OPTIMIZACIÓN OPERATIVA DE UNA
CENTRAL DE BOMBEO DE CRUDO
APLICANDO CONTROL
DISTRIBUIDO
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QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
ALEJANDRO LÓPEZ LÓPEZ
ASESORES:
ING. RICARDO HURTADO RANGEL M. EN C. CARLOS ALBERTO RIVERA GUEVARA
MÉXICO, D. F., AGOSTO 2012
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” I
ANTECEDENTES
Dentro de la infraestructura del sistema de transporte y distribución de hidrocarburos de las instalaciones petroleras se requieren múltiples y diversos sistemas que cumplan y aseguren la operación de sus diferentes procesos; entre los que destacan los sistemas de bombeo y/o re-bombeo, compresión, separación, procesamiento y almacenamiento.
En este contexto, se describe la configuración y operación en particular de una central de re-bombeo de Crudo que operan continuamente las 24 horas los 365 días del año, la cual recibe un flujo total que corresponde al producto proveniente de una Terminal Marítima que llega a un cabezal principal, donde se conectan las succiones para 14 bombas a una velocidad constante de 3580 RPM.
El arreglo de tuberías de succión y descarga tienen la capacidad de conectar a 14 motobombas en paralelo de las cuales operan normalmente 7 a 10 y las restantes se mantienen para relevos.
Los sistemas de re-bombeo de crudo actualmente en la industria petrolera cuentan con manuales y procedimientos para atender eventualidades típicas como; fugas, derrames y paros de emergencia, sin embargo cuando ocurren a pesar de estos, los disturbios ocasionados como: caídas de presión, déficit de flujo, hasta llegar a disparos de equipos e instalaciones auxiliares. Representa pérdidas económicas generosas durante el tiempo de restablecimiento.
La infraestructura de transporte de crudo la representan oleoductos de gran longitud, por lo que el diseño de estos amerita la instalación estratégica de puntos o estaciones de re-bombeo, la posición en serie en la que estas se encuentra hacen critico el estado de una falla, puesto que el problema se propaga a las instalaciones anteriores y posteriores.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
! Incrementar la eficiencia operativa y minimizar el consumo energético de una central de bombeo de crudo, aplicando un sistema de control distribuido a los equipos de bombeo, a partir de un modelo de simulación hidráulico - operativo que considere variaciones en las demandas de flujo.
OBJETIVOS PARTICULARES
! Realizar un análisis hidráulico operativo de la central de bombeo de crudo para definir un modelo de simulación en un software comercial.
! Establecer los parámetros hidráulicos necesarios para el diseño del sistema de control. ! Cumplir con las demandas de flujo de Programa de Transporte y Distribución de Crudo. ! Definir el sistema de control que cumplan con los niveles de automatización requeridos. ! Representar las mejoras en la operación como respuesta de la nueva propuesta.
ALCANCES
Los alcances establecidos para este trabajo, son los siguientes:
• Realizar una evaluación hidráulica que determine las condiciones operativas para asegurar la presión de llegada en la estación de comercialización de crudo, ante cualquier variación en la demanda de flujo, de acuerdo al programa de planeación de distribución de crudo Istmo.
• Evaluar los criterios convencionales de regulación de flujo del sistema de bombeo, para cuantificar el consumo de energía de los equipos.
• Establecer los criterios hidráulicos para una operación en paralelo y con un sistema de velocidad variable que ajusta la capacidad de los equipos de bombeo
• A partir de los resultados de las evaluaciones Hidráulicas establecer los parámetros para el diseño del algoritmo del control del sistema de velocidad variable.
• Establecer una filosofía de control que cumpla con los requerimientos de operación y seguridad del sistema de transporte y distribución de crudo istmo.
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” III
• Cuantificar el impacto económico, en el ahorro del consumo energético debido a la optimización operativa del sistema de bombeo de crudo.
• Determinar el tiempo de amortización del proyecto.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La Central de Bombeo de Crudo opera para satisfacer las demandas de un Programa de Distribución Crudo, que varía de 725.5 a 950 MBD con un arranque/paro de 7 a 10 bombas en operación a una velocidad nominal fija de 3580 RPM. Considerando que la variación en la demandas de crudo es de tendencia intermitente, lo que requiere que continuamente se arranque o paren bombas, y además de que se estrangulen las válvulas a la descarga para controlar la presión. Debido a estos criterios de regulación de flujo, se modifica el punto de operación de las bombas, alejándose del punto de mayor eficiencia. En este contexto la central de bombeo de crudo no tiene los medios para adecuar su capacidad al valor de la demanda de crudo.
Los motores de la bombas trabajan en el orden de los 6.9kv a 90A. de corriente nominal. La potencia consumida tiende a elevarse a la hora del arranque y más a un para motores de esta capacidad. Es natural que estos mecanismos o criterios de regulación de flujo tiendan a gastar más energía de la necesaria además de que trabajan a baja eficiencia. Esto representa un mayor desgaste mecánico a los equipos y repercute en mantenimientos más frecuentes.
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JUSTIFICACIÓN
La propuesta de optimización operacional de la Central de Re-bombeo de crudo centra su importancia en crear una instalación con el mínimo de riesgo inherente y garantizar su operación continua, a base de mantener los equipos trabajando a sus mejores puntos de desempeño. Para llevar la operación a dicha condición es necesario realizar actividades priorizadas que determinen la razón y medida de la administración del consumo energético, a través de la integración de un sistema de velocidad variable. Las bombas operan a solo una velocidad 3580 RPM y regulación de flujo a través de la estrangulación de válvula, por lo que, cuando operan a menos de su capacidad de diseño desperdician energía. Las pérdidas por caída de presión se pueden evitar si la unidad motriz es de velocidad variable incluso mejorar la confiabilidad y flexibilidad del sistema. De la misma forma si se mantienen a las bombas trabajando al rededor de su eficiencia máxima de 80.4% se tiene menos probabilidad de la presencia de fallas y de disturbios que en el peor de los casos puedan llegar a un paro de emergencia.
Debido al alto nivel de automatización que representa optimización operativa de la Central de Re-bombeo de crudo se propone un sistema de control distribuido que cumple con todos los requerimientos de monitoreo y control del sistema de re-bombeo, gracias a sus herramientas que participan desde el nivel de campo hasta el nivel de planeación gerencial, basado en el esquema de la pirámide de la automatización.
Aunado a lo anterior, se puede mejorar la eficiencia en costos usando solo una herramienta de ingeniería para configurar el sistema en su totalidad, consistiendo de funciones de automatización y de la interfaz de operación con pantallas y registros, así para configurar buses de campo. Las mismas bondades de configuración y soporte también aplican a la operación y monitoreo. El operador recibe apoyo mediante un mecanismo que le proporciona no solamente información de la planta, sino también recomendaciones de operación. Para este propósito, por ejemplo, se encuentran disponibles una interfaz intuitiva de operación, registros y una sofisticada función de administración de alarmas y mensajes.
