a. antecedentes de la investigaciÓn.virtual.urbe.edu/tesispub/0033468/cap02.pdf · 2007. 3....
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A. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
Con la finalidad de argumentar información sobre otros autores, completar el
estudio y asegurar que existen precedentes importantes del tema desarrollado, se
mencionaran ciertas investigaciones realizadas que ponen de manifiesto la
importancia y trascendencia del mismo. Entre ellos tenemos:
Mónica Rizquesis, realizó el trabajo especial de grado titulado “Desarrollo de
una estrategia para la validación de las mediciones del gas total en las estaciones
de flujo de la unidad de explotación Bachaquero Lago PDVSA. Exploración y
Producción”.(URBE – 1998). Este trabajo se basa en el estudio de mediciones del
gas total que existía para ese momento en la unidad de explotación Bachaquero Lago.
Esta problemática producía un alto rango de incertidumbre en los volúmenes
medidos, además de influir en la toma de decisiones en cuanto a requerimientos de
infraestructura para el manejo de gas. Se evaluaron las condiciones de operación de
los equipos de medición de gas total, además de realizarse una especificación de la
instrumentación electrónica y desarrollar un balance entre el gas producido y el
consumido en la unidad de explotación.
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Por ser la investigación de tipo descriptiva, aplicada y de campo, se tomaron
como muestra 4 Estaciones de Flujos y 2 miniplantas, dando como resultado que los
equipos de medición existentes estaban bien dimensionados y acordes con los
requerimientos del Sistema.
Arístides Soto y Olga Soto desarrollaron el trabajo de investigación
denominado “Desarrollo de un modelo matemático para la validación de
mediciones y detección de fuga en una red de recolección de Crudo desde las
estaciones de flujo hacia los Patios de tanque. Caso: PDVSA”.(URBE – 1998).
Este trabajo de investigación tuvo como propósito realizar un modelo matemático
para la validación de mediciones y detección de fuga en una red de recolección de
Crudo, para el cual se efectúo un análisis en dicha red, basado en el monitoreo
continuo a través del Sistema de supervisión SCADA de los caudales y presiones de
descarga de las Estaciones de Flujos de los diferentes tramos de la tubería, con el
objeto de lograr la optimización a través de la validación de esas mediciones por
medio del modelo matemático. Por el propósito que persigue esta investigación se
consideró de tipo aplicada y por sus características explorativa. De los resultados
obtenidos se concluyó que la simulación fue válida solo en el tramo de tubería
seleccionado, presentando algunos problemas debido a la falta de confiabilidad de las
mediciones de caudal y presiones de descarga.
Roberto Cubillán y Noel Hernández, realizaron el trabajo titulado
“Desarrollo de métodos de medición no tradicionales de parámetros del Crudo
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para el Cálculo de volumen Neto en Tanques de Almacenamiento de PDVSA
E&P Occidente” (URBE – 1999). Este trabajo de investigación tuvo como propósito
desarrollar métodos de medición que no son utilizados normalmente por la industria
petrolera nacional, para efecto del Cálculo de Crudo Neto en los Tanques de
Almacenamiento. El mismo se llevó a cabo debido a la necesidad de evaluar y
experimentar con métodos que permitieran acelerar y mejorar el proceso de medición
para el inventario y fiscalización de cada tanque, actuando de manera directa y
automática en la determinación de los parámetros necesarios para tal fin. La
investigación se caracterizó por ser de tipo aplicada, de campo y factible, utilizando
una metodología propia. Con la implementación de dicho trabajo se pudo realizar la
medición de los parámetros de Crudo de forma automática y así calcular el volumen
Neto en cada tanque.
La relación de estos trabajos con este proyecto, está enfocada en el aporte
bibliográfico que los mismos prestaron, para mejorar el Sistema de validación del
Cálculo Automatizado de Crudo Neto, disminuyendo costos y mejorando la
confiabilidad y disponibilidad de las medidas con el menor grado de incertidumbre en
los Tanques de Almacenamiento.
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B. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Y CONCEPTUAL.
Sabiendo que uno de los pasos involucrado en toda investigación consiste en
obtener información acerca del tema estudiado, se hace necesario el desarrollo y
análisis de cada uno de los puntos que la componen.
