000130263
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL Y DEL SOFTWARE
INTEGRAL DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN MULTIFÁSICO BASADO EN LA TÉCNICA DEL
SEPARADOR CICLÓNICO (GLCC)
Por Eduardo Héctor Gómez López
Sartenejas, Febrero de 2005
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL Y DEL SOFTWARE
INTEGRAL DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN MULTIFÁSICO BASADO EN LA TÉCNICA DEL
SEPARADOR CICLÓNICO (GLCC)
Por Eduardo Héctor Gómez López
Realizado con la Asesoría de Miguel Strefezza
María Gabriela Cañete
PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Febrero de 2005
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL Y DEL SOFTWARE INTEGRAL DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN MULTIFÁSICO
BASADO EN LA TÉCNICA DEL SEPARADOR CICLÓNICO (GLCC)
PROYECTO DE GRADO presentado por Eduardo Héctor Gómez López
REALIZADO CON LA ASESORIA DE: Miguel Strefezza y María Gabriela Cañete. RESUMEN: En la industria petrolera, petroquímica y gasífera existe una creciente necesidad de cuantificar la calidad de los sistemas, de los productos y de los pozos. Uno de los problemas a la hora de efectuar esta cuantificación es que los flujos a medir no son monofásicos (líquidos o gaseosos exclusivamente) y presentan patrones de flujo inestables, de allí la denominación de flujo o mezcla multifásica, la cual consta de una fase gaseosa y otra líquida. Frente a este problemática y a esta necesidad, una solución viable, económica y eficaz es el separador ciclónico, también conocido por sus siglas en inglés GLCC (“Gas Liquid Cylindrical Cyclone”). Es éste un dispositivo, sencillo y de funcionamiento mecánico que, sin embargo, para funcionar eficazmente, dos de sus variables de operación deben mantenerse dentro de ciertos rangos predeterminados: el nivel de líquido dentro del separador y la presión de operación. Con estas variables debidamente controladas, se pueden efectuar cualesquiera mediciones de calidad al sistema, producto o pozo respectivo; en esta configuración se dice que el separador es un medidor multifásico. El desarrollo de un sistema de control capaz de controlar estas dos variables así como el desarrollo de un sistema de medición multifásico capaz de efectuar la ya mencionada cuantificación de calidad es el objetivo planteado en el presente trabajo. Este objetivo se logró mediante el desarrollo de dos sistemas de control PID y un sistema de software programado en un PLC, resultando en un sistema integral de control que cumple con todos los requerimientos básicos de cualquier controlador y un sistema integral de software con el que se pueden obtener, procesar y almacenar las mediciones de interés así como interactuar con el operador de dicho sistema a través de una interfaz gráfica. PALABRAS CLAVE: Separador ciclónico, controlador PID de nivel y presión, LabView.
Aprobado con mención: Postulado para el premio:
Sartenejas, Febrero de 2005
ÍNDICE GENERAL.
Índice general ………………...............................................................................................i
Índice de tablas y de figuras…………………………………………………………...…iv
NOMENCLATURA…………………………………………………………...……….vii
CAPITULO 1: Introducción…………………………………………………………….1
CAPITULO 2: Marco teórico……………………………………………………...……5
2.1 Introducción…………………………………………………………….…..…5
2.2 El separador ciclónico…………………………………………………………5
2.2.1 Definición y principio de funcionamiento………………………..…5
2.2.2 Aplicaciones…………………………………………………………9
2.3 Controladores automáticos y acciones básicas de control…………………...10
2.3.1 Controladores automáticos PID (Proporcional-Integral-Derivativo)....
……………………………………………………………………………12
2.3.2 Regla de Ziegler-Nichols de la última ganancia para sintonizar
controladores PID………………………………………………………..13
2.4 La válvula de control………………………………………………………...16
2.4.1 El posicionador…………………………………………………….19
2.5 Ecuación general de los gases y factor de compresibilidad………………….20
2.6 LabView……………………………………………………………………...20
CAPITULO 3: Descripción del banco de pruebas y de los elementos del medidor
multifásico……………………………………………………………………………….22
3.1 Banco de pruebas…………………………………………………………….22
3.1.1 Descripción general del banco de pruebas………………………....22
3.2 Elementos del medidor multifásico……………………………………….…24
3.2.1 El separador ciclónico……………………………………………...25
3.2.2 Transmisor de nivel……………………………………………...…28
3.2.3 Transmisor de presión absoluta…………………………………....28
3.2.4 Transmisor de caudal de flujo de líquido………………………..…28
3.2.5 Transmisor de caudal de flujo de gas……………………………....30
3.2.6 Analizador de corte de agua……………………………………..…31
3.2.7 Transmisor de temperatura………………………………………...33
3.2.8 Válvulas de control……………………………………………...…33
3.2.9 PLC: Compact FieldPoint 2020…………………………………....35
3.2.10 Pantalla cristal líquido programable QSI-G70……………………37
CAPITULO 4: Desarrollo del modelo matemático del sistema de control………….38
4.1 Consideraciones generales…………………………………………………...38
4.2 Sistema de control de nivel de líquido………….…………………………....39
4.2.1 Diagrama de bloques………..…………………………………...…39
4.2.2 Simulaciones en Matlab y resultados obtenidos…………….……..45
4.3 Sistema de control de presión………………………………………………..50
CAPITULO 5: Diseño de la interfaz del sistema de control………………………....52
5.1 Software diseñado……………………………………………………………52
5.1.1 Funcionamiento básico…………………………………………….53
5.1.2 Modo automático de operación…………………………………….53
5.1.3 Modo manual de operación……………………………...................55
5.1.4 Diagrama de flujo………………………………………………….55
5.2 Interfaz gráfica…………………………………….........................................56
Capítulo 6: Diseño de la interfaz de adquisición, procesamiento y almacenamiento
de datos…………………………………………………………………………..……...61
6.1 Interfaz de adquisición y procesamiento de datos…………………………...61
6.1.1 Software diseñado……………………………………………….....62
6.1.2 Sistemas de unidades y unidades físicas utilizadas………………...63
6.1.3 Cálculo de las variables del medidor multifásico………………….64
6.1.4 Interfaz gráfica……………………………………………………..78
6.2 Interfaz de almacenamiento de datos……………………………………...…79
6.2.1 Software diseñado……………………………………………….…80
6.2.2 Interfaz gráfica……………………………………………………..81
CAPITULO 7: Diseño de la interfaz de comunicación serial y la interfaz del
medidor multifásico……………………………………………………….……...…….84
7.1 Interfaz de comunicación serial…………..………………………………….84
7.1.1 Software diseñado……………………………………………….…84
7.1.2 Interfaz gráfica…………………………………………………..…86
7.2 Interfaz del medidor multifásico…………………………………………..…87
7.2.1 Software diseñado………………………………………………….87
CAPITULO 8: Análisis de los resultados obtenidos………………………………….90
8.1 Descripción general de las pruebas realizadas…………………………….....90
8.2 Presentación y análisis de resultados obtenidos……………………………...90
CAPÌTULO 9: Conclusiones y recomendaciones…………………………………….97
BIBLIOGRAFÌA……………………………………………………………………….99
ANEXOS…………………………………………………………………………….…100
ÌNDICE DE TABLAS Y FIGURAS
Figura 2.1: Esquema general de un separador ciclónico………………………………..…6
Figura 2.2: Esquema del proceso de separación dentro del separador ciclónico………….7
Figura 2.3: Separador en configuración de medición/separación en Minas, Indonesia...…9
Figura 2.4: Esquema básico de un sistema de control automático………………………10
Figura 2.5: Sistema a lazo cerrado a ser sintonizado mediante el Ziegler-Nichols de
última ganancia…………………………………………………………………………..14
Figura 2.6: Período crítico de la respuesta oscilatoria……………………………...…....14
Tabla 2.1: Valores de sintonización para controladores PID de Ziegler-Nichols (método
de la última ganancia)…………………………………………………………………....15
Figura 2.7: Válvula de control típica…………………………………………………….17
Figura 2.8: Esquema de las partes internas de una válvula normalmente abierta……..…18
Figura 2.9: Curvas características de la válvula lineal, de apertura rápida y de igual
porcentaje………………………………………………………………………………...18
Figura 2.10: Tipos de jaulas: de apertura rápida, lineal y de igual porcentaje………..…19
Figura 3.1: Estructura esquemática del banco de pruebas…………………………….…23
Figura 3.2: Imágenes de la planta experimental piloto del Laboratorio de Conversión de
Energía Mecánica……………………………………………………………………...…24
Figura 3.3: El medidor multifásico………………………………………………………26
Figura 3.4: Estructura esquemática del medidor multifásico………………………….…27 Figura 3.5: Transmisor de caudal de líquido ultrasónico Panametrics XMT868……..…29
Figura 3.6: Medición ultrasónica del flujo por tiempo de tránsito………………………30
Figura 3.7: Transmisor de caudal de gas ultrasónico Panametrics XGM 868…………...31
Figura 3.8: Analizador de corte de agua (derecha) y analizador de corte de agua con
adaptador para tuberías pequeñas montado en el medidor multifásico (izquierda)……...32
Figura 3.9: Transmisor de temperatura Rosemount 644………………………………....33
Figura 3.10: Válvula de control Fisher actuador modelo 657 con posicionador
incorporado…………………………………………………………………………...….34
Figura 3.11: Posicionador Fieldvue DVC5000 y Comunicador HART 275…………….35
3.12: Compact FieldPoint 2020 y módulo en entradas analógicas de corriente cFP-AI-
100……………………………………………………………………………………..…36
Figura 4.1: Diagrama de bloques del sistema de control de nivel…………………….…39
Figura 4.2: Diagrama de bloques del sistema de control de nivel de líquido elaborado en
Simulink……………………………………………………………………………….…45
Tabla 4.1: Valores PID obtenidos por el método Ziegler-Nichols (control de nivel)…....46
Tabla 4.2: Valores PID obtenidos por medio de la sintonización empírica del sistema de
control de nivel…………………………………………………………………………..47
Figura 4.3: Respuesta del sistema a una perturbación del 50% de caudal de entrada...…47
Figura 4.4: Respuesta del sistema a una perturbación del -67% de caudal de entrada…..48
Figura 4.5: Respuesta del sistema a una perturbación del -75% del caudal de entrada....49
Figura 4.6: Respuesta del sistema a una perturbación del 75% del caudal de entrada…..49
Figura 4.7: Respuesta del sistema a una perturbación del 25 % de caudal de entrada…..50
Figura 4.8: Respuesta del sistema a una perturbación del -25 % de caudal de entrada.…50
Tabla 4.3: Valores PID del sistema de control de presión (sintonización empírica)….…51
Figura 5.1: Función PID de LabView……………………………………………………53
Figura 5.2: Diagrama de flujo del software de control………………………………..…56
Figura 5.3: Panel frontal de la interfaz gráfica del sistema de control…………………..57
Figura 6.1: Diagrama de flujo del sistema de adquisición y procesamiento de datos…...63
Tabla 6.1: Tabla de sistemas de unidades y sistema de unidades para cada variable……64
Figura 6.2: Gráfica de calibración del transmisor de nivel………………………………65
Figura 6.3: Gráfica de calibración del transmisor de presión…………………………....66
Figura 6.4: Gráfica de calibración del transmisor de corte de agua……………………...67
Figura 6.5: Gráfica de calibración del transmisor de flujo de líquido…………………...68
Figura 6.6: Gráfica de calibración del transmisor de flujo de gas……………………….68
Figura 6.7: Gráfica de calibración del transmisor de temperatura…………………….…69
Figura 6.8: Gráfica de las isotermas de Z en función de la presión reducida…………....71
Figura 6.9: Panel frontal de la interfaz gráfica del sistema de adquisición y procesamiento
de datos……………………………………………………………………………….….78
Figura 6.10: Diagrama de flujo del sistema de grabación de datos (datalogger)………...81
Figura 6.11: Formato de archivos de texto de datos del medidor multifásico...................82
Figura 6.12: Panel frontal de la interfaz del sistema de grabación de datos…………..…84
Figura 7.1: Diagrama de bloques del software de recepción y transmisión serial
(Comunicación serial)……………………………………………………………………85
Figura 7.2: Panel frontal de la interfaz de comunicación serial………………………….86
Figura 7.3: Pantalla principal de la interfaz del medidor multifásico………………...…89
Figura 7.4: Pantalla de configuración de unidades………………………………………89
Figura 8.1: Respuesta real del sistema de control de nivel a una perturbación del 75% de
caudal de entrada………………………………………………………………………....91
Figura 8.2: Respuesta real del sistema de control de nivel a una perturbación del 45% de
caudal de entrada……………………………………………………………………...….91
Figura 8.3: Respuesta real del sistema de control de nivel a una perturbación del -25% del
caudal de entrada………………………………………………………………….……...92
Figura 8.4: Respuesta real del sistema de control de nivel a una perturbación del -50% del
caudal de entrada………………………………………………………………………....93
Figura 8.5: Respuesta real del sistema de control de presión a una perturbación del 35%
de caudal de entrada…………………………………………………………………..….94
Figura 8.6: Respuesta real del sistema de control de presión a una perturbación del 35%
de caudal de entrada……………………………………………………………………...94
Figura 8.7: Respuesta real del sistema de control de presión a una perturbación del -25%
del caudal de entrada…………………………………………………………………..…95
Figura 8.8: Respuesta real del sistema de control de presión a una perturbación del 75%
del caudal de entrada……………………………………………………………………..96
NOMENCLATURA.
Símbolos y abreviaturas:
A: Área transversal.
API: American Petroleum Institute.
BBLS: Barriles.
BBLS/D: Barriles por día.
cFP-2020: Compact FieldPoint 2020, el modelo de PLC usado para programar el
software del medidor multifásico.
Cv: Coeficiente de flujo de la válvula.
DGLCC: Diámetro externo del separador ciclónico o GLCC.
dgl: Diámetro externo de la línea de gas.
dll: Diámetro externo de la línea de líquido.
e: señal de error o la base exponencial 2.71828
GLCC: Gas-Liquid Cylindrical Cyclone (Ciclón ciclíndrico gas-líquido).
H: Nivel de líquido.
I: corriente.
Kd: Ganancia derivativa.
Ki: Ganancia integral.
Kp: Ganancia proporcional.
L: Longitud.
m: masa.
mA: miliamperios.
MMACF/D: Millones de pies cúbicos actuales por día.
MMSCF/D: Millones de pies cúbicos estándar por día. Unidad de caudal.
P: Presión absoluta (psia, Bara o MPa absolutos).
PC: Personal Computer o computador personal.
PID: Proporcional-Integral-Derivativo.
PLC: Programadores Lógicos Controlables.
psi: Pounds per Square Inchs o libras por pulgada cuadrada. Unidad de presión.
psia: Psi Absolutos. Unidad de presión absoluta.
psig: Psi Gauge (manométrico). Unidad de presión relativa o manométrica.
Q: Caudal volumétrico.
R: Constante universal de los gases= 8.31447 (Pa*m3) / (gmol*K).
s: Variable de Laplace.
t: Tiempo, en segundos.
T: Temperatura absoluta (Rankine o Kelvin).
Td: Tiempo derivativo, asociado a la ganancia derivativa.
Ti: Tiempo integral, asociado a la ganancia proporcional.
V: Volumen o Velocidad.
VCG: Válvula de control de gas.
VCL: Válvula de control de líquido.
WC: Water Cut (corte de agua) Porcentaje de agua en el crudo.
x: Posición relativa de la válvula (porcentaje de apertura).
Z: Factor de compresibilidad.
γ : Gravedad específica.
ρ : Densidad, en kg/mts3 o en kg/lts.
π : 3.141592.
0τ : Constante de tiempo, en segundos.
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.
El Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica en conjunto con el Centro de
Adiestramiento de Tecnología Petrolera (CADETEP) e Industrial Vox Analyzer C.A.
desarrolló un medidor de flujo multifásico basado en la técnica del separador ciclónico
durante el período comprendido entre Abril y Noviembre de 2004.
El separador ciclónico, conocido también por sus siglas en inglés como GLCC
(“Gas Liquid Cylindrical Cyclone” o Ciclón Cilíndrico de Gas-Líquido) consta de un
cuerpo cilíndrico y una entrada tangencial inclinada al mismo, por el cual fluye a gran
velocidad la mezcla que se desea separar en sus fases individuales.
Este separador ciclónico se encarga de tomar el flujo multifásico, una mezcla
líquida y gaseosa de cualquier naturaleza, y separarlas en las dos fases individuales: la
fase líquida y la fase gaseosa.
En la actualidad, muchos de estos separadores están siendo implementados a nivel
mundial, y sus aplicaciones son diversas, yendo desde la industria petrolera, petroquímica
y de explotación del gas natural hasta las plantas de tratamiento de agua.
Para el adecuado funcionamiento del separador, es necesario mantener fijos
ciertos valores de referencia de nivel de líquido del separador y de presión de operación
dentro del separador, para lo cual es indispensable que el sistema cuente con un sistema
de control, el cual no posee, que se encargue de que estas dos variables se mantengan
dentro de un rango predeterminado fijado, por supuesto, por estos dos valores de
referencia.
Igualmente es necesario elaborar un software que adquiera y procese todos los
datos de interés del medidor multifásico y los almacene en un formato texto que pueda
ser posteriormente procesado por otras aplicaciones de procesamiento de texto (por
ejemplo Microsoft Excel o Microsoft Word). De esta forma, se construye un sistema
integral de medición capaz no sólo de adquirir los datos de los distintos transmisores sino
de procesarlos para obtener otros valores de interés (densidades, flujos másicos,
velocidades, entre otros), almacenar dichos valores y ser capaz de interactuar con el
usuario u operador del medidor.
El software a ser elaborado para este fin debe constar del sistema de control
propiamente dicho y una serie de bloques complementarios los cuales pasan a formar
parte de un sistema integral de adquisición de datos, control, comunicación serial e
interfaces gráficas, para una adecuada interacción entre el usuario y el sistema.
El sistema consta de una interfaz en el separador mismo, una pantalla de cristal
líquido programable (el terminal del equipo) y un PLC (Programador Lógico
Controlable) encargado de las acciones de control, adquisición de datos, cálculo de
variables, grabación de datos y comunicación con la interfaz.
El software diseñado para este fin fue desarrollado en LabView y programado en
el PLC compatible con dicho lenguaje y consta de cuatro bloques principales
interdependientes entre sí:
• Bloque de adquisición y procesamiento de datos: Este es el bloque encargado de
adquirir las señales analógicas de los transmisores, transformarlas en unidades
físicas coherentes y calcular valores de interés para evaluar el desempeño y el
funcionamiento del sistema. Asimismo se encarga de transmitir todos estos datos
a los otros tres bloques.
• Bloque de control: Este es el bloque encargado de mantener los valores de
referencia de nivel y de presión de operación del separador. Básicamente se
encarga de manejar las válvulas de control.
• Bloque de grabación de datos: Este bloque se encarga de transformar los datos
adquiridos y calculados previamente en formato texto y grabarlos en dicho
formato.
