III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Marzo 2012

Comité Nacional Venezolano

A1-112

ELABORACION DE UNA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL ESTUDIO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN MOTORES DE BOMBEO MECÁNICO DEL DISTRITO SAN TOMÉ DE PDVSA/DIVISION FAJA. Hernández Jerson Ezomar Uzcategui PDVSA

RESUMEN El proyecto presenta una herramienta computacional para evaluar la eficiencia energética de los motores de inducción que proporcionan movimiento a las unidades superficiales de bombeo mecánico de PDVSA Distrito San Tomé, se integró en una metodología datos de fabricantes, ensayos y programa computacional especializado de la industria petrolera; para contar con una herramienta computacional funcional capaz de evaluar la eficiencia de los motores bajo la carga cíclica impuesta y se adapte a las actividades desarrolladas por la empresa. La herramienta fue elaborada tomando en cuenta criterios propios del ramo petrolero y del ramo eléctrico. Los resultados obtenidos de la evaluación de eficiencia en los motores se acercan a lo establecido por teorías de estudios previos. Con su aplicación se podrá establecer criterios para optimizar energéticamente el consumo eléctrico de los motores instalados en la unidad superficial de bombeo mecánico.

PALABRAS CLAVE Motores, Balancines, Cargas cíclicas, Ahorro, Eficiencia energética, Stroke.

Puerto Ordaz, 04249028407, [email protected]

INTRODUCCION

En la actualidad se ha incrementado el consumo de energía eléctrica en el mundo, situación que no es distinta en Venezuela. Gran parte de la energía consumida en nuestro país es producida por hidrogeneración, proceso que se ha visto afectado fuertemente por fenómenos climatológicos, contribuyendo con el congestionamiento del sistema eléctrico nacional. En vista de esa situación el gobierno nacional impulsa la propuesta de reducir los consumos energéticos en las empresas del estado, PDVSA como empresa principal del país se une a la propuesta evaluando la posibilidad de reducir el consumo energético en las diferentes áreas que conforman sus procesos, logrando una reducción significativa en sus áreas administrativas. PDVSA maneja un gran número de motores en sus procesos productivos, representando estos los mayores consumidores de energía, basándose en que representan la mayor carga eléctrica se toman como objeto de estudio para determinar si existen posibilidades de ahorro en ellos. En los motores eléctricos el termino eficiencia esta íntimamente relacionado al buen uso de la energía eléctrica en cuanto a su dimensionamiento para la carga a mover, bajo ese ideal surge la iniciativa de evaluar la eficiencia de los motores encargados de mover las unidades superficiales de bombeo mecánico (balancines) que no poseen variadores de velocidad.

SISTEMAS DE BOMBEO MECANICO (Balancines) Presentan en su estructura física un conjunto mecánico de contrapesos fijados a una manivela rotativa acoplada al reductor mecánico de velocidad (ver Fig. 1), el cual durante su funcionamiento ayuda al motor eléctrico que mueve el sistema de bombeo a no realizar solo el esfuerzo para llevar el crudo por medio de la succión de la bomba (ubicada en el subsuelo) hasta la superficie. El motor eléctrico proporciona el empuje de los contrapesos hasta el punto mas alto de su recorrido luego estos caen por gravedad ayudando al motor a realizar el mayor esfuerzo necesitado por la bomba para succionar el crudo hasta la superficie, justo en este momento cuando caen los contrapesos el esfuerzo requerido del motor es mínimo debido a que el mayor esfuerzo lo hacen los contrapesos. Ese movimiento en las manivelas rotativas origina que el motor eléctrico se vea expuesto a una carga de tipo cíclica variante en tiempos muy cortos. Los contrapesos son usados para balancear la unidad de bombeo, estos deben ser de igual peso que los elementos que se encuentran sumergidos a nivel del subsuelo para equilibrar el sistema, un mal diseño o movimiento de la posición en la manivela de los contrapesos crearía el desbalance del sistema de bombeo lo cual repercute en el esfuerzo que debe entregar el motor eléctrico y por ende en su consumo de energía.

