ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“IMPLEMENTACIÓN DE MONITOREO Y CONTROL DE DOS
CALENTADORES DE ACEITE EN UNA PLATAFORMA MARINA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA
SERGIO ALONSO CASILLAS ORTEGA
ASESORES:
DR. JUAN JOSÉ MUÑOZ CESAR
ING. MARISOL PÉREZ VÁZQUEZ
ÍNDICE.
INTRODUCCIÓN
ASPECTOS GENERALES
OBJETIVO GENERAL OBJETIVO ESPECIFICO
JUSTIFICACIÓN
CAPÍTULO
I
MARCO CONCEPTUAL
1.1 PROCESO DE TRASFERENCIA DE CALOR 1 1.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR 2 1.3 VARIABLE DEL PROCESO 5
1.3.1 TEMPERATURA
6
1.4 PROCESO DE ENDULZAMIENTO DE GAS AMARGO 7 1.5 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE ACEITE 9
CAPÍTULO
II
FILOSOFIA DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE ACIETE
2.1 FILOSOFÍA DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE ACEITE 12
2.1.1 SISTEMA DE AIRE DE COMBUSTIÓN 12
2.1.2 SISTEMA DE GAS COMBUSTIBLE 13
2.1.2.1 GAS A QUEMADOR 13
2.1.2.2 GAS A PILOTO 15
2.1.3 EXPANSIÓN DE ACEITE EN EL TANQUE 15
2.1.4 PANORAMA OPERACIONAL DEL MONITOREO Y CONTROL DEL CALENTAMIENTO DE
ACEITE
17
2.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL 18
2.2.1 CONTROLADOR 19
2.2.2 BACKPLANE 20
2.2.3 MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS 20
2.2.4 DISPOSITIVOS DE ENTRADAS Y SALIDAS 21
2.2.5 MÓDULOS DE COMUNICACIÓN
22
2.3 ESTACIÓN DE OPERACIÓN 23
2.3.1 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA 23
2.3.2 INTERFAZ DE USUARIO
25
2.4 HARDWARE PARA LA COMUNICACIÓN DEL SISTEMA 26
2.4.1 COMUNICACIONES USADAS EN EL SISTEMA SLC500TM 26 2.4.2 TIPOS DE RED 26
2.4.3 COMUNICACIÓN ETHERNET 28
CAPÍTULO
III
SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
3.1 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN 29
3.1.1 LÓGICA DE ESCALERA DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE ACEITE 29 3.2 SISTEMA DE CONTROL LÓGICO, DE LOS MODELOS DISEÑADO PARA EL MONITOREO Y CONTROL 32 3.2.1 SISTEMA DE AIRE DE COMBUSTIÓN 32
3.2.2 SISTEMA DE GAS COMBUSTIBLE 33 3.2.2.1 GAS A QUEMADOR 33 3.2.2.2 GAS A PILOTO 34 3.2.3 EXPANSIÓN DE ACEITE EN EL TANQUE 35 3.2.3.1 ARRANQUE Y PARO DE BOMBAS 35 3.2.4 VARIABLE DE TEMPERATURA, NIVEL Y APERTURA/CIERRE DE VÁLVULA PRINCIPAL DE COMBUSTIBLE 36 3.2.4.1 VARIABLE DE TEMPERATURA 36 3.2.4.2 VARIABLE DE NIVEL 36 3.2.4.3 VÁLVULA PRINCIPAL DE COMBUSTIBLE 36 3.3 COMUNICACIONES INDUSTRIALES UTILIZADAS PARA EL MONITOREO Y CONTROL 37 3.4 SOFTWARE PARA EL MONITOREO Y CONTROL 39
3.4.1 PONDERARE INTOUCHTM 39
3.4.2 INTERFAZ DE USUARIO WINDOWMAKERTM 39
3.4.3 CARACTERÍSTICAS DE TAGNAME 40
3.4.4 VÍNCULOS DE ANIMACIÓN 43
CAPÍTULO
IV
ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL 4.1 ARQUITECTURA DE CONTROL 44
4.1.1 ARQUITECTURA PROPUESTA PARA EL MONITOREO Y CONTROL 44
CAPÍTULO
V
DISEÑO DE LOS MODELOS GRÁFICOS EN LA INTERFAZ HUMANO MÁQUINA 5.1 DISEÑO DE LOS MODELOS GRÁFICOS DEL PROCESO DE CALENTAMIENTO DE ACEITE 475.1.1 PANEL DE CONTROL 47
5.1.2 SISTEMA DE AIRE PARA LA COMBUSTIÓN 50 5.1.3 SISTEMA DE GAS COMBUSTIBLE 52
5.1.4 EXPANSIÓN EN EL TANQUE 55
5.2 ASIGNACIÓN DE APLICACIÓN Y TÓPICO DE COMUNICACIÓN 57
5.2.1 ASIGNACIÓN DE DATOS 57
5.2.2 INTERCAMBIO DE DATOS DINÁMICOS (DDE) 59 5.3 CABLEADO DE COMUNICACIÓN ENTRE LOS CALENTADORES 60
5.4 PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE EL SWITCH ETHERNET Y LA ESTACIÓN DE OPERACIÓN 61
5.5 COMUNICACIÓN ENTRE LA ESTACIÓN DE OPERACIÓN Y LOS PROCESADORES 62
CAPÍTULO
VI
PRUEBA PREVENTIVA DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL
6.1 PRUEBA PREVENTIVA DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL 63
6.1.1 PANEL DE CONTROL 64
6.1.2 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN GAS COMBUSTIBLE 65
6.1.3 SISTEMA DE AIRE PARA LA COMBUSTIÓN 66
6.1.4 EXPANSIÓN EN EL TANQUE 67
6.1.5 MANIPULACIÓN DE LA PRESIÓN DE GAS COMBUSTIBLE Y MAMPARA 68
CAPÍTULO
VII
IMPLEMENTACIÓN DE MONITOREO Y CONTROL PARA LOS CALENTADORES DE ACEITE 7.1 PRUEBAS DE ARRANQUE 70
7.2 ASIMILACIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL AL PERSONAL OPERATIVO 74
7.3 IMPACTO ECONÓMICO 76
CAPÍTULO
VIII
8.1 CONCLUSIONES 77
8.2 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y WEB 78
ÍNDICE
DE
FIGURAS.