• Bloque de comunicación serial: Este bloque se encarga de la comunicación
bidireccional entre el PLC y la pantalla de interfaz del sistema.
La interfaz gráfica del separador fue programada en el lenguaje propio de la
pantalla de cristal líquido (Qlarity) y se encarga de mostrar los valores adquiridos y
calculados por el PLC.
En el capítulo 2 se describen de forma resumida las bases teóricas de todo el
trabajo, las cuales incluyen una breve descripción de los principios de funcionamiento del
separador ciclónico y la necesidad de incluir en el mismo un sistema de control de nivel y
de presión; un resumen de las teorías de control involucradas en el desarrollo del sistema
de control, las ecuaciones utilizadas para el cálculo de las variables del sistema y que son
parte esencial del mismo así como de los distintos elementos que se utilizaron para ello.
Se incluye una breve reseña acerca de las válvulas de control y de los elementos que la
conforman. Asimismo, se incluye una revisión a la ecuación general de los gases y el
factor de compresibilidad y una breve introducción a LabView, debido a que en este
lenguaje de programación se desarrolló la mayor parte del software del sistema.
En el capítulo 3 se describe el banco de pruebas utilizado para probar el medidor
multifásico, así como las partes que lo constituyen: el separador propiamente dicho, los
transmisores, válvulas de control, el programador de control en el que el sistema fue
desarrollado y el terminal del sistema (la pantalla de cristal líquido).
En el capítulo 4 se describe el desarrollo del modelo matemático del sistema de
control. Este modelo se desarrolla a partir de las ecuaciones de sistema de las válvulas,
del posicionador y el actuador, así como del separador mismo. Igualmente se incluye en
este capítulo las pruebas realizadas en Matlab con los modelos encontrados.
En los siguientes tres capítulos se describe detalladamente el sistema de software
desarrollado en LabView y Qlarity constituido por los cuatro bloques principales ya
descritos con anterioridad y la interfaz del medidor.
En el capítulo 5 se describe con detalle el software elaborado para el bloque de
control con los diagramas de flujo correspondientes.
En el capítulo 6 se describe el desarrollo del software de la interfaz de
adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos, con los diagramas de flujo
correspondientes y todos los cálculos y ecuaciones involucrados.
En el capítulo 7 se describe el desarrollo del software de la interfaz de
comunicación serial bidireccional entre el PLC del sistema de medición multifásico y el
terminal del equipo así como la interfaz del medidor elaborada en dicho terminal.
En el capítulo 8 se discuten los resultados obtenidos en las pruebas efectuadas en
la planta piloto del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica, desde el punto de
vista del sistema de control de nivel y del sistema de control de presión del separador
ciclónico.
En el capítulo 9 se discuten las conclusiones y recomendaciones relativas al
presente trabajo. En dicha discusión, se concluye la validez de los métodos empíricos
utilizados en el presente trabajo para la sintonización de ambos controladores PID de
nivel y de presión, así como la validez de los valores encontrados para ambos sistemas de
control, en vista de que ambos sistemas cumplieron adecuadamente con los
requerimientos básicos de cualquier controlador genérico: responder rápida y
eficientemente a las distintas perturbaciones que se puedan introducir en el sistema. De
igual forma, se concluye acerca de la importancia del sistema integral de software
elaborado.
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO.
2.1 Introducción.
En el presente capítulo se sientan las bases teóricas de todo el trabajo,
comenzando por la descripción del separador ciclónico, su principio de funcionamiento,
sus numerosas aplicaciones en la industria petrolera y de extracción del gas natural, así
como la necesidad de introducir un sistema de control en el mismo para que su
funcionamiento sea óptimo. Seguidamente se hace una breve introducción a los sistemas
de control y a las teorías de control utilizadas en el presente trabajo para conseguir el
objetivo de controlar los valores de nivel de líquido y de presión de operación en el
separador ciclónico. A continuación se hace una breve descripción del elemento más
utilizado en los sistemas de control que involucran control de nivel y de presión: la
válvula de control; así como de la ecuación general de los gases y el factor de
compresibilidad y una breve introducción a LabView.
2.2 El separador ciclónico.
2.2.1 Definición y principio de funcionamiento.
La industria del petróleo ha utilizado separadores de flujo multifásico
convencionales hasta no hace mucho. Estos separadores eran extremadamente grandes,
pesados y caros. Para resolver el problema de la separación de flujo multifásico, se han
ideado otras alternativas más viables. Entre estas alternativas, los separadores compactos,
como el GLCC (siglas en inglés de “Gas-Liquid Cylindrical Cyclone”) se mantienen
como la primera opción, en vista de que son sencillos de construir, compactos, mucho
más livianos que los separadores convencionales, de un costo bastante menor, requieren
relativamente poco o ningún mantenimiento y resultan fáciles de instalar y de operar.
El separador ciclónico o GLCC es un dispositivo relativamente sencillo, que no
involucra partes móviles ni otros dispositivos internos. Consta de un cilindro instalado
verticalmente (mejor conocido como cuerpo del separador) con una entrada de flujo
ubicada tangencialmente con respecto al cilindro e inclinada hacia abajo. En esta entrada
fluye a gran velocidad la mezcla multifásica a ser separada. Esta mezcla es en parte
gaseosa y en parte líquida y de allí su nombre, puesto que está formada por dos fases: una
gaseosa y otra líquida. El separador ciclónico consta igualmente de un par de salidas para
la fase gaseosa y la fase líquida ubicadas en la parte superior e inferior del cuerpo del
separador, respectivamente. La toma superior recibe el nombre de línea gaseosa y la toma
inferior recibe el nombre de línea líquida. En la figura 2.1 se muestra de forma
esquemática la estructura general de un separador ciclónico.
Figura 2.1: Esquema general de un separador ciclónico.
En la figura 2.1 se puede apreciar el separador ciclónico o GLCC, la entrada de
flujo multifásico, y las salidas de fase líquida y de fase gaseosa.
El principio de funcionamiento del separador es puramente mecánico: como el
flujo entrante viene a una gran velocidad las dos fases de la mezcla multifásica de entrada
son separadas en sus fases individuales debido a las fuerza centrífugas y de flotación
causadas por el movimiento en remolino de la mezcla y la fuerza de gravedad. En el
punto de inyección de la mezcla, se forma un vórtice como consecuencia de este
movimiento arremolinado del líquido y la atracción de la fuerza de gravedad. El líquido,
al ser mucho más pesado que el gas, es movido forzosamente hacia las paredes del
cilindro y es juntado en la parte inferior del cilindro, mientras que el gas, mucho más
liviano, se mueve hacia el centro del separador ciclónico y se junta en la parte superior
del mismo. En la figura 2.2 se muestra el proceso de separación dentro del separador
ciclónico de forma esquemática.
Figura 2.2: Esquema del proceso de separación dentro del separador ciclónico.
Las principales configuraciones del separador son las de medidor multifásico, en
la que las salidas de fase líquida y gaseosa son recombinadas posteriormente a ser
separadas, y la de separación, en la que dichas salidas no se vuelven a recombinar una
vez separadas de la mezcla. En el presente trabajo se utilizó el separador ciclónico en la
configuración de medidor multifásico.
Las condiciones de flujo de la mezcla multifásica pueden variar de forma
completamente aleatoria. Estas variaciones pueden ser de dos tipos: variaciones de caudal
de la mezcla multifásica o variaciones en la composición de la mezcla, es decir, que
varíen las proporciones de la parte gaseosa y/o de la parte líquida de la mezcla. De igual
forma pueden variar el flujo y la composición de la mezcla al mismo tiempo. En estas
condiciones resulta obvio que el nivel de líquido dentro del cuerpo del separador así
como la presión de operación del mismo sufren considerables variaciones. Si el nivel de
líquido aumenta muy por encima del punto de inyección, la separación ya no será 100%
efectiva puesto que no se podrá formar el vórtice de forma adecuada. Esto ocasionará que
parte del líquido pase a través de la línea gaseosa y que parte del gas fluya a través de la
línea de líquido. La primera condición recibe el nombre de acarreo de líquido y la
segunda condición el de acarreo de gas. Como se puede suponer, ambas condiciones son
indeseables, máxime si el separador está en la configuración de medidor, puesto que se
estarían registrando mediciones erróneas de flujo en ambas líneas. Lo mismo ocurre si el
nivel de líquido comienza a disminuir de forma significativa; sólo que en este caso el
acarreo de gas es mucho más significativo.
Todas estas consideraciones muestran que es necesario mantener el nivel de
líquido dentro del separador, también conocido como la interfaz gas-líquida de
separación dentro de cierto rango. Igualmente, es necesario mantener la presión de
operación del separador dentro de cierto rango, ya que la presión es un factor que permite
que el proceso de separación se lleve a cabo, en vista de que “empuja” la fase líquida
contra las paredes del separador y facilita no sólo el proceso de separación sino que
mantiene el nivel de líquido dentro del rango deseado. Se hace necesario, por tanto,
realizar una estrategia de control que permita mantener estos dos valores dentro de los
rangos de operación del equipo.
2.2.2 Aplicaciones.
En la actualidad, más de 200 separadores ciclónicos se encuentran instalados y
operativos en campo en numerosas aplicaciones. El tamaño de estos separadores varía de
3 a 5 pies en diámetro y de 7 a 30 pies en altura. La figura 2.3 muestra uno de los
separadores más grandes del mundo, de 5 pies de diámetro y 20 pies de alto ubicado en
Minas, Indonesia, en una configuración de lazo de medición/separación.
Figura 2.3: Separador en configuración de medición/separación en Minas, Indonesia.
Los separadores ciclónicos han tenido un impacto considerable en la industria
petrolera, petroquímica y de extracción de gas natural. Son utilizados principalmente para
mejorar la calidad de medidores y de bombas multifásicos a través del control de la
proporción líquido gas de la mezcla multifásica de entrada. También se utilizan como
medidores multifásicos propiamente dichos, separadores parciales y principales, equipos
portátiles de prueba de pozos, depuradores de gas de llamarada y en plantas de
tratamiento de agua.
Para efectos del presente trabajo, el separador ciclónico está colocado en una
configuración de medidor multifásico, en el que ambas líneas son recombinadas luego del
proceso de separación.
2.3 Controladores automáticos y acciones básicas de control.
Un controlador automático compara el valor de salida de cierta variable de
proceso de una planta, lo compara con un valor de referencia el cual es el valor que se
desea mantener a lo largo de dicho proceso, determina la desviación entre ambos valores
y produce una señal de control que reduce la desviación previamente determinada a cero.
La forma en la que se produce dicha señal de control se denomina acción de control. En
la figura 2.4 se muestra el esquema general de un sistema de control automático. En este
esquema podemos observar que el error entre la señal de referencia y la señal proveniente
del elemento de medición o sensor de la planta es procesada a través de un controlador
para que éste genera la acción de control la cual actúa sobre un dispositivo de potencia o
un dispositivo electrónico (generalmente un motor neumático o una válvula) cuyo efecto
es corregir la salida de la planta para que la desviación entre las dos señales (la de
referencia y la señal) sea lo más pequeña posible e idealmente cero.
Figura 2.4: Esquema básico de un sistema de control automático.
Las acciones de control más comúnmente utilizadas a nivel industrial son las
asociadas a la familia de controladores PID.
En la actualidad, más de la mitad de los controladores instalados en plantas
alrededor del mundo son PID o una variación del mismo, los cuales se denominan
controladores PID modificados. Los controladores PID combinan las acciones
proporcional, integral y derivativa y tienen las ventajas de cada una de las tres acciones
de control individuales. Por este motivo, se considera conveniente hacer una breve
descripción de cada una de las tres acciones de control básicas.
• Acción de control proporcional:
El control de acción proporcional la relación entre la salida del controlador y la
señal de error es la siguiente:
)(*)( teKtu p= (2.1)
donde u(t) es la salida del controlador, e(t) es la señal de error y pK es la
denominada constante proporcional o ganancia. Esta acción de control generalmente no
se utiliza por separado sino en conjunción con la acción derivativa o la acción integral,
puesto que idealmente no se puede conseguir con ella que el error en estado estable sea
cero, si bien puede llegar a incrementar el ancho de banda y disminuir el tiempo de
respuesta del sistema.
• Acción de control proporcional-integral o PI:
La acción de control de un controlador proporcional e integral se defina mediante
la siguiente ecuación:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+= ∫
t
ip dtte
TteKtu
0)(1)()( (2.2)
donde u(t) es la salida del controlador, e(t) es la señal de error, pK es la constante
proporcional o ganancia y iT es el denominado tiempo integral. El primer término de la
ecuación corresponde a la acción proporcional y el segundo a la acción integral. El
principal efecto de añadir la acción de control integral es la de hacer el error en estado
estable tender a cero. El principal inconveniente es que puede llegar a generar
oscilaciones de amplitud decreciente lenta, y a veces oscilaciones de amplitud creciente.
El otro inconveniente es que se disminuye la velocidad de respuesta del sistema.
• Acción de control proporcional-derivativa o PD:
La acción de control proporcional-derivativa o PD se defina en los términos dados
por la siguiente ecuación:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
dttdeTteKtu dp)()()( (2.3)
donde u(t) es la salida del controlador, e(t) es la señal de error, pK es la constante
proporcional o ganancia y dT es el denominado tiempo derivativo. La acción de control
derivativa, también denominada control de velocidad tiene la ventaja de aumentar la
velocidad de respuesta del sistema e incrementar el ancho de banda, pero, como actúa
sobre la derivada de la señal de error, puede generar respuestas oscilatorias crecientes o
respuestas bruscas o violentas que pueden ocasionar daños en el actuador. El principal
inconveniente de los controladores proporcionales-derivativos es que amplifican las
señales de baja frecuencia y que el ruido se ubica principalmente en esa banda de
frecuencias. Por este motivo, la acción de control derivativa nunca se usa sola.
2.3.1 Controladores automáticos PID (Proporcional-Integral-Derivativo).
El controlador PID utiliza la acción de control proporcional, integral y derivativa
combinadas. La ecuación que define a esta acción de control combinada es la siguiente:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++= ∫
t
di
p dttdeTdtte
TteKtu
0
)()(1)()( (2.4)
o en términos de función de transferencia se tiene:
)11()()( sT
sTK
sEsU
di
p ++= (2.5)
Otra manera de presentar la función de transferencia de un controlador PID es en
función de la ganancia proporcional pK , la ganancia integral iK y la ganancia derivativa
dK y que viene dada en los términos de la siguiente ecuación:
sKs
KK
sEsU
di
p ++=)()( (2.6)
Como se expuso con anterioridad, los controladores PID combinan las ventajas de
las tres acciones básicas de control proporcional, integral y derivativa. El ajuste de estas
ganancias a las especificaciones que se desean obtener (tiempo de respuesta, margen de
fase, máximo sobrepico, ancho de banda, etcétera) es la tarea básica del diseñador de este
tipo de controladores y una de las razones de la enorme difusión de este tipo de
controladores es el hecho de que no es estrictamente necesario conocer el modelo
matemático exacto de la planta para el ajuste de las ganancias. Dentro de los
procedimientos empíricos para ese ajuste, uno de los más populares es el método de
sintonización de Ziegler-Nichols de la última ganancia o de la ganancia crítica el cual se
describe en detalle a continuación.
2.3.2 Regla de Ziegler-Nichols de la última ganancia para sintonizar controladores
PID.
Ziegler y Nichols desarrollaron un método empírico para sintonizar controladores
PID de acuerdo con la respuesta del sistema en lazo cerrado a determinadas condiciones.
Uno de estos métodos o reglas se basan en que la respuesta a lazo cerrado de la planta del
escalón unitario sea en forma de “S” y otro método de sintonización se basa en que dicha
respuesta presente oscilaciones sostenidas a ciertas condiciones [4,6]. Esta regla de
sintonización, mejor conocida como regla de la última ganancia o regla de la ganancia
crítica es la que se pasa a describir a continuación.
La premisa básica de este método de sintonización se basa en obtener un
sobrepico máximo de entre 20% a 25%. El procedimiento de sintonización es el
siguiente:
• La planta se coloca en lazo cerrado con un controlador PID genérico como
elemento de control, así como se indica en la figura 2.5.
• Las constantes iK y dK se colocan en cero y se comienza a sintonizar colocando
la constante pK igual a la unidad. Por lo tanto, el controlador PID genérico se
transforma en un controlador P.
Figura 2.5: Sistema a lazo cerrado a ser sintonizado mediante el Ziegler-Nichols.
• Se evalúa la respuesta impulsiva del sistema.
• Se incrementa gradualmente la ganancia pK hasta que se observen las primeras
oscilaciones sostenidas (no decrecientes) en la respuesta de la planta a lazo
cerrado. Se mide el período de dichas oscilaciones (Tc o el período crítico) como
se indica en la figura 2.6.
• El valor de pK (la ganancia última) y el valor de cT (el período crítico) se
introducen en la siguiente tabla (ver tabla 2.1, pág. 21) para obtener los valores de
las ganancias proporcional cK , la constante de tiempo integral iT y la constante
de tiempo diferencial dT . Para lograr la respuesta más rápida del controlador, se
toman los valores de la primera sub-tabla. Con los valores de la última sub-tabla
se obtiene la respuesta más lenta del controlador. Los valores de la segunda sub-
tabla corresponden a una respuesta intermedia y fueron los valores que se tomaron
para el presente trabajo.
Figura 2.6: Período crítico (Tc) de la respuesta oscilatoria.
Tabla 2.1: Valores de sintonización para controladores PID de
Ziegler-Nichols (método de la última ganancia) [4].
Controlador Kc Ti Td
P 0.4 Ku 0 0
PI 0.5 Ku 0.8 Tu 0
PID 0.6 Ku 0.5 Tu 0.12 Tu
Sintonización Ziegler-Nichols (respuesta normal)
Controlador Kc Ti Td
P 0.2 Ku 0 0
PI 0.18 Ku 0.8 Tu 0
PID 0.25 Ku 0.5 Tu 0.12 Tu
Sintonización Ziegler-Nichols (respuesta normal)
Controlador Kc Ti Td
P 0.13 Ku 0 0
PI 0.13 Ku 0.8 Tu 0
PID 0.15 Ku 0.5 Tu 0.12 Tu
• Es importante señalar que la sintonización Ziegler-Nichols no da los valores
definitivos de los constantes de los controladores PID sino que constituyen un
excelente punto de partida para una sintonización mucho más fina de los mismos.
2.4 La válvula de control.
La válvula de control es uno de los dispositivos más utilizados en los sistemas de
control en los que se necesita manipular las cantidades que entran o que salen de flujo
másico en un proceso industrial cualquiera. La válvula de control manipula un fluido
circulante, generalmente gas natural o gas licuado, agua, vapor o componentes químicos,
para compensar cualquier perturbación que se pueda tener a la entrada de un sistema
cualquiera y, de esta forma, mantener el valor de la variable de proceso regulada lo más
cercano posible al valor de referencia deseado.