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Fig. 1. Composición de un sistema de Bombeo Mecánico En la siguiente figura se muestra un registro de corriente realizado a un motor con un instrumento analizador de redes moviendo una unidad superficial durante 7 strokes, conociéndose por stroke el movimiento descendiente y ascendente del cabezote del balancín tomando como punto de inicio del movimiento el punto más alto que puede alcanzar el cabezote. Corriente (A) Vs Tiem po (s) 60

Corriente (A)

50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tiem po (s)

Fig. 2. Registro de corriente a motor de 75HP, WEG En la Fig. 2. se observa que un stroke ocurre cada 10 segundos aproximadamente y este ciclo se repite de manera continua, durante un stroke existen dos picos máximos de corriente, uno corresponde al ciclo de ascenso y el otro al de descenso del cabezote del balancín, cuando el sistema de bombeo esta debidamente balanceado los picos máximos de corriente serian del mismo valor, por lo tanto la unidad de la Fig. 2. esta desbalanceada.

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Eficiencia energética en motores de inducción bajo cargas cíclicas En la actualidad existen normas y estándares para la evaluación de la eficiencia en motores ante cargas continuas pero en lo que se refiere a cargas cíclicas no existe un procedimiento normalizado. En la revisión bibliografiílla revisada se localizó poca información acerca de la evaluación de la eficiencia en motores bajo cargas cíclicas, dos artículos de Durham [4] y [5] son de los que abordan la evaluación de la eficiencia en motores que accionan bombas de pozo (balancines), este autor utilizó las curvas dinámicas de las unidades superficiales de bombeo y las curvas de eficiencia de los motores, ofrecida por los fabricantes. Esta propuesta requiere de un gran manejo de información que muchas veces no es fácil de obtener. En el articulo, realizado por Elías de la Rosa y José Montejo [1], estos autores presentan una propuesta para la evaluación de la eficiencia en accionamientos cíclicos con motores asíncronos, esta basado en el método de segregación de pérdidas de la norma IEEE 112 [6], por ser uno de los mas exactos, se trabajan todas las magnitudes en términos de energía debido a que las pérdidas y potencias varían en función del tiempo por no ser constante la carga. La herramienta computacional elaborada para la evaluación de la eficiencia de los motores que proporcionan movimiento a las unidades de bombeo mecánico (balancines) objeto de este trabajo, contiene codificada en sus algoritmos la metodología propuesta por los señores Elías de la Rosa y José Montejo mencionada anteriormente basado en el método de segregación de pérdidas, que consiste en determinar las pérdidas energéticas internas que ocurren en el motor durante el ciclo de trabajo para luego sustraerlas de la energía tomada de la red por el motor. Para hacer uso de la herramienta computacional se requiere de mediciones de las siguientes magnitudes en el motor: P0 : Potencia de vacío consumida por el motor. I 0 : Corriente de vacío consumida por el motor.

R : Resistencia del estator cd

Además debe realizarse un registro al motor moviendo su carga y medir las siguientes magnitudes: E1 Energía de entrada por ciclos. I 1( t ) Corriente de línea Estas dos magnitudes mencionadas deben medirse con un instrumento que permite crear registros en función del tiempo como un analizador de redes. V1 Voltaje de línea. T Tiempo de duración del ciclo, obtenido de las simulaciones realizadas a cada pozo con motor a evaluar, simulaciones hechas con el software especializado para optimización de pozos TWM (Total well Manager). Con las magnitudes medidas por los distintos ensayos se procede a calcular las pérdidas energéticas mediante las expresiones: Para las pérdidas rotacionales

3 Prot  P0  ( I 02 Rcd ) 2

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Prot : Pérdidas rotacionales La energía es igual a la potencia consumida o entregada por el tiempo de duración del consumo o la entrega. Erot  ProtT T : es el tiempo de duración de cada del ciclo de trabajo, calculado con el software TWM con las mediciones de campo. Las pérdidas de energía en el estator se calculan según las expresiones:

Pcu 1  3 I (2t ) Rcd 2

Ecu 1 

3 Rcd 0t I (2t ) dt 2

Pcu1 : Pérdidas en el cobre del estator. Ecu1 : Pérdidas energéticas en el cobre del estator. Rcd : Valor ohmmico de la resistencia del estator El término

t

I 0

2 (t )

dt es el área bajo la curva de la corriente al cuadrado consumida por el motor

durante su ciclo de trabajo, se le asignará la variable A. esta se calcula por el método de integración de los trapecios. Por lo tanto las pérdidas energéticas en el cobre del estator serán

