propuesta de automatizacion y estudio tecnico …
TRANSCRIPT
IEL2-II-04-17
1
PROPUESTA DE AUTOMATIZACION Y ESTUDIO TECNICO FINANCIERO DE UNA ESTACION DE INYECCION DE QUIMICOS PARA AGUAS RESIDUALES
EN LA INDUSTRIA PETROLERA.
DIEGO ANTONIO LEGUIZAMON HERNANDEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
BOGOTA D.C
2005
IEL2-II-04-17
2
PROPUESTA DE AUTOMATIZACION Y ESTUDIO TECNICO FINANCIERO DE UNA ESTACION DE INYECCION DE QUIMICOS PARA AGUAS RESIDUALES
EN LA INDUSTRIA PETROLERA.
DIEGO ANTONIO LEGUIZAMON HERNANDEZ
CODIGO: 200011270
Director
MAURICIO DUQUE
PHD. Automatización y Tratamiento de Señales
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
BOGOTA D.C
2005
IEL2-II-04-17
3
AGRADECIMIENTOS
A mi familia, a mis amigos y a mi novia por estar conmigo en los éxitos y desaciertos. En
especial a mi familia con los cuales siempre pude contar y a Mauricio Duque, mi asesor,
por guiarme en este proceso.
A todas las personas que representaron un apoyo y enseñanza incondicional para mí,
porque siempre estuvieron a mi lado a través de este proceso. Para aquellas que creyeron y
las que no, gracias por darme fuerzas para seguir adelante.
IEL2-II-04-17
4
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION.............................................................................................................. 8
2. DESCRIPCION DEL PROBLEMA................................................................................. 10
3. ANTECEDENTES........................................................................................................... 11
3.1. Descripción del Proceso ............................................................................................ 11
3.2. Trabajos Previos ........................................................................................................ 12
4. OBJETIVOS..................................................................................................................... 15
4.1. GENERAL................................................................................................................. 15
4.2. ESPECIFICOS........................................................................................................... 15
5. MARCO TEORICO......................................................................................................... 16
5.1. Coagulación y Floculación: ....................................................................................... 16
COAGULACION......................................................................................................... 16
FLOCULACION.......................................................................................................... 17
5.2. Información general del Químico .............................................................................. 17
VISCOSIDAD.............................................................................................................. 18
FLUIDO NO NEWTONIANO..................................................................................... 18
5.3. Aspectos Legales: ...................................................................................................... 19
6. METODOLOGIA............................................................................................................. 20
6.1. Observación del fenómeno y colección de parámetros influyentes........................... 21
6.1.1. Valoración de los elementos ............................................................................... 21
6.1.2. Localización y escala:......................................................................................... 22
6.2. Estudio técnico financiero ......................................................................................... 24
6.2.1. Control por Diferencial de Flujo......................................................................... 25
IEL2-II-04-17
5
6.2.2. Control por Flujo y Nivel ................................................................................... 30
6.2.3. Escogencia y evaluación..................................................................................... 34
6.3. Diseño Seleccionado.................................................................................................. 36
6.3.1. Características de Selección ............................................................................... 36
6.3.2. Descripción y Selección del Transmisor de Nivel.............................................. 37
6.3.3. Descripción y Selección del Transmisor de Viscosidad..................................... 39
6.3.4. Instrumentación y Cronograma .......................................................................... 41
6.3.5. Algoritmo de Control.......................................................................................... 42
7. ANALISIS Y RESULTADOS......................................................................................... 49
8. CONCLUSIONES............................................................................................................ 51
9. BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................. 53
10. ANEXOS........................................................................................................................ 55
IEL2-II-04-17
6
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. Descripción del proceso.................................................................................... 11
FIGURA 2. Pantalla de ingreso y supervisión...................................................................... 13
FIGURA 3. Modelamiento de estructura general del prototipo........................................... 14
FIGURA 4. Prototipo implementado.................................................................................... 14
FIGURA 5. Diagrama de Inyección de químico al Ducto.................................................... 16
FIGURA 6. Diagrama de Inyección de químico al ducto con Inyección de Agua .............. 19
FIGURA 7. Estado actual de la estación de inyección de químicos .................................... 21
FIGURA 8. Localización espacial-geográfica de los equipos.............................................. 22
FIGURA 9. Diagrama general por diferencial de flujo ........................................................ 26
FIGURA 10. Diagrama de flujo (Control por diferencial de flujo)...................................... 29
FIGURA 11. Diagrama general por flujo y nivel ................................................................. 30
FIGURA 12. Diagrama de flujo (Control por flujo y nivel)................................................. 33
FIGURA 13. Tasas de rentabilidad ...................................................................................... 35
FIGURA 14. Sensor de nivel................................................................................................ 37
FIGURA 15. Sensor de flujo ................................................................................................ 39
FIGURA 16. Pantallazo del Software usado (RsLogix500 de Allen Bradley) .................... 42
FIGURA 17. Esquema del tanque de almacenamiento ........................................................ 43
FIGURA 18. Algoritmo para tanque de almacenamiento (control por nivel SV1).............. 46
FIGURA 19. Algoritmo para medidor de flujo (control por flujo) ...................................... 47
FIGURA 20. Algoritmo para accionamiento local –remoto (válvulas SV3 y SV4) ............ 48
IEL2-II-04-17
7
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. Características básicas del químico .................................................................... 17
TABLA 2. Normas Ambientales para calidad de agua ........................................................ 19
TABLA 3. Tabla Comparativa para selección de medidor de Flujo diferencial .................. 27
TABLA 4. Flujo trimestral para control por diferencial de flujo (Proyección a dos años).. 29
TABLA 5. Tabla Comparativa para selección de medidor de Flujo .................................... 31
TABLA 6. Flujo trimestral para control por flujo y nivel (Proyección a dos años)............ 33
TABLA 7. VPN en función de la TIR.................................................................................. 35
TABLA 8. Muestra y gastos anuales por inyección de químico .......................................... 35
TABLA 9. Especificación de dos transmisores de ultrasonido - DeltaLevel ....................... 38
TABLA 10. Especificación de dos transmisores de Piñones Ovalados – Coleparmer ........ 40
ANEXOS
I. ANEXO A.................................................................................................................... 55
II. ANEXO B..................................................................................................................... 56
III. ANEXO C..................................................................................................................... 58
IV. ANEXO D.................................................................................................................... 61
V. ANEXO E..................................................................................................................... 62
VI. ANEXO F..................................................................................................................... 64
VII. ANEXO G.................................................................................................................... 66
VIII. ANEXO H.................................................................................................................... 69
IX. ANEXO I...................................................................................................................... 71
X. ANEXO J...................................................................................................................... 73
IEL2-II-04-17
8
1. INTRODUCCION
El proceso de purificación de agua en la industria petrolera es uno de los procesos más
costosos que se lleva a cabo, estando este por encima de muchos otros gastos de operación.
La razón de este proceso y de los costos elevados proviene de las normas ambientales
respecto al vertimiento de agua en procesos industriales y de la calidad de químicos que se
inyectan para la limpieza de aguas aceitosas los cuales poseen un tratamiento cuidadoso y
una complicada configuración química que puede llegar a inflar los costos de manejo y
mantenimiento.
Dadas las normas ambientales que establecen un máximo de 6 ppm de aceite en agua, el
proceso parte de la inyección de químico relacionando este con la cantidad de flujo que
provenga de una tubería principal la cual transporta agua aceitosa y a través de la cual se
realiza cuantificación y dosificación del químico. De esta manera el producto ingresa en el
ducto y permite que se purifique el agua disminuyendo la cantidad de partes por millón
(ppm) de crudo disuelto en agua. Con base en la medición de ppm un operario realiza la
variación en frecuencia y cantidad de químico inyectado a través de válvulas que van
conectadas al ducto por medio de tuberías bien dosificadas y de poco calibre. Dada la
viscosidad del químico y el calibre de las tuberías, el taponamiento continuo hace engorrosa
la tarea de revisión y mantenimiento (tiempo requerido para ir del laboratorio al sitio),
generando pérdida de químicos por acumulación y taponamiento a razón del producto.
Actualmente los procesos de medición se realizan a través de manómetros y otras
herramientas de control manual o visual de las cuales no se puede tener lectura inmediata al
IEL2-II-04-17
9
momento de algún tipo de falla. De la misma forma el tanque que suministra el químico no
proporciona ningún tipo de nivel de llenado o de vaciado, de manera que en caso de un re-
fill se debe destapar la tapa del tanque para verificar su estado y hacer esto todos los días ya
que no se tienen datos del promedio de inyección, y la naturaleza viscosa del químico
genera adherencias en el tanque que deben ser removidas para su dosificación y llenado.
Las razones antes mencionadas proporcionan una constante pérdida de dinero por el costo
del químico y por el control manual que se proporciona ya que en cualquier momento algún
personal externo al proceso puede intervenir en la manipulación y dosificación del químico
sin que nadie se percate. Dado que este proceso no guarda ningún tipo de información
como históricos o bases de datos con miras a un análisis ingenieril o a la eficiencia de la
estación, se buscan las posibles soluciones desde la óptica del control de procesos,
automatización y desarrollo de proyectos en un ámbito real para la elección de la mejor
opción financiera.
De esta manera el objetivo de este documento es el de proporcionar una visión ingenieril
para el desarrollo y búsqueda de elementos en la realización de un proyecto real teniendo
en cuenta variables como costos del proyecto, selección de sensores, tiempo de realización,
costos asociados, e interfaces y protocolos a tener en cuenta para el desarrollo integro de
una implementación a nivel industrial empezando desde su distribución de trabajo en el
tiempo y planificación de tareas, hasta el estudio técnico financiero.
IEL2-II-04-17
10
2. DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Actualmente el proceso consiste en dos equipos: el primero un tanque de almacenamiento
de agua aceitosa (proveniente de los tanques de separación de petróleo y agua), y el
segundo un esquimador o desnatador (el cual limpia las partículas de aceite luego de haber
sido inyectado el químico, a través de agitadores que hacen flotar a estas partículas sobre la
superficie). De esta manera entre estos dos equipos se realiza la inyección de químico.
Dado que se tiene un proceso de inyección de químicos para tratamiento del agua en la
industria petrolera el cual se hace crítico por el impacto económico que genera en multas
por la mala dosificación del químico y por el desacato de normas ambientales en la calidad
de agua. De esta manera el problema radica en que el proceso usa infraestructura obsoleta
y tuberías desgastadas de diámetros pequeños lo cual hace que, por viscosidad del químico,
se tapone. Otro punto crítico es la falta de monitoreo y la constante manipulación manual
de inyección, lo cual hace que no se tenga control de dosificación desde acceso remoto en
sala de control. Finalmente, el químico al ser costoso y tener mala dosificación no
solamente no alcanza los parámetros ambientales en la separación de agua y petróleo, sino
que también incurre en un gasto mayor por la pérdida de químico en mala dosificación.