Cuando por lo general, se menciona válvula de control, a lo que en realidad se
hace referencia es a un juego o conjunto completo de válvula de control. Este juego
consta típicamente del cuerpo de la válvula, las partes del borde interno, un actuador que
provee la fuerza motriz para operar la válvula, y una variedad de accesorios adicionales
de entre los cuales existen los posicionadores, transductores, reguladores de presión,
operadores manuales y limitadores. En la figura 2.7 se puede observar un juego de
válvula de control típica. Esta válvula consta de la válvula propiamente dicha con su
juego de partes interno, el actuador y un posicionador que sirve para regular su posición
de acuerdo a una señal de control.
Las válvulas usan generalmente alguna clase de rueda motriz mecánica, un
diafragma operado automáticamente, para mover el tapón dentro y fuera de su sitio,
abriendo o cerrando de esta manera la superficie para el flujo del líquido. A medida que
la señal de salida del actuador neumático se incrementa, la mayor presión dentro del
diafragma comprime el muelle, empujando de esta forma la varilla de la válvula y
abriéndola más.
Según su posición de falla las válvulas se clasifican en normalmente abiertas
(“air-to-close”) o normalmente cerradas (air-to-open). Las válvulas normalmente abiertas
requieren de aire o gas presurizado para cerrarse y las válvulas normalmente cerradas lo
requieren para abrirse (de allí la denominación de “air-to-close” o aire-para-cerrar y de
“air-to-open” o aire-para-abrir). Si, por ejemplo, el muelle está localizado por debajo del
diafragma y la entrada de aire está ubicada por encima del diafragma, se tiene una válvula
normalmente abierta o “air-to-close” [1,9]. Por consideraciones de seguridad, se escogen
generalmente las válvulas normalmente abiertas. En la figura 2.8 se puede observar las
partes internas de una válvula de control típica.
Figura 2.7: Válvula de control típica [2].
Las válvulas también se clasifican según la curva característica de flujo versus
porcentaje de recorrido en tres tipos: lineales, de igual porcentaje y de apertura rápida.
Estas curvas características vienen dada en porcentaje de flujo máximo que la válvula
puede admitir versus porcentaje de recorrido o porcentaje de apertura de la válvula. A
continuación se describen los tres tipos de válvulas:
• Lineales: Es aquella cuya curva característica queda representada por una recta en
la gráfica de porcentaje de flujo máximo versus porcentaje de recorrido. Por lo
tanto, para incrementos iguales de recorrido se tienen incrementos iguales de
flujo.
• Igual porcentaje: Es aquella válvula para la que a iguales incrementos de recorrido
corresponden a iguales cambios porcentuales de flujo.
• Apertura rápida: Es aquella válvula en la que se tiene un incremento máximo en
porcentaje de flujo con un incremento mínimo en el porcentaje de recorrido o de
apertura de la válvula.
Figura 2.8: Esquema de las partes internas de una válvula normalmente abierta [1].
Para los sistemas de control, se recomienda utilizar los tipos de válvula lineal o de
Igual porcentaje. Las válvulas de apertura rápida se utilizan principalmente en sistemas
de alivio de presión y sistemas de emergencia. En la figura 2.8 se puede apreciar las
curvas características de estos tres tipos de válvulas.
Figura 2.9: Curvas características de la válvula lineal, de apertura
rápida y de igual porcentaje [1].
El tipo de la curva característica de la válvula depende de la construcción de la
jaula de la misma (ver figura 2.8); por ello existen 3 tipos de jaulas: lineal, de apertura
rápida y de igual porcentaje. En la figura 2.10 se muestra los tres tipos de jaulas
existentes.
Figura 2.10: Tipos de jaulas: de apertura rápida, lineal y de igual porcentaje.
2.4.1 El posicionador.
El posicionador es el dispositivo encargado de convertir la señal eléctrica
proveniente de la salida del controlador en una señal neumática o señal de presión para
regular la apertura de la válvula al valor requerido. La señal eléctrica (usualmente dentro
del rango de 4-20 miliamperios) es escalada convenientemente a una señal de presión
desde minvp hasta vmáxp , el cual es el rango de operación de presión de la válvula de
control.
Los posicionadores constan de un transductor electro-neumático que convierte la
señal eléctrica de entrada a una señal neumática de salida. Dicho elemento no es más que
un regulador de presión controlado por corriente que corrige su salida con otra señal que
le indica si la válvula está o no está en la posición requerida por el controlador. Esta señal
proviene de un brazo de realimentación el cual consta de una pieza de metal adherida a la
parte móvil de la válvula en un extremo y a un potenciómetro en el otro extremo cuyo
movimiento le indica al transductor electro-neumático si debe aumentar o disminuir la
presión de salida de forma tal que la corriente de entrada proveniente del controlador se
corresponda adecuadamente con la posición actual de la válvula [1,2,9].
2.5 Ecuación general de los gases y factor de compresibilidad.
La ecuación general de los gases para los gases ideales viene dada por:
RTPV = (2.7)
donde P es la presión absoluta del gas, V es el volumen que ocupa dicho gas, R es
la constante universal de los gases y T la temperatura absoluta.
Sin embargo, esta ecuación se puede extender para el caso de los gases no ideales
(gases compresibles) incluyendo en la misma un nuevo factor de compensación, el factor
de compresibilidad z.
zRTPV = (2.8)
Z es un número adimensional, normalmente se encuentra entre 0 y 1, por lo
general bastante cercano a 1. Z depende de los valores de presión reducida redP y de
temperatura reducida del gas redT , que son iguales a:
cred P
PP = (2.9)
cred T
TT = (2.10)
donde cP es la llamada presión crítica del gas y cT es la llamada temperatura
crítica del gas. Ambas son constantes que dependen de la composición química del gas en
particular. Como z es una función bastante compleja de redP y redT , se elaboran curvas
isotérmicas (que corresponden a un valor de redT fijo) de z en función de la presión
reducida [7].
2.6 LabView.
LabView es un lenguaje de programación gráfico desarrollado por National
Instruments y que se especializa para aplicaciones de control y de instrumentación, si
bien las aplicaciones que se pueden desarrollar en LabView abarcan un espectro bastante
amplio. En Labview las aplicaciones reciben comúnmente el nombre de VIs (Virtual
Instruments) o de instrumentos virtuales, puesto que las interfaces gráficas de dichas
aplicaciones semejan a un elemento de medición o de instrumentación desarrollado en un
computador personal [5,12]. Los instrumentos virtuales o VIs constan de dos elementos
principales:
• Un panel gráfico de interacción con el usuario: consta de una serie de controles
(entradas) y de indicadores (salidas) con los cuales se maneja el programa.
• Un diagrama de bloques o código fuente: consta de una seria de elementos
gráficos que enlazan los datos provenientes de los controles o de otros elementos
externos (tarjetas de adquisición de datos, periféricos de entrada/salida, TCP/IP,
cámaras de video, etc.), procesan dichos datos de acuerdo a las especificaciones
dadas y retornan valores de salida que usualmente se muestran en el panel gráfico
o son utilizados como datos de entrada para otros elementos. Los elementos que
procesan estos datos son las llamadas funciones que semejan unas “cajas negras”
que constan igualmente de entradas y salidas.
Distintas aplicaciones o instrumentos virtuales (VIs) pueden ejecutarse en
paralelo e incluso compartir una o varias variables entre sí. Para ellos estas variables
deben ser declaradas como variables globales y de esta forma pueden ser utilizadas por
estas aplicaciones.
CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS Y
DE LOS ELEMENTOS DEL MEDIDOR MULTIFÁSICO.
En el presente capítulo se hace una breve descripción de la planta utilizada para
las pruebas de desempeño del medidor multifásico, pruebas cuyo punto central es la
sintonización definitiva de ambos sistemas de control y la evaluación del desempeño del
medidor. Igualmente se describe en forma detallada los distintos elementos que
conforman al medidor: transmisores, válvulas y elementos programables.
3.1 Banco de pruebas.
La planta en la que se realizaron las pruebas del sistema de control del equipo, así
como la calibración de las válvulas de control, verificación de los transmisores y el
arranque del equipo es la Planta Experimental Piloto del Laboratorio de Conversión de
Energía Mecánica, ubicada en la sede de Sartenejas de la Universidad Simón Bolívar.
Dicha planta experimental cuenta con todas las facilidades para realizar este tipo de
trabajos y en ella se han desarrollado y en la actualidad se desarrollan proyectos
similares. Los transmisores de presión, temperatura y de nivel fueron verificados,
calibrados y probados en la sede del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica en
la sección de Instrumentación.
3.1.1 Descripción general del banco de pruebas.
El banco de pruebas utilizado consta de un circuito de flujo multifásico en el que
se combinan una línea de líquido y una línea de gas. Durante las pruebas se utilizó agua
como la fase líquida y aire comprimido como la fase gaseosa. El aire proviene de un
compresor y el agua proviene de un depósito subterráneo utilizado para el
almacenamiento de agua. El agua es impulsada a través del circuito por una bomba BCP.
En un punto de este circuito (previo a la entrada del separador) se juntan las líneas de aire
y de agua para formar el fluido multifásico. Este fluido multifásico (aire-agua) entra al
separador ciclónico en el que es separado en sus dos fases individuales para luego ser
recombinado. Entre la separación y la recombinación del flujo se miden todos los
parámetros del medidor multifásico y se aplica la estrategia de control de nivel de líquido
dentro del separador y control de presión de operación. Luego de pasar a través del
medidor multifásico el flujo recombinado se descarga en otro tanque. El gas se descarga a
la atmósfera por una abertura de este tanque sin mayor peligro puesto que se trata de aire
comprimido, mientras que el agua es impulsada de nuevo hacia el depósito de
almacenamiento, con lo que se completa el circuito. En la figura 3.1 se muestra de forma
esquemática la estructura del banco de pruebas.
El banco de pruebas consta también de otro tanque de aire comprimido, el cual es
utilizado para alimentar los actuadores de ambas válvulas de control. La presión de
entrada de este aire comprimido debe ser entre 30 y 60 psia, según las especificaciones
del fabricante de las válvulas (ambas son válvulas Fisher). La capacidad máxima del
banco de pruebas es de 100 psia de presión absoluta en el sistema, uno y medio millones
de pies cúbicos estándar por día de caudal de gas y 4.500 barriles por día de caudal de
agua.
Figura 3.1: Estructura esquemática del banco de pruebas.
En la figura 3.2 aparecen varias vistas de la planta experimental piloto del
Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica.
Figura 3.2: Imágenes de la planta experimental piloto del Laboratorio de
Conversión de Energía Mecánica.
3.2 Elementos del medidor multifásico.
Los elementos del medidor multifásico son:
• El separador ciclónico y toda la estructura física en la que se basa todo el
sistema de medición.
• Los transmisores de presión, nivel, caudal de líquido, caudal de gas,
temperatura y el analizador de corte de agua.
• Las dos válvulas de control, cada una de ellas con su actuador neumático y
su posicionador incorporado.
• El PLC que es el encargado de manejar todo el sistema (control,
adquisición, comunicación, procesamiento de señales).
• La pantalla de cristal líquido con la que el usuario puede interactuar con el
medidor, monitorear en tiempo real las mediciones y verificar cualesquiera
condiciones de alarma o de malfuncionamiento del equipo. Esta pantalla
está ubicada en el tablero electrónico del medidor.
• Otros elementos adicionales: el tablero electrónico, los conectores y la
toma de aire presurizado para los actuadores de las válvulas.
En las secciones siguientes se describen los elementos principales del sistema:
el separador ciclónico, los transmisores, las válvulas y el PLC.
3.2.1 El separador ciclónico.
El separador representa la columna vertebral del medidor multifásico. Consta de
un cilindro metálico de aproximadamente 4 metros de altura, 8 pulgadas de diámetro
externo y 0,375 pulgadas de espesor, con una entrada tangencial inclinada 45 grados
hacia abajo de 6 pulgadas de diámetro externo y 0,375 pulgadas de espesor. La línea
gaseosa, que sale por la parte superior del cilindro, es de 4 pulgadas de diámetro externo
y de 0,375 pulgadas de espesor. La línea líquida, que sale por la parte inferior del
cilindro, es de 3 pulgadas de diámetro externo e igualmente de 0,375 pulgadas de
espesor.
En el cilindro existen dos tomas para el medidor de presión diferencial
(transmisor de nivel) que está ubicado aproximadamente al mismo nivel que la línea de
líquido. En la línea de líquido se toman las medidas de caudal de líquido y de porcentaje
de agua. En la línea de gas se toman las medidas de caudal de gas, presión y temperatura.
Ambas válvulas de control (de nivel y de presión) se encuentran en su línea respectiva
(líquida y gaseosa) justo antes del punto de recombinación en el que se hace converger a
las dos líneas. Del punto de recombinación al tanque de descarga la línea es de las
mismas características que la línea gaseosa. En la figura 3.3 se puede observar dos
fotografías del medidor multifásico en la que se aprecian el separador con las líneas
gaseosa y líquida, el tablero electrónico, las válvulas de control y los transmisores.
Figura 3.3: El medidor multifásico.
En la figura 3.4 aparece de forma esquemática los elementos del medidor
multifásico, incluyendo las medidas del separador, de la entrada de fluido multifásico, de
las líneas gaseosa y líquida, así como la ubicación de los 6 transmisores y las válvulas de
control.
En las pruebas realizadas en la planta experimental piloto se utilizó agua y aire
comprimido, pero este medidor multifásico está diseñado para separar crudo de gas de
una mezcla multifásica, por lo que algunas de los valores de medición asociados se
relacionan con el crudo que pasa a través del mismo, si bien, como ya se dijo, en las
pruebas realizadas no se pasó crudo a través del sistema.
El punto óptimo de separación en lo que al nivel se refiere está ubicado a un pie
(30.48 cms.) por debajo del punto de inyección del flujo multifásico, y en cuanto a la
presión, debe ser ésta unos cuantos psig por encima de la presión de descarga del sistema:
en este caso tenemos una presión de descarga atmosférica (14.1 psia) y se fijó este valor
de referencia en 20 psia.
Figura 3.4: Estructura esquemática del medidor multifásico.
3.2.2 Transmisor de nivel.
El transmisor de nivel utilizado en el medidor multifásico es el transmisor marca
Foxboro modelo 823-DP. El principio de funcionamiento de este transmisor es el de
medir la diferencia de presión entre dos tomas, de allí que este transmisor se le conozca
también como de presión diferencial. Una de las tomas está identificada como la toma
positiva de presión o la toma superior y la otra como la toma negativa de presión o la
toma inferior. Si se hace la analogía presión-voltaje, se puede decir que funciona bajo el
mismo principio que un voltímetro, solo que este transmisor convierte la señal de presión
diferencial en altura basándose en la presión que ejerce una columna de agua de una
pulgada de altura. Las tomas se ubicaron una en la parte superior del separador y la otra
en la parte inferior del mismo, a aproximadamente 100 pulgadas de distancia entre ellas
(ver figura 3.4 en la que se aprecia que del transmisor de nivel identificado como LT
salen las dos tomas de presión y existe una distancia de 250 cms. entre ellas). Este
transmisor fue calibrado en el rango de 0 a 150 pulgadas de agua en el Laboratorio de
Conversión de Energía Mecánica.
3.2.3 Transmisor de presión absoluta.
El transmisor de presión absoluta utilizado fue un transmisor marca Gould
modelo PA-3000-02M. El principio de funcionamiento de este transmisor es el
manométrico diferencial o lo que es lo mismo, mide la diferencia entre la presión de
referencia (una atmósfera o 14,7 psia) y la presión del lugar que se desea medir. La toma
de presión de este transmisor se ubicó en la línea de gas, entre el transmisor de caudal de
gas y la válvula de control como se puede observar en la figura 3.4. También este
transmisor fue calibrado en el Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica con un
equipo especial de pesas y un amperímetro de alta precisión, dentro del rango de 0 a 400
psia.
3.2.4 Transmisor de caudal de flujo de líquido.
El transmisor de caudal de líquido utilizado en el medidor multifásico es un
transmisor ultrasónico marca Panametrics, modelo XMT868. En la figura 3.5 se puede
apreciar el medidor de caudal de líquido utilizado en el medidor multifásico. Utilizan una
señal ultrasónica para determinar el flujo que circula a través de una tubería cualquiera.
Dicha onda se encuentra en el rango de 20 Khz. A 200 Khz. para el caso de los gases y
en el rango de 5 Mhz. a 20 Mhz para el caso de los líquidos.
Figura 3.5: Transmisor de caudal de líquido ultrasónico Panametrics XMT868.
El principio de funcionamiento del transmisor es la medición del tiempo de
tránsito de una señal ultrasónica. Esta señal ultrasónica es emitida y recibida a través de
dos sensores ultrasónicos, los cuales emiten y reciben la señal ultrasónica
correspondiente. Midiendo el tiempo de tránsito de la onda (la señal ultrasónica) aguas
arriba y aguas abajo y siendo conocidos los parámetros de la tubería (diámetro interno de
la tubería, espesor de la tubería y las distancias axial y longitudinal de la onda a través de
la tubería) se puede determinar la velocidad del flujo dentro de la tubería [3]. En la figura
3.6 se puede apreciar todas las ecuaciones y los parámetros involucrados en el cálculo del
flujo por ultrasonido.
Ambos transmisores de flujo (el XMT868 y el XGM 68 de gas que se describe en
la sección siguiente) deben ser programados con los parámetros de sistema, tipos de
transductores o sensores, parámetros de la tubería, salida analógica y configuración de
señal para su adecuado funcionamiento. Para ello se utiliza un software específico para
los transmisores Panametrics: el IDM o Instrument Data Manager [3,10]. Este
Figura 3.6: Medición ultrasónica del flujo por tiempo de tránsito.
software se comunica vía serial protocolo RS-232 con los transmisores Panametrics. En
un PC con el programa IDM instalado su conecta un cable serial entre el puerto serial del
PC y el conector serial del instrumento que se utiliza para este fin. Este transmisor de
flujo de líquido fue programado con un rango de 0 a 6.000 barriles por día. La
programación de ambos transmisores de flujo Panametrics estuvo a cargo personal
encargado Industrial Vox Analyzer.
3.2.5 Transmisor de caudal de gas.
El transmisor de gas utilizado en el medidor multifásico es el Panametrics modelo
XGM868, el cual utiliza igualmente el principio de medición de ultrasonido por el
cálculo del tiempo de tránsito. En la figura 3.7 se puede observar dicho transmisor.
Figura 3.7: Transmisor de caudal de gas ultrasónico Panametrics XGM 868.
La programación del transmisor es muy parecida al del XMT 868, sólo que para
el caso del gas se debe tener cuidado en especificar si se quiere que el transmisor
entregue caudal en unidades actuales (que es el valor Q en la ecuación Q=V*A de la
figura 3.4) o en unidades estándar. En unidades actuales el caudal está dado a condiciones
de proceso y para el caso de las unidades estándar el caudal está dado a las condiciones
estándar. Para este caso se le puede programar al transmisor unos valores fijos de presión
y de temperatura o hacer la compensación en línea colocándole al transmisor las salidas
analógicas de los transmisores de presión y de temperatura. En este caso, el transmisor
fue programado en unidades actuales y el cálculo del flujo de gas a condiciones estándar
se hizo a nivel del PLC. El rango del transmisor fue programado de 0 a 3 millones de pies
cúbicos actuales por día.