Ecu 1 

3 Rcd A 2

La energía electromagnética transmitida desde el estator al rotor será:

Em  E1  ( Ecu1  Erot ) Las pérdidas de energía en el rotor se determinan mediante la expresión: P S   n n E  A  I 2T    2 cu2  0  2  1  S  I  I  n  n 0 

Las pérdidas de energías adicionales E pd se calculan como un porcentaje de la nominal de la maquina y que son proporcionales al estado de carga lo que esta basado en las recomendaciones de la norma IEC 60034-2 [7] su expresión es la siguiente: P E pd  0,005 n2 A In Donde A, es el área bajo la curva de la corriente elevada al cuadrado, consumida por el motor durante su ciclo de trabajo. Finalmente la eficiencia del motor con respecto al accionamiento cíclico se calcula por la expresión basada en pérdidas pero expresada en términos energéticos

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n

E1   E p E1

Donde E1 energía en Kwh. consumida por el motor

E

p

 Ecu1  Ecu 2  Erot  E pd

Es la sumatoria de todas las pérdidas.

El punto de mayor eficiencia en motores que mueven unidades de geometrías convencionales balanceadas ocurre cerca del 40 % de la capacidad de carga nominal del motor, en aquellas que se encuentran desbalanceadas el punto de mayor eficiencia se encuentra entre el 25 y 30 % de la capacidad de carga nominal del motor. En unidades de bombeo mecánico de geometría no convencional el punto más alto de eficiencia en el motor que proporciona movimiento a la unidad se encuentra cercano al 50 % de su capacidad de carga nominal. Para obtener motores más eficientes, a la hora de dimensionarlos para unidades de bombeo debe cumplirse con el requerimiento mínimo de 2.5 veces la potencia de la barra pulida (PRHP) de la unidad superficial de bombeo mecánico para garantizar que el motor sea capaz de proporcionar el torque de arranque necesario para mover la unidad de bombeo. mhp  PRHP / 0.4 Donde: mhp : Potencia mínima del motor. PRHP : Potencia en la barra pulida.

La herramienta computacional codificada en MATLAB® con las ecuaciones mostradas anteriormente para el calculo de la eficiencia de los motores ante cargas cíclicas se le adicionó un modulo para evaluar posibles sustituciones de aquellos motores que les resulten bajas las eficiencias de trabajo. Con esto se busca mejorar los factores de carga de los motores instalados en las unidades de bombeo y evitar los sobredimensionamientos que afectan las eficiencias energéticas. De manera resumida el procedimiento para el estudio de posibles sustituciones de motores para mejorar los factores de carga consiste en:   



Establecer el patrón de carga mecánica bajo el cual se encuentra el motor en estudio en función de la potencia de entrada consumida por el motor durante un ciclo de trabajo, con las mediciones de campo realizadas con el analizador de redes. Haciendo uso de las curvas de rendimiento suministradas por los fabricantes de motores se crean las curvas potencias de salidas (P2) Vs. potencias de entradas (P1). Luego son ubicados cada uno de los puntos del patrón de carga mediante interpolación lineal en la curva potencias de salidas (P2) Vs. potencias de entradas (P1), para así determinar el patrón de carga requerido por la unidad superficial en función de las potencias suministrada por el motor en el eje (P2). Mientras el pozo conserve sus características internas esta potencia (P2) durante el ciclo de trabajo de la unidad superficial siempre será requerida independientemente del motor que la este accionando. Si se quiere sustituir el motor por uno de menor capacidad, el reemplazo debe ser capaz de suministrar todos los valores de potencias (P2) durante el ciclo (stroke). A continuación se emula el comportamiento de un motor de menor capacidad bajo el patrón de carga del motor que se desea reemplazar, para esto se usan las curvas del

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fabricante del motor Fig.3. para ubicar los puntos de potencia mecánica necesitados por la unidad de bombeo y por medio de interpolaciones lineales ubicar para cada valor de potencia mecánica de salida su potencia eléctrica de entrada y energía consumida.

