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Puerto Ordaz, 04249028407, [email protected]
ELABORACION DE UNA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL ESTUDIO DE
LA EFICIENCIA ENERGTICA EN MOTORES DE BOMBEO MECNICO DEL
DISTRITO SAN TOM DE PDVSA/DIVISION FAJA.
Hernndez Jerson
Ezomar Uzcategui
PDVSA
RESUMEN
El proyecto presenta una herramienta computacional para evaluar
la eficiencia energtica de los
motores de induccin que proporcionan movimiento a las unidades
superficiales de bombeo
mecnico de PDVSA Distrito San Tom, se integr en una metodologa
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
cclica 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 elctrico. Los
resultados obtenidos de la evaluacin de eficiencia en los
motores se acercan a lo establecido por
teoras de estudios previos. Con su aplicacin se podr establecer
criterios para optimizar
energticamente el consumo elctrico de los motores instalados en
la unidad superficial de
bombeo mecnico.
PALABRAS CLAVE
Motores, Balancines, Cargas cclicas, Ahorro, Eficiencia
energtica, Stroke.
Comit Nacional Venezolano
III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGA ELCTRICA
Marzo 2012
A1-112
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INTRODUCCION
En la actualidad se ha incrementado el consumo de energa
elctrica en el mundo, situacin que
no es distinta en Venezuela. Gran parte de la energa consumida
en nuestro pas es producida por
hidrogeneracin, proceso que se ha visto afectado fuertemente por
fenmenos climatolgicos,
contribuyendo con el congestionamiento del sistema elctrico
nacional. En vista de esa situacin
el gobierno nacional impulsa la propuesta de reducir los
consumos energticos en las empresas
del estado, PDVSA como empresa principal del pas se une a la
propuesta evaluando la
posibilidad de reducir el consumo energtico en las diferentes
reas que conforman sus procesos,
logrando una reduccin significativa en sus reas
administrativas.
PDVSA maneja un gran nmero de motores en sus procesos
productivos, representando estos los
mayores consumidores de energa, basndose en que representan la
mayor carga elctrica se
toman como objeto de estudio para determinar si existen
posibilidades de ahorro en ellos.
En los motores elctricos el termino eficiencia esta ntimamente
relacionado al buen uso de la
energa elctrica 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 mecnico (balancines) que no poseen variadores de
velocidad.
SISTEMAS DE BOMBEO MECANICO (Balancines)
Presentan en su estructura fsica un conjunto mecnico de
contrapesos fijados a una manivela
rotativa acoplada al reductor mecnico de velocidad (ver Fig. 1),
el cual durante su
funcionamiento ayuda al motor elctrico que mueve el sistema de
bombeo a no realizar solo el
esfuerzo para llevar el crudo por medio de la succin de la bomba
(ubicada en el subsuelo) hasta
la superficie. El motor elctrico 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
mnimo debido a que el mayor
esfuerzo lo hacen los contrapesos. Ese movimiento en las
manivelas rotativas origina que el
motor elctrico se vea expuesto a una carga de tipo cclica
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 diseo o movimiento de la posicin en la manivela de los
contrapesos creara el
desbalance del sistema de bombeo lo cual repercute en el
esfuerzo que debe entregar el motor
elctrico y por ende en su consumo de energa.
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Fig. 1. Composicin de un sistema de Bombeo Mecnico
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, conocindose por stroke
el movimiento descendiente y ascendente del cabezote del balancn
tomando como punto de
inicio del movimiento el punto ms alto que puede alcanzar el
cabezote.
Corriente (A) Vs Tiempo (s)
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo (s)
Co
rrie
nte
(A
)
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
mximos de corriente, uno
corresponde al ciclo de ascenso y el otro al de descenso del
cabezote del balancn, cuando el
sistema de bombeo esta debidamente balanceado los picos mximos
de corriente serian del
mismo valor, por lo tanto la unidad de la Fig. 2. esta
desbalanceada.
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4
Eficiencia energtica en motores de induccin bajo cargas
cclicas
En la actualidad existen normas y estndares para la evaluacin de
la eficiencia en motores ante
cargas continuas pero en lo que se refiere a cargas cclicas no
existe un procedimiento
normalizado.
En la revisin bibliografilla revisada se localiz poca informacin
acerca de la evaluacin de la
eficiencia en motores bajo cargas cclicas, dos artculos de
Durham [4] y [5] son de los que
abordan la evaluacin de la eficiencia en motores que accionan
bombas de pozo (balancines), este
autor utiliz las curvas dinmicas 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 informacin que muchas veces no es fcil de obtener.
En el articulo, realizado por Elas de la Rosa y Jos Montejo [1],
estos autores presentan una
propuesta para la evaluacin de la eficiencia en accionamientos
cclicos con motores asncronos,
esta basado en el mtodo de segregacin de prdidas de la norma
IEEE 112 [6], por ser uno de
los mas exactos, se trabajan todas las magnitudes en trminos de
energa debido a que las
prdidas y potencias varan en funcin del tiempo por no ser
constante la carga.
