistema BES..........
Formas de onda de voltaje y de corriente
en el punto de acoplamiento PCC1.....................................................
4
7
16
17
18
19
20
21
21
22
22
23
23
24
24
25
26
27
28
29
30
30
31
33
34
35
35
36
37
37
39
40
41
42
48
50
13
FIGURA 3.3:
Diagrama de bloques del sistema BES del pozo PIC-08.....................
FIGURA 3.4:
Esquema de conexión del transformador reductor
desfasador de 30º con el VSD de 12 pulsos........................................
VSD de 12 pulsos con su respectivo transformador
reductor desfasador de 30º..................................................................
Representación geométrica de las potencias fundamentales
en el punto de acoplamiento PCC1 en el pozo PIC-08........................
Representación geométrica de las potencias fundamentales
en los VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6
pulsos, en el campo Libertador............................................................
Representación geométrica de las potencias fundamentales
en los VSDs de 6 pulsos del campo Libertador...................................
Representación geométrica de las potencias totales
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.................................
Representación geométrica de las potencias totales
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........................
Formas de onda de voltaje y corriente que
se miden en el punto de acoplamiento PCC2......................................
Representación eléctrica simplificada del equipo de fondo.................
Curva de resonancia del equipo de fondo en función
de la frecuencia de inversión de voltaje PWM en el VSD...................
Voltaje con inversión PWM ASINCRÓNICO con su respectivo
espectro armónico de frecuencias.......................................................
Amplificación del espectro armónico de frecuencias...........................
Incremento progresivo de la potencia armónica
por Efecto Piel en el transformador reductor........................................
Incremento progresivo de la potencia armónica por efecto de la
circulación de corrientes de Eddy en el transformador reductor..........
Incremento progresivo de la potencia armónica por
efecto piel en el transformador elevador multi-taps............................
Incremento progresivo de la potencia armónica por
efecto de la circulación de corrientes de Eddy en el
transformador elevador multi-taps........................................................
Incremento progresivo de la potencia armónica
en el cable eléctrico de potencia por Efecto Piel .................................
Representación geométrica de las potencias totales
que se calculan como VSDs de 12 pulsos en el punto
de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen
instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador...........................................
FIGURA 3.5:
FIGURA 3.6:
FIGURA 3.7:
FIGURA 3.8:
FIGURA 3.9:
FIGURA 3.10:
FIGURA 3.11:
FIGURA 3.12:
FIGURA 3.13:
FIGURA 3.14:
FIGURA 3.15:
FIGURA 3.16:
FIGURA 3.17:
FIGURA 3.18:
FIGURA 3.19:
FIGURA 3.20:
FIGURA 4.1:
51
51
52
54
57
63
73
76
77
87
88
90
90
98
98
102
102
107
125
14
FIGURA 4.2:
Representación geométrica de las potencias totales
calculadas para un sistema de VSDs de 12 pulsos
para el punto de acoplamiento PCC1 en pozos
donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el
campo Libertador................................................................................. 128
FIGURA 4.3:
Comparación gráfica entre los porcentajes de THDI
calculados como VSDs de 12 pulsos y THDI medidos
FIGURA 4.4:
FIGURA 4.5:
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se
tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador........................................... 131
Comparación gráfica entre las corrientes que se calculan
como VSDs de 12 pulsos y las corrientes medidas en el
punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador......................................................................... 133
Comparación gráfica entre los porcentajes de THDI
calculados como VSDs de 12 pulsos y THDI medidos
FIGURA 4.6:
FIGURA 4.7:
FIGURA 4.8:
FIGURA 4.9:
FIGURA 4.10:
FIGURA 4.11:
FIGURA 4.12:
FIGURA 4.13:
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador...........................
Comparación gráfica entre las corrientes calculadas
como VSDs de 12 pulsos y las corrientes medidas
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador...........................
Comparación gráfica de las potencias aparentes totales.....................
Comparación gráfica de las potencias activas totales.........................
Comparación gráfica de las potencias reactivas totales......................
Comparación gráfica de las potencias de distorsión armónica............
Esquema del equipo en superficie empleando el sistema VSD de
12 pulsos con su respectivo transformador reductor desfasador.........
Formas de onda de corriente en el punto de acoplamiento PCC2......
Formas de onda de voltaje en el punto de acoplamiento PCC2..........
134
136
138
138
139
139
140
141
143
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1.1:
TABLA 1.2:
TABLA 1.3:
TABLA 1.4:
TABLA 1.5:
TABLA 2.1:
Sistemas de levantamiento artificial
implementados en el campo Libertador...............................................
Potencial de producción del campo Libertador....................................
Químicos para el tratamiento de los pozos..........................................
Centro de Generación Sucumbíos.......................................................
Centro de Generación Secoya.............................................................
Diámetros de bastidores para motores electrosumergibles.................
5
6
8
8
10
29
15
TABLA 2.2:
Rangos de operación del motor electrosumergible-serie 540..............
32
TABLA 2.3:
Equipo de superficie BAKER-CENTRILIFT.........................................
43
TABLA 2.4:
Equipo de fondo BAKER-CENTRILIFT................................................
44
TABLA 2.5:
Equipo de superficie REDA–SCHLUMBERGER.................................
45
TABLA 2.6:
TABLA 2.7:
TABLA 2.8:
TABLA 3.1:
TABLA 3.2:
TABLA 3.3:
Equipo de fondo REDA–SCHLUMBERGER........................................
Equipo de superficie WOOD GROUP..................................................
Equipo de fondo WOOD GROUP........................................................
VSDs instalados en el campo Libertador............................................
Forma de operación de los VSDs en el campo Libertador...................
Parámetros armónicos medidos en el punto
de acoplamiento PCC1 en el pozo PIC-08...........................................
Descomposición y espectro armónico de corriente que se mide
en el transformador reductor desfasador de 30º del pozo PIC-08.......
Descomposición y espectro armónico de voltaje que se
mide en el punto de acoplamiento PCC1 del pozo PIC-08..................
Mediciones en el punto de acoplamiento PCC1 en
pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........
Descomposición armónica de la corriente medida en el punto
de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador.........................................................................
Espectro armónico de la corriente que se mide en el punto
de acoplamiento PCC1en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador.........................................................................
Descomposición armónica de voltaje que se mide en el punto
de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador.........................................................................
Espectro armónico de voltaje que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador.........................................................................
Corriente y voltaje total que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........
Mediciones en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........
Descomposición armónica de la corriente que se mide en
el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen
instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........................
46
47
47
49
49
TABLA 3.4:
TABLA 3.5:
TABLA 3.6:
TABLA 3.7:
TABLA 3.8:
TABLA 3.9:
TABLA 3.10:
TABLA 3.11:
TABLA 3.12:
TABLA 3.13:
53
54
55
56
58
59
60
61
62
64
66
16
TABLA 3.14:
TABLA 3.15:
TABLA 3.16:
TABLA 3.17:
TABLA 3.18:
TABLA 3.19:
TABLA 3.20:
TABLA 3.21:
TABLA 3.22:
TABLA 3.23:
TABLA 3.24:
TABLA 3.25:
TABLA 3.26:
TABLA 3.27:
TABLA 3.28:
TABLA 3.29:
TABLA 3.30:
TABLA 3.31:
TABLA 3.32:
Espectro armónico de corriente que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........................................
Descomposición armónica de voltaje que se mide en el
punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen
instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........................
Espectro armónico de voltaje que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador...........................................
Corriente y voltaje total que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en
el campo Libertador..............................................................................
Consumo de potencias totales en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que
funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.................
Consumo de potencias totales en el punto PCC1, en pozos donde
se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..........
VSDs por tecnologías de inversión de voltaje
en el campo Libertador.........................................................................
Distorsión armónica medida en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT)..............................
Corriente y voltaje medidos en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT)..............................
Distorsión armónica de voltaje y de corriente que se
mide en el punto de acoplamiento PCC2 (salida de
los VSDs REDA-SCHLUMBERGER)..................................................
Corriente y voltaje medidos en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs REDA-SCHLUMBERGER).....................
Distorsión armónica medida en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs WOOD GROUP)......................................
Corriente y voltaje medidos en punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs WOOD GROUP)......................................
Factores k para transformadores.........................................................
67
68
69
70
74
75
78
78
79
80
81
81
82
86
Secuencia de armónicos de corriente inducidos
en el estator del motor electrosumergible............................................ 92
Valores para el cálculo de la potencia armónica debida
al Efecto Piel y por circulación de corrientes de Eddy
en el transformador reductor................................................................ 95
Valores adicionales para el cálculo de la corriente de carga
armónica máxima en el transformador reductor................................... 97
Valores para el cálculo para la potencia armónica debida
al Efecto Piel y por circulación de corrientes Eddy en el
transformador elevador multi-taps........................................................ 100
Valores de cálculo de la potencia armónica de carga
en el cable eléctrico de potencia debida al Efecto Piel........................ 106
17
TABLA 4.1:
TABLA 4.2:
TABLA 4.3:
TABLA 4.4:
TABLA 4.5:
TABLA 4.6:
TABLA 4.7:
TABLA 4.8:
TABLA 4.9:
Espectro armónico de corriente y voltaje que se mide
en el punto de acoplamiento PCC1 del pozo SEC-02......................... 118
Comparación de parámetros que se calculan y que se
miden en el punto acoplamiento PCC1 para el pozo SEC-02............. 121
Potencias nominales de: VSDs, transformadores reductores
y reductores desfasadores de 30º........................................................ 122
Corrientes y THDI que se calculan en el punto de
acoplamiento PCC1 como VSDs de 12 pulsos.................................... 123
Potencias totales calculadas como VSDs de 12 pulsos
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se
tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador........................................... 124
Potencias nominales de: transformadores, VSDs para
sistemas de 6 pulsos y de 12 pulsos.................................................... 126
Corrientes y porcentajes de THDI que se calculan
para VSDs de 12 pulsos en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de
6 pulsos en el campo Libertador.......................................................... 127
Potencias totales que se calculan como VSDs de 12 pulsos
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se
tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador............... 129
TABLA 4.10:
Comparación de THDI calculados y THDI medidos en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.......... 130
Comparación entre las corrientes que se calculan como VSDs de
12 pulsos y las corrientes medidas en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador................................. 132
TABLA 4.11:
Comparación entre los porcentajes de THDI que se
calculan como VSDs de 12 pulsos y THDI que se
TABLA 4.12:
TABLA 4.13:
miden en el punto de acoplamiento PCC1en pozos
donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador................ 133
Comparación entre las corrientes totales calculadas como
VSDs de 12 pulsos y las corrientes medidas en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen VSDs de
6 pulsos en el campo Libertador.......................................................... 135
Consumo de potencias: fundamentales, totales
(incluida potencias de distorsión armónica) y
como VSDs de 12 pulsos en el campo Libertador.............................. 137
TABLA 4.14:
THDV elevados en el punto de acoplamiento PCC2.......................... 145
TABLA 4.15:
Costo de transformadores reductores desfasadores de 30º
en los pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos.............. 146
18
TABLA 4.16:
TABLA D.1:
TABLA D.2:
Costo de VSDs de 12 pulsos y transformadores
reductores desfasadores...................................................................... 147
Límite de distorsión armónica de corriente.......................................... 203
Límite de distorsión armónica de voltaje.............................................. 204
ÍNDICE DE MAPAS
MAPA 1.1: Ubicación del Área Libertador....................................................................
MAPA 1.2: Ubicación de los pozos y estaciones del campo Libertador......................
2
3
ÍNDICE DE PLANOS
PLANO 1.1: Diagrama Unifilar campo Secoya.............................................................
PLANO 1.2: Sistema Eléctrico Interconectado de Petroproducción (SEIP).................
9
11
19
CAPÍTULO 1
CARACTERÍSTICAS DEL CAMPO LIBERTADOR
El campo Libertador, forma parte del Área Libertador que se encuentra operada
actualmente por Petroproducción.
1.1
UBICACIÓN
El campo Libertador,
se encuentra ubicado en la Región Amazónica a unos
250 km. al Este del Distrito Metropolitano de Quito (en línea recta) y 25 km. al Sur
de la frontera con Colombia.
El Mapa 1.1, muestra la ubicación del campo Libertador que geográficamente se
localiza en las siguientes coordenadas: Latitud: 00°06’00’’Norte y 00’ 04’’ 00’’ Sur,
Longitud: 76°33’00’’ a 76°36’30’’ Oeste.
Actualmente el campo Libertador tiene estaciones de producción en los campos
Secoya, Pichincha, Shuara y Shushuqui, donde se registra y monitorea la
producción de petróleo de los pozos que se encuentran en
los
respectivos
campos anteriormente mencionados y que se indica en el Mapa 1.2.
1.2
DESCUBRIMIENTO
En el año de 1980, la Corporación Estatal Petrolera Ecuatoriana (CEPE), inicia la
perforación de los pozos Secoya-01, Shuara-01 y Shushuqui-01, con resultados
exitosos, posteriormente con las
interpretaciones sísmicas, junto con la
perforación de los pozos Secoya-7B,
descubrimientos condujeron a que
Pichincha-01 y Pacayacu-01, estos
los campos Secoya, Shuara, Shushuqui,
Pichincha y Pacayacu se unifique en un solo
Libertador, con un área aproximada de 100 km2.
campo, denominado campo
20
MAPA 1.1: Ubicación del Área Libertador1
1
PETROPRODUCCIÓN
21
CAMPO LIBERTADOR
DIAGRAMA POZOS
POZOS POWER OIL
PCY-05
POZOS BOMBEO ELECTRICO
POZOS BOMBEO MECANICO
POZOS GAS LIFT
SSQ-11
SSQ-07
POZOS CERRADOS
JUAN MONTALVO
POZOS INYECTORES
SSQ-15
SSQ-21
POZOS ELECTRICOS CON
VARIADORES DE VELOCIDAD
PCY-03
SSQ-04
PCY-02
SSQ-09
PCY-01
XXXXXXX
SSQ-02
PCY-04
SSQ-19
SSQ-06
SSQ-14
XXXXXX
SSQ-03 INYECTOR
SSQ-17
SSQ-12
SHU-09
SSQ-5B
SSQ-10
ESTACION SHUSHUQUI
SHU-27
SSQ-13
SSQ-01
X
X
X
A DURENO
SHU-07
SCY-7B
SHU-25
t
SSQ-16
XXXXXX
SCY-23
SHU-06
SHU-22
SCY-13
SCY-09
SHU-14
SHU-21
SCY-17
SHU-04
SHU-12
SCY-26
SCY-19
SCY-06
SHU-17
SCY-22
SHU-10
SCY-16
SHU-26
ESTACION SHUARA
SHA-18
SHU-23
SCY-14
SHU-02
XXXXX
SCY-27
X
X
X
SCY-03
SCY12
SHU-01
XXXXXX
SHU-19
SHU-03
SCY-34
SCY-01
SHU-20
X
X
X
ESTACION CENTRAL
SECOYA
SHU-05
SCY-04
SCY-02
"Y" DE HARBERTH
SCY-05
SCY-32
SHU-16
SCY-33
SCY-08
SCY-25
SCY-20
SHU-13
SHU-11
SCY-31
SCY-10
SCY-15
SHU-08
SCY-28
SHU-15
SCY-29
SCY-21
SCY-11
XXXXXX
SCY-18
X
X
X
PIC-08
XXXXXX
SCY-30
SCY-24
PIC-07
PIC-05
PIC-02
PIC-09
PIC-10
PIC-03
XXXXXX
PIC-01
PIC-12
PIC-11
ESTACION PICHINCHA
PIC-06
X
X
X
X
CRB-06
PARROQUIA PACAYACU
MAPA 1.2: Mapa de ubicación de los pozos y estaciones del campo Libertador1
1
PETROPRODUCCIÓN
22
1.3
Las
ESTRUCTURA Y ARENAS PRODUCTORAS
estructuras: Secoya, Pichincha, Shuara, Shushuqui y Pacayacu,
parte de los respectivos campos del Libertador, éstas estructuras
litología interna en el subsuelo formada
forman
tienen una
por capas ó arenas productoras de
diferentes espesores y composiciones, que se denominan: Basal Tena (BT), U
superior (Us), U media (Um), U inferior (Ui), T superior (Ts) y T inferior (Ti), como
se indica en la figura 1.1.
FIGURA 1.1: Litología interna de un pozo de petróleo
La litología interna de cada uno de los pozos que se analiza en el presente
proyecto, se encuentra descrita en los diagramas de completación del equipo de
fondo en el ANEXO A.
23
1.4
SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL
Luego que la energía natural (presión interna) del reservorio ha disminuido y no
es
suficiente para levantar el fluido hasta la superficie, es necesario utilizar
métodos artificiales de bombeo que proporcionen la energía adicional para hacer
llegar el fluido a la superficie y continuar con la explotación racional del reservorio.
En el campo Libertador, además del sistema de levantamiento artificial por
bombeo electrosumergible, existen también otros sistemas de levantamiento
artificial, que son:
•
Bombeo Mecánico
•
Bombeo Neumático (Gas Lift)
•
Bombeo Hidráulico
•
Bombeo Horizontal del agua de formación ( Pozos Reinyectores)
Los pozos que se encuentran perforados en el campo Libertador, por sistemas
de bombeo y los pozos que se encuentran cerrados por diferentes motivos, se
indica en la tabla 1.1.
SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL IMPLEMENTADOS
EN EL CAMPO LIBERTADOR
CAMPO
POZOS
SISTEMAS DE BOMBEO
POZOS
PERFORADOS
PPS
PPG
PPH
PR
CERRADOS
SECOYA
37
22
4
-
4
7
SHUARA
26
10
1
-
4
11
PICHINCHA
11
5
-
-
2
4
SHUSHUQUI
21
1
-
8
1
11
PACAYACU
5
2
-
1
-
2
100
40
5
9
11
35
TOTAL
TABLA 1.1: Sistemas de levantamiento artificial implementa en el campo Libertador1
1
Departamento de Ingeniería de Petróleos del Área Libertador
24
Donde:
PPS: Bombeo Eléctrico
PPG: Bombeo a Gas
PPH: Bombeo Hidráulico
PR: Pozo Reinyector
1.5
POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DEL CAMPO LIBERTADOR
El potencial de producción del Campo
Libertador es de: 64.724 barriles
fluidos por día (BFPD), 15.027 barriles de petróleo
de
por día (BPPD), con un
porcentaje de agua del 77,4% y 50.067 barriles de agua por día (BAPD),
producción que registran las estaciones de producción, datos que son tomados
del FORECAST del mes de marzo del 2007, como se indica en la tabla 1.2.
POTENCIAL DE PRODUCCIÓN EN EL CAMPO LIBERTADOR
ESTACIÓN
BFPD
BSW (%)
BPPD
BAPD
SECOYA
29.053
80,6
5.993
23.429
SHUARA
8.608
76,4
2.036
6.572
PICHINCHA
2.1615
77,6
4.832
16.784
SHUSHUQUI
5.448
60,2
2.166
3.282
64.724
77,4
15.027
50.067
DE PRODUCCIÓN
POTENCIAL TOTAL
DE PRODUCCIÓN
TABLA 1.2: Potencial de producción en el campo Libertador1
1.6
DIAGRAMAS DE COMPLETACIÓN DEL EQUIPO DE FONDO
Una herramienta básica para la información del equipo que se encuentra instalado
en el fondo del pozo, son los DIAGRAMAS DE COMPLETACIÓN DEL EQUIPO
DE FONDO, en estos diagramas se describe las características del respectivo
equipo instalado, profundidades de las arenas productivas, un ejemplo se indica
en la figura 1.2.
1
Departamento de Ingeniería de Petróleos del Área Libertador
25
8461'
S
BOMBA, SERIE 400 : DN-1750 ( 108 ETAPAS )
S
BOMBA, SERIE 400 : DN-1750 ( 116 ETAPAS )
S
BOMBA, SERIE 400 : DN-1750 ( 124 ETAPAS )
8482'
8501'
8523'
8526'
SEPARADOR DE GAS, SERIE 400
PROTECTOR, SERIE 540 HD78-2126
PROTECTOR, SERIE 540 LT78-11361
8535'
8544'
M
MOTOR SERIE 540; 200 HP ; 1339 VOL, 93.9 AMP.
ADAPTER MOTOR-SENSOR
8569'
8573'
SENSOR PHOENIX
7" CENTRALIZADOR
(CABLE PLANO No 02 CON CAPILAR)
ARENA "Ui"(4DPP)
8958' - 8987' (29' )
9036'
ARENA "T" ( 4DPP)
9140' - 9150' (10' )SQZ-WO#4
9221'
9252'
FIGURA 1.2: Diagrama de Completación básico de un sistema BES
Mayores detalles acerca de los diagramas de completación del equipo de
subsuelo de los pozos que se analizan, ver el ANEXO A.
1.7
TRATAMIENTO QUÍMICO DE LOS POZOS
Para la protección del equipo electrosumergible y la tubería de producción, se
debe conocer las propiedades del fluido de cada pozo, para realizar los
respectivos
tratamientos químicos antiescala y/o anticorrosivo que son
inyectados vía capilar hacia el interior del pozo, éstos químicos se indican en la
tabla 1.3.
26
QUÍMICOS PARA EL TRATAMIENTO DE POZOS
DMO – 4618 – 4625:
SCW- 356 – 365:
D–51:
MX-592:
C-950:
Demulsificante (Baker - Petrolite)
Inhibidor de escala (Baker – Petrolite)
Demulsificante (Quimipac)
Inhibidor de escala (Quimipac)
Inhibidor de corrosión (Quimipac)
TABLA 1.3: Químicos para el tratamiento de los pozos1
1.8
GENERACIÓN ELÉCTRICA EN EL CAMPO LIBERTADOR
En el plano 1.1, se indica la central de generación del campo Libertador, se
encuentra formada por: el centro de generación Sucumbíos y el centro de
generación Secoya.
La central de generación Sucumbíos, opera con cuatro generadores marca
Waukesha (GEN 1, 2, 3 y 4) que funcionan con gas y dos generadores marca
Caterpillar que funcionan el uno a gas (GEN 5) y otro a diesel (GEN 6). El voltaje
de generación es de 480 Voltios y la capacidad total instalada de este centro es
de 4.230 kW, como se describe en tabla 1.4.
CENTRO DE GENERACIÓN SUCUMBIOS
UNIDAD
TIPO DE
POTENCIA
COMBUSTIBLE
NOMINAL
Gas
Gas
Gas
Gas
Gas
Diesel
750 kW
700 kW
700 kW
700 kW
550 kW
800 kW
4.225 kW
GEN1
GEN2
GEN3
GEN4
GEN5
GEN6
TOTAL
MARCA
Waukesha
Waukesha
Waukesha
Waukesha
Caterpillar
Caterpillar
TABLA 1.4: Centro de Generación Sucumbíos2
PLANO 1.1: Diagrama Unifilar Campo Secoya3
1
Departamento de Ingeniería de Petróleos del Área Libertador
2
Departamento de Mantenimiento Eléctrico del Área Libertador
3
Departamento de Mantenimiento Eléctrico del Área Libertador
POTENCIA
DISPONIBLE
650 kW
400 kW
400 kW
380 kW
380 kW
680 kW
2.490 kW
27
28
Los generadores que funcionan en el centro de generación Secoya cuenta con
dos unidades Wartsila 16V32- LNGD que operan
en un modo denominado
“FUEL SHARING” o compartición de combustible compensando la falta de gas
con combustible crudo, el voltaje de generación es de 480 V pasando
previamente por una subestación de elevación a 13.800 V para su distribución a
los distintos pozos, éste centro tiene una capacidad instalada de 11 Megavatios
(MW), como se indica en la tabla 1.5.
CENTRO DE GENERACIÓN SECOYA
TIPO DE
POTENCIA
COMBUSTIBLE
NOMINAL
AUX1
Gas-Crudo
5550 kW
Wartsila
5500 kW
AUX2
Gas-Crudo
5550 kW
Wartsila
5500 kW
UNIDAD
TOTAL
MARCA
11000 kW
POTENCIA
DISPONIBLE
11000 kW
TABLA 1.5: Generadores operativos en el centro de Generación Secoya1
Las dos centrales de generación forman, el denominado Sistema Eléctrico
Interconectado del Libertador (SEIL), que alimenta eléctricamente a todos los
pozos que forman el sistema de bombeo electrosumergible en el campo
Libertador, estaciones de producción, el sistema de bombeo horizontal para la
reinyección de agua de formación y finalmente a los campamentos.
El SEIL, se interconecta mediante líneas de transmisión eléctrica de 69.000 V
con otros sistemas eléctricos que se encuentran
Parahuacu, las Áreas:
Lago Agrio,
en los
campos: Atacapi,
Shushufindi, Sacha y Auca, que en
conjunto forman el denominado Sistema Eléctrico Interconectado
Petroproducción (SEIP), que se observa en el plano 1.2.
PLANO 1.2: Sistema Eléctrico Interconectado de Petroproducción (SEIP)2
1
Departamento de Mantenimiento Eléctrico del Área Libertador
2
Departamento de Mantenimiento Eléctrico del Área Libertador
de
29
30
1.9
GLOSARIO DE TÉRMINOS UTILIZADOS
1.9.1
ABREVIATURAS
A
= Amperios
ºAPI
= Grado API del Petróleo
Arms
= Amperaje eficaz
AWG
= Alambre fabricado en Estados Unidos se mide de acuerdo con
la convención American Wire Gauge
BAPD
= Barriles de Agua por Día
BES
= Bombeo Electrosumergible
BFPD
= Barriles de Fluido por Día
BPPD
= Barriles de Petróleo por Día
BSW
= Porcentaje de agua y sedimentos
Csg
= Casing
DPP
= Disparos por pie
ºF
= Grados Fahrenheit
FREC.
= Frecuencia carry de configuración en el VSD de la marca
CARRY
FREC.
REDA-SCHLUMBERGER
= Frecuencia de operación del VSD
OPERA.
GOR
= Relación Gas Petróleo
HP
= Horse Power (Caballo de Potencia)
Hz
= Hertzios
kHz
= Kilohertzios
Km
= Kilómetros
kW
= Kilovatio
kV
= Kilovoltios
kVA
= Kilo volta-amperio
kVAR
= Kilo volta-amperio reactivo
N
= Relación de transformación
PCC1
= Punto de acoplamiento del VSD con la red de alimentación
general
PCC2
= Punto de acoplamiento del VSD con el equipo de fondo
31
PCY
= Pozo del campo Pacayacu
PIC
= Pozo del campo Pichincha
PPG
= Pozo de Producción por Gas Lift
PPH
= Pozo de Producción por bombeo Hidráulico
PPM
= Pozo de Producción por bombeo Mecánico
PR
= Pozo Reinyector
PPS
= Pozo de Producción por bombeo Electrosumergible
PSI
= Libras fuerza/pulgadas²
PU
= “Por Unidad”
PWM
= Tipo de modulación de una señal (Pulse Wave Modulation)
SEC
= Pozo del campo Secoya
SHU
= Pozo del campo Shuara
SSQ
= Pozo del campo Shushuqui
T
= Periodo de tiempo de una función periódica
TRANSF.
= Transformador
Tbg
= Tubing
THDI
= Distorsión armónica total de corriente
THDV
= Distorsión armónica total de voltaje
V
= Voltios
Vrms
= Voltaje eficaz
VSD
= Variable Speed Driver
W
= Vatio
W.O.
= Work Over
1.9.2
CONCEPTOS
Agua de formación.- Agua interna del pozo que contiene sales, lodos, arenas y
otros componentes del yacimiento, que se produce junto con el petróleo.
Arena productiva.- Zona donde se encuentra reservas de petróleo
Armónicos Triplens.-
Conjunto de componentes armónicas múltiplos de la
tercera armónica
Carga Hidrostática.- Peso del fluido dentro de la tubería.
Casing.- Tubería que se baja en el pozo luego de perforar, que se encuentra
cementado, en su interior se encuentra el equipo de fondo.
32
Delta.- Conexión en “triangulo” de las bobinas del transformador trifásico.
Estación de producción.- Lugar
donde se registra la producción de los
diferentes pozos que forman el campo de esa estación.
Estrella.- Conexión en “Y” de las bobinas del transformador trifásico
Estructura o Yacimiento.- Zona que posee una energía interna natural del
subsuelo y es donde se localizan las reservar de petróleo.
Fluido.- Mezcla de petróleo y agua de formación
Forecast.- Análisis mensual promedio de la producción de: fluidos, petróleo y
del porcentaje de agua de formación de los pozos en producción.
Frecuencia Carry.- Frecuencia portadora en la modulación de tipo PWM.
Línea de Flujo.- Tubería que se conecta desde el cabezal del pozo hacia la
estación de recolección de petróleo.
Litología.- Estructura del subsuelo donde se encuentran las arenas productivas.
Potencial de Producción.- Producción de fluidos, petróleo y agua, mensual de
los
pozos indistintamente del método de levantamiento artificial
que
se
encuentra implementado.
Pozo cerrado.- Pozo que no produce.
Por Unidad.-
Relación
que existe entre un
parámetro determinado y un
parámetro base, ya sea voltaje corriente y potencia.
Pozo Reinyector.- Pozo donde se reinyecta el agua de formación producida.
Tandem.- Conexión en serie de equipos de fondo del mismo tipo
Tubing.- Tubería de producción del pozo.
Valor efectivo o valor rms.- De una función periódica (voltaje y/o corriente) es la
raíz cuadrada de la función al cuadrado, matemáticamente, se representa como:
T
Frms = promedio de f 2 (t) =
1 2
f (t).dt
T ∫0
Velocidad Sincrónica.- Velocidad a la que gira el campo magnético en el motor
del tipo jaula de ardilla.
33
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL EQUIPO DE BOMBEO
ELECTROSUMERGIBLE
La principal función del sistema de bombeo electrosumergible para la extracción