- PROCEDIMIENTO DE VALIDACIÓN.
La confiabilidad es el grado con que se obtienen resultados similares en
distintas aplicaciones y la validez es la eficacia con que un instrumento mide lo que
se pretende, pero el dar firmeza, fuerza o subsistencia de la igualación y comparación
de una cosa con otra se le conoce como validación. También se define como la
confiabilidad o firmeza en la comparación de un patrón de medición con respecto a
las mediciones obtenidas para el momento dado.
Según un articulo de revisión del Centro de Química Farmacéutica
(www.fcqi.uaem.com) por Beatriz Castillo Aguilar y Rolando González Hernández
denominado: “Protocolo de validación de métodos analíticos para la cualificación
de fármacos” los métodos de validación deben cumplir con algunos de los
siguientes parámetros:
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Linealidad. Consiste en la capacidad que tiene el método analítico para
obtener resultados directamente proporcionales a la cantidad de la variable a medir en
un rango definido. Se determina mediante el tratamiento matemático de los resultados
obtenidos en el análisis de la variable medida en diferentes cantidades. La selección
del rango y del número de puntos experimentales está estrictamente relacionado con
la aplicación del método.
a) Coeficiente de correlación (r): Muchos autores plantean que para que el método
se considere lineal, el coeficiente de correlación debe ser mayor que 0,999. Sin
embargo, Quattrocchi (www.fcqi.uaem.com) consideran que la mejor forma de
indicar la linealidad del método estudiado será realizar una prueba estadística de t (t
de Student).
b) Pendiente: Conocida también como coeficiente de regresión. Indica la
sensibilidad de calibración o del método y se expresa en unidades de respuesta sobre
unidades de concentración o cantidad de la variable a medir. La sensibilidad analítica
relaciona la aleatoriedad de la respuesta con la aleatoriedad debida a la variación de la
concentración, es inversamente proporcional a la capacidad de detectar pequeñas
diferencias en la concentración de la variable a medir, y se obtiene dividiendo la
pendiente de la curva de calibración por la desviación estándar de las respuestas en
cada punto o concentración. Se considera que a mayor pendiente, mayor sensibilidad
y que mientras más pequeño sea el coeficiente de variación de la pendiente mayor
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será la linealidad (coeficientes de variación de la pendiente mayores que el 5,0 %
indican falta de linealidad).
c) Intercepto: Es el estimador que se relaciona con la presencia de interferencias o
errores sistemáticos. El intervalo de confianza del intercepto debe incluir al cero para
cumplir con el requisito de proporcionalidad. Según Camacho (www.fcqi.uaem.com)
se determinará la prueba de proporcionalidad mediante una prueba t considerando
como hipótesis nula que el intercepto tiene que ser cero
Precisión: Refleja la medida en que los valores de una serie repetida de
ensayos analíticos que se realizan sobre una muestra homogénea son semejantes entre
sí. Calpena (www.fcqi.uaem.com) incluye dentro de este punto la repetibilidad, la
reproducibilidad y la robustez del método analítico.
a) Repetibilidad: Refleja la precisión de un método, cuando se desarrolla bajo las
mismas condiciones, utilizando la misma muestra, analizada por el mismo analista, en
el mismo laboratorio, con los mismos equipos y reactivos y durante una misma sesión
de trabajo en un período corto.
El parámetro estadístico que caracteriza a este estudio es la desviación
estándar o preferiblemente el coeficiente de variación (desviación estándar relativa).
Este parámetro permite evaluar la incertidumbre en la estimación de la media, es
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decir, el error aleatorio que se corresponde con la dispersión de los datos alrededor de
la media.
Según Hoffman F.-La Roche (www.fcqi.uaem.com), este parámetro se
determina mediante uno de los siguientes métodos:
-Realizando varias determinaciones a una muestra homogénea.
-Realizando varias determinaciones a muestras de cantidades o concentraciones
diferentes. Se selecciona la cantidad o concentración inferior, media y superior del
rango lineal definido. En este caso se recomienda realizar una prueba g (Prueba de
Cochran) de homogeneidad de varianza y si se demuestra que las varianzas son
homogéneas, entonces se puede afirmar que el factor cantidad o concentración de la
muestra no influye en la determinación. Este método generalmente se utiliza cuando
se cuenta con poca cantidad de muestra.