IEL2-II-04-17
11
3. ANTECEDENTES
3.1. Descripción del Proceso INYECCION DE QUIMICOS
FIGURA 1. Descripción del proceso
El proceso general del petróleo comienza mediante la extracción de crudo por medio de
bombas electro sumergibles que descargan su contenido en tuberías de alto calibre. La
sustancia que se transporta por estas tuberías posee otros elementos como: gases de alta,
gases de baja, arena, y agua; los cuales deben ser separados para la extracción del crudo
como tal. La separación se realiza mediante una clase de tanques llamados “FWKO” Free
Water Knock Out, los cuales usan el principio de flotación en fluidos de mayor o menor
empuje para separar el crudo del agua y arena, y el de evaporación que se encarga de
IEL2-II-04-17
12
sustraer los gases de alta y de baja a través de tuberías o piernas para luego ser quemados
en una tea.
A la entrada y a la salida del tanque separador de gas se realiza una primera inyección de
productos químicos tales como: demulsificante (rompedor directo) y de floculante
(rompedor inverso). A continuación el crudo es bombeado mientras el agua aceitosa se
almacena en los tanques “Cabeza de Agua” para su subsecuente transporte a las celdas de
flotación “WEMCO” las cuales mediante el proceso de esquimado logran la purificación
del H2O en un rango del 95% al 98% con respecto a partículas aceitosas contaminantes.
A la salida de los tanques “Cabeza de Agua” se realiza la segunda y última inyección de
químico desmulsificador que tarda un minuto y veinte segundos en actuar a través de
tuberías de 30 metros de longitud, para luego ser conducido a las WEMCO, logrando así
una última clarificación antes de la esquimación. Por último, a la salida de las celdas
“WEMCO” se encuentran piscinas de depósito y enfriamiento que permiten el vertimiento
del agua en lagos artificiales para su oxigenación y recirculación sobre el medio ambiente,
guardando parámetros ambientales establecidos por las entidades respectivas.
3.2. Trabajos Pre vios
Durante el año 2004 la empresa Occidental Inc. contrató los servicios de dos ingenieros de
campo, para un periodo de 1 año, con el fin de realizar la automatización del proceso
mediante la utilización de los recursos y materiales disponibles en campo. El objetivo
principal del proyecto MOC, fue:
IEL2-II-04-17
13
Construcción de un prototipo que emule la dosificación de líquidos en aguas aceitosas
para reducir sobre consumo de estos y mejorar la eficiencia del sistema.
A continuación se presentan los desarrollos en la parte de diseño teniendo en cuenta
parámetros de dosificación, selección de dispositivos y diseño e implementación de un
programa con su respectiva implementación en campo:
FIGURA 2. Pantalla de ingreso y supervisión
IEL2-II-04-17
14
FIGURA 3. Modelamiento de estructura general del prototipo
FIGURA 4. Prototipo implementado
Este proceso de diseño y construcción tardó un año en ser terminado y arrojó los siguientes
resultados, según el informe entregado:
“La implementación de un prototipo permite colocar al descubierto tanto virtudes como
inexactitudes de un diseño del sistema implementado, mostrando posibles errores que se
pasan por alto en la etapa de diseño, como la ubicación de los implementos a manejar y
la utilización del controlador y variables del fluido que no se vislumbraron, es así como
se hace entrega el diseño del prototipo permitiendo la realización de alteraciones en su
modelo para cambios sobre su construcción”.
La principal razón de los resultados corresponde a que en la realización del proyecto no se
contó con la variable viscosidad, y por esta razón actualmente la automatización es
inservible por los niveles de taponamientos en las tubería de 1” pulgada; razón por la cual
ante la compañía no se cumplió el objetivo de automatización.
IEL2-II-04-17
15
4. OBJETIVOS
4.1. GENERAL
Estudio de viabilidad, para la posible implementación futura y mejora del proceso de
automatización en una estación de inyección de químicos desde la óptica del análisis de
proyectos y estudio de factibilidad.
4.2. ESPECIFICOS
1. Análisis de la situación actual del proceso de purificación de agua
2. Formulación y planteamiento de posibles soluciones de automatización teniendo en
cuenta los procesos químicos, físicos, mecánicos, y de instrumentación envueltos en el
proceso.
3. Escogencia del método adecuado de automatización basado en el tipo de equipos
usados en la industria, versatilidad de la aplicación, limitaciones de espacio y estudio
técnico financiero.
4. Formulación de un diagrama tipo Project para la implementación y desarrollo de
proyectos en la industria.
5. Desarrollo de un algoritmo para control y automatización por medio del uso de PLC,
aplicado a un sistema de supervisión.
IEL2-II-04-17
16
5. MARCO TEORICO
Para el tratamiento del agua en la industria petrolera se hace necesaria la inyección de
químicos. Este proceso consiste en suministrar una cantidad lo más exacta de químico
proporcional a la cantidad de flujo de agua-aceitosa que este pasando a través del ducto
principal (de manera que si el flujo de agua-aceitosa aumenta, así mismo lo hará la cantidad
de químico inyectado).
FIGURA 5. Diagrama de Inyección de químico al Ducto
5.1. Coagulación y Floculación:
El químico que se usa en este proceso corresponde a un desmulsificante que es un
clarificador que realiza el proceso de remover aceite y sólidos no pertenecientes al agua
(partículas coloidales). Cuando el desmulsificador entra en contacto con el agua-aceitosa se
llevan a cabo dos procesos: coagulación y floculación los cuales tardan aproximadamente
un minuto y medio en actuar (Ver ANEXO A – PRUEBA A ESCALA DEL PROCESO)
COAGULACION: Disminución de la carga estática generada entre la partícula y el agua
para que las partículas queden menos distanciadas y formen cadenas por afinidad.
IEL2-II-04-17
17
FLOCULACION: La floculación es el proceso que por medio de químicos permite el
ensanchamiento de tamaño, y en algunos casos de masa para las partículas coloidales con el
fin de que se realicen uniones entre sí llamadas flocs.
Aunque el desmulsificante actúe efectivamente la distancia de la bomba de inyección de
químico al ducto principal puede representar un problema si esta es muy distante. A razón
de esto se deben evaluar las propiedades del químico y las consecuencias que esto pueda
representar sobre la tubería del químico. A continuación se muestra la tabla de las
propiedades más importantes del químico usado:
5.2. Información general del Químico
DISMULGAN D1109
NOMBRE COMERCIAL: Dismulgan D1109 FAMILIA QUIMICA: Polímero catiónico ESTADO FÍSICO: Líquido GRAVEDAD ESPECIFICA (H2O=1):1.01(20º C) CONDUCTIVIDAD: 2.43 ms3/cm a 28 grados VISCOSIDAD: 50 – 60 CPS pH:2.0
TABLA 1. Características básicas del químico
El producto se caracteriza por ser un químico líquido ligeramente ácido, con olor ligero
propio del producto, soluble en agua a 20º C. Su almacenamiento se debe realizar en
recipientes plásticos o de fibra de vidrio en un área protegida. La vida del producto es de 4
IEL2-II-04-17
18
meses a una temperatura entre 15 y 35º C, siempre y cuando se mantenga bajo sombra, y
se recomienda un período de almacenamiento máximo de 8 meses. Según la tabla el
químico tiene como propiedad una alta viscosidad (Ver ANEXO B – HOJA DE DATOS
DISMULGAN D1109). De otro lado se halló que era un fluido no Newtoniano, lo cual
hace remitirse a las definiciones de viscosidad y de Fluido no Newtoniano que se definen a
continuación:
VISCOSIDAD: La viscosidad dinámica absoluta es una medida de la resistencia al fluir
que presentan los líquidos y la cinemática se da en unidades de centistokes que es una
unidad de fuerza sobre unidad de área.
FLUIDO NO NEWTONIANO: Un fluido Newtoniano es sobre el cual la viscosidad no
depende de la rata de corte. Para el caso en el cual esto no afecta se denominan fluidos no
Newtonianos.
Lo anterior implica que debido a la distancia se pueden llegar a tener taponamientos en la
tubería debido a la viscosidad del químico. Afortunadamente el químico, aunque es un
fluido no Newtoniano tiene un punto de corte sobre el cual empieza a comportarse como
uno Newtoniano y disminuir su viscosidad de manera lineal. Para alcanzar este estado se
deben emplear presiones y temperaturas altas las cuales se obtienen mediante la inyección
de agua caliente a alta presión, como se muestra a continuación.
IEL2-II-04-17
19
FIGURA 6. Diagrama de Inyección de químico al ducto con Inyección de Agua
5.3. Aspectos Legales:
Los aspectos legales que intervienen en este proyecto están gobernados por los estándares
de calidad exigidos por el ministerio del medio ambiente (Ver ANEXO C –
PARAMETROS AMBIENTALES ), para eliminar el pago de multas que se convierten en
pérdidas para la compañía. Según el decreto 1594 del 26 de Junio de 1984 las
características del agua de vertimiento deben ser las siguientes:
TABLA 2. Normas Ambientales para calidad de agua
IEL2-II-04-17
20
6. METODOLOGIA
A continuación se presentan los pasos que se llevaron a cabo en el estudio de viabilidad
para el diseño y automatización de una bomba de inyección de químicos.
Primera etapa: Observación del fenómeno y colección de parámetros influyentes.
En esta etapa se hace la descripción del estado actual del proceso y
se exponen aspectos físicos a tener en cuenta para su construcción.
Segunda etapa: Estudio técnico financiero
En esta etapa se describen las posibles soluciones al problema,
realizando un análisis técnico y financiero para obtener las
proyecciones de cada opción tenida en cuenta se escoge la alternativa
más conveniente.
Tercera etapa: Diseño seleccionado.
En esta etapa se evalúa cual es la opción más conveniente y se
profundiza en el desarrollo de la misma, teniendo en cuenta
algoritmos de automatización y escogencia de elementos para su
construcción.
De acuerdo a las anteriores etapas se seguirá la secuencia de lo que resta del documento.
También existirá profundización en cada una de las etapas para mejor entendimiento.
IEL2-II-04-17
21
6.1. Observación del fenómeno y colección de parámetros influyentes.
En esta etapa se realiza un acercamiento real al proceso mediante registros fotográficos,
indagación, valoración del estado de los equipos y posible localización en campo. Esto con
el fin de tener los suficientes elementos de juicio del comportamiento actual de la inyección
de químicos.
6.1.1. Valoración de los elementos
Actualmente se cuenta con una tubería de 1” pulgada, un tanque de almacenamiento de
químico, un techo de zinc con su respectiva estructura, 3 bombas de inyección de químico,
manómetros, un tablero y una bomba de agua a alta presión entre otros. Dado el deterioro
de los equipos actuales solo se hace útil contar con la bomba de agua y la bomba de
inyección de marca Motor Roy debido a su buen estado y al control de frecuencia de
inyección por corriente que posee (VER ANEXO D – REGISTRO FOTOGRAFICO DE
LA BOMBA DE QUIMICOS ).
