MICROTURBINAS DE GAS Aplicación de filtro pasabajas semiautomático

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1 MICROTURBINAS DE GAS Aplicación de filtro pasabajas semiautomático Descripción del problema: En el mes de octubre de 2004, la empresa distribuidora Coinel fue invitada para proponer un estudio de calidad de la energía eléctrica con el fin de identificar las causas que provocaban fallas en diversos componentes electrónicos de 13 sistemas eléctricos de plataformas marinas de perforación y extracción de petróleo de Pemex, localizadas en el complejo AKAL de la sonda de Campeche, en el Golfo de México, las cuales, incluyen la aplicación de una nueva tecnología de generación de energía eléctrica conocida como Microturbinas de gas. Prácticamente, cada sistema está compuesto de los siguientes elementos: Dos microturbinas de gas de 30 kw cada una, conectadas en paralelo y generando energía eléctrica con un nivel de tensión de 480 volts de corriente alterna. Básicamente, las microturbinas aprovechan el gas natural para generar energía eléctrica, con ayuda de electrónica de potencia modulada mediante pulsos PWM, con un rotor suspendido en rodamientos de aire que gira a muy altas revoluciones y cuyo mantenimiento es mínimo. Una UPS de tipo industrial como carga principal y más importante dentro del sistema, con dos condiciones de operación; la primera, con bajo consumo de energía denominada flotación y la segunda, con alto consumo de energía, denominada igualación. Otras cargas pequeñas como motores para ventilación y alumbrado del tipo fluorescente. Microturbina de gas Los 13 sistemas, con menos de un año en operación, presentaron fallas en las tarjetas electrónicas, tanto de las propias microturbinas como en algunos componentes de las UPSs, los cuales ocasionaron fuertes egresos al usuario tanto por la reposición de los componentes que fallaron como por la salida de operación de los sistemas que habían sido aislados eléctricamente del resto de la instalación, con el fin de hacerlos más confiables y eficientes en su operación. El fabricante de las microturbinas argumentó, ante las reclamaciones del usuario, que las fallas eran provocadas por la mala calidad de la energía eléctrica ocasionada por las cargas no lineales conectadas. Mediciones, antes de la solución: Se realizaron mediciones en cuatro de los trece sistemas y en varios puntos de cada uno de ellos y después de analizarlos se llegó a la conclusión que MICROTURBINAS GAS Estudio de caso 1

2 la principal causa de las fallas, era la alta distorsión armónica en tensión generada por la corriente distorsionada de la UPS cuando operaba en la condición de igualación, cuyas gráficas de forma de onda y espectro armónico se presentan a continuación. Forma de onda y espectro armónico en corriente de la fase B Es importante mencionar que el factor de potencia medido osciló entre 0.69 y 0.75 para esa misma condición. También se detectaron algunos picos de voltaje relacionados con los cambios de estado de flotación a igualación. Forma de onda y espectro armónico en tensión de la fase B Análisis de la solución recomendada: Con las mediciones realizadas y la ayuda de varias corridas de simulaciones en computadora se probaron teóricamente varias propuestas de solución con elementos pasivos, desde la aplicación de reactores de línea y filtros sintonizados hasta los filtros pasabajas. MICROTURBINAS GAS Estudio de caso 2

3 Diagrama unifilar simplificado de la solución de operación de los sistemas, tanto en disminución de distorsión armónica como en mejora del factor de potencia. GEN Microturbina 1 GEN Microturbina 2 Akal - TM Akal - E Akal - M CCM 480 v olts Akal - KL Reactor de Línea (entrada) 4 kvar 8 kvar Reactor de Línea (salida) 3 kvar 10 k VAR Cargas Energía Regulada Aunque en teoría los sistemas medidos eran iguales en cuanto a su diseño y componentes, se encontraron diferencias en su comportamiento eléctrico, por lo que hubo necesidad también de pensar en una solución con la suficiente flexibilidad para satisfacer las diferencias detectadas, tanto en los diferentes sistemas como por las propias condiciones de operación de los mismos. Instalación del equipo en sitio Filtro pasabajas semiautomático En medio de este proceso y por la premura del usuario final de contar con un sistema operando con menos fallas, se tuvieron que instalar unos filtros sintonizados provisionales que fueron conectados en cuatro de los trece sistemas y cuyo desempeño fue adecuado durante aproximadamente dos meses. La solución definitiva fue utilizar un filtro pasabajas semiautomático reforzado con dos etapas de filtro de rechazo para cubrir las dos condiciones principales MICROTURBINAS GAS Estudio de caso 3

4 Forma de onda y espectro armónico en tensión de la fase B Forma de onda y espectro armónico en corriente de la fase B MICROTURBINAS GAS Estudio de caso 4

5 Conclusión: Como se observa en las gráficas, la distorsión en tensión para la condición mas crítica que es la de igualación, se redujo de un 9% a un 3.36% y la distorsión en corriente pasó de a 10.27%. El factor de potencia, se mejoró de un 0.71 en atraso a un 0.99 en atraso, lo cual, representa como sabemos, una operación mucho más eficiente y sin esfuerzo de las microturbinas. Adicionalmente se maximizó el uso de los activos de Pemex, ya que de usar sólo el 70% de la potencia de las turbinas se pasó al 99%. En los 12 casos adicionales también se obtuvieron mejoras similares, que fueron medidas y documentadas, tanto en presencia del cliente como del usuario final. Los equipos se terminaron de instalar en el primer trimestre de 2005 y a partir de entonces ya no se han presentado las fallas anteriormente mencionadas, con lo cual corroboramos que la solución y aplicaciones utilizadas fueron las adecuadas. MICROTURBINAS GAS Estudio de caso 5