Cuando el número de muestras es pequeño (menor que 30), el intervalo de
confianza del valor de la media (rango en el cual se incluye el valor real con la
probabilidad indicada) se calcula mediante la distribución t de Student.
Un aspecto importante será seleccionar la cantidad o concentración de muestra que se
analiza. Kolthoff (www.fcqi.uaem.com) plantea que el error en el porcentaje del
componente hallado no deberá ser mayor que un valor aproximado. Según la teoría de
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Hortwitz (www.fcqi.uaem.com), el coeficiente de variación disminuye con la
disminución de la concentración en que se encuentre el analito en la muestra.
b) Reproducibilidad: Es la medida de la precisión de los resultados de ensayos
realizados sobre la misma muestra homogénea, pero ejecutados por diferentes
analistas en días diferentes y se expresa con los mismos parámetros matemáticos que
la repetibilidad. El coeficiente de variación en el estudio de la reproducibilidad debe
ser igual o mayor que el obtenido en el estudio de repetibilidad para la misma
cantidad o concentración debido a la mayor fuente de error que existe en la
reproducibilidad.
c) Robustez (tolerancia): Es el grado de reproducibilidad de los resultados obtenidos
mediante la ejecución del método sobre una misma muestra variando algunas
condiciones operacionales como, por ejemplo, diferentes laboratorios, reactivos,
analistas, equipos, temperaturas de ensayo, etcétera. Se determina como una función
de las variables seleccionadas en la ejecución y los resultados se comparan con los
resultados del estudio de reproducibilidad del método para obtener una medida de la
tolerancia del método analítico. Según Hoffman F.-La Roche, el resultado más real es
el que se obtiene en las pruebas interlaboratorios, sin embargo, éstos resultan muy
costosos y consumen una gran cantidad de tiempo.
Exactitud: Indica la capacidad del método analítico para obtener resultados
lo más próximos posibles al valor verdadero. A diferencia de la precisión, que refleja
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el error aleatorio, la exactitud refleja el error sistemático o la tendencia a él. Cuando
existen interferencias en el método por falta de selectividad (desviación por exceso en
los resultados), o cuando se trata de métodos analíticos muy laboriosos, con varias
etapas, como extracciones, purificaciones, etcétera (desviación por defecto en los
resultados), el método se considera no exacto. Para asegurar una buena exactitud,
según Martin-Smith y Rudd (www.fcqi.uaem.com), es necesario eliminar los errores
que no están sujetos a tratamiento estadístico (calibración o control incorrectos de
equipos), los errores inherentes a blancos (errores constantes) y los que dependen de
la cantidad de la variable a medir presente (errores proporcionales). Ellos opinan que
la mejor manera de identificar estos errores será realizando una prueba
interlaboratorio.
Selectividad (especificidad): Se define como la capacidad de un método
analítico para medir exacta y específicamente el analito sin interferencias de
impurezas, productos de degradación o excipientes que pueden estar presentes en la
muestra. Se expresa como el grado de inexactitud del método. La evaluación de este
parámetro es especialmente importante en el caso de los métodos analíticos diseñados
para la cuantificación de la variable a medir en formulaciones y en estudios de
estabilidad.
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- CÁLCULO DE CRUDO NETO.
Los Sistemas de medición se han desarrollado al correr del tiempo en forma
por demás desordenada. El resultado ha sido una gran ambigüedad en el significado y
el uso de las unidades.
Según Brescia Arents en su libro “Fundamentos de química” (1977, p628),
afirma que el Sistema métrico, establecido por un tratado internacional en la
convención métrica en París en 1875, se ha extendido por el mundo con diversas
mejoras. El actual Sistema métrico oficial recibe el nombre de Sistema Internacional
de Unidades (SI), con las siguientes unidades fundamentales, de las cuales se derivan
todas las demás; Longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, intensidad
luminosa.