Fig. 3. Curva de desempeño de motor suministrada por fabricante. La herramienta computacional fue adaptada para ser aplicada en el campo operacional de PDVSA una vez que se tengan los datos referenciales de ensayos en motores de semejantes características a los que se estudiaran en campo. El esquema de funcionamiento del programa se muestra a continuación.

Fig. 4. Diagrama de estructura del programa 7

Fig. 5. Pantalla del programa elaborado. En la figura 5. Se muestra en la curva el punto de eficiencia en 61,799 % a un factor de carga de 15% para un motor, luego de haber realizado la corrida con el programa.

Fig. 6. Pantalla del modulo de sustitución de motores.

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En la figura 6. El programa muestra en la curva superior la potencia eléctrica consumida por el motor moviendo la unidad. De izquierda a derecha en la parte inferior: patrón de carga solicitado por la unidad de bombeo, potencia consumida por el motor instalado, potencia que consumiría el motor de menor capacidad reemplazante y en la franja azul el ahorro energético resultante al realizar la sustitución. Para aplicar el programa creado para evaluar la eficiencia se escogieron los motores de la unidad productiva de extrapesado de PDVSA por ser la mayor poseedora de sistemas de bombeos mecánicos con arranque directo, debido a la viscosidad del tipo de crudo que extraen. Se tomaron registros en campo de potencia y energía a 48 motores, se realizaron simulaciones con el programa TWM a cada pozo petrolero respectivo donde se encontraba instalado cada motor que se le realizó el registro antes mencionado. La selección de la población de motores a los que se les evaluó la eficiencia con el programa elaborado se hizo bajo el criterio de que la bomba de subsuelo de la unidad de bombeo impulsada por el motor se encuentre llenando mas del 50%, este dato se obtuvo de las simulaciones hechas con el programa para optimizar pozos TWM, solo 8 pozos cumplieron con este requisito para ese momento. Pozo MFB 213 MFB 237 MFB 300 MFB 403 MFB 466 MFB 490 MFB 613 MFB 639

Corriente en Potencia en Strokes por Potencia en la Potencia del Veces vacio (Io) del vacio (Po) del minuto. barra pulida Motor. (HP) Rebobinado Motor. (A) Motor. (kW) (SPM) (PRHP). (kW) 50 24 2,3 7,26 9,17 0 50 24 2,3 6,43 12,309 0 75 39 4,4 6,64 7,9 0 75 39 4,4 6,84 6,49 0 75 39 4,4 6,87 8,35 0 75 39 4,4 6,84 8,1314 0 75 39 4,4 4,89 4,103 0 75 39 4,4 6,64 7,9 0

Tabla I. Datos de entrada.

RESULTADOS OBTENIDOS DEL PROGRAMA

Pozo

MFB 213 MFB 237 MFB 300 MFB 403 MFB 466 MFB 490 MFB 613 MFB 639

Motor

Efi. %

FP prom.

Energía Potencia de Energía Consumida salida consumida (Kwh) con motor 30 HP promedio (Kwh)

Energía Consumida (Kwh) con motor 50 HP

Ahorro al sust. Por motor de 30 HP

Ahorro al sust. Por motor de 50 HP

50 HP 70,82

0,27

9,2 HP

-

-

-

-

-

50 HP 73,71

0,44

7,85 HP

-

-

-

-

-

75 HP 55,71

0,31

7,47 HP

13,533

-

11,6878

-

1,8455

75 HP 45,53

0,22

8,06 HP

18,05

-

16,1435

75 HP 53,03

0,26

8,319 HP

14,9156

-

13,183

-

1,7326

75 HP 64,18

0,36

9,496 HP

13,9256

-

12,0368

-

1,8888

75 HP 61,17

0,31

9,625 HP

26,269

-

22,9096

-

3,3594

75 HP 48,75

0,23

10,947 HP

21,415

-

12,0368

-

9,3782

1,9097

Tabla II. Resultados obtenidos de las corridas con el programa.