CAPÍTULO I:
Figura 1.1. Partes principales del calentador. [6] 3 Figura 1.2. Componentes energéticos del gas natural antes de ser procesado. [13] 8 Figura 1.3. Rango de Temperatura del fluido Dowtherm G. [14] 10 Figura 1.4. Ayuda visual de distribución del sistema de calentamiento de aceite. 11
CAPÍTULO II:
Figura 2.1. DTI Sistema de aire. [6] 12
Figura 2.2. Sistema de gas a quemador. [6] 14
Figura 2.3. Gas piloto. [6] 15
Figura 2.4. DTI Bombas BA‐4701A,B. [6] 16
Figura 2.5. Tanque de expansión del aceite. [6] 16
Figura 2.6. Calentadores de aceite. 17
Figura 2.7. Componentes del sistema de control. [1] 18
Figura 2.8. Controlador [11]. 19
Figura 2.9. Backplane [11]. 20
Figura 2.10. Módulo de salidas [11]. 21
Figura 2.11. Sistema de control y dispositivos de entradas y salidas [11]. 21 Figura 2.12. Comunicaciones Industriales Ethernet, DF1 Serial y RS‐485 [4]. 22 Figura 2.13. Funciones principales de los bloques [1]. 24 Figura 2.14. Comunicación típica entre procesadores de la familia Allen Bradley [11]. 26 Figura 2.15. Comunicación Ethernet para proporcionar Información a una HMI [4]. 28
CAPÍTULO III:
Figura 3.1. Rutinas dentro de la lógica de escalera. 29 Figura 3.2. Descripción del contacto XIC. 30 Figura 3.3. Activación de la variable OTE, del soplador de aire. 30 Figura 3.4. Activación de la variable de salida. 31 Figura 3.5. Temporizador para retardar una salida. 31 Figura 3.6. Diagrama lógico para el control On‐Off de los sopladores. 32 Figura 3.7. Diagrama lógico para la activación de válvulas para gas a quemador. 33 Figura 3.8. Diagrama lógico para la activación de válvulas para gas a piloto. 34 Figura 3.9. Diagrama lógico para el control On‐Off de bombas. 35 Figura 3.10. Bloque de escalamiento para el Transmisor de Temperatura. 36 Figura 3.11. Escalamiento de Transmisor de Nivel de aceite en el tanque. 36 Figura 3.12. Salida analógica para la manipulación de la válvula de combustible. 36 Figura 3.13. Comunicación entre PLC y Estación de configuración [4]. 38
Figura 3.14. WindowMakerTM [1]. 39
Figura 3.15. Propiedades de las ventanas [1]. 40
Figura 3.16. Tipo de tags [1]. 41
Figura 3.17. Diccionario de Tagname [1]. 42
CAPÍTULO IV:
Figura 4.1. Arquitectura del sistema de monitoreo y control para los calentadores A y B. 46
CAPÍTULO V:
Figura 5.1. Vista general de WindowMakerTM. 48 Figura 5.2. Propiedades de la ventana para el Panel de Control. 48 Figura 5.3. Definición de la fuente de datos. 49 Figura 5.4. Asignación de la propiedad Touch Button. 49 Figura 5.5. Gráficos para representar el soplador de aire 50 Figura 5.6. Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI). [6] 51 Figura 5.7. Acción de encendido del soplador de aire desde HMI. 51 Figura 5.8. Dosificación de gas combustible. 52
Figura 5.9. Asignación de tag. 53
Figura 5.10. Caracterización de la válvula principal. 54
Figura 5.11. Objeto tipo Polygon. 54
Figura 5.12. Escalamiento del transmisor de temperatura. 55
Figura 5.13. Tanque de expansión. 55
Figura 5.14. Asignación de comandos para el arranque y paro de las bombas. 56 Figura 5.15. Definición del Tópico de Comunicación. 57
Figura 5.16. Asignación de nombres. 58
Figura 5.17. Modificación de los tópicos. 58
Figura 5.18. Red Ethernet. 59
Figura 5.19. Configuración del tópico a través de DDE. 59 Figura 5.20. Cable para comunicar vía Ethernet. 60 Figura 5.21. Configuración del cable Ethernet. 60 Figura 5.22. Inicialización del tópico de comunicación. 62
CAPÍTULO VI
Figura 6.1. Librería de proyectos. 63
Figura 6.2. WindowViewerTM. 63
Figura 6.3. Pantalla Inicial. 64
Figura 6.4. Gráficos para el sistema de aire para combustión. 65 Figura 6.5. Integración de las señales de Presión Diferencial y Temperatura de salida de aceite. 66
