Ingenieria Básica de P&ID

Instrumentación industrial mecánica

Índice 1.

TEMA: .......................... ............................ ............................ ........................... ................. - 1 -

2.

OBJETIVOS: ............................ ............................ ........................... ............................ ....... - 1 GENERAL: ............................................................................................................................ - 1 ESPECÍFICOS: ....................................................................................................................... - 1 -

3.

MARCO TEÓRICO:........................... ............................ ........................... .......................... - 1 -

4.

ANTECEDENTES: ........................ ............................ ........................... ............................ ... - 7 -

5.

ACTUALIZACIÓN DE DATOS DE LOS EQUIPOS:....................................... EQUIPOS:........... ............................ ........................ - 11 -

6.

DESCRIPCIÓN DE LAZOS .......................... ............................ ............................ .............. - 25 -

7.

CONCLUSIONES ......................... ............................ ............................ ........................... . - 28 -

8.

RECOMENDACIONES .......................... ............................ ............................ ................... - 29 -

9.

BIBLIOGRAFÍA ............................ ............................ ............................ ........................... . - 29 -

Instrumentación industrial mecánica Lista de tablas Tabla 1: Indicadores locales en P&ID ...................................................................................... - 3 Tabla 2: Representación de transmisores en P&ID ................................................................. - 4 Tabla 3: Representación de switches en P&ID ........................................................................ - 4 Tabla 4: Representación de válvulas en P&ID ......................................................................... - 5 Tabla 5: Posicionadores en P&ID......................... ........................... ............................ ............ - 6 Tabla 6: Otros equipos utilizados en P&ID .............................................................................. - 7 Tabla 7: Transmisor indicador de caudal ............................................................................... - 11 Tabla 8: Elemento primario de flujo - Venturi ....................................................................... - 12 Tabla 9: Indicador/controlador de posición de válvula ......................................................... - 13 Tabla 10: Transmisor de posición .......................................................................................... - 14 Tabla 11: Controlador/indicador de flujo. ............................................................................. - 15 Tabla 12: Válvula de mariposa accionada por motor ............................................................ - 16 Tabla 13: Elemento primario de flujo/Indicador de flujo ...................................................... - 17 Tabla 14: Analizador de oxígeno disuelto .............................................................................. - 19 Tabla 15: Transmisor de indicación de análisis ...................................................................... - 19 Tabla 16: Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto. ................................ .............. - 20 Tabla 17: Computador de flujo por radiocontrol................................................................... - 22 -

Instrumentación industrial mecánica Lista de imágenes Figura 1: Tipos de líneas y sus interperetaciones .................................................................... - 2 Figura 2: Representación y simbología de algunos equipos .................................................... - 2 Figura 3: Planta de tratamiento de agua. ................................................................................ - 8 Figura 4: Característica flujo-recorrido de varios tipos de válvulas. ........................................ - 9 Figura 5: Diagrama P&ID del proceso. ................................................................................... - 10 -


1. TEMA: Ingeniería básica del diagrama P&ID de un sistema de aeración de tanques.

2. OBJETIVOS: GENERAL: 

Desarrollar la ingeniería básica de del diagrama P&ID de un sistema de aeración de tanques.

ESPECÍFICOS:    

Describir la operación de un sistema de aeración de tanques. Entender la aplicación de este sistema en la industria. i ndustria. Analizar la funcionalidad de cada lazo de control aplicado al proceso junto a la viabilidad de los instrumentos que lo conforman. Identificar cada instrumento del diagrama y emparejarlos con dispositivos comerciales usados en la industria.

3. MARCO TEÓRICO: P&ID: Como su propio nombre indica, un P&ID es un diagrama donde se representan, las líneas, instrumentos, actuadores y equipos del proyecto; en los P&ID se indica los diámetros nominales, rating, nombres de los equipos, materiales, fluidos, se representa parte de la lógica de control…etc.

PLANO DE SIMBOLOGÍA DE UN P&ID En los primeros P&ID se suele representar la simbología y códigos que se utilizarán para representar los equipos. Aunque cada plano de simbología de cada proyecto tiene sus peculiaridades en general casi todos todos siguen las normas normas establecidas por la ISA. (Ver ISA-5.1). Ejemplos de información que se pueden encontrar en los planos de simbología:

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Figura 1: Tipos de líneas y sus interperetaciones

Figura 2: Representación Representación y simbología de algunos equipos

REPRESENTACIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Y EQUIPOS EN P&ID Decíamos al principio del artículo que en estos diagramas entre otras cosas se representará la instrumentación del proyecto. -2-


A continuación, vamos a ver algunos ejemplos de representación de instrumentos: Indicadores locales en P&ID Los indicadores locales nos permitirán ver los valores medidos en l os propios equipos y en las líneas de proceso. Estos instrumentos serán muy útiles para el personal de mantenimiento y producción.

