control antisurge en compresor

7/24/2019 Control Antisurge en Compresor

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MONTAJE DE LABORATORIO DE ENTRENAMIENTO A INSTRUMENTISTASEN CONTROL ANTI-SURGE REALIZADO POR C.C.C. PARA LA FACILIDAD

DE CPF CUSIANA

VICTOR MANUEL MOYA TORRES

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERAINGENIERA MECATRNICA

BOGOT D.C.2010


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MONTAJE DE LABORATORIO DE ENTRENAMIENTO A INSTRUMENTISTASEN CONTROL ANTI-SURGE REALIZADO POR C.C.C. PARA LA FACILIDAD

DE CPF CUSIANA

VICTOR MANUEL MOYA TORRES

Documento presentado como requisito para obtener el ttulo de IngenieroMecatrnico

Ing. Alcy BlancoAsesor de Tesis

Patricia CarreoAsesora Metodolgica

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERAINGENIERA MECATRNICA

BOGOT D.C.2010


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Nota de Aceptacin:

__________________________________________________________________________________________

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_____________________________________________

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_____________________________________________Firma Presidente de Jurado

_____________________________________________Firma Jurado

_____________________________________________Firma Jurado

_____________________________________________Firma Jurado

Bogot D.C., 14 de mayo de 2010


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DEDICATORIA

A Dios, por ser el forjador de todos y cada uno de los muchos momentos defelicidad, alegra y tristeza. Pues sin su ayuda y su obra en mi vida jams sehubiese consolidado este trabajo.

A mis padres, quienes con su apoyo, esperanza, consejos y dedicacin creyeronen m sin medir todos sus esfuerzos y sacrificios, con el nico fin de brindarmemejores oportunidades en la vida.

A mi familia, constantes en cada una de mis etapas de crecimiento profesional,forjadores de valores y enseanzas.


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AGRADECIMIENTOS

A Wood Group Colombia S.A., quienes me brindaron la oportunidad de acercarmeal mundo profesional y me permitieron una mejor comprensin del mbito laboral.

A los Ingenieros de control de Wood Group Colombia S.A., Carlos Ovalle, YelferChaparro y Oscar Prez. Quienes dedicaron su tiempo y conocimiento con elnimo de formar en mi un ingeniero capacitado, de criterio y anlisis como lo sonellos, mis sinceros agradecimientos.

A todos aquellos docentes de la Universidad de San Buenaventura, quienes enalgn momento participaron en mi proceso de formacin como IngenieroMecatrnico.


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CONTENIDO

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INTRODUCCIN ............................................................................................. 151. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 161.1 ANTECEDENTES ...................................................................................... 161.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA ............................... 161.3 JUSTIFICACIN ........................................................................................ 171.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN ....................................................... 181.4.1 Objetivo general ...................................................................................... 181.4.2 Objetivos Especficos .............................................................................. 18

2. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................... 192.1 MARCO LEGAL O NORMATIVO ............................................................... 192.2 MARCO TERICO - CONCEPTUAL ......................................................... 202.3 ALCANCES Y LIMITACIONES .................................................................. 233. DESARROLLO INGENIERIL ........................................................................ 253.1 REQUERIMIENTOS TCNICOS: HARDWARE ........................................ 253.1.1 Compresor ............................................................................................... 253.1.1.1 Mapa de operacin ............................................................................... 263.1.1.2 Punto operativo .................................................................................... 263.1.1.3 Curvas de desempeo ......................................................................... 273.1.1.4 Lmites de desempeo ......................................................................... 283.1.1.5 SURGE ................................................................................................. 283.1.2 Instrumentos de medicin ....................................................................... 313.1.2.1 Dispositivos de medicin de flujo ......................................................... 313.1.3 Vlvula ANTI-SURGE .............................................................................. 453.1.3.1 Tiempo de accionamiento .................................................................... 453.1.3.2 Localizacin .......................................................................................... 453.1.3.3 Caractersticas ..................................................................................... 453.1.3.4 Actuador, posicionador y transductores electro-neumticos ................ 453.1.3.5 Tamao ................................................................................................ 453.1.4 controlador ANTI-SURGE ....................................................................... 553.1.4.1 Lnea limite de SURGE ........................................................................ 593.1.4.2 Estrategia 1: Lnea de control de SURGE ............................................ 613.1.4.3 Estrategia 2: El algoritmo Recycle Trip .............................................. 623.1.4.4 Estrategia 3: La respuesta Safety On ................................................ 643.1.5 PLC ......................................................................................................... 673.1.5.1 Chasis .................................................................................................. 673.1.5.2 Fuente .................................................................................................. 683.1.5.3 Procesador ........................................................................................... 683.1.5.4 Anloga de entrada .............................................................................. 69


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3.1.5.5 Anloga de salida ................................................................................. 693.1.5.6 Digital de entrada ................................................................................. 70

3.1.5.7 Digital de salida .................................................................................... 703.1.5.8 Tarjeta de comunicaciones ................................................................... 703.1.6 Estacin HMI ........................................................................................... 713.1.7 SWITCH .................................................................................................. 713.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES: SOFTWARE .................................. 733.2.1 Instalacin de programas ........................................................................ 733.2.1.1 Instalacin RSLinx Classic 2.50.00.20 ................................................. 733.2.1.2 Instalacin RSLogix 5000 ..................................................................... 743.2.1.3 Instalacin RSView Supervisory Edition ............................................... 743.2.1.4 Instalacin RSLinx Enterprise .............................................................. 743.2.2 Activacin del software instalado ............................................................ 74

3.2.3 Entablando comunicacin ....................................................................... 743.2.3.1 Comunicacin PC con PLC sobre RS232 ............................................ 753.2.3.2 Comunicacin PC con PLC sobre Ethernet .......................................... 783.2.4 Agregando mdulos I/O........................................................................... 803.2.4.1 Mdulo anlogo de salida ..................................................................... 803.2.4.2 Mdulo anlogo de entrada .................................................................. 803.2.4.3 Mdulo digital de salida ........................................................................ 813.2.4.4 Mdulo digital de entrada ..................................................................... 813.2.5 RSView: Construccin HMI ..................................................................... 813.2.6 Cdigo LADDER ..................................................................................... 883.2.6.1 MainRutine ........................................................................................... 913.2.6.2 Rutina: POZOS_INYEC ........................................................................ 923.2.6.3 Rutina: POZOS_PRODUC ................................................................... 933.2.6.4 Rutina: SD ............................................................................................ 943.2.6.5 Rutina: SURGE .................................................................................... 943.2.6.6 Rutina: IO ............................................................................................. 963.2.6.7 Rutina: VARIABLES ............................................................................. 984. ANLISIS DE RESULTADOS ...................................................................... 994.1 PRUEBA 1: LNEA DE CONTROL DE SURGE ......................................... 994.2 PRUEBA 2: LNEA DE RECYCLE TRIP ................................................... 1064.3 PRUEBA 3: LNEA DE SAFETY ON ......................................................... 1145.CONCLUSIONES ......................................................................................... 123BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 126

ANEXOS ......................................................................................................... 130


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LISTA DE TABLAS

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Tabla 1. Configuracin del Cabezal MP ........................................................... 25Tabla 2. Resumen de mapas de Operacin del compresor. ............................ 33Tabla 3. Resumen Clculos para la medicin de flujo ...................................... 44Tabla 4. Resumen de mapas de Operacin del compresor. ............................ 48Tabla 5. Resumen Clculos para la seleccin de la FV-2600 .......................... 54Tabla 6. Tag de Instrumentos y Controlador AS .............................................. 67Tabla 7. Caractersticas Chasis 1756 ............................................................... 68Tabla 8. Caractersticas Fuente 1756 .............................................................. 68

Tabla 9. Caractersticas Control Logix 5555 .................................................... 68Tabla 10. Caractersticas Mdulo anlogo de Entrada 1756-IF6I .................... 69Tabla 11. Caractersticas Mdulo anlogo de salida 1756-OF6CI ................... 69Tabla 12. Caractersticas Mdulo Digital de Entrada 1756-IB16I ..................... 70Tabla 13. Caractersticas Mdulo Digital de Salida 1756-OB16I ...................... 70Tabla 14. Caractersticas Mdulo de Comunicaciones 1756-ENBT ................. 70Tabla 15. Requerimientos estacin HMI .......................................................... 71Tabla 16. Cdigo de Colores ............................................................................ 82Tabla 17. Listado de TAG ................................................................................ 89Tabla 18. Parmetros de inicio de simulacin .................................................. 99Tabla 19. Datos reportados de simulacin de Control de Surge ..................... 100Tabla 20. Datos reportados de simulacin de Recycle Trip ............................ 107Tabla 21. Datos reportados de simulacin de Safety On ................................ 115


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LISTA DE IMGENES

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Imagen 1. Modelo matemtico de un yacimiento sometido a invasin. ............ 20Imagen 2. Empuje por inyeccin de gas. ......................................................... 21Imagen 3. Ciclo de produccin CPF Cusiana ................................................... 22Imagen 4. Distribucin de trenes de inyeccin CPF Cusiana ........................... 23Imagen 5. Compresor de un solo cuerpo ......................................................... 26Imagen 6. Impulsor Centrifugo ......................................................................... 26Imagen 7. Mapa de Operacin ......................................................................... 27Imagen 8. Curvas de Desempeo .................................................................... 27