FIGURA 7. Estado actual de la estación de inyección de químicos
IEL2-II-04-17
22
6.1.2. Localización y escala:
La localización del proyecto es fundamental debido al espacio reducido con el que se
cuenta a la hora de su construcción. A continuación se presenta un croquis del sitio con las
respectivas indicaciones de los posibles lugares del proyecto:
FIGURA 8. Localización espacial-geográfica de los equipos
La inyección de químicos está presupuestada hacerse durante el transcurso de la tubería
que comunica a los tanques cabeza de agua con las Wemco K y L (FIGURA 9, tubería en
color verde). Así mismo y de acuerdo a la disponibilidad de espacio se estableció un área
de construcción no mayor a 27m^2 (6m x 4.5m) aprox.
Dentro de este escenario y limitados al área, se formularon tres alternativas de lugares para
la construcción del proyecto los cuales se explican a continuación según su ubicación,
ventajas y desventajas:
IEL2-II-04-17
23
(1) Posee la ventaja de encontrarse a aproximadamente a 5 metros de la tubería
cerca al Tanque Cabeza de Agua lo que le proporciona un mayor tiempo de dilución
del químico pero se encuentra en un área clasificada.
(2) Se encuentra en un sitio perfecto entre los dos elementos sin ser área clasificada,
pero posee la limitante de espacio debido a la ubicación sobre una vía de transporte
constante.
(3) Esta situado a 5 metros de las Wemcos, por lo cual respecto al ducto principal
más cercano casi se triplicaría su distancia, y de otro lado no sería eficiente ya que
no permitiría que el químico reaccionara (un minuto y medio aprox.), debido a su
cercanía con el destino (Wemco K y Wemco L).
De esta manera se decidió trabajar con la opción dos (2), teniendo que reducir su espacio de
construcción, pero ganando eficiencia en la inyección.
IEL2-II-04-17
24
6.2. Estudio técnico financiero
Dentro de este estudio técnico financiero se llegará a la solución eficaz con base en el
análisis y descripción de las alternativas propuestas con base en la evaluación técnica, de
construcción y financiera (Tasa Interna de Retorno del proyecto).
En primera estancia se postularon métodos de solución con base en el problema de
viscosidad que se produce. Dentro de las opciones de medición de parámetros y debido a la
viscosidad se encontraron tres parámetros muy importantes de monitoreo: el flujo o caudal
por la dosificación del químico, el nivel para el llenado del tanque, y la presión del sistema
para prever un taponamiento. Dado que la presión no nos proporciona información de
cantidad de químico inyectado, este tipo de monitoreo fue descartado. De esta manera se
escogieron dos métodos: Un método de control por diferencial de flujo y otro de control por
flujo y nivel, los cuales se explicarán y analizarán a continuación.
IEL2-II-04-17
25
6.2.1. Control por Diferencial de Flujo
Forma de operación
Este tipo de control se realizó mediante la implementación de dos líneas de 3” pulgadas las
cuales convergen en un mismo punto. Esta a su vez va conectada al ducto principal para
suministro del químico. La primera línea corresponde a la línea de químico. Esta línea tiene
la característica de suministrar químico mediante una bomba de inyección (MOTOR ROY),
la cual realiza succión del químico desde los tanques de almacenamiento y canecas de
tanqueo. La segunda línea corresponde a la línea de agua caliente. Esta se caracteriza por
bombear agua a alta presión para evitar taponamientos en una tercera línea que cumple la
función de unir la primera y segunda línea y conducirlas hasta el ducto principal.
Esta primera estrategia consiste en la medición de flujo sobre la línea de químico. Dado que
es difícil debido a la viscosidad del químico; se instala un medidor de flujo diferencial entre
la línea de intersección y la línea de agua de manera que la resultante de medición sea el
flujo a través de la línea de químico que es el parámetro a medir y además podemos
monitorear taponamientos en las líneas de agua e intersección.
Vale la pena aclarar que la línea de químico (primera) debe ser lo más corta posible para
evitar adherencias debido a la viscosidad de 50-60 CPS.
IEL2-II-04-17
26
FIGURA 9. Diagrama general por diferencial de flujo
Transmisor
Dado que el objetivo es obtener el flujo de químico que se está suministrando a la entrada
del ducto principal; se propone instalar un medidor de flujo diferencial entre la línea de
agua caliente y la tercera línea. Esto para obtener el resultado de flujo de químico que viene
por la línea de químico y percatarse de algún taponamiento a la entrada del ducto principal.
Esta medición no se realizó sobre la primera línea, sino como ya se dijo fue un transmisor
de tipo diferencial, debido a que los medidores de flujo para fluidos de alta viscosidad son
de mayor costo.
ATRIBUTO Área-Variable
Coriolis Gas flujo-masa
Presión Diferencial
Turbina Piñón Ovalado
GASES SI SI SI SI SI — LIQUIDOS SI SI — SI SI SI
LIQUIDOS VISCOSOS
SI (Calibración especial)
SI — NO SI (Calibración especial)
SI, >10 Centistokes (cst)
LIQUIDOS VISCOSOS
SI SI — NO SI SI
IEL2-II-04-17
27
ATRIBUTO Área-Variable
Coriolis Gas flujo-masa
Presión Diferencial
Turbina Piñón Ovalado
PRESICION, ± 2-4% Escala completa
0.05-0.15% de lectura
1.5% Escala completa
2-3% Escala completa
0.25-1% de lectura
0.1-0.5% de lectura
REPETIB., ± 0.25% Escala completa
0.05-0.10% de lectura
0.5% Escala completa
1% Escala completa
0.1% de lectura
0.1% de lectura
MAX. Presión, PSI 200 y mas 900 y
mas 500 y mas 100 5,000 y mas 4,000 y mas
MAX TEMP., °F 250 y mas 250 y
mas 150 y mas 122 300 y mas 175 y mas
CAIDA DE PRESION.
MEDIA BAJA BAJA MEDIA MEDIA MEDIA
Turndown ratio 10:1 100:1 50:1 20:1 10:1 25:1 COSTO PROM. ($ U.S)
$200-600 $2,500-5,000
$600-1,000 $500-800 $600-1,000 $600-1,200
TABLA 3. Tabla Comparativa para selección de medidor de Flujo diferencial
Válvulas
Dado que las necesidades de la aplicación también requieren control manual-local y remoto
desde sala de control para abrir o cerrar cualquier línea, se usarán 4 válvulas como se
muestra en la FIGURA 9. La función de cada una de ella será: La número uno encargada
de detener a los tanques de tanqueo (que se controlan por gravedad), la número dos para
cerrar la primera línea de químico, la número tres para aislar la segunda línea de bombeo de
agua caliente, y por último una para el cierre de todo el sistema de inyección.
Se decidió usar válvulas solenoides o electroválvulas, usadas como unidades de control las
cuales cuando se energicen o se desenergizen realizarán la operación de permitir o
interrumpir el paso de algún fluido como se estipuló anteriormente. En cuanto a su costo, se
IEL2-II-04-17
28
estimó que este oscila entre 500 U.S - 600 U.S para las solenoides, y 1.000 U.S - 1.500 U.S
para las electroválvulas debido a los parámetros de alta presión.
Otros Aspectos
Se contarán con ductos 3” pulgadas de acero puro ya que los de carbono poseen
rugosidades y aumentaría la adherencia del líquido viscoso. Se usarán conduletas,
canaletas, tableros en hierro, cable de comunicación, obra civil, personal capacitado y
módulos de control para PLC debido a la red y sistema que se tiene tendido actualmente
(marca - Allen Bradley). Los costos asociados a estos elementos se evalúan a continuación
en el estudio financiero.
IEL2-II-04-17
29
Estudio Financiero
En esta fase se realiza un análisis financiero y proyección del proyecto a dos años (cambios tecnológicos), teniendo en cuenta su tasa
interna de retorno (TIR) y el diagrama de flujo del proyecto.
TABLA 4. Flujo trimestral para control por diferencial de flujo (Proyección a dos años)
En este proyecto se tuvo en cuenta el análisis con base en
parámetros previamente cotizados. En cuanto al periodo de evaluación se escogió uno de dos años debido a que en este lapso es donde pueden surgir cambios de tecnología. De esta manera se hace énfasis en que los valores validos para la TABLA 4. son causa de una cotización previa y premediación de valores para el flujo de caja que se realizó.
(VER ANEXO E – TABLA DE COTIZACION DE MATERIALES)
FIGURA 10. Diagrama de flujo (Control por diferencial de flujo)
IEL2-II-04-17
30
6.2.2. Control por Flujo y Nivel
Forma de operación
El control por flujo y nivel no difiere mucho del control por diferencial de flujo en cuanto a
la estructura principal de flujo, pero si lo hace en los elementos específicos como
transmisores. Así pues la implementación también posee dos líneas de 3” pulgadas las
cuales convergen a una tercera que va al ducto principal (primera línea: Línea de químico
proveniente de tanques de almacenamiento y bomba de inyección, segunda línea: Línea de
agua caliente y alta presión; y tercera: unión de la primera y segunda para conducirlas al
ducto principal). Esta segunda estrategia realiza la medición del flujo del químico al final
de la línea de químico lo que permite medición directa del flujo de químico a través de la
línea y monitoreo de posible taponamiento. Además mide el nivel sobre el tanque de
almacenamiento y mediante cálculos, con base en el nivel del tanque, estima el flujo de
salida del mismo y a su vez taponamientos o aglutinamientos de químico en él.
FIGURA 11. Diagrama general por flujo y nivel
IEL2-II-04-17
31
Transmisor
Para este caso el objetivo es tener un medidor de flujo sobre el final de la línea que
transporta químico de alta viscosidad, razón por la cual debe ser un sensor mucho más
sensible y más costoso. De otro lado se tendrá un sensor de nivel en el tanque de
almacenamiento el cual permite controlar la dosificación, los niveles e intervalos de
tanqueado y por último nos permitirá establecer si existe taponamiento en la salida del
tanque que es donde es más frecuente. Para la tabla de los sensores de nivel se estimo que
debía ser un sensor de tipo no intrusivo para que no interfiera con la viscosidad y
adherencia del químico (grumos). De esta manera este método nos ofrece seguridad en
control de flujo sobre la entrada y cerca de la salida del ducto que transporta químico.
ATRIBUTO Área-Variable
Coriolis Gas flujo-masa
Presión Diferencial
Turbina Piñón Ovalado
GASES SI SI SI SI SI — LIQUIDOS SI SI — SI SI SI
LIQUIDOS VISCOSOS
SI (Calibración especial)
SI — NO SI (Calibración especial)
SI, >10 Centistokes (cst)
LIQUIDOS VISCOSOS
SI SI — NO SI SI
PRESICION, ± 2-4% Escala completa
0.05-0.15% de lectura
1.5% Escala completa
2-3% Escala completa
0.25-1% de lectura
0.1-0.5% de lectura
REPETIB., ± 0.25% Escala completa
0.05-0.10% de lectura
0.5% Escala completa
1% Escala completa
0.1% de lectura
0.1% de lectura
MAX. Presión, PSI
200 y mas 900 y mas
500 y mas 100 5,000 y mas 4,000 y mas
MAX TEMP., °F
250 y mas 250 y mas
150 y mas 122 300 y mas 175 y mas
CAIDA DE PRESION.
