INGENIERIA ELECTRONICA, MICROPROCESADORES, ENERGIA

T. DE LOQUI 58 - 9400 RIO GALLEGOS

COSTEO PRELIMINAR CONTROL DISTRIBUIDO EOLICA CERRO SOMBRERO - ENAP

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Fecha: Diciembre 2004

COSTEO PRELIMINAR CONTROL DISTRIBUIDO – ALTERNATIVA EOLICA E30/FL250+7 POZOS BOMBEO (A2a,A2b) Ing. Rafael Oliva

Teófilo de Loqui 58 (fdo) 9400 Rio Gallegos Santa Cruz ARGENTINA

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CONTENIDOS DEL COSTEO PRELIMINAR: 1. Introducción – Decisiones y Alternativas Definidas por MaBeCon 2. Características Sistema ALT A2-a con Enercon E30. 3. Características Sistema ALT A2-b con Furlander FL250 4. Conclusiones preliminares.

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1. Introducción – Decisiones y Alternativas Definidas por MaBeCon 1.1. Aprovechamiento de Pozos en Cerro Sombrero / Sara La decisión de ENAP de explorar la alternativa combinada Diesel-Eolica para Planta Sara, en combinación con 7 (siete) pozos a convertir de gas-lift a suministro eléctrico en zona cercana a Cerro Sombrero, requirió una serie de especificaciones acerca de las carácterísticas de las expansiones de red y cálculos de potencia/energía previos a la simulación (método Montecarlo) en preparación por la consultora MaBeCon. Tomando información suministrada tanto por ENAP como por MaBeCon sobre las carácterísticas del Sistema en sus alternativas actuales (3 Generadores térmicos Caterpillar, instalación completada en Enero 2004), la expansión con Alternativas eólicas Enercon E30 (300kW) y Fuhrlander 250kW, condujeron a los costeos preliminares y diagramas que presentamos aquí. 1.2. Decisiones generales sobre el tipo de control a utilizar Luego de los análisis de primera aproximación (Nov.2003) a los problemas de control en el caso específico de la red de Cerro Sombrero, atendiendo el caso de las turbinas eólicas Fuhrländer 250 y Enercon E30, el resultado fueron sistemas con alta penetración eólica pero con un costo excesivo. La alternativa explorada en esta instancia busca una reducción de los costos de Control y Adquisición de Datos, para lograr una potencia de penetración eolica menor (30 a 35%), contribuyendo al reconocimiento de los aspectos tecnológicos y a un ahorro de GN a través del efecto combinado de reducción de Potencia demandada a los Termogeneradores y reemplazo de los sistemas Gas-Lift por bombas de Accionamiento eléctrico. Las alternativas exploradas en esta instancia, son las de: a) A1 - Utilizar exclusivamente energía térmica expandiendo la red existente a los pozos seleccionados ( 2 para Bombas Electrosumergibles 100kW, en Sombrero y Sombrero E., más un conjunto disperso de PCP o electrosumergibles de 15kW, en un radio de aproximadamente 15km maximo, desde Sombrero E, hasta Victoria N y S), b) A2 - Utilizar la energía térmica con expansión de la red desde C.Sara, pero incorporando A2a) un aerogenerador Enercon E30, ó A2b) un aerogenerador Fuhrlander FL250. c) B Utilizacion de Equipos Electrogenos a GN portátiles para los 7 pozos seleccionados. 2. Características Sistema ALT A2-a con Enercon E30. 2.1 Características básicas E30 La firma Enercon (Aurich, Alemania) ha desarrollado una linea de aerogeneradores (E30, E40, E66) que utilizan el concepto gearless (sin caja multiplicadora) con generadores síncronos multipolo de velocidad de giro variable y control pitch para regulación de potencia. La interfase con la red se realiza a través de un convertidor a continua (de dos etapas) y un inversor de tecnología IGBT y conmutación rápida (Figura 2.1).

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MAQUINAS EÓLICAS ENERCON

Vdc1

SG

Vdc2 L

f Var.

R S T

C

EXC.