Tabla 1: Indicadores locales en P&ID

Transmisores en P&ID Estos instrumentos enviarán el valor medido a equipos remotos, permitiéndonos controlar y supervisar el proceso. En estos equipos normalmente se puede especificar una indicación local de la medida, por lo que además de enviar la señal, permitirían ver el valor medido de forma local.

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Tabla 2: Representación de transmisores en P&ID

Switches en P&ID Son interruptores que enviarán una señal digital cuando la variable medida llegue a un valor determinado. Los switches pueden disparar por alto o por bajo nivel.

Tabla 3: Representación de switches en P&ID

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Válvulas en P&ID Además de la instrumentación, en los P&ID se representarán las válvulas de control y válvulas manuales. Estos equipos nos permitirán regular el flujo de las líneas de proceso. Vamos a ver a continuación algunos ejemplos de representación:

Tabla 4: Representación de válvulas en P&ID

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Tabla 5: Posicionadores Posicionadores en P&ID

Otros equipos y accesorios en P&ID

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Tabla 6: Otros equipos utilizados en P&ID

4. ANTECEDENTES: ANTECEDENTES: Planta de tratamiento de agua residual: Las plantas de tratamiento de agua residual se dividen en de acuerdo al tipo de agua que procesan que pueden ser: de alcantarillado, agua de desperdicio i ndustrial o de agricultura. Las etapas de filtrado de este tipo de plantas son:   

 

Separación de aceite-agua. Clarificador para remover sólidos. Aeración para la oxigenación del agua que ayuda a la degradación del nitrógeno y del fósforo entre otros agentes químicos que promueven el crecimiento de bacterias. Filtración con carbón. Electrodiálisis reversa.

El objetivo de las plantas de tratamiento de aguas residuales es el preparar el agua de forma que sea segura para ser liberada en un ecosistema, los riesgos que presenta el agua residual al ambiente son los siguientes:  

Extinción de la fauna marítima. Generación de gases nocivos para la fauna terrestre.

Retos de diseño en la planta de tratamiento de datos residuales:

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Instrumentación industrial mecánica Dos de los tratamientos de agua más complicados de controlar cont rolar son el BNR (Biological (Biologi cal Nitrogen Removal) y la cloración. Esto se debe a la cantidad de factores que influyen y que se deben controlar en este tipo de procesos, proc esos, lo que dificulta el uso de técnicas de diseño estándar.

Figura 3: Planta de tratamiento de agua.

En el tratamiento de agua a gran escala uno de los grandes factores que dificultan el proceso de control es el uso de instrumentos de medición y elementos finales sobredimensionados, esta es una práctica común que se debe a la gran variación de flujo de agua entre horas de trabajo diurnas y horas de trabajo secas, por lo que el equipo se diseña para trabajar adecuadamente en los eventos con mayor caudal de agua. Este tipo de diseño es susceptible a mal funcionar en las horas de trabajo secas ya que la velocidad de flujo baja obligando a los instrumentos de medición a trabajar a bajas escalas, lo que compromete la precisión. Del mismo modo los elementos finales se alteran, por ejemplo la válvulas trabajan en valores cercanos al punto de cierre lo que causa atascamientos y además los motores trabajan a velocidades bajas causando sobrecalentamientos y reducción en la vida útil. Característica de las válvulas en zonas de trabajo cercanas al punto de cierre: Controlar válvulas mariposa en posiciones cerca del punto de cierre es bastante problemático. La característica inherente de la válvula cercana al punto de cierre es casi lineal, lo que hace que la ganancia del lazo de realimentación se aleje de 0,5 (amortiguamiento de cuarto de amplitud) que en consecuencia hace que el sistema sea inestable.

-8-


Figura 4: Característica flujo-recorrido flujo-recorrido de varios tipos de válvulas.

Segundamente los actuadores eléctricos comercialmente disponibles sufren de un exceso de histéresis (muchas veces por encima del 10%) debido a la fricción del mecanismo, sobrecalentamiento sobrecalentamiento del motor y desgaste de engranes. Todo esto combinado generado una respuesta indeseada en el actuador y aunque existen varias soluciones comerciales, están tienden a ser costosas y difíciles de conseguir.