del petróleo, es proporcionar la energía adicional
mediante el uso de bombas centrifugas
al fluido
del yacimiento
multi-etapa, donde su caudal de
operación es controlado mediante variadores de velocidad instalados en la
superficie del pozo.
En el campo Libertador, se encuentran instalados equipos de superficie y de
fondo
de tres compañías
diferentes: REDA-SCHLUMBERGER, BAKER-
CENTRILIFT y WOOD GROUP, donde sus características de operación eléctrica
y mecánica se ajustan a las condiciones de operación de cada pozo.
2.1
SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
El sistema de bombeo electrosumergible, es un medio efectivo y económico para
lograr recuperar considerables volúmenes de fluidos a grandes profundidades.
Su aplicación
es mayor en yacimientos con altos volúmenes de fluido,
porcentajes de agua y una baja relación gas – petróleo (GOR), sin embargo en la
actualidad estos equipos han obtenido excelentes resultados en la producción de
fluidos de alta viscosidad, en pozos con fluidos abrasivos, altas temperaturas y
que disponen de un diámetro reducido.
La instalación del sistema de bombeo electrosumergible consta de dos grupos,
que son:
•
Equipo de Superficie
•
Equipo de Fondo
Los componentes del equipo de superficie y de fondo en el sistema de bombeo
electrosumergible, se muestra en la figura 2.1.
34
FIGURA 2.1: Componentes del equipo de superficie y de fondo en el sistema BES
35
El equipo de superficie en los pozos del campo Libertador, se encuentra
alimentado eléctricamente mediante una red de distribución a 13.800 V, excepto
en los pozos SHUSHUQUI-18 y
PACAYACU-05 (Ver Mapa 1.2), donde se
cuenta con generadores individuales en las respectivas locaciones.
2.1.1
EQUIPO DE SUPERFICIE
La instalación de superficie consta de un transformador reductor de 13,8 kV a
480 V, voltaje necesario para la operación del variador de velocidad (VSD), el
cual provee el voltaje
trifásico variable
al transformador elevador multi-taps,
elevando al voltaje necesario para la operación del motor en el fondo del pozo,
la caja de venteo es un punto de conexión del equipo de superficie con el equipo
de fondo, finalmente
junto a la caja de venteo se instala un registrador de
amperaje del motor electrosumergible, como se describe en la figura 2.2.
FIGURA 2.2: Equipo de superficie en el sistema BES
36
Los componentes en la superficie de los pozos son:
•
Cabezal del Pozo
•
Caja de Venteo (Caja de Empalme)
•
Transformadores
•
Controlador del Motor Electrosumergible (Variador de Velocidad VSD)
2.1.1.1
Cabezal del Pozo
El cabezal cierra mecánicamente el pozo en la superficie, soporta el peso del
equipo electrosumergible instalado, además mantiene
un
control sobre el
espacio entre el casing y la tubería de producción del pozo.
La conexión del cable de potencia que viene de la caja de venteo, se realiza
mediante un conector llamado “Quick Conector”, donde se realiza el empalme de
los cables eléctricos de superficie y de fondo, como se indica en la figura 2.3.
LINEA DE FLUJO
A LA ESTACION
TUBERIA DE
PRODUCCION
DEL EQUIPO
DE FONDO
QUICK
CONECTOR
LINEA DE
DRENAJE DE
GAS
CABLE DE
POTENCIA DE
SUPERFICIE
FIGURA 2.3: Cabezal del pozo
37
2.1.1.2
Caja de Venteo (Caja de Empalme)
En la figura 2.4, se muestra la caja de venteo, que cumple con tres funciones
importantes:
1.
Proveer un punto de conexión
entre
transformador elevador multi-taps y el
el bobinado secundario del
cable eléctrico de
potencia
proveniente del fondo del pozo.
2.
Ventea a la atmósfera cualquier gas que se encuentre en la
armadura de
protección del cable eléctrico de potencia que proviene del pozo.
3.
Facilita puntos de prueba accesibles para realizar mediciones eléctricas del
equipo de fondo.
PUNTOS DE
CONEXIÓN
CABLE DEL
TRANSFORMADOR
MULTI-TAP
CABLE DE POTENCIA
DE FONDO
FIGURA 2.4: Caja de venteo (Caja de Empalmes)
Por lo general junto a la caja de venteo se ubica un registrador amperimétrico,
donde se registra de forma gráfica la corriente del motor electrosumergible en
cartas Amperimétricas, como se indica en la figura 2.5.
38
FIGURA 2.5: Carta amperimétrica
2.1.1.3
Controlador del Motor Electrosumergible (VSD)
El controlador del motor electrosumergible VSD (Variable Speed Driver), que se
instala en la superficie del pozo entre los transformadores reductor y elevador
multi-taps, éste controla la velocidad de rotación del eje en el motor
electrosumergible que se encuentra
axialmente acoplado al eje de la bomba
centrifuga multi-etapa ubicada en el fondo del pozo.
El VSD proporciona la potencia suficiente al equipo de fondo para que éste
funcione en óptimas condiciones,
ofrece
además numerosas opciones de
protección, control y monitoreo del respectivo equipo que varían de acuerdo al
fabricante, físicamente se observa en la figura 2.6.
39
VARIADOR DE
VELOCIDAD
FIGURA 2.6: Controlador de velocidad variable (VSD)
La estructura interna de un VSD de 6 pulsos, consta de una etapa conversora
de 6 pulsos, etapa de filtrado y una etapa inversora, se representa mediante un
diagrama de bloques en la figura 2.7.
FIGURA 2.7: Diagrama de bloques de la estructura interna de un VSD de 6 pulsos
2.1.1.3.1
Etapa Conversora
La primera etapa del VSD, se encuentra constituida eléctricamente mediante
un conversor AC/DC (conversor de voltaje alterno a voltaje continuo) formado por
semiconductores de tipo DIODOS DE POTENCIA
que se encuentran en
configuración de un puente trifásico de Graëtz de 6 pulsos sin control, como se
muestra en la figura 2.8.
40
FIGURA 2.8: Etapa Conversora AC/DC del VSD
La etapa conversora realiza una rectificación de forma de onda completa (ciclo
positivo y negativo de la onda) del voltaje para cada fase de los terminales de
entrada al VSD, como se indica en la figura 2.9.
VAC : 480(V ) − 60Hz
VDC
FIGURA 2.9: Voltaje rectificado
La magnitud del voltaje continuo a la salida de la etapa conversora (AC/DC), se
calcula como:
VDC =
3 3.VMAX
π
1
Donde:
VDC :
VMAX :
VL −L :
1
Voltaje continuo a la salida de la etapa conversora (Voltio)
Voltaje máximo VMAX = 6.VL −L (Voltio)
Voltaje línea – línea (Voltio)
MUHAMMAD RASHID, “Electrónica de Potencia Circuitos, dispositivos y Aplicaciones”, pág160
Ec 2.1
41
2.1.1.3.2
Etapa de Filtrado
La etapa de filtrado reduce el rizado de la señal de voltaje que se rectifica en la
etapa anterior mediante un filtro formado por un inductor (L) y un capacitor (C),
en la conexión que se indica en la figura 2.10.
FIGURA 2.10: Etapa de filtrado del VSD
La señal de voltaje a la salida de la etapa de filtrado mediante el circuito de la
figura anterior (bus de DC), se observa en la figura 2.11.
VOLTAJE RECTIFICADO
VOLTAJE FILTRADO
FIGURA 2.11: Voltaje filtrado
2.1.2.1.3
Etapa Inversora
En la figura 2.12, se muestra la etapa inversora que se encuentra formada
eléctricamente por un puente trifásico de semiconductores del tipo IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor), en ésta etapa se controla la frecuencia del
voltaje que sirve de alimentación al motor electrosumergible y control de la bomba
en el fondo del pozo.
42
FIGURA 2.12: Etapa inversora del VSD
2.1.1.4
Transformadores
Los transformadores: reductor y elevador multi-taps, se instalan en la superficie
del pozo de bombeo electrosumergible, como se indica en la figura 2.13.
TRANSFORMADOR
ELEVADOR
MULTI-TAPS
TRANSFORMADOR
REDUCTOR
13,8 kV / 480 V
FIGURA 2.13: Transformadores en el sistema BES
El primer transformador reduce el voltaje de distribución de 13,8 kV al voltaje
de 480 V, necesario para el funcionamiento del variador de velocidad, mientras
que el segundo transformador eleva el voltaje de salida
del variador (480V
43
variable en frecuencia) al voltaje que requiere el motor electrosumergible con las
respectivas conexiones (DELTA o ESTRELLA) y el tap que se selecciona en el
transformador elevador se indica en la figura 2.14.
CONECTORES
DEL BOBINADO
SECUNDARIO
CONECTORES
DEL BOBINADO
PRIMARIO
SELECTOR
MULTI- TAPS
FIGURA 2.14: Panel de conexiones en el transformador elevador multi-taps
Para la selección de los taps adecuados, se toman en cuenta las siguientes
consideraciones:
•
La caída de voltaje que se tiene por la longitud del cable eléctrico de potencia
a la frecuencia de operación del VSD.
•
El consumo de voltaje en el motor electrosumergible a la frecuencia de trabajo.
•
La caída de voltaje debido a la temperatura de fondo del pozo.
Los taps, son dos selectores (números y letras) que mediante su combinación
seleccionan el voltaje en el bobinado secundario del respectivo transformador
elevador, que se ha seleccionado para el funcionamiento del equipo de fondo, las
posibles combinaciones junto con los voltajes
se especifican en la placa del
respectivo equipo como se indica en la figura 2.15.
44
FIGURA 2.15: Placa del Transformador Elevador Multi-taps1
2.1.2
EQUIPO DE FONDO
Se identifica como equipo de fondo, los componentes que se encuentran en el
subsuelo del pozo acoplados a la tubería de producción, estos componentes se
mencionan en orden ascendente empezando desde el fondo del pozo: sensor de
fondo, motor electrosumergible, sello ó protector, separador de gas,
bomba
centrífuga multi-etapa y el cable eléctrico de potencia, como se indica en la
figura 2.16.
1
SOUTHWEST COMPANY
45
FIGURA 2.16: Equipo de fondo en el sistema BES
2.1.2.1
Motor Electrosumergible
El motor electrosumergible provee la energía que necesita la bomba para rotar y
acelerar los fluidos que están siendo bombeados hacia la superficie, consta
básicamente de un estator bobinado de inducción bipolar trifásico y rotor jaula de
ardilla, que gira a una velocidad sincrónica, que se calcula como:
N=
120 * f
P
1
Donde:
N: Revoluciones por minuto (rpm)
f: Frecuencia en línea (60 Hz)
P: Número de polos en el motor (2 polos)
1
MUHAMMAD RASHID, “Electrónica de Potencia Circuitos, dispositivos y Aplicaciones”, pág 542
Ec 2.2
46
Aplicando la ecuación Ec 2.2, a la frecuencia de operación de 60 Hz se tiene
una velocidad sincrónica nominal de 3.600 rpm (revoluciones por minuto).
Debido
al diámetro reducido de los
pozos, el motor electrosumergible
se
encuentra constituido por pequeños estatores que se encuentran internamente
acoplados de forma mecánica, un segmento en corte del motor electrosumergible
se observa en la figura 2.17.
FIGURA 2.17: Segmento en corte del Motor Electrosumergible1
Las partes del motor electrosumergible son:
•
Bastidor ó Housing
•
Estator
•
Rotor
2.1.2.1.1
Bastidor ó Housing
El bastidor es la cubierta del motor, está provisto de roscas en ambos extremos
para facilitar la instalación del cabezal y la base del motor electrosumergible, los
diámetros varían según los fabricantes y principalmente del diámetro que se
dispone en cada pozo, en la tabla 2.1, se mencionan diámetros de bastidores
según la serie de fabricación.
1
REDA-SCHLUMBERGER-TRAINING COURSE
47
DIÁMETROS DE BASTIDORES
DIÁMETRO (PULGADAS)
EQUIPO
3,75
Serie375
4,56
Serie456
5,40
Serie540
5,62
Serie562
7,38
Serie738
TABLA 2.1: Diámetros de bastidores para motores electrosumergibles1
2.1.2.1.2
Estator
Cada estator interno del motor electrosumergible se encuentra formado por:
•
Núcleo del Estator
•
Bobinados del Estator
Núcleo del Estator
Cada núcleo de cada estator esta formado de laminaciones comprimidas entre si
para asegurar una estabilidad mecánica a lo largo de todo estator, como se indica
en la figura 2.18.
FIGURA 2.18: Laminaciones internas en el núcleo del estator2
1
REDA-SCHLUMBERGER CATALOG
2
REDA-SCHLUMBERGER CATALOG
48
Bobinados del Estator
El
bobinado por fase
para
cada
estator
interno se realiza mediante
conductores de cobre revestidos de esmalte (Polyamido PEEK), como se muestra
en la figura 2.19.
FIGURA 2.19: Segmento en corte del bobinado en el estator1
2.1.2.1.3
Rotor
El rotor del motor electrosumergible, gira libremente acoplado al eje del motor,
como se observa en la figura 2.20.
FIGURA 2.20: Segmento en corte del Rotor2
1
REDA-SCHLUMBERGER TRAINING COURSE
2
REDA-SCHLUMBERGER TRAINING COURSE
49
La refrigeración del motor electrosumergible, se realiza mediante la circulación
de aceite mineral altamente refinado con una alta rigidez dieléctrica (30kV) y
conductividad térmica, ofreciendo además
una buena lubricación de los
componentes mecánicos, adicionalmente el motor se refrigera por la circulación
del fluido del pozo que debe tener una velocidad mínima de 1 pie/segundo.
El motor electrosumergible suministra exactamente tantos HP (Horse Power)
como la bomba multi-etapa necesite, la mayoría de motores están diseñados
para ser más eficientes en el “punto de diseño”, se encuentra en función de la
carga, típicamente tiene valores entre el 80% y 90% en condiciones normales de
funcionamiento.
Las
curvas de: velocidad (RPM), eficiencia y factor de potencia del motor
electrosumergible en función de la carga, se describen en la figura 2.21. .
FIGURA 2.21: Curvas de rendimiento del motor electrosumergible1
1
REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
50
Los parámetros importantes que se deben tomar en cuenta para la operación
del motor electrosumergible son:
Potencia
Nominal:
Es
la
potencia
máxima
que
genera
el
motor
electrosumergible bajo condiciones nominales de funcionamiento, generalmente
a la frecuencia de 60 ó 50 Hz.
Voltaje Nominal: Es el voltaje necesario que se debe
suministrar a los
terminales del motor electrosumergible para su correcto funcionamiento.
Corriente Nominal: Es la corriente que circula por los bobinados del estator del
motor electrosumergible en condiciones nominales de funcionamiento, si la
corriente es menor el motor no se encuentra totalmente cargado, mientras que
si la corriente es mayor a la nominal
el motor se encuentra sobrecargado,
condiciones de baja y sobre carga se deben corregir rápidamente para que el
motor no sufra daños mecánicos o eléctricos o deje de funcionar.
Los valores nominales del motor electrosumergible, se encuentran especificados
por la serie que tiene el respectivo equipo, como se describe en la tabla 2.2.
RANGOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR
60Hz
50Hz
POTENCIA
VOLTAJE
CORRIENTE
HP
V
100
120
140
83
100
117
1305
1088
A
51.5
2313
1928
27
1105
921
69.5
2270
1892
32.5
1022
852
85
1299
1083
69.5
2101
1751
40.5
TABLA 2.2: Rangos de operación del motor electrosumergible-serie 5401
1
REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
51
Cuando el sistema es energizado por primera vez, no es raro observar que el
motor
electrosumergible consuma
una corriente mayor a la nominal, hasta
cuando el pozo se estabilice y la corriente es menor al valor nominal.
2.1.2.2
Protector o Sello
En la figura 2.22, se muestra un
sello que
se instala entre el motor
electrosumergible y la bomba multi-etapa, puede ser instalado como una unidad
simple o como una unidad tandem (conexión serie de equipos del mismo tipo).
FIGURA 2.22: Partes del Protector o Sello
Las funciones básicas del sello ó protector son:
•
Provee el volumen necesario para permitir la expansión del aceite dieléctrico
contenido en el motor debido al incremento de la temperatura del motor
cuando se encuentra funcionando.
52
•
Iguala la presión externa del fondo de pozo con el fluido dieléctrico interno del
motor.
•
Protege al motor de la contaminación de los fluidos del pozo mediante
secciones sellantes que evitan que ingresen por el eje de acoplamiento.
•
Absorbe los movimientos axiales al eje producidos por las etapas de la
bomba.
2.1.2.3
Bomba Electrosumergible
La bomba electrosumergible es del tipo centrífuga multi-etapa, donde su diámetro
de fabricación depende del espacio que se dispone en cada pozo, el caudal de
descarga depende de: la carga hidrostática, la velocidad de giro del motor
electrosumergible, diseño de las etapas internas y propiedades del fluido.
Los
componentes mecánicos de cada etapa de la bomba son: un impulsor
rotatorio y un difusor estacionario, como se observa en la figura 2.23.
b)
a)
FIGURA 2.23: a) Impulsor, b) Difusor
El movimiento del fluido a través de las etapas de la bomba electrosumergible, se
produce por el movimiento rotatorio del impulsor proporcionando al fluido
energía cinética necesaria para que circule por el difusor y
genera la adición
de
la
la suma de etapas
presiones, produciendo suficiente energía potencial
elevando el fluido hasta la superficie, como se describe en la figura 2.24.
53
FIGURA 2.24: Movimiento del fluido a través de las etapas
internas de la bomba electrosumergible
La curva de comportamiento de la bomba electrosumergible, permite conocer las
características de funcionando la bomba, como se indica en la figura 2.25.
ALTURA DE
COLUMNA (FT)
RANGO DE
OPERACION
ALTURA DE
COLUMNA
EFICIENCIA DE LA BOMBA
DOWN THRUST
UP THRUST
POTENCIA AL FRENO BHP
GC2900
FIGURA 2.25: Curva de comportamiento de la bomba electrosumergible GC 29001
1
BAKER-CENTRILIFT CATALOG
54
En la figura 2.25, también se observa:
La Curva de Altura de la Columna: Indica la altura de fluido que cada etapa
puede levantar, en función de los barriles por día (BPD) que la bomba extrae del
pozo.
La Curva de Potencia al Freno (BHP): Indica la potencia en HP (Horse Power),
que requiere cada etapa para tener el caudal necesario para levantar el fluido
(BPD).
La Curva de Eficiencia: Indica como varia la eficiencia de la bomba
electrosumergible, hasta a un valor máximo de barriles por día (punto de máxima
eficiencia), que la bomba puede extraer del pozo.
El movimiento rotatorio de los impulsores
hacen que las etapas soporten un
empuje hacia arriba llamado “UPTHRUST” (funcionamiento de la bomba hacia la
derecha del punto de máxima eficiencia) ó
un empuje hacia abajo
llamado
“DOWNTHRUST” (funcionamiento de la bomba hacia la izquierda del punto de
máxima eficiencia)
Cuando se tiene un funcionamiento con condiciones de frecuencia variable, la
cantidad de barriles por día (BPD) que la bomba puede extraer del pozo, sigue el
comportamiento de las “Curvas Tornado”, que se observan en la figura 2.26.
FIGURA 2.26: “Curvas Tornado” de la bomba electrosumergible GC 29001
1
BAKER CENTRILIFT-CATALOG
55
2.1.2.4
Cable Eléctrico de Potencia
La energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del motor electrosumergible
es transmitida
desde la caja de venteo a través de un cable
eléctrico de
potencia, que puede ser plano ó redondo de forma simple y/o con tubo capilar
para la inyección de químicos dentro del pozo, como se observa en la figura 2.27.
FIGURA 2.27: Cable de potencia trifásico a) plano b) redondo1
Los componentes internos del cable eléctrico de potencia, se identifican en la
figura 2.28.
FIGURA 2.28: Componentes internos del cable de potencia2
1
BAKER CENTRILIFT-CATALOG
2
BAKER CENTRILIFT-CATALOG
56
Conductor: El conductor interno del cable eléctrico de potencia, se fabrica de tres
tipos: sólido, trenzado y compacto, el calibre mas utilizado en las instalaciones
de bombeo electrosumergible es el AWG #2.
Aislamiento: El aislamiento del
conductor interno del cable
eléctrico de
potencia, se encuentra fabricado de:
PPE ó P: Polipropileno/etileno
E: EPDM ( Etileno propileno dienemetileno)
K: Poliamida( Kaptom)
T: Cinta semi-conductora
S: Especial
Barrera: La
barrera protectora del conductor interno del cable eléctrico de
potencia, se encuentra fabricada de:
TB-300: Cinta Trenzada de fluoruro de Polivinil (PVF o Tedlar)
TB-400: Cinta trenzada de alta temperatuta
F: Fluoropolimero extruido (FEP)
S: Fluoruro de Polivinildeno Extruido (PVDF o Solef)
L : Plomo
Chaqueta: La chaqueta de protección de la barrera en el cable eléctrico
de
potencia se encuentra fabricada de:
PE: Polietileno de alta densidad (HDPE)
O: Nitrilo (Compuesto de goma de nitrilo resistente al petróleo)
E: EPDM ( Compuesto de goma de EPDM)
Armadura: Finalmente la armadura protectora del cable eléctrico de potencia se
encuentra fabricada de:
FP: Perfil de armadura plano
HG: Acero galvanizado de película gruesa
GG: Doble galvanizado (dos películas)
57
SS: Acero inoxidable
M: Monel
G: Acero galvanizado
El espesor de la armadura puede variar desde 0,015 pulgadas a 0,034 pulgadas
(0,38 mm. a 0,86 mm.).
Capacidad de Voltaje y geometría del cable: La capacidad de voltaje que el
cable eléctrico de potencia puede operar se encuentra especificada por:
3,4,5,8: Capacidad de voltaje en kV
F: Configuración del cable plano
R: Configuración del cable redondo
2.1.2.5
Cable Eléctrico de Extensión (Motor Lead Extensión-MLE)
El cable de extensión, es un segmento corto de cable de potencia que en uno
de sus extremos posee un conector para la conexión al motor electrosumergible
mientras que en el otro extremo se empalma al cable eléctrico de potencia que
viene de la superficie, como se muestra en la figura 2.29.
a)
b)
FIGURA 2.29: a) Cable de extensión plano, b) Conector al motor electrosumergible1
1
REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
58
2.1.2.6
Separador de Gas
El gas que se encuentra presente en los pozos disminuye la eficiencia de la
bomba electrosumergible y cuando la presión de fondo es menor a la presión
de burbuja del petróleo (Pb), las partículas de petróleo y gas se empiezan a
separar incrementando la posibilidad de cavitación o bloqueo por gas en la bomba
electrosumergible, siendo necesaria la instalación del separador de gas, que se
indica en la figura 2.30.
FIGURA 2.30: Separador de gas1
La aplicación del separador de gas se realiza en los pozos con una elevada
relación gas petróleo (GOR), tomando en cuenta que la bomba electrosumergible
puede operar normalmente con un porcentaje de gas libre menor al 10% del
volumen de fluido que esta siendo bombeado.
1
BAKER CENTRILIFT-CATALOG
59
2.1.2.7
El
Sensor de Fondo
sensor
de
fondo,
se
encuentra
electrosumergible, se encarga de
instalado
en
la
base
del
motor
monitorear la temperatura del motor y la
presión de entrada a la bomba electrosumergible.
Las
señales de temperatura y de presión de fondo son previamente
acondicionadas por el propio sensor en el fondo del pozo y transmitidas a través
del cable eléctrico de potencia hacia la superficie.
El sensor de fondo, esta constituido de: un paquete sensor, paquete inductor y
paquete indicador.
Paquete Sensor: Se instala en la base de motor electrosumergible y
es el
encargado de censar y acondicionar la señal de presión y temperatura de fondo
a una señal eléctrica, para ser transmitida a través del cable eléctrico de potencia
hacia la superficie.
Paquete inductor: Se ubica junto al variador de velocidad en la superficie,
proporciona la energía eléctrica al sensor de fondo para su funcionamiento, se
encuentra formado como se indica en la figura 2.31.
FIGURA 2.31: “Paquete Inductor” del sensor de fondo
60
Paquete Indicador: Se encuentra formado por un display con una interfase que
le permite interactuar con el operador y visualizar la temperatura y la presión de
fondo, se ubica junto al “Paquete Inductor”, como se muestra en la figura 2.32.
FIGURA 2.32: “Paquete indicador” del sensor de fondo
En
los pozos del campo Libertador, se encuentran tres tipos de sensores que
son: PHD ó CENTINEL (Baker-Centrilift), PHOENIX (Reda-Schlumberger) y
SMARTGUARD (Wood Group).
2.2
EQUIPO ELECTROSUMERGIBLE INSTALADO EN LOS POZOS DEL
CAMPO LIBERTADOR
Los equipos electrosumergibles que se encuentran instalados en los pozos del
campo Libertador, que se analizan en el presente proyecto hasta el 31 de marzo
del 2007 (fecha de cierre del estudio), los equipos de superficie,
encuentran instalados, se describen en las tablas: tabla 2.3,
tabla 2.7, los
que se
tabla 2.5 y la
equipos de fondo, que se encuentran instalados se describen en
las tablas: tabla 2.4, tabla 2.6 y la tabla 2.8.
61
TABLA 2.3: Equipo de superficie BAKER-CENTRILIFT
62
TABLA 2.4: Equipo de fondo BAKER-CENTRILIFT
63
TABLA 2.5: Equipo de superficie REDA-SCHLUMBERGER
64
TABLA 2.6: Equipo de fondo REDA-SCHLUMBERGER
65
TABLA 2.7: Equipo de superficie
WOOD GROUP
TABLA 2.8: Equipo de fondo
WOOD GROUP
66
CAPÍTULO 3
ESTUDIO DE ARMÓNICOS GENERADOS POR LOS
VARIADORES DE VELOCIDAD
Para el estudio de la distorsión armónica generada por los variadores de
velocidad instalados en los pozos con sistema de bombeo electrosumergible en
el campo Libertador,
se establecen puntos de acoplamiento que se identifican
como: PCC1 (punto de acoplamiento del variador de velocidad con la red de
alimentación general de 13.800 V) y PCC2 (punto de acoplamiento del variador de
velocidad con el equipo de fondo).
El número de variadores
de velocidad
que se analizan, son los que se
encuentran operativos hasta el día 31 de marzo del 2007, fecha de cierre del
presente estudio.
3.1
PUNTOS DE MEDICIÓN DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA EN
EL SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
Para
la medición de la distorsión armónica que
velocidad
que
se
encuentran
instalados
en
generan los variadores de
los
pozos
de
bombeo
electrosumergible, se establecen dos puntos de medición que se identifican como:
como PCC1 (punto de acoplamiento del VSD con la red de alimentación general)
y PCC2 (punto de acoplamiento del VSD con el equipo de fondo) y que se indican
en la figura 3.1.
FIGURA 3.1: Puntos de medición de la distorsión armónica en el sistema BES
67
Las mediciones de la distorsión armónica
que se realiza en los puntos de
acoplamiento que se indican en la figura 3.1, es de forma directa mediante el
espectro armónico en el dominio de la frecuencia
utilizando el instrumento
denominado “ANALIZADOR DE ESPECTROS ARMÓNICOS FLUKE 43B”, con
un error de
aproximación
menor al 5% y
una
medición hasta la 50va
componente del espectro armónico, las características del analizador se indican
en el ANEXO F.
El espectro armónico de corriente y de voltaje que se mide en los puntos de
acoplamiento PCC1 y PCC2, son el promedio realizado para una fase por
facilidad de manejo de datos y del respectivo análisis,
debido a que
las
mediciones de la distorsión armónica para cada fase presentan una variación
no tan significativa.
Los VSDs, que se encuentran operativos y apagados en los pozos del campo
Libertador hasta la fecha de cierre del presente estudio, se describen en la
tabla 3.1.
VSDs INSTALADOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
CANTIDAD
VSDs OPERATIVOS
30
VSDs APAGADOS
5
TOTAL
35
TABLA 3.1: VSDs instalados en el campo Libertador
La forma en que se encuentran operando los VSDs en los pozos de bombeo
electrosumergible en el campo Libertador, se indican en la tabla 3.2.
FORMA DE OPERACIÓN DE LOS VSDs EN EL CAMPO LIBERTADOR
VSDs de 12 PULSOS
VSDs de 12 PULSOS como VSDs de 6 PULSOS
VSDs de 6 PULSOS
TOTAL
CANTIDAD
1
15
14
30
TABLA 3.2: Forma de operación de los VSDs en el campo Libertador
68
3.1.1
MEDICIÓN DE LA DISTORSION ARMÓNICA GENERADA EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
La medición de la distorsión armónica
permite determinar
el
en el punto de acoplamiento PCC1,
consumo de: corriente, voltaje y
potencia
componente fundamental de corriente del VSD, que se encuentra
de la
como una
carga no lineal del transformador reductor.
Las formas de onda de voltaje y de corriente en el punto de acoplamiento
PCC1 en todos los pozos del campo Libertador, que se analizan se observa en
la figura 3.2.
FACTOR DE
POTENCIA DE
DESPLAZAMIENT
O
POTENCIA ACTIVA
FUNDAMENTAL
POTENCIA
APARENTE
FUNDAMENTAL
FRECUENCIA
DE LA RED
POTENCIA
REACTIVA
FUNDAMENTAL
CORRIENTE DE
CONSUMO DEL
VSD
FIGURA 3.2: Formas de onda de voltaje y de corriente
en el punto de acoplamiento PCC1
El consumo de potencia de los equipos es diferente para cada pozo, pero las
formas de onda son las mismas en los respectivos puntos de acoplamiento PCC1.
3.1.1.1
Variador de Velocidad de 12 Pulsos
En la figura 3.3, se muestra mediante un diagrama de bloques
como se
encuentran los equipos electrosumergibles en el pozo PIC-08 (Ver ubicación en
el Mapa 1.2), donde se encuentra instalado un variador de velocidad de 12
pulsos con su respectivo transformador desfasador de 30º.
69
FIGURA 3.3: Diagrama de bloques del sistema BES del pozo PIC-08
Los bobinados secundarios del transformador reductor desfasador de 30º, se
conectan con las dos entradas conversoras del VSD de 12 pulsos, como se indica
en el esquema de la figura 3.4.
FIGURA 3.4: Esquema de conexión del transformador reductor
desfasador de 30º con el VSD de 12 pulsos1
El lado secundario del transformador reductor desfasador, cuenta con dos
bobinados en configuración “Y” y “DELTA” respectivamente, para obtener un
desfase de 30º eléctricos entre ambas conexiones para la eliminación del
5 to. y 7mo. armónico de corriente que se encuentran presentes en las dos entradas
conversoras del VSD de 12 pulsos y que se desfasan 180º entre si, en el
bobinado primario del transformador consiguiendo su eliminación.
1
REDA-SCHLUMBERGER-TRAINING COURSE
70
Físicamente el VSD de 12 pulsos con su respectivo transformador reductor
desfasador de 30º, se observa en la figura 3.5.
VSD
DE 12 PULSOS
LINEA DE
ALIMENTACION
13,8 kV / 480 V
TRANSFORMADOR
REDUCTOR
DESFASADOR
FIGURA 3.5: VSD de 12 pulsos su respectivo transformador reductor desfasador de 30º
La descomposición armónica de corriente
en series de Fourier
para el
CONVERSOR 1 y CONVERSOR 2 del VSD de 12 pulsos, se describen en las
ecuaciones Ec 3.1 y Ec 3.2 respectivamente1, como:
IA =
2 3 
1
1
1
1