Imagen 9. Lmites de desempeo .................................................................... 28Imagen 10. Variaciones de flujo ....................................................................... 29Imagen 11. Variaciones de presin .................................................................. 29Imagen 12. Aumento de temperatura interna del compresor ........................... 29Imagen 13. Estado de impulsor despus de un SURGE ................................. 30Imagen 14. Esquema de distribucin de instrumentos para deteccin de SURGE. ....................................................................................................................... 30Imagen 15. Controlador ANTI-SURGE Series 3 .............................................. 55Imagen 16. Panel Frontal del Controlador ANTI-SURGE Series 3................... 56Imagen 17. Panel de Ingeniera del Controlador ANTI-SURGE Series 3 ........ 57Imagen 18. Puertos traseros del Controlador ANTI-SURGE Series 3 ............. 58Imagen 19. Lnea lmite de SURGE. ................................................................ 59Imagen 20. Lnea de Control de SURGE ......................................................... 62Imagen 21. Lnea de Recycle Trip .................................................................... 63Imagen 22. Respuesta Recycle Trip ................................................................ 64Imagen 23. Lnea Safety On............................................................................. 65Imagen 24. Bloque de funciones del controlador C.C.C. .................................. 66Imagen 25. Switch D-Link ................................................................................ 72Imagen 26. Esquema final del laboratorio ........................................................ 73Imagen 27. Iniciar RSLinx Classic .................................................................... 75Imagen 28. Icono RSLinx Classic ..................................................................... 75Imagen 29. Principal RSLinx Classic ................................................................ 76Imagen 30. RSLinx Classic: Configurar mdulo RS232 paso 1 ....................... 76Imagen 31. RSLinx Classic: Configurar mdulo RS232 paso 2 ....................... 77Imagen 32. RSLinx Classic: Configurar mdulo RS232 paso 3 ....................... 77Imagen 33. RSLinx Classic: Configurar mdulo RS232 paso 4 ....................... 78Imagen 34. RSLinx Classic: Configurar mdulo RS232 paso 5 ....................... 78Imagen 35. RSLogix 5000: mdulo Ethernet Paso 1 ........................................ 79Imagen 36. RSLogix 5000: mdulo Ethernet Paso 2 ........................................ 79Imagen 37. RSLogix 5000: mdulo Ethernet Paso 3 ........................................ 80


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Imagen 38. HMI Compresor ON ....................................................................... 83Imagen 39. HMI Compresor OFF ..................................................................... 84

Imagen 40. HMI Pozos Productores ................................................................. 85Imagen 41. HMI Pozos Inyectores ................................................................... 85Imagen 42. HMI SURGE .................................................................................. 86Imagen 43. HMI Clamp .................................................................................... 86Imagen 44. HMI Punto Operativo ..................................................................... 87Imagen 45. HMI Graficas ................................................................................. 87Imagen 46. HMI ................................................................................................ 88Imagen 47. Porcentaje vs Tiempo .................................................................... 95Imagen 48. Linealizacin de Seales ............................................................... 98Imagen 49. Datos de prueba de LCS ............................................................... 99Imagen 50. Variacin del porcentaje de incremento para LCS ....................... 101

Imagen 51. Variacin de presin en la descarga para LCS ............................ 101Imagen 52. Variacin de temperatura en la descarga para LCS ..................... 102Imagen 53. Variacin de flujo en a travs del compresor en LCS ................... 103Imagen 54. Apertura de la vlvula de reciclo en LCS ...................................... 103Imagen 55. Movimiento de la vlvula de reciclo para LCS .............................. 104Imagen 56. Variacin de presin en la succin para LCS ............................... 105Imagen 57. Movimiento del P.O. para la LCS ................................................. 105Imagen 58. Datos de prueba de LRT .............................................................. 106Imagen 59. Variacin del porcentaje de incremento para LRT ....................... 108Imagen 60. Variacin de presin en la descarga para LRT ............................ 109Imagen 61. Variacin de temperatura en la descarga para LRT ..................... 110Imagen 62. Variacin de flujo en a travs del compresor en LRT ................... 110Imagen 63. Apertura de la vlvula de reciclo en LRT ...................................... 111Imagen 64. Movimiento de la vlvula de reciclo para LRT .............................. 112Imagen 65. Variacin de presin en la succin para LRT ............................... 113Imagen 66. Movimiento del P.O. para la LRT.................................................. 114Imagen 67. Datos de prueba de LSO .............................................................. 115Imagen 68. Variacin del porcentaje de incremento para LSO ....................... 117Imagen 69. Variacin de presin en la descarga para LSO ............................ 117Imagen 70. Variacin de temperatura en la descarga para LSO .................... 118Imagen 71. Errores de control, en vlvula de reciclo ....................................... 119Imagen 72. Variacin de flujo en a travs del compresor en LSO ................... 119Imagen 73. Movimiento de la vlvula de reciclo para LSO .............................. 120Imagen 74. Variacin de presin en la succin para LSO ............................... 121Imagen 75. Movimiento del P.O. para la LSO ................................................. 122


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LISTA DE DIAGRAMAS DE FLUJO

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Diagrama de Flujo 1. Main Rutine .................................................................... 92Diagrama de Flujo 2. POZOS_INY ................................................................... 93Diagrama de Flujo 3.POZOS_PRODUC .......................................................... 93Diagrama de Flujo 4. SD .................................................................................. 94Diagrama de Flujo 5. SURGE .......................................................................... 96


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LISTA DE ANEXOS

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Anexo A. Anlisis del gas ................................................................................ 130Anexo B. Especificaciones compresor NOUVO PIGNONE ............................ 131Anexo C. Montaje compresor NOUVO PIGNONE ......................................... 132Anexo D. Mapa de Operacin temperatura ambiente 95 F ........................... 133Anexo E. Mapa de Operacin temperatura ambiente 70 F, punto A ............. 136Anexo F. Mapa de Operacin temperatura ambiente 95 F, punto B ............. 139Anexo G. Mapa de Operacin mnimo M.W., punto C ................................... 142Anexo H. Mapa de Operacin temperatura ambiente 54 F, punto D ............ 145

Anexo I. Datasheet plato de orificio ................................................................ 148Anexo J. Datasheet vlvula ANTI-SURGE ..................................................... 149Anexo K. Curva caracterstica vlvula ANTI-SURGE ..................................... 150Anexo L. Esquema vlvula ANTI-SURGE ....................................................... 151Anexo M. Diagrama de lazos de conexin entre PLC y controlador ANTI-SURGEC.C.C. ............................................................................................................. 152

Anexo N. Diagrama de lazos de conexin entre mdulo 2 anlogo de salida delPLC y controlador ANTI-SURGE C.C.C. ......................................................... 153

Anexo O. Diagrama de lazos de conexin entre mdulo 8 anlogo de salida delPLC y controlador ANTI-SURGE C.C.C. ......................................................... 154

Anexo P. Diagrama de lazos de conexin entre mdulo 1 anlogo de entrada delPLC y controlador ANTI-SURGE C.C.C. ......................................................... 155

Anexo Q. Diagrama de lazos de conexin entre mdulo 4 digital de salida del PLCy controlador ANTI-SURGE C.C.C. ................................................................. 156

Anexo R. Diagrama de comunicacin entre COMMAND y controlador ANTI-SURGE ........................................................................................................... 157

Anexo S. Diagrama de lazo de comunicacin entre HMI y PLC Logix5555 ... 158Anexo T. Diagrama de conexionado elctrico de los dispositivos .................. 159Anexo U. Diagrama de flujo VARIABLES ........................................................ 160Anexo V. Ladder Mainrutine ............................................................................ 161Anexo W. Ladder POZOS_INYEC .................................................................. 163Anexo X. Ladder POZOS_PRODUC ............................................................... 166Anexo Y. Ladder SD ........................................................................................ 169Anexo Z. Ladder SURGE ................................................................................ 170Anexo AA. Ladder IO ...................................................................................... 172Anexo BB. Ladder VARIABLES ...................................................................... 176


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GLOSARIO

C.C.C.Sigla de Compressor Controls Corporation.

SURGE1 Se define como las auto-oscilaciones de la presin y el flujo, quefrecuentemente incluyen una reversin de flujo.

VLVULA DE RECICLO2Cuando se abre disminuye la resistencia sentida por elcompresor al momento de ocurrir un SURGE.

COMPRESOR3Un compresor es una mquina de fluido que est construida paraaumentar la presin y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal

como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a travs de un intercambio deenerga entre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresores transferido a la substancia que pasa por l convirtindose en energa de flujo,aumentando su presin y energa cintica impulsndola a fluir.

CPFcontinuos production facilities(instalacin de produccin continua)

HSEsigla de health - safety - environment (salud seguridad - medio ambiente)

LPlow pressure(baja presin)

MPmedium pressure(media presin)

HPhigh pressure(alta presin)

ACFMactual cubic feet per minute(pies cbicos reales por minuto)

SCFMstandar cubic feet per minute(Pies cbicos estndar por minuto)

MMSCFDSiglas de million standard cubic feet per day (millones de pies cbicosestndar por da)

ASsiglas deANTI-SURGE

1COMPRESSOR CONTROL CORPORATION. Manual de entrenamiento Serie 3 Plus Controlador Antisurge. Operaciones.Mdulo 1, 1999. P. 8.2Ibid., p. 12.3Ibid., p. 2.


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CONDENSADOS4 Hidrocarburo que se mantiene en estado gaseoso en lascondiciones de su depsito natural pero por las altas presiones se licua en las

condiciones superficiales normales. En otros pases se lo conoce como lquido delgas natural.

INMISCIBLE5Dcese de las sustancias que no pueden mezclarse entre s, comoel aceite y el vinagre.

VIRTUALIZACIN6En informtica, virtualizacin se refiere a la abstraccin de losrecursos de una computadora, llamada Hypervisor o VMM (Virtual MachineMonitor) que crea una capa de abstraccin entre el hardware de la mquina fsica(host) y el sistema operativo de la mquina virtual (virtual machine, guest), siendoun medio para crear una versin virtual de un dispositivo o recurso, como unservidor, un dispositivo de almacenamiento, una red o incluso un sistemaoperativo, donde se divide el recurso en uno o ms entornos de ejecucin.