PITCH +Ω

400V/50Hz

BOOST

INVERTER

Turbine Controller

Figura 2.1 Diagrama interno Enercon

El convertidor CC/CC adicional agregado eleva la tensión Vdc1 a un nivel Vdc2 de 400V y lo estabiliza, permitiendo el funcionamiento del convertidor CC/CA. Desde la velocidad de giro de arranque (Ωcut-in) hasta la velocidad nominal (Ωnominal), la turbina trabaja con las palas en posición de máximo rendimiento, siguiendo una estrategia de control VSCpmax (ver Informe 2003, 1ª Parte, pp. 14) a medida que el viento aumenta. El control central se basa únicamente en mediciones de velocidad de giro y torque para estimar la velocidad de viento. Para vientos mayores, se mantiene la potencia constante modificando el ángulo de las palas, sosteniendo una velocidad de giro próxima a la nominal y un par cercano al máximo. El ángulo de cada una de las palas es modificado en forma individual por un motor de continua integrado a la raíz de la pala (ver Figura 2.2), con su propio controlador y suministro de emergencia. Esto redunda en gran confiabilidad, ya que los controladores en caso de perdida de comunicación con el control central, o de falla, llevan las palas a bandera bajando considerablemente los riesgos. Tres motores conectados en un esquema de piñon y corona llevan a la góndola a la posición frente a la dirección del viento.

Figura 2.2 Aspectos constructivos de Aerogeneradores Enercon

El generador es del tipo sincrónico multipolo en anillo, con excitación externa, lo cual le permite funcionar con altos rendimientos a muy baja velocidad de rotación, prescindiendo de las costosas cajas multiplicadoras de velocidad.

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2.2 Aplicación de Enercon E30 a la alternativa de bombeo eléctrico C. Sara Las alternativa (A2a) explorada en este punto implica, como se señaló, utilizar la energía térmica con expansión de la red desde C.Sara, pero incorporando un aerogenerador Enercon E30. El Diagrama general de la Instalación puede verse en la Figura 2.3. El mismo combina un grupo de 100kW de cargas estabilizadoras térmicas (se han supuesto cargas térmicas de bajo costo, disponibles cercanamente) y módulos DILC de Econnect (UK), además de un control central con una CPU+DataLogger L&R de bajo costo, módulos de conmutación distribuidos para las Bombas por red RS485 (red industrial #1, a distancias grandes con repetidores RF-UHF), y módulos de Adquisición de P,Q,U,I (Potencia Activa, Reactiva, Tensión y Corriente) con interfase RS485 enlazables en una red industrial#2. Los datos ambientales se restringen a medición de viento (intensidad y dirección) y Temperatura exterior, a través de una unidad Meteo FRONT-END de L&R que se comunica por RS485. Se han supuesto en principio la viabilidad de enlazar también: a) Controladores CAT y su instrumentación, a través de una Interfase RS485 a #2. b) Controlador maestro del E30, a traves de RS485. 2.3 Costos Estimación Inicial A2-a, 12-2004: (A2)a SISTEMA Enercon E30 Caract.:

1xMáquina E30/ 300kW

Termicas:

2x280kW+1x400kW

[MWh/kW]

Min

Energía/año

Qty

1240 Max 3258.72

4344.96

3801.8

372.0

496.0

434.0

Hardware 1 5 2

11 1 1 2 1 1 3 5 1 1 1 1

u$s/unit

CPU DL1-L&R, con Tarjeta SD Flash 256MB Microcontrolador + Llave 15kW/3ph/380VAC (Bombas ch) Microcontrolador + Llave 100kW/3ph/380VAC (Bombas Centr.) Modulos 9kW Tracing, tablero compartido, con 3DILC Econnect monofasicos c/u (100kW p/E30) Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 100kW c/RS485 para DILC Adaptacion RS485 a ADQP,Q,U,I 300kW del CAT Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 300kW c/RS485 para Aero,Bombas Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 400kW c/RS485 para CargaPueblo Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para Cargas Sara Modulos Repetidores RF-RS485 para UHF, Victoria N y S Aisladores Opticos RS485 Meteo/FRONT END RS485 (Incluye Torre 20m, Temp, V,Vdir) Tablero Nuevo de Pie para Alojamiento CPU/ Instrumentacion Cableado de control, RS485, Instalaciones Vs. Costos de Ingenieria Detalle de Control y Software

Total Sistema de Control para E30/ALT2A

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u$s

$3,000.00

$3,000.00

$600.00

$3,000.00

$1,500.00

$3,000.00

$780.00

$8,580.00

$600.00

$600.00

$400.00

$400.00

$1,000.00

$2,000.00

$1,200.00

$1,200.00

$700.00

$700.00

$800.00

$2,400.00

$140.00

$700.00

$2,000.00

$2,000.00

$800.00

$800.00

$2,000.00

$2,000.00

$7,000.00

$7,000.00 $37,380.00

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E30 CERRO SOMBRERO - Control Distribuido v2004 R.OLIVA 12-2004