3.2.6 Analizador de corte de agua.
El analizador de corte de agua entrega el valor de porcentaje de agua en el crudo.
En el medidor multifásico, se utilizó el analizador marca Liebherr modelo Litronic WMS
(“Water Motion Sensor”) con un adaptador para tuberías pequeñas (menores de 8
pulgadas de diámetro externo) el cual puede apreciarse en la figura 3.8.
Figura 3.8: Analizador de corte de agua (derecha) y analizador de corte de agua con
adaptador para tuberías pequeñas montado en el medidor multifásico (izquierda).
El principio de medición de este transmisor es de tipo capacitivo. Se tiene que el
crudo o la parafina presentan una constante dieléctrica relativamente baja en comparación
con la constante dieléctrica del agua. El transmisor emite un campo eléctrico de alta
frecuencia (10 a 40 Mhz.) el cual reacciona con las moléculas de crudo y las moléculas
de agua con el cual se mide las pérdidas capacitivas de la mezcla líquida. Estas pérdidas
capacitivas dependen del porcentaje de agua presente en la mezcla [11].
Este transmisor debe ser programado con los parámetros de sistema y parámetros
de tubería para funcionar adecuadamente. Para ello se utiliza un software específico para
estos transmisores: el WIOS o “Water In Oil Software” [11]. Al igual que para los
transmisores de flujo, la comunicación se establece vía serial protocolo RS-232 con un
PC con el programa WIOS instalado. Este transmisor fue programado en el rango de 0 a
20% de porcentaje de agua en crudo. La programación de este transmisor estuvo a cargo
también de personal encargado de Industrial Vox Analyzer.
3.2.7 Transmisor de temperatura.
Para la medición de la temperatura se utilizó un transmisor de temperatura marca
Rosemount modelo 644, el cual puede apreciarse en la figura 3.9. Este transmisor consta
de una termocupla y un dispositivo inteligente que transforma la señal de voltaje de la
termocupla en una señal escalada de corriente dentro del rango de 4 a 20 miliamperios. El
transmisor viene calibrado de fábrica en el rango de 32 a 400 grados Fahrenheit, pero de
igual forma se recalibró en el Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica
Figura 3.9: Transmisor de temperatura Rosemount 644 [9].
3.2.8 Válvulas de control.
Las válvulas de control utilizadas en el medidor multifásico son dos válvulas
Fisher de acero inoxidable, actuador modelo 657, normalmente abierta la válvula ubicada
en la línea de líquido y normalmente cerrada ubicada en la línea de gas. Este modelo de
válvula con su posicionador respectivo se puede observar en la figura 3.10. El cuerpo de
la válvula de control de líquido es de 4 pulgadas de tamaño, es decir, que se utiliza en
tuberías de 4 pulgadas de diámetro externo. El cuerpo de la válvula de control de gas es
de 3 pulgadas. Ambas válvulas son de tipo lineal, lo que se pudo comprobar con la
inspección visual de las jaulas de ambas válvulas (ver figura 2.10). El actuador neumático
de amabas válvulas trabaja dentro del rango de 3 a 15 psig, lo que significa que a
presiones de 3 psig o menores la válvula abre completamente (el modo de falla) y a
presiones de 15 psig o mayores la válvula cierra completamente.
Figura 3.10: Válvula de control Fisher actuador modelo 657 con posicionador
incorporado.
Ambas válvulas utilizan un posicionador marca Fieldvue modelo DVC5000
retroalimentado mediante un brazo mecánico convenientemente fijado al vástago de la
válvula. Este posicionador mediante protocolo HART con otros instrumentos compatibles
con este protocolo o con una PC con módem HART y el software apropiado [2,9]. Este es
un protocolo de comunicación tipo FSK (“Frequency Shift Keying”) en el que los bytes
son enviados a través de una portadora cuya frecuencia varía entre dos valores fijos: uno
de estos valores corresponde al “0” lógico y el otro valor corresponde al “1” lógico. Esta
portadora viene superpuesta en la señal de corriente del lazo de 4-20 miliamperios, por lo
que para comunicarse vía HART con el posicionador simplemente se debe conectar el
módem HART o el instrumento compatible HART en el lazo de corriente. Ambos
posicionadores requieren calibrarse para que la válvula actúe de forma adecuada a las
señales de corriente. Para ello se utiliza un software específico para este tipo de
instrumentos (ValveLink) o un comunicador HART 275. Como no se pudo conseguir el
software ValveLink, que es mucho más práctico y fácil de manejar, ambos
posicionadores fueron calibrados con el HART 275. En la figura 3.11 se puede observar
el posicionador DVC5000 y el comunicador HART 275.
Figura 3.11: Posicionador Fieldvue DVC5000 y Comunicador HART 275.
3.2.9 PLC: Compact FieldPoint 2020.
El Compact FieldPoint, fabricado por National Instruments, es el PLC que se
utiliza para las tareas de control, adquisición de valores de los transmisores y
procesamiento de datos, grabación de dichos valores y de dichos datos, así como de la
comunicación serial con la interfaz del medidor multifásico. El PLC cuenta con un
procesador de 16 Mhz, compatible con LabView y LabView Real-Time, software
desarrollado también por National Instruments, en el cual se programa para que el PLC
efectúe las tareas requeridas. Este PLC cuenta con varias ventajas ya que es compacto,
ligero, programable en un lenguaje gráfico como LabView, cuenta con puertos seriales
RS-232 y RS-285, puerto Ethernet configurable a 10 o 100 Mbps (Megabytes por
segundo) y se le pueden añadir hasta 8 módulos de entradas y/o salidas combinados de
cualquier manera [5,12]. Además tiene una memoria Flash de 32 Kilobytes que se puede
utilizar para propósito generales (en el caso del medidor multifásico se utilizó la memoria
Flash para grabar todas las mediciones y las variables de desempeño del sistema).
El cFP-2020 (Compact FieldPoint 2020) se comunica con el PC mediante un
cable Ethernet cruzado para su configuración, para la edición de programas, para cargarle
los programas al procesador del PLC, para descargarle software compatible con LabView
o simplemente para descargar la información que pueda estar almacenada en su memoria
Flash. Para programarlo es necesario (además del cable Ethernet cruzado) tener instalado
en el PC LabView 6.0 o una versión superior, LabView Real-Time 6.0 o una versión
superior, así como el programa NI-DAQ 6.0 o una versión superior.
Para que el cFP-2020 pueda interactuar con otros instrumentos, es necesario
agregarle una serie de módulos de entrada y/o salida. Cada uno de estos módulos tiene
una capacidad máxima de hasta 8 entradas u 8 salidas; pueden ser de tipo analógico
(corriente o voltaje) o digital. Como se requieren 6 entradas analógicas de corriente para
los 6 transmisores ya descritos y 2 salidas analógicas de corriente para ambas válvulas de
control, se le agregaron al PLC un módulo de entradas analógicas de corriente (el cFP-
AI-100) y un módulo de salidas analógicas de corriente (el cFP-AO-200). En la figura
3.12 se puede apreciar el cFP-2020 y uno de los módulos: el cFP-AI-100.
Figura 3.12: Compact FieldPoint 2020 y módulo en entradas analógicas
de corriente cFP-AI-100.
Se decidió por el PLC de National Instruments debido a sus capacidades y a la
facilidad de programación del mismo; sin embargo, existen en el mercado otra gama de
opciones con capacidades similares e incluso superiores, aunque quizás no tan versátiles;
es bueno tener en cuenta que el cFP-2020 es un PLC de propósitos generales. Honeywell,
ABB y Siemens, entre otros fabricantes, ofrecen varios modelos de PLCs bastante
sofisticados y de mayor capacidad que el cFP-2020, pero en vista de la relativa poca
complejidad del sistema (6 transmisores y 2 actuadores además de las tareas genéricas ya
descritas) prevaleció el criterio de la versatilidad y del fácil manejo.
3.2.10 Pantalla cristal líquido programable QSI-G70.
La interfaz del medidor multifásico fue elaborada sobre el terminal de cristal
líquido programable marca QSI Corporation, modelo QSI-GTERM-G70 o QSI-G70. Este
terminal ofrece la comodidad de ser “touch-screen” es decir, que responde al toque o a la
presión ejercida sobre él. El terminal puede comunicarse con otros dispositivos por medio
de comunicación serial o Ethernet, puesto que se puede solicitar con uno o con ambos
puertos. En este caso en particular, el terminal fue solicitado con un puerto serial RS-232.
Dicho terminal se programa mediante un software específico, el Qlarity 1.5, que en
realidad es un lenguaje de programación basado en eventos a semejanza de Visual Basic.
En Qlarity se configuran las distintas pantallas del sistema, se le colocan los botones o los
elementos de diálogo e interacción con el usuario, se programan las acciones a ejecutarse
cada vez que ocurra un evento (presionar un botón, soltar un botón, recibir datos a través
del puerto serial del terminal, etc.) y se descargan los programas al terminal.
CAPITULO 4: DESARROLLO DEL MODEL0 MATEMATICO
DEL SISTEMA DE CONTROL.
4.1 Consideraciones generales.
El desarrollo matemático del sistema de control tiene como objetivo final la
sintonización del controlador PID mediante el método de Ziegler-Nichols de última
ganancia. Para el desarrollo de este modelo matemático se consideró en primera instancia
el lazo de control de nivel del separador, se desarrollaron las ecuaciones de sistema de
dicho lazo, se sintonizó dicho controlador mediante el método de Ziegler-Nichols y se
utilizaron los valores teóricos encontrados mediante las simulaciones teóricas como punto
de partida para la sintonización de los dos lazos de control: el de nivel y el de presión.
Este es un método totalmente empírico que dio muy buenos resultados como se podrá
apreciar en el capítulo 10 en el que se presentan los resultados definitivos obtenidos luego
de las pruebas preliminares efectuadas en la planta piloto experimental del Laboratorio de
Conversión de Energía Mecánica.
El modelo matemático del lazo de control de líquido, basado en [8], asume que el
sistema es completamente lineal e invariante en el tiempo, que las caídas de presión a lo
largo de la válvula de control es constante y que el flujo de entrada es constante.
El separador se modela como un integrador de primer orden, la válvula de control
de líquido se modela como un sistema de segundo orden y el sensor o transmisor de nivel
como una ganancia de realimentación. El flujo de entrada del sistema es restado al flujo
que sale de la válvula y en teoría ambos debieran igualarse para mantener constante el
nivel de líquido dentro del separador, cosa que es absolutamente lógica puesto que si la
diferencia entre el flujo líquido entrante y el flujo que sale por la válvula es positiva, se
tiene que el nivel de líquido tiende a aumentar y si, por el contrario, la diferencia entre el
flujo entrante y el flujo que sale de la válvula es negativa, el nivel de líquido dentro del
separador tiende a disminuir.
En este desarrollo se asume que el flujo es constante e igual a 0.25 pies cúbicos
por segundo (aproximadamente igual 8 litros por segundo).
4.2 Sistema de control de nivel de líquido.
A continuación se describen los distintos bloques que conforman el sistema de
control de nivel de líquido: controlador PID, válvula de control, la planta: el separador
ciclónico como un sistema en el fluye un caudal de entrada y se transforma en nivel de
líquido (la variable a controlar); y el transmisor de nivel.
4.2.1 Diagrama de bloques.
El diagrama de bloques del lazo de control de nivel se puede observar en la figura
4.1. El bloque 1 corresponde al controlador PID genérico que se desea sintonizar. Los
bloques 2, 3 y 4 y 5 corresponden al actuador del sistema, en este caso la válvula de
control de líquido. Los bloques 6 y 7 corresponden a la planta, en este caso representada
por el separador ciclónico. El bloque 8 corresponde al sensor de nivel que es el elemento
ubicado en el lazo de realimentación del sistema. Finalmente, el bloque 9 corresponde a
la línea de líquido.
Figura 4.1: Diagrama de bloques del sistema de control de nivel.
En este esquema se aprecia que el actuador del sistema de control (la válvula de
control de líquido o VCL) transforma la salida del controlador PID en una salida de
caudal de líquido, puesto que a mayor o menor apertura de la válvula corresponderá un
flujo de líquido mayor o menor respectivamente.
La válvula de control identificada en el esquema como VCL está conformada por
cuatro bloques principales:
• El actuador y la línea neumática: Se encarga de transformar la salida del
controlador en una señal de presión en el rango de trabajo de la válvula, de
acuerdo con la cual se tiene que la válvula se abre o se cierra. Para el caso de la
válvula de control de líquido utilizada en el medidor multifásico, la válvula opera
en el rango de 3 a 15 psig, cerrando completamente a una presión de 15 psig o
mayor y abriendo completamente (el modo de falla corresponde siempre a la
presión de operación mínima) a una presión de 3 psig o menor.
• El bloque 3 representa la característica de la válvula de control o, lo que es lo
mismo, la función de transferencia de la válvula. Este bloque se encarga de
transformar la salida del bloque 2 (presión) en recorrido de la válvula (dado en
unidades porcentuales).
• El bloque 4 representa la característica de coeficiente de flujo versus porcentaje
de recorrido, que se corresponde a la ecuación característica de la válvula de
control (ver figura 2.9). Aquí se introduce la curva característica de la válvula
(ecuación lineal para este caso particular).
• El bloque 5 representa la característica de coeficiente de flujo versus tasa de flujo,
y depende de la construcción de la válvula en particular, de la caída de presión a
lo largo de la válvula y del tipo de fluido que circula a través de ella. Esta
característica se asume como una constante para los efectos de este estudio.
Los dos siguientes bloques representan a la planta en sí, en este caso al separador
ciclónico, como un integrador de primer orden. El bloque 6 es el integrador propiamente
dicho y el bloque 7 la ganancia. En conjunto ambos bloques representan un sistema cuya
entrada es el flujo volumétrico de entrada y cuya salida es el nivel de líquido.
El bloque 8 representa la ganancia del transmisor de nivel, ganancia que se coloca
en el lazo de realimentación de todo el sistema de control.
Bloque 1: Controlador PID.
Este bloque representa al controlador PID cuya ecuación viene dada por:
)11()( sTT
KsPID di
c ++= (4.1)
Bloque 2: Actuador y línea neumática.
La señal eléctrica de la salida del controlador es convertida a una señal neumática
a través de la línea neumática y el actuador. La señal eléctrica (de 4 a 20 miliamperios) es
escalada a la señal de presión de minνp a maxνp , que se corresponde con el rango de
operación de presión de la válvula de control de líquido. La correspondiente señal de
presión neumática enviada de la salida del controlador a la línea neumática viene dada
por:
164
)( maxmin−
−+= cmivc
Epppp ννν (4.2)
donde cp es la salida del controlador en términos de señal de presión neumática,
minνp es el límite inferior de la presión de trabajo de la válvula de control, manpν es el
límite superior de la presión de trabajo de la válvula de control y cE es la salida del
controlador en términos de corriente (4 a 20 miliamperios).
El actuador neumático puede simularse como un sistema de retardo de primer
orden dado por la siguiente ecuación:
tot
cvc epppp −−+= )( 0ν (4.3)
en la que νp es la presión neumática recibida por la válvula de control, 0νp es la
presión neumática inicial de la válvula de control que corresponde al setpoint y 0t es la
constante de tiempo de la línea neumática.
Sustituyendo cp de la ecuación 4.2 en la ecuación 4.3, derivando la ecuación
resultante y tomando variables de desviación, resulta la función de transferencia en el
dominio de Laplace, es decir:
11
0 +≅
ΔΔ
sEp
c τν (4.4)
La constante 0τ se tomó igual a 0.4 seg., un valor típico para las líneas
neumáticas [2].
Bloques 3, 4 y 5: Función de transferencia de la válvula.
Para el desarrollo de la función de transferencia de la válvula se consideró a la
misma como un sistema de primer orden cuya entrada es la presión proveniente del
actuador neumático y cuya salida es una tasa de flujo volumétrico. Para ello se toma en
cuenta el rango trabajo de la presión de operación de la válvula (12 psig para ambas
válvulas de control), la curva característica de la válvula (lineal para ambos casos) y el
valor de vC o coeficiente de flujo de la válvula. Igualmente se asumió que la caída de
presión a lo largo de la válvula es constante e igual a 10 psig, un valor determinado
experimentalmente en las pruebas como típico.
La constante de tiempo de la válvula puede ser determinada experimentalmente o
puede ser consultada en los catálogos del fabricante. El rango de presión de operación es
dado y es igual a 12 psig. La curva característica de la válvula ya se determinó
previamente mediante la inspección visual de la jaula y se constató que se trata de una
válvula de tipo lineal. La tabla de los coeficientes de flujo vC viene dada directamente
por el fabricante.
Asumiendo el modelo de primer orden, se tiene que la función de transferencia de
la válvula es igual a:
lXsX
vv
v
Plcvsx
CsC
pp
sQγ
ΔΔΔ
+−
=ΔΔ
= 002228,0))(
(1
100)(
0
lim (4.5)
donde el factor 100 corresponde al recorrido total de la válvula (0 a 100), el signo
menos proviene de la acción reversa de la válvula; limνp es el rango de operación de la
válvula de control e igual a 12 psig; oC es la constante de tiempo de la válvula que se
puede determinar experimentalmente o a través del fabricante; el factor entre paréntesis y
evaluado en X=Xs corresponde a la curva característica de la válvula y es igual a la
pendiente de dicha curva evaluada en el punto Xs (igual al punto en el que se encuentre la
válvula); PlcvΔ es la caída de presión a lo largo de la válvula de control, asumido como
una constante; y, finalmente, lγ es la gravedad específica del líquido, en este caso igual a
1 puesto que se utilizó agua en las pruebas [1,2].
Bloques 6 y 7: Función de transferencia de la planta.
La planta se modela como un integrador de primer orden en el que la entrada es el
flujo volumétrico proveniente de la válvula y cuya salida es el nivel de líquido, que se
corresponde con la variable a controlar.
La relación entre flujo volumétrico y volumen viene dada por la siguiente
ecuación:
∫=t
QdtV0
(4.6)
Si se toman variables de desviación y se efectúa la transformada de Laplace a la
ecuación 4.6 resulta en:
ssQsV 1)()(=
ΔΔ (4.7)
La relación entre volumen y nivel para el separador viene dada por la ecuación de
volumen de un cilindro puesto que se puede modelar al separador como tal y viene dada
por:
hdV4
2
π= (4.8)
Sustituyendo d por dGLCC (el diámetro interno del separador), tomando variables
de desviación y efectuando la transformada de Laplace tenemos que la relación entre
volumen y nivel de líquido del separador se resume en la siguiente ecuación:
2
4)()(
GLCCdsVsH
π=
ΔΔ (4.9)
Combinando las ecuaciones 4.7 y 4.9 tenemos que la función de transferencia de
la planta se expresa como:
sdsQsH
GLCC
14)()(
2π=
ΔΔ (4.10)
Bloque 8: Transmisor de nivel.