Figura 6.6. Sistema de gas combustible. 66
Figura 6.7. Gráficos para tanque FA‐4701 donde se expande el aceite. 67 Figura 6.8. Controladores para el gas combustible. 68 Figura 6.9. Variable 4754_1, 4754_2 y 4771_B 69
CAPÍTULO VII
Figura 7.1. Modo de operar local / remoto. 70
Figura 7.2. Secuencia de purga. 71
ÍNDICE
DE
TABLAS.
CAPÍTULO I
Tabla 1.1. Alarmas e indicadores de Temperatura. 6 Tabla 1.2. Monitoreo de los gases de escape. 6
CAPÍTULO II
Tabla 2.1. Dispositivos. 22
Tabla 2.2. Memoria Técnica. 25
CAPÍTULO IV
Tabla 4.1. Protocolos de comunicación, diferencias. 44
CAPÍTULO V
Tabla 5.1. Señales digitales y análogas usadas para la etapa de dosificación de gas combustible. 50 Tabla 5.2. Señales utilizadas para el soplador de aire. 53 Tabla 5.3. Instrumentos para el monitoreo y control. 56
CAPÍTULO VI
Tabla 6.1. Señal de Presión Diferencial de aire y Temperatura. 65
CAPÍTULO VII
Tabla 7.1. Protocolos de comunicación, diferencias. 76
INTRODUCCIÓN
La explotación de crudo y gas en la Región Marina Suroeste de la Sonda Marina de Campeche, ha sido continua e incluso va en aumento en los últimos años, a raíz de los cambios globales de tecnología para la explotación y producción de tan deseados recursos naturales no renovables, de acuerdo al sistema de información energética SIE5.
El gas es un recurso no renovable, que debido a sus características combustibles se le ha dado una amplia gama de aplicaciones que van desde el uso doméstico hasta las diversas ramas industriales. Para que este combustible pueda ser utilizado es conveniente que pase por un proceso de purificación, denominado endulzamiento ya que el gas tal como es extraído de los yacimientos, contiene algunos compuestos indeseables como el ácido sulfhídrico, bióxido de carbono y agua, los que ocasionan contaminación, corrosión y restan poder calorífico al gas.
El endulzamiento de gas amargo (dulce), es un proceso que se genera en la plataforma marina. Existen tres endulzadoras de gas natural, suficientes para el propio abastecimiento de gas combustible, para el funcionamiento de turbomaquinarias que se encuentran operando constantemente, como son generadores eléctricos que abastecen de energía eléctrica a la plataforma marina, módulos de compresión que son impulsados por turbinas a base de gas combustible y otros servicios auxiliares.
Como en todos los procesos que abarca la industria química, la necesidad de reducir en las plantas los costos operativos y aumentar la producción dentro de los estándares de calidad que rigen el mercado, han llevado al desarrollo de nuevos procesos y a optimizar los yacimientos ya establecidos.
Para el proceso de endulzamiento se requiere del control del calentamiento de aceite sintético de dos calentadores, que suministra la temperatura necesaria de 170 a 180 °C (356 °F) hacia las endulzadoras. Esta temperatura es requerida para el procesamiento endulzamiento de gas 6. El control del proceso está basado en un Control Lógico Programable SCL500TM de Allen BradleyTM.
En el capítulo I se presenta un marco conceptual, enfocado a la descripción del equipo instalado en la plataforma marina, así también la descripción de la tarea fundamental del proceso de calentamiento de aceite, que es un eslabón dentro de la cadena productiva para la obtención de gas combustible. Con la finalidad de conocer el proceso a monitorear y controlar.
En los capítulos II y III se describe el hardware y software a utilizar para la implementación de monitoreo y control. Considerando tener las herramientas y los conocimientos necesarios para llevar a cabo esta trabajo. Cabe resaltar que ya existe este equipo ubicado en el cuarto de control principal de la plataforma marina.