PC

WWW

G1

SG

BUS BARS - 3PH+N 380V/50Hz

3PH+N. - 380V/50Hz

WTC

Pitch

ETH-TCP/IP

CPU/ADQ.DATOS CONTROL CARGAS CPU/ADQ.DATOS

SD

3PH+N. - 380V/50Hz

280kW

RS486 uC0

3.2km

uC1

DILC-1

13.2kV

uC2

existente

13.2kV

RF

***

B6 (100kW)

RF

DILC-n

Tx/Rx RF

B8 (15kW)

B3 (15kW)

VICTORIA S

uCn

uCn

3km

PUEBLO C.SOMBRERO

3PH+N. - 380V/50Hz

300 a 380kW 13.2kV

Tx/Rx DILC GRUPOS X 3

VICTORIA N.

B1 (15kW)

***

DILC-2

B3 (15kW)

3PH+N. - 380V/50Hz

11 CARGAS TRIFÁSICAS DE 9kW (p/E30 / 100kW Termicos)

uCn

2.2km

13.2kV existente

Figura 2.3 Alternativa A2a con E30 y 7 pozos alimentados por eléctrica

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CARGAS NORMALES

DILC-0

100kW (nom)

CARGAS PLANTA SARA

275kW (nom)

RS485/RF/MODBUS

B2 (100kW)

1.5km

G3

RED INDUSTRIAL #1

PTot=275kW(Nom)=2X100kW - 5x15kW

uCn

280kW

MEM. SD (16-512MB)

BOMBAS

Tx/Rx B4 (15kW)

G2

SG

ADQ.P,Q,U,I-1

METEO-FR.END

ADQ.P,Q,U,I-1

RS485 #2

V(Vie),D(Vie),T

SOMBRERO E.

3PH+N. - 380V/50Hz

SG 320kW

SG CAT.CONTROL

ISO

RS485 #1

ADQ.P,Q,U,I-1

f, df/dt

ADQ.P,Q,U,I-1

NRG_#40C

IFC

RS485

ADQ.P,Q,U,I-1

ISO

(Presupuestar CAT)

13.2kV

ADQ.P,Q,U,I-1

300kW (nom)

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3. Características Sistema ALT A2-b con Furlander FL250 3.1 Características del Fuhrlander FL250 en cuanto a control Las características técnicas sobresalientes, en cuanto a aspectos de control, se resumen a continuación. Máquina Eólica Fuhrländer 250 Potencia nominal Velocidad de viento nominal Regulación de potencia Diámetro / Nº de palas Velocidades de giro (2, fijas) Tipo de Generador Velocidad de giro del Generador Caja multiplicadora Tensión de salida Acople a la red Freno principal Freno secundario Regulación Azimutal Computador principal Alturas de torre Producción de referencia anual Vel.viento de supervivencia Cantidad de unidades instaladas mundial Fabricante

50/250kW 15m/s stall 29m/ 3 29 y 38RPM Asincrónico, polos conmutables 750 y 1000RPM Planetaria de 2 etapas, 1:26 400V Tiristorizado marca Weier Puntas de palas (centrífugo) De disco 2 motores,piñon y corona Standard, de Mita Technik A/S 42 ó 50m 480 / 510MWh año, segun torre 67m/s 37 Fuhrländer AG, Waigandshain, Alemania (www.fuhrlaender.de)

figura 3.1 Máquina Eolica FL250

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3.2 Aplicación de Fuhrlander FL250 a la alternativa de bombeo eléctrico C. Sara Las alternativa (A2b) explorada en este punto implica, como se señaló, utilizar la energía térmica con expansión de la red desde C.Sara, pero incorporando un aerogenerador Fuhrlander FL250. El Diagrama general de la Instalación puede verse en la Figura 3.2. El mismo combina un grupo (mayor, por ser maquina stall) de 200kW de cargas estabilizadoras térmicas (se han supuesto cargas térmicas de bajo costo, disponibles cercanamente) y módulos DILC de Econnect (UK), además de un control central con una CPU+DataLogger L&R de bajo costo, módulos de conmutación distribuidos para las Bombas por red RS485 (red industrial #1, a distancias grandes con repetidores RF-UHF), y módulos de Adquisición de P,Q,U,I (Potencia Activa, Reactiva, Tensión y Corriente) con interfase RS485 enlazables en una red industrial#2. Los datos ambientales se restringen a medición de viento (intensidad y dirección) y Temperatura exterior, a través de una unidad Meteo FRONT-END de L&R que se comunica por RS485. Se han supuesto en principio la viabilidad de enlazar también: c) Controladores CAT y su instrumentación, a través de una Interfase RS485 a #2. d) Controlador maestro del FL250 (on-off), a traves de RS485. 3.3 Costos Estimación Inicial A2-b, 12-2004: (A2)b SISTEMA Fuhrlander 250 Caract.:

1x Máquina Fuhrlander 250kW

Termicas:

2x280kW+1x400kW

[MWh/kW]

Min

1240 Max

Energía/año

3258.72

4344.96

3801.8

372.0

496.0

434.0

Qty

Hardware

u$s/unit

1

CPU DL1-L&R, con Tarjeta SD Flash 256MB

5

Microcontrolador + Llave 15kW/3ph/380VAC (Bombas ch)

2

Microcontrolador + Llave 100kW/3ph/380VAC (Bombas Centr.)

22

u$s

$3,000.00

$3,000.00

$600.00

$3,000.00

$1,500.00

$3,000.00

Modulos 9kW Tracing, tablero compartido, con 3DILC Econnect monofasicos c/u (200kW p/FL250)

$780.00

$17,160.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para DILC

$800.00

$800.00

1

Adaptacion RS485 a ADQP,Q,U,I 300kW del CAT

$400.00

$400.00

2

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 300kW c/RS485 para Aero,Bombas

$1,000.00

$2,000.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 400kW c/RS485 para CargaPueblo

$1,200.00

$1,200.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para Cargas Sara

$700.00

$700.00

3

Modulos Repetidores RF-RS485 para UHF, Victoria N y S

$800.00

$2,400.00

5

Aisladores Opticos RS485

$140.00

$700.00

1

Meteo/FRONT END RS485 (Incluye Torre 20m, Temp, V,Vdir)

$2,000.00

$2,000.00

1

Tablero Nuevo de Pie para Alojamiento CPU/ Instrumentacion

$800.00

$800.00

1

Cableado de control, RS485, Instalaciones Vs.

$2,000.00

$2,000.00

1

Costos de Ingenieria Detalle de Control y Software

$7,000.00

Total Sistema de Control para F250/ALT2B

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$7,000.00 $46,160.00

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F250 CERRO SOMBRERO - Control Distribuido v2004 R.OLIVA 12-2004

FUHRLANDER 250

G1 BUS BARS - 3PH+N 380V/50Hz

WTC

3PH+N. - 380V/50Hz ETH-TCP/IP

RS485 #1

ISO

on/off

CPU/ADQ.DATOS CONTROL CARGAS CPU/ADQ.DATOS

SD

3PH+N. - 380V/50Hz

IFC

280kW

RS486 uC0

3.2km

uC1

DILC-1

13.2kV

DILC-2

B3 (15kW)

***

*** ***

13.2kV

RF

***

uC2

existente

B6 (100kW)

RF

DILC-11

Tx/Rx RF

B8 (15kW)

uCn

uCn

B3 (15kW)

PUEBLO C.SOMBRERO

3PH+N. - 380V/50Hz

300 a 380kW 13.2kV

Tx/Rx

DILC-n

VICTORIA S

VICTORIA N.

B1 (15kW)

3PH+N. - 380V/50Hz

uCn DILC GRUPOS X 3 22 CARGAS TRIFÁSICAS DE 9kW (p/F250 / 200kW Termicos)

3km

2.2km

13.2kV existente

Figura 3.2 Alternativa A2b con FL250 y 7 pozos alimentados por eléctrica

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CARGAS NORMALES

DILC-0

200kW (nom)

CARGAS PLANTA SARA

275kW (nom)

RS485/RF/MODBUS

B2 (100kW)

1.5km

G3

RED INDUSTRIAL #1

BOMBAS

uCn

280kW

MEM. SD (16-512MB)

PTot=275kW(Nom)=2X100kW - 5x15kW

Tx/Rx B4 (15kW)

G2

SG

ADQ.P,Q,U,I-1

METEO-FR.END

ADQ.P,Q,U,I-1

RS485 #2

V(Vie),D(Vie),T

SOMBRERO E.

