MANUAL DE INSTRUMENTACION PARA SEPARADOR SEPAR ADOR BIFASICO
Elaborado por: Especialidad: CIV: Cliente Fecha de elaboración:
Alcides Zorrilla Zorrilla Ingeniero Electrónico Electrónico 222426 Caribbean Process and Treatment C.A. C.A. 30 de Diciemb re de 2013
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TAB LA DE CONTENIDO INTRODUCCION ..............................................................................................................................
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1.
FILOSOFIA DE FUNCIONAMIENTO DE UN SEPARADOR ........................................ 4
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ELEMENTOS DE INSTRUMENTACION Y CONTROL DE UN SEPARADOR .......... 5 Instrumentación operativa: ...................................................................................................... Sección de control y alimentación .......................................................................................
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FILOSOFIA DE CONTROL DEL SEPARADOR ............................................................ 13
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INTRODUCCION
El flujo que se obtiene de un yacimiento petrolífero, por lo general, es multifasico (dos o más fases). La s eparac ión físic a de es tas f ases es un a de las operaciones fund amentales en la prod ucción, procesamiento y tratamiento de hidrocarburos .
El correcto funcionamiento de un separador depende de muchas variables: su dimensionamiento, su filosofía de diseño, los materiales utilizados para su construcción, el correcto estudio de las condiciones operativas de la locación y la lógica e implementos de instrumentación y control aplicados al equipo. Este último apartado será el énfasis de este documento, aquí se detalla la filosofía de instrumentación y control aplicada al separador objeto de estudio, para lograr esta meta, primeramente debe de tenerse claro que es un separador bifásico y como funciona, para luego poder describir cómo y con qué instrumentos se realiza el control del mismo. Se detallaran a fondo todos lo dispositivos usados para el control del separador entre estos, válvulas, sensores, controladores y demás accesorios asociados a los mismos.
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1. FILOSOFIA DE FUNCIONAMIENTO DE UN SEPARADOR
El fluido entra en el separador y se contacta con un desviador de ingreso, causando un cambio repentino en el impulso y la separación bruta inicial de líquido y vapor. La gravedad causa que gotas de líquido caigan de la corriente de gas al fondo del recipiente de recolección. Esta sección de recolección de líquido provee el tiempo de retención necesario para que el gas arrastrado salga del petróleo y suba al espacio de vapor. El gas fluye sobre el desviador de ingreso y luego horizontalmente por medio de la sección de asentamiento de gravedad sobre el líquido. Mientras el gas fluye por esta sección, gotas pequeñas de líquido que no fueron separadas por el desviador de ingreso son separadas por la gravedad y caen a la interfaz de gas - líquidos. Algunas gotas son de un diámetro tan pequeño que no son fácilmente separadas en la sección de asentamiento de gravedad. Por lo tanto, antes que el gas salga del recipiente, pasa por una sección de fundición, o un extractor de neblina. Esta sección emplea aletas, malla de alambre, o placas para fundir y remover las gotas muy pequeñas. Un controlador abre y cierra la válvula de control de presión en la salida de gas para mantener la presión deseada en el recipiente. Normalmente, los separadores horizontales se operan llenados solamente hasta la mitad con líquidos para maximizar el área de interfaz de gas – líquidos, el nivel de líquido del separador se controla a través de una válvula a la salida de crudo del sistema.
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2. ELEMENTOS DE INSTRUMENTACION Y CONTROL DE UN SEPARADOR
Antes de analizar la manera en que se controla el separador se debe de conocer a fondo cada uno de los dispositivos que se encargan de realizar las labores de control y monitoreo. Para una mejor comprensión, la instrumentación del separador puede ser dividida en dos secciones, la sección de instrumentación operativa y la sección de control y alimentación Instrum entación operativa:
Para su operación, el separador está provisto de 5 sensores y dos válvulas motorizadas los cuales se posicionan en determinados puntos de su estructura, lo que les permitirá proporcionar información de variables importantes para el control de su funcionamiento. Estos sensores son: Transmisor de presión Rosemou nt 3051T :
Los transmisores Rosemount 3051T son el estándar de la industria para medición de presión absoluta y estimada, su diseño compacto, permite la conexión del transmisor de manera directa al proceso, permitiendo una instalación rápida y económica. Se ubica en la línea de salida de gas, y mide la presión a la que está sometido el separador en todo momento de su operación, se designa como PIT260110 y además tiene relación con la señal de control PCV260110 la cual es usada por el PLC para activar las acciones correspondientes en caso de un acontecimiento indeseado en lo referente a la presión de trabajo Los parámetros operativos y características especiales de este sensor son:
Advertencia de integridad de alimentación para la detección de
lazos
eléctricos degradados
Interfaz de operador local con menús sencillos y botones de configuración incorporados
Variables escaladas, alertas de proceso y modo HART 5
Certificado de seguridad
Exactitud de 0.04% del span
Desempeño total instalado de 0.14% del span (desempeño total instalado se refiere a una sumatoria de todos los posibles errores que podrían afectar la medición)
Posible span -14.7 a 1000 psi (dependiendo del modelo que se ordene)
Métodos de comunicación: PROFIBUS, Foundation Fieldbus, HART e inalámbrico (se requieren ciertos accesorios para el uso de este modo)
Sensor de flujo másico Rosemou nt 3095M:
Este es un sensor de flujo del tipo multivariable, es decir, el censa la presión estática, diferencial y la temperatura de proceso y en función de estos parámetros calcula el flujo másico totalmente compensado de manera dinámica. Se ubica en la salida de gas, y se encarga de medir el gas de salida del separador para propósitos de fiscalización, su designación en la nomenclatura del separador es FIT260120 Las características operativas de este sensor son:
Exactitud de ± 1.0% para una rango de cobertura de flujo de 10:1
El desempeño Ultra para flujo ofrece una estabilidad de 10 años y una garantía limitada de 12 años
Comunicación a través de protocolos HART o fieldbus
Útil para gas, liquido o vapor
Rango de presión diferencial 0 a 2,49 bar
Rango de presión absoluta 0 a 3626 psia
Rango de presión estimada 0 a 3626 psig
Rango de temperatura de proceso -180 a 816°C
Rango de temperatura fija -273 a 1927°C
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Sensor de flujo másico Micro Motion s erie T y transmisor mod elo 1700
Este tipo de sensores son de tipo coriolis, su construcción recta ayuda a evitar los taponamientos, son autodrenantes lo cual facilita su mantenimiento en sitio, el transmisor modelo 1700 está especialmente diseñado para interactuar eficientemente con el sensor y de este modo ofrecer una lectura rápida y confiable de los datos recabados por el mismo. Estos dispositivos combinados se encargan de medir, cuantificar y transmitir la flujometria de crudo manejada por el separador para propósitos de fiscalización, su designación en la nomenclatura del separador es FIT260110 Las características operativas de estos son:
Máxima tasa de flujo másico 3200 lb/m (dependiendo del modelo)
Máxima tasa de flujo volumétrico 383 gal/min (dependiendo del modelo)
Precisión de flujo másico ± 0.15% de la tasa de flujo
Precisión de flujo volumétrico ± 0.25% de la tasa de flujo
Precisión de flujo de gas ± 0.5% de la tasa de flujo
Repetibilidad ± 0.05% de la tasa de flujo
Estabilidad del cero de flujo másico 0.48 lb/m (dependiendo del modelo)
Estabilidad del cero de flujo volumétrico 0.06 gal/min (dependiendo del modelo)
Precisión de la densidad (solo liquido) ± 2 kg/m3
Repetibilidad de la densidad (solo liquido) ± 0.5 kg/m 3
Rango de la densidad (solo liquido) 0 a 5000 kg/m3
Precisión de la medición de temperatura ± 1.0 °C ± 0.5 °C de la lectura
Repetibilidad de la medición de temperatura ± 0.2 °C
Capacidad de presión 1450 psig
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Transmisor de temperatura Rosemoun t 3144P :
El sensor Rosemount 3144P ofrece una serie de beneficios tales como encapsulamiento de doble compartimiento, capacidad para su uso con sensores sencillo o dobles, y un software de apoyo y diagnostico líder en el mercado Este se encuentra ubicado en la línea de salida de crudo, se designa como TIT260110 en la nomenclatura usada en el separador
Sus características operativas son:
Niveles de humedad aceptados 0 a 99%
Tiempo de respuesta 0.5 seg (sensor sencillo) 1 seg (sensor doble)
Estabilidad de ± 1.0% de la lectura o 1.0 °C (el que sea mayor, garantizado por 24 meses para su uso con RTDs)
Estabilidad de ± 1.0% de la lectura o 1.0 °C (el que sea mayor, garantizado por 12 meses para su uso con termocuplas)
Estabilidad de ± 0.25% de la lectura o 0.25 °C (el que sea mayor, garantizado a 5 años para su uso con RTDs)
Estabilidad de ± 0.5% de la lectura o 0.5 °C (el que sea mayor, garantizado por 5 años para su uso con termocuplas)
Sensor de nivel Rosemoun t 5402
Sensor de nivel basado en la tecnología de pulsos de radar, esta emite un pulso el cual al entrar en contacto con alguna sustancia con cte. dieléctrica diferente al aire refleja parte de su energía al transmisor, el cual de acuerdo al tiempo de viaje de la señal reflejada determina el nivel de la sustancia impactada. Su área de aplicación se centra en la medición de nivel de líquidos en contenedores, depósitos, recipientes reactores y depósitos subterráneos, aplicación con sustancias pegajosas, corrosivas, cristalizantes, viscosas y condensantes.