MEDIA BAJA BAJA MEDIA MEDIA MEDIA
Turndown ratio 10:1 100:1 50:1 20:1 10:1 25:1 COSTO PROM. ($ U.S) $200-600 $2,500-
5,000 $600-1,000 $500-800 $600-1,000 $600-1,200
TABLA 5. Tabla Comparativa para selección de medidor de Flujo
IEL2-II-04-17
32
Válvulas
Para este caso el tipo de válvulas cumplirán las mismas funciones que para el de flujo
diferencial. Una encargada de detener a los tanques de tanqueo, otra para cerrar la primera
línea de químico, la tercera para aislar la segunda línea de bombeo de agua caliente, y la
última para el cierre de todo el sistema de inyección con los costos aproximados de 500 U.S
- 600 U.S para las solenoides, y 1.000 U.S - 1.500 U.S para las electroválvulas debido a los
parámetros de alta presión.
Otros Aspectos
Al igual que en el diferencial de flujo, para esta propuesta también se usarán los materiales
más convenientes que se expusieron en la sección de Otros Aspecto – Control por
diferencial de flujo. Para este caso en lo único para lo que hay que ser cuidadoso será en la
construcción de un tanque de dimensiones pre-establecidas, ya que estas serán de suma
importancia para el programa de control que se desarrolle ya que se deberá ingresar la
capacidad exacta del tanque.
IEL2-II-04-17
33
Estudio Financiero
En esta fase se realiza un análisis financiero y proyección del proyecto a dos años (cambios tecnológicos), teniendo en cuenta su tasa
interna de retorno (TIR) y el diagrama de flujo del proyecto.
TABLA 6. Flujo trimestral para control por flujo y nivel (Proyección a dos años)
Al igual que el anterior proyecto, en este análisis financiero
se asumen aproximaciones en costos fundamentados en la promediación de diversas cotizaciones. El periodo que se escogió fue de dos años para cumplir con la teoría de cambio de tecnología y para que quedaran con el mismo periodo los dos proyectos para la facilidad a la hora de la evaluación de cada uno.
(VER ANEXO E – TABLA DE COTIZACION DE MATERIALES)
FIGURA 12. Diagrama de flujo (Control por flujo y nivel)
IEL2-II-04-17
34
6.2.3. Escogencia y evaluación Luego de la evaluación la TIR para el control por flujo diferencial tuvo un valor de 14%,
mientras que para el control por flujo y nivel fue de 16% debido al ahorro en
mantenimiento que se logra y al valor de salvamento del proyecto por la calidad y
tecnología escogida. Con estos dos índices podemos afirmar que los dos proyectos son
viables, pero luego de una evaluación financiera más profunda (método de diferencias de
flujo), se encuentra que el proyecto por flujo y nivel es más viable económicamente.
De esta manera se realizó una evaluación de cada proyecto mediante la comparación del
VPN en función de la TIR como se muestra en la TABLA 7. y FIGURA 13. Al
contrastarlas se ve que tienen la misma tendencia. Por esta razón se prosigue a hacer una
evaluación mediante la resta del flujo para el proyecto B (mayor TIR), menos el flujo del
proyecto A (menor TIR), y a este nuevo flujo se le haya la TIR. Dado que la TIR del nuevo
proyecto nos da mayor que la TIR correspondiente del proyecto B, entonces el proyecto B
es el más viable y sobre el cual se profundizará.
IEL2-II-04-17
35
TABLA 7. VPN en función de la TIR
FIGURA 13. Tasas de rentabilidad
Otro aspecto relevante es que como se muestra a continuación en una prueba para el mes de
octubre el gasto de químico para un año es de aproximadamente ochenta y dos mil dólares
lo cual se puede reducir casi a la mitad.
TABLA 8. Muestra y gastos anuales por inyección de químico
Teniendo en cuenta un estudio que se había realizado sobre el impacto de la dosificación
del químico en la calidad del petróleo se obtuvo que la dosis podría llegar a alcanzar la
mitad de la dosis actual lo que implicaría un ahorro de cuarenta mil dólares en un año.
IEL2-II-04-17
36
6.3. Diseño Seleccionado A continuación se explicará en detalle aspectos más precisos para la construcción del
proyecto.
6.3.1. Características de Selección
Debido a la delicadeza en la transmisión y recepción de datos se partió de una serie de
parámetros a la hora de selección de acuerdo al tipo de comunicación y estándares actuales.
Primero se centró en el tipo de comunicación la cual cumpliera las siguientes
especificaciones: señal con poca caída, transmisión de alarmas o disparos por error del
transmisor, exactitud en la medición y alta velocidad de envío. Se decidió usar el protocolo
HART (High Addresable remote transmiter) ya que permite la transmisión de datos, señal y
alimentación a partir de una conexión dos hilos en un loop de corriente. También se
propuso usar una señal de 3 o 4 hilos de salida de 4 a 20mA o en su defecto una
configuración de pulsos (NPN o PNP) a los cuales, por medio de un medidor de frecuencia,
se convertirían en señal de 4 a 20mA.
En este análisis se estableció seleccionar un transmisor con salida de corriente ya que la
señal sufre menos caídas o variaciones debido al ruido, respecto a una señal de salida por
voltaje. También se estableció otro parámetro de confiabilidad el cual era tener un intervalo
medición de 4 a 20mA en comparación a uno de 0 a 20mA (en caso de estar apagado el
transmisor para 4 a 20mA produce un valor incorrecto de 0mA y se detecta algún tipo de
error, mientras que para 0-20mA siempre mostraría el dato mínimo de lectura
correspondiente a 0mA, sin saber si se encuentra apagado o dañado el equipo).
IEL2-II-04-17
37
6.3.2. Descripción y Selección del Transmisor de Nivel
Para la selección del tipo de transmisor de nivel se buscó un sensor que no fuera intrusivo,
que proporcionara además un bajo costo por mantenimiento y que su costo justificara su
utilización. Luego de haber estudiado los sensores capacitivos, inductivos, de radar, y
ultrasónicos entre otros (VER ANEXO F – DESCRIPCION DE TIPOS DE
TRANSMISORES DE NIVEL), se estimó que el transmisor de nivel por ultrasonido era
el apropiado para el tipo de aplicación debido a que a diferencia de otros sensores este
presenta una lectura confiable con base en un método de medición que se basa en la
evaluación del tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas desde el sensor hasta la
superficie del material y el reflejo de la misma (razón por la cual el sensor no entra en
contacto directo con el químico). A razón de esto no se generan taponamientos o
sellamientos del sensor debido a la viscosidad lo que traería lecturas erradas. Finalmente y
no menos importante este transmisor resulta económico al ser un instrumento que casi no
requiere de mantenimiento y que también posee un costo accesible respecto a otros
transmisores (como el de medición hidrostática).
De esta manera se escogió el sensor de marca Deltalevel de
530 U.S que se encuentra en la TABLA 9., debido a que su
rango de medición comienza en 4” y posee una buena
exactitud y cumple con los parámetros preestablecidos de tipo
de alimentación y comunicación.
FIGURA 14. Sensor de nivel
IEL2-II-04-17
38
Especificación de dos transmisores de ultrasonido -
DeltaLevel
Transmisores de Nivel
Tabla Detallada Diego Antonio Leguizamón Hernández REV. No. 1
SENSOR DE NIVEL:
TABLA 9. Especificación de dos transmisores de ultrasonido - DeltaLevel
IEL2-II-04-17
39
6.3.3. Descripción y Selección del Transmisor de Viscosidad La aplicación que se le dará al transmisor parte de medir un líquido viscoso (VER ANEXO
G – DESCRIPCION DE TIPOS DE TRANSMISORES DE flujo), de manera que el
medidor de flujo másico no es factible ya que este se comporta mejor en aplicaciones en
donde la medición se hace sobre gases. Como nos enfrentamos a un líquido de alta
viscosidad el medidor de flujo diferencial no nos convendría por la geometría que este
posee y por las cavidades, las cuales pueden llegarse a taponar lo que implicaría un
constante costo de mantenimiento y reemplazo. En esta misma línea se busca un medidor
que proporcione un alto grado de exactitud para su mejor monitoreo, de manera que luego
de haber realizado los filtros correspondientes solo nos quedan el medidor por turbina y el
de piñones ovalados los cuales proporcionan una repetibilidad de datos de 0.1% en
medición lo cual es muy confiable para el tipo de aplicación. Finalmente y dado que la
bomba que usamos posee un flujo menor a 10 centistoke con un bombeo mínimo de 0GPD
a uno máximo de 4.5GPD y también a la exactitud que debemos obtener debe ser alta,
entonces terminamos con el transmisor de piñones ovalados que nos proporciona una de 0.1
a 0.5% respecto a una de 0.25 a 1% del medidor por turbina.
Se escogieron dos transmisores de marca Coleparmer con
las especificaciones de la tabla. Finalmente se optó por el
de 735 U.S debido a su rango de presión dado que el
conector es de 1/4NPT, y por la relación de presión-área
aumenta la presión en el sensor...
FIGURA 15. Sensor de flujo
IEL2-II-04-17
40
ESPECIFICACION DE LOS SENSORES
Transmisores de Flujo
Tabla Detallada Diego Antonio Leguizamón Hernández REV. No. 1
SENSOR DE FLUJO:
TABLA 10. Especificación de dos transmisores de Piñones Ovalados – Coleparmer
IEL2-II-04-17
41
6.3.4. Instrumentación y Cronograma
Lo costos de la evaluación final de la propuesta están incluidos en el anexo de cotización de
materiales (ANEXO E – TABLA DE COTIZACION DE MATERIALES ), y
corresponden a costos reales del proyecto.
En cuanto al tipo de válvula, se determinó comprar una válvula solenoide de dos vías con
bobina AC de marca ASCO (VER ANEXO H – VALVULAS SOLENOIDES ). Esta
decisión fue tomada gracias a la variedad de opciones que ofrece esta empresa en
solenoides, ya que se pudo encontrar una solenoide-electroválvula con especificaciones de
alta presión para disminuir el peligro de taponamiento. La tubería se mantuvo en 3”
pulgadas de diámetro en acero puro. El sistema de control corresponde a equipos para PLC
Allen Bradley y otros costos asociados de administración, mantenimiento de software y
obra civil (bomba de cargue y bomba de dosificación) entre otros.