Este bloque representa la ganancia del transmisor de nivel. Como se recordará, el
error entre la señal de la variable controlada H (nivel) y el valor de referencia o setpoint.
Como el transmisor entrega una señal eléctrica dentro del rango de 4 a 20 mA, que se
corresponde a los valores Hmax y Hmin, se tiene que la señal de error del controlador viene
dada por:
Tset EEe −= (4.11)
en donde setE corresponde a la señal del valor de referencia y TE corresponde a
la señal real del transmisor proveniente de la medición del sensor y están dados por:
minmax
min164HHHH
E setset −
−+= (4.12)
minmax
min164HH
HHET −−
+= (4.13)
Sustituyendo las ecuaciones 4.12 y 4.13 en la ecuación 4.11 resulta en:
)( HHKe setT −= (4.14)
en la que TK corresponde a la ganancia del transmisor y es igual a:
minmax
16HH
KT −= (4.15)
Tomando la ecuación 4.14 en términos de variables de desviación resulta en:
minmax
16)()()(
HHsHsesGt
−−=
ΔΔ
= (4.16)
4.2.2 Simulaciones en Matlab y resultados obtenidos.
El sistema de control de líquido, cuyo diagrama de bloques propuesto fue descrito
en la sección anterior, fue simulado en una PC con la ayuda de una poderosa herramienta
computacional de análisis matemático: Simulink, una herramienta de simulación de
sistemas de Matlab. Se aplicó el método de Ziegler-Nichols de la última ganancia para
obtener los valores preliminares de las ganancias proporcional, integral y derivativa del
controlador PID.
En la figura 4.2 se muestra el diagrama de bloques, elaborado en Simulink, y que
se utlizó en dichas pruebas preliminares.
Figura 4.2: Diagrama de bloques del sistema de control de nivel de líquido elaborado en
Simulink.
A este sistema de control, se le aplicó el procedimiento de sintonización de
Ziegler-Nichols de la última ganancia para determinar las ganancias proporcional,
integral y derivativa del controlador PID. Se siguió el procedimiento descrito en la
sección 2.3.2 hasta conseguir las primeras oscilaciones sostenidas. Los valores de pK , iT
y dT se determinaron a partir de los valores de la última ganancia (la ganancia que genera
a la salida del sistema las primeras oscilaciones sostenidas) y del período de dichas
oscilaciones. Para obtener los valores pK , iT y dT se utilizó los valores recomendados
en la tabla 2.1, segunda sub-tabla, la correspondiente al sistema de control con tiempo de
respuesta intermedio. Los valores obtenidos en esta primera sintonización del controlador
fueron:
Tabla 4.1: Valores PID obtenidos por el método Ziegler-Nichols (control de nivel)
min014.0min0583.0
5.4
==
=
d
i
p
TT
K
Estos valores resultaron de la ganancia última uK = 18.125 y del período de las
oscilaciones sostenidas uuT = 7 seg. = 0.1166 min.
Con estos valores se realizaron las primeras simulaciones las cuales resultaron no
del todo satisfactorias, ya que el sobrepico del sistema era considerable, un poco más del
40% y el tiempo de respuesta de alrededor de 50 segundos. En las pruebas se introducían
perturbaciones de caudal dentro del sistema dentro del rango de 10% al 100% de
variación porcentual de caudal de entrada. Se hizo una segunda sintonización a partir de
estos valores preliminares variando levemente los valores de pK , iT y dT obtenidos de
esta primera sintonización de Ziegler-Nichols encontrándose un conjunto de valores cuya
respuesta a las perturbaciones de caudal era sensiblemente mejor. Se tomó en cuenta al
evaluar la respuesta del sistema principalmente los valores del tiempo de asentamiento
del sistema, el porcentaje de sobrepico y el error en estado estacionario. Los valores
encontrados en esta segunda sintonización hecha de manera empírica fueron los
siguientes:
Tabla 4.2: Valores PID obtenidos por medio de la sintonización
empírica del sistema de control de nivel.
min025.0min096.0
75.3
==
=
d
i
p
TT
K
En las figuras siguientes se muestran algunos de los gráficos obtenidos en estas
simulaciones.
En la figura 4.3 se puede apreciar la respuesta del sistema de control de nivel de
líquido a una perturbación del positiva del 50% del caudal de entrada. El setpoint se fijó
en un valor de 30 pulgadas de agua. El tiempo de asentamiento del sistema es de 35
segundos con un sobrepico relativamente pequeño (en relación con la perturbación
introducida al sistema). El error en estado estacionario del sistema es prácticamente cero.
Figura 4.3: Respuesta del sistema a una perturbación del 50% de caudal de entrada.
En la figura 4.4 se puedo observar la respuesta del sistema a una perturbación de
flujo negativa del flujo de entrada del 35%. El tiempo de asentamiento es de
aproximadamente 35 segundos. Al igual que el gráfico anterior, se observa un sobrepico
Figura 4.4: Respuesta del sistema a una perturbación del -35% de caudal de entrada.
relativamente pequeño (en relación a la magnitud de la perturbación introducida en el
sistema) y un error en estado estacionario muy cercano a cero.
En la figura 4.5 se puede apreciar la respuesta del sistema a una perturbación del
caudal de entrada negativo del 50%. El tiempo de asentamiento del sistema es de 38
segundos aproximadamente y al igual que en las dos pruebas anteriores con un sobrepico
relativamente pequeño y un error en estado estacionario muy próximo a cero.
En la figura 4.6 se observa la respuesta del sistema de control de nivel a una
perturbación del caudal de entrada del 75% cuyo comportamiento es similar al de la
figura 4.5 en cuanto a tiempo de asentamiento, sobrepico y error en estado estacionario se
refiere. En este caso la respuesta presenta un tiempo de asentamiento de un poco menos
de 40 segundos, un sobrepico de aproximadamente 20% y un error en estado estacionario
prácticamente nulo.
Figura 4.5: Respuesta del sistema a una perturbación del -50% del caudal de entrada.
Figura 4.6: Respuesta del sistema a una perturbación del 75% del caudal de entrada.
En las siguientes dos gráficas (figuras 4.7 y 4.8) se puede apreciar la respuesta del
sistema a variaciones de caudal de 25% (figura 4.7) y de -25% (figura 4.8). En ambas
gráficas se puede observar un comportamiento similar, con un tiempo de establecimiento
de aproximadamente 30 segundos, un sobrepico relativamente pequeño en magnitud y un
error en estado estacionario casi nulo.
Figura 4.7: Respuesta del sistema a una perturbación del 25 % de caudal de entrada.
Figura 4.8: Respuesta del sistema a una perturbación del -25% del caudal de entrada.
4.3 Sistema de control de presión.
Las pruebas en frío del sistema de control de nivel y los valores encontrados de
las ganancias proporcional, integral y derivativa de dicho controlador luego de la
sintonización empírica fueron el punto de partida para el controlador de presión del
separador ciclónico.
El motivo principal que justificó esta simplificación fue la gran complejidad para
obtener un modelo de la planta que relacionara la presión de operación del sistema y la
apertura de la válvula de control de gas; la complejidad se debe a la gran cantidad de
variables involucradas, muchas de las cuales no se pueden considerar como constantes a
lo largo del proceso.
Un modelo aproximado para la planta en este caso en particular incluye las
aperturas de ambas válvulas de control, el caudal de líquido y el caudal de gas, las
gravedades específicas de ambos fluidos, la presión y la temperatura, con lo que el
sistema se convierte en uno multivariable de seis variables y por tanto, escapa de los
alcances del presente trabajo [8].
Para este caso en particular, entonces, la obtención de las ganancias se efectuó de
manera totalmente empírica, observando el comportamiento del sistema, es decir la
respuesta del sistema de control a distintas perturbaciones introducidas en el mismo. Para
este sistema de control, se tiene que abriendo la válvula de la línea de gas un cierto
porcentaje de recorrido se alivia la presión de operación del sistema y cerrando dicha
válvula se aumenta la presión de operación del sistema. El setpoint de este sistema ser
ligeramente mayor a la presión de descarga de la línea de flujo debido a consideraciones
termodinámicas [7]; como para este caso en particular se tiene que la presión de descarga
es atmosférica (igual a 14.1 psia aproximadamente, la presión atmosférica a nivel de la
ciudad de Caracas), este setpoint se ubicó en 20 psia. En las pruebas se utilizaron
caudales de gas variables, puesto que se trataba de estudiar la respuesta del controlador a
las perturbaciones de presión. Los valores de las constantes de ganancia proporcional,
tiempo integral y tiempo derivativo encontrados mediante estas pruebas en caliente son
los siguientes:
Tabla 4.3: Valores PID del sistema de control de presión (sintonización empírica).
min05.0min1745.0
35.4
==
=
d
i
p
TT
K
CAPÍTULO 5: DISEÑO DE LA INTERFAZ DEL
SISTEMA DE CONTROL.
La interfaz del sistema de control automático está conformada por un programa
que se encarga de manejar las salidas en corriente de las válvulas de control de líquido y
de gas. Consta de dos modos de operación: automático y manual. En el modo automático
el control de la salida lo tiene el programa el cual ejecuta las acciones de control
proporcional, integral y derivativa sobre la señal de error respectiva. En el modo manual
es el operador el que maneja a qué porcentaje de apertura desea que las válvulas se
ubiquen. El programa también permite trabajar en el modo semiautomático en el que una
válvula es controlada por el operador y la otra lo es por el programa. Es importante
destacar el hecho de que el esquema de programación utilizado tanto para el lazo de
control de nivel de líquido como para el lazo de control de presión es, en esencia, el
mismo y difiere fundamentalmente en las constantes proporcional, integral y derivativa,
así como en el hecho de que la válvula de control de líquido (VCL) es normalmente
abierta y la válvula de control de gas (VCG) es normalmente cerrada. La interfaz así
como todo el software asociado fue desarrollada en LabView.
5.1 Software diseñado.
A continuación se describe el funcionamiento del bloque de control, el cual es
aplicable a ambos sistemas de control puesto que su funcionamiento básico es idéntico,
variando únicamente el elemento de salida (la válvula de control de líquido o de gas) y
los valores PID del controlador respectivo.
Es importante señalar que en el diseño integral de todo el sistema de software del
medidor, los cuatro bloques principales de programación (control, adquisición y
procesamiento, almacenamiento y comunicación serial) se ejecutan en paralelo y
comparten solamente una variable global: un paquete que contiene todos los datos que se
adquieren y procesan en el bloque de adquisición y procesamiento (ver capítulo 6)
5.1.1 Funcionamiento básico.
En el PC el usuario se encuentra con un programa capaz de manejar las dos
válvulas de control de forma automática (modo de operación automático) y de transferir
el control al usuario (modo de operación manual) en el momento en el que éste lo desee.
La condición de arranque es en el modo de falla de las válvulas (completamente abierta
la de líquido y cerrada la de gas); condición que se mantiene durante un corto período de
tiempo a partir del cual comienza a actuar el sistema de control, puesto que el modo de
operación por defecto es el modo automático. Los dos controladores actúan en paralelo y
de forma independiente a una tasa de muestreo de 20Hz.
5.1.2 Modo automático de operación.
En este modo de operación, el programa monitorea la variable de proceso (presión
o nivel), la compara con el valor de referencia respectivo y ejecuta la acción de control
PID para corregir el error entre una medida y la otra para que idealmente el error se
anule.
Esta acción de control combinada la ejecuta la función PID de LabView, la cual,
debido a su importancia en lo que al sistema de control respecta, vale la pena describir
con un poco más de detalle.
La función PID de LabView [12] (ver figura 5.1) consta de una serie de entradas y
salidas de las cuales las utilizadas en el código fuente desarrollado son las siguientes:
Figura 5.1: Función PID de LabView.
• “Output Range”: El rango de salida del controlador. Se toma en unidades
porcentuales de –100% a 100% donde el primero equivale a la acción máxima de
control en caso de un error negativo muy grande y el segundo equivale a la acción
máxima de control en caso de un error positivo muy grande.
• “Setpoint”: El valor de referencia que se desea mantener en el proceso. Viene
dado en unidades porcentuales (0-100%). El rango de los sensores es el que
determina la equivalencia de esta medida porcentual. Por ejemplo, si el rango del
medidor de presión absoluta es de 400 psia se entiende que un setpoint fijado en
50% corresponde a un valor de 200 psia.
• “Process variable”: La variable que se desea controlar. La señal en corriente
proveniente de los sensores es llevada igualmente a unidades porcentuales.
• “PID gains”: Un arreglo de tres números que corresponden a la ganancia
proporcional pK , al tiempo integral iT dado en minutos y al tiempo derivativo dT
igualmente dado en minutos.
• “Output”: Corresponde a la salida del controlador. Viene dado en unidades
porcentuales (0% a 100%). El valor de 0% corresponde a la acción de control que
debe tomarse cuando el error negativo es muy grande en magnitud y el valor de
100% corresponde a la acción de control que debe tomarse cuando el error
positivo es muy grande.
A la salida de la función PID se ubica un limitador o “damper” para que las
variaciones del movimiento de la válvula no sean demasiado bruscas con lo cual se
consigue alargar la vida útil del equipo. Esta opción es igualmente configurable por el
usuario quien decide si activa al limitador o no.
Una vez procesada la función PID (con limitador o sin él) se procede a actuar
sobre la válvula respectiva. La salida porcentual se convierte a términos de corriente
dentro del rango de 4-20 miliamperios y finalmente se envía dicho valor de corriente al
posicionador respectivo.
La función PID de LabView entrega una salida porcentual la cual debe ser
transformada en términos de corriente, en el rango 4-20 miliamperios, para que el
respectivo posicionador transforme la señal de corriente que le proporciona el módulo de
salida del cFP-2020 a una señal neumática que le corresponda. Para efectuar esta
transformación adecuadamente, se debe tener la curva de calibración de las válvulas; esto
es decir, la curva de porcentaje de apertura versus porcentaje de máximo flujo. Como ya
se determinó mediante la inspección de las válvulas, que ambas son de característica
lineal, la función que transforma el porcentaje de salida de la función PID de LabView es
una función lineal.
5.1.3 Modo manual de operación.
En este modo de operación, el control de la apertura de la válvula está dada
directamente por el operador. El operador o el usuario introducen el porcentaje de
apertura a la válvula de control respectiva. Este modo de operación es utilizado
principalmente para pruebas y en caso de que ocurra alguna situación anómala o crítica
durante el proceso.
5.1.4 Diagrama de flujo.
El diagrama de flujo del software diseñado se muestra en la figura 5.2 En este
diagrama se puede observar la secuencia de tareas que se ejecutan para mantener el
control de las válvulas. El esquema para el lazo de control de nivel y el lazo de control de
presión es básicamente el mismo y difiere solamente en las constantes proporcional,
integral y derivativa y en la ecuación que transforma la salida de la función PID de
LabView en la corriente para la válvula de control. Como la válvula de control de líquido
(VCL) es normalmente abierta, el posicionador de la válvula hace que se cierre cuando la
corriente de entrada es de 20 miliamperios y hace que se abra cuando la corriente de
entrada es de 4 miliamperios. La válvula de control de gas experimenta el
comportamiento inverso, de allí que la función que transforma la salida de la función PID
a corriente de entrada para el posicionador de la válvula no sea el mismo en ambos casos.
En el diagrama se puede observar que las válvulas son mantenidas en principio en
su modo de falla; luego se espera a que el sistema estabilice manteniendo esta condición
durante un corto período de tiempo; seguidamente se adquieren las variables de proceso
presión o nivel de líquido así como los valores de referencia; se convierten estos valores a
unidades porcentuales de acuerdo a la calibración y al rango de los elementos sensores; y
se actúa sobre las válvulas de acuerdo al modo de operación en el que sistema de control
se encuentre. Si el usuario o el operador deciden terminar bruscamente con la ejecución
del programa, las válvulas vuelven a sus posiciones de falla y se finaliza el programa.
Figura 5.2: Diagrama de flujo del sistema de control.
5.2 Interfaz gráfica.
La interfaz gráfica consta de una serie de controles y de indicadores que son
necesarios para cambiar entre un modo de operación y el otro, para que el operador o el
usuario pueda monitorear las variables de proceso, así como para dicho operador
especifique a que valores de referencia o setpoints desea que el sistema opere. En la
figura 5.3 se puede observar el panel frontal de la interfaz gráfica del sistema de control.
Figura 5.3: Panel frontal de la interfaz gráfica del sistema de control.
En este panel se puede observar una serie de controles y de indicadores los cuales
describimos a continuación:
Controles:
• “DETENER”: Se utiliza para detener la ejecución del programa en el momento
que se desee. Las válvulas regresan a su modo de falla una vez que se presiona
este botón.
• “¿Automático Válvula Líquido?”: Interruptor que se utiliza para transferir el
control de la válvula de líquido entre el operador y el programa (modo manual o
modo automático de operación). Esta transferencia se hace de forma suave para
evitar movimientos bruscos y descargas bruscas de aire en la válvula que podrían
disminuir de forma significativa su vida útil. El programa ubica el interruptor por
defecto en la posición de modo automático de operación.
• “Automático Válvula Gas?”: Interruptor que se utiliza para transferir el control
de la válvula de gas entre los modos automático y manual de operación. Al igual
que para la válvula de líquido, la transferencia se hace de forma suave y su
posición por defecto es la del modo automático de operación.
• “Setpoint de nivel”: En este control el operador especifica a qué nivel desea
ubicar el valor de referencia de nivel de líquido. Dicho valor se puede especificar
en unidades porcentuales (sobre el nivel máximo del tanque del separador) o en
pulgadas.
• “Setpoint de presión”: En este control el operador especifica a qué presión desea
que el sistema trabaje. Este valor se debe ubicar por encima de la presión de
descarga del sistema para que en efecto el sistema pueda trabajar adecuadamente.
El valor se puede especificar en unidades porcentuales sobre 400 psia (con lo que
si se especifica 25% equivale a 100 psia y un valor de 50% equivale a 200 psia) o
en unidades de psia directamente.
• “Control manual válvula de líquido”: En este control el usuario especifica a
qué porcentaje de apertura desea que la válvula de control de líquido se ubique.
0% es para una válvula completamente cerrada y 100% para una válvula
completamente abierta. Este control no afecta dicha apertura si el modo de
operación de la válvula de líquido es el automático.
• “Control manual válvula de gas”: En este control el usuario especifica a qué
porcentaje de apertura desea que la válvula de control de gas opere. Este control
no afecta dicha apertura si el modo de operación de la válvula de gas es el
automático.
• “¿Limitar variación salida válvula de líquido?”: Interruptor que se utiliza para
seleccionar el modo de operación en el que se limita las variaciones bruscas en la
válvula de líquido. Por defecto dicho modo está desactivado.
• “¿Limitar variación salida válvula de gas?”: Interruptor que se utiliza para
seleccionar el modo de operación en el que se limita las variaciones bruscas en la
válvula de gas. Por defecto dicho modo está desactivado.