DCS7Siglas de Distributed Control System(Sistema de control distributivo)

COMMAND Es UN SOFTWARE, que integra una coleccin de sistema demonitoreo y visualizacin de informacin de compresores conectados a uncontrolador ANTI-SURGE.

OPC8 Sigla de Open Connectivity (Conectividad Abierta), es un estndar de laindustria, que permite la conexin entre diferentes equipos.

RECIRCULACION9Es la accin de forzar el reingreso del fluido, inmediatamentede la descarga del aparato a la succin del mismo.

4Definicin tomada de: http://www.elchenque.com.ar/eco/petro/glosdefi.htm5Definicin tomada de: http://www.acanomas.com/Diccionario-Espanol/97840/INMISCIBLE.htm6Definicin tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Virtualizaci%C3%B3n7Definicin tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/DCS8Definicin tomada de: http://www.opcfoundation.org/Default.aspx/01_about/01_whatis.asp?MID=AboutOPC

9Definicin tomada de: http://www.mailxmail.com/curso-ciclones/recirculacion-gas


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0. INTRODUCCIN

La necesidad de formar personal instrumentista para laborar en las facilidades del

CPF de Cusiana en el mantenimiento y reparacin del control de los trenes dereinyeccin de gas para la extraccin de crudo, hace posible la implementacin,desarrollo y montaje de un laboratorio de simulacin de condiciones y prueba decomponentes elctricos y electrnicos propios de la operacin. As como tambinla simulacin de situaciones de operacin normal y/o crticas que conlleva inyectargas a altas presiones a un pozo petrolero a cientos de metros bajo la superficie.Las facilidades del CPF de Cusiana son propiedad de PB Colombia, y seencuentran ubicadas en el departamento de Casanare, municipio de Tauramena aun costado del rio Cusiana. Estas facilidades llevan extrayendo crudo desde elinterior de la tierra por ms de 10 aos, permitiendo el avance del progreso de laregin del Casanare, del pas y sobretodo de la comunidad.

Los mtodos de extraccin de petrleo han venido mejorando da tras da, y laexperiencia de otros ha permitido obtener procesos y procedimientos muy segurosde explotacin, tanto para el medio ambiente as como para las personas. Sonms de 10 aos produciendo petrleo y gas en cantidades considerables, tiemposuficiente para garantizar y demostrar que el control realizado sobre los equiposde inyeccin de gas es el adecuado y que su mantenimiento debe ser exigente entodos los aspectos.

El personal instrumentista de Wood Group Colombia S.A. es el encargado derealizar el mantenimiento al control ANTI-SURGE C.C.C. de los trenes deinyeccin de gas, sobra decir que las competencias del personal deben ser de lasmejores, y que el continuo entrenamiento hace que sus labores sean seguras aligual que la operacin.

La seguridad, trmino comn usado en la industria petrolera, hace necesaria laimplementacin de un laboratorio de simulacin del control que se lleva a cabo enlos trenes de inyeccin del CPF de Cusiana, donde todos los operarios,instrumentistas y personal interesado, pueda tener la oportunidad de conocer msa fondo el funcionamiento del control ANTI-SURGE C.C.C.


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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

La Compaa C.C.C. (Compressor Controls Corporation) y su producto Serie 3Plus, herramienta usada para el control operativo de compresores de inyeccin degas, control de ANTI-SURGE, control de rendimiento entre otros, ha venidodesarrollando complementos y sistemas que han demostrado ser uno de losmejores del mercado, por su excelente desempeo operativo, estabilidad yrobustez. La Serie 3 Plus, usada en muchos generadores, compresores deinyeccin es un sistema de recirculacin de flujo que evita el rompimiento de laspartes como impulsores o hasta evitar el rompimiento del mismo motor.

Para efectuar la recirculacin, es necesaria la toma de datos de diferentesdispositivos (sensores de temperatura, sensores de flujo, sensores de presin)ubicados antes de la entrada al compresor, as como al momento de la descargadel compresor; los datos son procesados por un computador central el cual analizael punto de operacin actual del compresor, compara con valores de vibracin ypor medio de un algoritmo matemtico determina el control a realizar en la vlvulade reciclo, desviando as en flujo inverso hacia un acumulador que luego descargasu contenido en el compresor para ser re-inyectado nuevamente al proceso.

KMO TURBO, compaa alemana especializada en el control ANTI-SURGE,propone integrar varios sistemas de diferentes compaas mundiales con elobjetivo de realizar un mejor control del SURGE de los compresores; planteanintegrar sistemas de control de SIEMENS con un supervisorio propio de KMOTURBO, el cual permite un mejor manejo de la informacin recolectada de losinstrumentos de medicin distribuidos alrededor del proceso, calcular en qumomento se produce un SURGE y efectuar as el control en una vlvula que ellosllaman, blow-off valve10. Lo nuevo de este sistema es que puede ser aplicable parael trabajo con fluidos no contaminantes ya que el SURGE es desviado delcompresor y expulsado al ambiente.

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMALa industria petrolera maneja estndares de calidad y confiabilidad en todos susprocesos ya sean de produccin o mantenimiento de los equipos. Elmantenimiento preventivo o correctivo de los equipo presentes en el CPF deCusiana, involucra habilidades de los distintos frentes de trabajo, habilidades quepermitan garantizar el buen funcionamiento de las herramientas de extraccin yprocesamiento de hidrocarburos, de eso depende que muchas de las posible fallasse eviten, como las ms comunes, errores humanos, mantenimientos deficientes o

10Anti-Surge Control and Surge Protector [online]. Catalogo. Germany, Friedrichshafen. http://www.kmo-turbo.de/downloads/05_en_antisurge_e_03_A4.pdf


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mal documentados, procedimientos desactualizados o inexistentes y sobretodopersonal no calificado y/o inexperto.

El manejo en la prediccin y prevencin de los accidentes es un factor que se

monitorea, da a da por el personal de HSE de Cusiana y la industria en general.Los accidentes registrados hasta el momento en el mantenimiento a los trenes dereinyeccin de gas van desde paradas de emergencia por los deficientesprocedimientos existentes, hasta heridas en brazos y manos de instrumentistas enel accionamiento de vlvulas que se crean haban sido aisladas con seguridad,muchas veces por el desconocimiento del sistema en el que trabajan.

La estrategia utilizada hasta el momento del Pare, piense y acte ha mejoradolas estadsticas en la prevencin de accidentes, sin embargo las continuasmejoras que se llevan a cabo en la modernizacin de los equipos o estrategias decontrol en Fase II, reinyeccin de gas. Hacen que la mayora de los conocimientosadquiridos por los instrumentistas, ingenieros y supervisores de compresores,flaquee en momentos crticos y se d cabida a muchos de los errores o accidentesantes mencionados.

Analizando cada una de las deficiencias mencionadas y obedeciendo a lanecesidad de preservar la calidad de vida y de mejorar el nivel de competitividaddel personal tcnico de Wood Group Colombia S.A., surge la pregunta Culesdeberan ser los requisitos tcnicos y funcionales de un laboratorio de simulacin ycontrol, donde se puedan evaluar los diferentes procedimientos de mantenimientoy capacitar a los instrumentistas en sus labores cotidianas en el CPF de Cusiana?

1.3 JUSTIFICACINLa importancia de la presente propuesta radica en el valor ingenieril que tiene paralos interesados a quienes se les desarrollar el laboratorio, Wood Group ColombiaS.A. es la empresa encargada de ejecutar el mantenimiento a los equipos deextraccin, control, reinyeccin y monitoreo en los campos petroleros de BPColombia en Cusiana Casanare. Un buen mantenimiento se da cuando losequipos intervenidos funcionan continuamente en el tiempo, bajo los parmetrosnormales de operacin; ello depende de que el personal que realiza elmantenimiento tenga las capacidades y conocimiento sobre el tema y que manejela lgica del proceso, por ende se requiere en la facilidad de un espacio yelementos que estn fuera de la lnea de proceso que simulen loscomportamientos del control C.C.C. sobre las vlvulas ANTI-SURGE en las lneasde reinyeccin.

El ptimo estado de las partes almacenas en bodegas garantiza que en momentosde crisis o paradas de emergencia del proceso, estas sirvan sin ningn problema yque puedan ser cambiadas si es que alguna falla. En la actualidad no se cuentacon ningn tipo de mdulo ni de banco de pruebas para el chequeo del hardware


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lo que genera incertidumbre en momentos crticos; de acuerdo a lo anteriorSURGE la necesidad de instalar un sistema o sistemas donde puedan serprobados con detalle los componentes elctricos necesarios para elfuncionamiento del control C.C.C.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

1.4.1 Objetivo General Planear, Desarrollar y Montar un laboratorio desimulacin del proceso de control de ANTI-SURGE que sirva de entrenamiento ainstrumentistas y para la prueba de componentes electrnicos de los controladoresC.C.C. en los trenes de reinyeccin de gas del CPF de Cusiana.

1.4.2 Objetivos EspecficosIdentificar los componentes involucrados en el control ANTI-SURGE.

Comunicar un PC con un PLC para simular las temperaturas, presiones y flujospropios de la turbina MP1.

Elegir e implementar la estructura de cableado segn los estndares de C.C.C. yAllen Bradley.

Programar rutinas de operacin de reinyeccin de gas en el PLC.

Programar el controlador ANTI-SURGE seleccionado, con la configuracin deproteccin del compresor MP1.

Desarrollar siete rutinas LADDER correspondientes a: VARIABLES, IO, MAINRUTINE, POZOS INYECTORES, POZOS PRODUCTORES, SD (Shut Down) ySURGE. Para ser programados en el PLC.

Programar en el PLC una rutina que asemeje las caractersticas de SURGE.

Desarrollar los diferentes display de la HMI basado en los estndares industrialesANSI ISA.