El capítulo IV se incluyen la observación de dos propuestas para obtener un conjunto de elementos integrados y así construir una arquitectura de monitoreo y control, también el tipo de aplicación especializada para el monitoreo.
En el capítulo V presenta el diseño de los modelos gráficos animados para representar el proceso de calentamiento de aceite, así como la configuración para establecer un enlace de comunicación de datos reales de las variables de proceso y los gráficos animados diseñados para la Interfaz Humano Máquina.
El capítulo VI se proceden a ejecutar las pruebas preventivas del sistema de monitoreo y control implementado, esto con el fin de revisar puntos de fallas en hardware y software. Junto con el departamento operativo y de mantenimiento se examinan estas pruebas para encontrar áreas de oportunidades y facilitar el trabajo de ambos departamentos.
En el capítulo VII son las pruebas operativas con del calentador trabajando y asimilando la implementación del sistema de monitoreo y control del proceso. Así también la transferencia de información y el manejo de este nuevo sistema, al personal a cargo de operar este equipo, cabe mencionar que también de forma general se señala el impacto económico, que contribuye esta pequeña parte del todo un proceso para la producción nacional de gas dulce (Gas Combustible).
OBJETIVO GENERAL
Aplicar un monitoreo y control mediante la representación gráfica del proceso de calentamiento de aceite, basado en una Interfaz Humano Máquina.
OBJETIVO ESPECIFICO
Integrar dentro de la consola principal de operación, la Interfaz Humano Máquina que permitirá incrementar la efectividad del usuario, mejorar la calidad y reducir los costos en producción, de desarrollo y mantenimiento del sistema de monitoreo y control.
Al implementar los gráficos de operación, dando animación a símbolos inteligentes que visualmente darán actividad a las variables de proceso de los calentadores directamente en la pantalla de la Interfaz Humano Máquina.
JUSTIFICACIÓN
Estos equipos cuenta con dos sistemas de monitoreo y control. Pero surge la necesidad de integrar gestiones de operaciones y control de las variables de proceso con funciones de visualizaciones gráficas, para el calentamiento de aceite sintético. Basándose en el software de InTouchTM, considerando sus términos de innovación, integridad de arquitectura, conectividad, ruta de migración de versiones de software sin interrupciones y facilidad de uso1, se desarrollaran los gráficos de operación de cada calentador de aceite.
El aumento en la demanda de gas amargo obliga a mejorar los procesos de endulzamiento, con el incremento de la producción de gas dulce y la disminución de los costos de operación. Estudios realizados 10 en esta área se encaminan a la reducción de pérdidas de amina, mediante el monitoreo y control de las variables operativas e implementación de dispositivos, obteniéndose excelentes resultados en el ahorro de costos sin alterar la capacidad ni la calidad de endulzamiento.
En los últimos años el mercado internacional de gas natural se ha caracterizado por un mayor consumo, resultado de los beneficios ecológicos y económicos que ofrece respecto a otros combustibles, lo que lo ha llevado a convertirse en la tercera fuente de energía primaria más importante. En este contexto, nuestro país no ha sido ajeno al desarrollo de esta industria que en lo particular, ha contribuido en forma creciente a mejorar la eficiencia en la generación eléctrica y a reducir la emisión de contaminantes y gases de efecto invernadero. Además, este combustible se perfila como el más compatible junto con las energías renovables para alcanzar un desarrollo sustentable del mercado mexicano, según el reporte de la secretaria de energía del Gobierno Federal 2.
CAPÍTULO
I
1.1
PROCESO
DE
TRANSFERENCIA
DE
CALOR.
PRINCIPIOS BÁSICOS.
El término ‘calor’ es una forma de energía que puede producirse por distintos medios como combustión, frotamiento, reacción química, reacción nuclear, etc. Esta forma de energía se llama comúnmente Energía Térmica, que al penetrar en un cuerpo provoca que las moléculas adquieran mayor movimiento; es decir, el calor origina un aumento en la movilidad de las moléculas [12].
Es apropiado comprender el término calentamiento desde un punto de vista químico, para comenzar. En este sentido, debemos decir que el proceso de calentamiento se da a partir de la generación o aplicación de energía a elementos, materias o sustancias que permanecían en reposo y que se vuelven, entonces, activos.
La transmisión de calor, se genera al calentar un cuerpo, el movimiento de las moléculas se hace más intenso comenzando a empujarse unas a otras y ocupan más espacio. A esto se debe que los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos se dilatan al calentarse. Los sólidos se dilatan muy poco en comparación con los líquidos y los gases. Los gases al dilatarse aumenta su volumen y presión, este principio se aprovecha en el diseño de medidores de temperatura [6].
La transferencia de energía se produce de una frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. Así cuando el calor fluye de un objeto caliente a otro más frío, es la energía la que está siendo transferida del primero al segundo. Debido a su diferencia de temperatura, es por tanto, una energía en tránsito desde el sistema (foco) más caliente al más frío. El calor es energía en tránsito. Existen tres mecanismos por medio de los
cuales se transmite o fluye el calor: Conducción, convección y radiación.
