Introduction
La surveillance de la qualité de l'alimentation est importante dans le pétrole et le gaz car de longues lignes de distribution, une génération distante, de fortes charges de moteurs et une instrumentation sensible opèrent dans un même réseau électrique. Lorsque les creux de tension, les harmoniques, les transitoires ou les déséquilibres ne sont pas suivis, ils peuvent se manifester par des déclenchements de process, des électroniques endommagées, de fausses alarmes ou des défauts DCS intermittents.
Pour les ingénieurs d'exploitation et les équipes de fiabilité, la fiabilité du système électrique du pétrole et du gaz dépend de la détection précoce de ces événements, en particulier dans les réseaux de distribution d'énergie des champs pétrolifères où l'accès au site, la distance, la météo et la pression de production rendent le dépannage plus difficile. Les opérations pétrolières et gazières font face à un risque de qualité de l'alimentation plus élevé car les environnements difficiles et les longues lignes de distribution augmentent l'exposition à l'instabilité de tension et au déséquilibre de phase.
À quoi ressemblent les problèmes de qualité de l'énergie dans le pétrole et le gaz
Le premier signe d'une mauvaise qualité de l'énergie est rarement un rapport intitulé « qualité de l'énergie ». Votre équipe peut voir des déclenchements intempestifs de disjoncteurs, une surchauffe des transformateurs, des défauts d'entraînements, une dérive des instruments, des chutes de communication ou des moteurs de pompe qui chauffent plus que prévu. Une surveillance solide de la qualité de l'énergie relie ces symptômes aux événements électriques qui les sous-tendent.
Les problèmes typiques de qualité de l'énergie commerciaux et industriels incluent les creux et surtensions de tension, les harmoniques, les transitoires, le déséquilibre de tension et les interruptions, les transitoires étant liés à la corruption de données, au dysfonctionnement d'équipements, aux dommages d'équipements et à l'interruption de process.
Dans les champs pétroliers éloignés, les creux et surtensions peuvent provenir des variations de charge des générateurs, des démarrages de moteurs et des commutations sur les départs radiaux. Les harmoniques proviennent de charges non linéaires telles que les VFD, redresseurs, systèmes UPS, équipements de soudage et autres électroniques de puissance. La distorsion harmonique peut chauffer les transformateurs et les moteurs, affecter les équipements sensibles et créer des conditions de déclenchement erronées.
Les transitoires et les surtensions sont une autre préoccupation dans les infrastructures exposées. Les longues lignes aériennes peuvent capter l'énergie induite par la foudre, tandis que les opérations de commutation peuvent créer des surtensions transitoires. Le déséquilibre de tension peut se produire lorsque des systèmes triphasés alimentent des charges monophasées inégales, augmentant les courants de séquence négative qui accroissent l'échauffement des moteurs, les vibrations et le stress des roulements.
Comment les harmoniques et les fluctuations de tension affectent le DCS et l'instrumentation
Le DCS et l'instrumentation de terrain sont les parties les plus sensibles d'un système électrique pétrolier et gazier. Un court creux de tension peut ne pas déclencher le disjoncteur en amont, pourtant il peut réinitialiser un contrôleur DCS, perturber un rack d'E/S ou faire tomber la communication vers un dispositif de terrain.
C'est pourquoi la qualité de l'énergie du DCS mérite un examen dédié. Les alimentations DCS, les transformateurs d'instruments, les déclencheurs électroniques, les passerelles de communication et les boucles de signaux analogiques réagissent tous différemment à la distorsion de la forme d'onde, aux creux de tension et aux problèmes de mise à la terre.
Les harmoniques méritent une attention particulière car ils proviennent d'équipements que les sites pétroliers et gaziers utilisent chaque jour. Concernant la qualité de l'énergie électrique, les harmoniques sont associés aux charges non linéaires et à l'utilisation plus large des électroniques de puissance. Dans les systèmes de pompage, les VFD apportent aussi un bénéfice opérationnel clair. Une réduction de vitesse de 20 % peut réduire l'utilisation d'énergie jusqu'à 50 % dans les applications centrifuges pertinentes. La même population de VFD devrait être examinée pour la distorsion harmonique et les besoins de filtrage.
Problème de qualité de l'énergie |
Système principalement affecté |
Symptôme typique |
Creux de tension |
Alimentation DCS, entraînements |
Réinitialisation de module, déclenchement d'entraînement |
Harmoniques |
Transformateurs, relais, instruments |
Chaleur, déclenchement intempestif, mauvaises lectures |
Transitoires |
Panneaux DCS, communications |
Électroniques endommagées |
Déséquilibre de tension |
Moteurs, pompes, compresseurs |
Échauffement, vibration, usure des roulements |
Pour le contrôle électrique des raffineries, connaître le problème, le système affecté et les symptômes aide les équipes d'exploitation et électriques à discuter du même événement des deux côtés : l'impact sur le process et la cause électrique. Et avec la solution de distribution d'énergie de production de raffinage et de système de contrôle DCS de CHINT, il est facile de connecter la distribution haute, moyenne et basse tension avec le contrôle DCS pour la stabilité du process, en utilisant un appareillage intelligent et des armoires de puissance comme partie du système.