• “Derivada salida válvula líquido”: Control numérico en el que se especifica qué
porcentaje máximo de salida de la función PID de control de la válvula de líquido
se puede variar por minuto. Por defecto se coloca en 100% por minuto. Tanto
este valor por defecto como el valor por defecto de la “Derivada salida válvula
gas” se determinaron de forma empírica mediante ensayo y error durante las
pruebas realizadas.
• “Derivada salida válvula gas”: Control numérico en el que se especifica qué
porcentaje máximo de salida de la función PID de control de la válvula de gas se
puede variar por minuto. Por defecto se coloca en 100% por minuto.
• “Gravedad Específica del líquido”: Se especifica la gravedad específica del
líquido (promedio) que se va a hacer circular por el sistema para corregir el nivel
de líquido dentro del cuerpo del separador.
Indicadores:
• “Nivel del separador en pulgadas”: Indicador gráfico del nivel del tanque del
separador.
• “Presión del separador en psia”: Indicador visual de la presión de operación del
separador.
• “Caudal de líquido en barriles/día”: Indicador visual de la cantidad de flujo
volumétrico de líquido que pasa a través del brazo de líquido.
• “Caudal de gas en pies3/día”: Indicador visual de la cantidad de flujo
volumétrico de gas que pasa a través del brazo de gas.
• “Setpoint de nivel en pulgadas”: Indicador visual del valor de referencia del
nivel de líquido en pulgadas.
• “Setpoint de presión en psia”: Indicador visual del valor de referencia de
presión en psia.
CAPITULO 6: DISEÑO DE LA INTERFAZ DE ADQUISICIÓN,
PROCESAMIENTO Y ALMACENAMIENTO DE DATOS.
En este capítulo se describe en forma detallada el desarrollo de las interfaces de
adquisición y procesamiento y la de almacenamiento de datos.
6.1 Interfaz de adquisición y procesamiento de datos
La interfaz de adquisición de datos es la encargada de adquirir las corrientes de
cada uno de los transductores del sistema, transformarlos en las magnitudes físicas
correspondientes a la calibración o a la programación de dichos transductores, y hacer los
cálculos de las variables asociadas e estas cantidades físicas que son de gran interés para
evaluar el desempeño del separador ciclónico. Las variables monitoreadas directamente a
través de los transmisores son:
• Nivel de líquido del separador.
• Presión de operación del separador.
• Análisis de corte de agua o porcentaje de agua en el crudo.
• Caudal de líquido.
• Caudal de gas.
• Temperatura.
Las variables calculadas a partir de estos valores son:
• Temperatura absoluta.
• Caudal de gas a condiciones estándar (1 atmósfera o 14,7 psia y 20 grados
centígrados o 68 grados Fahrenheit).
• Factor de compresibilidad a las condiciones de proceso.
• Fracción de líquido.
• Fracción de gas.
• Densidad del gas a condiciones de proceso.
• Densidad total del líquido circulante.
• Densidad total de la mezcla.
• Flujo másico del crudo.
• Flujo másico del agua.
• Flujo másico del gas.
• Acumulado total de crudo (tomado diariamente).
• Acumulado total de gas a condiciones estándar (tomado diariamente).
• Velocidad del líquido.
• Velocidad del gas.
6.1.1 Software diseñado.
El software de la interfaz de adquisición y de procesamiento de datos fue
desarrollado en LabView y consta de una serie de bloques como se puede observar en la
figura 6.1.
Como se puede apreciar, el programa consta de un ciclo principal en el que se
toman los valores de las corrientes de los seis transmisores del medidor multifásico, se
promedian dichos valores, se verifican cualesquiera condiciones de malfuncionamiento
de dichos transmisores (en esta caso la condición de malfuncionamiento es si el valor de
corriente es menor a 1mA), se transforman estos valores de corriente a las unidades
físicas en que fueron calibrados los transmisores (de acuerdo al rango de cada uno de
ellos), se calculan las variables de desempeño del medidor (flujos másicos, fracciones de
gas y de líquido, velocidades, densidades, etc.) y finalmente todos estos valores son
empaquetados para que puedan ser utilizados por los restantes bloques (control,
grabación, comunicación serial). La variable global compartida del sistema contiene la
información de todos los datos del medidor multifásico, así como las unidades físicas
asociadas a dichos datos y las alarmas de malfuncionamiento del sistema.
En el primer bloque de adquisición se monitorean los valores de corriente de los
seis transmisores del medidor multifásico cuyos lazos de corriente se encuentran
conectados en los canales 0 a 5 (6 canales en total) del cFP-AI-100. Cada uno de estos
canales es muestreado a 50 Hertz y se promedia los valores de las últimas 50 lecturas. Si
el valor promediado resulta menor a 1mA se envía una alarma de malfuncionamiento a
través de la variable global compartida del sistema. Esta alarma contiene la información
del transmisor o transmisores en que se presentó la falla y en el bloque de grabación de
datos, se le agrega la información de la fecha y la hora en la que dicha falla se produjo.
Posteriormente, se calculan los valores de presión, nivel, temperatura, caudal de
líquido, caudal de gas y corte de agua a partir de las ecuaciones de los transmisores;
ecuaciones que se presentan en la sección 6.1.3. Seguidamente, se calculan las otras
variables del sistema de medición multifásico, cuyos cálculos se detallan en la misma
sección.
Figura 6.1: Diagrama de flujo del sistema de adquisición y procesamiento de datos.
6.1.2 Sistema de unidades y unidades físicas utilizadas.
Para la mayor comodidad del usuario, la mayoría de las variables (tanto las
tomadas directamente de los transductores como las calculadas) son configurables en tres
sistemas de unidades: el sistema métrico decimal o sistema MKS, el sistema Inglés de
medidas y el sistema Petrolero. Este último sistema de unidades abarca todo un conjunto
de unidades que son utilizadas comúnmente en la industria petrolera y de extracción del
gas natural y que en parte es una mezcla de los sistemas MKS e Inglés y en parte utiliza
unidades que le son propiamente características. En la tabla 6.1 se muestra en forma
resumida las distintas unidades en sus respectivos sistemas de unidades.
Tabla 6.1: Tabla de sistemas de unidades y sistema de unidades para cada variable.
VARIABLES
SISTEMA DE UNIDADES
Petrolero Inglés Métrico
Nivel Pulgadas de agua Pies Centímetros
Presión Psia psia, Bar Mpa
Caudal líquido Barriles por día piesc/seg lts/seg, mtsc/hora
Caudal de gas Millones piesc/día Piesc/seg, piesc/día lts/seg, mtsc/hora
Temperatura ˚F ˚F, ˚R ˚F, ˚K
Flujo másico kg/hora, Ton/día kg/seg, kg/min
Densidad kg/lts, Ton/mtsc
Velocidad Pies/seg pies/seg cms/seg, mts/seg
6.1.3 Cálculo de las variables del medidor multifásico.
A continuación se describe de forma detallada las ecuaciones programadas en el
código fuente del programa de adquisición y procesamiento, con las cuales se obtienen
los distintos valores del medidor multifásico.
Cálculo del nivel del separador.
La medida del nivel del separador proviene directamente del transmisor de nivel
diferencial. Dicho transmisor fue calibrado con un equipo destinado especialmente a esta
finalidad en el Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica para una presión
diferencial que correspondiera a 150 pulgadas de agua de rango máximo. Este rango es
más que suficiente para cubrir la medición de nivel, puesto que el separador mide desde
su base hasta el tope superior un total de 99,5 pulgadas. La gráfica de calibración del
transmisor así como la ecuación corriente (mA)-nivel (pulgadas de agua) que se introdujo
en el código del programa se muestra en la figura 6.2.
Debido a que la composición del líquido a medir cambia la medición de presión
diferencial del transmisor de nivel, es necesario añadir un factor adicional a la ecuación
anterior para tener la medida correcta de nivel. Dicho factor es la gravedad específica del
líquido, un número adimensional que corresponde a la relación de densidad de cierto
Calibración transmisor de nivel
y = -0,0069x2 + 9,5603x - 38,274R2 = 0,9997
-50
0
50
100
150
200
0 10 20 30
Corriente en mA
Niv
el e
n pu
lgad
as a
gua
Figura 6.2: Gráfica de calibración del transmisor de nivel.
líquido con la densidad del agua. Esta variable se introduce en el código fuente
directamente a través del usuario. Este factor simplemente multiplica la ecuación
anterior, con lo que la medición de nivel queda dada por la siguiente ecuación:
)274.3856.90069.0()lg( 22 −+−= IIGespOHpuNivel liq (6.1)
Como la gravedad específica del agua es 1, esta ecuación corresponde
directamente a pulgadas de agua. Para el crudo liviano que se utilizó en la prueba cuya
gravedad específica es aproximadamente de 0,885, la medición de nivel dará ligeramente
menor (en pulgadas de agua).
Cálculo de la presión de operación del separador.
La medida de presión de operación del separador proviene directamente del
transmisor de presión. Este transmisor fue calibrado igualmente en el Laboratorio de
Conversión de Energía Mecánica utilizando el mismo sistema de calibración que se
utilizó para calibrar el transmisor de nivel. Este transmisor fue calibrado de 0 a 400 psia,
que corresponde de sobra al rango máximo de operación al que está diseñado el equipo
que es de 0 a 300 psia. La curva de calibración obtenida en dichas pruebas así como la
ecuación que se introdujo en el código del programa se muestra en la figura 6.3.
Cálculo del análisis de corte de agua.
La medida de corte de agua viene dada directamente por el transmisor de corte de
agua. Este transmisor tuvo que ser calibrado en campo, con una muestra de crudo del que
se sabe a priori cuál es el porcentaje de agua que contiene. Esta muestra de crudo fue
proporcionada por el personal del Laboratorio; crudo comercial de 22 grados API con
porcentaje de agua del 3%. El transmisor se programa con la densidad del líquido y el
porcentaje de agua de la muestra a través de un software de calibración específico que
viene con el equipo. El rango del equipo se le programó de 0% a 20% de contenido de
agua en el crudo. La curva de calibración obtenida así como la ecuación introducida en el
código se muestra en la figura 6.4.
Calibración transmisor de presión
y = -0,0406x2 + 26,05x - 104,21R2 = 0,9997
-500
50100150200250300350400450
0 10 20 30Corriente en mA
Pres
ión
en p
sia
Figura 6.3: Gráfica de calibración del transmisor de presión.
Cálculo del caudal de líquido.
La medición de caudal de líquido viene dada por el transmisor ultrasónico de flujo
de líquido. Este transmisor es programado con los parámetros de sistema y de tubería, así
como su rango de medición. El transmisor fue programado en el rango de 0 a 6.000
barriles por día. La curva de calibración obtenida y su correspondiente ecuación
introducida en el código fuente se muestran en la figura 6.5.
Calibración del transmisor de corte de agua
y = 0,0028x2 + 1,1922x - 4,874R2 = 0,9995
-5
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
Corriente en mA
Porc
enta
je a
gua
en c
rudo
Figura 6.4: Gráfica de calibración del transmisor de corte de agua.
Cálculo del caudal de gas a condiciones actuales.
La medición del caudal de gas proviene del transmisor ultrasónico de flujo de gas.
Esta medida viene dada en unidades actuales de volumen; esto es decir, el caudal
volumétrico de gas a las condiciones actuales de proceso. Al igual que el transmisor de
caudal de líquido, este transmisor fue programado con los parámetros de sistema y de
tubería, así como el rango de medición. Este rango fue programado de 0 a 3 millones de
pies cúbicos actuales por día. Para convertir este valor a unidades estándar se hace uso de
la fórmula correspondiente, explicada con detalle en el apartado de “Cálculo del caudal
de gas a las condiciones estándar”. La curva de calibración obtenida así como la ecuación
programada se muestra en la figura 6.6.
Calibración transmisor flujo líquido
y = 375x - 1500
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 5 10 15 20 25
Corriente en mA
Cau
dal e
n ba
rrile
s po
r día
Figura 6.5: Gráfica de calibración del transmisor de flujo de líquido.
Calibración transmisor flujo gas
y = 187500x - 750000
0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
0 5 10 15 20 25
Corriente en mA
Cau
dal e
n M
MA
CF/
D
Figura 6.6: Gráfica de calibración del transmisor de flujo de gas.
Cálculo de la Temperatura.
La medición de la temperatura de proceso viene dada por el transmisor de
temperatura. Este transmisor fue caracterizado en el Laboratorio de Conversión de
Energía Mecánica con un calibrador especialmente diseñado para esta finalidad. Para
calibrar el cero se colocó el transmisor en un baño de hielo y a continuación se procedió a
ajustar la salida analógica para que fuera de 4 mA. El transmisor fue calibrado al rango
de 32 grados Fahrenheit (0 grados centígrados) a 800 grados Fahrenheit (aprox. 427
grados centígrados). La curva de calibración obtenida mediante este procedimiento y la
ecuación característica del transmisor utilizada en el código del programa se muestra en
la figura 6.7.
Calibración transmisor de temperatura
y = 0,7634x2 + 28,886x - 90,958R2 = 0,9984
0100200300400500600700800900
0 5 10 15 20 25
Corriente en mA
Tem
pera
tura
en
grad
os
Fahr
enhe
it
Figura 6.7: Gráfica de calibración del transmisor de temperatura.
Cálculo de la Temperatura Absoluta.
La temperatura absoluta una variable intermedia que nos permite calcular otros
valores como el caudal de gas a condiciones estándar, el factor de compresibilidad a las
condiciones de proceso y la densidad del gas a las condiciones de proceso. El valor
calculado se toma de la siguiente ecuación:
68,459)()( +°=° FTRT (6.2)
Cálculo del caudal de gas a las condiciones estándar.
El medidor de caudal de gas ultrasónico calcula el caudal de gas a las condiciones
actuales de presión y de temperatura; esta medida proviene directamente de la medida de
la velocidad del flujo a través de la tubería como ya se explicó con anterioridad en el
apartado anterior. Ahora bien, existe un estándar para tomar los caudales volumétricos de
gas puesto que dicho fluido es compresible y su volumen es función de las condiciones
de presión y de temperatura. Se tiene que la condición estándar es la de presión de 1
atmósfera o 14,7 psia (presión absoluta) y la de temperatura es de 60 F° (519,68 R° ).
El cálculo completo del caudal estándar se toma a partir de los valores de presión
y temperatura de proceso, de la condición estándar y del caudal de gas actual que mide
directamente el equipo y se resume en la siguiente ecuación:
f
b
b
factstd T
TPP
QQ = (6.3)
en la que stdQ es el caudal a las condiciones estándar, actQ es el caudal medido
directamente por el equipo, fP es la presión absoluta del proceso, bP es la presión base
absoluta (14,7 psia o 1 atmósfera), fT es la temperatura absoluta del proceso y bT es la
temperatura absoluta base (519,68 R° ). fP y bP deben venir dadas en psia o en cualquier
otra unidad de presión absoluta. Tanto fT como bT deben venir dadas en R° .
Cálculo del Factor de Compresibilidad a las condiciones de proceso.
El factor de compresibilidad es el número adimensional que se utiliza para ajustar
la ecuación general de los gases. Como ya se explicó en el Capítulo 2, sección 2.5, el
factor de compresibilidad es función de la presión reducida y la temperatura reducida del
gas, las cuales dependen a su vez de la presión y la temperatura de operación así como de
otras dos constantes denominadas presión crítica y temperatura crítica [7].
Como ya se sabe la temperatura reducida viene dada por la siguiente expresión:
cred T
TT = (6.4)
e igualmente se conoce, por las especificaciones dadas previamente, que la temperatura
de operación del sistema está dentro del rango de 20-45 grados centígrados o, lo que es lo
mismo, dentro del rango de 293-318 grados Kelvin. La temperatura crítica es una
constante asociada al tipo y a la composición química del gas, que para el caso del aire
viene dada por:
KTc °= 225 (6.5)
Por lo tanto redT estará dentro del rango de valores desde 1,3 hasta 1,4. Esto
implica que para el cálculo del factor de compresibilidad Z sólo basta con tomar las
ecuaciones isotermas del aire ubicadas entre redT = 1,3 y redT = 1,4. Para simplificar los
cálculos involucrados, se utilizaron únicamente estas dos isotermas y se promediaron de
forma ponderada los valores que arrojan ambas ecuaciones de acuerdo al valor de la
temperatura de operación.
La presión crítica del aire que se utilizó durante las pruebas también se conoce y
es igual a 669,14 psia.
La gráfica que muestra ambas isotermas en función de la presión reducida se
muestra en la figura 6.8. Esta gráfica fue elaborada gracias a la inestimable ayuda del
profesor Frank Kenyery, del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica.
Igualmente se muestra en la figura 6.8 las dos ecuaciones correspondientes a las dos
isotermas y que se introdujeron en el código del programa.
Gráfica de factor de compresibilidad Z
y = -0,000720704x4 + 0,008654874x3 - 0,009919065x2 - 0,124590401x + 1,001487737
R2 = 0,999077432
y = -0,001463684932x4 + 0,016190761201x3 - 0,023398051834x2 - 0,160222760139x + 1,002510122160
R2 = 0,997775650883
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,1
0 1 2 3 4 5 6 7
Presión reducida
Fact
or d
e co
mpr
esib
ilida
d
Tr = 1.4tr = 1.3
Figura 6.8: Gráfica de las isotermas de Z en función de la presión reducida.
Cálculo de la Densidad del gas a las condiciones de proceso.
Como la presión y la temperatura del gas a lo largo del proceso de separación no
se mantienen constantes, la densidad del gas (que es función directa del volumen del gas)
varía considerablemente de acuerdo a lo dictado por la ecuación general de los gases.
Ello implica que la densidad es función de la compresibilidad del gas a condiciones
estándar y de la compresibilidad del gas a las condiciones de proceso. La primera viene
dada por las características termodinámicas del gas siendo su valor igual a 0,995 ( sZ ) y
la segunda ya fue calculada con anterioridad ( fZ ). De igual forma, la densidad del gas a
las condiciones de proceso va a depender de la densidad del gas a condiciones estándar
(14,7 psia= sP y 527,68 R° = sT ) que, para el caso del aire, es de 1,0216 3/ mtkg ( dgass tanρ ).
La relación de todos estos valores queda reflejada en la siguiente ecuación:
f
s
s
s
f
fdgassgasproc Z
ZPT
TP
tanρρ = (6.6)
Cálculo de la fracción de gas o GVF.
La fracción de gas, también conocida por sus siglas en inglés GVF (“Gas
Volumetric Fraction” o fracción volumétrica de gas) es un número adimensional que
representa qué porcentaje de la mezcla multifásica corresponde a la fase gaseosa; dicho
en otras palabras, es la relación entre el caudal de gas que pasa a través del sistema y el
caudal total. El caudal de gas (a las condiciones de proceso) y el caudal de líquido ya
obtenidos previamente gracias a sus respectivos transmisores se convierten a la misma
unidad (lts/seg en este caso) para efectuar el cálculo de la fracción de gas. Dicho cálculo
queda resumido en la siguiente ecuación, la cual fue introducida en el código del
programa:
QliqQgQg
GVFact
act
+= (6.7)
Cálculo de la fracción de líquido o LVF.