Funcionamiento del sistema de remoción biológica de nitrógeno: El sistema comienza con turbinas de aire que alimentan una tubería principal, esta pasa a alimentar tuberías se secundarias, en las cuales existen sensores y r eguladores tanto de presión como de caudal, estas tuberías pasan a alimentar a cada tanque tanqu e de aeración que posea la planta, dentro de estos tanques se mide el porcentaje de oxígeno disuelto en el agua con el objetivo que este sea el óptimo para que qu e el agua pase a la siguiente área de filtrado. Se debe tener en cuenta que cada tanque tendrá un porcentaje de oxígeno diferente por lo que necesitará nec esitará un flujo distinto. También hay que recordar que la oxigenación dentro d e cada tanque necesita ser distribuida, por lo que generalmente se utiliza más de un difusor dependiendo de la geometría del tanque.

-9-


Figura 5: Diagrama P&ID del proceso.

Se reconoce claramente los tanques de aeración que tienen difusores de aire en el fondo, cada uno de ellos es suministrado por una tubería secundaria con sus respectivos controladores y actuadores, a su vez estas están conectadas a la tubería principal que es suministrada por la turbina de aire, que no aparece en el diagrama. Se reconocen 3 lazos principales en el diagrama, los que se detallaran más adelante en el informe: 

 

Lazo de control de la válvula válvul a principal basado en el análisis de la concentración total de oxígeno en los 3 tanques. Lazo de control de flujo para cada línea de alimentación de tanque. Un lazo de realimentación que mide el flujo máximo de las tuberías secundarias para regular el flujo primario.

- 10 -


5. ACTUALIZACIÓN ACTUALIZACIÓN DE DATOS DE LOS EQUIPOS:

DISPOSITIVO

Transmisor indicador de caudal

MARCA:

Mettler Toledo

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

XXX

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 7: Transmisor Transmisor indicador de caudal

- 11 -


DISPOSITIVO

Elemento primario de flujo - Venturi

MARCA:

Dwyer

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

101

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 8: Elemento primario de flujo - Venturi

- 12 -


DISPOSITIVO

Indicador/controlador de posición de válvula

MARCA:

Sico UK

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

101

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

111 Tabla 9: I ndicador/controlador ndicador/controlador de posición de válvula

- 13 -


DISPOSITIVO

Transmisor de posición.

MARCA:

Fisher

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

101

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 10: Transmisor de posición

- 14 -


DISPOSITIVO

Controlador/indicador de flujo.

MARCA:

Dwyer

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

101

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 11: Controlador/indicador de flujo.

- 15 -


DISPOSITIVO

Válvula de mariposa accionada por motor

MARCA:

Valworx

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

Varias

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 12: Válvula de mariposa accionada por motor

- 16 -


DISPOSITIVO

Elemento primario de flujo/Indicador de flujo.

MARCA:

Dwyer

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

102

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 13: Elemento primario de flujo/Indicador flujo/Indicador de flujo

- 17 -


DISPOSITIVO

Analizador de oxígeno disuelto

MARCA:

Yokogawa

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

202

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

- 18 -


Tabla 14: Analizador de oxígeno disuelto

DISPOSITIVO

Transmisor de indicación de análisis

MARCA:

Emerson Process

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

201

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 15: Transmisor de indicación de análisis

- 19 -


DISPOSITIVO

Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto.

MARCA:

Vernier

PROYECTO:

1

LAZO:

3461A

ÁREA:

201

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 16: Elemento primario de análisis de oxígeno disuelto.

- 20 -


DISPOSITIVO

Computador de flujo por radiocontrol

MARCA:

Emerson Process

PROYECTO:

1

LAZO:

3461D

ÁREA:

101

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

- 21 -


Tabla 17: Computador de flujo por radiocontrol

NOTA: Es importante que el dispositivo posea protocolos de comunicación por radio control ya que los mismos serán ubicados en las cercanías de los l os tanques, a grandes alturas sobre el suelo por lo que la comunicación por cable sería ineficiente.

- 22 -


DISPOSITIVO

Indicador de posición.

MARCA:

Sico

PROYECTO:

1

LAZO:

3441

ÁREA:

101,201

PLANO:

1

ESPECIFICACIONES:

Tabla 18: Indicador de posición digital.