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Está ubicado en la estructura principal del separador y se encarga de medir el nivel de líquido presente en el mismo, para así poder monitorear constantemente la proporción crudo/gas presente en el equipo. Así como la presión, el nivel es uno de los parámetros de control que deben mantenerse bajo un rango especifico, es por ello que además de su etiqueta de identificación LIT260110 este sensor está asociado con una señal de control denominada LCV260110 la cual es usada por el PLC para ejecutar las acciones correspondientes en caso de una desviación del parámetro de nivel con respecto al rango normal de operación. Las características operativas de este dispositivo son:
Potencia de salida de microondas <1mW
Consumo de energía <50mW
Tiempo de arranque 40 seg
Humedad soportada 0 a 100%
Válvula de control rotativa Fish er Vee-Ball V300
Esta válvula de control es utilizada en la línea de gas para controlar el flujo del mismo, es controlada mediante el PLC y su parámetro dominante es la presión de la línea de gas, tiene asociada la señal PCV260110. Su estructura se basa en una construcción bridada de cara elevada y es compatible con una amplia gama de actuadores, requiere un suministro externo de gas o aire comprimido para ejecutar sus funciones (aunque también puede usarse el mismo gas de la línea) Válvula de control rotativa con sello excéntrico Mason eilan Camflex II
Diseñado como un sistema integrado de válvula, posicionador y actuador, la Camflex II está diseñada para minimizar la fricción y minimizar el desgaste de sus componentes, en el separador está ubicada en la línea de salida de crudo y se encarga de regular el flujo del mismo, es controlada mediante el PLC y su parámetro dominante es el nivel de fluido del tanque, tiene asociada la señal de control LCV260110, entre sus características resaltantes pueden destacarse:
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Actuador totalmente sellado lo que prolonga su vida útil y evita su desgaste por los elementos
Posicionador directamente conectado al eje de la válvula, lo que garantiza una ausencia de movimientos perdidos y proporciona un desempeño de larga duración en cualquier instalación.
La acción de eje rotativo proporciona una mayor vida útil a las empacaduras, ya que producen un bajo desgaste, poca fricción y evitan el arrastre de contaminantes a través de las empacaduras.
Sección de con trol y alimentación
Esta sección está conformada por un convertidor AC-DC, y switch Ethernet, un PLC, su fuente de poder particular y sus tarjetas de entradas y salidas analógicas, todos estos elementos ubicados en dos gabinetes de control, punto desde el cual llevan a cabo la energización y el control de toda la instrumentación operativa que rige el funcionamiento del separador, a continuación serán descritos cada uno de estos dispositivos con mayor detalle. Fuente de alimentación de conmutación regulada Schn eider ABL 8REM24050
Esta fuente se utiliza para convertir el voltaje de alimentación AC de 110 V-220V (dependiendo de lo que se tenga en la locación) a 24VDC adecuado para el funcionamiento del resto de los dispositivos de control, entre sus características técnicas cabe destacar:
Voltaje de entrada soportado 110-220 VDC, 100-240VAC de una sola fase, 100-240VAC fase a fase
Voltaje de salida 24 VDC
Potencia utilizada 120 W
Protección de entrada fusible integrado
Corriente de salida 5 A
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Switch Ethernet Telemecan iqu e Conn eXium 499NES18100
Switch de 8 puertos encargado de gestionar la señal de datos proveniente del PLC, su propósito es posibilitar la conexión del sistema de control con dispositivos externos con propósitos de expansión, configuración, programación entre otros, entre sus características técnicas tenemos.
8 puertos de conexión
Display de LEDs para indicar el estado operativo de cada uno de los puertos, de alimentación del equipo y alertas de fallas de conexión.
Arreglo de dip-switch para configurar el estado operativo de cada uno de los puertos.
Memoria dinámica para direcciones MAC, algoritmo de detección de errores de conexión y de paquetes de datos defectuosos
Función de etiquetado de tramas de datos para propósitos de
establecimiento de VLAN y para el establecimiento de la prioridad de los paquetes de datos.
Tecnología de control de enlace basada en el monitoreo de la integridad de la señal en los puertos de conexión y en la transmisión de pulsos de prueba.
Autocruce y cambio de autopolaridad el switch detecta los pares de tx y rx en el cable Ethernet y ajusta su puerto de acuerdo a la configuración del mismo, posibilitando el uso de cables lineales o cruzados sin problemas, además ajusta la polaridad de la línea de recepción en caso de estar conectada incorrectamente.