Le rôle des SPD et des parafoudres dans les sites d'extraction éloignés
Les sites d'extraction éloignés font face à un profil de surtension différent d'une usine industrielle compacte. Ils utilisent de longues lignes MV et LV aériennes, des départs radiaux, des transformateurs locaux, des armoires extérieures et des équipements de tête de puits exposés. Ces conditions font de la planification de la protection contre les surtensions dans le pétrole et le gaz une exigence pratique de fiabilité, et non seulement une tâche de sélection de dispositifs.
Une approche en couches fonctionne généralement le mieux.
Les SPD de type 1 protègent à l'entrée de service ou au secondaire du transformateur où l'énergie de la foudre peut entrer dans le système LV.
Les SPD de type 2 protègent les tableaux de distribution principaux et les panneaux de départs.
Les SPD de type 3 se placent près des terminaux sensibles tels que les panneaux DCS, les alimentations d'instruments, les armoires PLC, les dispositifs de communication et les abris d'analyseurs.
Les parafoudres MV importent aussi côté ligne des transformateurs. La sélection devrait examiner la tension de service continue, le niveau de protection, la mise à la terre, la coordination de l'isolation et la disposition SPD en aval. Un schéma bien coordonné aide l'énergie à se décharger par étapes au lieu de laisser un seul dispositif porter tout l'événement.
Les erreurs d'installation courantes réduisent la performance des SPD.
Les longues connexions ajoutent de l'impédance.
Une liaison faible limite le chemin de décharge.
La protection de type 3 ne peut pas remplacer la protection de type 1 ou 2 en amont.
L'inspection d'état manquante laisse des dispositifs dégradés en service après un événement de surtension.
Une fois que vous connaissez les 4 principaux problèmes de qualité de l'énergie, il est facile d'identifier les surtensions transitoires comme des événements déclenchés par la foudre, la commutation ou l'élimination de défauts, les SPD étant utilisés pour détourner l'excès de tension des composants clés. La solution de distribution d'énergie d'extraction de champ pétrolier de CHINT soutient une distribution d'énergie de champ pétrolier intelligente et fiable avec des produits de distribution connectés intelligents, la surveillance d'état, le contrôle à distance, des VFD et des contacteurs pour les process d'extraction.
Intégration DCS : pourquoi les systèmes électriques et de contrôle doivent travailler ensemble
Dans les installations modernes de pétrole et de gaz, le système électrique et le système de contrôle devraient partager le contexte. Un creux de tension, une alarme harmonique, un défaut de terre ou un événement de disjoncteur peut être un événement de process s'il affecte les pompes, les compresseurs, les analyseurs, les skids ou les armoires DCS.
Une bonne pratique de qualité d'alimentation DCS amène les données électriques dans l'historien. Les relais de protection, les analyseurs de qualité d'alimentation, les compteurs intelligents et les moniteurs UPS peuvent envoyer des enregistrements d'événements, des valeurs de défaut, des états et des données de forme d'onde via IEC 61850, Modbus ou d'autres protocoles de site. Les opérateurs peuvent alors comparer une excursion de pression, un déclenchement de compresseur ou un défaut d'analyseur avec les événements électriques du même horodatage.
Le manque courant est la visibilité. De nombreuses usines ont des relais et des compteurs performants, mais les données restent à l'intérieur des tableaux électriques. Les équipes d'exploitation dépannent un « mauvais transmetteur », alors que la cause racine peut être un creux sur le tableau d'alimentation des instruments ou un bruit de mode commun dû à une mauvaise liaison.
Une solution intégrée de contrôle électrique et d'instrumentation est essentielle ici car le contrôle électrique de raffinerie dépend de la distribution d'énergie, de l'instrumentation et des données d'automatisation fonctionnant comme un seul tableau d'exploitation. Pour la fiabilité du système électrique du pétrole et du gaz, l'objectif est de laisser les événements électriques apparaître là où les équipes d'exploitation examinent déjà les événements de process.
Étapes pratiques pour évaluer et améliorer la qualité de l'énergie sur un site pétrolier et gazier
Un programme pratique de surveillance de la qualité de l'énergie devrait commencer par des données mesurées. Évitez de choisir des filtres, des SPD ou des équipements de compensation uniquement à partir d'hypothèses.
Placez les analyseurs à l'alimentation d'entrée principale, aux tableaux d'alimentation du DCS, aux principaux groupes de VFD et aux jeux de barres principaux. Enregistrez en continu pendant au moins deux semaines afin de capturer la production normale, les démarrages de moteurs, les transitions de générateurs, les opérations de commutation et les défauts intermittents.
Évaluez la distorsion harmonique. Calculez le THD aux jeux de barres clés et comparez les résultats avec la cible IEEE 519 du projet ou l'exigence locale. Identifiez les sources principales, généralement les grands VFD, redresseurs, systèmes UPS et équipements CC. Les installations avec des charges VFD importantes peuvent voir une réduction des pertes de transformateur après un filtrage harmonique approprié, selon un guide d'optimisation de la qualité de l'énergie, qui rapporte des réductions de 15 % à 25 % dans les cas pertinents.