La fracción de líquido, también conocida por sus siglas en inglés LVF (“Liquid
Volumetric Fraction” o fracción volumétrica de líquido) al igual que la fracción de gas,
es un número adimensional. La fracción de líquido representa el porcentaje de la mezcla
multifásica que corresponde a la fase líquida: es igual a la relación entre el caudal de
líquido que pasa a través del sistema y el caudal total. Los caudales ya obtenidos se
transforman a las mismas unidades (lts/seg) y se efectúa el cálculo mediante la siguiente
ecuación, introducida igualmente en el código del programa:
actQgQliqQliqLVF+
= (6.8)
También se puede calcular LVF a partir de GVF y viceversa de acuerdo con las
ecuaciones siguientes:
1=+ LVFGVF (6.9)
LVFGVF −= 1 (6.10)
GVFLVF −= 1 (6.11)
Cálculo de la densidad del líquido circulante:
El líquido circulante a través de la línea de líquido no es homogéneo: se trata de
una mezcla de crudo y de agua. Para calcular la densidad de la mezcla total, se debe
ponderar la densidad del agua y del crudo. La densidad del agua se supone de 1 kgs/lts o
de 1000 kgs/m3. La densidad del crudo es una variable que debe introducir el usuario a
través de un control en la interfaz del programa.
El cálculo completo de la densidad del líquido es función de estos dos valores e
igualmente función del porcentaje de agua en el crudo y queda reflejada dicha relación en
la ecuación siguiente:
)1( WCWC crudoagualiq −+= ρρρ (6.12)
donde liqρ es la densidad de la mezcla líquida, aguaρ es la densidad del agua,
crudoρ es la densidad promedio del crudo y WC es el corte de agua dado en unidades
absolutas. En esta ecuación se aprecia claramente como el corte de agua es el factor de
ponderación de las densidades.
Cálculo de la densidad total de la mezcla.
El valor de la densidad total de la mezcla es función de la densidad del gas a las
condiciones de proceso y de la densidad total del líquido circulante así como de la
fracción de gas o de la fracción de líquido. La relación entre estos valores, previamente
calculados, se muestra en la ecuación siguiente:
GVFGVF gasactliqtotal ρρρ +−= )1( (6.13)
Como se tiene que GVF y LVF están directamente relacionadas, se puede calcular
también totalρ mediante esta ecuación:
)1( LVFLVF gasactliqtotal −+= ρρρ (6.14)
Al igual que para el cálculo de la densidad de la mezcla líquida, el factor LVF (o
el factor GVF) es el que se usa para ponderar las densidades de las fases tomadas en
forma individual.
Cálculo del flujo másico del crudo.
El flujo másico del crudo es la medida de cuanta masa de crudo pasa a través del
medidor multifásico por unidad de tiempo. Para el cálculo de dicho valor interviene
directamente el caudal de líquido, la densidad promedio del crudo y el porcentaje de agua
en el crudo.
Se tiene que la densidad es igual a:
volumenmasa=ρ (6.15)
E igualmente se tiene que el caudal es igual a:
tiempovolumenQ = (6.16)
Se sabe que el flujo másico es la relación de masa por unidad de tiempo que
circula por el sistema o lo que es lo mismo:
tiempomasaM /.= (6.17)
Combinando las dos ecuaciones anteriores se tiene que:
tiempomasatiempovolumenvolumenmasaQM /)/(*)/(.
=== ρ (6.18)
El cálculo completo del flujo másico del crudo queda reflejado en la siguiente
ecuación en la que se combinan las ecuaciones anteriores y se toma en cuenta que parte
del caudal de líquido corresponde al crudo y otra parte al agua: .
)1( liqcrudoQWCMcrudo ρ−= (6.19)
en la que WC corresponde al porcentaje de agua en el crudo en unidades
absolutas, crudoρ es la densidad promedio del crudo (dado en kgs/lts) y liqQ es el caudal
de líquido.
Cálculo del flujo másico del agua.
El cálculo del flujo másico del agua se hace de forma análoga al del flujo másico
del crudo. Como se sabe que el flujo másico del agua sumado al flujo másico del crudo
debe ser igual al flujo másico total, se tiene que el primero es el complemento del
segundo. Esta relación queda reflejada en la siguiente ecuación, que resume el cálculo del
flujo másico del agua:
liqaguaQWCM ρ=.
(6.20)
donde WC es el porcentaje de agua en crudo en unidades absolutas, aguaρ es la
densidad del agua (1 kgs/lts) y liqQ es el caudal de líquido.
Cálculo del flujo másico del gas.
El flujo másico del gas representa la medida de cuanta masa de gas circula a
través del medidor multifásico por unidad de tiempo. El cálculo para esta cantidad se
hace de forma análoga que para los flujos másicos de los líquidos y se muestra en la
siguiente ecuación:
actactQgasgasgasM ρ=.
(6.21)
en la que actgasρ es la densidad del gas a las condiciones actuales o a las
condiciones de proceso y actQgas es el caudal de gas a las condiciones de proceso, o
simplemente el caudal de gas medido por el transmisor respectivo.
Cálculo del acumulado de crudo (tomado diariamente).
El acumulado de crudo es una medida del volumen de crudo que ha circulado a
través del sistema. Este acumulado se toma en una base periódica, lo que quiere decir que
una vez transcurrido cierto período de tiempo el acumulado se inicializa a cero y se
comienza a tomar una nueva medida del acumulado para el siguiente período de tiempo.
La base periódica se toma de 24 horas. El acumulado diario se lleva en un registro en el
que se van sumando las contribuciones instantáneas de volumen. El cálculo de esta
contribución instantánea se resume en la siguiente ecuación:
muestreoliqinst TQWCVc )1( −= (6.22)
en la cual instVc es la contribución instantánea de volumen que se suma al registro
que lleva el acumulado de crudo, WC es el porcentaje de agua en el crudo en unidades
absolutas, liqQ es el caudal de líquido y muestreoT es el tiempo de muestreo del ciclo
principal del programa o el período de adquisición de cada una de las salidas analógicas
de los transmisores del medidor multifásico.
El código del programa verifica continuamente la hora. Una vez que ha
transcurrido las 12:00 A.M. el programa se encarga de inicializar el registro del
acumulado de crudo a cero.
Cálculo del acumulado de gas a condiciones estándar (tomado diariamente).
El acumulado de gas a condiciones estándar es la medida del volumen de gas que
ha circulado a través del sistema. El cálculo se hace de forma análoga que para el
acumulado de crudo y, de igual forma, se lleva un registro en el que se suman las
contribuciones instantáneas de volumen de gas. Este registro igualmente es inicializado a
cero de forma periódica cada vez que se verifica que ha transcurrido las 12:00 A.M.
El cálculo de la contribución instantánea de volumen de gas queda reflejado en la
siguiente ecuación:
muestreodsinst TQgVg tan= (6.23)
en la cual instVg es la contribución instantánea de volumen de gas, dsQg tan es el
caudal de gas a condiciones estándar y muestreoT es el tiempo de muestreo del ciclo
principal del programa o el período de adquisición de datos.
Cálculo de la velocidad del líquido.
La velocidad del la mezcla líquida se calcula directamente a través de la medida
de caudal de líquido, teniendo en cuenta que:
liqliqliq AVQ = (6.24)
donde liqV es la velocidad del líquido y liqA corresponde al área transversal de la
tubería de líquido. Como se tiene que el diámetro de la tubería de líquido es de 3
pulgadas (7,62 centímetros) se tiene que el área transversal de la tubería es de 11.4 cms2.
El cálculo de la velocidad del líquido se hace simplemente despejando liqV de la
ecuación anterior.
Cálculo de la velocidad del gas.
La velocidad del gas se debe tomar con el valor del caudal de gas a condiciones
de proceso, puesto que el este valor es función directa de la velocidad de acuerdo con la
siguiente ecuación:
gasgasact AVQg = (6.25)
donde gasV es la velocidad del gas y gasA corresponde al área transversal de la
tubería de gas. El diámetro de dicha tubería es de 4 pulgadas (10,16 centímetros) y el
área, por lo tanto, es 20,27 cms2. Para el cálculo de la velocidad de gas simplemente se
despeja gasV de la ecuación anterior.
6.1.4 Interfaz gráfica.
La interfaz gráfica del sistema de adquisición y procesamiento cuenta con una
serie de controles y de indicadores con los cuales el usuario puede monitorear en tiempo
real las variables primarias (las provenientes de los seis transmisores respectivos) y las
variables secundarias (las calculadas a partir de las primarias). En la figura 6.9 se muestra
el panel frontal de la interfaz.
Figura 6.9: Panel frontal de la interfaz gráfica del sistema de adquisición y procesamiento
de datos.
A continuación se ofrece una breve descripción de los indicadores y los controles
de la interfaz gráfica:
Indicadores:
• “Fecha” y “Hora”: En estos indicadores se muestra la fecha y hora actuales.
• “Nivel del separador”, “Presión del separador”, “Caudal de líquido”,
“Caudal de gas a condiciones de proceso”, “Corte de agua” y
“Temperatura”: En estos indicadores se muestran los valores de cada uno de
los transmisores respectivos. Para el caso del nivel del separador, existe un
indicador visual homónimo en forma de tanque y que muestra dicho valor
gráficamente.
• “GVF” y “LVF”: Estos dos indicadores muestran los valores de la fracción
de gas y de líquido, respectivamente.
• “Caudal de gas a condiciones estándar”, “Flujo másico del agua”, “Flujo
másico del crudo”, “Flujo másico del gas”, “Densidad del gas a
condiciones de proceso”, “Densidad total del líquido”, “Densidad total de
la mezcla”, “Acumulado de crudo”, “Acumulado de gas”, “Velocidad del
líquido” y “Velocidad del gas”: Estos once indicadores (junto con las
fracciones GFV y LVF) corresponden a las variables calculadas a partir de
los valores de los transmisores del medidor multifásico.
6.2 Interfaz de almacenamiento de datos.
La interfaz de grabación de datos o “datalogger” (registrador de datos),
desarrollada igualmente en LabView, es la encargada de tomar todos los datos adquiridos
y calculados del software descrito en el capítulo anterior y guardarlo en formato texto en
la memoria “Flash” del controlador cFP-2020. Todas y cada de las variables de
desempeño del separador ciclónico son promediadas durante un corto período de tiempo
(el intervalo de tiempo entre una acción de grabado de datos y la siguiente) y a
continuación se graban en un archivo de texto. El período de tiempo es configurable por
el usuario del programa dentro del rango de 1 segundo hasta 10 minutos. El archivo de
texto tiene un formato de celdas tabuladas que permite ser abierto con un software de
manejo de datos numéricos, por ejemplo, Microsoft Excel. Cada archivo de texto toma y
graba los datos de un día completo, cerrándose y abriéndose otro archivo de texto cuando
culmina el día (exactamente a las 12:00 A.M.).
6.2.1 Software diseñado.
En el PC el usuario se encuentra con un programa le permite configurar el tiempo
de grabación o, lo que es lo mismo, el intervalo de tiempo entre un reporte de datos en el
archivo de texto y el siguiente. Así mismo el usuario puede observar en tiempo real los
datos que son grabados al archivo de texto y también puede detener la ejecución del
mismo cuando lo desee.
El diagrama de flujo del programa se puede observar en la figura 6.10. En el
mismo se puede apreciar que lo primero que hace el programa es tomar la fecha actual y
de acuerdo con la misma, se le asigna un nombre al archivo de texto. La forma de asignar
el nombre del archivo de texto es la siguiente: si, por ejemplo, la fecha actual es el 28 de
Octubre de 2004, el nombre del archivo de texto es de “Oc282004.txt” donde los dos
primeros caracteres corresponden al mes (“Oc” en el ejemplo propuesto), los dos
siguientes corresponden al día (“28”) y los cuatro últimos al año (“2004”). La extensión
“.txt” corresponde a los archivos de texto. Seguidamente se verifica si hay suficiente
memoria disponible en el cFP-2020 para grabar los datos correspondientes a un día al
intervalo de grabación especificado por el usuario. Si no hay suficiente memoria, se
elimina el archivo de texto con la fecha más antigua y se comprueba de nuevo si hay
memoria suficiente repitiéndose el procedimiento anterior. Una vez que en efecto se
tenga la memoria suficiente para grabar los datos del día en cuestión, se escribe un
encabezado que contiene el nombre del equipo, la fecha, las variables que se están
reportando y las unidades físicas en la que dichas variables se reportan. Seguidamente se
procede a tomar periódicamente todas las variables de desempeño del separador
ciclónico, promediarlas cada vez que se cumpla el intervalo de tiempo de grabación y
procediendo a continuación a grabar dichos datos promediados. Los datos son insertados
en formato de celdas tabuladas, colocando un caracter tabulador entre dato y dato. Al
Figura 6.10: Diagrama de flujo del sistema de grabación de datos (datalogger).
final de cada columna de datos se colocan las condiciones de alarma del equipo (si las
hubiere) y la hora en la que se tomaron los datos. Cada vez que se graban los datos se
comprueba si ha habido cambio de fecha; de ser afirmativo, se procede a elaborarse un
reporte al final del archivo de datos, con los datos promediados por hora, el máximo y
mínimo que se registró por día y por hora, los acumulados finales de crudo (o de líquido)
y de gas que se obtuvieron al final del día y cualquier reporte de fallas del sistema. En la
figura 6.11 se puede observar un ejemplo de una hoja de texto uno de estos archivos.
En cualquier momento que el usuario lo desee, se puede interrumpir la ejecución
del programa.
6.2.2 Interfaz gráfica.
La interfaz gráfica fue elaborada en LabView y consta de una serie de controles y
de indicadores que le permiten al usuario configurar el archivo de texto en donde se van a
Figura 6.11: Formato de archivos de texto de datos del medidor multifásico.
guardar todos los datos calculados con anterioridad. En la figura 6.12 se muestra el panel
frontal de la interfaz.
Los controles e indicadores de la interfaz se describen a continuación:
Indicadores:
• “¿Pasó el período de adquisición?”: Este indicador se activa cada vez que el
período de adquisición de datos es sobrepasado. Posteriormente se desactiva y se
volverá a activar culminado el ciclo y así sucesivamente.
• “Tamaño del archivo en bytes”: Este indicador muestra el tamaño del archivo
(en bytes) que actualmente se está grabando.
Controles:
• “Stop”: Este botón se utiliza para detener la ejecución del programa cuando el
usuario así lo requiera.
• “Período de adquisición es segundos”: En este campo numérico, el usuario
coloca el período en el que los datos serán grabados en el archivo de texto. Se
permiten valores desde 1 segundo hasta 600 segundos (10 minutos).
Figura 6.12: Panel frontal de la interfaz del sistema de grabación de datos.
CAPÍTULO 7: DISEÑO DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN SERIAL Y
LA INTERFAZ DEL MEDIDOR MULTIFÁSICO.
7.1 Interfaz de comunicación serial.
El bloque de comunicación serial, programado en LabView igualmente, se
encarga de establecer comunicación serial bidireccional entre el cFP-2020 y el QSI-G70.
Básicamente se encarga de que el usuario pueda interactuar con el medidor multifásico,
en vista de que el cFP-2020 le envía a través de este bloque los datos del medidor al QSI-
G70 y actúa en caso de que el usuario decida cambiar algún o algunos de los parámetros
del medidor a través del QSI-G70. En este caso en particular, es el QSI-G70 el que se
comunica con el cFP-2020.
El puerto serial RS-232 del cFP-2020 fue configurado a 9600 baudios o bits por
segundo, con 8 bits de datos y uno de paridad sin control de flujo. Para que la
comunicación sea efectiva, se debe configurar de forma idéntica el puerto serial RS-232
del QSI-G70.
7.1.1 Software diseñado.
En el PC el usuario se encuentra con un programa que cuenta con dos rutinas o
dos ciclos principales:
• El bloque de transmisión: En este bloque del programa se toma la variable global
compartida entre los distintos bloques del sistema (el paquete de datos), se
desempaqueta en sus valores y sus unidades físicas, se transforma a ambos en
formato texto y se envían por separado cada uno de estos valores y las unidades
correspondientes a través del puerto serial del cFP-2020. Igualmente se envían las
alarmas de los transmisores y las alarmas de alta o baja presión y las alarmas de
alto o bajo nivel. Estas alarmas vienen también dentro de la variable global
compartida.
• El bloque de recepción: Este bloque se encarga de recibir los datos enviados por
el Terminal QSI-G70 al cFP-2020 través del puerto serial, interpretarlos y llevar a
cabo las acciones correspondientes. Como el usuario sólo puede cambiar las
unidades físicas de las variables del medidor a través del Terminal QSI-G70, este
bloque se encarga de efectuar dichos cambios una vez recibida la orden
correspondiente del usuario.
Estos dos bloques se corresponden con dos ciclos principales los cuales se
ejecutan en paralelo dentro del mismo programa.
El diagrama de flujo correspondiente se muestra en la figura 7.1 En él se puede
observar todos los pasos involucrados para lograr la forma efectiva de la comunicación
serial bidireccional entre los dos dispositivos.
Figura 7.1: Diagrama de bloques del software de
recepción y transmisión serial (Comunicación serial).
7.1.2 Interfaz gráfica.
El panel frontal de la interfaz gráfica se muestra en la figura 7.2. En este panel
frontal se tienen los siguientes controles e indicadores que se describen a continuación:
Figura 7.2: Panel frontal de la interfaz de comunicación serial.
Controles:
• “Stop”: Utilizado para detener la ejecución del programa.
Indicadores:
• “Valor”: Este indicador de texto muestra el valor de la medición que se envía a
través del puerto serial.
• “Unidad”: Muestra la unidad física que corresponde a “Valor” y que de igual
forma, se envía a través del puerto serial.
• “Alarmas y fuentes de error”: Muestra cualquier alarma de malfuncionamiento
del sistema o de condiciones pobres de nivel y/o presión que se envían a través
del puerto serial.
• “String recibido”: En este indicador se muestra en formato texto cualquier o
cualesquiera datos recibidos a través del puerto serial del cFP-2020 proveniente
del QSI-G70.
7.2 Interfaz del medidor multifásico.
La interfaz del medidor multifásico, programada en el terminal de cristal líquido
QSI-G70 ya descrito en el capítulo 3, sección 3.2.10, se encarga de interactuar de forma
gráfica con el usuario o el operador del sistema, mostrando en dicha pantalla los distintos
valores de medición y de desempeño del medidor multifásico, así como de cualesquiera
alarmas de alta o baja presión y/o nivel y las alarmas de malfuncionamiento de los
distintos transmisores. Igualmente se encarga de efectuar los cambios entre los distintos
sistemas de unidades disponibles para cualquiera de las variables asociadas al medidor.
Toda esta interacción usuario u operador-sistema se efectúa a través del puerto serial del
terminal QSI-G70, comunicado directamente con el puerto serial del PLC del medidor, el
cFP-2020. Ambos puertos fueron configurados de forma idéntica para que la
comunicación serial sea posible.