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” ÍNDICE DE TABLAS
Tabla II-1 Propiedades Principales del Crudo ... 16
*
Tabla II-2Dimensiones de Tubería del Sistema de Bombeo ... 17
*
Tabla II-3Datos de Placa de Bombas ... 18
*
Tabla II-4 Escenarios Típicos de Operación. ... 22
*
Tabla III-1 Sistema de Trasporte y Distribución de Crudo Istmo ... 42
*
Tabla III-2 Resultados de Evaluación Hidráulica para un Flujo de 950,000 BPD ... 46
*
Tabla III-3 Regulación de Flujo con Arranque/Paro de Bombas a Velocidad Constante. ... 48
*
Tabla III-4 Presión Excedente Producida ... 49
*
Tabla III-5 Resultados de Regulación de Flujo por Selección del Número de Bombas a Velocidad Variable ... 50
*
Tabla III-6Regulación de Flujo Utilizando Cambio de Velocidad Simultaneo en Todas las Bombas .... 50
*
Tabla IV-1 Capacidad Máxima y Mínima de la Central de Bombeo ... 54
*
Tabla IV-2 Capacidad del Sistema de Control de Variable ... 54
*
Tabla IV-3 Lista de Variables de Entradas y Salidas ... 61
*
Tabla V-1Resultados de las Evaluaciones con Velocidad Constante y Variable. ... 74
*
Tabla V-2 Evaluación con Diez Bombas a Velocidad Constante y Todas Bombas a Velocidad Variable ... 77
*
Tabla V-3 Consumo de Potencia con los Criterios de Regulación de Flujo. ... 77
*
Tabla VI-1 Cotización De Los Materiales/Dispositivos del SCD. ... 81
*
Tabla VI-2 Ahorro anual ... 83
*
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura I-1 Reducción de Tubería ... 5
*
Figura I-2 Clasificación General de Bombas Hidráulicas ... 5
*
Figura I-3 Características de los Impulsores o Rodetes ... 6
*
Figura I-4 Curvas Características de Bombas Centrifugas ... 7
*
Figura I-5 Rendimiento de dos Bombas que Operan en Paralelo ... 8
*
Figura I-6 Set Point Modificado por el Operador ... 11
*
Figura I-7 Set Point Modificado por la Computadora ... 11
*
Figura I-8 Operación de los Sistemas de Control ... 12
*
Figura I-9 Consola de Operación ... 13
*
Figura II-1 Arreglo de Tuberías en Paralelo de la Central de Bombeo. ... 15
*
Figura II-2 Distribución de Tramos e Instalaciones ... 16
*
Figura II-3Arreglo de Tuberías de cada Bomba ... 17
*
Figura II-4 Curva típica de operación de bomba Sulzer Pumps a Condiciones Nominales. Fuente: Pump-Flo ... 19
*
Figura II-5 Curva Característica de operación de bomba Sulzer Pumps (modificada a 3 etapas) Fuente: Pump Flo ... 20
*
Figura II-6 Sistema de Transporte y Distribución de Crudo Istmo ... 20
*
Figura II-7 Programa de Distribución de Crudo Istmo ... 21
*
Figura II-8Sistema de Transporte para un flujo de 694MBD ... 22
*
Figura II-9 Modelo de Simulación Hidráulica de la Central de Bombeo, fuente: PIPE-FLO EngineeredSoftware, Inc ... 23
*
Figura II-10 Representación Esquemática de la Arquitectura de Control ... 24
*
Figura II-11comunicación del AC800F ... 26
*
Figura II-12 Pantalla Gráfica de Control de una Estación de Operación (DigiVis) ... 30
*
Figura III-1 Esquema General del Arreglo de la Central de Bombas en Paralelo ... 40
*
Figura III-2 Esquema de evaluación Hidráulica para el Sistema de Bombeo. ... 40
*
Figura III-3 Ventana de Configuración del Método de Cálculo ... 41
*
Figura III-4 Curva de Pérdidas de Presión en el Sistema ... 42
*
Figura III-5 Pérdidas de Presión en la Trayectoria del Ducto. ... 43
*
Figura III-6 Diagrama del Sistema de Bombas en Paralelo ... 44
*
Figura III-7 Representación del Control de Presión y Flujo por Estrangulamiento de Válvula. ... 45
*
Figura III-8 Arreglo de Tuberías en Paralelo de la Central de Bombeo ... 46
*
Figura III-9 Curvas de Operación para el Sistema de 10 Bombas Acopladas en Para ... 47
*
Figura III-10 curva característica del escenario 2 ... 48
*
Figura IV-1 Diagrama de Bloques de Control de Presión en Lazo Abierto ... 55
*
Figura IV-2 Lazos de Control de Velocidad de los Equipos de Bombeo ... 55
*
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria”
Figura IV-4 Aaquitectura del Sistema en un Esquema de la Pirámide de la Automatización. ... 58
*
Figura IV-5 Ventana de Configuración de Dirección IP, ID de las Estaciones de Ingeniería y Operación. ... 59
*
Figura IV-6 Nivel Proceso ... 60
*
Figura IV-7 Árbol de Proyecto ... 61
*
Figura IV-8 Agregar Área de Trabajo para Programación con Bloque de Funciones ... 63
*
Figura IV-9 Insertar y Declarar Tipo de Datos de las Variables ... 63
*
Figura IV-10 Ventana de Programación con Bloques de Funciones. Fuente: Control Builder IT ... 64
*
Figura IV-11 Área de Trabajo de Programación en Escalera; Fuente: Control Builder IT ... 65
*
Figura IV-12 Variador de velocidad de Media Tensión de C.A. ACS 2000 fuente: ABB Group. ... 66
*
Figura IV-13 Asignación de Objeto como Display Alfanumérico ... 68
*
Figura IV-14Ventana Selección de la Variable del Sistema y de los Componentes. ... 68
*
Figura IV-15 Pantalla Gráfica de la Estación de Operación de la Bomba Uno, del Sistema de Control Distribuido (HMI). Fuente: DigiVis ABB ... 70
*
Figura IV-16 Pantalla Gráfica de la Estación de Operación del Arreglo de las Diez Bombas del Sistema de Control Distribuido(HMI) Fuente: DigiVis ... 71
*
Figura IV-17 Ventana de Direcciones y Comisionamiento del Sistema ... 72
*
Figura V-1 puntos de operación para obturación y apertura de válvula ... 75
*
Figura V-2 Curvas de Operación para un Cambio de velocidad del Escenario 5 ... 76
*
Figura V-3 Consumo Energético por Dos Criterio de Regulación de Flujo ... 78
*
Figura V-4 Eficiencia Operativa para Dos Criterios de Regulación de Flujo ... 79
*
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NOMENCLATURA
µ Viscosidad Dinámica cP
! Densidad Absoluta lb/ft3
Ge Gravedad Específica adimencional
Q Flujo volumetrico MBP, BPD
"p Eficiencia de Bomba Adimencinal
# Velocidad de Rotacion RPM
Pewp Potencia Electrica kW
bhp Potencia Electrica hp
PRE Presión Requerida al Envío mca, mcfluido, kg/cm2 PBomba Presión Desarrollada en la Bomba mca, mcfluido, kg/cm2
PSUCC Presión de Succión mca, mcfluido, kg/cm2
PDES Presión de Descarga mca, mcfluido, kg/cm2
ABREVIATURAS
MBP Miles de Barriles por Día BPD Barriles por Día
mcfluido Metros columna de fluido Mca Metros Columna de Agua CSV Valores Separados por Coma SCD Sistema de Control Distribuido MSD Multitiple Etapa Doble
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria”
CONTENIDO Página
CAPÍTULO I. HIDRÁULICA Y SISTEMAS DE CONTROL EN CENTRALES DE BOMBEO ... 1
*
I.1. FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA DE TUBERÍAS ... 1
*
I.1.1. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD, Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ... 1