Auditez les SPD. Vérifiez le placement des types 1, 2 et 3, les indices, la liaison à la terre, la longueur des connexions et les indicateurs d'état visuels.
Examinez la mise à la terre et la liaison. Vérifiez la continuité à travers les panneaux, les enveloppes d'instruments, les écrans de câbles, les skids, les boîtes de jonction et les armoires de contrôle.
Classez les mesures d'atténuation par risque mesuré. Utilisez des filtres harmoniques actifs là où le THD est élevé, une compensation SVG là où le facteur de puissance est mauvais, des SPD ajoutés là où des records de surtension apparaissent et des corrections de liaison là où le bruit des instruments persiste.
Conclusion
La surveillance de la qualité de l'énergie est un outil de risque opérationnel. Dans le pétrole et le gaz, une mauvaise qualité de l'énergie peut causer des imprécisions d'instruments, des réinitialisations de DCS, des déclenchements inexpliqués, un stress des équipements et une interruption de la production. Votre meilleure voie est de mesurer d'abord, de connecter les données électriques aux données de process, puis de cibler l'atténuation là où elle améliorera le plus la fiabilité du système électrique du pétrole et du gaz.
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Questions fréquemment posées
Qu'est-ce que la surveillance de la qualité de l'énergie ?
La surveillance de la qualité de l'énergie est la mesure continue ou périodique des paramètres d'alimentation électrique (tension, courant, fréquence, contenu harmonique, facteur de puissance et événements transitoires) pour identifier les conditions qui pourraient causer des dommages d'équipements, des perturbations de process ou des incidents de sécurité. Un moniteur de qualité de l'énergie enregistre ces paramètres au fil du temps, afin que les ingénieurs puissent identifier les tendances, corréler les événements électriques avec les perturbations de process et vérifier si l'alimentation respecte les normes applicables comme l'IEEE 519 pour la distorsion harmonique.
Qu'est-ce qu'un système de gestion de la qualité de l'énergie (PQMS) dans une sous-station ?
Un PQMS dans une sous-station est un système intégré de surveillance et de communication qui collecte les données de qualité de l'énergie de plusieurs instruments et relais de protection à travers la sous-station et les agrège dans une base de données centrale. Il fournit des tableaux de bord, des alarmes et des enregistrements historiques pour tous les paramètres de qualité de l'énergie. Dans un contexte pétrolier et gazier, le PQMS alimente les données vers le SCADA du site ou l'historien DCS, afin que les ingénieurs d'exploitation puissent corréler les événements électriques avec les perturbations de process et les déclenchements d'équipements.
Comment mesure-t-on la qualité de l'énergie ?
La qualité de l'énergie est mesurée à l'aide d'analyseurs de qualité de l'énergie connectés aux points pertinents du système de distribution électrique. Ces instruments mesurent les formes d'onde de tension et de courant à des taux d'échantillonnage élevés, calculent des paramètres incluant le THD, le facteur de puissance, l'asymétrie de tension, le scintillement et les creux/surtensions, et enregistrent les événements transitoires avec des horodatages. Pour une première enquête de site, des analyseurs portables sont utilisés ; pour une surveillance continue, des instruments installés en permanence sont connectés au réseau de distribution et intégrés au SCADA ou à l'EMS du site.
Que signifie un facteur de puissance de 80 % ?
Un facteur de puissance de 80 % (ou 0.80) signifie que 80 % de la puissance apparente tirée de l'alimentation fait un travail utile ; les 20 % restants sont de la puissance réactive qui circule entre la source et les charges inductives (principalement les moteurs). Cette composante réactive augmente le courant des câbles, la charge des transformateurs et les pertes de distribution sans faire de travail utile. La plupart des opérateurs facturent une pénalité aux clients commerciaux et industriels si leur facteur de puissance moyen tombe en dessous de 0.90 ou 0.95. Dans les sites pétroliers et gaziers avec de grandes charges de moteurs, la correction du facteur de puissance par des batteries de condensateurs ou une compensation SVG est une mesure importante de réduction des coûts.
Quels sont les problèmes de qualité de l'énergie les plus courants dans les installations pétrolières et gazières ?
Les problèmes les plus courants sont : la distorsion harmonique des VFD et des grands redresseurs (provoquant une surchauffe des transformateurs et des moteurs et des interférences d'instruments) ; les creux de tension dus aux démarrages de gros moteurs ou aux variations de charge des générateurs (provoquant des défauts DCS et des déclenchements d'entraînements) ; les surtensions transitoires dues à la foudre et aux commutations sur les longues lignes de distribution aériennes (provoquant des dommages d'équipements s'ils ne sont pas protégés par des SPD) ; et le déséquilibre de tension sur les systèmes à charge de phase inégale. Les problèmes de qualité de la terre (résistance de terre élevée, liaison incomplète) sont aussi courants et causent d'importants problèmes de bruit d'instruments.