- 23 -


DISPOSITIVO

Programador Lógico Controlable PLC-111

MARCA: PROYECTO:

1

LAZO:

3441

ÁREA:

101

PLANO:

1

Siemens

ESPECIFICACIONES:

Tabla 19: PLC 111

- 24 -

Instrumentación industrial mecánica Nota: Como mejora en el diagrama P&ID se i mplementó un PLC en vez de la combinación de dispositivos HSS y AIC con el fin de que la lectura de todas las variables sea en tiempo real y no mediante un switch

6. DESCRIPCIÓN DE LAZOS Lazo 3441: Entrada principal de flujo de aire Objetivo: Control de flujo y presión de aire en la válvula principal del sistema para su posterior distribución a cada una de las l as ramificaciones hacia los tanques. Elementos que componen el lazo 3441 •

FE-3441

•

FIT-3441

•

FIC-3441

•

ZI-3441

•

ZIC-3441

•

ZT-3441

•

AIC-3441

•

FY-3441

•

Válvula de mariposa accionada por un motor

Descripción: El aire entra a través del venturimetro FIT-3441 encargado de enviar los datos de velocidad y presión del aire al controlador indicador de flujo FIC-3441, el cual además recibe la los datos del AIC-3441, para conjuntamente ser analizados y así poder controlar posición del motor que acciona la válvula mariposa, permitiendo que exista el flujo de aire a través de ella. Además el FIC-3441 envía el valor calculado de flujo de aire, hacia el computador de flujo quien analiza y envía envía dicho valor al ZIC-3461, el cual realiza su respectivo cálculo y análisis.

Lazo 3461: Análisis de los sensores de O.D. en cada tanque Objetivo: Analizar los sensores de oxígeno disuelto de cada tanque para posteriormente posteriormente enviar los datos al lazo 3441 (control de la válvula principal). Elementos de Componen el Lazo 3461 •

HSS - 3461 - 25 -

Instrumentación industrial mecánica •

ZY – 3461

•

ZIC – 3461

Descripción: Toma los valores de cada uno de los sensores de oxígeno disuelto, que se encuentran en cada tanque, para después ser analizados en el HSS-3461, para posteriormente enviar una señal de prendido o apagado al AIC –3461 quien se encarga de mandar la señal de control a la válvula principal y así permitir el ingreso de aire al sistema. También se encarga de tomar los datos del ZT, (transmisor de posición) de las válvulas mariposa accionada mediante un motor de cada tanque, los cuales son analizados en ZY-3461, para seguidamente ser enviados al ZIC-3461, el cual también recibe la señal de FY-3441, y conjuntamente son analizadas para así realizar el control individual del flujo de aire en cada lazo.

Lazo 3461B: Control del flujo de aire al tanque 3201B Objetivo: Realizar el control individual de flujo de aire enviado hacia el tanque 3201B mediante el análisis de oxígeno disuelto en el tanque t anque anteriormente mencionado. Elementos de Componen el Lazo 3461B •

FE-3461B

•

FIT-3461B

•

FIC-3461B

•

ZIC-3461B

•

ZT-3461B

•

FY-3461B

•

FE/FI-3461B

•

Válvula de mariposa accionada por un motor (3461B)

Descripción: El venturimetro FE-3461B recibe el flujo de aire de uno de los ramales y envía los valores de presión y velocidad por medio del FIT-3461B, hacia el controlador indicador de flujo FIC-3461B, quien también recibe datos comparativos del computador de flujo FY-3461B, para en el ser analizados conjuntamente y poder enviar la señal requerida por el controlador indicador de posición y para poder controlar el motor que acciona la válvula de mariposa 3461B para enviar el flujo necesario de aire requerido por el tanque. El lazo en mención también transmite la posición del motor que acciona la válvula de mariposa, hacia el ZT-3461B quien realiza su análisis.

- 26 -

Instrumentación industrial mecánica Otra de las funciones de este lazo es dividir el flujo de aire que pasa por la válvula de mariposa, en dos canales los cuales cuentan con dos Venturi metros conectados a dos válvulas manuales, con el objetivo de distribuir el aire en todo el tanque para que el oxígeno cumpla con su función de purificar el agua de forma equilibrada. Lazos 3461C y 3461D Estos lazos cuentan con el mismo funcionamiento que el antes mencionado lazo 3461B, en los tanques 3201C y 3201D 3 201D respectivamente. Se realiza el control individual de cada tanque, porque cada uno de ellos posee un tipo distinto de agua, con una concentración propia de impurezas, es por esto que requieren cantidades distintas de aire para su purificación. Lazo 3461A: Control del flujo de aire al tanque 3201A Objetivo: Realizar el control de flujo de aire aire enviado hacia el tanque 3201A mediante el el análisis de oxígeno disuelto en el tanque anteriormente mencionado. Elementos de Componen el Lazo 3461B •

FE-3461A

•

FIT-3461A

•

FIC-3461A

•

ZI-3461A

•

ZT-3461A

•

FY-3461A

•

FE/FI-3461A

•

AIC-3461A

•

HSS-3461A

•

AI-3461A

•

AIT-3461A

•

AE-3461A

•

Válvula de mariposa accionada por un motor (3461B)

Descripción: El venturimetro FE-3461A recibe el flujo de aire de uno de los ramales y envía los valores de presión y velocidad por medio del FIT-3461A, hacia el controlador indicador de flujo FIC-3461A, quien también recibe datos comparativos del controlador de D.O, para ser analizados conjuntamente y poder enviar la señal requerida por el controlador indicador de posición y para poder controlar el motor que acciona la válvula de mariposa 3461B para enviar el flujo necesario de aire requerido por el tanque.

