Introducción
El monitoreo de la calidad de la energía es importante en la industria del petróleo y el gas porque las largas líneas de distribución, la generación remota, las grandes cargas de motores y la instrumentación sensible operan en una misma red eléctrica. Cuando las caídas de voltaje, los armónicos, los transitorios o el desequilibrio no se detectan, pueden manifestarse como paradas de proceso, daños en la electrónica, falsas alarmas o fallas intermitentes en el DCS.
Para los ingenieros de operaciones y los equipos de confiabilidad, la confiabilidad del sistema eléctrico de petróleo y gas depende de la detección temprana de estos eventos, especialmente en las redes de distribución de energía de los yacimientos petrolíferos, donde el acceso al sitio, la distancia, el clima y la presión de producción dificultan la resolución de problemas. Las operaciones de petróleo y gas enfrentan un mayor riesgo de calidad de energía debido a que los entornos hostiles y las largas líneas de distribución aumentan la exposición a la inestabilidad de voltaje y al desequilibrio de fase.
¿Cómo se manifiestan los problemas de calidad de energía en la industria del petróleo y el gas?
El primer indicio de una mala calidad de energía rara vez es un informe etiquetado como calidad de energía. Su equipo puede observar disparos intempestivos de disyuntores, sobrecalentamiento de transformadores, fallas en los variadores, deriva de instrumentos, caídas en las comunicaciones o motores de bombas que funcionan a temperaturas superiores a las esperadas. Un monitoreo sólido de la calidad de la energía conecta esos síntomas con los eventos eléctricos que los originan.
Los problemas típicos de calidad de energía comercial e industrial incluyen caídas y sobretensiones, armónicos, transitorios, desequilibrio de voltaje e interrupciones, con transitorios vinculados a corrupción de datos, mal funcionamiento de equipos, daños en equipos e interrupción de procesos.
En campos petrolíferos remotos, las caídas y sobretensiones pueden provenir de cambios en la carga del generador, arranques de motores y conmutación en alimentadores radiales. Los armónicos provienen de cargas no lineales como VFD, rectificadores, sistemas UPS, equipos de soldadura y otros dispositivos electrónicos de potencia. La distorsión armónica puede calentar transformadores y motores, afectar equipos sensibles y crear condiciones de disparo falsas.
Los transitorios y las sobretensiones son otra preocupación en la infraestructura expuesta. Las líneas aéreas largas pueden captar energía inducida por rayos, mientras que las operaciones de conmutación pueden crear sobretensiones transitorias. El desequilibrio de voltaje puede ocurrir cuando los sistemas trifásicos alimentan cargas monofásicas desiguales, lo que eleva las corrientes de secuencia negativa que aumentan el calentamiento del motor, la vibración y la tensión en los cojinetes.
Cómo afectan los armónicos y las fluctuaciones de voltaje a los DCS y la instrumentación
El DCS y la instrumentación de campo son las partes más sensibles de un sistema eléctrico de petróleo y gas. Una caída de voltaje breve puede no disparar el interruptor aguas arriba, pero puede reiniciar un controlador DCS, perturbar un rack de E/S o perder la comunicación con un dispositivo de campo.
Es por eso que la calidad de la energía del DCS merece una revisión dedicada. Las fuentes de alimentación DCS, los transformadores de instrumentos, las unidades de disparo electrónico, las pasarelas de comunicación y los bucles de señal analógica reaccionan de manera diferente a la distorsión de la forma de onda, las caídas de tensión y los problemas de puesta a tierra.
Los armónicos merecen una atención especial porque provienen de equipos que los sitios de petróleo y gas utilizan a diario. Con respecto a la calidad de la energía eléctrica, los armónicos están asociados con cargas no lineales y un uso más amplio de la electrónica de potencia. En los sistemas de bombeo, los variadores de frecuencia (VFD) también ofrecen un claro beneficio operativo. Una reducción de velocidad del 20 % puede disminuir el consumo de energía hasta en un 50 % en aplicaciones centrífugas relevantes. Se debe revisar la misma población de VFD para detectar distorsión armónica y necesidades de filtrado.
Problema de calidad de energía | Sistema afectado principal | Síntoma típico |
Caída de voltaje | Fuente de alimentación DCS, variadores | Reinicio del módulo, disparo del variador |
Armónicos | Transformadores, relés, instrumentos | Calor, disparo intempestivo, lecturas erróneas |
Transitorios | Paneles DCS, comunicaciones | Electrónica dañada |
Desequilibrio de voltaje | Motores, bombas, compresores | Calentamiento, vibración, desgaste de cojinetes |
Para el control eléctrico de refinerías, conocer el problema, el sistema afectado y los síntomas ayuda a los equipos de operaciones y eléctricos a discutir el mismo evento desde ambos lados: impacto en el proceso y causa eléctrica. Y con la solución de CHINT para la distribución de energía para la producción de refinerías y el control DCS, es fácil conectar la distribución de alta, media y baja tensión con el control DCS para la estabilidad del proceso, utilizando aparamenta inteligente y armarios de potencia como parte del sistema. El papel de los SPD y los pararrayos en los sitios de extracción remotos. Los sitios de extracción remotos se enfrentan a un perfil de sobretensión diferente al de una planta industrial compacta. Utilizan largas líneas aéreas de media y baja tensión, alimentadores radiales, transformadores locales, gabinetes exteriores y equipos de cabezal de pozo expuestos. Estas condiciones hacen que la planificación de la protección contra sobretensiones en petróleo y gas sea un requisito práctico de confiabilidad, no solo una tarea de selección de dispositivos.