ID  cos(ωt ) − cos( 5ωt ) + cos( 7ωt ) − cos(11ωt ) +
cos(13ωt )..... 
2Nπ 
5
7
11
13

Ec 3.1
2 3 
1
1
1
1

I D  cos(ωt ) + cos( 5ωt ) − cos( 7ωt ) − cos(11ωt ) +
cos(13ωt )..... 
2Nπ 
5
7
11
13

Ec 3.2
y
IX =
Donde:
IA :
Corriente armónica en el CONVERSOR 1 de 6 pulsos, (Amperio)
IX :
Corriente armónica en el CONVERSOR 2 de 6 pulsos, (Amperio)
ID :
Corriente circulante por el bus de DC del VSD, (Amperio)
N: Relación de transformación
1
MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore, “Power electronics: Converters, Applications, and Desing”, pág 388
71
En el bobinado primario del transformador reductor desfasador se induce una
corriente y que armónicamente, se expresan respectivamente como:1
IH 1 = I A + I X
Ec 3.3
y
IH 1 =
2 3 
1
1

ID  cos(ωt ) − cos(11ωt ) +
cos(13ωt ).....
Nπ 
11
13

Ec 3.4
Donde:
IH 1 :
Corriente en el devanado primario del transformador reductor desfasador,
(Amperio)
Del análisis de Fourier anterior, se tiene que la corriente en el bobinado
primario del transformador reductor desfasador,
tiene un espectro
armónico
característico dado por:
h = 12k ± 1
Ec 3.5
Donde:
h: Orden del armónico
k: Factor integrador, k = 1, 2, 3,……
3.1.1.1.1
Parámetros Armónicos Medidos
La distorsión armónica generada por el VSD de 12 pulsos instalado en el pozo
PIC-08 en el punto de acoplamiento PCC1, se describe en la tabla 3.3.
PARÁMETROS ARMÓNICOS MEDIDOS EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 DEL POZO PIC-08
POZO
PIC-08
THDV
THDI fpDESPLAZAMIENTO
%
%
4,2
6
0,81
POTENCIA
POTENCIA POTENCIA
APARENTE
ACTIVA
REACTIVA
kVA
kW
kVAR
217
176
127
TABLA 3.3: Parámetros armónicos medidos en el punto
de acoplamiento PCC1 en el pozo PIC-08
1
MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore, “Power electronics: Converters, Applications, and Desing”, pág 388
72
La representación geométrica de las potencias fundamentales en el punto de
acoplamiento PCC1 el pozo PIC-08, se observa en la figura 3.6.
FIGURA 3.6: Representación geométrica de las potencias fundamentales
en el punto de acoplamiento PCC1, en el pozo PIC-08
Descomposición Armónica y Espectro Armónico de Corriente
La
descomposición y
espectro armónico
de
corriente que se mide en el
bobinado primario y bobinado secundario del transformador reductor desfasador
de 30º, se describe en la tabla 3.4.
DESCOMPOSICIÓN Y ESPECTRO ARMÓNICO DE CORRIENTE
QUE SE MIDE EN EL TRANSFORMADOR REDUCTOR
DESFASADOR de 30º DEL POZO PIC-08
DESCOMPOSICIÓN ARMÓNICA
h
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
CONVERSORES
1
2
Arms
Arms
310
297,79
130,00
127,45
36,00
36,12
21,40
22,58
4,48
7,12
13,60
12,48
2,90
3,34
6,68
5,97
0,26
0,97
5,19
5,10
ESPECTRO ARMÓNICO
CORRIENTE CONVERSORES CORRIENTE
PRIMARIO
PRIMARIO
1
2
Arms
%
%
%
21,6
100
100
100
0,45
41,94
42,80
2,08
0,97
11,61
12,13
4,49
0,64
6,90
7,58
2,95
0,07
1,45
2,39
0,35
0,04
4,39
4,19
0,18
0,22
0,94
1,12
1,02
0,16
2,15
2,00
0,73
0,04
0,09
0,32
0,18
0,03
1,67
1,71
0,14
Continúa.....
73
.....Viene
31
35
37
41
43
47
49
0,53
3,60
0,88
3,08
0,79
2,72
0,79
0,11
0,09
0,03
0,02
0,04
0,04
0,01
0,70
2,72
0,79
2,81
0,18
1,85
0,97
0,17
1,16
0,28
0,99
0,26
0,88
0,26
0,24
0,91
0,27
0,94
0,06
0,62
0,32
0,49
0,41
0,14
0,08
0,18
0,16
0,05
TABLA 3.4: Descomposición y espectro armónico de corriente que se mide
en el transformador reductor desfasador de 30º del pozo PIC-08
Descomposición Armónica y Espectro Armónico de Voltaje
La descomposición y espectro armónico de voltaje que se mide, en el punto de
acoplamiento PCC1 del pozo PIC-08, se indica en la tabla 3.5.
DESCOMPOSICIÓN Y ESPECTRO ARMÓNICO DE VOLTAJE QUE SE
MIDE EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 DEL POZO PIC-08
ORDEN DEL
ARMÓNICO
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
DESCOMPOSICIÓN
ARMÓNICA
ESPECTRO ARMÓNICO
Vrms
%
459,00
11,30
4,10
8,46
2,88
1,31
1,66
5,75
2,53
2,96
1,74
5,93
2,44
2,79
1,39
3,14
1,13
100
2,46
0,89
1,84
0,63
0,29
0,36
1,25
0,55
0,64
0,38
1,29
0,53
0,61
0,30
0,68
0,25
TABLA 3.5: Descomposición y espectro armónico de voltaje que se
mide en el punto de acoplamiento PCC1 del pozo PIC-08
74
3.1.1.2
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
En el campo Libertador, se encuentran instalados 15 VSDs de 12 pulsos que
funcionan como VSDs de 6 pulsos, donde solo existe la conexión de una
entrada
conversora del variador con el transformador reductor que no tiene
desfase.
3.1.1.2.1
Parámetros Armónicos Medidos
Las mediciones que se realizan en el punto de acoplamiento PCC1 en los pozos
donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6
pulsos en el campo Libertador, se describe en tabla 3.6.
MEDICIONES EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS
DONDE SE TIENEN INSTALADOS VSDs DE 12 PULSOS
QUE FUNCIONAN COMO VSDs DE 6 PULSOS
POTENCIA POTENCIA POTENCIA
APARENTE ACTIVA
REACTIVA
kVA
kW
kVAR
THDV
THDI
%
%
SEC-01
7,8
35,2
0,34
79,9
26,9
74,9
SEC-03
SEC-08
5
49
152
51,2
143
8,5
42,1
0,34
0,83
246
203
137
SEC-16
4,6
63,9
0,79
65,8
51,8
40,5
SEC-21
7,4
42,3
0,83
113
93,5
62,6
SEC-22
4,6
45,9
0,99
69,7
69
10,3
SEC-24
4,6
63,9
0,79
65,8
51,8
40,5
SEC-27
20,2
38
0,98
205
201
37,4
SEC-31
5,4
57,7
0,67
78,2
52,5
58,6
SEC-36
6,7
52,2
0,83
91,1
75,7
50,7
PIC-05
8,2
37,3
0,90
263
238
113
PIC-07
6,2
59,9
0,76
168
127
109
PCY-02
4
60,5
0,98
52,6
51,56
10,3
PCY-04
7,3
51,6
0,83
90,8
75,5
50,5
SSQ-18
8,4
40,8
0,87
124
108
61,1
1.864,9
1.476,46
999,4
POZO
TOTAL
fpDESPLAZAMIENTO
TABLA 3.6: Mediciones en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
75
La representación geométrica de las potencias fundamentales de corriente en los
VSDs 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador,
se indica en la figura 3.7.
FIGURA 3.7: Representación geométrica de las potencias.fundamentales en los VSDs de
12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.
Descomposición Armónica de Corriente
La descomposición armónica de corriente que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se muestra en la
tabla 3.7.
Espectro Armónico de Corriente
El espectro armónico de corriente que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se indica en la tabla 3.8.
Descomposición Armónica de Voltaje
La descomposición armónica de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se describe en la tabla 3.9.
Espectro Armónico de Voltaje
El espectro armónico de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento PCC1,
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se observa en la tabla 3.10.
76
TABLA 3.7: Descomposición armónica de la corriente medida en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
77
TABLA 3.8: Espectro armónico de la corriente que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.
78
TABLA 3.9: Descomposición armónica de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
79
TABLA 3.10: Espectro armónico de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
80
Corriente y Voltaje Total
La corriente y voltaje total que se mide en el punto de acoplamiento del variador
de velocidad con la red de alimentación general en los pozos donde se tienen
instalados variadores de velocidad de 12 pulsos que funcionan como variadores
de velocidad de 6 pulsos en los respectivos pozos del campo Libertador que se
analizan se describe en la tabla 3.11.
CORRIENTE Y VOLTAJE TOTAL QUE SE MIDE EN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE SE TIENEN INSTALADOS
VSDs DE 12 PULSOS QUE FUNCIONAN COMO VSDs DE 6 PULSOS
EN EL CAMPO LIBERTADOR
CORRIENTE TOTAL
VOLTAJE TOTAL
Arms
Vrms
SEC-01
102,2
474,9
SEC-03
210,3
472,5
SEC-08
339,6
470
SEC-16
103,7
478,3
SEC-21
154,3
474,6
SEC-22
93,1
454
SEC-24
103,7
478,3
SEC-27
263,7
459,1
SEC-31
110,5
488,5
SEC-36
133,3
463,5
PIC-05
354,3
461
PIC-07
254,8
474,6
PCY-02
84
462,7
PCY-04
133,9
461
SSQ-18
164,9
480,7
POZO
TABLA 3.11: Corriente y voltaje total que se mide en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
81
3.1.1.3
VSDs de 6 pulsos
En el campo Libertador, se encuentran instalados 14 variadores de velocidad 6
pulsos con los respectivos transformadores reductores (13,8kV/480V) los cuales
no tienen desfase.
Las mediciones que se realizan en este grupo de
VSDs se detallan a
continuación:
3.1.1.3.1
Parámetros Armónicos Medidos
Las mediciones que se realizan en el punto de acoplamiento PCC1 en los pozos
donde se tienen
instalados variadores de velocidad de 6 pulsos
que se
encuentran instalados en los respectivos pozos del campo Libertador, se describe
en la tabla 3.12.
La representación geométrica del consumo de potencias de las componentes
fundamentales de corriente en los variadores de velocidad de 6 pulsos que se
encuentran instalados en los respectivos pozos del campo Libertador, se indica
en la figura 3.8.
FIGURA 3.8: Representación geométrica de las potencias.fundamentales
en los VSDs de 6 pulsos del campo Libertador
82
TABLA 3.12: Mediciones en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
_______________ se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
83
Descomposición Armónica de Corriente
En la tabla 3.13, se muestra la descomposición armónica de la corriente que se
mide en el punto
de acoplamiento del variador
de velocidad con la red de
alimentación general, en los pozos donde se tienen instalados variadores de
velocidad de 6 pulsos en los respectivos pozos del campo Libertador que se
analizan.
Espectro Armónico de Corriente
El espectro armónico de corriente que se mide en el punto de acoplamiento del
variador de velocidad con la red de alimentación general, en los pozos donde se
tienen instalados variadores de velocidad de 6 pulsos en los respectivos pozos
del campo Libertador que se analizan, se observa en tabla 3.14.
Descomposición Armónica de Voltaje
La descomposición armónica de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento
del variador de velocidad con la red de alimentación general, en los pozos donde
se tienen instalados variadores de velocidad de 6 pulsos los respectivos pozos
del campo Libertador que se analizan, se indica en la tabla 3.15.
Espectro Armónico de Voltaje
La
tabla 3.16, describe el espectro armónico de
punto de acoplamiento del variador
voltaje que se mide en el
de velocidad con la red de alimentación
general, en los pozos donde se tienen instalados variadores de velocidad de 6
pulsos en los respectivos pozos del campo Libertador que se analizan.
Corriente y Voltaje Total
La corriente y el voltaje total que se mide el punto de acoplamiento del variador
de velocidad con la red de alimentación general, en los pozos donde se tienen
instalados variadores de velocidad de 6 pulsos en
los respectivos pozos del
campo Libertador que se analizan, se observa en la tabla 3.17.
84
TABLA 3.13: Descomposición armónica de la corriente que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6
pulsos en el campo Libertador
85
TABLA 3.14: Espectro armónico de la corriente que se mide en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
86
TABLA 3.15: Descomposición armónica de voltaje que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1en pozos donde se tienen instalados VSDs
de 6 pulsos en el campo Libertador
87
TABLA 3.16: Espectro armónico de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
88
CORRIENTE Y VOLTAJE TOTAL QUE SE MIDE EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE
SE TIENEN INSTALADOS VSDs DE 6 PULSOS EN EL
CAMPO LIBERTADOR
CORRIENTE
VOLTAJE
TOTAL
TOTAL
Arms
Vrms
SEC-02
135,2
477,4
SEC-05
456,2
461
SEC-11
243,8
466
SEC-14
212,7
444,1
SEC-15
178,4
478,3
SEC-18
179,4
460,1
SEC-28
125,7
467,5
SEC-32
70,5
471,2
SEC-34
101,1
476,2
SHU-17
115
467,5
SHU-20
153,3
470,9
SHU-25
155,3
505
PIC-02
88,8
474,9
PIC-03
113,3
462,3
POZO
TABLA 3.17: Corriente y voltaje total que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en
el campo Libertador
89
3.1.2
DETERMINACIÓN DEL CONSUMO TOTAL DE POTENCIA EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
Para determinar el consumo total de potencia en el punto de acoplamiento PCC1,
para los pozos donde se tienen instalados variadores de velocidad, se debe tomar
en cuenta el consumo de potencia de las componentes armónicas de corriente
que se miden, para hallar la carga total de cada pozo con sistema de bombeo
electrosumergible con VSDs.
El factor de potencia de desplazamiento
que se mide en el punto de
acoplamiento PCC1, sirve para calcular el factor de potencia de distorsión y el
factor de potencia total respectivamente, como:
fpDISTORSIÓN =
1
*
1
2
 THDV 
 THDI 
1+ 
 * 1+ 