- 27 -

Instrumentación industrial mecánica El lazo en mención también transmite la posición del motor que acciona la válvula de mariposa, hacia el ZT-3461A quien realiza realiza su análisis. Otra de las funciones de este lazo es dividir el flujo de aire que pasa por la válvula de mariposa, en dos canales los cuales cuentan con dos Venturi metros conectados a dos válvulas manuales, con el objetivo de distribuir el aire en todo el tanque para que el oxígeno cumpla con su función de purificar el agua de forma equilibrada. Además tiene dos sensores de O.D. AE-3461A distribuidos de tal manera que realicen un análisis distribuido del tanque, datos que serán analizados por el HSS-3461A quien envía su respuesta al AIC-3461A para cerrar el ciclo de análisis.

7. CONCLUSIONES: 







El proceso descrito en este diagrama P&ID es el de un sistema de control de tanques de aeración para una planta de tratamiento de aguas residuales, el comienzo del diagrama se da en una turbina de aire que alimenta una tubería principal de entrada de aire que a su vez alimenta tuberías secundarias que van a cada uno de los tanques de la planta, los cuales cabe recalcar que son de grandes proporciones, el aire se distribuye dentro del tanque a través de salidas distribuidas en la sección transversal inferior del mismo, esto con el objetivo de que el aire barra todo el volumen de agua. Este proceso de aeración tiene como objetivo el eliminar materiales químicos con repercusiones peligrosas para el medio ambiente antes de que el agua residual sea descartada en el mar. Estos materiales nocivos son principalmente el nitrógeno y el fósforo ya que al estar en la naturaleza generan la proliferación de bacterias nocivas para la fauna y flora del ecosistema. Es importante recalcar que cada tanque no va a tener el mismo tipo de agua que los demás, por lo que el sistema de control es independiente para cada tubería con lo que se consigue una optimización de recursos energéticos, al mismo tiempo que suministrar la cantidad de oxígeno necesaria para la purificación del agua. Este diagrama P&ID se puede realizar con instrumentos comerciales, el sistema se basa en tubos Venturi para la medición del flujo en cada tubería, válvulas mariposa accionadas por motor para el control de flujo y medidores del porcentaje de oxígeno disuelto para el control de cada tanque.

- 28 -


8. RECOMENDACIONES: 

Se recomiendo el uso de un PLC en el lazo de control principal 3461 en vez del controlador indicador de análisis en acople con el interruptor de seguridad ya que se está manejando una medición de oxígeno oxíg eno disuelto en varios tanques de aeración al mismo tiempo y este acople solo permite una medición a la vez, teniendo que conmutar las entradas para proveer una lectura completa, por lo que la alta densidad de puertos que brinda un PLC sería una solución viable para esta situación

9. BIBLIOGRAFÍA: Hojas de datos de cada equipo:  

 





  

 

http://controlsystem-design.com/bnr-oxygen-control/dissolve-oxygen-control-bnr/ http://es.mt.com/dam/mt_ext_files/Editorial/Generic/2/OM-THORM300_FLOW_EditorialGeneric_1191596317249_files/ba_transmitter_m300flowsp52121400sept08.pdf http://www.dwyer-inst.com/Product/Flow/Flowmeters/Venturi/SeriesVFLO#specs https://www.siko-global.com/en-us/products/positionline-positionindicators/electronic-digital-position-indicators/ap10 http://www.documentation.emersonprocess.com/groups/public/documents/bulletins /d200357x012.pdf http://www.dwyer-inst.com/Product/Flow/FlowIndicatorsControllers/SeriesMPM#specs http://cdn.valworx.com/downloads/datasheets/valworx/5652.pdf http://www.yokogawa.com/an/do402g/an-do402g-01en.htm http://www2.emersonprocess.com/enUS/brands/rosemountanalytical/Liquid/Instruments/1066/Pages/index.aspx http://www.vernier.com/files/manuals/do-bta.pdf http://www.documentation.emersonprocess.com/groups/public/documents/specifica tion_sheets/d301151x012.pdf

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Ingenieria Básica de P&ID

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