*
I.1.2. PÉRDIDAS DE CARGA EN FLUIDOS INCOMPRESIBLES ... 2
*
I.1.2.1. ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACH ... 2
*
I.1.2.2. DETERMINACÓN DE EL FACTOR DE FRICCION EN TUBERÍA ... 2
*
I.1.2.3. PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR VÁLVULAS Y ACCESORIOS ... 3
*
I.1.2.4. VALORES DE CV ... 4
*
I.1.2.5. PÉRDIDAS EN REDUCCIONES ... 4
*
I.2. BOMBAS HIDRÁULICAS ... 5
*
I.2.1. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS ... 5
*
I.2.2. BOMBAS CENTRIFUGAS ... 6
*
I.2.3. IMPULSORES O RODETES ... 6
*
I.2.4. CURVAS CARACTERÍSTICAS PARA BOMBAS CENTRIFUGAS ... 6
*
I.2.5. LEYES DE AFINIDAD ... 7
*
I.2.6. BOMBAS CENTRIFUGAS EN PARALELO ... 7
*
I.3. ACCIONAMIENTO DE BOMBAS MEDIANTE VARIADORES DE VELOCIDAD ... 8
*
I.3.1. VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES DE C.A. ... 9
*
I.3.2. FUNCIONAMIENTO ... 9
*
I.4. SISTEMAS DE CONTROL ... 9
*
I.4.1. AUTOMATIZACIÓN DE PLANTAS INDUSTRIALES ... 9
*
I.4.1.1. ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ... 9
*
I.4.1.2. AUTOMATIZACIÓN BASADA EN COMPUTADORAS ... 10
*
I.4.2. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO ... 12
*
I.4.2.1. DESCRIPCIÓN ... 12
*
I.4.3. ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL ... 13
*
CAPÍTULO II. DEFINICIÓN DE LA CENTRAL DE BOMBEO Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ... 15
*
II.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ... 15
*
II.1.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICO OPERATIVAS DE LAS BOMBAS ... 18
*
II.1.2. SISTEMA DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE CRUDO. ... 20
*
II.1.3. DEFINICIÓN DE ESCENARIOS DE OPERACIÓN. ... 22
*
II.2. CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA ... 22
*
II.2.1. MÉTODO DE SOLUCIÓN ... 23
*
II.3. SISTEMA DE CONTROL DE LA CENTRAL DE BOMBEO ... 23
*
II.3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ... 24
*
II.3.1.1. ARQUITECTURA DEL SISTEMA ... 24
*
II.3.1.2. COMUNICACIÓN DEL SISTEMA ... 24
*
II.3.2. AUTOMATIZACIÓN A NIVEL DEL PROCESO: EL CONTROLADOR ... 25
*
II.3.2.1. LA UNIDAD BÁSICA DE CPU ... 26
*
II.3.2.2. FUNCIONES ... 26
*
II.3.2.3. AUTOMATIZACIÓN A NIVEL DEL PROCESO: DISPOSITIVOS DE CAMPO ... 26
*
II.3.2.4. AUTOMATIZACIÓN A NIVEL DEL PROCESO: E/S DE RACK FREELANCE ... 27
*
II.3.2.5. MÓDULOS DE E/S INTELIGENTES ... 27
*
II.3.3. COMUNICACIÓN A NIVEL DE SISTEMA ... 28
*
II.3.3.1. BUS DEL SISTEMA ... 28
*
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II.3.3.3. OPC ... 29
*
II.3.3.4. DMS-API ... 29
*
II.3.4. EL NIVEL DE OPERACIÓN CON DIGIVIS (ESTACIONES DE OPERACIÓN) ... 30
*
II.3.4.1. PANTALLAS PREDISEÑADAS ... 31
*
II.3.4.2. PANTALLA DE VISTA GENERAL ... 32
*
II.3.4.3. CARATULAS DE CONTROL ... 32
*
II.3.4.4. PANTALLA SFC ... 32
*
II.3.4.5. PANTALLA DE TENDENCIAS Y ALMACENAMIENTO ... 33
*
II.3.4.6. LISTA DE MENSAJES Y RECOMENDACIONES DEL OPERADOR ... 34
*
II.3.4.7. REGISTROS ... 34
*
II.3.5. CONFIGURACIÓN Y COMISIONAMIENTO CON CONTROL BUILDER F ... 35
*
II.3.5.1. LA ESTACIÓN DE INGENIERÍA ... 35
*
II.3.5.2. ESTRUCTURA DEL HARDWARE ... 36
*
II.3.5.3. COMISIONAMIENTO ... 37
*
II.3.5.4. COMISIONAMIENTO DE LÍNEAS DE BUSES DE CAMPO ... 37
*
CAPÍTULO III. EVALUACIÓN HIDRÁULICA OPERATIVA DE LA CENTRAL DE BOMBEO ... 40
*
III.1. CURVA DE PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN EL SISTEMA ... 41
*
III.2. CÁLCULO DE LA PRESIONES REQUERIDAS PARA EL ENVÍO ... 42
*
III.3. CRITERIOS PARA LA REGULACIÓN DE FLUJO ... 44
*
III.3.1. ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA ... 44
*
III.3.2. ESTRANGULACIÓN DE VÁLVULA CON ARRANQUE/PARO DE BOMBAS EN PARALELO A VELOCIDAD NOMINAL ... 45
*
III.3.3. ARRANQUE/PARO DE BOMBAS EN PARALELO A VELOCIDAD SIMULTANEA Y VARIABLE ... 49
*
III.3.4. PROPUESTA DE REGULACIÓN DE FLUJO UTILIZANDO CAMBIO DE VELOCIDAD SIMULTANEO Y VARIABLE EN CONDICIONES OPTIMAS Y EFICIENTES ... 50
*
CAPÍTULO IV. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN EN UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO (SCD). ... 54
*
IV.1. PREMISAS Y CONDICIONES DE DISEÑO ... 54
*
IV.2. FILOSOFÍA DE CONTROL ... 54
*
IV.3. ALGORITMO DE CONTROL ... 56
*
IV.4. IMPLEMENTACIÓN EN EL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ... 58
*
IV.4.1. CONFIGURACIÓN PRELIMINAR DEL CONTROLADOR ... 59
*
IV.4.2. INTEGRACIÓN NIVEL PROCESO ... 60
*
IV.4.2.1. PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL ... 60
*
IV.4.2.2. VARIADOR DE VELOCIDAD (CONVERTIDORES DE FRECUENCIA) ... 65
*
IV.4.2.1. COMUNICACIÓN CON EL NIVEL DE OPERACIÓN Y NIVEL DE CAMPO ... 67
*
IV.4.2.2. CONSIDERACIONES Y CARACTERÍSTICAS PARA LA IMPLEMENTACIÓN ... 67
*
IV.4.3. INTEGRACION NIVEL OPERACIÓN ... 67
*
IV.4.3.1. DISEÑO DE PANTALLAS GRÁFICAS CON DigiVis ... 67
*
IV.4.4. COMISIONAMIENTO DEL PROYECTO AL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO ... 72
*
CAPÍTULO V. EVALUACIÓN ENERGÉTICA DE LOS CRITERIOS DE REGULACIÓN DE FLUJO .. 74
*
V.1. EVALUACIÓN HIDRÁULICA DE LAS PROPUESTAS ... 74
*
V.1.1. AHORRO ENERGÉTICO PARA LOS TRES MECANISMOS DE REGULACIÓN DE FLUJO ... 74
*
V.1.2. PROPUESTA DE OPERACIÓN Y CONTROL CON 10 BOMBAS A VELOCIDAD VARIABLE ... 77
*
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria”
CAPÍTULO VI. COSTOS DEL PROYECTO ... 81
*
VI.1. ESTIMACIÓN DE COSTOS DEL PROYECTO ... 81
*
VI.2. AHORRO ANUAL CON OPERACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO DE VELOCIDAD VARIABLE ... 82
*
VI.3. AMORTIZACIÓN DEL PROYECTO ... 84
*
CONCLUSIONES ... 85
*
ANEXOS ... 87
*
ANEXO A CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS ... 88
*
ANEXO B DETERMINACIÓN DE POLINOMIOS POR REGRESIÓN CUADRÁTICA ... 93
*
B.1 REGRESIÓN CUADRÁTICA POR MÍNIMOS CUADRADOS, ECUACIÓN DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA
(
H
L)
... 93*
B.2 REGRESIÓN CUADRÁTICA POR MÍNIMOS CUADRADOS, ECUACIÓN DE PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE TRANSPORTE
(
HL
TRA)
... 95*
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RESUMEN
El presente trabajo desarrolla una propuesta operativa para la optimización en los criterios de regulación de flujo de una Central de Bombeo, que atiende las demandas de un programa Transporte y Distribución de Crudo. En atención a la problemática del consumo desatendido de insumos y/o energéticos por la falta de un sistema de control que ajuste la capacidad de bombeo de acuerdo a las variaciones en la demanda de crudo a transportar y a pesar de dicho ajuste que mantenga a los equipos trabajando en sus mejores puntos de rendimiento.