Un enfoque por capas suele funcionar mejor.
Los SPD de tipo 1 protegen en la entrada de servicio o en el secundario del transformador donde la energía del rayo puede ingresar al sistema de baja tensión.
Los SPD de tipo 2 protegen los cuadros de distribución principales y los paneles de alimentadores.
Los SPD de tipo 3 se ubican cerca de terminales sensibles como paneles DCS, fuentes de alimentación de instrumentos, gabinetes PLC, dispositivos de comunicación y refugios de analizadores.
Los pararrayos de media tensión también son importantes en el lado de línea de los transformadores. La selección debe revisar la tensión de operación continua, el nivel de protección, la puesta a tierra, la coordinación del aislamiento y la disposición del SPD aguas abajo. Un esquema bien coordinado ayuda a descargar la energía en etapas en lugar de dejar que un solo dispositivo soporte todo el evento.
Los errores comunes de instalación reducen el rendimiento del SPD.
Los cables largos añaden impedancia.
Una conexión débil limita la ruta de descarga.
La protección de tipo 3 no puede reemplazar la protección de tipo 1 o tipo 2 aguas arriba.
La falta de inspección de estado deja dispositivos degradados en servicio después de un evento de sobretensión.
Una vez que conozca el Los 4 principales problemas de calidad de la energía, es fácil identificar las sobretensiones transitorias como eventos desencadenados por rayos, conmutación o eliminación de fallas, con SPD utilizados para desviar el exceso de voltaje de los componentes clave. La solución de distribución de energía para la extracción de yacimientos petrolíferos de CHINT, para, admite una distribución de energía inteligente y confiable para yacimientos petrolíferos con productos de distribución conectados inteligentes, monitoreo de estado, control remoto, variadores de frecuencia y contactores para procesos de extracción.
Integración de DCS: Por qué los sistemas eléctricos y de control deben trabajar juntos
En las modernas instalaciones de petróleo y gas, el sistema eléctrico y el sistema de control deben compartir contexto. Una caída de tensión, una alarma de armónicos, una falla a tierra o un evento de interruptor pueden ser un evento de proceso si afectan a bombas, compresores, analizadores, patines o gabinetes DCS.
Una buena práctica de calidad de energía DCS lleva los datos eléctricos al historiador. Los relés de protección, los analizadores de calidad de energía, los medidores inteligentes y los monitores UPS pueden enviar registros de eventos, valores de falla, estado y datos de forma de onda a través de IEC 61850, Modbus u otros protocolos del sitio. Los operadores pueden luego comparar una excursión de presión, una parada del compresor o una falla del analizador con eventos eléctricos de la misma marca de tiempo.
La brecha común es la visibilidad. Muchas plantas tienen relés y medidores capaces, pero los datos permanecen dentro de los paneles eléctricos. Los equipos de operaciones solucionan un problema de un transmisor defectuoso, mientras que la causa raíz puede ser una holgura en el panel de suministro de instrumentos o ruido de modo común debido a una mala conexión a tierra.
Una solución integrada de control eléctrico e instrumentación es esencial aquí porque el control eléctrico de la refinería depende de que la distribución de energía, la instrumentación y los datos de automatización funcionen como una sola imagen operativa. Para la confiabilidad del sistema eléctrico de petróleo y gas, el objetivo es permitir que los eventos eléctricos aparezcan donde los equipos de operaciones ya revisan los eventos del proceso.
Pasos prácticos para evaluar y mejorar la calidad de la energía en un sitio de petróleo y gas
Un programa práctico de monitoreo de la calidad de la energía debe comenzar con datos medidos. Evite elegir filtros, SPD o equipos de compensación basándose únicamente en suposiciones.
Coloque analizadores en el suministro de entrada principal, paneles de suministro de energía DCS, grupos principales de VFD y barras colectoras principales. Registre continuamente durante al menos dos semanas para capturar la producción normal, arranques de motores, transiciones de generadores, operaciones de conmutación y fallas intermitentes.