Todo Cálculo depende netamente de un buen Sistema de medición, ya que
este genera una señal; la cual debe ser medida por un elemento que puede ser el ojo
humano u otro órgano, o un instrumento inanimado. En cualquier caso, el sensor debe
estimularse con una cantidad de energía para poder recibir la información. Como
resultado, el proceso de medición perturba, hasta cierto grado, la materia que se esta
midiendo. Para mediciones de cuerpos comunes, la magnitud de esta perturbación es
demasiado pequeña para ser de consecuencias, pero cuando se trata de grandes
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volúmenes de materia, la incertidumbre inherente que se introduce es relativamente
grande.
En el estudio de volúmenes en donde existen líquidos no homogéneos es
indispensable la determinación de las fases de los mismos. De esta forma, una capa
de aceite flotante en una columna de agua es un Sistema de dos fases (aceite y agua).
Si la mezcla se agita vigorosamente hasta que el aceite se disperse en forma de gotas
en el agua (emulsión), el Sistema consta todavía de dos fases (agua y aceite). Estas
fases son determinantes en la exactitud de Cálculos de volumen Neto en cualquier
recipiente de Almacenamiento donde existan al menos dos tipos de sustancias. Puede
pensarse que en estas fases la materia es totalmente homogénea, sin embargo, la
evidencia en contra de la absoluta uniformidad de la materia es notablemente
convincente.
Cuando se mezcla 1 litro de agua y 1 litro de alcohol etílico, cada uno a 15 ºC,
se obtiene un liquido homogéneo que ocupa 1.92 litros. Cómo se perdió la diferencia
de 0.08 litros? , Todo esto se debe a que la materia esta formada en su mayor parte
por espacios vacíos, y que esta constituida por partículas, filamentos, capas o redes de
sustancias ordenadas en el espacio. Los espacios vacíos constituyen entonces parte
del volumen que se sacrifica cuando la sustancia se comprime. Generalmente, cuanto
más fuertes sean las fuerzas de cohesión de una sustancia, mayores son su densidad,
dureza, resistencia y capacidad para resistir los efectos del calentamiento. Mientras
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más débiles sean las fuerzas de cohesión, mayor será la tendencia de la sustancia a
dispersarse en el espacio.
De esta manera en todo Cálculo de volumen Neto es de mucha importancia la
obtención de la temperatura y la densidad de la sustancia a medir, la cual influenciara
en la obtención de otras variables pertinentes para el Cálculo, como gravedad
especifica, peso especifico y gravedad API.
Según Robert L.Mott “Mecánica de los fluidos Aplicada” (1996), la
temperatura de referencia para realizar mediciones en la escala Baumé o API es 15.6
ºC (60 ºF). La gravedad especifica API o Baumé se denota a menudo como Gravedad
Especifica 60º/60º F. Esta notación indica que tanto el fluido de referencia como el
Crudo se encuentran a 60 ºF. La gravedad especifica de los Crudos varia
ampliamente, dependiendo del lugar en que son encontrados.
La ecuación que se utiliza para calcular la gravedad API cuando se conocen la
gravedad especifica es diferente para fluidos más ligeros y más pesados que el agua.
Para líquidos más pesados que el agua se utiliza:
sg
145-145 é . =Baumg
donde sg es la gravedad especifica del Crudo
Para líquidos más ligeros que el agua se tiene:
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130sg
140 é . −=Baumg
El Instituto Norteamericano del Petróleo (API), ha desarrollado la escala API,
ligeramente diferente de la escala Baumé, para líquidos más ligeros que el agua. Las
formula es:
5.131sg
141.5 API . −=g
Como se dijo anteriormente, para determinar el Cálculo de Crudo Neto se
deben encontrar varios parámetros, como por ejemplo la densidad. Este parámetro se
puede inferir a partir del valor de presión, además para la deducción de la ecuación
de Cálculo se utiliza la relación que existe entre el peso especifico y la densidad del
liquido de la siguiente manera:
CC
sgo
w
so
w
s
44 ρρ
γγ
==
donde γγs es el peso específico del Crudo, γγw 4º C es el peso específico del agua a 4º C,
ρρs es la densidad del Crudo, ρρw 4º C es la densidad del agua a 4º C y al sustituir las
constantes se obtiene:
33 /94.1/4.62 piesslugspieslbsg ss ργ
==
Agrupando y reorganizando términos resulta:
29
3
3
/4.62
/94.1*
pieslb
piesslugsss
γρ =
Sabiendo que el peso especifico tiene relación directa con la presión mediante
la siguiente formula:
hp *γ=
donde p es la presión, h es la altura de la columna del liquido y γγ el peso
especifico.