En cuanto al cronograma del proyecto se realizó un Project para el desarrollo e
implementación de este. La duración del proyecto será de 6 meses y se divide en:
Revisión y Análisis del Problema y Acercamiento Visual del proyecto, Nociones del
Problema en la Industria, Diseño del problema y automatización, Modelaje, Programación
(Automatización y Visualización), Bases de Datos y clasificación de los sensor (VER
ANEXO I - PROJECT DEL PROYECTO)
IEL2-II-04-17
42
6.3.5. Algoritmo de Control A continuación se presentan los respectivos algoritmos desarrollados para la
automatización de la planta de inyección teniendo en cuenta el control por flujo y nivel que
se escogió en la segunda etapa. Estos algoritmos basan su desarrollo en redes de Petri
orientadas al software RsLogix500 de Allen Bradley. La escogencia de esta herramienta se
debe a que actualmente es el programa usado en la industria petrolera. A continuación se
muestra una gráfica del software empleado:
FIGURA 16. Pantallazo del Software usado (RsLogix500 de Allen Bradley)
IEL2-II-04-17
43
Algoritmo para el tanque de almacenamiento (Transmisor de Nivel)
Dado que uno de los puntos importantes de este algoritmo es el cálculo de flujo con base en
el nivel entregado por el transmisor, presentaremos la forma como se realizó y las
suposiciones debidas para la obtención de la relación nivel – flujo que se muestra a
continuación:
FIGURA 17. Esquema del tanque de almacenamiento
212
121
gyPgyPo ρρρν +=++
ρρ
νghPoP 2)(2
1+−
=
Dado que la diferencia de PoP − es cero asumiendo presión atmosférica en ambos puntos,
se estima que la velocidad es: gh21 =ν . Esta al ser multiplicada por el área A1
(3”pulgadas de diámetro), o sea 200456.0 m , nos permite saber el valor del flujo a la salida
del tanque de químico.
ghFLUJO 2= * 200456.0 m
Ahora que se ha calculado el flujo, explicaremos el algoritmo completo.
IEL2-II-04-17
44
El algoritmo inicia comprobando que el instrumento se encuentre calibrado en el rango
permisible para el programa RsLogix500. Si esto no sucede quiere decir que el transmisor
se encuentra en falla y una señal luminosa de falla se hará presente en el módulo digital de
salida. En caso de no encontrarse en falla se realiza la lectura y escalización para lectura de
4-20mA, en litros, y en porcentaje de llenado (tanque para almacenamiento de químico).
Dado que el paso de químico de las canecas hacia el tanque de almacenamiento se realiza
por medio de la apertura o cierre de una electroválvula SV1; este proceso de llenado se
controla para que en caso de que el tanque se encuentre por encima del ochenta por ciento
de su capacidad SV1 se cierre, y en caso de que sea menor al veinte por ciento SV1 se abra
por medio del módulo de tipo relee. La válvula SV1 también podrá ser accionada en caso
de querer pasar de acceso manual a remoto (luego de un retardo de 5 segundos para que la
electroválvula reaccione de manera apropiada en caso de un cambio brusco de estado).
Finalmente y no menos importante se crearon alarmas y disparos sobre el sistema para que
en caso de encontrarse por fuera del intervalo de veinte a ochenta por ciento de llenado
genere una alarma (lumínica) a través del módulo de salidas digitales, y para el intervalo de
diez a noventa por ciento genere un disparo (lumínico) a través del mismo módulo (VER
FIGURA 18. Algoritmo para tanque de almacenamiento).
Algoritmo para bomba de flujo (Transmisor de Flujo)
El algoritmo para el transmisor del flujo es muy parecido al de nivel ya que también inicia
con una comprobación de falla del instrumento para luego escalizarlo (en este caso flujo), a
señal de 4-20mA, Galones por hora (0.53 a 26.4 GPH), y finalmente en porcentaje. Luego
IEL2-II-04-17
45
para proteger la eficiencia de la bomba de químico Motor Roy en caso de que el bombeo
exceda el flujo estándar del transmisor por encima del 90% o se encuentre por debajo del
10%; automáticamente se pasará a acceso local por medio de la activación de la válvula
SV2 debido a que hay despilfarro de químico o taponamiento en tubería.
Algoritmo de control de salida (frecuencia)
Este algortimo recibe la lectura de flujo del trasmisor y la convierte a frecuencia (GPH),
por medio de la siguiente ecuación; donde el flujo del ducto es un parámetro conocido.
62.2)*001.0( −= ctoFlujodelDuGPH
y luego se traduce a una escala de 4 a 20mA que nos deja un rango efectivo de 0,32 a 0,74
GPH, por medio de la multiplicación de GPH por el factor de conversión que es de 0.042
042.0*)204( GPHmAaCorriente =
Algoritmo de control de solenoides (manual - remoto)
Estas electroválvulas o válvulas solenoides SV3 y SV4 se pueden manipular de manera
local o remota, de manera que si se activa la SV3 la inyección de agua a alta presión se
interrumpirá. En el caso de activar la SV4 se genera un Emergency Shut Down (ESD) el
cual cierra toda la bomba y en caso de ir conectado a un sistema SCADA, también
generaría otros ESD.
IEL2-II-04-17
46
A continuación se presenta el algoritmo final para el control del tanque de almacenamiento:
FIGURA 18. Algoritmo para tanque de almacenamiento (control por nivel SV1)
IEL2-II-04-17
47
A continuación se presenta el algoritmo final para el control del tanque de almacenamiento:
FIGURA 19. Algoritmo para medidor de flujo (control por flujo)
IEL2-II-04-17
48
A continuación se presenta el algoritmo final para el control local remoto de las válvulas
SV3 (Bomba de agua de alta presión) y SV4 (Emergency Shut Down):
FIGURA 20. Algoritmo para accionamiento local –remoto (válvulas SV3 y SV4)
IEL2-II-04-17
49
7. ANALISIS Y RESULTADOS
Luego de haber realizado el análisis técnico financiero se obtiene que el control por flujo y
nivel es el apopiado para automatizar. Esto debido a la Tasa Interna de Retorno de dieciseis
por ciento que posee y a la versatilidad en el monitoreo debido a la mayor cantidad de
parámetros por el tipo de transmisores de nivel y flujo y a su posición sobre distintos
equipos. De otro lado el sitio de contrucción queda restringido a un espacio aproximado de
27 2m (6m x 4.5m), teniendo como ventaja el no estar en área clasificada y encontrarse a
menos de 3 metros del punto de inyección o ducto principal.
Para la selección de quipos iniciaremos hablando de los transmisores. El primero es un
transmisor de nivel por ultrasonido DeltaLevel que se encuentra sobre el tanque de
almacenamiento (luego de las canecas de suministro), el cual se caracteriza por no ser
intrusivo, tener salida de 4 a 20mA, lectura hasta de 6 pies, conexión a dos hilos, error de
lectura de 0.25% y alimentación de 12 a 30V. El segundo corresponde al transmisor de
flujo por piñones ovalados Coleparmer situado sobre la línea que conduce el químico justo
antes de unirse con la línea de agua, el cual se caracteriza por soportar alta viscosidad, tener
una salida en pulsos (la cual se convierte en señal de 4 a 20mA a través de un convertidor
Ultraslimpack), error del 1% en lectura y alimentación de 4.5 a 24V. De otro lado, y para
prevenir problemas por adherencia en la tubería se escoge tubería de 3” de diametro y
electroválvulas AC (3/4 NPT) para que su accionamiento mediante la bobina sea más
fuerte y no se bloqueen. Dado el enfoque del trabajo, se entrega un cronograma completo
de actividades para la resolución de este proyecto y construcción del mismo.
IEL2-II-04-17
50
Finalmente se realiza la programación para un rack de cuatro de marca Allen Bradley, el
cual cuenta con un primer módulo de tipo procesador con memoria de 16K y con 3
módulos generales. Los módulos en su orden son: un segundo módulo de referencia 1746-
OW8 que es de cuatro salidas tipo relée los cuales controlarán cada una de las
electroválvulas. Un tercero es de referencia 1746-NIO4I correspondiente a 2 entradas de
corriente de 0 a 20mA las cuales son para cada uno de los sensores, y dos salidas de 4 a 20
mA en dodne una de ellas es la salida para control de la bomba de dosificación de químico
y la otra queda libre. Un último módulo de referencia 1746-OB16 que tiene 16 salidas a 5V
los cuales se usan para la muestra de alarmas, disparos y estado local-remoto de la estación
o de algún equipo. Se hace entrega de un algoritmo que controla 4 subsistemas. El primer
subsistema correponde al sensor de nivel el cual permite el paso de químico para su
correcto llenado (alarmas y disparos de lleno o vacío en el tanque), a la véz que
proporciona un cálculo de flujo evacuado para preveer taponamiento. El segundo y tercero
corresponden a flujo los cuales controla el bombeo de químico como señal de frecuencia y
como señal de sobre esfuerzo de la bomba dosificadora. Por último se encuentra un
algoritmo para el control de la electroválvula encargada de la bomba de agua SV3, y el
cierre de toda la estación en caso de emergencia por medio de la electroválvula SV4 las
cuales tambien corresponden al modo local-remoto. El algoritmo desarrollado fue validado
parcialmente con otros sensores y equipos de calibración (transmation, generador de
señales).
IEL2-II-04-17
51
8. CONCLUSIONES
El estudio de viabilidad permite encontrar una solución para la implementación futura y
mejora del proceso de automatización en una estación de inyección de químicos, valiéndose
de herramientas de evaluación como el estudio técnico financiero (TIR, VPN), para obtener
un resultado más objetivo de acuerdo a la relación costo-beneficio.
En el análisis inicial y planteamiento del problema en sitio se manifiesta uno de los puntos
más críticos de todo proyecto debido a limitantes que pueden surgir como el espacio
reconstrucción o a problemas físicos debido a variables del sistema como la viscosidad de
un fluido, por eso es indispensable los registros fotográficos e investigación del proceso a
fondo.
La escogencia de equipos de última tecnología no solo proporciona mejor sensibilidad en la
medición sino también mayor durabilidad del proyecto de manera que aunque se deba
realizar una inversión más alta al inicio, esta proporciona mayor rentabilidad a futuro. En
esta misma tónica se debe tener en cuenta que la selección de tecnología debe estar
supeditada a parámetros y estándares de la industria.
La implementación de un programa para supervisión y control se hace indispensable para el
proceso de automatización debido a los múltiples accionamientos de los diferentes
componentes que intervienen en la dosificación y visualización de las variables que
intervienen en este mismo para pronóstico y chequeo.
IEL2-II-04-17
52
En la realización los paquetes de software representan una gran ayuda para la elaboración
de éste proyecto, ya que programas como Project y RsLogix500 entre otros, permiten una
formulación y comprobación de las dimensiones reales que tomará el proyecto a la hora de
su construcción.
Finalmente se concluye este trabajo (restando la construcción del mismo), con algoritmos y
tecnologías abiertas para facilidad de una futura ampliación, cambio de tecnología, o
mejora del algoritmo de control teniendo en cuenta su debido análisis técnico financiero.