Evalúe la distorsión armónica. Calcule THD en los buses clave y compare los resultados con el objetivo IEEE 519 del proyecto o el requisito local. Identifique las fuentes primarias, generalmente grandes VFD, rectificadores, sistemas UPS y equipos de CC. Las instalaciones con cargas VFD significativas pueden ver una reducción de pérdidas de transformador después de un filtrado armónico adecuado, según una guía de optimización de la calidad de energía, que informa reducciones del 15% al 25% en los casos relevantes.
Auditar SPD. Verificar la ubicación, las clasificaciones, la conexión a tierra, la longitud del cable y los indicadores de estado visual de los tipos 1, 2 y 3.
Inspeccionar la puesta a tierra y la conexión equipotencial. Verificar la continuidad a través de paneles, gabinetes de instrumentos, pantallas de cables, patines, cajas de empalme y gabinetes de control.
Clasificar la mitigación por riesgo medido. Utilice filtros armónicos activos donde la THD sea alta, compensación SVG donde el factor de potencia sea bajo, SPD adicionales donde aparezcan registros de sobretensiones y correcciones de conexión a tierra donde persista el ruido del instrumento.
Conclusión
El monitoreo de la calidad de la energía es una herramienta de riesgo operativo. En petróleo y gas, la mala calidad de la energía puede causar inexactitud en los instrumentos, reinicios del DCS, disparos inexplicables, estrés en los equipos e interrupción de la producción. Su mejor camino es medir primero, conectar los datos eléctricos con los datos del proceso y luego enfocar la mitigación donde mejorará más la confiabilidad del sistema eléctrico de petróleo y gas.
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Preguntas frecuentes
¿Qué es el monitoreo de la calidad de la energía?
El monitoreo de la calidad de la energía es la medición continua o periódica de los parámetros de suministro eléctrico (voltaje, corriente, frecuencia, contenido armónico, factor de potencia y eventos transitorios) para identificar condiciones que podrían causar daños a los equipos, interrupciones de procesos o incidentes de seguridad. Un monitor de calidad de la energía registra estos parámetros a lo largo del tiempo, de modo que los ingenieros pueden identificar tendencias, correlacionar eventos eléctricos con perturbaciones de procesos y verificar si el suministro cumple con los estándares aplicables, como IEEE 519 para distorsión armónica.
¿Qué es un sistema de gestión de la calidad de la energía (PQMS) en una subestación?
Un PQMS en una subestación es un sistema integrado de monitoreo y comunicación que recopila datos de calidad de la energía de múltiples instrumentos y relés de protección en toda la subestación y los agrega en una base de datos central. Proporciona paneles, alarmas y registros históricos para todos los parámetros de calidad de energía. En un contexto de petróleo y gas, el PQMS alimenta datos al historiador SCADA o DCS del sitio, para que los ingenieros de operaciones puedan correlacionar eventos eléctricos con perturbaciones de procesos y disparos de equipos.
¿Cómo se mide la calidad de energía?
La calidad de energía se mide utilizando analizadores de calidad de energía conectados en puntos relevantes en el sistema de distribución eléctrica. Estos instrumentos miden las formas de onda de voltaje y corriente a altas frecuencias de muestreo, calculan parámetros que incluyen THD, factor de potencia, asimetría de voltaje, parpadeo y caídas/sobretensiones, y registran eventos transitorios con marcas de tiempo. Para un estudio inicial del sitio, se utilizan analizadores portátiles; Para el monitoreo continuo, los instrumentos instalados permanentemente están conectados a la red de distribución e integrados con el SCADA o EMS del sitio.
¿Qué significa un factor de potencia del 80%?
Un factor de potencia del 80% (o 0.80) significa que el 80% de la potencia aparente extraída del suministro está realizando trabajo útil; el 20% restante es potencia reactiva que fluye de un lado a otro entre la fuente y las cargas inductivas (principalmente motores). Este componente reactivo aumenta la corriente del cable, la carga del transformador y las pérdidas de distribución sin realizar trabajo útil. La mayoría de las empresas de servicios públicos cobran una penalización a los clientes comerciales e industriales si su factor de potencia promedio cae por debajo de 0.90 o 0.95. En las instalaciones de petróleo y gas con grandes cargas de motores, la corrección del factor de potencia mediante bancos de capacitores o compensación SVG es una importante medida de reducción de costos.
¿Cuáles son los problemas más comunes de calidad de energía en las instalaciones de petróleo y gas?
Los problemas más comunes son: distorsión armónica de variadores de frecuencia y rectificadores grandes (que causan sobrecalentamiento de transformadores y motores e interferencias en los instrumentos); caídas de voltaje por arranques de motores grandes o cambios de carga de generadores (que causan fallas en el DCS y disparos de variadores); sobretensiones transitorias por rayos y maniobras en líneas de distribución aéreas largas (que causan daños a los equipos si no están protegidos por SPD); y desequilibrio de voltaje en sistemas con carga de fase desigual. Los problemas de calidad de tierra (alta resistencia de tierra, conexión equipotencial incompleta) también son comunes y causan problemas significativos de ruido en los instrumentos.