Entonces resulta la ecuación necesaria para el cálculo de densidad a partir de
la presión del y la altura de la columna liquido, quedando expresada de la siguiente
manera:
3
3
/4.62
/94.1*
pieslb
piesslugshp
s
=ρ
Para el cálculo de densidad a partir de la presión diferencial la ecuación sufre
un leve cambio para quedar como sigue:
( )( )
3
3
21
21
/4.62
/94.1*
pieslb
piesslugshhpp
s
−
−
=ρ
Es de hacer notar que en los Cálculos de densidad se utiliza un solo valor de
presión si ésta es constante en todo el perfil del tanque, y se utiliza la presión
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diferencial si existe la posibilidad de que la densidad varíe a través de todo el perfil
del tanque.
De igual manera si se desea obtener la gravedad API del Crudo almacenado
en el recipiente, se necesita efectuar un promedio entre los valores de gravedad API
calculados a diferentes niveles.
De lo antes expuesto se puede deducir que para la determinación de
volúmenes Netos de Crudo se deben tomar en cuenta la medición como tal, la
temperatura del liquido, la densidad, la determinación de las fases de Crudo y agua,
entre otros aspectos.
Según Leni Núñez, Ing. de Automatización de PDVSA
([email protected]), para la obtención del volumen bruto del tanque se debe
determinar el nivel leído por el medidor de nivel, en este caso un radar, e introducirlo
en la tabla de calibración del tanque, esta tabla contiene la relación de volumen bruto
por octavos de pulgadas del nivel. A este volumen se le deben deducir el volumen de
Agua, también se deben hacer correcciones por efectos de la temperatura en las
paredes de los Tanques, se debe hacer corrección por el peso del techo flotante (en
caso de tenerlo), corrección por diferencia de la densidad observada y la de
referencia, así como también se debe hacer corrección por porcentaje de agua y
sedimento en el perfil del tanque.
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Según Gustavo Núñez, Ing. de Automatización de PDVSA, el procedimiento
de Cálculo de volumen Neto que se debe tomar como referencia y que esta incluido
en la propuesta de Automatización de Volumen Neto para Fiscalización utilizando
medición de nivel en Tanques es el siguiente:
CÁLCULO DE VOLUMEN EN TANQUE UTILIZANDO UN SOFTWARE DE
INVENTARIO DE TANQUES
Al utilizar un software de inventario de tanque, los pasos a seguir en el
Cálculo de volumen Neto y que deben ser ejecutados por el software son los
siguientes:
Cálculo de Volumen Total Bruto Observado: VTBO
El nivel obtenido de la lectura del medidor de nivel de liquido será
introducido a la tabla de capacidad o calibración vigente del tanque en particular, con
esta se obtiene el Volumen Total Observado (TOV).
El TOV debe ser corregido por los efectos de la temperatura, tanto del líquido
como del ambiente, sobre las paredes del tanque. Para efectuar esto el software de
Cálculo debe incluir la determinación del factor de corrección por este efecto (CTSh),
el cual vendrá dado por:
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Donde ∆Ts se obtiene restando la temperatura de las paredes del tanque (Ts) menos la
temperatura de referencia, a la cual fueron calculados los volúmenes mostrados en la
tabla de capacidad del tanque. Para calcular Ts el software de Cálculo debe usar la
siguiente expresión:
Donde:
TL es la temperatura promedio del Crudo en el tanque.
Ta es la temperatura ambiental, tomada de los elementos de medición en el
tanque, que no se encuentren sumergidos en el líquido.