El trabajo se desarrolla en cinco capítulos:
Capítulo I En este capítulo se revisaran los principios y conceptos en los que se basa la hidráulica de sistemas de tuberías, sistemas de bombeo y sistemas de control, que son la base teórica del desarrollo de este trabajo.
Capítulo II Se describen las características de la infraestructura actual con la que cuenta en particular una Central de Bombeo de Crudo de donde se considera como un modelo típico para la evaluación y
análisis de este proyecto, De la misma forma se presentan las herramientas con las que se desarrolla la propuesta de operación; un software de simulación hidráulica, y un sistema de control distribuido. Capítulo III De acuerdo a la información descrita en el capitulo anterior se construye un modelo de simulación, mediante el cual se realizan evaluaciones de los escenarios típicos de operación de la
Central de Bombeo de Crudo para determinar la eficiencia y ahorro energético con la integración de variadores de velocidad en las unidades motrices de las bombas.
Capítulo IV A partir de la parametrización de las variables de operación y de acuerdo a los niveles de automatización requeridos por la central de bombeo, se propone la implementación de un sistema de control distribuido, debido a que existe la factibilidad técnica. Se desarrolla la ingeniería de diseño
para un sistema de control distribuido, que permita ajustar la capacidad de bombeo. Dicho sistema de control se realiza a través de la programación, configuración y comicionamiento del hardware desde la estación de ingeniería con la aplicación de software de ABB.
Capítulo V En este capítulo se cuantifica el ahorro energético y el incremento de la eficiencia en la operación de las bombas de la central, de esta forma se asegura la optimización debida a la implementación de la ingeniería de diseño del sistema de velocidad variables desarrollada en el capitulo IV.
Capítulo I
HIDRÁULICA Y SISTEMAS DE
CONTROL EN CENTRALES DE
BOMBEO
En este capítulo se revisaran los principios y conceptos básicos en los que se basa la hidráulica de
tuberías con sistemas de bombeo en paralelo, como: dinámica del flujo, perdidas de cargas en el
fluido, clasificación general de bombas hidráulicas y que son la base teórica del desarrollo de este
trabajo. Así también como aspectos básicos en general de los sistemas de control por computadora, y
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CAPÍTULO I. HIDRÁULICA Y SISTEMAS DE CONTROL EN CENTRALES DE BOMBEO
I.1. FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA DE TUBERÍAS
I.1.1. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD, Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
El principio de conservación de la masa es uno de los más básicos. Por lo que, la densidad del fluido puede variar como respuesta a un cambio en su temperatura y/o presión. Para un control de volumen fijo V encerrado por una superficie S, lo representa la ecuación I-1.
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(Ecuación I-1) El primer término representa la acumulación de masa con relación al tiempo en el control de volumen, para los flujos constantes es igual a cero. Para una superficie el producto punto
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da la componente de la velocidad que atraviesa la superficie, por lo que el segundo término calcula el flujo neto de salida de líquido a través de toda la superficie de control. Para un fluido incompresible fluyendo a través por una tubería en régimen estacionario este pierde energía mecánica por efectos de fricción, la conservación de la masa generalmente se referencia como el principio de continuidad (ver ecuación I-2):!! !"!
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(Ecuación I-2) donde Q es la descarga de flujo a través de una sección de tubería, que también se puede escribir como el producto de la velocidad media V y la sección transversal de la tubería A. El segundo principio importante es: conservación de la energía, también suelen llamarse ecuación de Bernoulli pero en general es claramente más que eso. Para la constante unidimensional de líquido de tubería, en unidad de peso de fluido, el principio puede escribirse para las dos secciones o cada uno de los extremos. !!
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(Ecuación I-3) !!
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 2
I.1.2. PÉRDIDAS DE CARGA EN FLUIDOS INCOMPRESIBLES
El transporte de los fluidos representa pérdidas de energía, en lo que influyen factores tales como: propiedades del fluido, características del material o del conducto de transporte y condiciones en las que se envía.
I.1.2.1. ECUACIÓN DE DARCY – WEISBACH
El flujo de los fluidos reales está muy influenciado por la naturaleza de la viscosidad del fluido. La viscosidad de un fluido introduce las fuerzas de cizallamiento entre partículas del fluido, así como entre los muros exteriores y las partículas del fluido. La energía que se gasta para superar las fuerzas de corte de fluido se convierte en calor. Esta conversión de la energía para calentar el líquido resulta en una caída de presión del fluido.
El método de Darcy-Weisbach tiene en cuenta la viscosidad del fluido y rugosidad de la tubería, proporcionando resultados válidos para fluidos newtonianos incompresibles que fluye en cualquier ronda de tuberías completamente cargadas. Esta fórmula también se puede extender a los fluidos compresibles con algunas restricciones, la ecuación I-5 se representa:
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(Ecuación I-5) Hay dos factores de fricción de uso común en la hidráulica, el factor de fricción de Darcy y el factor de fricción de Fanning. Están relacionados de la siguiente manera fDarcy es igual 4fFanning[7]
I.1.2.2. DETERMINACÓN DE EL FACTOR DE FRICCION EN TUBERÍA
Tanto para flujo laminar y no laminar, el factor de fricción es una función del número de Reynolds. El número de Reynolds es un parámetro adimensional que describe las características del fluido que fluye en el sistema de tuberías. Reynolds desarrolló la siguiente relación:
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Por encima de un valor crítico del número de Reynolds, el movimiento de las partículas del fluido se vuelve al azar o turbulento.
Para los cálculos de ingeniería, el límite superior práctico de flujo laminar se ha fijado en un número de Reynolds Re = 2100. Por encima de la región de flujo laminar, el flujo comienza a ser turbulento. A medida que el número de Reynolds del sistema aumenta, el flujo se vuelve más turbulento, hasta que el movimiento de las partículas del fluido es completamente turbulento. El rango de flujo laminar y el flujo turbulento completamente se conoce como la región de transición.
El factor de fricción para el flujo laminar depende sólo del número de Reynolds y se expresa por la siguiente relación:
!!!" !!
(Ecuación I-7)
El cálculo del factor de fricción en el rango de la transición y turbulento es más compleja. Es una función del número de Reynolds y la relación entre la rugosidad de la tubería superficie del material de la tubería de diámetro interior.