 100 
 100 
Ec 3.6
2
y
2
fpTOTAL = fpDESPLAZAMI ENTO * fp DISTORSIÓN *
Ec 3.7
Donde:
fpDESPLAZAMI ENTO : Factor de potencia de las componentes fundamentales de voltaje y
corriente en el punto de acoplamiento PCC1
fpDISTORSIÓN :
Factor de potencia de las componentes armónicas de voltaje y
corriente en el punto de acoplamiento PCC1
fpTOTAL : Factor de potencia total en el punto de acoplamiento PCC1
La potencia aparente total incluida la potencia de consumo de las componentes
armónicas en el punto de acoplamiento PCC1, se calcula como:
S = 3.VrmsIrms
Ec 3.8
Donde:
Vrms : Voltaje eficaz total en el punto de acoplamiento PCC1, (Voltio eficaz)
I rms : Corriente eficaz total en el punto de acoplamiento PCC1, (Amperio eficaz)
S:
1
2
Potencia Aparente Total en el punto de acoplamiento PCC1, (Volta Amperio)
* CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 5
* CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 5
90
El factor de potencia total y el consumo de potencia activa total incluida la
potencia de consumo de las componentes armónicas en el punto de acoplamiento
PCC1, se calculan respectivamente como:
P
S
P = fpTOTAL .S
fpTOTAL =
Ec 3.9
Ec 3.10
Donde:
P: Potencia Activa Total en el punto de acoplamiento PCC, (Vatio)
El contenido armónico de voltaje que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1, se puede considerar de tipo senoidal ya que las componentes del espectro
armónico son despreciables con respecto al valor de la componente fundamental
de voltaje (V1 ) , es decir las componentes: V2 , V3 , V4 ,..........Vn son despreciables
con respecto al valor de V1 y considerar únicamente el valor de la componente
fundamental de voltaje.
La potencia reactiva total por definición, y la potencia reactiva de la componente
fundamental de corriente, se expresan respectivamente como:
hmax
− δh )
Ec 3.11
Q1 = 3 .V1.I1.sen(φ1 )
Ec 3.12
Q=
∑V I .sen(θ
h =1
h h
h
QTOTAL = Q1
Donde:
sen(θh − δh ) : Ángulo de desfase entre voltaje y corriente para el armónico de
orden h, para valores de h=1,2,3,….
Q: Potencia Reactiva total incluida componentes armónicas
Vh : Voltaje eficaz al armónico de orden h
Ih :
Corriente eficaz al armónico de orden h
φ1 : Ángulo de desfase entre voltaje y corriente de la componente
fundamental en el punto de acoplamiento PCC1
Q1 : Potencia aparente fundamental en el punto de acoplamiento PCC1
91
La potencia consumida por las componentes armónicas en el punto de
acoplamiento PCC1, se calcula como:
1
D = S2 − P 2 − Q2 *
Ec 3.13
Donde:
D: Potencia de distorsión armónica total consumida en el punto PCC1, (Volta Amperio
Reactivo)
El consumo de potencia total que se calcula en el punto de acoplamiento PCC1,
incluido el consumo de potencia de las componentes armónicas, en pozos donde
se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador, se describe en la tabla 3.18.
La tabla 3.19, indica el consumo de potencia total, incluido el consumo de
potencia de las componentes armónicas
que se calcula en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en
el campo Libertador.
La representación geométrica de las potencias totales calculadas en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos, se observa en la figura 3.9.
FIGURA 3.9: Representación geométrica de las potencias totales en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12
pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
1
* CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 3
92
TABLA 3.18: Consumo de potencias totales en el punto de acoplamiento PCC1 en
___________
pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan
___________
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
93
TABLA 3.19: Consumo de potencias totales en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos
donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
94
La representación geométrica de las potencias totales calculadas en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en
el campo Libertador, se indica en la figura 3.10.
FIGURA 3.10: Representación geométrica de las potencias totales en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador
3.1.3
MEDICIÓN
DE LA DISTORSION ARMÓNICA GENERADA EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2
El punto de acoplamiento PCC2 (ver figura 3.1), es el punto de unión entre el
variador de velocidad y el equipo de fondo del pozo, donde las formas de onda
de voltaje y corriente, varían en forma y contenido armónico según la tecnología
de inversión de voltaje empleada en la etapa inversora del VSD, estas son:
•
Inversión de voltaje a 6 pasos
•
Inversión de Voltaje mediante PWM asincrónico
•
Inversión de voltaje y filtro interno en el VSD
La figura 3.11, describe las formas de onda de voltaje y de corriente en el punto
de acoplamiento PCC2, según la tecnología de inversión de voltaje que se
encuentra implementada en los respectivos VSDs que se encuentran instalados
en los pozos del campo Libertador.
95
SEÑAL DE
VOLTAJE
SEÑAL DE
CORRIEN
TECNOLOGÍA DE
INVERSION DE VOLTAJE
A 6 PASOS
(BAKER-CENTRILIFT)
SEÑAL DE
VOLTAJE
SEÑAL DE
CORRIENT
E
TECNOLOGÍA DE
INVERSION DE VOLTAJE
MEDCIANTE
PWM ASINCRÓNICO
(REDA SCHLUMBERGER)
SEÑAL DE
VOLTAJE
SEÑAL DE
CORRIENTE
TECNOLOGÍA DE
INVERSION DE VOLTAJE
PWM Y FILTRO INTERNO
DEL VSD
(WOOD GROUP)
FIGURA 3.11: Formas de onda de voltaje y corriente en el punto de acoplamiento PCC2
El número de VSDs que se encuentran instalados en los pozos del campo
Libertador, según la tecnología de inversión de voltaje implementada en el VSD,
se describe en la tabla 3.20.
96
VSDs POR TECNOLOGÍAS DE INVERSIÓN
DE VOLTAJE EN EL CAMPO LIBERTADOR
TECNOLOGÍA DE INVERSIÓN
CANTIDAD
DE ONDA DE VOLTAJE
6 PASOS
15
PWM ASINCRÓNICO
12
PWM con filtro en el VSD
3
TOTAL
30
TABLA 3.20: VSDs por tecnologías de inversión de voltaje en el campo Libertador
3.1.3.1
Distorsión armónica a la salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT
La distorsión armónica total de voltaje y de corriente que se miden en el punto
de acoplamiento PCC2 (salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT), se describe
en tabla 3.21.
DISTORSIÓN ARMÓNICA MEDIDA EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC2 (SALIDA DE LOS VSDs BAKER-CENTRILIFT)
POZO
THDV
%
THDI
%
SEC-05
28
23,6
SEC-08
28,3
27,2
SEC-11
26,2
29,9
SEC-15
28,5
33
SEC-16
28,3
32,7
SEC-21
28
30,3
SEC-24
28,4
32,4
SEC-36
28
24,8
SHU-20
26,6
29,7
PIC-03
28
33
Continúa…..
97
…..Viene
PIC-05
28,4
21,8
PIC-07
28,2
25,3
PIC-08
28,4
27,4
SSQ-18
28,7
30,4
PCY-04
28,4
31,7
TABLA 3.21: Distorsión armónica medida en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT)
La corriente y voltaje que se mide en el punto de acoplamiento PCC2, se indica
en la tabla 3.22.
CORRIENTE Y VOLTAJE MEDIDOS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC2 (SALIDA DE LOS VSDs BAKER-CENTRILIFT)
CORRIENTE
POZO
SEC-05
SEC-08
SEC-11
SEC-15
SEC-16
SEC-21
SEC-24
SEC-36
SHU-20
PIC-03
PIC-05
PIC-07
PIC-08
SSQ-18
PCY-04
TOTAL
COMPONENTE
FUNDAMENTAL
VOLTAJE
TOTAL
COMPONENTE
FUNDAMENTAL
Arms
Arms
Vrms
Vrms
490
415
297,1
207,6
384,9
173,2
106,7
127,2
168,4
131,3
336,8
261
509
154,6
164,7
476
400
283,5
196,5
368,6
165
101
123,3
160,8
123,9
328,4
251,4
477
147,3
156,3
433,9
423,1
383,4
400,6
112,5
427,7
419,1
419,1
467,2
442,5
447,5
403,1
403,1
446,2
421,6
417,1
405,6
370,2
384,6
106,2
410,7
401,6
401,6
450,9
424,8
429,2
385
387
427,5
404,2
TABLA 3.22: Corriente y voltaje medidos en el punto de acoplamiento
.
PCC2 (salida de los VSDs BAKER-CENTRILIFT)
98
3.1.3.2
Distorsión armónica a la salida de los VSDs REDA-SCHLUMBERGER
La distorsión armónica total de voltaje y de corriente que se miden en el punto
de acoplamiento PCC2 (salida de los variadores de velocidad de la marca
REDA-SCHLUMBERGER), se describe en la tabla 3.23.
DISTORSIÓN ARMÓNICA DE VOLTAJE Y DE CORRIIENTE QUE SE
MIDE EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2 (SALIDA DE
LOS VSDs REDA-SCHLUMBERGER)
THDV
THDI
%
%
SEC-01
3,5
4
SEC-03
4,4
5,6
SEC-14
3,4
15,1
SEC-18
10,5
4,2
SEC-22
4,6
3,9
SEC-27
7,6
2,9
SEC-28
39,2
17
SEC-31
3,5
4,1
SEC-34
17,2
14,4
PIC-02
10
8,3
SHU-17
7,6
3,2
PCY-02
7,5
4,6
POZO
TABLA 3.23: Distorsión armónica de voltaje y de corriente que se mide en el punto de
acoplamiento PCC2 (salida de los VSDs REDA-SCHLUMBERGER)
En la tabla 3.24, se observa la corriente y voltaje totales así como también de
las componentes fundamentales
que se miden en los respectivos puntos de
acoplamiento de los variadores de velocidad con el respectivo equipo de fondo,
en los pozos donde
se tienen instalados equipos de la marca REDA-
SCHLUMBERGER, además se menciona la frecuencia carry de operación de
cada VSD.
99
CORRIENTE Y VOLTAJE MEDIDOS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC2 (SALIDA DE LOS VSDs REDA-SCHLUMBERGER)
CORRIENTE
FRECUENCIA
CARRY
POZO
VOLTAJE
COMPONENTE
TOTAL
FUNDAMENTAL
COMPONENTE
TOTAL
FUNDAMENTAL
kHz
Arms
Arms
Vrms
Vrms
SEC-01
1,8
260,7
260,5
425,6
425,6
SEC-03
SEC-14
2,2
239,1
238,7
444,1
444
2,1
461
455
444,1
443,4
SEC-18
1,5
235,1
234,3
382,4
380,5
SEC-22
2,2
223,6
223,5
454
435
SEC-27
SEC-28
2,2
324,7
325,1
419,4
418,3
1,5
136
134,1
477,4
438,9
SEC-31
2,2
126,3
126,1
425,6
425,4
SEC-34
PIC-02
1,1
113,5
112,4
455,2
448
1,6
85
84,6
418,2
415,6
SHU-17
2,1
157,5
157,4
402,2
401,4
PCY-02
2,2
125,3
125,2
345,4
344,7
TABLA 3.24: Corriente y voltaje medidos en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs REDA-SCHLUMBERGER)
3.1.3.3
Distorsión armónica a la salida de los VSDs WOOD GROUP
La distorsión armónica total de voltaje y de corriente que se miden en el punto
de acoplamiento PCC2 a la salida de los VSDs WOOD GROUP, se describe en
la tabla 3.25.
DISTORSIÓN ARMÓNICA MEDIDAEN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC2 A LA SALIDA DE LOS VSDs WOOD GROUP
SEC-02
THDV
%
5,1
THDI
%
5,4
SEC-32
4,3
9,7
SHU-25
5,5
6,2
POZO
TABLA 3.25: Distorsión armónica medida en el punto de acoplamiento
PCC2 (salida de los VSDs WOOD GROUP)
100
La corriente y voltaje totales así como también de las componentes
fundamentales que se miden en el punto de acoplamiento PCC2 (salida de los
VSDs WOOD GROUP), se observa en la tabla 3.26.
CORRIENTE Y VOLTAJE MEDIDOS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC2 A LA SALIDA DE LOS VSDs WOOD GROUP
CORRIENTE
POZO
TOTAL
COMPONENTE
FUNDAMENTAL
VOLTAJE
TOTAL
COMPONENTE
FUNDAMENTAL
Arms
Arms
Vrms
Vrms
SEC-02
287,4
287
389,8
389,6
SEC-32
177,6
176,7
399,7
399,3
SHU-25
175,1
174,7
421,9
420,8
TABLA 3.26: Corriente y voltaje medidos en punto de acoplamiento
.
PCC2 (salida de los VSDs WOOD GROUP)
3.2
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN LOS EQUIPOS
ELECTROSUMERGIBLES
Las mediciones de distorsión armónica que se realizan en los puntos de
acoplamiento PCC1 (punto de acoplamiento del VSD con el transformador
reductor) y PCC2 (punto de acoplamiento del VSD con el transformador elevador
multi-taps), sirven para calcular la potencia armónica de carga en los equipos de
superficie y de fondo.
3.2.1
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN EL EQUIPO DE SUPERFICIE
La distorsión armónica que se mide en los puntos de acoplamiento: PCC1 y
PCC2, producen en el transformador reductor y transformador elevador multitaps respectivamente, un consumo adicional de potencia, dado por:
•
Potencia Armónica en el Núcleo Magnético del Transformador
•
Potencia Armónica debida al Efecto Piel
•
Potencia Armónica debida a la Circulación de Corrientes de Eddy
101
3.2.1.1
Potencia Armónica en el Núcleo Magnético del Transformador
La potencia armónica en el núcleo magnético de los transformadores: reductor y
elevador multi-taps, debida al contenido armónico de voltaje que se mide, se
calcula como:
PEC NUCLEO =
hmax
∑P
h =1
EC NUCLEO − h
2
 v 1   hmax  v h
= ke * f * B   * 1 + ∑ 
 V  
h =1  V1
2
2
2
1