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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO LEGAL O NORMATIVO

La legislacin colombiana y en representacin el Ministerio de Ambiente en sufacultad de ente regulador y en el decreto 2811 de 18 de diciembre de 1974dispone en el Artculo 111, El ambiente es patrimonio comn. El Estado y losparticulares deben participar en su preservacin y manejo, que son de utilidadpblica e inters social. As mismo en el artculo 8, Se consideran factores quedeterioran el ambiente entre otros: La contaminacin del aire, de las aguas, delsuelo y de los dems recursos naturales renovables.

En los asuntos involucrados con la explotacin minera contempla en la ley 6 de1979 en los artculos 41 al 4912, donde se habla de las emisiones de gases a laatmosfera, producto de la explotacin minera o de los residuos de procesos,deben estar regulados por el estado y deben cumplir ciertos parmetros de normaloperacin para su continuo funcionamiento, no solo por el riesgo que residuosemanamos a la atmosfera sean perjudiciales para la fauna y flora de la regin sinopara la vida misma de las personas deteriorando as la calidad de vida.

En las polticas de comportamiento tico de Wood Group Colombia S.A.13 elmanejo de la informacin que cita el documento interno B-RH1-GE-001, dice: Lainformacin confidencial o privilegiada incluye toda la informacin que es deimportancia para el manejo de los negocios, es de naturaleza sensitiva o tienevalor inherente, o cuya revelacin o mal uso puede causar dao a la Compaa, asus accionistas, empleados, clientes o a otras personas con las cuales WOODGROUP COLOMBIA S.A. tenga relaciones. Los empleados reconocen que parteesencial de los documentos y los datos que se mantienen y se procesan dentro dela Compaa estn dentro de esta categora. Es importante que se disponga de unambiente de seguridad para toda esta informacin confidencial.

WOOD GROUP COLOMBIA S.A. tiene la propiedad intelectual de dichainformacin y esta no debe ser divulgada o puesta a disposicin en ninguna formay/o para ningn fin sin la autorizacin expresa de la Gerencia. Adems, ningunaotra informacin que los empleados tengan en su poder debe ser divulgada enforma verbal o escrita a nadie fuera sin la autorizacin debida. Cualquier intentopor personas no autorizadas para obtener informacin confidencial debe serreportado con prontitud.

11REPUBLICA DE COLOMBIA, Cdigo Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Proteccin al Medio Ambiente.Bogot, 18 de diciembre de 1974. http://web.minambiente.gov.co/biogeo/menu/legislacion/legisnacional/d2811_74.htm12REPUBLICA DE COLOMBIA, Medidas Sanitarias para la proteccin del Medio Ambiente. Bogot., 24 de enero de 1979.Documento LY000979.rtf, http://www.minambiente.gov.co/descarga/descarga.aspx13WOOD GROUP COLOMBIA S.A., Polticas de Comportamiento tico de Wood Group Colombia S.A. Bogot, 13 de Juniode 2007.https://www.woodgroup.com.co/Isolucion/FramesetArticulo.asp?Pagina=bancoconocimiento%2FP%2FPOLITICADECOMPORTAMIENTOETICOWG%5Fv1%2FPOLITICADECOMPORTAMIENTOETICOWG%5Fv1%2Easp&IdArticulo=53862


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2.2 MARCO TERICO - CONCEPTUALLa inyeccin de gas en yacimientos petrolferos ha sido una tcnica empleadadesde finales del siglo XIX con propsitos de recuperacin secundaria. La idea deusar gas para mejorar la produccin de petrleo fue propuesta por Dinsmoor en

1864, quien ms tarde, en 1891 inyect gas proveniente de una regin cercana yas duplicar la tasa de produccin en un pozo petrolero.

El objetivo principal de la inyeccin de gas es mantener la presin a cierto valor osuplementar la energa natural del yacimiento. El primer caso se conoce comomantenimiento total de presin y el segundo, como mantenimiento parcial. Ambosdan lugar a un incremento de recobro de petrleo, a una mejora en los procesosde produccin y a la conservacin del gas.

La inyeccin de gas en un yacimiento de petrleo se realiza bien sea dentro deuna capa de gas existente, o directamente, dentro de la zona de petrleo. Cuandoexiste una capa de gas originalmente en el yacimiento o se ha ido formando unapor segregacin durante la etapa de produccin primaria, el gas inyectado ayuda amantener la presin y hace que el gas de la capa entre en la zona de petrleo y loempuje hacia los pozos productores.

El gas inyectado es generalmente, un hidrocarburo. Se ha intentado inyectar aire,pero tiene varias desventajas: Corrosin en los pozos y gasoductos, oxidacin delpetrleo y riesgos de explosin, entre otros.

La aproximacin de un sistema lineal a la teora de avance frontal, provee unmodelo exacto para el caso de inyeccin en la capa de gas. Este modelo esaplicable a un proceso inmiscible donde el desplazamiento est ocurriendo en unsistema homogneo lineal de espesor neto constante semejante al de la figura.

Imagen 1. Modelo matemtico de un yacimiento sometido a invasin.

Fuente: PARIS, Magdalena. Inyeccin de agua y gas en yacimientos petrolferos.Pg. 169.


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La seleccin del mtodo de inyeccin depende de distintos factores, los cualesvaran dependiendo el terreno del yacimiento, la composicin del suelo, ladistribucin de los elementos presentes en el yacimiento y la geometra misma, aligual que la ubicacin fsica de los pozos productores e inyectores.

El principio bsico de la extraccin de petrleo usando gas, obedece a ladiferencia de presin que se logra comprimiendo el fluido, e inyectndolo porabertura que conduzca a la capa de gas del yacimiento, y que por otra aberturaeste diferencial de presin movilice la masa de petrleo al exterior, como seaprecia en la imagen.

Imagen 2. Empuje por inyeccin de gas.

Fuente: Ibd.

La extraccin de petrleo en el CPF de Cusiana se realiza inyectando gas naturalcon una composicin de elementos que se detalla en el Anexo A GAS

ANALYSIS y consta de la elevacin de presin en tres etapas; la Primera es laetapa de Baja Presin LP que la componen 3 compresores los cuales elevan

sustancialmente la presin de gas proveniente de los pozos productores. Lasegunda etapa de Media Presin MP, incrementa aun ms la presin queentrega la etapa LP para luego ser inyectada en un cabezal comn del cual latercera etapa Alta Presin HP toma el gas y eleva la presin nuevamente paraser transportado por las lneas de tuberas a los distintos pozos productores depetrleo.


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Imagen 3. Ciclo de produccin CPF Cusiana

Fuente: Proyecto Cusiana 1999.

El proceso se realiza cclicamente, del cual se obtiene como resultado barro,petrleo, agua y gas. Este ltimo es procesado con el fin de extraer diferentescompuestos llamados condensados y garantizar condiciones qumicas del gasacordes con los parmetros de operacin de los compresores, para nuevamenteser inyectado a los 24 posos ubicados a 17 Km a la redonda de las instalacionesdel CPF y el proceso comienza una vez ms.


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Imagen 4. Distribucin de trenes de inyeccin CPF Cusiana

Fuente: Facilities piping & instrument diagram MP reinjection gas compressors series 100. 1994.

En la etapa de media presin MP, operan en paralelo 3 compresores o trenes y selocalizan en las facilidades de explotacin de BP en Cusiana Colombia en laampliacin llamada Phase II (Fase II). Cada compresor es operado por unaturbina individual de velocidad variable14, un controlador ANTI-SURGE y uncontrolador comn de desempeo.

Este control ha hecho que los procesos de reinyeccin en la facilidad de Cusianahayan arrojado buenos resultados ya que se ha garantizado la operacin continuapor ms de 10 aos, los buenos resultados se ven reflejados por la estabilidadoperativa de las turbinas, la eliminacin casi por completo de las paradas criticas ode emergencia, la inyeccin constante de gas a los pozos productores de petrleo.

2.3 ALCANCES Y LIMITACIONES

Alcances:El presente proyecto pretende hacer entrega a la empresa Wood Group Colombia

S.A., de un laboratorio de simulacin del control ANTI-SURGE realizado en lostrenes de reinyeccin de gas de fase 2. Control que en la actualidad efectan losequipos fabricados por Compressor Controls Corporation y su producto SERIE 3PLUS (S3+).

14COMPRESSOR CONTROL SYSTEM DESCRIPTION. CCC Project #64914. Paper. March 1996. P. 1.


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El laboratorio comprende la seleccin, instalacin, cableado y programacin de lasecuencia de arranque del compresor MP1 y de los diferentes transmisores en unPLC manufacturado por Allen Bradley de la familia Logix5000.

La interfaz HMI contar con display que se asemejen a los usados en cuarto decontrol del CPF Cusiana: display para pozos productores e inyectores, pantallacon la ubicacin de los diferentes elementos relevantes en el control en laoperacin, graficas de tendencias y mapa de operacin del compresor.

Las actuales condiciones de operacin y funcionamiento del laboratorio, sonsusceptibles al mejoramiento y crecimiento constante y se sujetan a losrequerimientos y polticas de Wood Group Colombia S.A.

El laboratorio de simulacin, podr ser utilizado por cualquier tipo de persona quelabore en el departamento tcnico de Wood Group Colombia S.A. sin importar superfil profesional.

Limitaciones:La programacin de la secuencia de arranque y comportamiento de los diferentestransmisores del compresor fue desarrollada y programada en el PLC en lenguajeLADDER, las restricciones de la licencia del software as lo ameritaban.

El uso del software supervisorio RSView y no de otra plataforma de control,obedeci a la sugerencia hecha por los ingenieros de control de Wood GroupColombia S.A. quienes manifestaron que esta eleccin posibilitaba elmejoramiento del laboratorio en un futuro cercano.