3PH+N. - 380V/50Hz

SG 320kW

SG CAT.CONTROL

f, df/dt

ADQ.P,Q,U,I-1

NRG_#40C

ADQ.P,Q,U,I-1

ADQ.P,Q,U,I-1

(Presupuestar CAT)

13.2kV

ADQ.P,Q,U,I-1

250kW (nom)

ASG

CAJA

PC

WWW

Xc

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4. Conclusiones preliminares A esta altura, es sólo posible realizar una estimación de los costos, aunque resultan reducidos respecto a alternativas anteriores por requerirse menor penetración eólica. Hay componentes de costo, como las cargas térmicas, cuyo valor puede reducirse significativamente respecto a compras a firmas de gran calidad industrial como Omega (USA), presupuestadas en el Segundo Informe 2003. A efectos comparativos, se muestran ambas tablas de costos de A2a,A2b juntas: Alternativas (A2) - Control Distribuido Bombas + Econnect (A2)a SISTEMA Enercon E30

(A2)b SISTEMA Fuhrlander 250

Caract.:

1xMáquina E30/ 300kW

Caract.:

Termicas:

2x280kW+1x400kW

[MWh/kW]

Min

Max

Energía/año

[MWh/kW]

3258.72

4344.96

372.0

496.0

Qty

1x Máquina Fuhrlander 250kW

1240 Termicas:

Hardware

u$s/unit

CPU DL1-L&R, con Tarjeta SD Flash 256MB

5

Microcontrolador + Llave 15kW/3ph/380VAC (Bombas ch)

2

Microcontrolador + Llave 100kW/3ph/380VAC (Bombas Centr.)

11

Modulos 9kW Tracing, tablero compartido, con 3DILC Econnect monofasicos c/u (100kW p/E30)

$780.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 100kW c/RS485 para DILC

1

Adaptacion RS485 a ADQP,Q,U,I 300kW del CAT

2

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 300kW c/RS485 para Aero,Bombas

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 400kW c/RS485 para CargaPueblo

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para Cargas Sara

$700.00

3

Modulos Repetidores RF-RS485 para UHF, Victoria N y S

5

Aisladores Opticos RS485

1

Meteo/FRONT END RS485 (Incluye Torre 20m, Temp, V,Vdir)

1

Tablero Nuevo de Pie para Alojamiento CPU/ Instrumentacion

1

Cableado de control, RS485, Instalaciones Vs.

$2,000.00

1

Costos de Ingenieria Detalle de Control y Software

$7,000.00

1240 Max

3801.8 Energía/año

4344.96

3801.8

372.0

496.0

434.0

Qty

Hardware

u$s/unit

1

CPU DL1-L&R, con Tarjeta SD Flash 256MB

5

Microcontrolador + Llave 15kW/3ph/380VAC (Bombas ch)

2

Microcontrolador + Llave 100kW/3ph/380VAC (Bombas Centr.)

$8,580.00

22

Modulos 9kW Tracing, tablero compartido, con 3DILC Econnect monofasicos c/u (200kW p/FL250)

$600.00

$600.00

1

$400.00

$400.00

$3,000.00

$3,000.00

$600.00

$3,000.00

$1,500.00

$3,000.00

$780.00

$17,160.00

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para DILC

$800.00

$800.00

1

Adaptacion RS485 a ADQP,Q,U,I 300kW del CAT

$400.00

$400.00

2

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 300kW c/RS485 para Aero,Bombas

$1,000.00

$2,000.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 400kW c/RS485 para CargaPueblo

$1,200.00

$1,200.00

$700.00

1

Modulo Medicion ADQP,Q,U,I 200kW c/RS485 para Cargas Sara

$700.00

$700.00

$800.00

$2,400.00

3

Modulos Repetidores RF-RS485 para UHF, Victoria N y S

$800.00

$2,400.00

$140.00

$700.00

5

Aisladores Opticos RS485

$140.00

$700.00

1

Meteo/FRONT END RS485 (Incluye Torre 20m, Temp, V,Vdir)

$2,000.00

$2,000.00

1

Tablero Nuevo de Pie para Alojamiento CPU/ Instrumentacion

$800.00

$800.00

$2,000.00

1

Cableado de control, RS485, Instalaciones Vs.

$2,000.00

$2,000.00

$7,000.00

1

Costos de Ingenieria Detalle de Control y Software

$7,000.00

$1,500.00

$1,000.00 $1,200.00

$2,000.00 $800.00

Total Sistema de Control para E30/ALT2A

$3,000.00 $3,000.00

$2,000.00 $1,200.00

$2,000.00 $800.00

$37,380.00 Total Sistema de Control para F250/ALT2B

Río Gallegos, 20 de Diciembre de 2004.

Teófilo de Loqui 58 (fdo) 9400 Rio Gallegos Santa Cruz ARGENTINA

u$s

$3,000.00

$600.00

$3,000.00



3258.72

434.0

u$s

1

2x280kW+1x400kW Min

L&R INGENIERIA www.lyr-ing.com

TE: 54 (0) 2966 430923 FAX: 54 (0) 2966 430923 - 431081 e-mail: [email protected]

$7,000.00 $46,160.00