Nikuradse realizó una serie de experimentos con el fin de desarrollar una relación entre el factor de fricción y el número de Reynolds en tuberías con flujo turbulento. El valor de la rugosidad de la superficie del material se llegó a revestir el interior de un tubo liso con granos de arena uniforme. Los resultados de su experimentación, presentó algunas relaciones de valor. Hizo los siguientes descubrimientos:
En un alto número de Reynolds el factor de fricción de la tubería se vuelve constante. Para tuberías rugosas la relación de la rugosidad de la superficie del material de diámetro de la tubería, o la rugosidad relativa, es más importante que el número de Reynolds para determinar el factor de fricción. CF Colebrook experimentó con tuberías comerciales de diversos materiales y la rugosidad y desarrolló la ecuación I-8 para tuberías en la región de transición a la zona de turbulencia completa:
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(Ecuación I-8)
I.1.2.3. PÉRDIDAS DE PRESIÓN POR VÁLVULAS Y ACCESORIOS
Con el fin de incluir las válvulas y accesorios en el cálculo de la caída de presión en la tubería, debe ser calculado el valor de K para cada válvula y se añade al valor de la K total de la tubería utilizada en la ecuación de Darcy.
Los fabricantes de válvulas han realizado experimentos en diversas válvulas y accesorios con el fin de llegar a las expresiones empíricas de caída de presión para tipos específicos de los componentes del sistema de tuberías.
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 4
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(Ecuación I-9) Como se mencionó anteriormente, el valor de K para varios accesorios se ha llegado a través de la experimentación. Para cualquier tipo de válvula, una longitud de más de diámetro (L / D) El coeficiente se puede determinar igualando la caída de presión a través de la válvula a la longitud equivalente de tubería. Cuando el coeficiente de (L / D) se multiplica por el factor de fricción turbulenta de tubería de acero limpio comerciales en varios diámetros, se determina el valor de K para que la válvula. Para determinar el factor de fricción turbulenta, se utiliza la siguiente ecuación de Nikuradse:
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(Ecuación I-10) Hay algunas resistencias al flujo en sistemas de tuberías que son independientes del factor de fricción. Estas resistencias se determinan sólo por el cambio en la velocidad del fluido y el cambio en la dirección del flujo. Las pérdidas asociadas a cambios en el diámetro del tubo (sean graduales o abruptos) o en las entradas o salidas de tuberías entran en esta categoría.[7]
I.1.2.4. VALORES DE CV
Muchos fabricantes de la válvula de expresar las características de caída de presión de las válvulas con un coeficiente de caudal (Cv) en lugar de un valor K. Por definición, Cv es el número de galones por minuto a 60 ° F de agua que pasan a través de una válvula con una caída de presión fija de 1 psi. Cuando los usuarios especifican un valor de Cv para un gasoducto, se calcula el valor de K con la siguiente correlación:
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(Ecuación I-11)
I.1.2.5. PÉRDIDAS EN REDUCCIONES
Un cambio en el diámetro de las tuberías provoca una pérdida de presión debido al cambio en la velocidad del fluido a medida que pasa a través de la conexión. La caída de presión también depende de la velocidad a la que el cambio de dirección en el ajuste se produce.
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Figura I-1Reducción de Tubería
Para una ampliación, la dirección del flujo en a2 es de menor diámetro (d1) con el diámetro más grande (d2). Para una contracción, la dirección del flujo es de mayor diámetro (d2) al de menor diámetro (d1).
I.2. BOMBAS HIDRÁULICAS
Las bombas hidráulicas son máquinas que adicionan energía cinética y potencial a un líquido, esta energía se traduce en una aumento de la velocidad (caudal) y de la presión. Existe una gran variedad de tipos de bombas, en el esquema de la figura se muestra una clasificación general de bombas hidráulicas.
I.2.1. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS
Figura I-2 Clasificación General de Bombas Hidráulicas BOMBAS
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
ROTATORIAS
ENGRANES
ASPA
TORNILLO
CAVIDAD PROGRESIVA
LÓBULO O LEVA
TUBO FLEXIBLE
RECÍPROCAS
PISTÓN
ÉMBOLO
DIAFRAGMA
CINÉTICAS
EFECTO ESPECIAL
CENTRIFUGAS
FLUJO RADIAL
FLUJO AXIAL
FLUJO MIXTO Angulo de la reducción
Longitud de la reducción
Lado pequeño
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 6
I.2.2. BOMBAS CENTRIFUGAS
Una bomba centrífuga es una máquina giratoria en la que se generan el flujo y la presión dinámica. La entrada no está amurallada de la toma, como es el caso de discriminación positiva, la colocación de bombas, ya sean alternativos o rotativos en la configuración. Por el contrario, una bomba centrífuga libera energía útil para el líquido o "el bombeo" en gran parte a través de cambios de velocidad que se producen como este líquido fluye a través de la turbina y el correspondiente fija de la bomba, es decir, se trata de un "roto dinámicas" de la bomba. Todas las bombas de rodete son roto-dinámico, incluyendo aquellos con los impulsores de flujo radial, flujo mixto, y de flujo axial el término "bomba centrífuga" tiende a abarcar todas las bombas roto dinámicas.
I.2.3. IMPULSORES O RODETES
Es la pieza de los internos móviles de una bomba centrifuga, que transmite energía (velocidad) al fluido, en la siguiente figura se muestran los tipos.
Figura I-3 Características de los Impulsores o Rodetes
I.2.4. CURVAS CARACTERÍSTICAS PARA BOMBAS CENTRIFUGAS
Los proveedores de bombas deben realizar pruebas de bombeo para determinar las características de funcionamiento de las bombas que fabrican y estos resultados se documentan como curvas características (ver figura I-4).
Las curvas características de las bombas son gráficas de su comportamiento, en las que un eje corresponde a la altura de bombeo y el otro al gasto o caudal movido por la bomba. De acuerdo a esto también se representa la eficiencia y la potencia, graficados en el eje de las ordenas, esto para el rango de capacidad de flujo. Como se observa en la figura I-4, la capacidad de estos equipos también puedo modificarse con la variación en la velocidad y por el diámetro del impulsor. Dentro de los criterios de seguridad y de operación se recomienda un rango de flujo
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Figura I-4 Curvas Características de Bombas Centrifugas
I.2.5. LEYES DE AFINIDAD
Leyes de Afinidad son las relaciones en función del cambio de velocidad de rotación de la bomba con el flujo, presión y potencia. En la siguiente ecuación se representa dichas relaciones.
!! !! ! !! !! (Ecuación I-12) !! !! ! !!! !!! ! (Ecuación I-13) !! !! ! !!! !!! (Ecuación I-14) !"#!$!
!!!!!!!!!!!!!!!!"#$%! !!!!!!!!!!!!!!!!"#$%&'('!
!!!!!!!!!!!!!!!!"#$%!!!