El “calor” al igual que el “trabajo” son modos de transferencia de energía. La energía puede ser intercambiada entre un sistema cerrado y sus alrededores haciendo trabajo o por transferencia de calor. El calentamiento es el proceso de transferencia de energía como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.
1.2
INTERCAMBIADOR
DE
CALOR.
La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas dentro de la industria de petrolera, como son equipos de transferencia de calor de distintos tipos, con los que pueden satisfacer cualquier requerimiento de transmisión de energía.
Los equipos de los intercambiadores de calor son muy variados y reciben diferentes nombres: Intercambiador de Calor, realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos. Calentador, aplica calor sensible a un fluido. Una de las calificaciones más usadas para los equipos de transferencia de calor y que se basa en el tipo de construcción, a continuación se mencionan los diferentes tipos:
a. Intercambiadores multítubo. b. Intercambiadores de un solo tubo.
c. Intercambiadores de calentamiento externo. d. Intercambiadores de placas.
e. Superficies extendidas.
f. Intercambiadores de contacto directo. g. Intercambiadores de fuego directo. h. Servicios especiales.
De esta clasificación se partirá para detallar los calentadores a fuego directo que son utilizados para los procesos del calentamiento de aceite en la plataforma marina.
TIPO DE CALENTADORES A FUEGO DIRECTO[6].
La función de un calentador a fuego directo (CFD) es suministrar a un fluido, una cantidad de calor con el fin de que este alcance niveles altos de temperatura según sea requerido por el proceso. Esto se lograr sin que exista sobrecalentamiento en el fluido o dentro de los componentes estructurales.
El tamaño de un CFD se define en términos de su capacidad de absorción de calor.
Los tubos adyacentes son conectados por medio de retornos de 180° o por cabezales. Cada banco de tubos consecutivos en el cual el fluido viaja desde la entrada hacia la salida es conocido como un “paso” o corriente paralela.
La principal restricción que afecta la selección del número de pasos y tamaño de tubería es la caída de presión permisible; entre más pequeño es el número de pasos, mayor es la masa velocidad del fluido y se obtiene mejor distribución del flujo.
PARTES CONSTITUTIVAS.
El corazón del sistema del calentamiento de aceite es, por supuesto el calentador. En este equipo se efectúa el paso, hacia el aceite de la energía térmica producida durante la combustión del gas.
El calentador es de forma cilíndrica vertical a fuego directo constituido principalmente como lo muestra la siguiente figura 1.1:
QUEMADOR. El quemador cumple con la función primordial del calentador, que es la de llevar a cabo la combustión. Localizado en la parte central e inferior del calentador, mezcla adecuada de los elementos aire y combustible, fundamentales para la combustión, a fin de que esta se lleve a cambio eficientemente.
Consta de una cámara, en cuyo interior se recibe los elementos, los cuales se mezclan en el cono del quemador con una relación estequiometria a fin de obtener una flama estable. La flama inicial del quemador se logra con la ayuda de un piloto, el cual mezcla aire y combustible en su interior y enciende esta mezcla con una chispa generada mediante el arco eléctrico producido por una bujía.
ZONA DE RADIACIÓN. El calentamiento de aceite en esta zona se realiza mediante el mecanismo
de radiación, ya que el calor proviene de la luz infrarroja que emite la flama. Esta forma de calentamiento ocurre dentro del hueco formado por los tubos verticales, los cuales se encuentran confinando la flama.
Es importante mencionar, que esta zona debido a la alta temperatura de la flama durante la operación del calentador, es necesario mantener como mínimo de un flujo de 120 Galones por minuto (454.25 Litros) de aceite a través de cada serpentín; esto evitara que el aceite térmico se degrade y pierda sus propiedades.
ZONA DE CONVECCIÓN. El mecanismo de trasferencia de calor por convección ocurre cuando un
fluido transporta calor y lo transmite a su paso a los materiales que los rodean. En nuestro caso, el fluido son los gases calientes producidos por la combustión del gas. Estos contienen una gran cantidad de calor que debe utilizarse antes de que salga a la atmosfera a través de la chimenea.
CHIMENEA. Se localiza sobre la parte superior del calentador y tiene como función: proporcionar
la salida de gases de combustión, asegurar que el punto de salida de los gases se en un lugar seguro, donde se eviten zonas de acumulación y evitar la entrada de agua de lluvia al interior del calentador.
AISLANTE. El material refractario tiene como función mantener la temperatura dentro del
recipiente forrado con él. Un material aislante es una resistencia al paso de calor debido a que tiene en su interior multitud de celdillas de aire u otro gas en reposo.
La razón por la que el aire se encuentre en reposo en las celdillas es que su volumen es tan pequeño, que al llegar a ellas la acción del calor provoca el fenómeno de convección. Limitado de esta manera la facilidad del paso de calor de una a otra cara de aislamiento.