Esto con el fin de obtener el mejor desempeño de la planta de inyección de químicos para la
purificación del agua en la industria petrolera
IEL2-II-04-17
53
9. BIBLIOGRAFIA
[ 1] SAPAG CHAIN, Nassir, Reinaldo. “Preparación y evaluación de Proyectos”, Segunda
Edición, Editorial: Mc. Graw Hill [ 2] SERRANO RODRIGUEZ, Javier.”Matemáticas financieras y evaluación de
proyectos”, Primera Edición: Editorial: Ediciones Uniandes. [ 3] CARDENAS, Yolanda A. “Tratamiento de Agua: Coagulación y Floculación”,
SEDAPAL , documento de Evaluación de Platas y Desarrollo Tecnológico (Abril 2000) [ 4] KUO, Benjamín C. “Automatic Control Systems”, Séptima Edición, Editorial: Wiley. [ 5] OGATA, Katsuhiko, "Ingeniería de Control Moderna", Segunda Edición, Editorial: Prentice-
Hall Hispanoamericana. [ 6] VILLAMIL FLORIAN Julián, MURCIA BRYAN Carolina “Prototipo: Módulo de
dosificación de líquidos en mezclas de agua-aceite” Universidad e la Salle, Tesis de Grado de Ingeniería de diseño y automatización electrónica.
[ 7] AVALLONE Eugene A., BUAMEISTER III Theodore. “Manual del Ingeniero Mecánico”,
Novena Edición, Vol. I, II. [ 8] SHIGLEY, Joseph E., MISCHKE Charles R., “Mechanical Engineering Design” Sexta Edición. [ 9] DEL RAZO, Hernández Adolfo, “Sistemas Neumáticos e Hidráulicos: Apuntes de Teoría”
Editorial: U.P.I.I.C.S.A. [ 10] DEPPERT W. / K. Stoll. “Aplicaciones de Neumática” Ed. Marcombo. España, Barcelona. [ 11] DEPPERT W. / K. Stoll. “Dispositivo Neumáticos” Ed. Marcombo Boixareu. España,
Barcelona. [ 12] Gordon J. Van Wylen – Richard E. Sonntag. “Fundamentos de Termodinámica” Editorial:
Limusa, México [ 13] GUILLÉN SALVADOR, AAntonio. “Introducción a la Neumática” Editorial: Marcombo,
Boixerau editores. [ 14] RESNICK, Roberto; HALLIDAY; WALKER. “Fundamentos de Física” Sexta Edición,
Editorial: Compañía Editorial Continental, México D.F. [15] www.coleparmer.com [16] www.deltalevel.com
IEL2-II-04-17
54
[17] www.ab.com [18] www.qualitypipeproducts.com
IEL2-II-04-17
55
10. ANEXOS
I. ANEXO A
PRUEBA A ESCALA DEL PROCES O QUIMICO Y DE LA CELDA D E FLOTACION
A continuación se p resenta una prueba a escala del proceso real pero en laboratorio.
1. CELDA DE FLOTACION (AGITADOR) Los agitadores como tal son motores que por medio de su movimiento, permiten el p roceso de agitación y
generación de burbujas desde el fondo hacia arriba.
2. GENERACION DE BURBUJAS Las burbujas determinan un empuje de estas sobre cualquier tipo de aceite aglomerado el cual tenderá a salir debido al empuje, para su debido proceso de skimado o limpiado de capa (sedimentos).
3. SIMULACION DE QUIMICO INYECTADO La inyección del químico permite hacer un control más r iguroso por medio de métodos de coagulación y floculación. En la p ráctica el químico se suministra sobre 30 metros antes de los agitadores
4. INYECCION QUIMICO Y NORMALIZACION
El siguiente paso es dosificar la cantidad de químico y esperar a la reacción de este con el medio la cual tarda 1’20 minutos. Luego se presenta el fenómeno de normalización, en donde la floculación y coagulación se han p resentado, para quedar en espera de su esquimado.
5. INYECCION DE AIRE ATMOSFERICO
Por último se inyecta aire por el tubo y se generan burbujas a una rata de cambio más alta para sacar los coágulos de aceite y limpiar el exceso sobre la superficie.
IEL2-II-04-17
56
II. ANEXO B
HOJA DE DATOS DIS MULGAN D1109
LINEA DE EMERGENCIA
3333
TARJETA DE EMERGENCIA DISMULGAN
1. ROTULACIÓN DE LOS RIESGOS DE UTILIZACIÓN DEL PRODUCTO
1 1 0 G
2.Sección I - INFORMACIÓN GENERAL:
NOMBRE COMERCIAL Y SINONIMOS: Dismulgan
FAMILIA QUIMICA: Polí mero catiónico
3. Sección III- DATOS FÍSICOS:
ESTADO FÍ SICO: Líquido
PUNTO DE EBULLICIÓ N ( GRADOS CENTIGRADOS) : 100
PUNTO DE FUSIÓN (GRADOS CENTIGRADO): 0
PRESIÓN DE VAPOR (mm Hg) : Simil ar al ag ua a 20º C
DENSIDAD DE VAPOR (AIR = 1) : 1.1
IEL2-II-04-17
57
GRAVEDAD ESPECIFICA (H2O=1):1.01(20º C)
SOLUBILIDAD EN AGUA: Soluble(20º C)
OLOR: Lig eramente oloroso
pH:2.0
4. PROCEDIMIENTOS DE EMERGENCIA Y PRIMEROS AUXILIOS:
-Inhalació n: Lleve l a vi ctima siti o con aire fr esco. Sumini str e r espir ació n ar tifi ci al si es necesario.
-Contacto con l a piel : Lavar l as áreas afectadas con ag ua y j abó n.
-Contacto con l os ojos: Lavar i nmediatamente con abundante agua al menos durante 15 minutos. Si l a irri tació n persiste consul te al mé dico.
-Ingestión: Inducir el vó mito solo si l a persona esta consciente. Buscar pronta atención médica.
5. Sección VI- REACTIVIDAD:
ESTABILIDAD : ( X ) ESTABLE
CONDICIONES A EVITAR: Almacenamiento del producto en áreas desprotegidas.
INCOMPATIBILIDAD (MATERIALES A EVITAR): Mantener separado de agentes al cali nos fuer tes o agentes oxidantes fuertes.
PRODUCTOS DE DESCOMPOSICIÓ N PELIGROSOS: Ning uno.
PRODUCTOS PELIGROSOS DE LA COMBUSTION: Informació n no suministr ada por el proveedor
RIESGO DE POLIMERIZACIÓN: ( ) SI OCURRE
( X ) NO OCURRE
6. Sección VIII- PROTECCIÓN PERSONAL:
PROTECCIÓN RESPIRATORIA : En l ug ares cerrados se req uiere r espir ador
PROTECCIÓN DE LOS OJOS: Gafas de seg uridad
GUANTES: De material impermeable y r esi stente
TRAJE DE PROTECCIÓN: Ropa usual de trabajo q ue proteja del contacto con el producto
HIGIENE: El personal que manipula los productos quí micos debe lavarse las manos antes de comer , fumar, o usar l os baños.
7. Sección IX- PRECAUCIONES ESPECIALES:
La vida del producto es de 4 meses a una temperatura entre 15 y 35º C. Almacé nese en la sombra. Manteng a los recipientes cerrados. Se recomienda un período de almacenamiento máximo de 8 meses.
IEL2-II-04-17
58
III. ANEXO C
PARAMETROS AMBIENTALES 1. OBJETIVO
Verif icar el cumplimiento de las normas y regulaciones que ap liquen a la calidad del agua potable, aguas superficiales y subterráneas y finalmente de la calidad de los vertimientos de aguas residuales asociadas con las actividades desarrolladas en la operación 2. OBJETIVO
Verif icar el cumplimiento de las normas y regulaciones que ap liquen a la calidad del agua potable, aguas superficiales y subterráneas y finalmente de la calidad de los vertimientos de aguas residuales asociadas con las actividades desarrolladas en la operación 3. DEFINICIONES
AGUA CRUDA: Es aquella que no ha sido sometida a p roceso de tratamiento. AGUA POTAB LE: Es aquella que por reunir requ isitos físicos, químicos y bacteriológicos, al ser consumida por la población humana no p roduce efectos adversos a su salud. . CONTAMINACION DEL AGUA: Es la alteración de sus características físicas, químicas o bacteriológicas como resultado de las actividades humanas o procesos naturales y que puede tener efectos negativos a nivel biológico ANALIS IS FIS ICO-QUIMICO DEL AGUA: Es aquel que se efectúa para determinar sus características físicas, químicas o ambas. ANALIS IS BACTERIOLOGICO DEL AGUA: Es aquel que se efectúa para determinar la presencia, tipo y cantidad de bacterias. NUMERO MAS PROBABLE (NMP): Es el Índice de bacterias que más p robablemente que cualquier otro, expresaría los resultados mostrados por examen de laboratorio al analizar una muestra de agua y se expresa como cantidad de organ ismos por cien (100) centímetros cúbicos. INDICE COLIFORME: Es la cantidad estimada de microorganismos de grupo coliforme en cien centímetros cúbicos (100 cm3) de agua, cuyos resultados se expresan en términos de NMP en el método de los tubos Múltip les y por el número de microorganismos en el método del filtro de membrana. ESCHERICHIA COLI, (E-coli, Coli fecal): Es el bacilo gram-negativo que no forma esporas, que fermenta la lactosa con producción de ácido y de gas a 44.5ºC en 24± 2 horas.
IEL2-II-04-17
59
NORMA DE CALIDAD DE AGUA: Es el valor admisible o deseable establecido para algunas características presentes en el agua, con el fin de determinar su calidad y contribuir a preservar y mantener la salud humana. CRIT ERIO DE CALIDAD DE AGUA: Es el valor establecido para algunas características p resentes en el agua, con el fin de concep tuar sobre su calidad e iniciar investigación sanitaria cuando las circunstancias lo ameriten. TRATAMIENTO: Es el con junto de operaciones y p rocesos sanitarios que se realizan sobre el agua cruda, con el fin de modif icar sus características físicas, químicas o bacteriológicas para obtener agua potable que cumpla las normas de calidad establecidos. S ISTEMA DE SUMINIS TRO DE AGUA: Es aquel que comprende las obras, equipos y materiales empleados para la cap tación, conducción, tratamiento, almacenamiento y distribución del agua para consumo humano desde la fuente de abastecimiento hasta la entrega al usuario, así como los demás requerimientos humanos y técnicos previstos en el presente Decreto. FUENTE DE ABASTECIMIENTO: Es todo recurso de agua suscep tible de ser utilizado por un sistema de suministro de agua. PLANTA DE T RATAMIENTO: Es el conjunto de obras, equipos y materiales necesarios para efectuar los procesos y operaciones unitarios que permitan obtener agua potable.
4. TOMA DE MUES TRAS Esta guía incluye los estándares relacionados con la p rotección de la calidad del agua y ap lica a aguas crudas, potables, residuales (domésticas e industriales), subterráneas y superficiales. 4.1. AGUAS RESIDUALES INDUS TRIALES 4.1.1. Aguas de Producción Los parámetros de monitoreo en las aguas de p roducción son los siguientes:
PA RA METRO NOR MA Ph 5.0-9.0 Temperatura < 40° C Mat erial Flotante No visible Aceites y G rasas Películas no visible (<15 pp m) Sólidos suspendidos totales < 30 ppm* DBO5 <40 ppm* DQO < 100 pp m* Fenoles < 0.2 pp m
* En el caso de no cumplirse con esta norma se deberá cumplir con la remoción del 80% de la carga contaminante.