Controlador Lógico Programable Schneider Familia Quantum
El controlador lógico programable (PLC por sus siglas en inglés) es el equipo que se encarga de monitorear las variables del sistema y en función del algoritmo que tenga programa ejecuta una serie de directivas orientadas a realizar un control del proceso que garantice un desempeño adecuado del equipo o sistema en cuestión.
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Para esta tarea el consta de una serie de dispositivos interconectados, cada uno de ellos realiza una función específica, a continuación veremos cada uno de estos dispositivos junto a una breve descripción estructural y del papel que cumplen dentro de PLC.
Fuente de poder 140CPS21400 Es una fuente de alimentación DC que se encarga de proporcionar los 5VDC necesarios para el correcto funcionamiento del resto de los componentes (CPU, las tarjetas de entrada y salida de datos y módulos de comunicación) a partir de una alimentación de 24 VDC, en caso de una falla de alimentación. Le proporciona al sistema suficiente tiempo para realizar un cierre adecuado.
Módulo de procesamiento 140CPU65160 Este módulo es la unidad central de procesamiento del PLC y es donde se almacena el algoritmo que gobierna las interacciones entre los diversos sensores y actuadores instalados en el separador, entre sus características resaltantes podemos destacar:
4 puertos de comunicación (Ethernet, USB, modus y modbus plus)
Procesador Pentium de 266 Mhz
Memoria RAM de 2MB
Módulo de entradas analógicas 140ACI04000 Este encargado de tomar las señales analógicas provenientes de los sensores y transmitírselas al módulo de procesamiento, allí estas serán las variables de entrada para el algoritmo de control del separador, entre sus características resaltantes tenemos:
Capacidad para 16 entradas
Tipo de entrada aceptada, diferencial
Máxima corriente de entrada 30 mA
Arreglo de LEDs para señalización de integridad de alimentación y estado operativo de cada canal
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Módulo de salidas analógicas 140ACO13000 Este dispositivo toma las directivas producidas por el algoritmo de control, y las convierte a señales analógicas que serán transmitidas a los actuadores (en este caso las válvulas de control) para que realicen de manera física las directivas expresadas por el CPU, entre sus características técnicas tenemos:
8 puertos de salida
Lazo de voltaje de salida 6-30VDC
3. FILOSOFIA DE CONTROL DEL SEPARADOR
El separador está gobernado a través de la siguiente lógica, los sensores de presión, temperatura, nivel y flujo envían sus datos contantemente al PLC, cada uno de estos datos tiene su propósito en la operación del separador, propósitos que caen en una de las dos categorías bien sea fiscalización (llámese fiscalización todo proceso de medida de parámetros físico-químicos del crudo y sus derivados que se realizan bajo estándares definidos mediante organismos gubernamentales y la industria petrolera) o control, a continuación veremos el propósito específico de cada una de estas:
La señal del sensor temperatura denominada como TIT260110 es usada en conjunto con la señal de flujo de crudo FIT260110 para calcular la viscosidad y por ende el grado API del crudo transportado esta entra en la categoría de fiscalización.
La señal de sensor de flujo másico denominada FIT260110 se encarga de medir el flujo de crudo que está siendo transportado a través del separador, esto con propósitos de llevar un conteo exacto del crudo separado, este sensor cae bajo la categoría de fiscalización.
La señal del transmisor de flujo másico denominada FIT260120 se encarga de medir el flujo de gas que sale del separador medido por medio de una placa orificio instalada en la linea, a fin de poder llevar un conteo exacto del gas separado, además, a través de esta medida y de los datos 13
provenientes del sensor FIT260110 se puede realizar también el cálculo de la eficiencia operativa del separador. Este es el último sensor cuya función cae bajo la clasificación de fiscalización.
El sensor de nivel LIT260110 tiene la misión de verificar constantemente el nivel de líquido en el tanque, cuando este se salga de los parámetros establecidos (30% a 50%) el algoritmo presente en el PLC tomara acciones correctivas mediante la señal de control LCV260110 la cual está dirigida a la válvula Masealian Camflex II instalada en la línea de crudo (si el nivel baja de 30% la válvula se cierra gradualmente reduciendo la tasa de salida de crudo y permitiendo que el nivel de fluido dentro del tanque se restablezca si sube del 50% la válvula se apertura, aumentando la tasa de salida de crudo y produciendo una disminución en el nivel de fluido acumulado en el tanque), esta señal entra en las de categoría de control.
El sensor de presión PIT260110 se encarga de medir la presión de operación del equipo si esta se sale del rango (250 psi), el PLC enviara una directiva con la señal PCV260110 para activar la válvula rotativa Fisher V300 instalada en la línea de gas (la acción a tomar es aumentar la apertura de la válvula para aumentar el flujo de gas y reducir la presión acumulada dentro del equipo)
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