La herramienta computacional elaborada para la evaluacin de la
eficiencia de los motores que
proporcionan movimiento a las unidades de bombeo mecnico
(balancines) objeto de este trabajo,
contiene codificada en sus algoritmos la metodologa propuesta
por los seores Elas de la Rosa y
Jos Montejo mencionada anteriormente basado en el mtodo de
segregacin de prdidas, que
consiste en determinar las prdidas energticas internas que
ocurren en el motor durante el ciclo
de trabajo para luego sustraerlas de la energa 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:
:0P Potencia de vaco consumida por el motor. :0I Corriente de
vaco consumida por el motor.
cdR : Resistencia del estator
Adems debe realizarse un registro al motor moviendo su carga y
medir las siguientes
magnitudes:
1E Energa de entrada por ciclos.
)(1 tI Corriente de lnea
Estas dos magnitudes mencionadas deben medirse con un
instrumento que permite crear registros
en funcin del tiempo como un analizador de redes.
1V Voltaje de lnea. T Tiempo de duracin del ciclo, obtenido de
las simulaciones realizadas a
cada pozo con motor a evaluar, simulaciones hechas con el
software especializado para
optimizacin de pozos TWM (Total well Manager).
Con las magnitudes medidas por los distintos ensayos se procede
a calcular las prdidas
energticas mediante las expresiones:
Para las prdidas rotacionales
)2
3( 2
00 cdrotRIPP
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5
rotP : Prdidas rotacionales
La energa es igual a la potencia consumida o entregada por el
tiempo de duracin del consumo
o la entrega.
TPE rotrot
T : es el tiempo de duracin de cada del ciclo de trabajo,
calculado con el software TWM con las
mediciones de campo.
Las prdidas de energa en el estator se calculan segn las
expresiones:
cdtcu RIP2
)(1 23
t
tcdcudtIRE 0
2
)(1
2
3
1cuP : Prdidas en el cobre del estator. 1cuE : Prdidas
energticas en el cobre del estator. cdR :
Valor ohmmico de la resistencia del estator
El trmino t
t dtI0
2
)( es el rea bajo la curva de la corriente al cuadrado consumida
por el motor
durante su ciclo de trabajo, se le asignar la variable A. esta
se calcula por el mtodo de
integracin de los trapecios. Por lo tanto las prdidas energticas
en el cobre del estator sern
AREcdcu
2
31
La energa electromagntica transmitida desde el estator al rotor
ser:
)( 11 rotcum EEEE
Las prdidas de energa en el rotor se determinan mediante la
expresin:
T2
0IA
2
0I2
nI
nS1
nS
nP
cu2E
Las prdidas de energas adicionales pdE 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 expresin es la siguiente:
AI
PE
n
n
pd 2005,0
Donde A, es el rea 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
cclico se calcula por la expresin basada en prdidas pero
expresada en trminos energticos
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6
1
1
E
EEn
p
Donde 1E energa en Kwh. consumida por el motor
pdrotcucup EEEEE 21 Es la sumatoria de todas las prdidas.
El punto de mayor eficiencia en motores que mueven unidades de
geometras 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
mecnico de geometra no
convencional el punto ms 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 ms eficientes, a la hora de dimensionarlos
para unidades de bombeo debe
cumplirse con el requerimiento mnimo de 2.5 veces la potencia de
la barra pulida (PRHP) de la
unidad superficial de bombeo mecnico para garantizar que el
motor sea capaz de proporcionar
el torque de arranque necesario para mover la unidad de
bombeo.
4.0/PRHPmhp
Donde:
mhp : Potencia mnima 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 cclicas se le adicion 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
energticas.
De manera resumida el procedimiento para el estudio de posibles
sustituciones de motores para
mejorar los factores de carga consiste en:
Establecer el patrn de carga mecnica bajo el cual se encuentra
el motor en estudio en funcin 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 patrn de carga
mediante interpolacin lineal en la curva potencias de salidas (P2)
Vs. potencias de entradas (P1), para as
determinar el patrn de carga requerido por la unidad superficial
en funcin de las
potencias suministrada por el motor en el eje (P2). Mientras el
pozo conserve sus
caractersticas internas esta potencia (P2) durante el ciclo de
trabajo de la unidad
superficial siempre ser 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 continuacin se emula el comportamiento de un motor de menor
capacidad bajo el patrn 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
mecnica necesitados por la
unidad de bombeo y por medio de interpolaciones lineales ubicar
para cada valor de
potencia mecnica de salida su potencia elctrica de entrada y
energa consumida.
Fig. 3. Curva de desempeo 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
caractersticas a los que se estudiaran en campo. El esquema de
funcionamiento del programa se
muestra a continuacin.
Fig. 4. Diagrama de estructura del programa
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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 sustitucin de motores.
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En la figura 6. El programa muestra en la curva superior la
potencia elctrica consumida por el
motor moviendo la unidad. De izquierda a derecha en la parte
inferior: patrn de carga solicitado
por la unidad de bombeo, potencia consumida por el motor
instalado, potencia que consumira el
motor de menor capacidad reemplazante y en la franja azul el
ahorro energtico resultante al
realizar la sustitucin.