!!!!!!!!!!!!!!!!"#$%&'(
I.2.6. BOMBAS CENTRIFUGAS EN PARALELO
Muchos sistemas de transporte de fluidos requieren flujos volumétricos que varían mucho, por lo que son difíciles de obtener con un bomba sin provocar que opere muy lejos de su punto óptimo de eficiencia. Como solución es utilizar dos o más bombas en paralelo, cada una de las bombas cuales extrae el fluido de la misma fuente de entrada y lo envían a un colector común para hacerlo llegar a todo el sistema. el pronostico del rendimiento de los sistemas en paralelo requiere comprender la relación entre las curvas de las bombas y la curva del sistema de aplicación. En teoría, acoplar una segunda bomba en paralelo duplica la capacidad del sistema. sin embargo, conforme ocurre un flujo volumétrico más grande en el sistema de tubería, se crea una carga mayor, lo que hace que cada bomba envié menos flujo.
bpd x10^2 Power - kW 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 0 100 500 1000 1500
Head - m
% - E ff ic ie n c y 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1300 1200 1100 1000 900 800 200 700 250 600 300 350 500 400 400 450 500 300 550 200 600 650 100 700 80.4 12 in 12.875 in 10 in Corrected Curves High Viscosity
Company: 1_c/estran SULZER PUMPS Size: 8x10x13B2 3 stage
Name: 1_c/estran Catalog: , Vers Speed: 3580 rpm
9/2/2011 MSD - 3600 Dia: 12 in
Design Point: 91380 bpd, 498.1 m Curve: MD-62-1
POTENCIA DIAMETRO DE
IMPULSOR
LIMITE DE FLUJO MÍNIMO EJE DE ORDENADAS PRESIÓN CURVAS DE OPERACIÓN
EJE DE ABCISAS FLUJO EFICIENCIA
PUNTO DE OPERACIÓN
PUNTO DE MAYOR EFICIENCIA (BEP)
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 8
La figura I-5 ilustra este concepto. Observe quela bomba 1 opera sobre la curva de rendimiento más baja y que a una carga h1 distribuye un flujo volumétrico Q1. []
Figura I-5 Rendimiento de dos Bombas que Operan en Paralelo
I.3. ACCIONAMIENTO DE BOMBAS MEDIANTE VARIADORES DE VELOCIDAD
Ya se ha mencionado que las necesidades de presión y flujo en redes de distribución no suelen ser constantes. A la hora de proponer medidas para mejorar la eficiencia hay que prestar especial atención a las condiciones de demanda de caudal media o baja. Como los grupos de bombeo se dimensionan para las máximas necesidades, cuando la demanda de caudal es más baja, las bombas funcionaran con un bajo rendimiento. O bien la bomba trabajara con un caudal muy superior a la demanda, o bien será necesario estrangular la válvula, lo que lleva a un mayor consumo de energía y una menor vida de la bomba.
En una bomba impulsada por un motor que opera a velocidad fija, la regulación de caudal ha de hacerse mediante la apertura o cierre de una válvula. En cambio si se utiliza un variador de velocidad, la regulación es mucho más eficiente pues el motor no tendrá que consumir el exceso de energía que posteriormente se disipa en la válvula.
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I.3.1. VARIADORES DE VELOCIDAD DE MOTORES DE C.A.
Un variador de velocidad por frecuencia, ha revolucionado la técnica del manejo de motores de corriente alterna, simplificando el funcionamiento en procesos industriales continuos, terminales de autopartes, pozos petrolíferos, centrales de rebombeo entre otros.
I.3.2. FUNCIONAMIENTO Constituido por cuatro etapas:
! La rectificadora ya que convierte la tensión alterna a continua mediante rectificadores y tiristores.
! La etapa intermedia que filtra y suaviza la tensión rectificada, reduciendo en forma significativa la emisión de armónicos.
! Etapa inversora que convierte la tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos.
! Etapa de control que controla los IGBT para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia.
Además controla los parámetros externos en general. Los variadores más utilizados son por modulación de PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y usan una etapa rectificadora de puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usa condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia.
I.4. SISTEMAS DE CONTROL
I.4.1. AUTOMATIZACIÓN DE PLANTAS INDUSTRIALES
I.4.1.1. ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
En los primeros tiempos de la industrialización las plantas eran supervisadas y controladas manualmente, basándose en las indicaciones de instrumentos instalados en campo. La supervisión requería que el operador estuviera en planta para llevar a cabo el control manual directo del proceso. Desarrollos posteriores en la instrumentación, tal como sensores con posibilidad de transmitir las principales variables de proceso (temperatura, presión, nivel y caudal), así como controladores mecánicos, hidráulicos y neumáticos, contribuyeron en los años cuarenta a la automatización gradual
de las plantas. La tendencia de automatización continuó durante los años cincuenta al aparecer los
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ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 10
A mediados de los años veinte se utilizó en la industria el control todo-nada, y al final de los años veinte el control proporcional. Los controladores con acciones proporcional, integral y derivativa fueron de uso común en los años treinta. Los valores de referencia (puntos de consigna o SetPoint), podían ser fijados por el operador de planta. La necesidad de comprender los problemas inherentes al ajuste o sintonía de los controladores PID, hizo que apareciera la simulación del lazo de control. Éste fue el principio de la teoría sobre sistemas de control. Para el ajuste de los parámetros de control se empezaron a utilizar las reglas de Ziegler Nichols, basadas en la sensibilidad del lazo de control.
I.4.1.2. AUTOMATIZACIÓN BASADA EN COMPUTADORAS (Controles SPC y DDC)
La posibilidad de utilizar una computadora digital para control de procesos apareció en la mitad de los años cincuenta, aunque fue realmente a finales de esa década cuando se desarrolló esta alternativa de control. Desde entonces la computadora para control de procesos ha evolucionado a través de diferentes etapas de desarrollo que en computadoras de control distribuido aparecen identificadas como:
! Etapa inicial 1958 a 1964 ! Computadora centralizada 1965 a 1970 ! Minicomputadora 1971 a 1975 ! Control distribuido Desde 1975
Durante mucho tiempo las computadoras utilizados eran demasiado grandes, lentas, caras e inseguras desde el punto de vista de funcionamiento. Debido a la falta de seguridad solamente podían utilizarse para realizar control supervisorio, es decir, cálculo de puntos de consigna de controladores tradicionales con tecnología analógica, conectados directamente al proceso. Para llevar a cabo el control supervisorio se pueden utilizar dos procedimientos:
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Figura I-6 Set Point Modificado por el Operador
! SP modificado por la computadora. En este modo, la computadora fija automáticamente los valores de los puntos de consigna (control SPC o Set Point Control), tal como aparece en la Figura I-7.
Al tratarse de modificar puntos de consigna de controladores analógicos, el control supervisorio suele ejecutarse con una frecuencia comprendida entre uno y varios minutos. La siguiente fase consistió en la utilización computadoras para sustituir a los controladores tradicionales. Con esto empezó una nueva era en el control de procesos, aunque las funciones del sistema de control seguían siendo las mismas, basado en el comportamiento del lazo de control PID. Al sustituir al controlador analógico, la computadora teniaque mover directamente el elemento final de control, por lo que se utilizó el término DDC (Direct Digital Control), para poner énfasis en que el ordenador controlaba directamente al proceso.
Figura I-7 Set Point Modificado por la Computadora
COMPUTADORA PARA CONTROL DE PROCESOS
SENSORES PARA DETECTAR VARIABLES DE PROCESO
U N I D A D D E P R O C E S O S
SALIDAS A ELEMENTO FINALES
CONTROLADORES ANALÓGICOS
PUNTOS DE CONSIGNA
I/F
COMPUTADORA PARA CONTROL DE PROCESOS
SENSORES PARA DETECTAR VARIABLES DE PROCESO
U N I D A D D E P R O C E S O S
SALIDAS A ELEMENTO FINALES
CONTROLADORES ANALÓGICOS
PUNTOS DE CONSIGNA
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I.4.2. SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO
I.4.2.1. DESCRIPCIÓN
De forma simplificada, un Sistema de Control Distribuido (SCD), consta de tres elementos fundamentales que son:
! Interface al proceso ! Interfaz al operador ! Vía de datos Interface al proceso
Suele haber dos tipos de equipos para realizar la interface con el Proceso. Uno de ellos, denominado habitualmente controlador, se dedica al procesamiento de lazos de control con entrada, procedente de elementos de medida, y salida hacia elementos finales, mientras que otro módulo se dedica al procesamiento de entradas que no necesitan realizar funciones de control, tal como indicaciones.