1.3
VARIABLE
DE
PROCESO.
En todos los procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando solo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control.
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.
El término proceso utilizado en “control de procesos” o “procesos industriales”, se refiere a cambiar o refinar materias primas para lograr un producto final. La materia prima, que puede o no cambiar de estado físico durante el proceso, es transferida, medida, mezclada, calentada, enfriada, filtrada, almacenada o manipulada de alguna manera para producir el producto final.
El controlar un proceso, se refiere a como se controlan variables inherentes al mismo para:
9 Reducir la variabilidad del producto final 9 Incrementar la eficiencia
9 Reducir impacto ambiental
9 Mantener el proceso dentro de los límites de seguridad que corresponda
El sistema de control exige la comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo abierto y cerrado, que recibe el nombre de bucle de control.
Para el proceso de calentamiento de aceite exige una comparación y corrección de las señales tales como temperatura, presión, flujo y nivel que son utilizados para llevar a cabo una disciplina operativa mediante el monitoreo y control de este proceso. La variable temperatura toma un papel muy importante para mantener dentro de límites de seguridad al proceso y del personal abordo de la plataforma marina así como reducir los impactos ambientales, tal como la salida de los gases de combustión a la atmosfera.
1.3.1
TEMPERATURA.
La temperatura es una propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado formal en termodinámica es más complejo, a menudo el calor o el frío percibido por las personas tiene más que ver con la sensación térmica que con la temperatura real. La temperatura es una propiedad que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico, la cual tiene una causa a nivel microscópico, que es la energía promedio por partícula.
Dentro del sistema de calentamiento de aceite, en la etapa de radiación, existe la zona con alta temperatura presente durante la operación del calentador, como medida de seguridad es importante prevenir al operador de una situación como la anteriormente indicada, el calentador cuenta con alarmas locales por alta temperatura en cada serpentín, así como una común en el tablero principal de control y las alarmas por bajo flujo de aceite.
En la siguiente tabla 1.1, se muestran descritas la identificación de instrumentos que protegerán al sistema por alta temperatura:
Tabla 1.1. Alarmas e indicadores de Temperatura.
Identificación Localización Rango
TAH‐4771 Alarma por alta temperatura indicación en el tablero principal. 480 °C
TT‐4701 Temperatura de aceite en la descarga de las bombas. 0 ‐500 °C
TSH‐4703 Switch por alta temperatura en la pared del calentador. 1370 °C
TIT‐4706 Temperatura del aceite a la salida del calentador (control). 0 ‐500 °C
TIT‐4707 Temperatura del aceite a la salida del calentador (monitoreo). 0 ‐500 °C
Para el monitoreo adecuado de los gases de escape en el sistema de calentamiento de aceite, se cuenta con los dispositivos indicados a continuación:
Tabla 1.2. Monitoreo de los gases de escape.
Identificación Localización Rango
TT‐4702 Temperatura de gases de escape en chimenea. 0 ‐500 °C
AT‐4701A_1 Analizador de oxigeno en gases de combustión. 0 ‐10 %
VOL TT‐4704 Temperatura de gases de escape en serpentines sección conectiva. 0 ‐500 °C
1.4
PROCESO
DE
ENDULZAMIENTO
DE
GAS
AMARGO.
El gas amargo es un combustible que se obtiene de rocas porosas del interior de la corteza terrestre y se encuentra mezclado con el petróleo crudo cerca de los yacimientos. Como se trata de un gas, puede encontrarse sólo en yacimientos separados. La manera más común en que se encuentra este combustible es atrapado entre el petróleo y una capa rocosa impermeable. En condiciones de alta presión se mezcla o disuelve aceite crudo.
El gas arrastra desde los yacimientos componentes indeseables como son: el ácido sulfhídrico (H2S), bióxido de carbono (CO2) y agua en fase gaseosa, por lo que se dice que el gas que se
recibe es un gas húmedo, amargo e hidratado; amargo por los componentes ácidos que contiene, húmedo por la presencia de hidrocarburos líquidos e hidratado por la presencia de agua que arrastra desde los yacimientos. Existen diversas denominaciones que se le dan al gas natural y por lo general se asocia a los compuestos que forman parte de su composición.
COMPONENTES DEL GAS AMARGO.
No existe una composición o mezcla que se pueda tomar para generalizar la composición del gas natural. Cada gas tiene su propia composición, de hecho dos pozos de un mismo yacimiento puede tener una composición diferente entre sí. También la composición del gas varia conforme el yacimiento va siendo explotado, es por eso que se deberá hacer un análisis periódico al gas que es extraído, para adecuar los equipos de explotación a la nueva composición y evitar problemas operacionales.
Cuando el gas natural es extraído de los yacimientos presenta impurezas las cuales hay que eliminar ya que pueden provocar daños al medio ambiente, corrosión en equipos o disminuir el valor comercial del gas.