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
mecnicos con arranque directo, debido a la viscosidad del tipo
de crudo que extraen. Se tomaron
registros en campo de potencia y energa a 48 motores, se
realizaron simulaciones con el
programa TWM a cada pozo petrolero respectivo donde se
encontraba instalado cada motor que
se le realiz el registro antes mencionado. La seleccin de la
poblacin de motores a los que se
les evalu 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.
PozoPotencia del
Motor. (HP)
Corriente en
vacio (Io) del
Motor. (A)
Potencia en
vacio (Po) del
Motor. (kW)
Strokes por
minuto.
(SPM)
Potencia en la
barra pulida
(PRHP). (kW)
Veces
Rebobinado
MFB 213 50 24 2,3 7,26 9,17 0
MFB 237 50 24 2,3 6,43 12,309 0
MFB 300 75 39 4,4 6,64 7,9 0
MFB 403 75 39 4,4 6,84 6,49 0
MFB 466 75 39 4,4 6,87 8,35 0
MFB 490 75 39 4,4 6,84 8,1314 0
MFB 613 75 39 4,4 4,89 4,103 0
MFB 639 75 39 4,4 6,64 7,9 0 Tabla I. Datos de entrada.
RESULTADOS OBTENIDOS DEL PROGRAMA
Pozo Motor Efi. %
FP prom.
Potencia de salida
promedio
Energa consumida
(Kwh)
Energa Consumida (Kwh) con
motor 30 HP
Energa Consumida (Kwh) con motor 50
HP
Ahorro al sust.
Por motor de
30 HP
Ahorro al sust. Por motor de
50 HP
MFB 213 50 HP 70,82 0,27 9,2 HP - - - - -
MFB 237 50 HP 73,71 0,44 7,85 HP - - - - -
MFB 300 75 HP 55,71 0,31 7,47 HP 13,533 - 11,6878 - 1,8455
MFB 403 75 HP 45,53 0,22 8,06 HP 18,05 - 16,1435 1,9097
MFB 466 75 HP 53,03 0,26 8,319 HP 14,9156 - 13,183 - 1,7326
MFB 490 75 HP 64,18 0,36 9,496 HP 13,9256 - 12,0368 - 1,8888
MFB 613 75 HP 61,17 0,31 9,625 HP 26,269 - 22,9096 - 3,3594
MFB 639 75 HP 48,75 0,23 10,947 HP 21,415 - 12,0368 - 9,3782
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
sustitucin 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 sustitucin con un ahorro en Kwh.
Representativo.
CONCLUSIONES
Se logro integrar en una sola metodologa datos suministrados por
los fabricantes, herramientas
computacionales especializadas para optimizacin de pozos,
ensayos y mediciones de campo
para contar con una herramienta funcional para la evaluacin de
eficiencia de los motores que
proporcionan movimiento a las unidades superficiales de bombeo
mecnico, que no poseen
variadores de velocidad
La herramienta esta diseada para ser aplicada de manera efectiva
en el campo operacional de
PDVSA SA, por contar con los equipos de medicin necesarios y
software especializado para la
recoleccin de datos de entradas para la aplicacin del programa
de evaluacin de eficiencia
Las eficiencias de los motores que proporcionan movimiento a las
unidades de bombeo mecnico
son afectadas por el carcter cclico del funcionamiento del
balancn 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 energa 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 produccin para contar con caballos de fuerzas
extras necesarios para mover la
unidad superficial en la arrancada, con esta investigacin se
determin que es posible colocar
motores de menor potencia en las unidades superficiales de
bombeo mecnico de tipo 456,
garantizando la potencia de arranque necesaria para mover la
unidad superficial y en
funcionamiento estable, adems de los ahorros energticos
asociados a las instalaciones de los
motores adecuados en las unidades de bombeo mecnico con arranque
directo.
En el campo operacional existe un gran potencial de ahorro
energtico que influye directamente
en los costos operativos y en vista de las condiciones
ambientales presentes actualmente
cualquier ahorro logrado causara un impacto considerable.
Referencias
[1] E. de la Rosa y J. Montejo. Eficiencia en accionamientos con
motores asincrnicos y cargas cclicas. Cuba, 2006. [2] Thetha
Enterprises inc. "Manual de bombeo mecnico avanzado". USA,
2.005.
[3] Echometer Co. Manual de operacin 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.
-
11
[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-NEMA-
Standard-60Hz
-
12
Continuacin del Trabajo
Fin del texto
BIBLIOGRAFA
Escriba aqu la bibliografa al final de su texto, de acuerdo a
esta presentacin (vea el ejemplo de referencia abajo de estas
lneas). Las tipos de letras a utilizar siempre son Times o Helvtica
11 12.
[1] 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) [2] T.
Seppa Fried Wire? (Public Utilities Fortnightly, December 2003,
pages 39-41) [3] Prospectiva del Sector Elctrico 2002-2011.
(Secretara de Energa. Mexico, 2002).
[4] Resolucin sobre las Modificaciones a la Metodologa para la
Determinacin de los Cargos por
Servicio de Transmisin de Energa Elctrica. (Diario Oficial de la
Federacin. Jueves 23 de
Diciembre de 1999).