El valor de la temperatura de referencia que fue considerada en las tablas de
capacidad del tanque, debe ser ingresado en los datos básicos del tanque solicitados
por el software de Cálculo.
ss TTCTSh 296 100,4104,121 ∆×+∆×+= −−
( )8
7 aLs
TTT
+×=
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En el caso de Tanques de techo flotante, se debe efectuar el ajuste por efecto
de desplazamiento del techo del tanque (FRA). Para realizar este ajuste se usa uno de
los métodos siguientes:
Si la tabla de capacidad del tanque incluye la corrección por efecto del techo
flotante, se debe aplicar una segunda corrección para cubrir cualquier diferencia entre
la densidad de referencia y la densidad observada. La magnitud de este ajuste debe
ser reflejada en la tabla de capacidad del tanque, e introducida en los valores de
configuración del tanque en el software de Cálculo. El siguiente es un ejemplo del
tipo de corrección que debe aplicarse:
-Si la densidad observada es xx °API, no se aplique corrección por FRA.
-Por cada °API en la densidad observada, por debajo de xx °API, sume yy barriles.
-Por cada °API en la densidad observada, por encima de xx °API, reste yy barriles.
Donde xx es la densidad de referencia usada para la calibración del tanque y yy es una
cantidad fija en barriles que representa el ajuste por FRA.
Si la tabla de capacidad del tanque no incluye la corrección por efecto del
techo flotante, la corrección que se debe aplicar viene dada por:
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Esta formula debe estar incluida en el software de Cálculo. El peso del techo
flotante debe ser cargado como dato de configuración del tanque. La Densidad de
referencia debe ser expresada en unidades de masa sobre unidades de volumen. EL
VCF, es el factor de corrección de volumen, el cual se explica más adelante en esta
sección.
Se mide el nivel de agua libre en el fondo del tanque y se introduce a la tabla
de capacidad o calibración vigente del tanque en particular, desde la cual se obtiene el
Volumen Total de Agua Libre en el fondo del tanque.
Al multiplicar el TOV por el factor de ajuste CTSh, corregir por FRA (si
aplica) y restar el volumen total de agua libre en el fondo del tanque, se resta del
volumen total observado, se obtiene el Volumen Bruto Observado (GOV) existente
en el tanque.
Cálculo del Volumen Total Bruto Estándar VTBE
A partir del GOV se calcula el Volumen Bruto Estándar (GSV), referido a las
condiciones base o estándares de referencia, el cual se obtiene al multiplicar el GOV
VCFDensidadflotantetechodelPeso
FRAref ×
=
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por el correspondiente factor de corrección de volumen (VCF). Para obtener el VCF,
el software de Cálculo debe realizar lo siguiente:
Con la lectura de presión generada por el transmisor de presión del tanque y el
valor del nivel total de líquido obtenido del medidor de nivel, el software calcula la
densidad observada del Crudo almacenado en el tanque.
Con la densidad observada y la temperatura promedio del líquido indicada por
el medidor de temperatura del tanque, el software de Cálculo debe obtener la
densidad a la temperatura de referencia de la tabla API 5A.
Con la densidad de referencia y la temperatura promedio del líquido indicada
por el medidor de temperatura del tanque, el software de Cálculo obtiene el VCF de
la tabla API 6A (aplicable para el caso de petróleo Crudo).
Una vez completada la recepción o entrega de Crudo, se procede a calcular el
volumen final en el tanque, utilizando el mismo procedimiento indicado
anteriormente.
La cantidad neta de Crudo correspondiente a la operación de transferencia de
custodia, se obtiene al deducir del volumen total de Crudo el contenido de agua y
sedimentos, medido a una muestra representativa de todo el volumen de Crudo
involucrado. El procedimiento para realizar esto es el siguiente:
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Se determina el volumen bruto estándar recibido o extraído de cada tanque.
Esto lo realiza el software de Cálculo, restando el GSV inicial y el GSV final de cada
tanque.
EL software de Cálculo suma los volúmenes bruto estándar recibidos o
extraídos de cada tanque, con lo que se obtiene el volumen bruto estándar total
asociado a la operación (GSVtotal).
Cálculo del Volumen Neto Total: VNT
El volumen Neto total, con agua y sedimentos extraídos, se obtiene a través de
la siguiente fórmula:
Donde el factor % AyS representa el contenido de agua y sedimentos presente en el
Crudo, el cual se obtiene al analizar en el laboratorio, la muestra tomada por el
Sistema automático de toma muestras. El %AyS obtenido debe ser ingresado al
software de Cálculo para que se proceda a generar la documentación asociada a la
operación.