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Los resultados obtenidos de las corridas realizadas con el programa elaborado mostrados en la tabla II se observa que los motores de 50 HP pertenecientes a los pozos MFB 213 Y MFB 237 presentan eficiencias superiores al 70 %, al evaluar estos mismos motores con el modulo de sustitución de motor del programa elaborado se obtuvo que ambos motores no pueden ser sustituidos por motores de menor capacidad, la potencia menor mas cercana del motor existente en el campo operacional es de 30 HP y al evaluarlo bajo los patrones de carga a los que se encuentran sometidos motores de 50 HP, los motores de reemplazo (30 HP) no son capaces de cumplir con el requerimiento de potencia exigido por la carga durante el ciclo de trabajo, lo cual certifica su alta eficiencia ante la carga impuesta. Todos los motores de 75HP presentaron la posibilidad de sustitución con un ahorro en Kwh. Representativo. CONCLUSIONES Se logro integrar en una sola metodología datos suministrados por los fabricantes, herramientas computacionales especializadas para optimización de pozos, ensayos y mediciones de campo para contar con una herramienta funcional para la evaluación de eficiencia de los motores que proporcionan movimiento a las unidades superficiales de bombeo mecánico, que no poseen variadores de velocidad La herramienta esta diseñada para ser aplicada de manera efectiva en el campo operacional de PDVSA SA, por contar con los equipos de medición necesarios y software especializado para la recolección de datos de entradas para la aplicación del programa de evaluación de eficiencia Las eficiencias de los motores que proporcionan movimiento a las unidades de bombeo mecánico son afectadas por el carácter cíclico del funcionamiento del balancín y al instalar motores no adecuados en las unidades convencionales esto disminuye aun mas la eficiencia de trabajo de los motores produciendo un consumo mayor de energía al requerido para realizar el trabajo incrementando los costos operativos cuando se trata de un gran numero de motores instalados en unidades no correspondientes. Los motores existentes en el campo operacional muchas veces son sobredimensionados por criterios de producción para contar con caballos de fuerzas extras necesarios para mover la unidad superficial en la arrancada, con esta investigación se determinó que es posible colocar motores de menor potencia en las unidades superficiales de bombeo mecánico de tipo 456, garantizando la potencia de arranque necesaria para mover la unidad superficial y en funcionamiento estable, además de los ahorros energéticos asociados a las instalaciones de los motores adecuados en las unidades de bombeo mecánico con arranque directo. En el campo operacional existe un gran potencial de ahorro energético que influye directamente en los costos operativos y en vista de las condiciones ambientales presentes actualmente cualquier ahorro logrado causaría un impacto considerable. Referencias [1] E. de la Rosa y J. Montejo. “Eficiencia en accionamientos con motores asincrónicos y cargas cíclicas”. Cuba, 2006. [2] Thetha Enterprises inc. "Manual de bombeo mecánico avanzado". USA, 2.005. [3] Echometer Co. “Manual de operación del analizador de pozo y programa TWM” [4] M. Durham. “ Effect of cyclic loading on motor efficiency”, IEEE Transactions on industry applications, Vol 24 No 6, pp 1153-1159, nov/dic 1988.

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[5] M. Durham. “ Motor design slip performance on cyclic loads”, IEEE Transactions on Industry applications, Vol 26 No 5, pp 919-925, set/oct 1990. [6] IEEE, IEEE Standard 112-2004, 2004. [7]http://www.weg.net/es/Productos-y-Servicios/Motores/Low-Voltage-Motors-NEMAStandard-60Hz

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Continuación del Trabajo — — — — — — — — — — — — — — — Fin del texto

BIBLIOGRAFÍA

Escriba aquí la bibliografía al final de su texto, de acuerdo a esta presentación (vea el ejemplo de referencia abajo de estas líneas). Las tipos de letras a utilizar siempre son Times o Helvética 11 ó 12. [1]

[2] [3] [4]

Working Group SC 22-12 CIGRE. “The thermal behaviour of overhead conductors Section 1 and 2 Mathematical model for evaluation of conductor temperature in the steady state and the application thereof” (Electra number 144 October 1992 pages 107-125) T. Seppa “Fried Wire?” (Public Utilities Fortnightly, December 2003, pages 39-41) Prospectiva del Sector Eléctrico 2002-2011. (Secretaría de Energía. Mexico, 2002). Resolución sobre las Modificaciones a la Metodología para la Determinación de los Cargos por Servicio de Transmisión de Energía Eléctrica. (Diario Oficial de la Federación. Jueves 23 de Diciembre de 1999).

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