La criticidad y confidencialidad de los equipos utilizados en el CPF Cusiana, haceque no sea posible el traslado de los mismos, a cualquier otro lugar.

El suministro de un controlador ANTI-SURGE con parmetros de proteccin delcompresor MP1, por parte de los ingenieros de control de Wood Group ColombiaS.A. hace que la programacin en el PLC se ajuste a las caractersticas deoperacin de este compresor y que por ende la simulacin solo aplique al tren deinyeccin MP1.

La carencia de un histrico donde se registre el comportamiento del compresorcuando este es sometido a SURGE, evidencio la relacin estrecha del simuladorcon las referencias tericas suministradas por el fabricante y no poder contrastarlos resultados obtenidos con una base real.


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3. DESARROLLO INGENIERIL

Consideraciones y parmetros inciales del proyecto

El sistema de control anti SURGE que ha venido funcionando en el CPF deCusiana cuenta con parmetros establecidos de operacin los cuales son base enel desarrollo de este trabajo de grado, parmetros como:

Configuracin de Cableado de transmisores en el controlador ANTI-SURGEde C.C.C.

Configuracin de parmetros de ganancia en el PID cargado en elcontrolador ANTI-SURGE de C.C.C.

Valores de flujo, temperatura y presin en el cabezal de succin ydescarga del tren MP. Ver tabla 1.

Tabla 1. Configuracin del Cabezal MP MPFlujo (MMSCFD) 350

Presin (PSI)Succin 460

Descarga 1650

Temperatura (F)Succin 80

Descarga 280Fuente: Set-Point consultados en cuarto de control CPF Cusiana

Todo lo mencionado anteriormente servir de base en el desarrollo del programa

de simulacin, visualizacin y en el posterior montaje del laboratorio.

3.1 REQUERIMIENTOS TCNICOS: HARDWARE

3.1.1 Compresor Los compresores utilizados en la etapa MP sonmanufacturados por Nuovo Pignone de modelo BCL 506/A cuyas caractersticasse detallan en el anexo 2 y se ubica delante de la caja diferencial, el anexo Bespecifica con ms claridad de manera informativa la ubicacin del compresor.El modelo BCL 506/A es un compresor centrifugo, este tipo de compresores es

usado en aplicaciones que requieren una alta relacin de compresin encombinacin con una menor cantidad de flujo. Como caractersticas particularesde este tipo de compresores se tiene:

Su uso es muy difundido y tiene muchas aplicaciones El gas es acelerado hacia afuera por el impulsor


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Se construyen para operar a presiones tan bajas como 5 PSI y tan altascomo 8000 PSI

Su potencia vara desde los 300 HP hasta los 50000 HP

Imagen 5. Compresor de un solo cuerpo

Fuente: Manual de entrenamiento del controlador ANTI-SURGE -S3OP_AS_Intro1

Imagen 6. Impulsor Centrifugo

Fuente: Ibd.

3.1.1.1 Mapa de operacin Los mapas de operacin son suministrados porlos fabricantes de los compresores y contienen informacin referente al los rangosde operacin del compresor a las condiciones del fluido seleccionado, temperatura

de operacin entre otros. (Ver imagen 7).

3.1.1.2 Punto operativo Es la relacin que se genera a partir de lasvariaciones de operacin del compresor, por lo general relaciona la presin dedescarga contra el flujo que maneja el compresor. El punto operativo se ubica en


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el mapa de operacin. Toda variacin que exista en el proceso se ve reflejada conel cambio del punto operativo del compresor. (Ver imagen 7).

3.1.1.3 Curvas de desempeo Cuando un compresor opera a velocidadvariable (tiene labes gua de entrada o estrangulacin de succin), el Mapa delCompresor contiene varias Curvas de Desempeo. Cuando se vara la velocidad ola abertura de la vlvula, el Punto Operativo se mover de una Curva deDesempeo a otra, creando un grado ms de libertad en el Mapa del Compresor.El movimiento del Punto operativo de una Curva de Desempeo a otra est enrelacin con la resistencia experimentada por el compresor; resultando as unaCurva de Resistencia. (Ver imagen 8).

Imagen 7. Mapa de Operacin

Fuente: Manual de entrenamiento del controlador Antisurge - S3OP_AS_Intro1

Imagen 8. Curvas de Desempeo

Fuente: Ibd.


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3.1.1.4 Lmites de desempeo Los lmites de desempeo son restriccionesque se tienen en el compresor debido a factores como lmites del proceso ovelocidad mnima.

Imagen 9. Lmites de desempeo


Como factores lmites se tienen: Lmite mnimo de velocidad o de apertura del estrangulador o labe gua. Lmite mximo de velocidad o de apertura del estrangulador o labe gua. Lmite mximo de proceso o de presin de descarga (tubera). Lmite mximo de carga (potencia/corriente del motor, presin del vapor). Lmite de obturacin (stonewall). Lmite de SURGE.

3.1.1.5 SURGE El SURGE es una condicin de operacin a la que estnexpuestos la mayora de compresores y consiste en auto oscilaciones de lapresin y el flujo, que frecuentemente incluyen una reversin de flujo, el SURGEse caracteriza por:

El flujo invierte su direccin en 20 a 50 milisegundos. (Ver imagen 6). Los ciclos de SURGE se producen a razn de 0.3 a 3 segundos por ciclo. El compresor vibra. Incrementos bruscos de presin. (Ver imagen 7). La temperatura aumenta. (Ver imagen 8). Se producen ruidos molestosos en el compresor.


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Pueden ocurrir disparos del compresor.

Imagen 10. Variaciones de flujo


Imagen 11. Variaciones de presin

Fuente: Ibd.

Imagen 12. Aumento de temperatura interna del compresor

Fuente: Ibd.

Como consecuencia se tienen:

Flujo y presin inestables Deterioro continuo, con severidad creciente en los sellos, cojinetes,impulsores (Ver imagen 9), eje, etc.

Aumento de la tolerancia en los sellos, ocasionando fugas. Disminuye la eficiencia en el consumo de energa. Reduce la vida til del compresor.


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Imagen 13. Estado de impulsor despus de un SURGE


Los estndares en la industria han determinado que para una correcta deteccinde SURGE, basta con el monitoreo de las condiciones del fluido en la succin y enla descarga (temperatura, presin, flujo) del compresor as como tambin lavelocidad de este, las vibraciones y el sonido producido15.

Imagen 14. Esquema de distribucin de instrumentos para deteccin de SURGE

Fuente: Ibd.

15Compressors Handbook. Paul C. Hanlon. McGRAW-HILL. 2001. Pag. 4.44


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3.1.2 Instrumentos de medicin El buen control ANTI-SURGE se puede lograrsi los instrumentos ofrecen exactitud en la medicin, los tiempos de respuesta sonacordes a los requerimientos de operacin y sobretodo que el acondicionamientode las seales de salida sea el mejor.

El correcto clculo de los dispositivos de medicin se debe realizar para losvalores mximos de operacin del compresor, adems se debe tener en cuentaque el valor de la seal de los transmisores para un mnimo operativo delcompresor no debe ser inferior al 10% del rango de seal del transmisor.

3.1.2.1 Dispositivo de medicin de flujo La ecuacin para determinar elflujo a travs del plato de orificios viene dada por el autor R.W. Miller en su libroFlow Measurement Engineering Handbook, el valor resultante ser el que setomara en cuenta para ser enviado al controlador ANTI-SURGE para determinar elflujo que maneja el compresor:

... Donde:P = Diferencial de presin a travs del plato de orificio.Q = Es la tasa de flujo volumtrico de gas medida en ACFMN = 5.982114 que es el factor de flujo volumtrico de gas

La ecuacin Densidad del flujo la determinan:

MW = Peso molecular Ro = 10.73151 que es la constante universal de los gasesZ = Factor de compresibilidad del gasP = Presin [psia]T = Temperatura [R]a = Factor de Seguridad

Fa = 1.008 equivalente al factor de expansin trmico definido grficamente (FlowMeasurement Engineering Handbook de R.W. Miller. Pag. 2-8, Formula 2.5)D = Es el dimetro externo del plato de medicin [in]d = Es el dimetro del agujero del plato de medicin [in]= d/D es la relacin de dimetrosComo constante equivalente al factor de velocidad se tiene:


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. . Donde Y equivale al factor de expansin del gask = Es el calor especifico del gasX = Es la relacin de presiones dependiendo de la posicin del dispositivo demedicin

.El factor equivalente al diferencial de presin es:

El coeficiente de descarga16:

Donde Cque es el coeficiente de descarga para el nmero infinito de Reynolds.

0.59590.0312. 0.184 0.09 1 0.0337

b = es el termino de correccin del numero de Reynoldsn = es el exponente del numero de ReynoldsRD = es el numero de Reynolds de la tubera

9 1 7 1 . 0 . 7 5

2266.97 = Viscosidad absoluta [cP]

Segn las curvas entregadas por el fabricante, se escogen los datos para lassiguientes condiciones de operacin:

Anexo D para Temperatura ambiente igual a 95 F Anexo E para Temperatura ambiente igual a 70 F en punto operativo A

16CREUS ANTONIO. Instrumentacin Industrial. 6ta Ed. Pag. 114. Barcelona Espaa 1997.