Normalmente se compone de hidrocarburos con muy bajo punto de ebullición. El Metano es el principal constituyente de este combustible, con un punto de ebullición de ‐154°C, el etano con un punto de ebullición de ‐89°C, puede estar presente en cantidades de hasta 10%; el propano cuyo punto de ebullición es de hasta ‐42°C, representa un 3%. El butano, pentano, hexano y octano también pueden estar presentes.
Figura 1.2. Componentes energéticos del gas natural antes de ser procesado [13].
GASES ÁCIDOS: Al H2S y al CO2 se les denomina gases ácidos del gas natural. En muchos campos
de donde es extraído el gas natural la presencia de estos compuestos es elevada los cuales le dan la denominación de “amargo” al gas natural. El ácido sulfhídrico, también conocido como sulfuro de hidrógeno, tiene la característica de tener un desagradable olor y ser muy tóxico. Cuando es separado del gas natural mediante el proceso de endulzamiento, es enviado a plantas recuperadoras de azufre en donde es vendido en forma líquida para sus diversos usos industriales (producción de pólvora o usos médicos). Por su parte el dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, que a concentraciones bajas no es tóxico pero en concentraciones elevadas incrementa la frecuencia respiratoria y puede llegar a producir sofocación. Se puede licuar fácilmente por compresión, sin embargo, cuando se enfría a presión atmosférica se condensa como sólido en lugar de hacerlo como líquido. El dióxido de carbono es soluble en agua y la solución resultante puede ser ácida como resultado de la formación de ácido carbonilo, he aquí la propiedad corrosiva que el CO2 presenta en presencia de agua.
PROCESAMIENTO DEL GAS AMARGO: Su procesamiento consiste principalmente en:
• La eliminación de compuestos ácidos (H2S) y CO2) mediante el uso de tecnologías que se
basan en sistemas de absorción ‐ agotamiento utilizando un solvente selectivo. El gas alimentado se denomina “amargo”, el producto “gas dulce” y el proceso se conoce como
Endulzamiento.
• La recuperación de etano e hidrocarburos licuables que se generan mediante procesos criogénicos (uso de bajas temperaturas para la generación de un líquido separable por destilación fraccionada) previo proceso de deshidratación para evitar la formación de sólidos.
• Recuperación del azufre de los gases ácidos que se generan durante el proceso de endulzamiento.
1.5
DESCRIPCIÓN
DEL
SISTEMA
DE
CALENTAMIENTO
DE
ACEITE.
El sistema de aceite de calentamiento tiene como objetivo el proporcionar el calor que algunos equipos necesitan para su operación. Para el trasporte de energía térmica se utiliza un aceite que a diferencia del agua se mantiene líquido aun a altas temperaturas, tal propiedad hace más fácil y económico su manejo. El aceite recibe y entrega calor en un ciclo cerrado, los recibe en los calentadores al exponerse al calor que emite la combustión del gas y lo entrega a intercambiadores de calor para transmitirlo a los fluidos de proceso, este ciclo está formado por dos circuitos: el circuito de alta temperatura o primario y el de baja temperatura o secundario 6.
Circuito primario de alta temperatura: el movimiento de aceite a lo largo del circuito de alta, lo
proporciona un par de bombas de circulación (principal y otra de relevo), instaladas junto al calentador estas hacen pasar aceite primeramente, a través del calentador en operación donde recibe el calor suministrado por la combustión de aire y gas combustible. Como consecuencia de ello, se eleva la temperatura 243° C (469° F).
Una vez caliente, 188° C (370° F) el aceite se reparte a diferentes destinos; calentadores de gas combustible, calentadores de DEA (Dietanolamina) y a un circuito de baja temperatura o secundario.
El aceite de calentamiento, como todos los líquidos, tiene la propiedad de expandirse cuando se calienta. Esto significa que al elevarse la temperatura, el aceite ocupa un volumen mayor al que ocupaba cuando se encontraba frio, debido a este fenómeno se necesita un recipiente que proporcione al circuito, el volumen adicional que requiere el aceite al expandirse, esta es la función del tanque para contener esa expansión. Cuando el aceite se encuentra frio, el tanque tiene un nivel bajo; cuando el aceite se calienta, el nivel en el tanque sube. Si el tanque se encontrara bloqueado, al expandirse el aceite se desarrollarían presiones altas en el circuito, que en el mejor de los casos, haría que se abrieran las válvulas de relevo o bien, ocasionarían el paro del calentador.
Es necesario mantener la salida del tanque de expansión siempre abierta al circuito, así como un volumen vacio, de tal manera que el aceite al calentarse, disponga de un lugar donde alojar su dilatación. El sistema de aceite de calentamiento cuenta también con un tanque de almacenamiento y una bomba de reposición, localizadas ambas en el primer nivel de la plataforma.
Circuito secundario de baja temperatura: existen algunos líquidos, entre ellos la DEA, que no soportan las altas temperaturas, si se exponen a ellas se descomponen y pierden sus propiedades. Por esta razón se tiene un circuito de baja temperatura que proporciona aceite “con menos temperatura” 149° C (300° F) al rehervidor de las plantas de endulzamiento.