IEL2-II-04-17
60
5. MARCO DE REFERENCIA 5.1. LEGISLAC IÓN NACIONAL (MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENT E) Decreto 475 de 1998 Decreto 1594 de 1984 Decreto 1600 de 1994
5.2. LEGISLACIÓN AMERICANA (ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, U.S . EPA) The Safe Drinking Water Act (SDWA) Executive Order (EO) 12088, Federal Compliance with Pollution Standards
6. DOCUMENTACIÓN Y REGISTROS Dentro de los documentos que se mantendrán como soporte las actividades de p rotección de la calidad del agua se encuentran: AGUA POTAB LE Registro de análisis microbiológico y fisicoquímico de agua potable que incluya
fecha y localización del muestreo, fecha de análisis, métodos analíticos utilizados y resultados de los análisis
Cronograma de toma y análisis de muestras Reportes de operación de las plantas de tratamiento (flujo, cloro residual, etc.)
AGUAS RESIDUALES /S UPERFICIALES /SUBTERRANEAS Reportes de monitoreo de puntos de descarga del último año Registros de Control y aseguramiento de la calidad para el laboratorio Reportes mensuales de operación de las facilidades de tratamiento de aguas
residuales
IEL2-II-04-17
61
IV. ANEXO D
REGIS TRO FOTOGRAFICO DE LA BOMB A DE QUIMICOS A continuación se p resenta el registro fotográfico más rep resentativo de la estación de inyección de químicos en su estado actual:
Vista frontal de la estación y detalle de los elementos de inyección
Bomba de químicos – Motor Roy (Amarilla)
Detalle de la bomba de químicos y tablero de alimentación
IEL2-II-04-17
62
V. ANEXO E
TAB LA DE COTIZAC ION DE MAT ERIALES
TIPO ITEM CANTIDAD DESCRIPCION
PRECIO UNITARIO
USD
PRECIO TOTAL
USD
TRANSMISORES
TRANSMISOR DIFERENCIAL DE FLUJO * 1EA
DIFERENTIAL LOW VISCOSITY FLUID, 3/4'' NPT, (50PSI) 610 610
TRANSMISOR DE FLUJO * 1EA
OVAL GEAR (HALL EFFECT OUTPUT) LOW FLOW , HIGH VISCOSITY, 1/4'' NPT, EW -32925-50(75PSI) 513 513
* 1EA
OVAL GEAR (HALL EFFECT OUTPUT) LOW FLOW , HIGH VISCOSITY, 1/4'' NPT, EW -32925-52(150PSI) 735 735
TRANSMISOR DE NIVEL * 1EA MEDIDOR DE TIPO ULTRASONICO, 4'' A 6 FT, 1 1/2, 872B 530 530
* 1EA MEDIDOR DE TIPO ULTRASONICO, 6'' A 10 FT ,1 1/2, 872H* 560 560
SOLNOIDES, TUBERIA, BOMBAS DE DOSIFICACION BOMBAS DOSIFICADORAS * *
MATERIAL USADO ACTUALMENTE(4-20mA) 5245 5245
BOMBA DE CARGUE 2HP * * MATERIAL USADO ACTUALMENTE(4-20mA) 2500 2500
SOLENOIDES * 4 EA VALVULA SOLENOIDE DE 2 VIAS ALTA PRESION 599 2536
* 4EA VALVULA SOLENOIDE DE 2 VIAS ALTA PRESION 1398 5592
TIPO DE TUBERIA 3'' Carbón
* *
50m 50m
BLACK SCHEDULE 40(STANDAR) GALVANIZADA SCHEDULE 40 (ESTÁNDAR)
33,76 (2,24m) 42,07 (2,24m)
753 939
Stainless Steel * *
50m 50m
TYPE 304/304L TYPE 304/304L
738,62(2,24m) 935,29 (2,24m) 10000
PLC ALLEN BRADLEY RACK PARA MODULOS ALLEN BRADLEY * 1 EA RACK, 4 MODULES FOR SLC 500 120 120 * 1 EA RACK, 7 MODULES FOR SLC 500 210 210
IEL2-II-04-17
63
TIPO ITEM CANTIDAD DESCRIPCION
PRECIO UNITARIO
USD
PRECIO TOTAL
USD
MODULO CORRIENTE * 1 EA 1746-NIO4I, ANALOG INPUT/OUTPUT CURRENT MODULE 581 581
MODULO RELÉ * 1 EA 1746-OW8, RELAY MODULE 114 114
MODULO DIGITAL * 1 EA 1746-OB16, MODULO DE 16 SALIDAS DIGITALES 180 180
CPU-PLC * 1 EA 1747-L541C, 5/04 CPU, 16K Mem., OS401, Series C 800 800
OTROS COSTOS Y ACCESORIOS OBRA CIVIL * * MONTAJE Y ADECUACION DEL SITIO 2260 2260
TABLERO DEL PLC * 1 EA
TABLERO CON BORNERAS, MARQUILLADO, CONEXIONADO A MODULOS DEL PLC 1500 1500
COSTOS ADMINISTRATIVOS * * ADMINISTRATIVOS E IMPREVISTOS 500 500
PRUEBAS * *
PRESONAL DE PRUEBAS, PUESTA EN SERVICIO 500 500
MANTENIMIENTO ANUAL * * REVISION SOFTWARE Y PROTOCOLOS DE CHEQUEO 200 200
TOTAL APROXIMADO DE INVERSION INICIAL U.S 31135
IEL2-II-04-17
64
VI. ANEXO F
DES CRIPCION DE TIPOS DE TRANS MISORES DE NIVEL Principios de operación de los sensores capacitivos
Los sensores de p roximidad capacitivos son diseñados para trabajar generando un campo electrostático y detectando cambios en dicho campo a causa de un objeto que se ap roxima a la superficie de detección. Los elementos de trabajo del censor son una sonda capacitiva de detección, un oscilador, un rectificador de señal, un circuito de filtraje y el correspondiente circuito de salida. Cuando se ap roxima un objeto, éste aumenta la capacitancia de la sonda de detección. La capacitancia de la sonda de detección viene condicionada por el tamaño del objeto a detectar, por la constante dieléctrica y por la distancia de éste al censor (a
mayor tamaño y mayor constante dieléctrica de un objeto, mayor incremento de capacitancia). Dentro del criterio de selección de blindaje, hay que tener en cuenta que el campo electrostático de un censor no blindado es de más baja concentración que el correspondiente a los modelos con blindaje. Esto los hace adecuados para la detección de materiales de alta constante dieléctrica (fáciles de detectar) o también para discriminar entre materiales de alta y baja constante dieléctrica. Para un tamaño de objeto dado, los factores de corrección de sensores capacitivos se determinan por la p rop iedad del material del objeto denominada constante dieléctrica. Los materiales que poseen una constante dieléctrica más alta son más fáciles de detectar.
Principios de operación de los sensores ultrasónicos Los sensores ultrasónicos funcionan emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La frecuencia generalmente es de ap roximadamente 200 Khz. (un valor demasiado alto para ser detectado por el oído humano). Hay dos modos básicos de operación: modo opuesto y modo difuso (eco). El modo difuso es el más conveniente dada la dimensión del tanque de almacenamiento ya que para este caso es el mismo censor el que emite la onda de sonido y luego escucha el eco que
rebota de la interfase atmósfera-qu ímico. El rango de detección es la distancia dentro de la cual el censor ultrasónico detectará un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje. Los sensores ultrasónicos tienen una zona ciega inherente ubicada en la cara de detección. El tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se pueden detectar de manera confiable. Se deben tener en cuenta ciertas características de los objetos cuando se usan sensores ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material, la temperatura, el tamaño y la posición del objeto. Los materiales suaves tales como telas o caucho esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido adecuadamente. Principios de operación de los sensores inductivos
Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de
IEL2-II-04-17
65
dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El censor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un censor del nivel de disparo de la señal y un circuito de salida.
Al introducir un objeto metálico en el campo, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito censor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido a la posición.
La cara activa de un censor de p roximidad inductivo es la superficie por la que emerge el campo electromagnético de alta frecuencia. Para determinar la distancia de detección para otros materiales diferentes al acero templado se utilizan factores de corrección. La composición el objeto a detectar influye en gran medida en la distancia de detección de los sensores de p roximidad inductivos. Para el caso de materiales usados en la industria del petróleo que a continuación se listan, se multiplica la distancia nominal de detección por el factor de corrección listado para determinar la distancia nominal de detección real de dicho objeto. Los materiales más comunes y su factor de corrección específico aparecen listados en cada
página de especificación del producto.
El tamaño y aspecto de los objetos a detectar también puede afectar a la distancia de detección. Los puntos que a continuación se exponen deben utilizarse como orientación general a la hora de hacer correcciones por tamaño o forma de un objeto:
• Las formas redondeadas pueden reducir la distancia de detección • Los materiales no férricos reducen por lo general la distancia de detección en el
caso de sensores para cuerpos metálicos en general • Los objetos de menor tamaño que la superficie de detección reducen usualmente
la distancia de detección • Los objetos mayores que la superficie de detección pueden incrementar la
distancia de detección • Los cuerpos laminares pueden incrementar la distancia de detección
La diferencia entre los puntos de activación y relajación de un censor se denomina histéresis o recorrido diferencial de éste. La histéresis es necesaria para ev itar fenómenos de rebote u oscilación cuando el censor se halla sometido a choques o vibraciones o cuando el objeto a detectar se halle estacionario a la distancia nominal de detección. La amplitud de las vibraciones ha de ser menor que el recorr ido de histéresis (banda de histéresis) para evitar fenómenos de rebote. Existen también otros sensores como el de radar, los de p rincip io de medición hidrostática los cuales se emplean en líquidos viscosos pero su p recio es muy alto, o los de presión diferencial que se emplean en tanques p resurizados.
IEL2-II-04-17
66
VII. ANEXO G
DESCRIPCION DE TIPOS DE TRANS MISORES DE FLUJO
Medidor de flujo por área variable El princip io de funcionamiento del medidor de flujo por área variab le consiste en un tubo de p lástico o de vidr io que varía en su área transversal. El fluido ingresa por el extremo inferior del medidor y luego prosigue su ruta hasta el extremo superior. Dado el diferencial de p resión que existe a causa de la relación fuerza sobre área, se produce una relación directamente p roporcional con el flujo, la cual se ve traducida en el empuje inducido sobre una p ieza para poder ver la variación del flu jo de acuerdo a la posición de la p ieza. Ventajas: Este tipo de medidor de flujo se puede usar para varios tipos de
gases y líquidos, de manera que si cambia la presión o la temperatura, bastará con cambiar sus parámetros de calibración de manera que es un instrumento de fácil uso, larga vida y económico.