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Anexo F para Temperatura ambiente igual a 95 F en punto operativo B Anexo G para un mnimo peso molecular del gas en punto operativo C Anexo H para Temperatura ambiente igual a 54 F en punto operativo D

Resumiendo los datos de los anexos:

Tabla 2. Resumen de mapas de Operacin del compresor.Parmetro Tamb = 95 F Tamb = 70 F Tamb = 95 F Min MW Tamb = 54 F

Ps = P2[psia]

489 489 464 439 489

ts [F] 114.4 96.35 109.3 100 82Ts [R] 574.07 556.02 568.97 559.67 541.67

Zs 0.918 0.908 0.924 0.938 0.9k 1.266 1.274 1.272 1.293 1.28

MW 21.86 21.75 21.29 19.43 21.64a 1.3 1.16 1.3 1.25 1.11

Qs[acfm](diseo)

6950 7750 7150 7250 8050

Qs,max[acfm] 9035 8990 9295 9063 8936Pd = P1[psia]

2500 2600 2280 1820 2700

Qs,max = Qs * aFuente: Mapas de operacin del compresor, anexos D - H

Aplicando las diferentes frmulas y relaciones enunciadas anteriormente utilizandocomo datos los de la tabla nmero 2 se tiene:

Para Tamb = 95FDe la hoja de datos del plato de agujero entregada por el fabricante encontrada enel anexo I:Dimetro interno del plato D = 21.562 inDimetro del orificio d = 14.7105 inRelacin de dimetros = d/D = 0.68224Factor de expansin trmico Fa = 1.0008Viscosidad absoluta = 0.013 cP

Calculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operacin:

21.864890.91810.73151574.07 Teniendo como resultado:

.


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34

Se procede entonces a calcular el coeficiente de descarga para el nmero infinitode Reynolds:

0.59590.0312. 0.184 0.09

1 0.0337

0.59590.03120.68224. 0.184 0.68224 0.09 0.6822414.710510.68224 0.0337 0.68224

14.7105

Se tienen entonces:

. 9 1 7 1 .91710.68224..

Conocidos los dems datos se emplea la frmula para calcular el nmero deReynolds as:

2266.97 2266.97 90351.89010.01321.5625.982114

Lo que arroja como resultado que el nmero de Reynolds para esas condicionesdel gas es:

.Luego se calcula el coeficiente de descarga:

0.6018 35.2581

23087541.47.

.Seguido se encuentra el diferencial de presin a travs del compresor:

1 2 2500 489


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35

Se emplea este ltimo dato en el clculo de la relacin de presiones:

27.732 201127.734892011

. Luego se calcula el factor de expansin del gas:

1 0.410.35

1 0.410.350.68224 0.12911.266 .

Se calcula entonces el factor de velocidad a travs del plato, as:

11

110.68224

. Recopilando todos los datos, aplicarlos en la frmula para hacer el clculo de ladiferencia de presin a travs del dispositivo de medicin:

. .. 9035

1.89015.982114 1.0008 0.6020 0.9504 1.1298 0.68224 21.562 . .. . . . .

Para Tamb = 70FCalculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operacin:


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36

21.754890.90810.73151556.02

Teniendo como resultado:

. Se procede entonces a calcular el coeficiente de descarga para el nmero infinitode Reynolds:

0.59590.0312. 0.184 0.09 1 0.0337

0.59590.03120.68224. 0.184 0.68224 0.09 0.6822414.710510.68224 0.0337 0.6822414.7105 Se tienen entonces:

. 9 1 7 1 .91710.68224..Conocidos los dems datos se emplea la frmula para calcular el nmero de

Reynolds as: 2266.97 2266.97 89901.96300.01321.5625.982114

Lo que arroja como resultado que el nmero de Reynolds para esas condicionesdel gas es: .Luego se calcula el coeficiente de descarga:

0.6018 35.258123858855.02.


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1 2

2600 489 Se emplea este ltimo dato en el clculo de la relacin de presiones: 27.732

211127.734892111 . Luego se calcula el factor de expansin del gas:

1 0.410.35 1 0.410.350.68224 0.13471.274 .


11 110.68224 .

Recopilando todos los datos, aplicarlos en la frmula para hacer el clculo de ladiferencia de presin a travs del dispositivo de medicin:

. ..

8990 1.96305.982114 1.0008 0.6020 0.9486 1.1298 0.68224 21.562 . .. . . . .


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38

Para Tamb = 95FCalculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operacin:

21.294640.92410.73151568.97 Teniendo como resultado:


0.59590.0312. 0.184 0.09

1 0.0337

0.59590.03120.68224. 0.184 0.68224 0.09 0.6822414.710510.68224 0.0337 0.68224

14.7105

Se tienen entonces:

. 9 1 7 1 .

91710.68224.

.Conocidos los dems datos se emplea la frmula para calcular el nmero deReynolds as:

2266.97 2266.97 92951.75090.01321.5625.982114

Lo que arroja como resultado que el nmero de Reynolds para esas condiciones

del gas es: .Luego se calcula el coeficiente de descarga:


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0.6018 35.258422002890.88..Seguido se encuentra el diferencial de presin a travs del compresor: 1 2 2280 464 Se emplea este ltimo dato en el clculo de la relacin de presiones:

27.732 1816

27.734641864

. Luego se calcula el factor de expansin del gas: 1 0.410.35

1 0.410.350.68224 0.12361.272 .Se calcula entonces el factor de velocidad a travs del plato, as:

11 110.68224 .


. .. 9295 1.75095.982114 1.0008 0.6020 0.9527 1.1298 0.68224 21.562 . ..


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. . . .Para mnimo peso molecular MWCalculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operacin:

19.434390.93810.73151559.67



0.59590.0312. 0.184 0.09

1 0.0337

0.59590.03120.68224. 0.184 0.68224 0.09 0.6822414.710510.68224 0.0337 0.68224

14.7105

Se tienen entonces:

. 9 1 7 1 .

91710.68224.

.Conocidos los dems datos se emplea la frmula para calcular el nmero deReynolds as:

2266.97 2266.97 9062.51.51400.01321.5625.982114


.Luego se calcula el coeficiente de descarga:


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41

0.6018 35.258418550196.83.


1 2 1820 439 Se emplea este ltimo dato en el clculo de la relacin de presiones:

27.732 138127.734391381 .

Luego se calcula el factor de expansin del gas:

1 0.410.35

1 0.410.350.68224 0.10181.293 .Se calcula entonces el factor de velocidad a travs del plato, as:

11 1

10.68224

. Recopilando todos los datos, aplicarlos en la frmula para hacer el clculo de ladiferencia de presin a travs del dispositivo de medicin:

. ..


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9062.5 1.51405.982114 1.0008 0.6020 0.9617 1.1298 0.68224 21.562 . ..

. . . .Para Tamb = 54FCalculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operacin:

21.644890.910.73151541.67



0.59590.0312. 0.184 0.09 1 0.0337

0.59590.03120.68224.

0.184 0.68224

0.09 0.6822414.710510.68224 0.0337 0.6822414.7105 Se tienen entonces:

. 9 1 7 1 .91710.68224..Conocidos los dems datos se emplea la frmula para calcular el nmero deReynolds as:

2266.97 2266.97 8935.52.02260.01321.5625.982114


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43


.

Luego se calcula el coeficiente de descarga:

0.6018 35.258424434627.92.


1 2 2700 489 Se emplea este ltimo dato en el clculo de la relacin de presiones:

27.732 221127.734892211 .

Luego se calcula el factor de expansin del gas:

1 0.410.35 1 0.410.350.68224 0.14011.28 .


11 110.68224 .


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44


. ..

8935.5 2.02265.982114 1.0008 0.6020 0.9467 1.1298 0.68224 21.562 . .. . . . .

Como resumen de todos los valores calculados anteriormente se tiene la tabla 3que los detalla:

Tabla 3. Resumen Clculos para la medicin de flujoTamb = 95F Tamb = 70F Tamb = 95F Min MW Tamb = 54F

a 1.30 1.16 1.3 1.25 1.11Qmax [acfm] 9035 8990 9295 9062.5 8935.5[lbm/ft] 1.8901 1.9630 1.7509 1.5140 1.0226E 1.1298 1.1298 1.1298 1.1298 1.1298b 35.2584 35.2584 35.2584 35.2584 35.2584n 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013Fa 1.0008 1.0008 1.0008 1.0008 1.0008RD 23087541.47 23858855.02 22002890.88 18550196.83 24434627.92C 0.6018 0.6018 0.6018 0.6018 0.6018C 0.6020 0.6020 0.6020 0.6020 0.6020X 0.1291 0.1347 0.1236 0.1018 0.1401

Y 0.9504 0.9486 0.9527 0.9617 0.9467Po [in.W.C.] 219.9594 227.0405 214.6054 173.1245 232.0114

Fuente: Resumen de clculos plato de orificio

La ltima fila de la tabla antes enunciada, refleja los diferentes valores de flujo quese pueden llegar a tener a travs del compresor y por supuesto del trasmisor deflujo. Este clculo permite hacer un estimativo de las diferentes variaciones que sepueden llegar a tener cuando se genere un SURGE. La simulacin del efecto deun SURGE, tiene que referirse a las auto oscilaciones de flujo que el transmisor

detectar.

El cdigo que se disee, debe hacer algn tipo de comparacin con una variablede proceso ejemplo: presin en la descarga. Hecha la comparacin, se debeimplementar una rutina que disminuya o incremente el flujo cuando lacomparacin sea correcta o falsa.


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3.1.3 Vlvula ANTI-SURGE

3.1.3.1 Tiempo de accionamiento Tpicamente la duracin de un ciclo de

SURGE es de un segundo, las vlvulas de reciclo tienen que responder a estoscambios de manera rpida para evitar los daos al compresor. Es as como lostiempos de respuesta de las vlvulas a la inversin de flujo est alrededor de 2segundos y en algunos casos menos.

La velocidad de la vlvula es determinante para controlar el volumen y laspresiones a las que se puede someter el compresor en caso de un SURGE, porende el actuador que sta use debe ser de gran velocidad y estabilidad paracondiciones de apertura y de cierre. Para ello son usados actuadores de tipoFisher 2625, accionados por la salida del controlador ANTI-SURGE.