 * C en * CT − h 


Ec 3.14
Donde:
ke * f 2 * B 2 : Potencia armónica debida a la circulación de corrientes Eddy a través del
núcleo del transformador a la frecuencia fundamental de operación
V: Voltaje nominal aplicado a los terminales del transformador, (Voltios)
CT −h : Factor de corrección aplicado únicamente a transformadores trifásicos y
cuando se tienen presentes armónicos de secuencia cero (h=3, 9,15…..)
Cen : Función de entrada
B: Intensidad de flujo magnético, B =
2.V
2π * A * N * f
A: Área transversal del núcleo del transformador expresada m²
Ke: Constante de proporcionalidad obtenida experimentalmente
N: Relación entre el número de espiras del bobinado primario y número de
espiras del bobinado secundario
3.2.1.2
Potencia Armónica Debida al Efecto Piel
Cuando se tiene la circulación de una corriente de tipo alterna a través de un
cable eléctrico, esta no circulará de forma distribuida a través del conductor, sino
por la periferia del mismo, este efecto se conoce como Efecto Piel que provoca
un calentamiento adicional en el respectivo conductor eléctrico.
La circulación de corrientes armónicas a través de los conductores eléctricos de
los bobinados del transformador, ocasionan una potencia adicional.
1
HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”,
página 112
102
3.2.1.3
Potencia Armónica Debida a la Circulación de Corrientes Eddy
La presencia de una corriente de tipo alterna circulante a través de un conductor
eléctrico, induce un campo magnético envolvente a través del mismo haciendo
que existan corrientes parásitas o de Eddy.
La corriente de tipo armónica induce campo magnéticos variables haciendo que
las corrientes de Eddy varíen produciendo
una potencia adicional en los
bobinados del transformador.
3.2.1.4
La
Potencia Armónica de Carga Total en el Transformador
potencia armónica de carga
total en el transformador, depende de las
potencias armónicas que se explicaron anteriormente, se calcula como:
PCARGA = I 2R + PEC + PEC−NÚCLEO 1
Ec 3.15
Donde:
PEC −NÚCLEO :
PCARGA :
I 2R :
Potencia armónica en el núcleo del transformador, (Vatio)
Potencia armónica de carga total, (Vatio)
Potencia armónica debida al efecto Piel en los bobinados del transformador,
(Vatio)
PEC :
Potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en los
bobinados del transformador, (Vatio)
La potencia armónica adicional que se produce en el transformador se agrupa
dentro de la potencia en el núcleo magnético del transformador, la expresión
para calcular la potencia armónica en el núcleo magnético del transformador (Ec
3.14), se encuentra en función de parámetros referentes a la construcción y al
diseño propio del transformador.
“Tales datos constructivos son de difícil acceso en la etapa de diseño y en menor
medida para el usuario en el trance de escoger la potencia del transformador o
determinar el comportamiento futuro del mismo bajo carga no lineal y para quien
1
HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales,
página 146
103
los datos disponibles seguramente no irán más allá de los que le proporcione el
fabricante o en el mejor de los casos, aquellos que pueda obtener de pruebas”1
Por tal razón la potencia armónica de carga total en el transformador, cuando
se tiene contenido armónico ( PEC −NÚCLEO ≈ 0 ), se calcula como:
PCARGA = I 2R + PEC
3.2.1.5
Para
Ec 3.16
Potencia Armónica de Carga Total en Términos de “Por Unidad”
determinar de forma fácil la potencia armónica de carga total
transformador, se utiliza el sistema
“por unidad (pu)”,
expresada
en el
como
fracciones decimales de valores base que se escogen de forma adecuada.
Todo término involucrado para el cálculo del consumo de la potencia armónica
de carga total, se expresa en términos de “por unidad”, en el caso de la corriente
se
toma como base la corriente nominal
en el bobinado respectivo del
transformador, mientras que para la potencia, se escoge como valor base la
potencia por efecto
calcular
piel a condiciones nominales ( I 2Rnom ), entonces para
la potencia armónica de carga total, la potencia armónica debida al
efecto Piel y la potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy,
en el transformador en términos de “por unidad”, se calculan respectivamente
como:
PCARGA ( pu ) = I 2R ( pu ) + PEC ( pu ) 2*
hmax
[
I 2R = I 2Rnom ( pu ). ∑ (I h ( pu ))
h =1
hmax
[
]*
Ec 3.18
]
Ec 3.19
2 3
PEC = PEC nom ( pu ).∑ (Ih ( pu )) .h 2 4*
h =1
2
Ec 3.17
Donde:
PCARGA (pu ) : Potencia armónica de carga total en términos de “por unidad”
1
HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”,
* HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”
3
* HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”
4
* HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”
2
104
I 2R ( pu ) :
Potencia armónica debida al efecto piel en los bobinados del transformador
en términos de “por unidad”
I 2Rnom ( pu ) :
Potencia armónica debida al efecto piel en los bobinados del transformador
en términos de “por unidad” acondiciones nominales
PEC (pu ) :
Potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en los
bobinados del transformador en términos de “por unidad”
PEC nom (pu ) : Potencia armónica debida al efecto piel en los bobinados del transformador
en términos de “por unidad” a condiciones nominales
El término
[(I ( pu )) .h ],
2
h
2
se denomina factor k del transformador, que da una
idea del grado de aislamiento ó del tipo de aleación que tienen los conductores
de los bobinados en el transformador, para tener el mínimo consumo de potencia
armónica cuando se tienen corrientes distorsionadas circulantes, los
factores k
que se disponen para los transformadores, se muestra en la tabla 3.27.
FACTORES k
k=4
k=9
k=13
k=20
k=30
k=40
TABLA 3.27: Factores k para transformadores1
3.2.2
POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN EL EQUIPO DE FONDO
La distorsión armónica que se mide en el punto de acoplamiento PCC2, en los
pozos que se analizan, producen una potencia armónica de carga debida a la
distorsión armónica de corriente, mientras que el efecto del contenido armónico
de voltaje sobre el equipo de fondo, es su cercanía con la frecuencia eléctrica
del equipo de fondo, provocando el efecto resonante.
1
CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 5
105
3.2.2.1
La
Efecto del Contenido Armónico de Voltaje
distorsión armónica de voltaje que se mide en el punto PCC2, produce el
efecto resonante con el equipo de fondo, debido a la cercanía de las frecuencias
de las componentes del espectro armónico de voltaje con la frecuencia de
máxima resonancia del equipo de fondo.
3.2.2.1.1
Resonancia del Equipo de Fondo
Para determinar la frecuencia de resonancia del equipo de fondo, se debe
conocer el equivalente eléctrico de todos los componentes del equipo de fondo a
partir del punto de acoplamiento PCC2 (transformador elevador multi-taps, cable
eléctrico de potencia y motor electrosumergible), que de forma simplificada se
representa mediante el circuito eléctrico de la figura 3.12.
FIGURA 3.12: Representación eléctrica simplificada del equipo de fondo
Utilizando el circuito eléctrico equivalente del equipo de fondo, se plantea la
condición de resonancia para determinar la frecuencia de máxima resonancia del
equipo de fondo, que respectivamente se expresan como:
ωL =
fr =
1
(condición básica de resonancia )
ωC
Ec 3.20
1
2π . LC
Ec 3.21
Donde:
ωL = 2π .f y ωC = 1/ 2π .f
fr : Frecuencia de resonancia del equipo de fondo, (Hertz)
L: Inductancia equivalente del equipo de fondo a partir del punto de acoplamiento PCC2,
(Henrio)
C: Capacitancia equivalente del equipo de fondo a partir del punto de acoplamiento
PCC2, (Faradio)
106
Debido al difícil acceso a los valores eléctricos de cada componente del equipo
de fondo y así calcular la frecuencia de máxima resonancia del equipo de fondo,
se utiliza la curva de resonancia del equipo de fondo obtenida de forma
experimental donde su pico máximo se presenta a la frecuencia de máxima
resonancia de 4 kHz.1 y que determina tres áreas que son: Normal (armónicos de
voltaje
sin efecto), Resonante (armónicos de voltaje amplificados)
y de
Atenuación (armónicos de voltaje atenuados), como se indica en la figura 3.13.
ÁREA
NORMAL
ÁREA
RESONANTE
ÁREA DE
ATENUACIÓN
ARMÓNICOS
DE VOLTAJE
SIN EFECTO
ARMÓNICOS DE
VOLTAJE
AMPLIFICADOS
ARMÓNICOS
DE VOLTAJE
ATENUADOS
FIGURA 3.13: Curva de resonancia del equipo de fondo en función de
la frecuencia de inversión del voltaje PWM en el VSD2
En el campo Libertador se encuentran instalados VSDs, que utilizan diferentes
tecnologías en la etapa de inversión de voltaje, haciendo que el espectro
armónico de voltaje medido en el punto de acoplamiento PCC2, se encuentre
cerca ó lejos de la frecuencia de máxima resonancia del equipo de fondo de
4 kHz.
1
DOWLING M.,”VSDs and Harmonics”, Schlumberger Artificial Lift, Congo, 2005, página 5
2
DOWLING M.,”VSDs and Harmonics”, Schlumberger Artificial Lift, Congo, 2005, página 6
107
VSDs CON TECNOLOGÍA DE INVERSIÓN DE VOLTAJE A 6 PASOS
La tecnología de inversión de voltaje a 6 pasos, que se encuentra implementada
en los VSDs de la marca BAKER-CENTRILIFT, generan un espectro armónico
de voltaje a frecuencias características, dadas por:
fh = fVSD * h
Ec 3.22
Donde:
fVSD : Frecuencia de operación del VSD, (Hertz)
fh : Frecuencias de las componentes del espectro armónico de voltaje a 6 pasos, (Hertz)
h: Orden del armónico, h=5,7,11,13.......
Las frecuencia máxima de la componente armónica máxima medida (h=50), es de
3 kHz con una frecuencia de operación del VSD de 60Hz, se encuentra lejos del
valor de la frecuencia de máxima resonancia de 4 kHz, entonces el efecto
resonante con este tipo de contenido armónico de voltaje no se produce.
VSDs CON TECNOLOGÍA DE INVERSIÓN DE VOLTAJE
MEDIANTE PWM
ASINCRÓNICO
La inversión de voltaje mediante PWM (Pulse Wave Modulation) ASINCRÓNICO,
que
se
encuentra
implementada
en
los
VSDs
de
la
marca
REDA-
SCHLUMBERGER, tiene un espectro armónico de voltaje característico que
depende de la frecuencia de operación del VSD y de la frecuencia carry de
generación del voltaje PWM, se expresa como:
fc − 2f0 , fc − f0 , fc + f0 , fc + 2f0 , 2fc − 2f0 , 2fc − f0 , 2fc + f0 , 2fc + 2f0 , etc. 1*
Donde:
Fc:
Frecuencia carry, (Hertz)
Fo:
Frecuencia fundamental de operación del VSD, (Hertz)
1
* DOWLING M.,”VSDs and Harmonics”, Schlumberger Artificial Lift, Congo, 2005, página 3
Ec 3.23
108
Una inversión de voltaje mediante PWM ASINCRÓNICO con su
respectivo
espectro armónico de frecuencias, se observa en la figura 3.14.
FIGURA 3.14: Voltaje con inversión PWM ASINCRÓNICO con
su respectivo espectro armónico de frecuencias
Cuando las componentes armónicas se encuentran cerca a la frecuencia de
máxima resonancia del equipo de fondo de 4 kHz, se amplifican, además se
distorsiona el voltaje que alimenta al motor electrosumergible, como se indica en
la figura 3.15.
VOLTAJE
DISTORSIONADO
ESPECTRO
ARMÓNICO DE
VOLTAJE
AMPLIFICADO
FIGURA 3.15: Amplificación del espectro armónico de frecuencias1
La
amplificación de las componentes armónicas cercanas a la frecuencia de
máxima resonancia,
incrementa el porcentaje de distorsión armónica total de
voltaje ( THDV ) en el punto de acoplamiento PCC2.
1
DOWLING M.,”VSDs and Harmonics”, Schlumberger Artificial Lift, Congo, 2005, página 6
109
3.2.2.2
Potencia Armónica de Carga Debida al THD I
La distorsión armónica total de corriente que se mide en el punto de acoplamiento
PCC2, produce el efecto piel en: el cable eléctrico de potencia, en los bobinados
del
motor
electrosumergible
y una
variación
en
el
torque
del
motor
electrosumergible
3.2.2.2.1
Potencia Armónica de Carga debida Efecto Piel en el Cable Eléctrico de
Potencia
La potencia armónica de carga en el cable eléctrico de potencia
Efecto Piel, se determina
debida al
de forma similar a la potencia armónica en
los
bobinados del transformador debida al mismo efecto.
3.2.2.2.2
Potencia Armónica de Carga
debida al
Efecto Piel
en el
Motor
Electrosumergible
La potencia armónica de carga en el motor electrosumergible debida al Efecto
Piel, se agrupa en una sola potencia, porque para su calculo se debe conocer
el circuito equivalente del motor electrosumergible (rotor y estator), parámetros
que no son proporcionados por los fabricantes y
pruebas para su determinación
tampoco se pueden hacer
ya que no se cuenta con las facilidades
necesarias para su realización .
La
resistencia entre las terminales
es de: 0,3 ohms para motores
WOOD
GROUP, 2 ohms para motores BAKER–CENTRILIFT y 1,5 ohms para motores
REDA - SCHLUMBERGER.1
3.2.2.2.3
Torque en el Motor Electrosumergible
El motor electrosumergible cuando se encuentra alimentado con un voltaje
distorsionado, como por ejemplo el voltaje de inversión a 6 PASOS
1
Fabricantes de los motores electrosumergibles
(mayor
110
porcentaje de distorsión armónica de corriente), donde su
espectro armónico
característico se encuentra expresado como:
h6-PASOS = kp ± 1
Ec 3.24
Donde:
k:
Factor multiplicador, k=1,2,3,4,….
p:
Número de pulsos del circuito electrónico inversor del VSD (6 pulsos p=6)
Las componentes armónicas características según la ecuación Ec 3.24, son la
5 ta , 7ma , 11va , etc armónica, que inducen corrientes armónicas en el bobinado del
estator del motor electrosumergible, que se describen en la tabla 3.28.
SECUENCIA DE CORRIENTES ARMÓNICAS INDUCIDAS EN EL
BOBINADO DEL ESTATOR DEL MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
ORDEN DEL
ARMÓNICO
ROTACIÓN
FRECUENCIA
SECUENCIA
ARMÓNICA
1
f1
Positiva
Adelante
5
5 f1
Negativa
Atrás
7
7 f1
Positiva
Adelante
11
11 f1
Negativa
Atrás
13
13 f1
Positiva
Adelante
17
17 f1
Negativa
Atrás
19
19 f1
Positiva
Adelante
23
23 f1
Negativa
Atrás
25
25 f1
Positiva
Adelante
TABLA 3.28: Secuencia de armónicos de corriente inducidos en el estator del motor
electrosumergible
Donde:
f1 : Frecuencia de operación del variador de velocidad
111
Los armónicos de secuencia positiva producen torques que se encuentran a
favor del torque de la componente fundamental, mientras que para los armónicos
de secuencia negativa producen torques en sentido contrario al torque de la
componente fundamental y los torques producidos por armónicos triplens se
anulan.
“El efecto producido por los torques a favor como en contra de la componente
fundamental se cancelan, haciendo que el efecto neto del torque de
las
componentes armónicas no sea tan significativo”1.
3.2.3
CÁLCULO DE LA POTENCIA ARMÓNICA DE CARGA EN LOS
EQUIPOS ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR
Para el cálculo de la potencia
armónica
de carga total
en los equipos
electrosumergibles en los pozos del campo Libertador, se procede como se
explica en 3.2.1 y 3.2.2.
3.2.3.1
Cálculo de la Potencia Armónica de Carga en el Equipo de Superficie
Para calcular la potencia debida al contendido armónico de corriente que se
mide en el punto de acoplamiento PCC1, en el equipo de superficie se toma
como ejemplo de cálculo el equipo que se encuentra instalado en la superficie
del pozo SEC-02 (SECOYA-02).
TRANSFORMADOR REDUCTOR
La información técnica del transformador reductor es:
Transformador trifásico: 60 Hz
Potencia Nominal ( S nom ): 400 kVA
Voltaje primario(Vpri ): 13,8 kV
Voltaje secundario (Vsec ): 480 V
1
LLAMAS, TEJADA,”Efectos de las Armónicas en sistemas Eléctricos”, Maestría en Ingeniería Eléctrica
ITESM.
112
Potencia armónica en Vacío nominal: 832 W
Potencia armónica por efecto piel ( I 2R ) nominal: 4243,2 W
Potencia armónica por corrientes Eddy ( PEC ) nominal: 636 W
La corriente nominal en el bobinado secundario del transformador reductor se
calcula como:
INOM −TRANS RED =
STRANS-RED
3.VSECTRANS −RED
Ec 3.25
Donde:
INOM −TRANS RED :
Corriente nominal en el bobinado secundario del transformador
reductor, (Amperio eficaz)
STRANS-RED :
Potencia nominal del transformador reductor, (Volta Amperio)
VSECTRANS − RED :
Voltaje secundario del transformador reductor, (Voltio Eficaz)
Aplicando la ecuación Ec 3.27, se calcula la corriente nominal en el bobinado
secundario del transformador reductor, como:
INOM −TRANS RED =
STRANS-RED
3.VSECTRANS−RED
400 (kVA)
3 * 480 (V)
= 481,12 (A)
INOM −TRANS RED =
INOM −TRANS RED
El contenido armónico de corriente que se mide en el punto de acoplamiento
PCC1, es la corriente armónica
de carga
en el bobinado secundario del
transformador reductor, además ésta sirve para determinar los valores en “por
unidad” para
determinar la potencia armónica debida a la circulación de
corrientes de Eddy y al efecto piel, que se muestra en la tabla 3.29.
113
ORDEN
ARMÓNICO
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
Ih
I h (pu)
Arms
Ih I nom −sec
128,24 0,26654196
39,06
0,08118472
12,70
0,02638815
9,30
0,01933385
4,72
0,0098041
4,14
0,00861315
2,91
0,00604749
1,90
0,00393993
1,68
0,00348184
1,01
0,00210735
0,84
0,00174092
0,75
0,0015576
0,79
0,00164926
0,62
0,00128283
0,57
0,00119117
0,40
0,00082473
0,48
0,00100785
SUMATORIA
[Ih (pu )]2
0,071044616
0,006590959
0,000696335
0,000373798
9,61205E-05
7,41863E-05
3,65722E-05
1,55231E-05
1,21232E-05
4,44093E-06
3,0308E-06
2,42612E-06
2,72006E-06
1,64564E-06
1,41888E-06
6,80186E-07
1,01575E-06
0,0789739
FACTOR K
[Ih ( pu )]2 .h 2
0,07104462
0,16477398
0,0341204
0,04522954
0,01624436
0,02143984
0,01320255
0,0082117
0,007577
0,00373483
0,0029126
0,00297199
0,00372376
0,00276633
0,0026235
0,00150253
0,00243883
0,40
TABLA 3.29: Valores para el cálculo de la potencia armónica debida al
Efecto Piel y por circulación de corrientes de Eddy en el
transformador reductor
La potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en el
transformador reductor expresada en términos de “por unidad”, se calcula como:
PEC(pu) =
PECnom
I 2Rnom
Ec 3.26
Donde:
PEC (pu ) : Potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en el
transformador reductor en términos de “por unidad”
PEC nom : Potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en el
transformador reductor a condiciones nominales, (Vatio)
I 2Rnom : Potencia armónica debida al efecto piel en el transformador reductor a
condiciones nominales, (Vatio)
114
Aplicando la ecuación Ec 3.26, se tiene que:
PEC ( pu ) =
PEC nom
I 2Rnom
636
4243,2
PEC ( pu ) = 0,1498 (pu)
PEC ( pu ) =
Utilizando las ecuaciones Ec 3.18 y Ec 3.20, se halla la potencia de carga
armónica total y la potencia armónica por circulación de corrientes de Eddy en el
transformador reductor en términos de “por unidad”, respectivamente son:
PCARGA ( pu ) = (1) * (0,079 ) + (0,1498 ) * (0,4045 ) = 0,1396
PCARGA = 0,1396( 4243,2) = 592,31 (W )
y
PEC ( pu ) = 0,1498(0,4045) = 0,0607
PEC = 0,0606(636) = 38,56 (W )
La potencia armónica de carga total, en el transformador reductor es el 13,96%
de la potencia armónica de carga máxima permitida por el fabricante.
Como la potencia armónica de carga
fabricante, es necesario conocer la
no supera el valor permitido por el
corriente armónica de carga máxima que
soportará el transformador reductor para no causar calentamientos excesivos,
ésta corriente se determina como:
I max





PCARGA nom ( pu )
( pu ) = 
h max

(f h ( pu ) )2 .h 2
∑

h =1
 1 + PEC nom ( pu ). h max

(f h ( pu ) )2
∑
h =1

[
[
]
]











12
1
*
Ec 3.27
Donde:
fh ( pu ) =
1
Ih ( pu )
:
Ih1( pu )
Para h=1,2,3,…………..
* HERRERA, Juan, “Determinación de la Potencia de Transformadores para Alimentar Cargas No Lineales”,
página 150.
115
Los valores adicionales en términos de “por unidad”, para determinar la corriente
armónica de carga máxima que soportará el transformador reductor, se detalla en
la tabla 3.30.
h
Ih
I h (pu)
Arms
1
128,24 0,2665
5
39,06 0,0811
7
12,70 0,0263
11
9,30 0,0193
13
4,72 0,0098
17
4,14 0,0086
19
2,91 0,0060
23
1,90 0,0039
25
1,68 0,0034
29
1,01 0,0021
31
0,84 0,0017
35
0,75 0,0015
37
0,79 0,0016
41
0,62 0,0012
43
0,57 0,0011
47
0,40 0,0008
49
0,48 0,0010
SUMATORIA
[Ih ( pu )]2
0,07104
0,00659
0,00069
0,00037
0,00009
0,00007
0,00003
0,00001
0,000012
0,000004
0,000003
0,000002
0,000003
0,000002
0,000001
0,000001
0,000001
0,0790
FACTOR k
[Ih ( pu )] .h
2
fh (pu)
2
0,071045
0,164774
0,034120
0,045230
0,016244
0,021440
0,013203
0,008212
0,007577
0,003735
0,002913
0,002972
0,003724
0,002766
0,002624
0,001503
0,002439
0,4045
1,0000
0,3045
0,0990
0,0725
0,0367
0,0323
0,0226
0,0147
0,0130
0,0079
0,0065
0,0058
0,0061
0,0048
0,0044
0,0030
0,0037
[fh ( pu )]2 [fh ( pu )]2 .h 2
1,0000
0,0927
0,0098
0,0052
0,0013
0,0010
0,0005
0,0002
0,0001
0,00006
0,000043
0,000034
0,000038
0,000023
0,000020
0,000010
0,000014
1,1114
1,0000
2,319303
0,480267
0,636636
0,228650
0,301780
0,185835
0,115585
0,106651
0,052570
0,040997
0,041833
0,052414
0,038938
0,036928
0,021149
0,034328
5,6939
TABLA 3.30: Valores adicionales para el calculo de la corriente de carga armónica
máxima en el transformador reductor
Donde:
h: orden del armónico
Aplicando la ecuación Ec 3.27 y la tabla 3.30, se determina la corriente armónica
de carga máxima en el transformador reductor en términos de “por unidad” como:


 1( pu ) + 0,1498 ( pu ) 
Imax ( pu ) = 

1 + 0,1498 ( pu ). 5,6939 
1,1114 

Imax ( pu ) = 0,8065
, ó,
Imax = 0,8065 * 481,13
Imax = 388,02 ( A )
12
116
Con la capacidad reducida al 80,65%, el transformador reductor soportará una
corriente de
carga armónica máxima de 388,02 A sin causar calentamientos
excesivos.
Las gráficas que se realizan con los datos de la tabla 3.30, representan
incremento progresivo de la potencia armónica
(valores [I ( pu )] ) y
debida
(
al
efecto
el
piel
a la circulación de corrientes de Eddy valores [I h ( pu )] .h 2
2
h
2
)
en el transformador reductor, se muestran en la figura 3.16 y figura 3.17
respectivamente.
INCREMENTO PROGRESIVO DE LA POTENCIA ARMÓNICA POR
_EFECTO PIEL CONFORME SE INCREMENTA EL CONTENIDO
:ARMÓNICO EN LA CARGA DEL TRANSFORMADOR REDUCTOR
INCREMENTO DE POTENCIA
EN TÉRMINOS DE
POR UNIDAD (PU)
0,08
0,078
0,076
0,074
0,072
0,07
0,068
0,066
1
5
7
11
13
17
19
23
25 29
31
35 37
41
43 47
49
ORDEN DEL ARM ÓNICO
FIGURA 3.16: Incremento progresivo de la potencia armónica por Efecto Piel
en el transformador reductor
INCREMENTO PROGRESIVO DE LA POTENCIA ARMÓNICA POR EFECTO DE
LA CIRCULACIÓN DE CORRRIENTES DE EDDY CONFORME SE INCREMENTA
EL CONTENIDO ARMÓNICO EN LA CARGA DEL TRANSFORMADOR
REDUCTOR
INCREMENTO DE LA POTENCIA
EN TÉRMINOS DE POR UNIDAD
(PU)
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
ORDEN DEL ARMÓNICO
FIGURA 3.17: Incremento progresivo de la potencia armónica por efecto de la
circulación de corrientes de Eddy en el transformador reductor
117
TRANSFORMADOR ELEVADOR MULTI-TAPS
La información técnica para el transformador elevador multi-taps es:
Frecuencia del VSD : 59 Hz
Potencia Nominal ( S nom ): 400 kVA
Voltaje primario(Vpri ): 480 V
Voltaje secundario (Vsec ): 2461 V
Potencia armónica nominal en Vacío: 832 W
Potencia armónica por efecto piel ( I 2R ) nominal: 4243,2 W
Potencia armónica por corrientes Eddy nominal PEC : 636 W
La corriente nominal en el bobinado primario del transformador elevador multitaps, se calcula como:
INOM −TRANS ELEV =
STRANS −ELEV
3 .VPRITRANS − ELEV
Ec 3.28
Donde:
INOM −TRANS ELEV :
Corriente nominal en el bobinado primario del transformador elevador
multi-taps, (Amperio Eficaz)
STRANS-ELEV :
Potencia nominal del transformador elevador multi-taps, (Volta
Amperio)
VSECTRANS −ELEV :
Voltaje primario en el transformador elevador multi-taps, (Voltaje
Eficaz)
Aplicando la ecuación Ec 3.28, se calcula la corriente nominal en el bobinado
primario de transformador elevador multi-taps, como:
INOM −TRANS ELEV =
I NOM
−TRANS ELEV
I NOM
−TRANS ELEV
STRANS −ELEV
3.VPRITRANS −ELEV
400 (kVA)
3 * 480 (V)
= 481,12 (A)
=
118
El contenido armónico de corriente que se mide en el punto de acoplamiento del
variador de velocidad con el equipo de fondo es la corriente armónica de carga
en el bobinado primario del transformador elevador multi-taps, además sirve para
determinar los parámetros de calculo de
la potencia armónica debida a la
circulación de corrientes de Eddy y al efecto piel, se muestran en la tabla 3.31.
Ih
h
I h (pu)
[Ih ( pu )]2
[Ih ( pu )]2 .h 2
fh (pu)
0,5964
0,0279
0,0085
0,0049
0,0016
0,0025
0,0011
0,0018
0,0011
0,0006
0,0004
0,0006
0,0006
0,0009
0,0002
0,0005
0,0010
0,35573
0,000783
0,000074
0,000024
0,000003
0,000007
0,00001
0,00003
0,000001
0,000001
0,000001
0,000001
0,000001
0,000001
0,000002
0,000002
0,000001
0,355735
0,019564
0,003619
0,002949
0,000458
0,001894
0,000434
0,001769
0,000752
0,000253
0,000129
0,000369
0,000412
0,001405
0,000062
0,000665
0,002889
2,2376
0,1049
0,0322
0,0185
0,0061
0,0096
0,0041
0,0069
0,0041
0,0021
0,0014
0,0021
0,0021
0,0034
0,0006
0,0020
0,0042
0,3566
0,3934
[fh ( pu )]2 [fh ( pu )]2 .h 2
Arms
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
286,96
13,459
4,135
2,375
0,791
1,231
0,527
0,879
0,527
0,263
0,175
0,263
0,263
0,439
0,087
0,263
0,527
SUMATORIA
5,00720
0,01101
0,00104
0,00034
0,00003
0,00009
0,00001
0,00004
0,00001
0,00001
0,000002
0,000004
0,000004
0,000012
0,000000
0,000004
0,000017
5,007209
0,275371
0,050945
0,041509
0,006441
0,026656
0,006115
0,024893
0,010587
0,003562
0,001809
0,005188
0,005798
0,019771
0,000870
0,009355
0,040671
5,0199
5,5367
TABLA 3.31: Valores para el cálculo para la potencia armónica debida al Efecto Piel y
por circulación de corrientes Eddy en el transformador elevador multi-taps
Donde:
h: orden del armónico
La potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy en el
transformador elevador multi-taps expresada en términos de “por unidad”, se
evalúa utilizando la ecuación Ec 3.26, pero utilizando los valores nominales del
transformador elevador multi-taps, entonces se tiene que:
119
PEC ( pu ) =
PEC nom
I 2 R nom
636
4243 ,2
PEC ( pu ) = 0,1498 (pu)
PEC ( pu ) =
Aplicando la Ec 3.18 y la Ec 3.20 respectivamente, la potencia armónica de
carga total y la potencia armónica debida a la circulación de corrientes de Eddy,
en el bobinado primario del transformador elevador multi-taps en términos de “por
unidad”, son respectivamente:
PCARGA ( pu ) = (1) * (0,3566 ) + (0,1498 ) * (0,3934 ) = 0,4156
PCARGA = 0,4156 * ( 4243 ,2) = 1 .763 ,45 (W )
y
PEC ( pu ) = 0,1498 ( 0,3934 ) = 0,059
PEC = 0,059 ( 636 ) = 37,5 (W )
La potencia armónica de carga en el transformador elevador multi-taps es el
41,58% de la potencia de carga armónica máxima permitida por el fabricante,
entonces es necesario conocer la corriente armónica de carga máxima que
soportará el transformador elevador multi-taps, para no causar calentamientos
excesivos, utilizando la Ec 3.27 y la tabla 3.31, esta corriente se calcula como:

 1( pu ) + 0,1498 ( pu )
I max ( pu ) = 
 1 + 0,1498 ( pu ). 5,5367
5,0199






12
I max ( pu ) = 0,9934
, ó,
I max = 0,9934 * 481,13
I max = 477 ,92 ( A )
Con una capacidad reducida al 99,34%, el transformador elevador multi-taps
soportará una corriente armónica de carga
calentamientos excesivos.
máxima de 477,92 A sin causar
120
Las gráficas que se realizan con los valores de la tabla 3.31, representan el
incremento progresivo de la potencia armónica de carga debido al Efecto Piel
(valores [I ( pu )] ) y a la circulación de
2
corrientes de Eddy
h
(valores [I ( pu )] .h )
2
h
2
en el
transformador elevador multi-taps, se observan en la figura 3.18 y figura 3.19
respectivamente.
INCREMENTO PROGRESIVO DE LA POTENCIA ARMÓNICA POR EFECTO
PIEL CONFORME SE INCREMENTA EL CONTENIDO ARMÓNICO EN LA
CARGA DEL TRANSFORMADOR ELEVADOR MULTI-TAPS
INCREMENTO DE LA POTENCIA
EN TÉRMINOS DE POR UNIDAD
(PU)
0,3568
0,3566
0,3564
0,3562
0,3560
0,3558
0,3556
0,3554
0,3552
1
5
7
11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49
ORDEN DEL ARMÓNICO
FIGURA 3.18: Incremento progresivo de la potencia armónica por
efecto piel en el transformador elevador multi-taps
INCREM ENTO PROGRESIVO DE LA POTENCIA ARM ÓNICA POR EFECTO
DE LA CIRCULACIÓN DE CORRIENTES
DE EDDY CONFORM E SE
INCREM ENTA EL CONTENIDO ARM ONICO EN LA CARGA DEL
____________TRANSFORM ADOR ELEVADOR M ULTI-TAPS
INCREMENTO DE LA POTENCIA
EN TÉRMINOS DE POR UNIDAD (PU)
0,40
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
0,34
0,33
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
ORDEN DEL ARM ÓNICO
FIGURA 3.19: Incremento progresivo de la potencia armónica por efecto de la circulación
de corrientes de Eddy en el transformador elevador multi-taps
121
3.2.3.2
Cálculo de la Potencia Armónica de Carga en el Equipo de Fondo
Para determinar el efecto que tiene el espectro armónico que se mide en el
punto de acoplamiento del variador de velocidad con el equipo de fondo, en los
equipos de fondo se toma como ejemplo de cálculo los que se encuentran
instalados en el pozo SEC-02 (Ver Mapa 1.2).
CABLE ELÉCTRICO DE POTENCIA
La información técnica del cable eléctrico de potencia que se emplea es:
Calibre: AWG #2
Longitud: 8.666 pies
∆R: 0,1667 ohms / 1000 pies
La
potencia
armónica de carga máxima que soporta el cable eléctrico de
potencia, se calcula como:
PI 2R −CABLE
nom
2
= ICABLE
−MAX * R
Ec 3.29
Donde:
PI 2R −CABLE
: Potencia armónica de carga máxima en el cable eléctrico de potencia,
nom
(Vatio)
ICABLE −MAX : Corriente máxima de circulación por el cable eléctrico de potencia,
(Amperio)
R: Resistencia final
del cable eléctrico de potencia en función de la
longitud, (Ohmio)
La corriente armónica de carga máxima que circulará por el cable eléctrico de
potencia es la corriente nominal del motor electrosumergible.
ICABLE − MAX = I NOM − MOTOR
Donde:
INOM−MOTOR : Corriente nominal del motor electrosumergible
Ec 3.30
122
Mediante la ecuación Ec 3.30, se calcula la corriente armónica máxima que
circulará por los bobinados del motor electrosumergible, esta es:
ICABLE − MAX = I NOM − MOTOR
ICABLE −MAX = 88,5 (A)
La resistencia del cable eléctrico de potencia en función de la longitud, se calcula
como:
R = ∆R * Longitud del cable eléctrico de potencia 1*
Ec 3.31
Donde:
∆R:
Variación de la resistencia del cable eléctrico de potencia cada mil pies de
longitud de profundidad que depende del calibre del conductor ( ANEXO F)
La longitud del cable que se toma a partir de la conexión en cabezal del pozo
con el “quick connector” hasta llegar al motor electrosumergible.
Aplicando la Ec 3.31, se tiene que:
 ohms
R = 0,1667 
 1.000 pies
R = 1,4 (ohms)

 * 8.666 pies

Aplicando la ecuación Ec 3.29, la potencia armónica máxima en el cable eléctrico
de potencia, se determina como:
PI 2R −CABLE
nom
PI 2R −CABLE
nom
= (88,5)2 * 1,4
= 11.315 (W)
Para calcular la potencia armónica de carga que circula por el cable eléctrico de
potencia, se debe tomar en cuenta la configuración de taps para el transformador
elevador en el pozo SEC-02, como se indica en la tabla 2.7 es: 2C-Y en el
bobinado SECUNDARIO, es decir se encuentra en conexión “Y”, mientras que
el bobinado PRIMARIO en sistemas electrosumergibles siempre se encuentra en
1
* BAKER HUGES, “MANUAL DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE”
123
conexión “DELTA”, entonces se halla la relación de transformación para esta
conexión como:
V
a
I
= pri = sec
V sec
I pri
3
Ec 3.32
Donde:
a
: Relación de transformación en el transformador elevador multi-taps
3
Vpri : Voltaje primario, (Voltio Eficaz)
Vsec : Voltaje secundario, (Voltio Eficaz)
I sec : Corriente primaria, (Amperio Eficaz)
I pri : Corriente primaria, (Amperio Eficaz)
La ecuación Ec 3.31, sirve para calcular la relación de transformación en el
transformador elevador multi-taps, como:
a
3
a=
=
V pri
V sec
480
= 0,3378
2.461/ 3
El cálculo del espectro armónico de corriente que circula por el cable eléctrico
de potencia, se evalúa mediante la siguiente ecuación:
Ish =
a
3
* Iph
Ec 3.33
Donde:
Iph : Corriente en el bobinado primario del transformador elevador multi-taps medida
en el punto de acoplamiento PPC2, al armónico de orden h, (Amperio Eficaz)
Ish : Corriente en el bobinado secundario del transformador elevador al armónico de
orden h (1,2,3,....), que circula por el cable eléctrico de potencia, (Amperio
Eficaz)
124
En la tabla 3.32, se describe los valores en términos de “por unidad” que se
emplean para calcular la potencia armónica de carga en el cable eléctrico de
potencia.
ORDEN DEL
ARMÓNICO
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
I h (pu)
Iph
Ish
286,96
13,459
4,135
2,3752
0,7917
1,2316
0,5278
0,8797
0,5278
0,26391
0,17594
0,26391
0,26391
0,4398
0,08797
0,26391
0,5278
SUMATORIA
55,97
2,62
0,81
0,46
0,15
0,24
0,10
0,17
0,10
0,05
0,03
0,05
0,05
0,09
0,02
0,05
0,10
Ish ICABLE −MAX
0,632379
0,029660
0,009112
0,005234
0,001745
0,002714
0,001163
0,001939
0,001163
0,000582
0,000388
0,000582
0,000582
0,000969
0,000194
0,000582
0,001163
[Ih (pu )]2
0,39990259
0,00087971
8,3035E-05
2,7398E-05
3,0439E-06
7,3663E-06
1,3529E-06
3,7582E-06
1,3529E-06
3,3824E-07
1,5033E-07
3,3824E-07
3,3824E-07
9,3934E-07
3,7582E-08
3,3824E-07
1,3529E-06
0,40091
TABLA 3.32: Valores para el cálculo de la potencia armónica de carga en el cable
eléctrico de potencia debida al Efecto Piel
Aplicando la ecuación Ec 3.18, se calcula la potencia armónica de carga debida
al Efecto Piel en términos de “por unidad” para el cable eléctrico de potencia,
considerando la potencia armónica por efecto piel máxima en el cable eléctrico
2
de potencia como potencia base ( I Rnom ( pu ) = 1 pu ), entonces se tiene que:
hmax
[
I 2R = I 2Rnom ( pu ).∑ (I h ( pu ))
h =1
2
]
I 2R( pu ) = 1( pu ).(0,40091) = 0,4 ( pu )
I 2R = 0,401 * 11.315(W )
I 2R = 4536,192 (W )
125
La potencia armónica de carga en el cable eléctrico de potencia es el 40% ó
4536,192 W de la potencia armónica de carga máxima que se calcula, entonces
no existe un calentamiento excesivo en el cable eléctrico de potencia debido al
contenido armónico de corriente que se mide en el punto de acoplamiento PCC2.
(
)
La gráfica que se realiza con los valores de la tabla 3.32 [I h (pu )] , representa
2
el incremento progresivo de la potencia armónica de carga en el cable eléctrico
por Efecto Piel, se indica en la figura 3.20.
INCREMENTO PROGRESIVO DE LA POTENCIA ARMÓNICA POR
EFECTO PIEL CONFORME SE INCREMENTA EL CONTENIDO
ARMÓNICO A TRAVÉS DEL CABLE ELÉCTRICO DE POTENCIA
0,4010
INCREMENTO DE LA POTENCIA
EN TÉRMINOS DE POR UNIDAD (PU)
0,4008
0,4006
0,4004
0,4002
0,4000
0,3998
0,3996
0,3994
0,3992
1
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
ORDEN DEL ARMÓNICO
FIGURA 3.20: Incremento progresivo de la potencia armónica
en el cable eléctrico de potencia por Efecto Piel
MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
La información técnica del motor electrosumergible es:
Corriente:
88,5 A
Voltaje:
1115 V
Potencia:
160 HP
R F −F :
0,3 ohms (motor WOOD GROUP)
47
49
126
La potencia armónica de carga máxima en el motor electrosumergible se obtiene
cuando circula la corriente nominal, se calcula como:
2
PMOTOR −MAX = INOM
− MOTOR * RF −F
Ec 3.34
Donde:
R F −F : Resistencia eléctrica entre fases en el motor electrosumergible, (Ohmios)
Aplicando la ecuación Ec 3.34, se calcula la potencia armónica de carga máxima
en el motor electrosumergible, como:
2
PMOTOR−MAX = INOM
−MOTOR * RF −F
PMOTOR−MAX = (88,5)2 * 0,3
PMOTOR−MAX = 2.349,67 (W)
Aplicando la ecuación Ec 3.18, se calcula la potencia armónica por efecto piel
en el motor electrosumergible
potencia de carga armónica
en términos de
máxima
“por unidad”, considerando la
en el motor electrosumergible que se
2
calcula como potencia base ( I Rnom ( pu ) = 1 pu ), entonces:
hmax
[
I 2R = I 2Rnom ( pu ).∑ (Ih ( pu ))
h =1
2
]
I 2R ( pu ) = 1( pu ).(0,40091) = 0,4 ( pu )
I 2R = 0,4 * 2.349,67(W )
I 2R = 942,01 (W )
La potencia armónica de carga en el motor electrosumergible es el 40% ó
942,01 W de la potencia armónica de carga máxima que se calcula.
La figura 3.20, representa el incremento progresivo de potencia armónica de
carga debida al Efecto Piel en el motor electrosumergible.
La potencia armónica de carga para cada uno de los equipos de superficie y de
fondo en los pozos del campo Libertador que se analizan en este proyecto se
indica en el ANEXO B.
127
3.3
PORCENTAJE
DE
CARGA
EN
LOS
EQUIPOS
ELECTROSUMERGIBLES DEL CAMPO LIBERTADOR
Debido a que las mediciones que se realizan en los puntos de acoplamiento
PCC1 y PCC2 en los pozos de bombeo electrosumergible del campo Libertador,
son el promedio para una sola fase, el porcentaje de carga que se calcula también
es para una sola fase, sabiendo que el porcentaje será el mismo para las otras
dos fases restantes.
El porcentaje de carga en el transformador reductor, es la relación que existe
entre la potencia total (potencia aparente) en el punto de acoplamiento PCC1 y la
potencia nominal (potencia aparente) del respectivo equipo, se calcula como:
%CARGA TRANS RED =
S PCC1
S NOM- TRANS
Ec 3.35
RED
Donde:
Porcentaje de carga en el transformador reductor
%CARGA TRANS RED :
S NOM - TRANS
RED
: Potencia aparente que existe en el punto de acoplamiento
PCC1, (Volta Amperio)
S PCC1 :
Potencia Nominal (Potencia Aparente) del transformador
reductor, (Volta Amperio)
La potencia aparente total en el punto de acoplamiento PCC1, se calcula
mediante la ecuación Ec 3.8.
El porcentaje de carga en el variador de velocidad, es relación entre la potencia
aparente total que se calcula en el punto de acoplamiento PCC2 y la potencia
nominal del respectivo VSD, se determina como:
%CARGA VSD =
S PCC2
S NOM
Donde:
%CARGA VSD :
Porcentaje de carga en el VSD
VSD
Ec 3.36
128
SPCC2 :
Potencia aparente total calculada en el punto de acoplamiento PCC2,
(Volta Amperio)
SNOM VSD :
Potencia aparente nominal del VSD, (Volta Amperio)
La potencia aparente total en el punto de acoplamiento PCC2, se determina
mediante la ecuación Ec 3.8.
El porcentaje de carga en el transformador elevador multi-taps, es relación entre
la potencia aparente total en el punto de acoplamiento PCC2 y la respectiva
potencia nominal del equipo, se calcula como:
% CARGA TRANS ELEV =
SPCC2
SNOM -TRANS ELEV
Ec 3.37
Donde:
% CARGA TRANS ELEV :
Porcentaje de carga en el transformador elevador multi-taps
SNOM TRANS ELEV :
Potencia aparente nominal en el transformador elevador
multi-taps, (Volta Amperio)
SPCC2 :
Potencia aparente total en el punto de acoplamiento PCC2,
(Volta Amperio)
La potencia aparente total en el punto de acoplamiento PCC2, se determina
mediante la ecuación Ec 3.8.
El
porcentaje de carga en el motor electrosumergible, es la relación entre la
corriente que circula por el cable eléctrico de potencia y la corriente nominal del
motor, se determina como:
%CARGA MOTOR BES =
ICABLE
I NOM-MOTOR
Ec 3.38
Donde:
%CARGA MOTOR BES :
ICABLE :
Porcentaje de carga del motor electrosumergible
Corriente armónica total circulante por el cable eléctrico de
potencia, (Amperio)
INOM-MOTOR : Corriente nominal del motor electrosumergible, (Amperio)
129
La corriente armónica total que circula por el cable eléctrico de potencia, se
evalúa utilizando la ecuación Ec 3.33.
3.3.1
PORCENTAJE DE CARGA EN EL EQUIPO DE SUPERFICIE
Como ejemplo de cálculo para determinar el porcentaje de carga en los equipos
electrosumergibles, se toman los que se encuentran instalados en el pozo
SEC-02.
TRANSFORMADOR REDUCTOR
Los parámetros medidos el transformador reductor, son:
SNOM -TRANSF RED :
400 kVA
IPCC1 :
135,2 A
VPCC1 :
477,4 V
Utilizando la ecuación Ec 3.8, se calcula la potencia aparente en el punto de
acoplamiento PCC1, como:
SPCC1 = 3 * IPCC1 * VPCC1
Ec 3.39
Donde:
I PCC1 :
Corriente total medida en el punto de acoplamiento PCC1, (Amperio Eficaz)
VPCC1 : Voltaje total medido en el punto de acoplamiento PCC1, (Voltio eficaz)
Entonces:
S PCC1 = 3 * I PCC 1 * VPCC 1
SPCC1 = 3 * (135,2) * (477,4)
SPCC1 = 111,794 kVA
130
Aplicando la ecuación Ec 3.35, se evalúa como:
%CARGA TRANS RED =
S PCC1
S NOM- TRANS
RED
111,794
400
%CARGA TRANS RED = 0,2794
%CARGA TRANS RED =
ó
%CARGA TRANS RED = 27,94%
VARIADOR DE VELOCIDAD
Los parámetros en el variador de velocidad, son:
SNOM VSD :
435 kVA
I PCC 2 : 287,4 A
VPCC 2 : 389,8 V
Aplicando la ecuación Ec 3.36, se evalúa como:
%CARGA VSD =
SPCC2
SNOM VSD
3 * 287,4 * 389,8
435 * 1000
%CARGA VSD= 0,4461
%CARGA VSD=
ó
%CARGA VSD= 44,61%
TRANSFORMADOR ELEVADOR MULTI-TAPS
Los parámetros en el transformador elevador multi-taps son:
STRANS −ELEV : 400 kVA
VPCC 2 : 389,8 V
IPCC2 :
287,4 A
131
Utilizando la ecuación Ec 3.8, se calcula la potencia aparente en el punto de
acoplamiento PCC1, como:
SPCC2 = 3 * IPCC 2 * VPCC 2
Ec 3.40
Donde:
I PCC 2 :
Corriente total medida en el punto de acoplamiento PCC2, (Amperio Eficaz)
VPCC 2 : Voltaje total medido en el punto de acoplamiento PCC2, (Voltio eficaz)
Entonces:
SPCC2 = 3 * IPCC 2 * VPCC 2
SPCC2 = 3 * (287,4) * (389,8)
SPCC2 = 194,039 kVA
Aplicando la ecuación Ec 3.37, se evalúa como:
% CARGA TRANS ELEV =
SPCC2
SNOM -TRANSFELEV
194,039
400
% CARGA TRANS ELEV = 0,4851
% CARGA TRANS ELEV =
ó
% CARGA TRANS ELEV = 48,51 %
3.3.2
PORCENTAJE DE CARGA EN EL EQUIPO DE FONDO
MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
Los parámetros en el motor electrosumergible son:
I NOM-MOTOR : 88,5 A
IPCC2 :
287,4 A
132
Aplicando la ecuación Ec 3.33, se evalúa como:
ICABLE =
a
IPCC2
3
0,3378
* 287,4
3
ICABLE = 55,97 (A)
ICABLE =
Aplicando la ecuación Ec 3.38, se evalúa como:
% CARGA MOTOR BES =
ICABLE
INOM-MOTOR
55,97
88,5
%CARGA MOTOR BES = 0,6332
ó
%CARGA MOTOR BES =
%CARGA MOTOR BES = 63,32 %
CABLE ELÉCTRICO DE POTENCIA
El porcentaje de carga en el cable eléctrico de potencia es similar al porcentaje de
carga que tiene el motor electrosumergible debido a que la corriente que circula a
través del cable y la corriente máxima son las corrientes que circulan por el
motor electrosumergible respectivamente cuando se tienen condiciones normales
de funcionamiento.
Los porcentajes
de carga en
los equipos de superficie y de fondo que se
encuentran instalados en los pozos del campo Libertador, que se analizan
este proyecto se describen en
normales de funcionamiento.
en
el ANEXO C, cuando se tienen condiciones
133
CAPÍTULO 4
MEJORAMIENTO
DE
LA
DISTORSIÓN
ARMÓNICA
MEDIANTE EL USO DE UN SISTEMA DE VARIADORES
DE VELOCIDAD
BOMBEO
DE 12 PULSOS EN LOS POZOS DE
ELECTROSUMERGIBLE
DEL
CAMPO
____________________LIBERTADOR
El mejoramiento de la distorsión armónica en los puntos de acoplamiento
del
VSD con los equipos de superficie y de fondo dentro del sistema de bombeo
electrosumergible de los pozos del campo Libertador, consiste en disminuir la
distorsión armónica de corriente que se mide en los puntos mencionados en el
CAPÍTULO 3, mediante el uso correcto de un sistema de VSDs de 12 pulsos con
los respectivos transformadores reductores desfasadores de 30º
y la forma en
que se puede disminuir la distorsión armónica de los VSDs de la marca REDASCHLUMBERGER en el punto de acoplamiento PCC2.
La potencia armónica de carga que se calcula en los equipos que se encuentran
a partir del punto de acoplamiento PCC2, en
los pozos donde se tienen
instalados VSDs, se encuentra dentro de los límites máximos de potencia
armónica especificadas por los fabricantes, por lo que no se propone un
mejoramiento de la distorsión armónica de corriente.
4.1
MEJORAMIENTO DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
El mejoramiento de la distorsión armónica en el punto de acoplamiento de cada
pozo con sistema electrosumergible con el sistema eléctrico Interconectado del
Libertador (SEIL), se realiza mediante un sistema de VSDs de 12 pulsos con
los respectivos transformadores
reductores desfasadores de 30º, considerando
la forma en que se encuentran funcionando los respectivos VSDs en la superficie
de los pozos que se analizan y que se describe en la tabla 3.2.
134
Las mediciones que se realizan en el punto de acoplamiento PCC1, muestran
que en el campo Libertador el equipo instalado en la superficie del pozo PIC-08,
se
encuentra operando un VSD de 12 pulsos con su respectivo transformador
reductor desfasador de 30º,
presentando
una distorsión armónica
total de
una reducción apreciable de la 5 ta. y la 7ma. componente
corriente de 6% con
armónica de corriente, que se esta inyectando a la red de alimentación general,
cumpliendo con las recomendaciones que se mencionan en las normas IEEE-519
1992 (THDI < 15% ) y que se indica en el ANEXO D.
Tomando como referencia el VSD de 12 pulsos con su respectivo transformador
reductor desfasador de 30º y que se indica en la figura 3.3, sirve para plantear el
mejoramiento en el punto de acoplamiento PCC1, en los demás pozos donde se
encuentran instalados VSDs de acuerdo a la forma en que se encuentran
funcionando.
4.1.1
ANÁLISIS ARMÓNICO PARA VSDs DE 12 PULSOS
Para el análisis armónico de los VSDs de 12 pulsos (con transformador reductor
desfasador de 30º), se debe tomar en cuenta que el consumo total de potencia
disminuye a causa de la reducción de las componentes del espectro armónico
de corriente, tomando en cuenta que el análisis que se realiza se mantienen
fijas las mediciones de las respectivas componentes fundamentales en el punto
de acoplamiento PCC1.
La eliminación de la 5 ta. y la 7ma. componente del espectro armónico de corriente
en el punto de acoplamiento PCC1, hace que la corriente de consumo en el VSD
de 12 pulsos disminuya, su valor se calcula como:
Irms =
1
T
T
2
∫ [i (t )] .dt
=
0
hmax
∑I
h =1
2
h
1
*
Donde:
I rms : Corriente de consumo en el punto de acoplamiento PCC1, (Amperio Eficaz)
I h : Corrientes del espectro armónico de VSDs de 12 pulsos, (Amperio Eficaz)
1
* CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 3
Ec 4.1
135
hmax : Componente armónica máxima del espectro medida, hmax =50
La modificación del espectro armónico de corriente, hace que el porcentaje de
distorsión armónica total de corriente disminuya, su valor se calcula como:
hmax
∑I
THDI =
2
h
h=2
I1
2
2
2
I  I  I 
I
=  2  +  3  +  4  + ......... h max
I
I
I
 1  1  1
 I1
2
 1*


Ec 4.2
Donde:
THDI :
I1 :
Distorsión armónica total de corriente en el punto de acoplamiento PCC1
Corriente fundamental en el punto de acoplamiento PCC1
La disminución de los valores que se calculan en las ecuaciones Ec4.1 y Ec 4.2
respectivamente, hace que también el factor de potencia de distorsión y
factor
de potencia total se modifiquen hasta un valor cercano al factor de potencia de la
componente fundamental que se mide en el punto de acoplamiento PCC1,
considerando
un
porcentaje de distorsión armónica de voltaje total de
THDV =5%2, un valor típico para VSDs de 12 pulsos en el punto de acoplamiento
PCC1.
Para el cálculo de las potencias totales: aparente, activa, reactiva y de distorsión
armónica para VSDs de 12 pulsos, se utilizan las ecuaciones: Ec 3.8, Ec 3.10,
Ec 3.12 y Ec 3.13 respectivamente.
Para el recálculo
de la distorsión armónica en VSDs de 12 pulsos (con
transformador reductor desfasador de 30º), se toma como ejemplo las mediciones
que se realizan en el punto de acoplamiento PCC1 del pozo SEC-02, que son:
POTENCIA APARENTE:
POTENCIA ACTIVA:
POTENCIA REACTIVA:
fpDESPLAZAMIENTO :
1
2
106 kVA
43,1 kW
97,3KVAR
0,41
THDI :
31.7 %
THDV :
5%
* CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”, pág 4
BAKER CENTRILIFT, “Calidad de Energía”, pág 23
136
En la tabla 4.1, se muestra el espectro armónico de corriente y de voltaje que
se mide en el punto acoplamiento PCC1.
ESPECTRO ARMÓNICO DE CORRIENTE
Y VOLTAJE QUE SE MIDE EN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC1 DEL POZO SEC-02
CORRIENTE
Arms
128,24
1,94
39,06
12,70
9,30
4,72
4,14
2,91
1,90
1,68
1,01
0,84
0,75
0,79
0,62
0,57
0,40
0,48
h
1
3
5
7
11
13
17
19
23
25
29
31
35
37
41
43
47
49
VOLTAJE
Vrms
476,2
0,6106
17,097
5,844
11,165
3,838
5,757
4,449
3,053
3,489
2,3552
2,6169
0,3489
1,3957
0,9595
0,7851
1,0467
0,6106
TABLA 4.1: Espectro armónico de corriente y voltaje que se mide
en el punto de acoplamiento PCC1 del pozo SEC-02
El nuevo valor de la corriente en el punto de acoplamiento PCC1, para el VSD
de12 pulsos, se calcula como:
I rms =
hmax
∑I
h =1
2
h
2
2
2
2
2
2
2
2
I rms = I12 + I11
+ I13
+ I 23
+ I25
+ I35
+ I37
+ I 47
+ I 49
I rms = (128,24)2 + (9,3)2 + ( 4,72)2 + (1,9)2 + .............(0,48)2
I rms = 128,7 (A)
137
El nuevo porcentaje de distorsión armónica total de corriente, se calcula usando
la ecuación Ec 4.2, como:
2
2
2
I  I  I 
I

THDI =  11  +  13  +  17  + ......... h max 
 I1   I1   I1 
 I1 
2
2
2
2
 9,3   4,72   1,9 
 0,48 
THDI = 
 +
 +
 + .........