Figura I-8 Operación de los Sistemas de Control
haber equipos especializados en determinados tipos de entradas, siendo el más habitual el que procesa temperaturas, conocido como multiplexor, descrito en el capítulo correspondiente a medidas de temperatura. Algunos módulos del sistema tienen la posibilidad de programación adicional en lenguajes de alto nivel Basic, Fortran o lenguajes especializados), con posibilidad de acceso directo a los parámetros de los bloques de control. Esta particularidad da una potencia considerable a los equipos, sobre todo si se va a realizar Control Avanzado.
Interfaz al Operador
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Figura I-9 Consola de Operación
El sistema dispone de una vía principal para comunicación de datos y otra de reserva. Cada vía está compuesta por un cable coaxial y toda la electrónica asociada, por donde fluye la comunicación a lo largo de todos los elementos del sistema de control. Ante un fallo en la vía principal, automáticamente entra la de reserva, sin afectar al control de la planta.
I.4.3. ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL
Un controlador automático compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño. La manera en la cual el control automático produce la señal de control se denomina acción de control, y se clasifican como:
! De dos posiciones (ON/OFF) ! Proporcional
! Integral
! Proporcional integral (PI) ! Proporcional derivativa (PD)
! Proporcional integral derivativo (PID)
Capítulo II
DEFINICIÓN DE LA CENTRAL DE
BOMBEO DE CRUDO Y CONTROL
DISTRIBUIDO
La definición de la Central de Bombeo de Crudo comprende la caracterización, descripción y
reconocimiento de la infraestructura actual que se cuenta, como son: las bombas con curvas típicas
de operación, el arreglo de tuberías donde se interconectan, la operación en paralelo, la
caracterización del producto transportado, Sistema de Transporte de Crudo con sus Programas de
Distribución, escenarios típicos de operación y de la misma forma mostrar las características de la
herramientas de apoyo para el desarrollo de la evaluación, análisis y puesta en operación; un software
de simulación hidráulica, y un sistema de control distribuido (software y hardware). Con base a la
&,1!"!(!)"*&,*/-*(,"#$-/*&,*.%3.,%*&,*($'&%*4*(%"#$%/*&!0#$!.'!&%*
CAPÍTULO II. DEFINICIÓN DE LA CENTRAL DE BOMBEO Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
II.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
La Central de bombeo forma parte de un Sistema de Transporte y Distribución de crudo. El flujo total que recibe la Central de Bombeo corresponde al producto proveniente de una Terminal Marítima que llega a un cabezal de 48”Ø D.N. donde se conectan las succiones de tubería de 14”Ø D.N. para cada una de las bombas. La presión a la succión de las bombas varia de 6 a 8 kg/cm2 con una temperatura promedio de 40ºC, y se bombea a una presión de 23 - 40 kg/cm2, a través de tuberías de 10”Ø D.N que van de la toma de descarga de cada motobomba para interconectarse a dos cabezales de 30”ø convergiendo en una sola línea de 36”ø, hacia el Centro Comercializador de Crudo. El arreglo de tuberías de succión y descarga tienen la capacidad de conectar a 14 motobombas en paralelo de las cuales operan normalmente 7 a 10 y las restantes se mantienen para relevos (ver Figura II.1).
Figura II-1 Arreglo de Tuberías en Paralelo de la Central de Bombeo.
La Central de Bombeo es un punto intermedio del sistema de trasporte por lo que se describe los casos en los que existe la posibilidad de represionamientos en los siguientes tramos:
Caso 1: Terminal Marítima – Estación de Bombeo. En caso de presentarse un represionamiento en el oleoducto de 36”Ø Terminal Marítima, en la Estación de Bombeo se incrementa la presión de succión y se acciona la alarma al llegar a 10.0 Kg./cm2; se hablará telefónicamente al Centro Comercializador de Crudo para que se indique si se requiere meter equipo en operación o que la
LÍN EA SU
CC IÓN
BCH-1 0
BCH-9
BCH-8
BCH-7 BCH-6
BCH-5 BCH-4
BCH-3 BCH-2
BCH-1
LÍN EAS
DESC ARG
A
VÁLVULA CHECK
VÁLVULA DE COMPUERTA
VÁLVULA DE
COMPUERTA MOTO-BOMBA
DETALLE A
DETALLE A-1
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Terminal Marítima se ajuste al Programa de Distribución. El operador comunicará a la mesa de guardia de estos movimientos operativos.
Caso 2: Estación de Bombeo – Centro Comercializador de Crudo. En el caso de presentarse un represionamiento en el oleoducto de 36”Ø, se hablará telefónicamente al Centro Comercializador de Crudo y a la Terminal Marítima para conocer la causa, y en caso de requerirse la Terminal Marítima iniciará el proceso de sacar de operación las motobombas necesarias y la Central de bombeo realiza los ajustes correspondientes como, sacar equipo y estrangular o abrir las válvulas de descarga.
Figura II-2 Distribución de Tramos e Instalaciones
La infraestructura actual de la central de bombeo cuenta con instrumentos transmisores de presión a la succión, descarga de cada bomba y en los cabezales principales de succión/descarga. Sus características son: transmisores de presión diferencial marca Foxboro, salidas digitales FoxCom, HART, FF y salidas analógicas de 4-20mA, comunicación remota FF: Fieldbus Host; PC-Based Configurator with a FOUNDATION Fieldbus Interface and FF Hand-held Configurator.
Tabla II-1 Propiedades Principales del Crudo
CRUDO 32.6 º A.P.I
PROPIEDAD CANTIDAD
DENSIDAD (!) [Kg/m3] 840.5
VISCOSIDAD DINAMICA ( µ )[cP ]@ 44°C 8.668
PRESIÓN DE VAPOR (PV)[PSIA] 1.428
PRESIÓN CRITICA (PCR)[PSIA] 3198
Las dimensiones y características del arreglo de tuberías se describen a continuación:
Las diez bombas consideradas para el sistema de bombeo, son de la misma capacidad así como su arreglo de tuberías; cada bomba se conecta del cabezal principal de succión con una tubería de 14” D.N. seguido de una válvula de seccionamiento tipo compuerta, una reducción concéntrica de 14X10 para acoplarse a la succión. la descarga es de un diámetro de 8” D.N. y se amplía el diámetro a 10”D.N. con que se conectan a los dos cabezales de descarga (Ver figura II.3). Las dimensiones se muestran en la tabla II-2
T. MARÍTIMA C. DE REBOMBEO
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Figura II-3Arreglo de Tuberías de cada Bomba
Tabla II-2Dimensiones de Tubería del Sistema de Bombeo
ELEMENTO LONGITUD [m] DN [in] ESPESOR COMENTARIO
1 3.800 36 0.375 CARRETE
C.