3.1.3.2 Localizacin La mejor localizacin de la vlvula ANTI-SURGE estan cerca de la descarga como sea posible. Con ello el volumen a la descarga delcompresor, la vlvula check y la vlvula ANTI-SURGE puede ser minimizado.

3.1.3.3 Caractersticas Las caractersticas de la vlvula se reflejan por lasdiferentes restricciones que ofrecen los elementos del control del flujo, por ende serecomienda el uso de elementos de tipo lineal a los de tipo proporcional.

3.1.3.4 Actuador, posicionador y transductores electro-neumticos.Los actuadores pueden ser de tipo pistn o de diafragma neumticos, estosproporcionan la energa necesaria para operar la vlvula.El posicionador es requerido para determinar el porcentaje exacto de apertura dela vlvula. El posicionador debe ajustarse al movimiento de la vlvula.

El transductor electro-neumtico es el encargado de convertir una seal elctricaenviada por el controlador en una seal neumtica proporcional recibida por elposicionador, la mejor localizacin del transductor es en la vlvula.

3.1.3.5 Tamao En la seleccin del tamao de la vlvula puede serdeterminado de dos tipos: una vlvula que lleve el compresor a la derecha de lalnea de SURGE y una vlvula sobredimensionada.Par el primer caso, el compresor puede sufrir averas en caso que se den SURGErepetidos y con esta vlvula no se puede controlar el volumen constante de gas.La segunda alternativa, puede generar daos ya que la sintonizacin del controlde la vlvula no es del todo confiable o un elevado flujo de reciclo puede generarinestabilidad al control de desempeo.


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Una vlvula de bajas dimensiones es incapaz de proteger al compresor deSURGE repetidos o alguna perturbacin podra llevar al compresor a SURGEcontrol line. El dimensionamiento inadecuado de la vlvula de reciclo es peligrosoen el caso que se estn operando varios compresores ya sea en serie o en

paralelo.La experiencia de C.C.C. les ha permitido crear un mtodo eficiente para calcularlas dimensiones de la vlvula de reciclo:

Usando las curvas de desempeo del compresor, se define la interseccinentre la lnea de SURGE y la curva de mximo desempeo del compresor.

Calcular el coeficiente de flujo Cv para este punto Multiplicar el Cv por 1.8 para encontrar el valor mnimo del coeficiente de

flujo Cv,min Multiplicar el Cv por 2.2 para encontrar el valor mximo del coeficiente de

flujo Cv,max

Comparar el coeficiente de la vlvula que se pretende instalar con losvalores anteriormente calculados, la vlvula debe satisfacer losrequerimientos de Cv,max Cv,v Cv,min.

El Coeficiente de flujo Cv, es la capacidad en galones por minuto que tiene unavlvula que permite el paso de un fluido cuyas prdidas de presin son de unapulgada cuadrada17.

Se procede entonces a:

Del mapa del compresor determinar el flujo volumtrico del gas [acfm] y la

presin de descarga [psia], para el punto de interseccin entre la lnealmite de SURGE y la curva de mximo desempeo. Obtener del mapa de compresor, la presin de succin Ps [psia],

temperatura de succin ts [F] o Ts [R], compresibilidad en la succin Zs,la relacin de calor especifico ks y el peso molecular del gas MW.

Calcular el flujo de gas a condiciones estndar:

60 Donde Zst = 1.0, Pst = 14.7 psia y Tst = 60 F o 520 R, equivalentes a

compresibilidad, presin y temperatura a condiciones estndar.

Asuma Pd como P1 y Ps como P2 para manejo de las frmulas. Calcular la cada de presin P = P1 P2 [psia]

17VALVE SELECTIONHAND BOOK. PETER SMITH, R. W. ZAPPE. Editorial Elsevier. Pag. 33. 2004.


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Como el gas que se reinyecta al cabezal de succin proviene de una etapade enfriamiento en los cooler, este sale a una temperatura aproximada de114 F que se asume como Ts.

Para el clculo del coeficiente de la vlvula se utiliza la ecuacin estndar

para el dimensionamiento de vlvulas de control ISA-S75.01-1985

,

Donde:N9 = 7320 equivalente al factor del flujo volumtrico

1 3 Expandiendo el factor X se tiene:

Relacin de presin a la entrada de la vlvula. . Que es la relacin de calor especfico del gas con el calor especficodel aire.

Es el factor de relacin de cada de presin dada por el fabricante de lavlvula.

Es el factor geomtrico de la tubera que se asume como 1.Desarrollo de las ecuaciones para la vlvula FV-2600Segn caractersticas del fabricante de la vlvula para proteccin de SURGE FV-2600 que se detallan en el anexo 20, y con la cual todo el sistema fue configurado,la FV-2600 funciona como apertura a la falla y tiene un factor Cv,v = 260 y XT =0.75.

La verificacin de la seleccin hecha con la vlvula FV-2600, se realiza tomandocomo referencia las curvas de operacin del compresor a diferentes condicionesde temperatura ambiente en las cuales el gas es inyectado.

Segn las curvas entregadas por el fabricante, se escogen los datos para lassiguientes condiciones de operacin:

Anexo D para Temperatura ambiente igual a 95 F Anexo E para Temperatura ambiente igual a 70 F en punto operativo A Anexo F para Temperatura ambiente igual a 95 F en punto operativo B Anexo G para un mnimo peso molecular del gas en punto operativo C


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Anexo H para Temperatura ambiente igual a 54 F en punto operativo D

Resumidamente los datos son:

Tabla 4. Resumen de mapas de Operacin del compresor.Parmetro Tamb = 95 F Tamb = 70 F Tamb = 95 F Min MW Tamb = 54 FPs [psia] 489 489 464 439 489

ts [F] 114.4 96.35 109.3 100 82Ts [R] 574.07 556.02 568.97 559.67 541.67

Zs 0.918 0.908 0.924 0.938 0.9Zd 0.775 0.721 0.788 0.832 0.727k 1.266 1.274 1.272 1.293 1.28

MW 21.86 21.75 21.29 19.43 21.64Qs[acfm](SURGE)

6700 6800 6500 5750 6950

Pd[psia]

(SURGE) 2500 2600 2280 1820 2700Fuente: Mapas de operacin del compresor, anexo D - H

Aplicando las diferentes frmulas y relaciones enunciadas anteriormente utilizandocomo datos los de la tabla nmero 4 se tiene:

Para Tamb = 95FFlujo a condiciones estndar:

60 6700 489520114.7574.070.918 60 ..,

La relacin de presin:

25004892500 .

La relacin de los calores especficos:


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1.4 1.2661.4

.

El factor de cada de presin de la vlvula dada por el fabricante: . 0.90420.75.

Relacin entre cadas de presin y calores especficos:

1

3 1

3 1 1

3

0.678221.86574.071 .

Sustituyendo en la ecuacin del clculo del coeficiente de flujo:

,

13.195.121,3317320125002/30.00735 . /, 1.8 147.11.8. /, 2.2 147.1 2.2 . /


60 6700 489520114.7556.020.908 60 ..,


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50


26004892600 .


1.4 1.2741.4 . El factor de cada de presin de la vlvula dada por el fabricante:

. 0.910.75.


1

3 1

3 1 13

0.682521.75556.021 .


,

13.979.085,7587320126002/30.00751

. /


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51

, 1.8 146.61.8. /, 2.2 146.62.2. /Para Tamb = 95F con baja presin de succin

Flujo a condiciones estndar:

60 6500 464520114.7568.970.924 60

.., La relacin de presin:

22804642280 .


1.4 1.2721.4

.El factor de cada de presin de la vlvula dada por el fabricante: . 0.90850.75.


1

3 1

3 1 1

3

0.681421.29568.971 .



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52

,

12.176.073,3937320122802/30.0075 . /, 1.8 145.91.8. /, 2.2 145.92.2 /

Para el mnimo peso molecular MWFlujo a condiciones estndar:

60 5750 439520114.7559.670.938 60

.., La relacin de presin:

18204391820 .


1.4 1.2931.4 .

El factor de cada de presin de la vlvula dada por el fabricante:

. 0.92350.75. Relacin entre cadas de presin y calores especficos:


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1 3 1 3 1 13

0.692619.43559.671 .Sustituyendo en la ecuacin del clculo del coeficiente de flujo:

,

10.205.511,0627320118202/30.00798 . /, 1.8 143.91.8. /, 2.2 143.92.2. /


60 6950 489520114.7541.670.9 60 ..,


27004892700

.


1.4 1.281.4 .

El factor de cada de presin de la vlvula dada por el fabricante:


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54

. 0.91420.75. Relacin entre cadas de presin y calores especficos: 1 3 1 3 1 13

0.685621.64541.671 .Sustituyendo en la ecuacin del clculo del coeficiente de flujo:

, 14.796.317,1097320127002/30.00764

. /, 1.8 146.81.8. /, 2.2 146.82.2. /La siguiente tabla resume lo calculado anteriormente:

Tabla 5. Resumen Clculos para la seleccin de la FV-2600Tamb = 95F Tamb = 70F Tamb = 95F Min MW Tamb = 54F

Qst[scfh]

13.195.121,331 13.979.085,758 12.176.073,393 10.205.511,062 14.796.317,109

P1 = Pd[PSI]

2500 2600 2280 1820 2700

P2 = Ps[PSI]

489 489 464 439 489

P [PSI] 2011 2111 1816 1381 2211Cv 147.1 146.6 145.9 143.9 146.8

Cv,min 264.8 263.9 262.6 259.1 264.24Cv,max 323.6 322.6 321 316.7 322.96Fuente: Clculos dimensionamiento vlvula ANTI-SURGE, anexos J L.


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Del anterior resumen se concluye que:

2 6 0 , 264.8Los que demuestra que el dimensionamiento de la vlvula FV-2600 instalada es la

adecuada y ofrece proteccin en caso de SURGE. Los anexos J, K, L detallan lainformacin referente a la vlvula usada en el control ANTI-SURGE.