7.2.1 Software diseñado.
La programación del terminal se hace con un software específico de dicho
terminal, el lenguaje de programación Qlarity 1.52. Como ya se mencionó en el capítulo
3 es éste un lenguaje gráfico en el que el usuario desarrolla sus pantallas colocándole sus
indicadores visuales y sus botones o cualesquiera elementos de diálogo y posteriormente
asocia eventos a dichos elementos y se codifican mediante este lenguaje. Por lo tanto, el
lenguaje de programación Qlarity 1.52 es un lenguaje orientado a eventos como Visual
Basic o Visual C. Los eventos que se asocian normalmente son los de presionar la
pantalla y los de recibir datos a través del puerto serial.
En el ciclo principal del programa se chequea el status del puerto serial y se
verifica continuamente si hay o no hay datos o bits entrantes en el puerto serial del
terminal. Si los hubiere, el programa espera una señal de arranque, dado por un string
particular que se envía a través del cFP-2020 y espera por los datos. Los datos se separan
en su valor numérico y la unidad física asociada a ese dato en particular. Los datos se
ordenan de acuerdo a distintos grupos de datos e igualmente aparecen ordenados en las
distintas pantallas. Cada pantalla se comunica con otra u otras pantallas gracias a una
serie de botones de navegación ubicados en la parte inferior de dicha pantalla. Los
botones identificados como “Siguiente” y “Atrás” permiten, presionándolos
adecuadamente, ir de una pantalla a la inmediatamente siguiente o a la inmediatamente
anterior. Existe una pantalla principal en la que se muestra los valores de los seis
transmisores del medidor multifásico y subsiguiente a esta, toda una serie de pantallas en
la que se muestran los otros valores del medidor: densidades, fracciones de líquido y de
gas, flujos másicos de los distintos fluidos, velocidades y acumulados de gas y de líquido.
De igual forma, existen dos pantallas en la que se puede graficar la tendencia de
cualquiera de estas variables, una para escoger la variable a graficar y otra para mostrar la
gráfica propiamente dicha. Igualmente, en otras dos pantallas subsiguientes se puede
efectuar los cambios entre los sistemas de unidades de las variables del medidor.
Si existiera cualquier condición de alarma de alta/baja presión, alto/bajo nivel o
de malfuncionamiento de cualquiera de los transmisores, el programa se encarga de
colocar un mensaje mostrando la condición de alarma. Dicho mensaje aparece en
cualquier pantalla activa de la interfaz e informa al usuario de la condición anormal del
equipo. El mensaje de alarma viene acompañado de un pito sonoro persistente.
En las figuras 7.3 y 7.4 se muestran algunas de las pantallas elaboradas para la
interfaz del medidor multifásico.
En el anexo del presente trabajo se incluye el manual de operación de esta
interfaz en la que se describen las distintas pantallas.
Figura 7.3: Pantalla principal de la interfaz del medidor multifásico (ver anexos).
Figura 7.4: Pantalla de configuración de unidades (ver anexos).
CAPÍTULO 8: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.
8.1 Descripción de las pruebas efectuadas.
Las pruebas efectuadas se realizaron variando el caudal de entrada a través de un
par de válvulas de paso, una ubicada entre el compresor de aire y el punto de
combinación del flujo multifásico y otra ubicada entre la bomba BCP y dicho punto; con
esto se obtenían variaciones significativas de caudales de gas y de líquido
respectivamente. Estas variaciones fueron cuantificadas con los medidores ultrasónicos
Panametrics XGM 868 y XMT 868 del medidor multifásico, así como con dos medidores
de respaldo, uno ubicado en cada línea. Los valores de referencia fueron fijados en 30
pulgadas de agua para el nivel (el punto óptimo de separación) y 20 psia para la presión
(unos cuantos psia por encima de la presión de descarga). Los datos fueron tomados
directamente de los archivos de texto descargados desde la memoria Flash del cFP-2020.
8.2 Presentación y análisis de resultados obtenidos.
A continuación se presentan y analizan los resultados obtenidos durante las
pruebas efectuadas en la planta piloto experimental del Laboratorio de Conversión de
Energía Mecánica.
En la figura 8.1 se puede observar la respuesta real del sistema de control de nivel
a una perturbación del 75% de caudal de entrada. En este caso se observa que el tiempo
de asentamiento del sistema es de 35 segundos aproximadamente, con valores de
sobrepico y de error en estado estacionario aproximados a los obtenidos mediante las
simulaciones en Matlab-Simulink.
En la figura 8.2 se observa el comportamiento real del sistema de control de nivel
a una perturbación del 45% del caudal de entrada. En esta figura observamos un
comportamiento bastante satisfactorio del sistema, puesto que el tiempo de asentamiento,
el sobrepico y el error en estado estacionario se mantienen dentro del rango de los valores
esperados de las simulaciones.
Figura 8.1: Respuesta real del sistema de control
de nivel a una perturbación del 75% de caudal de entrada.
Figura 8.2: Respuesta real del sistema de control de nivel
a una perturbación del 45% de caudal de entrada.
En la figura 8.3 se puede observar el comportamiento del sistema como respuesta
a una perturbación negativa del 25% del caudal de entrada. En este gráfico se observan
discrepancias en el porcentaje de sobrepico de la respuesta (en el caso de la prueba dio un
25% mayor) y el tiempo de asentamiento del sistema (en este caso en particular dio
aproximadamente 35 segundos).
Figura 8.3: Respuesta real del sistema de control de nivel
a una perturbación del -25% del caudal de entrada.
En la figura 8.4 se puede observar el comportamiento real del sistema a una
perturbación negativa del 50% en el caudal de entrada. En este caso, se tiene que el
tiempo de asentamiento del sistema es de casi 40 segundos con un sobrepico
relativamente pequeño en magnitud y un error en estado estacionario cercano al ideal.
Todas estas pruebas hacen concluir que el sistema de control de nivel de líquido
del separador se comporta de forma adecuada y conforme a lo observado en las
simulaciones teóricas hechas en Simulink-Matlab.
De igual forma, se procedió a realizar una serie de pruebas para variaciones de
caudal de entrada de gas, que introducen perturbaciones al sistema de medición y
ocasionan variaciones de la presión de operación del mismo. El sistema de control de
presión de operación del separador se encarga de regular dicha presión a unos psia por
encima de la presión de descarga de todo el sistema. En las gráficas siguientes se
Figura 8.4: Respuesta real del sistema de control de nivel
a una perturbación del -50% del caudal de entrada.
presentan algunos de los resultados obtenidos durante estas pruebas, una vez que los
valores de ganancia del controlador PID fueron encontrados mediante la sintonización
empírica ya descrita en el capítulo 4.
En la figura 8.5 se observa que la respuesta del sistema a una perturbación
positiva de caudal de gas de entrada de 35% tiene un tiempo de asentamiento de 35
segundos aproximadamente, un sobrepico relativamente pequeño del 20% y un error en
estado estacionario cercano al ideal.
En la figura 8.6 se puede observar que a una perturbación ligeramente mayor, del
50% de variación del caudal de entrada de gas, la presión de operación del separador se
asienta en aproximadamente 35 segundos, con un sobrepico del 22% y un error en estado
estacionario prácticamente cero.
Figura 8.5: Respuesta real del sistema de control de presión
a una perturbación del 35% de caudal de entrada.
Figura 8.6: Respuesta real del sistema de control de presión
a una perturbación del 35% de caudal de entrada.
En la figura 8.7 se aprecia cómo responde el sistema de control de presión a una
perturbación del -25% de caudal de entrada de gas. El tiempo de asentamiento es de
aproximadamente 30 segundos, con un sobrepico del 13% y un error en estado
estacionario cercano al ideal.
Finalmente, en la figura 8.8 se observa cómo responde al sistema a una
perturbación del 75% en el caudal de entrada. La presión de operación se asienta en
aproximadamente 37 segundos, con un sobrepico del 22% y error en estado estacionario
cercano al ideal.
Figura 8.7: Respuesta real del sistema de control de presión
a una perturbación del -25% del caudal de entrada.
Estos resultados fueron obtenidos luego de numerosas pruebas en las que se tuvo
como prioridad un sistema de control de presión cuya respuesta a las perturbaciones fuera
lo más satisfactorio posible. En este caso en particular con un tiempo de asentamiento de
entre 25-45 segundos (considerando todas las pruebas realizadas), un sobrepico
relativamente pequeño de entre 10% y 30% (considerando todas las pruebas efectuadas)
y un error muy cercano a cero una vez el sistema se ha asentado, se considera que se han
cumplimentado de forma más que satisfactoria los requerimientos de un sistema de
control cualquiera: responder de forma adecuada, rápida y eficaz a cualesquiera
perturbaciones que se puedan presentar.
Figura 8.8: Respuesta real del sistema de control de presión
a una perturbación del 75% del caudal de entrada.
CAPITULO 9: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Si bien se pueden determinar las ganancias de los controladores PID de forma
teórica, analizando las respuestas en el dominio de la frecuencia y el tiempo, se pueden
utilizar los métodos empíricos o métodos como los de Ziegler-Nichols de la última
ganancia cuando no se conocen con exactitud los modelos matemáticos de las plantas e
incluso cuando se pueden determinar dichos modelos sobre todo en los casos en que
dichos modelos son de una complejidad enorme tanto por el número de variables
involucrado como por lo complejo de la interrelación entre esas variables. En estos casos
en particular, los métodos empíricos de sintonización, los de Ziegler-Nichols e incluso los
de lógica difusa pueden ser útiles a la hora de sintonizar o de determinar los valores de
las ganancias de los controladores.
Para el caso del controlador de nivel del separador, se partió de un modelo
matemático aproximado de la planta y del actuador y se pudo obtener, a través del
método Ziegler-Nichols, unos valores de ganancias proporcional, integral y derivativa
preliminares que sirvieron de base para los valores definitivos que se utilizaron en ambos
sistemas de control, tanto el de nivel como el de presión. La complejidad para obtener un
modelo matemático aproximado para el sistema de control de presión fue determinante
para que se utilizara un método totalmente empírico para sintonizar el controlador; sin
embargo, dicho procedimiento es igualmente válido y se obtuvo para los dos sistemas de
control respuestas muy satisfactorias en cuanto a exactitud y en cuanto a velocidad de
respuesta. Es obvio, que para obtener estos valores de una manera más eficaz, se tiene
que recurrir a los métodos teóricos. Para el caso que nos concierne, se obtuvo con ambos
métodos empíricos unos resultados completamente válidos que cumplen a toda cabalidad
con los requerimientos de cualquier sistema de control. Se pudo haber utilizado una
aproximación de lógica difusa para uno o ambos controladores, con lo cual se pudo haber
validado esta lógica de control que se encuentra tan de moda en la actualidad. Ello cuenta
para recomendaciones futuras.
Efectuado el análisis de la respuesta de ambos sistemas de control a distintas
perturbaciones que se introdujeron en el medidor, se pudo constatar que el sistema
responde en un tiempo razonable a dichas perturbaciones, actúa de forma adecuada con
respecto a las mismas y mantiene los valores de referencia de nivel y de presión una vez
que el sistema ha estabilizado completamente. De esta manera, se concluye que ambos
sistemas responden de forma satisfactoria a las perturbaciones y cumplen cabalmente con
los requerimientos de cualquier sistema de control, con lo que se afirma nuevamente la
validez de los valores de ganancias PID obtenidos para los dos lazos de control. La
importancia de poder mantener fijos los valores de nivel y de presión dentro de los rangos
predeterminados radica en que dicho control representa la columna vertebral de todo el
medidor multifásico, sin el cual los otros valores que se puedan obtener carecen por
completo de validez.
En cuanto al sistema de software desarrollado, se concluye la importancia y
validez del sistema integral desarrollado en vista de que con dicho sistema se pueden
obtener y visualizar los valores de interés del medidor multifásico (caudales, densidades,
flujos másicos, análisis de corte de agua, presión, temperatura) en tiempo real, procesar
los valores previamente obtenidos, almacenarlos para posteriores análisis y estudios o
simplemente para llevar el registro de las mediciones y poder contar con una interfaz
gráfica fácil de manejar con la cual el operador puede interactuar con el sistema.
De igual forma, se considera que el desempeño del PLC que se utilizó para el
desarrollo del software del sistema fue excelente, cumpliendo a cabalidad con las cuatro
tareas asignadas: control, adquisición, grabación y comunicación serial. Se pudo
constatar las enormes posibilidades que ofrece LabView para las aplicaciones de control
y automatización de procesos, procesamiento de señales y procesamiento numérico, así
como las facilidades para interactuar con otros equipos: en el caso particular del medidor
multifásico la interacción del cFP-2020 con los transmisores, las válvulas de control y el
terminal QSI-G70.
BIBLIOGRAFÌA Y REFERENCIAS.
1. Fisher Controls. “Control Valve Handbook”. 2002. pp. 12-36.
2. Fisher Controls Products Catalog, 2002.
3. GE Panametrics Products Catalog, 2004.
4. National Instruments. “PID Control Toolset User Manual”. 2001. pp. 15-22.
5. National Instrument Product Catalog, 2004.
6. Ogata, Katsuhiko: “Ingeniería de Control Moderna” Prentice Hall, Inc. 1976, pp. 114-
137.
7. Potter, M.C y Somerton, C.W.: “Termodinámica para Ingenieros” Bosch Editors,
2003, pp. 75-89.
8. Shankar Earni, Bavhani: “Predictive Control of Gas-Liquid Cylindrical Cyclone
Separators). The University of Tulsa, Tesis, 2001. pp. 35-67.
9. www.fisher.com (Mayo a Diciembre 2004).
10. www.ge.com (Diciembre 2004).
11. www.liebherr.com (Noviembre a Diciembre 2004).
12. www.ni.com (Mayo a Diciembre 2004).
13. www.voxanalyzer.com (Diciembre 2004).
ANEXOS.
MANUAL DE USUARIO DEL DISPLAY DEL SISTEMA
INTEGRADO DE MEDICION DE FLUJO MULTIFASICO
• En la primera pantalla aparecerá el logo de SIMEFLUM C.A. como se muestra en
la figura 1.
Figura 1: Pantalla de inicio.
• Usted debe simplemente hacer click en cualquier parte de la misma para acceder
al sistema.
• En la segunda pantalla aparecerá un dibujo esquemático del medidor multifásico y
en él aparecerán las variables primarias de medición: nivel del separador, presión
del separador, caudal de gas a condiciones de proceso, caudal de líquido, corte de
agua y temperatura (como se muestra en la figura 2).
Figura 2: Esquemático del medidor multifásico con algunas de sus mediciones.
• Si usted hace click en los botones correspondientes a dichas variables los valores
correspondientes aparecerán o desaparecerán alternativamente de la segunda
pantalla.
• Utilice los botones “Siguiente” y “Atrás” (ver figura 3) ubicados en la parte
inferior derecha para navegar entre las distintas pantallas. Haga click en el botón
siguiente para acceder a la próxima pantalla y haga click en el botón Atrás para
regresar a la pantalla anterior.
Figura 3: Botones Atrás y Siguiente (parte inferior derecha).
• La tercera pantalla (Variables secundarias I) muestra los acumulados
instantáneos de gas y de líquido, así como las fracciones de gas y líquido (GVF y
LVF respectivamente) y la velocidad de los fluidos en su recorrido por el sistema
(Ver figura 4).
Figura 4: Tercera pantalla (Variables secundarias I).
• Al igual que en la segunda pantalla, usted debe hacer click en los botones
respectivos para que aparezcan o desaparezcan los valores de las variables en
cuestión.
• En la siguiente pantalla (Variables secundarias II) se muestran los valores de
los flujos másicos de los distintos fluidos que atraviesan el sistema de medición
multifásico (Ver figura 5).
Figura 5: Cuarta pantalla (Variables secundarias II).
• En la quinta pantalla (Variables secundarias III) se muestran los valores de la
densidad de la mezcla (agua, crudo y gas), del gas a condiciones de proceso y del
total de líquido que circula por el sistema (Ver figura 6).
Figura 6: Quinta pantalla (Variables secundarias III)
• En la sexta pantalla (Selecciona la variable a graficar) usted simplemente
deberá escoger entre cualquiera de las variables desplegadas en la lista que se le
ofrece, hacer click en una de ellas y presionar el Botón “Graficar”, el cual lo
llevará a la siguiente pantalla (Ver figura 7).
Figura 7: Sexta pantalla (Selector de variable a graficar).
• Utilice las flechas ubicadas en la parte derecha de la lista, para navegar entre las
distintas opciones y haga click en las mismas para seleccionarlas.
• La sexta pantalla muestra la gráfica con la tendencia de la variable seleccionada
con anterioridad, el nombre de dicha variable así como la unidad física en la que
se efectúa la medición. En la parte izquierda de la gráfica se tiene los líimites
inferior y superior de la gráfica y en la parte inferior derecha, justo encima del
Botón “Siguiente”, el valor de la variable graficada (Ver figura 8).
Figura 8: Pantalla de graficación de variables.
• En las dos siguientes pantallas (figuras 9 y 10) se puede cambiar la configuración
de unidades de las variables de nivel del separador, presión del separador,
temperatura, caudales, flujos másicos, velocidades, densidades y acumulados
instantáneos. Usted simplemente deberá escoger la unidad o unidades de su
preferencia y presionar a continuación el botón “OK”. En ese momento se le envía
la nueva configuración de unidades al sistema.
Figura 9: Primera pantalla de configuración de unidades.
Figura 10: Segunda pantalla de configuración de unidades.
ALARMAS
• Las alarmas de malfuncionamiento o de condición crítica pueden aparecer en
cualquier momento y en cualquiera de las pantallas. Vienen acompañadas de un
sonido agudo fuerte y persistente, así como de un código (de dos letras
mayúsculas) indicando la fuente de alarma. En caso de haber más de una fuente
de posible avería o de condición crítica, cada código viene separado por un punto
del siguiente (así como se muestra en la figura 11).
Figura 11: Alarma de condición crítica (HL) y de malfuncionamiento (QG).
• Usted puede hacer click en la señal de alarma para ignorarla y que ésta
desaparezca de la pantalla momentáneamente pero si la condición crítica o de
malfuncionamiento continúa, dicha señal aparecerá de nuevo en el display.
• Los códigos de condición crítica o de malfuncionamiento del sistema tienen la
siguiente interpretación:
HL: El nivel de líquido en el separador está muy por encima del nivel
recomendado y se corre el riesgo de que parte del líquido se filtre o circule por la
línea de gas, entorpeciendo las mediciones.
LL : El nivel de líquido en el separador está muy por debajo del nivel
recomendado y se corre el riesgo de que parte del gas se filtre o circule por la
línea de líquido, de igual forma, entorpeciendo las mediciones.
HP: La presión del separador está muy por encima de los niveles
predeterminados (el setpoint del sistema).
LP: La presión del separador está muy por debajo de los niveles
predeterminados (el setpoint del sistema).
LT: El medidor de nivel del separador está averiado o está desconectado.
PT: El medidor de presión del separador está averiado o está
desconectado.
TT: El medidor de temperatura está averiado o está desconectado.
QL: El sensor de caudal de líquido averiado o está desconectado.
QG: El sensor de caudal de gas averiado o está desconectado.
WC: El transmisor de corte de agua averiado o está desconectado.