 128,24   128,24   128,24 
 128,24 
THDI = 0,0842
2
ó
THDI = 8,42 %
El factor de potencia de distorsión y el factor de potencia total, considerando una
distorsión armónica de voltaje THDV =5% en el punto de acoplamiento PCC1, se
calcula utilizando las ecuaciones Ec 3.6 y Ec 3.7 respectivamente, como:
fpDISTORSIÓN =
fpDISTORSIÓN =
fpDISTORSIÓN
1
2
 THDV 
 THDI 
1+ 
 * 1+ 

 100 
 100 
1
2
 5 
 8,42 
1+ 
 * 1+ 

100


 100 
= 0,995
2
2
y
fpTOTAL = fpDESPLAZAMIENTO * fpDISTORSIÓN
fpTOTAL = 0,41* 0,995
fpTOTAL = 0,408
Las nuevas potencias para el VSD de 12 pulsos (con el transformador reductor
desfasador de 30º) en el punto de acoplamiento PCC1, se inicia calculando:
1. La potencia aparente total usando la ecuación Ec 3.8, incluida las
componentes armónicas, se calcula como:
S = 3IrmsVrms
S = 3 * 128,7 * 477,4
S = 111,79 (kVA)
138
2. La potencia activa total utilizando la ecuación Ec 3.10, incluida las
componentes armónicas, se calcula como:
P = fpS
P = 0,408 * 111,79
P = 43,42 (kW)
3. La potencia reactiva total mediante la ecuación Ec 3.13, incluida las
componentes armónicas, se calcula como:
Q1 = 3.V1.I1.sen(θ1 )
φ1 = cos-1(φ1 )
φ1 = cos-1(0,41)
φ1 = 65,79º
φ1 = cos -1(φ1 )
Q1 = 3 * 476,2 * 128,24 * sen(65,79º )
Q1 = 96,59 (kVAR)
QTOTAL = Q1
QTOTAL = 96,59 (kVAR)
4. La potencia de las componentes armónicas usando la ecuación Ec 3.14, se
calcula como:
D = S 2 − P 2 − Q2
D = (111,79)2 − (45,61)2 − (96,59)2
D = 11,28 (kVAR)
En la tabla 4.2, se detalla la comparación entre los
parámetros que se
calculan para un VSD de 12 pulsos (con el transformador reductor desfasador de
30º) y los parámetros que se miden en el punto de acoplamiento PCC1, para el
pozo SEC-02.
139
COMPARACIÓN DE PARÁMETROS QUE SE CALCULAN
Y QUE SE MIDEN EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC1 PARA EL POZO SEC-02
VSD 6 PULSOS
(MEDICIÓN)
VSD 12 PULSOS
(CALCULADO)
fpDESPLAZAMIENTO
0,41
0,41
fpDISTORSIÓN
0,952
0,995
fpTOTAL
0,39
0,408
THDI
31,7 %
8,42 %
I rms
135,2 A
128,8 A
Potencia Total
111,794 kVA
111,79 kVA
Potencia Activa
45,61 kW
45,61 kW
Potencia Aparente
96,59 kVAR
96,59 kVAR
Potencia de Distorsión
32,97 kVAR
11,28 kVAR
PARÁMETRO
TABLA 4.2: Comparación de parámetros que se calculan y que se miden
en el punto acoplamiento PCC1 para el pozo SEC-02
4.1.2
VSDs DE 12 PULSOS QUE FUNCIONAN COMO VSDs DE 6 PULSOS
Los VSDs de 12 pulsos que se encuentran funcionando como VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador, tienen una distorsión armónica total de corriente en el
punto de acoplamiento PCC1 mayor a la recomendada en las normas IEEE-519
1992 (THDI ≤ 15% ), entonces se plantea el cambio de los transformadores
reductores por transformadores reductores desfasadores de 30º, corrigiendo la
forma en que se encuentran funcionando los VSDs de 12 pulsos en los pozos
analizados, además se mejora la distorsión armónica de corriente a valores que
se recomienda en las normas IEEE-519 1992 en el punto de acoplamiento PCC1.
“El transformador reductor desfasador debe ser de la misma potencia o mayor a
la potencia del variador de velocidad instalado”1.
1
BAKER CENTRILIFT, “Calidad de Energía”, pág 29, 2005
140
Los VSDs de 12 pulsos que se encuentran instalados, que vienen funcionando
como VSDs de 6 pulsos, en la tabla 4.3, se indica las potencias nominales de los
transformadores reductores desfasares de 30º que deben ser reemplazos e
instalados, son tomados como referencia de la marca REDA-SCHLUMBERGER.
POTENCIAS NOMINALES DE: VSDs DE 12 PULSOS, TRANSFORMADORES
REDUCTORES Y REDUCTORES DESFASADORES DE 30º
VSD 12 PULSOS
INSTALADO
TRANSFORMADOR
REDUCTOR
INSTALADO
REDUCTOR
INSTALADO
KVA
KVA
KVA
SEC-01
518
400
550
SEC-03
815
300
1000
SEC-08
1000
750
1000
SEC-16
518
550
550
SEC-21
390
300
400
SEC-22
518
500
550
SEC-24
518
210
550
SEC-27
518
400
550
SEC-31
390
400
400
SEC-36
518
260
550
PIC-05
1000
850
1000
PIC-07
518
850
550
PCY-02
260
520
300
PCY-04
518
400
550
SSQ-18
518
GENERADOR
550
POZO
TABLA 4.3: Potencias nominales de: VSDs, transformadores reductores
y reductores desfasadores de 30º
Debido a que en el pozo SSQ-18 (Ver ubicación en el Mapa 1.2), se alimenta
eléctricamente mediante un generador puntual en la locacion del respectivo pozo,
el transformador desfasador debe tener una relación de transformación unitaria
con una potencia de 550 kVA, para acoplar las dos entradas conversoras del
VSD de 12 pulsos que se encuentra instalado.
141
4.1.2.1
Análisis Armónico como VSD de 12 Pulsos
Las corrientes y los porcentajes de distorsión armónica total de corriente en el
punto de acoplamiento PCC1 que se calculan para VSDs de 12 pulsos (con el
transformador reductor desfasador de 30º), en los pozos donde se tienen
instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en los
pozos del campo Libertador, se detalla en la tabla 4.4.
CORRIENTE Y THDI
QUE SE CALCULAN EN EL PUNTO
DE ACOPLAMIENTO PCC1 COMO VSDs DE 12 PULSOS
CORRIENTE
THDI
Arms
%
SEC-01
96,05
7,28
SEC-03
184,64
9,72
SEC-08
308,93
5,29
SEC-16
80,07
9,70
SEC-21
140,66
9,75
SEC-22
82,89
4,76
SEC-24
80,07
9,70
SEC-27
244,23
7,26
SEC-31
90,54
8,20
SEC-36
114,99
13,18
PIC-05
330,90
10,77
PIC-07
204,63
7,89
PCY-02
67,50
12,20
PCY-04
115,81
11,90
SSQ-18
151,65
9,26
POZO
TABLA 4.4: Corrientes y THDI que se calculan en el punto de
acoplamiento PCC1 como VSDs de 12 pulsos
Las potencias que se calculan como VSDs de 12 pulsos en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se indica en la
tabla 4.5.
142
TABLA 4.5: Potencias totales calculadas como VSDs de 12 pulsos en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12
pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
143
La representación geométrica de las potencias totales calculadas como VSDs de
12 pulsos (con transformadores reductores desfasadores de 30º) en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se observa en la
figura 4.1.
FIGURA 4.1: Representación geométrica de las potencias totales que se calculan como
VSDs de 12 pulsos en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde
se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6
pulsos en el campo Libertador
La potencia total final que se calcula para todos los VSDs de 12 pulsos (con
transformadores reductores desfasadores de 30º)
es similar
a las potencias
fundamentales que se miden en el punto de acoplamiento PCC1, en los pozos
donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6
pulsos en el campo Libertador.
4.1.3
VSDs DE 6 PULSOS
En el campo Libertador, se encuentran instalados 14 VSDs de 6 pulsos, que
generan
una distorsión armónica total de corriente elevada en el punto de
acoplamiento PCC1, que se encuentra entre el 30,1% y el 65,5 %, con altos
valores de la 5 ta. y la 7ma. componente armónica, valores que no cumplen con
las normas IEEE-519 1992.
Para mejorar los elevados porcentajes de distorsión armónica total de corriente
en el punto de acoplamiento PCC1, se debe realizar el cambio de los VSDs de 6
144
pulsos por VSDs de 12 pulsos con los respectivos transformadores reductores
desfasadores de 30º, para reducir la distorsión armónica de corriente a valores
que se recomiendan en las normas IEEE-519 1992.
Los VSDs de 6 pulsos
que se encuentran instalados con sus respectivos
transformadores reductores, en la tabla 4.6, se indica las potencias nominales de
los
VSDs de 12 pulsos y transformadores reductores desfasares de 30º que
deben ser reemplazos e instalados, que son tomados como referencia
de la
marca REDA-SCHLUMBERGER.
POTENCIAS NOMINALES DE TRANSFORMADORES , VSDs PARA
SISTEMAS DE VSDs DE 6 PULSOS Y VSDs DE 12 PULSOS
SISTEMA DE 6 PULSOS
SISTEMA DE 12 PULSOS
VSD
TRANSF.
REDUCTOR
DESFASADOR
VSD
SEC-02
kVA
400
kVA
435
kVA
500
kVA
454
SEC-05
600
518
550
518
SEC-11
500
518
550
518
SEC-14
850
815
1000
815
SEC-15
600
518
550
518
SEC-18
300
390
400
390
SEC-28
400
200
200
200
SEC-32
400
435
500
454
SEC-34
260
260
350
390
SHU-17
400
390
400
390
SHU-20
600
518
550
518
SHU-25
400
435
550
454
PIC-02
PIC-03
400
300
390
518
400
550
390
518
POZO
TRANSF.
REDUCTOR
TABLA 4.6: Potencias nominales de: transformadores, VSDs para sistemas de
6 pulsos y 12 pulsos
145
4.1.3.1
Análisis Armónico como VSDs de 12 Pulsos
Los valores de las corrientes totales y los porcentajes de distorsión armónica
total de corriente ( THDI ) que se calculan para un sistema de variadores de
velocidad de 12 pulsos en el punto de acoplamiento del variador con la red de
alimentación general, en los pozos donde se tienen instalados variadores de 6
pulsos en los respectivos pozos del campo Libertador, que se muestra en
tabla 4.7.
CORRIENTES Y PORCENTAJES DE THDI QUE SE CALCULAN
PARA VSDs DE 12 PULSOS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC1 EN POZOS DONDE SE TIENEN INSTALADOS VSDs DE 6
PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
CORRIENTE TOTAL
POZO
THDI CALCULADO
Arms
%
SEC-02
128,69
8,48
SEC-05
437,37
10,45
SEC-11
218,83
8,71
SEC-14
191,16
14,42
SEC-15
150,52
8,35
SEC-18
168,28
6,16
SEC-28
106,75
8,47
SEC-32
63,88
9,79
SEC-34
88,30
10,06
SHU-17
94,52
6,77
SHU-20
136,66
9,88
SHU-25
125,80
6,76
PIC-02
68,18
18,02
PIC-03
97,40
13,67
TABLA 4.7: Corrientes y porcentajes de THDI que se calculan para VSDs de 12 pulsos
en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.
146
En la tabla 4.8, se detalla las potencias que se calculan para un sistema de
variadores de velocidad de 12 pulsos con los respectivos transformadores
desfasadores de 30º, en los pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos
en el campo Libertador.
La representación geométrica de las potencias totales que se calculan para un
sistema de variadores de velocidad
de 12 pulsos (con transformadores
reductores desfasadores de 30º) en el punto de acoplamiento de los respectivos
variadores de velocidad con la red de alimentación general, en los pozos donde
se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se observa en
figura 4.2.
FIGURA 4.2: Representación geométrica de las potencias totales calculadas para
un sistema de VSDs de 12 pulsos para el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos en el campo
Libertador.
Las
potencias totales (incluida la potencia de distorsión armónica) que se
calculan para los sistemas de variadores de velocidad de 12 pulsos para el punto
de acoplamiento
de los respectivos variadores de velocidad con la red de
alimentación general, son similares a las potencias que se miden para los pozos
que se mencionan en el campo Libertador.
147
TABLA 4.8: Potencias totales que se calculan como VSDs de 12 pulsos en el punto
________
de acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen instalados VSDs de
6 pulsos en el campo Libertador
148
4.1.4
ANÁLISIS FINAL DE PARÁMETROS CALCULADOS EN EL PUNTO
DE ACOPLAMIENTO PCC1 PARA EL SISTEMA DE VSDs DE 12
PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
La comparación entre los porcentajes de THDI que se calculan como sistemas
de VSDs de 12 pulsos con los porcentajes de THDI
medidos en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se describe en la tabla 4.9.
COMPARACIÓN DE THDI CALCULADOS Y THDI MEDIDOS
EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE
SE TIENEN VSDs DE 12 PULSOS QUE FUNCIONAN COMO
VSDs DE 6 PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
POZO
SEC-01
SEC-03
SEC-08
SEC-16
SEC-21
SEC-22
SEC-24
SEC-27
SEC-31
SEC-36
PIC-05
PIC-07
PCY-02
PCY-04
SSQ-18
THDI −MEDIDO
THDI− VSDs de 12 Pulsos
%
35,2
49
42,1
63,9
42,3
45,9
63,9
38
57,7
52,2
37,3
59,9
60,5
51,6
40,8
%
7,28
9,72
5,29
9,70
9,75
4,76
9,70
7,26
8,20
13,18
10,77
7,89
12,20
11,90
9,26
TABLA 4.9: Comparación de THDI calculados y
THDI medidos en el punto de
acoplamiento PCC1 en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos
que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.
Los porcentajes de THDI que se calculan como sistemas de VSDs de 12 pulsos
en el punto de acoplamiento PCC1 se encuentran dentro del límite máximo que se
149
recomienda en las normas IEEE -519 1992, en pozos donde se tienen VSDs de
12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador..
La comparación gráfica que se realizada entre los porcentajes de THDI
calculados como un sistema de VSDs de 12 pulsos (con transformadores
reductores desfasadores de 30º) y los porcentajes de THDI que se miden en el
punto de acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen instalados VSDs de 12
pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se observa
en la figura 4.3.
PORCENTAJE DE DISTORSION ARMÓNICA
TOTAL DE CORRIENTE (%THDI)
COMPARACIÓN DE THD DE CORRIENTE MEDIDA EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO
PCC1 Y THD CALCULADA PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
70
60
50
40
30
20
10
0
SEC-01 SEC-03 SEC-08 SEC-16 SEC-21 SEC-22 SEC-24 SEC-27 SEC-31 SEC-36 PIC-05
PIC-07 PCY-02 PCY-04 SSQ-18
VARIADOR
THD DE CORRIENTE MEDIDA EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
THD DE CORRIENTE PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
FIGURA 4.3: Comparación gráfica entre los porcentajes de THDI calculados como VSDs
de 12 pulsos y THDI medidos en el punto de acoplamiento PCC1 en pozos
donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs
de 6 pulsos en el campo Libertador
La comparación entre las corrientes totales que se calculan y las corrientes que
se miden para el punto de acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen
instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos en el campo
Libertador, se indica en la tabla 4.10.
150
COMPARACIÓN ENTRE LAS CORRIENTES QUE SE CALCULAN
COMO VSDs DE 12 PULSOS Y LAS CORRIENTES MEDIDAS EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE SE TIENEN
VSDs DE 12 PULSOS QUE FUNCIONAN COMO VSDS DE 6 PULSOS
EN EL CAMPO LIBERTADOR
CORRIENTE TOTAL EN EL PUNTO PCC1
POZO
VSDs 12 PULSOS
MEDIDA
Arms
Arms
SEC-01
96,05
102,2
SEC-03
184,64
210,3
SEC-08
308,93
339,6
SEC-16
80,07
103,7
SEC-21
140,66
154,3
SEC-22
82,89
93,1
SEC-24
80,07
103,7
SEC-27
244,23
263,7
SEC-31
90,54
110,5
SEC-36
114,99
133,3
PIC-05
330,90
354,3
PIC-07
204,63
254,8
PCY-02
67,50
84
PCY-04
115,81
133,9
SSQ-18
151,65
164,9
TABLA 4.10: Comparación entre las corrientes que se calculan como VSDs de 12
pulsos y las corrientes medidas en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
La comparación gráfica que se realiza entre las corrientes calculadas como
sistema de VSDs de 12 pulsos y las corrientes que se miden en el punto de
acoplamiento PCC1, en pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos que funcionan
como VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se indica en la figura 4.4.
151
COM PARACIÓN DE CORRIENTES TOTALES MEDIDAS EN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC1 Y CORRIENTES EFICASES TOTALES CALCULADAS
PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
SSQ-18
PCY-04
PCY-02
PIC-07
PIC-05
SEC-36
SEC-31
SEC-27
SEC-24
SEC-22
SEC-21
SEC-16
SEC-08
SEC-03
SEC-01
CORRIENTE EFICAZ TOTAL
(A)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
VARIADOR DE VELOCIDAD
CORRIENTES CALCULADAS PARA VSDs DE 12 PULSOS
CORRIENTES TOTALES MEDIDAS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
FIGURA 4.4: Comparación gráfica entre las corrientes que se calculan como VSDs de
12 pulsos y las corrientes medidas en el punto de acoplamiento PCC1 en
pozos donde se tienen VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de
6 pulsos en el campo Libertador.
La comparación entre los porcentajes de THDI como VSDs de 12 pulsos (con
transformadores reductores desfasadores de 30º) y los porcentajes de THDI que
se miden en el punto de acoplamiento PCC1, en los pozos donde se tienen
instalados VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se indica en la tabla 4.11.
COMPARACIÓN ENTRE LOS PORCENTAJES DE THDI CALCULADOS
COMO VSDs DE 12 PULSOS Y THDI MEDIDOS EN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE SE TIENEN VSDs DE 6
PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
POZO
SEC-02
SEC-05
SEC-11
SEC-14
SEC-15
THDI −MEDIDO
THDI− VSDs de 12 Pulsos
%
%
31,7
30,1
44,9
45,7
54,1
8,48
10,45
8,71
14,42
8,35
Continúa......
152
.....Viene
SEC-18
SEC-28
SEC-32
SEC-34
SHU-17
SHU-20
SHU-25
PIC-02
PIC-03
35,2
53,3
42,9
49,5
57,2
46,1
58,6
65,5
52,3
6,16
8,47
9,79
10,06
6,77
9,88
6,76
18,02
13,67
TABLA 4.11: Comparación entre los porcentajes de THDI que se calculan como VSDs
de 12 pulsos y THDI que se miden en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador.
La figura 4.5, muestra la comparación gráfica que se realiza entre los
porcentajes de THDI que se calculan como VSDs de 12 pulsos y los porcentajes
de THDI que se miden en el punto de acoplamiento PCC1, en pozos donde se
tienen instalados VSDs de 6 pulsos.
COMPARACIÓN DE THD DE CORRIENTE MEDIDA EN EL PUNTO DE
ACOPLAMIENTO PCC1 Y THD CALCULADA PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
70
PORDENTAJE DE
DISTORSION ARMÓNICA
TOTAL DE CORRIENTE
(%THDI)
60
50
40
30
20
10
0
SEC-02 SEC-05 SEC-11 SEC-14 SEC-15 SEC-18 SEC-28 SEC-32 SEC-34 SHU-17 SHU-20 SHU-25 PIC-02
PIC-03
VARIADOR
THD DE CORRIENTE MEDIDA EN EL PU NTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
THD DE CORRIENTE PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
FIGURA 4.5: Comparación gráfica entre los porcentajes de THDI calculados como
VSDs de 12 pulsos y THDI medidos en el punto de acoplamiento PCC1
en pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
153
La comparación que se realiza ente las corrientes totales que se calculan como
VSDs de 12 pulsos y las corrientes que se miden en el punto de acoplamiento
PCC1, en pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se
describe en la tabla 4.12.
COMPARACION ENTRE LAS CORRIENTES CALCULADAS COMO
VSDs DE 12 PULSOS Y LAS CORRIENTES MEDIDAS EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 EN POZOS DONDE SE TIENEN
VSDs DE 6 PULSOS EN EL CAMPO LIBERTADOR
CORRIENTE TOTAL EN EL PUNTO PCC1
POZO
VSDs DE 12 PULSOS
MEDIDA
Arms
Arms
SEC-02
128,69
135,2
SEC-05
437,37
456,2
SEC-11
218,83
243,8
SEC-14
191,16
212,7
SEC-15
150,52
178,4
SEC-18
168,28
179,4
SEC-28
106,75
125,7
SEC-32
63,88
70,5
SEC-34
88,30
101,1
SHU-17
94,52
115
SHU-20
136,66
153,3
SHU-25
125,80
155,3
PIC-02
68,18
88,8
PIC-03
97,40
113,3
TABLA 4.12: Comparación entre las corrientes totales calculadas como VSDs de 12
pulsos y las corrientes medidas en el punto de acoplamiento PCC1 en
pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
La comparación gráfica que se realiza entre las corrientes que se calculan como
VSDs de 12 pulsos y las corrientes que se miden en el punto de acoplamiento
PCC1, en pozos donde se VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador, se observa
en la figura 4.6.
154
PIC -03
PIC -02
SH U-25
SH U-20
SH U-17
SEC-34
SEC-32
SEC-28
SEC-18
SEC-15
SEC-14
SEC-11
SEC-05
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
SEC-02
CORRIE NTE E FICAZ TOTAL (A)
COMPARACIÓN DE CORRIENTES TOTALES MEDIDAS EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1 Y CORRIENTES EFICASES
TOTALES CALCULADAS PARA VARIADORES DE 12 PULSOS
VARIADOR DE VELOCIDAD
CORRIENTES PARA VSDs DE 12 PULSOS
CORRIENTES MEDIDAS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC1
FIGURA 4.6: Comparación gráfica entre las corrientes calculadas como VSDs de 12
pulsos y las corrientes medidas en el punto de acoplamiento PCC1 en
pozos donde se tienen VSDs de 6 pulsos en el campo Libertador
La comparación
entre las potencias que se calculan como VSDs de 12
pulsos(con transformadores reductores desfasadores de 30º), las potencias que
se miden (componentes fundamentales) y las potencias totales (incluidas
potencias de distorsión armónica) en el punto de acoplamiento PCC1, tanto para
los pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos (que funcionan como
VSDs de 6 pulsos) y VSDs de 6 pulsos que se analizan, se proyecta una
disminución de potencia de: 420,55 kVA, 136,4 kW y una reducción de
1.101,47 kVAR de potencia que consumen las componentes armónicas,
se
describe en la tabla 4.13.
Desde la figura 4.7 hasta la figura 4.10, se indica la comparación gráfica que
se realiza entre las potencias fundamentales (potencias medidas), potencias
totales (incluidas las potencias de distorsión armónica) y las potencias que se
calculan como sistemas de VSDs de 12 pulsos en el punto de acoplamiento
PCC1, para los pozos que se analizan.
155