Desventajas: En caso de que la presión o la temperatura fluctúen, el medidor de f lujo por área variable proporcionará una lectura errada. Para el caso de un líquido v iscoso, el área variable se conv ierte en un problema ya que a medida que se reduzca radio del cono, el líquido irá decrementando su velocidad a través del ducto. Medidor de flujo másico (de masa) A diferencia del medidor de área var iable en este caso se mide la cantidad de masa de gas que pasa a través del censor. De esta forma el censor se comportara como una bomba; así que aunque varíe la presión o el volumen de esta, la cantidad de masa o gas dentro de ella siempre permanecerá constante. En cuanto al p rincipio de funcionamiento es el de una cámara con un censor de temperatura. Así cuando el aire ingresa se divide en dos conductos, uno que es el bypass por el que fluye la mayoría del gas y el otro que conduce a un censor de temperatura piezoresistivo que se encarga de med ir el diferencial a través de él. Una vez realizado este proceso, la medición o acondicionamiento de la señal se puede realizar mediante configuraciones del puente de wheatstone, teniendo en cuenta que el ingreso de cualquier otro tipo de partícula distinta al gas podría alterar su medición notablemente. Desventajas: Este tipo de tecnología es la más utilizada en medición de gases específicos.
Medidor de flujo por efecto Coriolis
IEL2-II-04-17
67
De acuerdo al p rincipio de Gustave-Gaspar Coriolis, la aceleración de un cuerpo que se mueva a una velocidad constante respecto a la tierra, obtendrá una fuerza en dirección de las manecillas del reloj hacia el hemisferio norte, y contrario en caso del sur. De esta manera el censor posee dos bobinas (una por la entrada del flujo, y otra por la salida de este), haciendo el efecto magnético que p roduce la fuerza resultante de Coriolis. Las partículas van moviéndose de lugares de baja velocidad rotacional hacia otra de alta velocidad para generar esta fuerza de Corio lis, FCor = -2m (w x v), la cual se determinar por medio de la deformación sobre el tubo que esta p roduce. Otro aspecto importante es que debido a las bobinas de carga opuesta, el sistema empieza a resonar de manera que con base a la frecuencia y la amplitud se puede saber que f luido se esta tratando al mirar la diferencia vibracional entre los dos tubos.
Ventajas: El tipo de medición que realiza es másica por lo que no sufre cambios debido a temperatura, presión, viscosidad y densidad. De otro lado, dado el efecto de resonancia el instrumento puede determinar la densidad del fluido mediante la comparación con el agua.
Desventajas: Dada su exactitud, el instrumento es extremadamente costoso y puede tener caídas bruscas de presión debido al incremento de alta viscosidad en un líquido.
Medidor de flujo diferencial Este tipo de medidores se caracteriza por su construcción mediante láminas insertadas a través del flu jo. La medición de este medidor se realiza a través de un censor de presión diferencial conectado en el tope de la cavidad superior. Este toma los datos de la lámina inferior contra la superior, teniendo en cuenta que la relación de f lujo es totalmente lineal respecto a presión, viscosidad y flujo. La ecuación se muestra a continuación:
Q = K [P1-P2)/n2] Q = Rata de flujo P1 = Presión estática en la entrada P2 = Presión estática a la salida n = viscosidad del f luido K = Constante determinada por la geometría y restricción del f luido Dada la relación de Linealidad que posee, su recalibración se hace casi innecesar ia, y en caso de tener p roblemas con la p resión, solo basta con acondicionar un censor de p resión para sup lir esta falencia. Ventajas: Como los medidores de masa, este tipo de medidores no
IEL2-II-04-17
68
posee partes movibles para extraer o armar, y en contrariedad de los medidores de masa, los medidores diferenciales pueden ser calibrados para distintos gases. Desventajas: Estos medidores pueden quedar atascados entre los p latos si superan partículas de diámetros mayores a 30 micrómetros. M edidor de flujo tipo turbina Medidor de flujo tipo turbina Este tipo de medidor de flujo guarda el mismo princip io que el de una turbina, de manera que a medida que pasa el fluido, este va haciendo que un rotor gire. Dentro del rotor se sitúan generadores de señal los cuales van directamente apuntados a un p ickup el cual manda su señal a unas bobinas, para así obtener su respuesta en frecuencia y posteriormente el flujo con ayuda de la sigu iente ecuación :
V=KwsinNwt K = Amplitud de la onda senoidal w = velocidad rotacional de las aspas N = Número de aspas que pasan por el p ickup en una rotación completa. . t = Tiempo Ventajas: Posee una alta p recisión, excelente
repetibilidad y una respuesta rápida; sin mencionar que gracias a su forma de conteo soporta altas temperaturas y presiones. Desventajas: Su costo es alto, aunque lo que más proporciona inconvenientes es su dimensión y su respuesta a flujos lentos, ya que se requeriría que las p iezas mecán icas tuviesen un excelente estado de lubr icación en las uniones de las aspas con los ejes rotacionales, lo cual trae como consecuencia la pérdida de linealidad en la med ida. Actualmente se han creado d ispositivos para contrarrestar este efecto, pero esto encarece más el valor del medidor de flujo. Medidor de flujo por piñones ovalados
El diseño del medidor es relativamente simple. Consiste en p iñones ovalados dentados dentro de una cámara de geometría específica. A medida que los rotores giran, permitiendo el paso exacto de volumen
de fluido a través del ovalo dentado de entrada y el de salida. Normalmente poseen una serie de magnetos en los rotores los cuales provocan un accionamiento como un switch en manera de pulso de salida(efecto Hall), que proporcionan una lectura en el incremento de volumen del fluido muy exacto y p reciso, a pesar de variaciones en viscosidad, densidad y temperatura. La única limitante para este tipo de sensores es que cuando aumente la v iscosidad, se requerirá de una suficiente presión como para que el fluido pueda ser empujado a través de los óvalos dentados. En muchos casos, los fabricantes cambian el tipo de rotores por unos que se adaptan mejor a los bajos flujos y alta viscosidad.
IEL2-II-04-17
69
VIII. ANEXO H
VALVULAS SOLENOIDES Válvulas Solenoides Las necesidades crecientes que se p resentaran y que se siguen p resentando en el campo de la automatización industrial en cuanto hace a la fabricación de maquinarias, dispositivos y diversos elementos accionados hidráulicamente, y la extrema. de sencillez con que se pueden diseñar circuitos eléctricos que funcionan automáticamente comandados desde sencillos micro contactos fin de carreras , micro contactos temporizadores , hasta los modernos controladores lógicos programables (PLCs) han hecho pensar a los Ingenieros Proyectistas hace algunas décadas atrás lo útil que resultaría comandar circuitos hidráulicos vía automatizaciones eléctricas . Ello determinó en su momento la creación de la válvula de control direccional accionado por solenoides y /o electroimanes, y, actualmente, este tipo de válvulas es el elemento indispensable para comandar cualquier máquina h idráulica, automática o no, por medio de cualqu ier tipo de accionamiento eléctrico y /o electrónico.
Construcción: Las válvulas solenoides son unidades de control las cuales cuando se energizan o se desenergizan realizan la operación de permitir o interrumpir el paso de algún fluido. El actuador de este tipo de válvulas toma la forma de un electro magneto el cual cuando se energiza crea un campo magnético que a su vez jala un pivote para accionar un resorte, y en caso de estar desenergizado lo dejara en su posición de reposo. Las clases se distinguen de acuerdo a su modo de operación en maniobradas interna o externamente; y por el número de puertos de flujo que posea a los cual se le denomina ‘vías’.
Bobina: Los tipos de bobinas que se usan se dividen según su excitación. De este modo pueden ser catalogadas en bobinas AC o DC. El bajo consumo de potencia es lo que hace a las solenoides tan utilizadas en p rocesos de control y automatización. En las siguientes graficas nos podemos dar cuenta que la solenoide AC posee mas fuerza magnética y un impulso de choque más alto respecto a la de DC, pero por otro lado el consumo de corriente en la válvula AC es mayor.
IEL2-II-04-17
70
S olenoides de activación directa: Este tipo de válvulas son aquellas que poseen un actuador, que en este caso es un resorte, inmerso en la bobina. Este se moverá sobre el eje paralelo al campo magnético para permitir el accionamiento de la válvula.
S olenoides de dos vías:
Las válvulas de dos vías poseen un Puerto de entrada y otro de salida. Cuando la válvula se encuentra desenergizada el resorte ayudado de la p resión del fluido mantiene la válvula en su modo de apagado. Cuando esta se energiza se crea un campo el cual induce una fem la cual supera la fuerza del resorte y la de p resión dinámica del medio, para así forzar al resorte a que suba y permita el paso.
S olenoides de tres vías:
Este tipo de válvulas funcionan con el mismo princip io de las de dos vías, a diferencia que estas poseen una entrada y dos salidas. De esta manera en caso en que el resorte se encuentre en reposo, una de las salidas estará activa, y en caso de que se encuentre excitada la bobina, y a su vez el resorte cambie de posición, se abrirá la otra salida de fluido (de manera que una y otra salida estará alternando su estado de actividad o inactividad).
Solenoides de activación externa:
Este tipo de válvulas usan el mismo princip io físico de la soleno ide a diferencia que estas poseen un tipo de ayuda externa aparte del actuador. Para esto podríamos hablar de un pistón el cual le proporciona mayor compresibilidad a la válvula en si.
Efectos térmicos y de viscosidad:
Dado que la solenoide genera calor, y tomando el peor caso de sobre voltaje (en el cual se alcanza el 10% de su pico), la temperatura producida por una válvula solenoide sería de 144°F, lo cual no es
peligroso dado su aislamiento según el material. Otro aspecto importante es el ciclo sugerido de la válvula, que es el periodo comprendido entre energizada y energizada, sobre la cual se recomienda uno de 2, 5, 10 o 30 minutos. Para altas viscosidades, como en este caso, la solenoide funciona con una tolerancia de voltaje reducida y con tiempos de respuesta más largos.
IEL2-II-04-17
71
IX. ANEXO I
PROJECT DEL PROYECTO
ESQUEMA PROJECT DEL PROYECTO
Gráfica de Project
Análisis General Diego Antonio Leguizamón Hernández REV. No. 1
IEL2-II-04-17
72
ESQUEMA PROJECT DEL PROYECTO
Gráfica de Project
Análisis General Diego Antonio Leguizamón Hernández REV. No. 1
IEL2-II-04-17
73
X. ANEXO J
PROGRAMA PARA PLC RS LOGIX – ALLEN B RADLEY
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina Principal
IEL2-II-04-17
74
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina LIT_TKQ
IEL2-II-04-17
75
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina LIT_TKQ
IEL2-II-04-17
76
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina LIT_TKQ
IEL2-II-04-17
77
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina FIT_FLOW
IEL2-II-04-17
78
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina FIT_FLOW
IEL2-II-04-17
79
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina FIT_FLOW
IEL2-II-04-17
80
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina Solenoids
IEL2-II-04-17
81
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina Solenoids
IEL2-II-04-17
82
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina ALARMAS
IEL2-II-04-17
83
PROGRAMA DE AUTOMATIZAC ION
Desarrollado en RsLogix500
De Allen Bradley
Bomba de Químicos Diego Antonio Leguizamón Hernández Validado Rutina ALARMAS