Esta informacin, adems permite estimar cuales sern las prdidas oincrementos de presin, cuando la vlvula ANTI-SURGE est abriendo o cerrando.Cuando la vlvula empiece a cerrar, la presin en la descarga del compresortiende a incrementarse, mientras que la presin en la succin del compresor va adisminuir. Si por el contrario, la vlvula empieza a abrirse, el compresor empieza arecircular y la presin del compresor en la descarga disminuye sustancialmente,efecto contrario se nota en la succin del compresor, ya que la presin en lasuccin del compresor se incrementa significativamente.

3.1.4 Controlador ANTI-SURGE El Controlador ANTI-SURGE (AS) es unaunidad de clculo capaz de interpretar las seales provenientes de los diferentestransmisores, almacenar estos valores dentro de un algoritmo previamenteconfigurado para interpretar el punto operativo exacto del compresor y ubicarlodentro del mapa de operacin del compresor, con ello poder identificar laposibilidad de SURGE.

Imagen 15. Controlador ANTI-SURGE Series 3

Fuente: Product Bulletins PB301_SP3_PLUS_Anti_Surge_Controller.http://www.cccglobal.com/pdf/Bulletins/Series3P.zip


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Los controladores ANTI-SURGE Serie 3+18de Compressor Controls Corporation,se componen de 5 elementos principales. Un panel frontal de usuario, un panel deingeniera, un chasis, una main board y una tarjeta anloga. El estado ptimo decada uno de estos elementos, permite asegurar la efectividad del controlador al

momento de realizar su trabajo.El panel frontal cuenta con una serie de botones, los cuales el usuario puedemanipular para desplazarse dentro de una serie de mens de monitoreo devariables y visualizacin de estados.

Imagen 16. Panel Frontal del Controlador ANTI-SURGE Series 3

Fuente: Series 3 Plus Antisurge Controller Operator Interfaz Description. ProductRevision: 756-004

El panel de ingeniera, se encuentra en la parte posterior del panel del usuario, ypermite hacer cambios a parmetros por ejemplo de ganancias del PI, hacerprueba de los puertos de salida o entrada de las seales anlogas y digitales, ascomo tambin del puerto de comunicaciones. La manipulacin de parmetrosdesde este panel, se debe realizar con precaucin, ya que una vez ingresados losdatos, el controlador los asume sin ningn tipo de advertencia o seal.

18Informacin comercial: http://www.cccglobal.com/Products/Series3/Series3+/


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Imagen 17. Panel de Ingeniera del Controlador ANTI-SURGE Series 3

Fuente: Ibd.

La sencilla configuracin de borneras del controlador ANTI-SURGE, permite hacerla conexin directa de los trasmisores al controlador, sin necesidad de que estasseales pasen por algn otro sistema, al contrario, es el controlador ANTI-SURGEel que reporta los valores de los instrumentos al sistema DCS.

Este tipo de controlador tiene como caracterstica fsica: 8 entradas anlogas (4 20 mA) 2 salidas anlogas (4 20 mA) 7 entradas digitales (24 V) 5 salidas digitales (24 V) 1 entrada de poder para 24 V 3 Puertos de comunicacin


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Imagen 18. Puertos traseros del Controlador ANTI-SURGE Series 3

Fuente: Series 3 Plus Hardware Reference. Publication IM300/H (6.2.0)

Los controladores Serie 3 de C.C.C. utilizan tres estrategias de control para evitarel SURGE en los compresores. Estas estrategias son evaluadas previamente conayuda de los mapas de operacin de cada uno de los compresores.

Cada una de las estrategias de control, se ve reflejada, en la accin que elcontrolador ejecuta sobre la vlvula de reciclo. Dependiendo el punto operativo del

compresor y de la posibilidad que este se acerque a SURGE, el controlador puedeabrir la vlvula con el fin de alivianar la presin en la descarga. O si por elcontrario, la presin en la descarga hace que la relacin de compresibilidad seamuy baja, el controlador tiende a cerrar la vlvula de reciclo y as incrementar aunmas rpido la presin del compresor.

Sea cual sea la situacin del compresor, la seal que el controlador ANTI-SURGEenva a la vlvula de reciclo, resulta de la sumatoria de las tres estrategias decontrol. Esto hace, que las posibilidades de ocurrencia de SURGE se minimicen.Como estrategias de control se tiene: Lnea de control de SURGE, Lnea deRecycle Trip, Lnea de Safety On.

Antes de iniciar con la explicaciones de cada una de las estrategias de control, esnecesario especificar en el controlador una lnea de referencia sobre la cual esteejecutara las acciones de control, esta referencia se conoce como Lnea lmite deSURGE. Este lmite obedece a la posicin exacta en el mapa de operacin, endonde el compresor dependiendo de su velocidad, deja de comprimir el fluido yexperimenta un fenmeno llamado reversin de flujoo SURGE.


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3.1.4.1 Lnea lmite de SURGE Para poder evitar que un compresorexperimente SURGE, se necesita conocer exactamente donde se encuentraubicada la Lnea Lmite de SURGE. Esta informacin debe cargarse alcontrolador que interviene en la vlvula de reciclo. Si este controlador sabe donde

se ubica la Lnea Lmite de SURGE y conoce la ubicacin del Punto Operativo conrespecto a esa lnea, entonces la vlvula de reciclo puede abrirse oportunamente.

El lmite no puede traspasarse sin peligros potenciales para el compresor ademsde que este lmite no es el valor mximo o mnimo de una sola seal fsica detransmisor. En el caso del Lmite de SURGE, el lmite es una lnea en el mapa delcompresor, que tiene a Hp en el eje vertical y a Qs en el eje horizontal. El desafoest ahora en encontrar la manera de describir la Lnea Lmite de SURGE, de talforma que se pueda ver este lmite como cualquier otro lmite del tipo de una solavariable.

Para determinar la Lnea Lmite de SURGE (SLL), C.C.C. propone un mtodo muyconfiable de laboratorio el cual consiste en someter el compresor a condicionesprximas de SURGE, con el fin de determinar cules son los parmetros deoperacin que lo originan (presin, temperatura, flujo, velocidad) y as poder trazarun punto que prolongado al origen de las coordenadas HPy Qs

2 forme una rectaque determina la regin de operacin segura y regin de SURGE.

Imagen 19. Lnea lmite de SURGE.


Si el ngulo se conoce, entonces se conoce tambin la tangente. En otraspalabras, se puede describir la Lnea Lmite de SURGE determinando el cocienteentre Qs y Hp llamado Kpara un solo punto de la lnea. Si se hace un clculosimilar para el Punto Operativo, puede determinarse la distancia hacia el Lmite de


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SURGE. Observando minuciosamente las frmulas para Qs y Hp, se puededeterminar grandiosos resultados:Valor de K:

Ecuacin 1

Cabezal Politrpico: Ecuacin 2Flujo Volumtrico:

Ecuacin 3Exponencial del cabezal Politrpico:

Ecuacin 4

Relacin de compresin: Ecuacin 5El valor de K no es una constante para todo tipo de compresor sino que cambiadependiendo el diseo y las condiciones del gas, por ello los controladores C.C.C.utilizan una variable adicional para procurar la universalidad, llamado el valor S:

|

..Ecuacin 6

Este valor S es proporcional a la distancia angular entre el Punto Operativo y laLnea Lmite de SURGE. Este valor S siempre ser igual a 1 (uno) cuando elPunto Operativo se ubique sobre la Lnea Lmite de SURGE. Sustituyendo lasecuaciones 2 y 3 en 6 se tiene:

Ecuacin 7

,

,

Ecuacin 8

, Ecuacin 9, Ecuacin 10


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Las frmulas 9 y 10 se denominan respectivamente, Cabezal PolitrpicoReducido y Flujo de Succin Reducido.

Luego de transformar las frmulas del Cabezal Politrpico y del Flujo Volumtrico

de Succin, queda demostrado que para calcular la frmula del valor S, solo senecesita conocer los valores de cinco transmisores, estos son:

1: Presin diferencial a travs de un dispositivo de medicin de flujo Po2: Presin de descarga Pd3: Presin de succin Ps4: Temperatura de descarga Td5: Temperatura de succin Ts

Caracterizador de velocidad En los compresores las lneas de lmite de SURGEno siempre se encuentran ubicadas en el mismo lugar, ello genera que losparmetros de proteccin que ofrece el controlador AS no puedan brindar lasacciones necesarias en caso de un SURGE. Por ende el caracterizador deSURGE, recoge datos de las pruebas de SURGE realizadas a los compresores ylos incluye en las ecuacin de proteccin. Como resultado la ecuacin 8 queda dela forma:

,, Ecuacin 11Para calcular adecuadamente el valor de S, en necesario adems de los 5transmisores anteriormente expuestos, un transmisor de velocidad que seinterpretara como una ganancia en la ecuacin 11.

3.1.4.2 Estrategia 1: Lnea de control de SURGE La Lnea de Control deSURGE (LCS) define la mnima distancia deseada entre el Punto Operativo y laLnea Lmite de SURGE (LLS). La Lnea de Control de SURGE (LCS) estsiempre a la derecha de la Lnea Lmite de SURGE (LLS) con una distanciallamada margen de seguridad (b) que garantiza que en caso que el compresorsobrepase la LCS la vlvula de reciclo abra un porcentaje (previamenteestablecido como b1) para evitar un posible SURGE.


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Imagen 20. Lnea de Control de SURGE


La ecuacin 11 ahora cambia a la siguiente:

,, Ecuacin 12De donde b = b1y Sscambia al valor de S, ya que va tomar el valor de 1 cuandoest sobre la LCS y no sobre LLS.

El margen de seguridad lo

control antisurge en compresor

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