TABLA 4.13: Consumo de potencias: fundamentales, totales (incluida potencias
____________
de distorsión armónica) y como VSDs de 12 pulsos en el campo
_____________
Libertador
156
kVA DE POTENCIA APARENTE TOTAL
CONSUMO DE kVA DE POTENCIA APARENTE TOTAL
2500
2000
1500
1000
500
0
VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos
como VSDs de 6
como VSDs de 6
como VSDs de 6
pulsos
pulsos
pulsos
COMPONENTES FUNDAMENTALES
POTENCIA APARENTE TOTAL CON
COMPONENTES ARMÓNICAS
MIGRACIÓN A VSDs DE 12 PULSOS
POTENCIA APARENTE TOTAL (kVA)
FIGURA 4.7: Comparación gráfica de las potencias aparentes totales
CONSUMO DE POTENCIA ACTIVA TOTAL (kW)
kW DE P OTENCIA ACTIVA TOTAL
1550
1500
1450
1400
1350
1300
1250
1200
1150
1100
VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos
como VSDs de 6
como VSDs de 6
como VSDs de 6
pulsos
pulsos
pulsos
COMPONENTES FUNDAMENTALES
POTENCIA APARENTE TOTAL CON
COMPONENTES ARMÓNICAS
MIGRACIÓN A VSDs DE 12 PULSOS
POTENCIA ACTIVA TOTAL (kW)
FIGURA 4.8: Comparación gráfica de las potencias activas totales
157
kVAR DE POTANCIA REACTIVA TOTAL
CONSUMO DE POTENCIA REACTIVA TOTAL (kVAR)
1020
1000
980
960
940
920
900
880
VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos VSDs de 12 pulsos VSDs de 6 pulsos
como VSDs de 6
como VSDs de 6
como VSDs de 6
pulsos
pulsos
pulsos
COMPONENTES FUNDAMENTALES
POTENCIA APARENTE TOTAL CON
COMPONENTES ARMÓNICAS
MIGRACIÓN A VSDs DE 12 PULSOS
POTENCIA APARENTE TOTAL (kVAR)
FIGURA 4.9: Comparación gráfica de las potencias reactivas totales
kVAR DE POTENCIA DE DISTORSIÓN
ARMÓNICA TOTAL
CONSUMO DE POTENCIA DE DISTORSIÓN ARMÓNICA (kVAR)
1200
1000
800
600
400
200
0
VSDs de 12 pulsos como
VSDs de 6 pulsos
VSDs de 6 pulsos
POTENCIA APARENTE TOTAL CON COMPONENTES
ARMÓNICAS
VSDs de 12 pulsos como
VSDs de 6 pulsos
VSDs de 6 pulsos
MIGRACIÓN A VSDs DE 12 PULSOS
POTENCIA DE DISTORSIÓN ARMÓNICA (KVAR)
FIGURA 4.10: Comparación gráfica de las potencias de distorsión armónica
El diagrama esquemático en la superficie de los pozos empleando un VSD de
12 pulsos con su respectivo transformador reductor desfasador de 30º, se indica
en la figura 4.11.
158
FIGURA 4.11: Esquema del equipo en superficie empleando el sistema VSD de 12
pulsos con su respectivo transformador reductor desfasador de 30º
4.2
MEJORAMIENTO DE LA DISTORSIÓN ARMÓNICA EN EL
PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2
La potencia armónica de carga que se calcula para: el transformador elevador
multi-taps, cable eléctrico de potencia y motor electrosumergible, que se
encuentran instalados en cada uno de los pozos que se analizan en el presente
proyecto y se describen en el ANEXO B, son menores a las potencias armónicas
máximas permitidas por los equipos, esto se debe a que las formas de onda de
corriente que se miden en el punto de acoplamiento PCC2 y que se indica en
figura 4.12, se aproximan a una onda de tipo senoidal y su contenido armónico
no incidente de manera significativa sobre el equipo analizado.
159
FORMAS DE ONDA DE CORRIENTE EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2
FORMA DE ONDA
TECNOLOGÍA
DE INVERSIÓN
MARCA VSD
6 PASOS
BAKER-CENTRILIF
PWM
ASINCRÓNICO
REDA-SCHLUMBERGER
PWM
CON FILTRO
EN EL VSD
WOOD GROUP
FIGURA 4.12: Formas de onda de corriente en el punto de acoplamiento PCC2
Las mediciones en el punto de acoplamiento PCC2, en pozos donde se tienen
VSDs con tecnología de inversión de voltaje a 6 PASOS tienen un porcentaje de
THDI en el rango del 21% al 33%, que produce una potencia armónica en el
transformador elevador multi-taps, cable eléctrico de potencia y motor
electrosumergible que no supera a la potencia armónica máxima permitida en
los respectivos equipos.
160
El porcentaje de distorsión armónica de corriente total ( THDI ) que se mide en el
punto de acoplamiento PCC2, en los pozos donde se tienen instalados variadores
de velocidad que emplean la tecnología de inversión de voltaje mediante PWM
(Pulse Wave Modulation) ASINCRÓNICO, posee una mejor aproximación a una
señal de corriente senoidal, deseable para el funcionamiento del equipo de fondo
y en especial para el motor electrosumergible, con un consumo
de potencia
armónica permitida.
Finalmente el porcentaje de distorsión armónica total de corriente ( THDI ) que se
mide en el punto de acoplamiento PCC2, en los pozos donde se tienen instalados
VSDs de la marca WOOD GROUP que emplean una inversión de voltaje
mediante PWM con un filtro incorporado en el
VSD,
resulta
una señal de
corriente con baja distorsión armónica y lo mas aproximada a la señal de tipo
senoidal, que de igual forma que las anteriores no produce elevadas potencias
armónicas y se encuentran por debajo del límite permitido.
Debido a que el contenido armónico de corriente que se mide en el punto de
acoplamiento PCC2, no producen elevadas potencias armónicas a causa de las
tres tecnologías que emplean en los respectivos variadores de velocidad y se
encuentran bajo los límites permitidos, teniendo una incidencia mínima sobre los
equipos que se analizan, por esta razón
no se puede plantear mejoras para
disminuir la distorsión armónica de corriente en este punto de acoplamiento.
El
efecto del contenido armónico de voltaje
que se mide en el punto de
acoplamiento PCC2, tiene una incidencia mayor al contenido armónico de
corriente, ya que
frecuencia de
depende de la cercanía
del espectro armónico con la
máxima resonancia del equipo de fondo, que se indica en la
figura 3.13, haciendo que se encuentren en resonancia como se explica en el
CAPÍTULO 3, hecho que se ve reflejado en un alto porcentaje de distorsión
armónica total de voltaje en este punto de acoplamiento.
Las
formas de onda de voltaje en el punto de acoplamiento PCC2, por
tecnologías de inversión de voltaje en los respectivos VSDs, se observa en la
figura 4.13.
161
FORMAS DE ONDA DE VOLTAJE EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2
FORMA DE ONDA
TECNOLOGÍA
DE INVERSIÓN
6 PASOS
PWM
ASINCRONICO
PWM
CON FILTRO
EN EL VSD
MARCA VSD
BAKERCENTRILIFT
REDASCHLUMBERGER
WOOD GROUP
FIGURA 4.13: Formas de onda de voltaje en el punto de acoplamiento PCC2
162
4.2.1
INVERSIÓN DE VOLTAJE A 6 PASOS
El contenido del espectro armónico de voltaje cuando el VSD emplea una
tecnología de inversión de voltaje a 6 PASOS, esta no se encuentra cerca del
valor de frecuencia de resonancia típica del equipo de fondo (4 kHz), debido a
que el espectro armónico tiene una frecuencia máxima de 3 kHz a la armónica
máxima medida cuando h=50 .
Por esta razón
el espectro armónico
de voltaje
no tiene problemas de
resonancia con el equipo de fondo y el elevado porcentaje de THDV
que se
mide en el punto de acoplamiento PCC2, en los pozos donde se tienen instalados
VSDs de la marca BAKER-CENTRILIFT, es característica de la tecnología
empleada.
4.2.2
INVERSIÓN DE VOLTAJE MEDIANTE PWM ASINCRÓNICO
La cercanía del espectro armónico de voltaje que se genera cuando se emplea
la tecnología de inversión de voltaje con PWM ASINCRÓNICO, con la frecuencia
de máxima resonancia del equipo de fondo, hace que estas componentes se
amplifiquen.
El espectro armónico de voltaje
en el PWM ASINCRÓNICO utilizado en los
VSDs de la marca REDA-SCHLUMBERGER, se desplaza variando
el valor de
la frecuencia carry del respectivo PWM, alejándose del valor de la frecuencia de
máxima resonancia (figura 3.13), mejorando la distorsión armónica de voltaje
en el punto de acoplamiento PCC2, esta frecuencia se puede variar desde 1.5
hasta 3.5 kHz.1
El mejoramiento de la distorsión armónica de voltaje que se obtiene variando la
frecuencia carry en el respectivo VSD, alcanza valores de THDV ≤ 10% 2.
En la tabla 4.14, se mencionan los VSDs de la marca REDA-SCHLUMBERGER
con un elevado porcentaje de THDV con las respectivas frecuencias carry.
1
BAKER CENTRILIFT, Calidad de Energía, página 29, 2005
2
Schlumberger
163
THDV ELEVADOS EN EL PUNTO DE ACOPLAMIENTO PCC2
THDV
THDI
FRECUENCIA CARRY
%
%
kHz
SEC-18
10,5
4,2
1,5
SEC-28
39,2
17
1,5
SEC-34
17,2
14,4
1,1
POZO
TABLA 4.14: THDV elevados en el punto de acoplamiento PCC2
Es necesario conocer que la distorsión armónica de voltaje se puede mejorar
únicamente de forma experimental, debido a que no se puede
determinar
analíticamente la frecuencia de máxima resonancia del equipo de fondo, porque
no se conocen los valores numéricos del equipo de fondo, para determinar la
frecuencia de resonancia utilizando el modelo simplificado (figura 3.12) y
ecuación Ec 3.21,
la
por esta razón se utiliza como referencia la gráfica de la
figura 3.13, que se determina de forma experimental.
4.3
COSTO DE CAMBIO AL SISTEMA DE VSDs DE 12 PULSOS
EN LOS POZOS BES DEL CAMPO LIBERTADOR
El costo que representa el cambio al sistema de VSDs de 12 pulsos con sus
respectivos transformadores reductores desfasadores de 30º, se toma únicamente
en cuenta el valor del equipo eléctrico (VSDs de 12 pulsos y transformadores
reductores desfasadores de 30º), costos que se toman de la Lista de Precios
vigentes entre Petroproducción y la compañía Schlumberger.
Para realizar el cambio al sistema de VSDs de 12 pulsos en los pozos de
bombeo electrosumergible del campo Libertador, se debe tomar en cuenta que en
algunos casos, se necesita únicamente el cambio del transformador reductor por
un transformador reductor desfasador de 30º, mientras que en otros pozos se
plantea el cambio de VSDs de 12 pulsos y el respectivo transformador reductor
desfasador de 30º.
164
El costo para los pozos donde se necesita
únicamente el cambio del
transformador reductor por un transformador reductor desfasador debido a que se
encuentra instalado el respectivo VSD de 12 pulsos, se describe en la tabla 4.15.
COSTO DE TRANSFORMADORES REDUCTORES DESFASADORES
DE 30º EN LOS POZOS DONDE SE TIENEN INSTALADOS
VSDs DE 12 PULSOS
VSDs DE
POZO
TRANSFORMADOR REDUCTOR
DESFASADOR DE 30º
12 PULSOS
POTENCIA
COSTO
KVA
KVA
DOLARES
SEC-01
518
550
22780
SEC-03
815
1000
56961,69
SEC-08
1000
1000
56961,69
SEC-16
519
550
22780
SEC-21
390
400
20570
SEC-22
518
550
22780
SEC-24
518
550
22780
SEC-27
518
550
22780
SEC-31
390
400
20570
SEC-36
518
550
20570
PIC-05
1000
1000
56961,69
PIC-07
518
550
20780
PCY-02
260
300
17425
PCY-04
518
550
22780
SSQ-18
518
550
22780
TOTAL
430.260,07
TABLA 4.15: Costo de transformadores reductores desfasadores de 30º
en los pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos
165
Para el transformador reductor desfasador del pozo SSQ-18 (Ver ubicación en el
Mapa 1.2), este debe tener una relación de transformación unitaria, debido al
generador que se encuentra en la locación del pozo, donde el transformador
cumple la función de acoplar las 2 entradas conversoras del VSD de 12 pulsos al
respectivo generador.
El costo para los pozos donde se necesita el cambio de los VSDs de 6 pulsos por
VSDs de 12 pulsos con los respectivos transformadores reductores desfasadores
de 30º, se muestra en la tabla 4.16.
COSTO DE VSDs DE 12 PULSOS Y
TRANSFORMADORES REDUCTORES DESFASADORES DE 30º
EQUIPO
COSTO
TRANSF.
TRANSF.
VSD DE 12
VSD DE 12
POZO
REDUCTOR
REDUCTOR
PULSOS
PULSOS
DESFASADOR
DESFASADOR
SEC-02
kVA
500
kVA
454
DOLARES
22015
DOLARES
39601,29
SEC-05
550
518
22780
52506,05
SEC-11
550
518
22780
52506,05
SEC-14
1000
815
56961,69
76151,17
SEC-15
550
518
22780
52506,05
SEC-18
400
390
20570
32956,93
SEC-28
200
200
16150
20533,32
SEC-32
500
454
22015
39601,29
SEC-34
350
390
18530
32956,93
SHU-17
400
390
20570
32956,93
SHU-20
550
518
22780
52506,05
SHU-25
550
454
22780
39601,29
PIC-02
PIC-03
400
390
20570
32956,93
550
TOTAL
518
22780
334.061,69
52506,05
609.846,33
TABLA 4.16: Costo de: VSDs de 12 pulsos y transformadores reductores desfasadores de 30º
166
El costo final
para el cambio al sistema de VSDs de 12 pulsos con sus
respectivos transformadores reductores desfasadores en los pozos del campo
Libertador,
requiere
de una inversión de: 1.374.168,09 USD, de los cuales
430.260,07 USD se invertirán en el cambio de los transformadores reductores por
transformadores reductores desfasadores de 30º en los pozos donde se tienen
instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos y
943.908,02 USD en el cambio de los VSDs de 12 pulsos con sus respectivos
transformadores reductores desfasadores de 30º en los pozos donde se tienen
instalados VSDs de 6 pulsos.
Con el uso correcto de un sistema de VSDs de 12 pulsos con sus respectivos
transformadores desfasadores de 30º en los pozos de bombeo electrosumergible
del campo Libertador operado por Petroproducción, proyecta una disminución de
potencia activa de 136,4 kW (tabla 4.13), potencia que puede emplearse en otros
pozos con el sistema de bombeo eléctrico.
167
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1
•
CONCLUSIONES
La distorsión armónica que se genera en el punto de acoplamiento del sistema
electrosumergible con la red de alimentación general en todos los pozos
donde
se
encuentran
instalados
VSDs
de
las
marcas:
REDA-
SCHLUMBERGER (12 pozos), BAKER-CENTRILIFT (15 pozos) y WOOD
GROUP (3 pozos), tienen porcentajes elevados de THDI
elevados,
característicos para los VSDs de 6 pulsos.
•
En el pozo PIC-08 (PICHINCHA-08) del campo Libertador, se encuentra
instalado un VSD de 12 pulsos con su respectivo transformador reductor
desfasador que genera un porcentaje de THDI = 6% y THDV =4% en el punto
de acoplamiento del
(13.800 V),
respectivo VSD con la red de alimentación general
valores que se encuentran dentro de los límites que se
recomienda en las normas IEEE 519 -1992, tomadas como referencia para el
presente proyecto.
•
En el campo Libertador, se encuentran instalados 15 VSDs de 12 pulsos que
funcionan como VSDs de 6 pulsos, es necesario el cambio de los respectivos
transformadores reductores por transformadores reductores desfasadores de
30º, para que los VSDs de 12 pulsos funcionen correctamente y se mejore la
distorsión armónica de corriente en el punto de acoplamiento PCC1.
•
La distorsión armónica de voltaje generada por una inversión del tipo PWM
ASINCRÓNICO empleada en los VSDs de la marca REDA-SCHLUMBERGER
en el punto de acoplamiento PCC2, tiene una mayor incidencia sobre el
equipo de fondo ya que se puede encontrar en resonancia con la frecuencia
del equipo de fondo.
168
•
Las mediciones de THDI que se realizan en el punto de acoplamiento PCC1,
en los pozos donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos y VSDs de 12
pulsos (que funcionan como VSDs de 6 pulsos),
límite
máximo que se
encontrándose sobre el
recomienda en las normas IEEE 519 -1992
( THDI < 15% ).
•
La distorsión armónica total
de corriente que se genera en el punto de
acoplamiento PCC1 del pozo PIC-02 (PICHINCHA-02) es del
65,5%, el
mismo que se disminuye mediante el uso de un VSD de 12 pulsos con su
respectivo transformador reductor desfasador
alcanzando el valor de
THDi = 18,02% , mismo que se encuentra fuera del límite que se recomienda
en las normas IEEE-519 1992, a causa del elevado valor de la quinta y
séptima componente armónica presente en el VSD de 6 pulsos que se
encuentra instalado.
•
El porcentaje de carga calculada que tienen los equipos de superficie y de
fondo, en los pozos de bombeo electrosumergible del campo Libertador se
encuentra
con un valor máximo de 70% y el 85% para los motores
electrosumergibles, valores que se mantienen para controlar la producción de
agua de formación en los yacimientos.
•
El consumo de corriente
en el punto de acoplamiento PCC1,
se reduce
cuando se tienen sistemas de VSDs de 12 pulsos con transformadores
reductores desfasadores de 30º hasta valores cercanos a las respectivas
corrientes fundamentales.
•
Con la reducción del consumo de corriente, la
potencia total (incluida
potencia de distorsión armónica) para sistemas de VSDs de 12 pulsos con
transformadores reductores desfasadores de 30º, proyecta una disminución
de
potencia
de todo el sistema electrosumergible mediante VSDs de:
420,55 kVA, 136,4 kW y una reducción de 1.101,47 kVAR de potencia que
consumen las componentes armónicas que se encuentran presentes y que
son generadas por los VSDs en los pozos del campo Libertador.
169
•
La potencia armónica que se calcula para los equipos de superficie y de
fondo que se deben a la presencia del contenido armónico de corriente en los
puntos de acoplamiento PCC1 y PCC2, no superan los valores máximos que
permiten los respectivos equipos, por lo que este contenido armónico no tiene
mucha incidencia sobre los mismos.
•
El menor contenido armónico en el punto de acoplamiento PCC2, es generado
por los VSDs de las marcas WOOD GROUP y REDA-SCHLUMBERGER,
que utilizan igual tecnología en la etapa de inversión de voltaje pero diferentes
métodos de disminución del contenido armónico en el respectivo punto.
5.2
•
RECOMENDACIONES
Se deberá realizar la medición de la distorsión armónica en otros sistemas
que se encuentran implementados en el campo Libertador como son: sistema
de bombeo horizontal por medio de reinyección del agua de formación,
estaciones de producción y campamentos, que se encuentran eléctricamente
conectados al Sistema Eléctrico Interconectado del Libertador (SEIL) y que
pueden verse afectados por la distorsión armónica generada por toda la carga
no lineal formada por los VSDs del sistema de bombeo electrosumergible.
•
Monitorear y controlar la temperatura en los transformadores reductores y
transformadores elevadores multi-taps, debido a que estos se encuentran con
niveles bajos de refrigerante y pueden afectar a su normal funcionamiento.
•
Exigir a las compañías que ofrecen el servicio de bombeo electrosumergible
para que se suministre la suficiente información técnica acerca de todos sus
equipos que se encuentran instalados en los respectivos pozos, debido a que
no se cuenta con la suficiente información.
•
Levantar
un
plano eléctrico de protecciones que se encuentran
implementadas a lo largo de todo el sistema de bombeo electrosumergible,
para verificar
si la
coordinación de protecciones
que se tienen en los
diferentes tramos se encuentra correctamente dimensionada y coordinada.
170
•
El costo que se representa tener un sistema de VSDs de 12 pulsos con sus
respectivos transformadores reductores desfasadores es de: 1.346.719,46
USD, de los cuales 418.867,73 USD se invertirán en el cambio de los
transformadores reductores por transformadores reductores desfasadores en
los pozos donde se tienen instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como
VSDs de 6 pulsos y 927.851,73 USD en el cambio de los VSDs de 12 pulsos
con sus respectivos transformadores reductores desfasadores en los pozos
donde se tienen instalados VSDs de 6 pulsos.
•
En los pozos: SEC-01, SEC-03, SEC-08, SEC-16, SEC-21, SEC-22, SEC-24,
SEC-27, SEC-31, SEC-36, PIC-05, PIC-07, PCY-02 y PCY-04 ubicados en el
campo Libertador, se
deben cambiar los transformadores reductores por
transformadores reductores desfasadores de 30º debido a que se encuentran
instalados VSDs de 12 pulsos que funcionan como VSDs de 6 pulsos.
•
En los pozos: SEC-2, SEC-5, SEC-11, SEC-14, SEC-15, SEC-18, SEC-28,
SEC-32, SEC-34, SHU-17, SHU-20, SHU-25, PIC-2 y PIC-03 ubicados en el
campo Libertador, se debe realizar el cambio a un sistema de VSDs de 12
pulsos con sus respectivos transformadores reductores desfasadores, para
que la distorsión armónica de corriente generada en el punto de acoplamiento
PCC1 se encuentre dentro del límite que se recomienda en las normas
IEEE-519 1992.
•
El transformador reductor desfasador del pozo SSQ-18 (SHUSHUQUI-18)
debe tener una relación de transformación unitaria con una potencia nominal
de 550 kVA, mismo que sirve para acoplar las dos entradas conversoras del
VSD de 12 pulsos con el generador individual que se encuentra instalado en
la respectiva locación.
•
En los pozos: SEC-18, SEC-28 y SEC-34, donde se encuentran instalados
VSDs de la marca REDA SCHLUMBERGER
tienen un elevado valor de
THDV en el punto de acoplamiento PCC2, razón por la cual se debe modificar
el valor de la frecuencia carry del control PWM ASINCRÓNICO en el
respectivo VSD del pozo.
171
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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LOZANO, Segundo, “Traducción de las Normas API sobre los Equipos de
Bombeo Electrosumergible en Instalaciones Petroleras”, Septiembre del 2003.
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CHANG, G; RIBEIRO, P, ”Harmonics Theory”