El movimiento del aceite en este circuito secundario se obtiene mediante cuatro bombas de recirculación; tres en operación y una de relevo común. Se tienen tres grupos en paralelo, formados cada uno por una bomba y un rehervidor. La alimentación de aceite que sale de las bombas y que se alimenta al rehervidor de DEA se mantiene a temperatura adecuada para no degradar el fluido de proceso. El circuito secundario está completamente lleno de aceite, no tiene ningún espacio vacío, por este hecho, para poder alimentar la cantidad de aceite caliente, es necesario crear un espacio para acomodarlo. Esto se logra desalojando del circuito una cantidad de aceite frio igual a la cantidad de aceite caliente que se alimenta.
Por ello, una vez que el aceite ha trasmitido su calor en el rehervidor de la planta endulzadora, la línea de salida se bifurca en dos tuberías. La primera de acuerdo al sentido del flujo, se transporta por medio de una válvula, aceite frio hacia el retorno del circuito primario, mientras que la segunda recircula el aceite propio de este circuito hacia la succión de las bombas, donde se une con el aceite caliente que está siendo alimentado.
Propiedad del aceite térmico: las características más importantes que se debe cuidar para lograr
que la función del sistema se cumpla correctamente, es que el fluido de transporte de la carga térmica tenga la propiedad de permanecer líquido a altas temperatura como se muestra en la fig. 1.3. Se ha utilizado como fluido transmisor de calor, “Dowtherm G”, siendo un fluido con alto punto de ebullición (355°C) y por ello facilita el propósito requerido, en la siguiente figura se muestran las características del aceite.
En la figura 1.4 de forma visual, se trata de representar el lugar estratégico que ocupa el sistema de calentamiento de aceite.
Fig. 1.4. Ayuda visual de distribución del sistema de calentamiento de aceite.
Previamente se había mencionado, el aceite de calentamiento circula a través de un ciclo cerrado. Para describir este circuito, supondremos que dicho ciclo comienza en el tanque de expansión. De este, el aceite a 193° C y una presión de 1.1 Kg/cm2 ayudado por dos válvulas controladoras manuales, enviara el aceite a circular por uno u otro calentador.
Los usuarios que requieren este servicio son: primeramente al sobre calentador de gas combustible, que por medio de una válvula controladora de temperatura, utiliza la cantidad necesaria de aceite caliente. Como segundo usuario del aceite caliente, es el calentador de tambores de DEA, este utiliza el aceite para lograr que el agua contenida en el, alcance la temperatura 53° C, suficiente para derretir la DEA de los tambores. El aceite usado se integra al cabezal de retorno. Debido a que la DEA se descompone fácilmente con la temperatura, este servicio que constituye el circuito de baja temperatura maneja aceite a 149°C dicho aceite es usado para mantener la temperatura de la DEA, que pasa a través de los rehervidores de las plantas endulzadoras, una vez cumplida misión, el aceite se enfría, para poder usarlo nuevamente, es necesario que se vuelva a calentar a la temperatura requerida.
CAPÍTULO
II
2.1
FILOSOFÍA
DE
OPERACIÓN
DEL
SISTEMA
DE
CALENTAMIENTO
DE
ACEITE.
Lo expuesto en el capítulo I, ha sido una descripción sin detalles, ya que el objetivo de este trabajo de tesis está enfocado hacia el monitoreo y control del calentamiento de aceite a través de calentadores, que está relacionada con la instrumentación de cada una de las secciones que se mencionan a continuación:
2.1.1
SISTEMA
DE
AIRE
DE
COMBUSTIÓN.
El aire de combustión se absorbe del medio ambiente mediante dos sopladores, y este alimenta directamente a la cámara de combustión del calentador. Al inicio se utiliza el aire para el barrido de la cámara de combustión y posteriormente en el proceso para mezclarse con el gas combustible y mediante una chispa producir la flama (combustión) en el quemador del calentador en la figura 2.1 se representa el Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI) del sistema de aire de combustión.
[image:24.612.74.553.388.685.2]
![Fig. 2.1 DTI Sistema de aire. [6]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/24.612.74.553.388.685/fig-dti-sistema-de-aire.webp)
![Figura 3.13. Comunicación entre PLC y Estación de configuración [4].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/50.612.131.486.148.365/figura-comunicacion-entre-plc-y-estacion-de-configuracion.webp)
![Figura 3.14. WindowMakerTM [1].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/51.612.83.535.373.660/figura-windowmakertm.webp)
![Figura 3.16. Tipo de tags [1].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/53.612.221.391.416.622/figura-tipo-de-tags.webp)
![Figura 3.17. Diccionario de Tagname [1].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/54.612.99.516.355.557/figura-diccionario-de-tagname.webp)
![Figura 3.18. Touch Links [1].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4989743.76595/55.612.137.555.487.702/figura-touch-links.webp)