S
UCCI
ON
2 1.372 36 0.375 CODO 90
3 1.219 36 0.375 CARRETE
4 5.750 48 0.375 CARRETE
5 6.000 48 0.375 CARRETE
6 6.000 48 0.375 CARRETE
7 3.000 48 0.375 CARRETE
8 1.192 14 0.375 CARRETE
IN T E R C O N E C C IO N B O M B A 1
9 0.222 14 0.375 CODO 45
10 8.968 14 0.375 CARRETE
11 0.910 14 0.375 VALVULA
12 0.533 14 0.375 CODO 90
13 0.332 12 0.375 REDUCCION CON.14X10
14 0.675 12 0.375 CARRETE
15 1.154 8 0.322 BOMBA 1
16 0.940 8 0.322 CARRETE
17 0.305 8 0.322 CODO 90
18 0.300 8 0.322 REDUCCION CON. 10X8
19 0.746 10 0.365 CARRETE
20 0.790 10 0.365 VALVULA
21 0.795 10 0.365 VALVULA
22 10.460 10 0.365 CARRETE
23 0.869 10 0.365 CARRETE
24 0.381 10 0.365 CODO 90
25 0.619 10 0.365 CARRETE
26 0.457 10 0.365 CARRETE
27 6.000 30 0.375 CARRETE
DE
S
CA
RGA
28 6.000 30 0.375 CARRETE
29 1.000 30 0.375 CARRETE
Carrete de 14”D.N.
11
Válvula de compuerta
12
Codo largo 90º 14”
13
Reducción
concéntrica 14X10”
14
Carrete 10” D.N.
15
Bridas p/acoplar
bomba
16
Carrete de 10”D.N.
17
Codo largo 90º de 10”
18
Ampliación
(reducción
concéntrica) 8X12”
19
Carrete 10”D.N.
20
dd
21
Válvula check
22
Válvula de compuerta
10
11
13
&,1!"!(!)"*&,*/-*(,"#$-/*&,*.%3.,%*&,*($'&%*4*(%"#$%/*&!0#$!.'!&%*
ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 18
Continuación
30
Tabla II-2
1.686 14 0.375 CARRETE
IN T E R C O N E C C IO N B O M B A 2
31 0.314 14 0.375 CODO 45
32 8.968 14 0.375 CARRETE
33 0.910 14 0.375 VALVULA
34 0.533 14 0.375 CODO 90
35 0.332 12 0.375 REDUCCION CON14X12
36 0.675 12 0.375 CARRETE
37 1.154 8 0.322 BOMBA 2
38 0.940 8 0.322 CARRETE
39 0.305 8 0.322 CODO 90
40 0.300 8 0.322 REDUCCION CONC. 10X8
41 0.746 10 0.365 CARRETE
42 0.790 10 0.365 VALVULA
43 0.795 10 0.365 VALVULA
44 10.460 10 0.365 CARRETE
45 0.869 10 0.365 CARRETE
46 0.381 10 0.365 CODO 90
47 0.619 10 0.365 CARRETE
48 0.457 10 0.365 CARRETE
49 1.457 10 0.365 CARRETE
CA BE Z A L DE DE S CA RGA
50 1.457 10 0.365 CARRETE
51 1.457 10 0.365 CARRETE
52 1.000 30 0.375 CARRETE
53 6.000 30 0.375 CARRETE
54 6.000 30 0.375 CARRETE
55 9.689 30 0.375 CARRETE
56 1.110 30 0.375 CARRETE
57 1.110 30 0.375 CARRETE
58 3.000 30 0.375 CARRETE
59 9.689 30 0.375 CARRETE
60 1.110 30 0.375 CARRETE
61 1.110 30 0.375 CARRETE
62 3.000 30 0.375 CARRETE
63 2.740 48 0.375 CARRETE
64 0.400 - - BRIDAS
Tubería STD/rugosidad 0.0018
II.1.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICO OPERATIVAS DE LAS BOMBAS
Como se explicó en el apartado anterior; el medio de impulsión del crudo es a través de un cuadro de bombas en paralelo por lo que se resaltan sus características mecánicas y de construcción que influyen en las capacidades de operación, en la Figura II-4 y la Tabla II-3 se muestran las características de diseño esperadas para la operación de una bomba Centrifuga Multi-etapa de 8X10X13B2, estas pueden variarse con la modificación del número de etapas o del diámetro del impulsor. Y el punto de operación cambia de acuerdo a las características que presente el sistema de tuberías (curva del sistema) donde se conecte la bomba.
Tabla II-3Datos de Placa de Bombas
MARCA
TAMAÑO-PASOS TIPO R.P.M.
FLUJO [GPM] PRESIÓN EFICIENCIA ! POTENCIA [HP] DESC. [ft] SULZER
&,1!"!(!)"*&,*/-*(,"#$-/*&,*.%3.,%*&,*($'&%*4*(%"#$%/*&!0#$!.'!&%*
Figura II-4 Curva típica de operación de bomba Sulzer Pumps a Condiciones Nominales. Fuente: Pump-Flo
De acuerdo a la norma API Estándar 610 “Centrifugal Pumps for Petroleum, heavy ducty chemical and gas industry service” y la norma NRF-050-PEMEX-2007 ”Bombas Centrífugas”; la región de operación puede variar en un rango de 70% a 120% del flujo de mejor eficiencia.
El número de las etapas o impulsores para este modelo de bomba son 5, sin embargo para ajustar las capacidades de los equipos a los Programas de Transporte de Crudo Istmo se redujeron a 3 etapas y el diámetro de impulsor a 12“; la curva característica la bomba modificada se representa en la figura II.5 misma que se utiliza en las posteriores evaluaciones.
Las capacidades de la bomba con la reducción a 3 etapas y diámetro de impulsor de 12” quedan con los siguientes valores: el BEP1 se ajusta en un 80.4% de eficiencia con un flujo de 96,435 BPD y con un rango de operación recomendado2 de 67,505 BPD a 115,722 BPD a una velocidad fija de 3580 RPM (Ver figura II.5)
1
Por su siglas en ingles punto de mejor eficiencia (best efficiency point) 2
&,1!"!(!)"*&,*/-*(,"#$-/*&,*.%3.,%*&,*($'&%*4*(%"#$%/*&!0#$!.'!&%*
ESIME - IPN “La Técnica al Servicio de la Patria” 20
Figura II-5 Curva Característica de operación de bomba Sulzer Pumps (modificada a 3 etapas) Fuente: Pump Flo
II.1.2. SISTEMA DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE CRUDO.
El Sistema de Transporte de Crudo es la infraestructura de tuberías, bombas y equipos auxiliares que cumple un Programa de Distribución, dicho de otra forma es la planeación de volúmenes de crudo a trasportar.
Los valores de flujo y presión se establecen de acuerdo a la demanda de volúmenes de crudo y la capacidad a la que fue diseñado el sistema de tuberías; como se muestra en la figura II-6 y II-7
Figura II-6 Sistema de Transporte y Distribución de Crudo Istmo bpd x10^2 Power - kW 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 0 100 500 1000 1500
Head - m
% - E ff ic ie n c y 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1300 1200 1100 1000 900 800 200 700 250 600 300 350 500 400 400 450 500 300 550 200 600 650 100 700 80.4 12 in 12.875 in 10 in Corrected Curves High Viscosity
Company: 1_c/estran SULZER PUMPS Size: 8x10x13B2 3 stage Name: 1_c/estran Catalog: , Vers Speed: 3580 rpm 9/2/2011 MSD - 3600 Dia: 12 in
Design Point: 91380 bpd, 498.1 m Curve: MD-62-1
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36
Ø x 99.8 KM T. MARITIMA C.R. CARDENAS 36 Ø x 6 8 .1 K M DESCARGA 700 MBD 31 Kg/cm2
33.4º API
SUCCION
700 MBD 7 Kg/cm2
33.4º API 39.8°C C. REBOMBEO C. Comercializador Crudo. 570 MBD 42 Kg/cm2
33.3º API
700 MBD 16 Kg/cm2
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Figura II-7 Programa de Distribución de Crudo Istmo !
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