( )100
%100 AySGSVNSV total
total
−×=
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- PATIO DE TANQUES.
Según el Manual de aforación de Tanques, normas y procedimientos. Octubre
(1995) de PDVSA los Tanques son recipientes o depósitos usados para almacenar
líquidos o gases y a la vez protegerlos contra algunas influencias de la naturaleza.
Existen varias formas de Almacenamiento en recipientes fijos o móviles, con las
limitaciones que por cada caso o producto que almacenen se establezca. Los
recipientes fijos se podrán instalar:
Sobre el nivel del terreno, o de superficie.
Semienterrados.
Bajo el nivel del terreno, que pueden estar enterrados o en fosa.
Existen diversos Tanques de Almacenamiento de tipo sobre superficie:
Tanques de techo fijo, Tanques de techo flotante, Tanques de vapor variable, Tanques
presurizados, entre otros, cada uno con sus características que lo diferencian de otros,
por ejemplo: un tanque de techo flotante es ideal para contener Crudos livianos,
porque evita la acumulación de grandes cantidades de gases en la parte superior
interna del tanque, ya que el techo del mismo flota en el Crudo, permitiendo la
liberación de gases a la atmósfera; Los Tanques de techo fijo por consiguiente no
deben almacenar Crudos livianos debido a la gran cantidad de gas que pueden
acumular, una ventaja que presentan en estos Tanques radica en la gran facilidad en
procedimientos de aforación y de calculo el volumen Neto, ya que, en los Cálculos no
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interfiere el peso del techo como en los Tanques de techo flotante. Sin embargo
generalmente los Tanques se pueden clasificar según su forma y contenido, como se
ve en la siguiente figura:
Figura 1. Aforo de Tanques
Fuente: Manual Aforo de Tanques,1995.
Un Patio de Tanques es aquel que tiene en su haber una variedad de Tanques
de Almacenamiento, cada uno con las capacidades y formas requeridas por el
producto a ser almacenado o tratado. La función de los Patios de Tanques, según el
Manual de Aforo de Tanques, es la de recibir, contabilizar, manejar, tratar, y
distribuir los Crudos que se producen en los campos provenientes de los diferentes
yacimientos y tratarlos para mejorar sus condiciones de manejo y calidad para
posteriores operaciones. En el caso particular de PDVSA, en la mayoría de los Patios
de Tanques se encuentran Tanques de techo fijo y techo flotante como los que se
muestran en la figura 2.
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Figura 2. Tipos de Tanques.
Fuente: Wilman Fai, Golguin Ramos,2000.
El Patio de tanque “ULE”, específicamente, además de almacenar, tratar y
transportar el Crudo a la refinería de Amuay, de las distintas segregaciones: TIA
JUANA MEDIANO (TM), LOW POUR (LP), TIA JUANA LIVIANO (TJL) y
Urdaneta Pesado (UP) , también recibe la producción deshidratada del Crudo
condensado natural (CN), del Patio de Tanques de Taparito, Sur Tía Juana Mediano
(SM) del Patio de tanque de Lagunillas y rosa mediano (RM) del Patio de Tanques
de punta gorda.
Para realizar estas funciones el Patio de Tanques “ULE” cuenta con varios
equipos entre ellos las estaciones de bombeo. La estación de Bomba Ule-1 es usada
para bombear Crudo a través de la línea Nº1 o línea Nº2 hacia la refinería de
Amuay.
La estación Bomba Ule-2 es utilizada para efectuar la transferencia de Crudo
de propósitos generales (CPG) a la refinería de Amuay. El Crudo de propósitos
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generales es una mezcla con gravedad promedio de 26 grados API. Constituido
principalmente por Crudo Sur Tía Juana mediano y volúmenes menores de Tía Juana
liviano, condensado natural, Urdaneta Pesado y Rosa mediano. La mezcla se efectúa
directamente en los Tanques asignados para tal propósito.
La estación de bomba Ule-3 es usada para transferir Crudo Urdaneta o Tía
Juana liviano, hacia el Patio de Tanques La Salina para exportación.
La estación de Bomba Ule-4 es utilizada como respaldo de las estaciones de
bomba Ule-1 y Ule-2 en la transferencia de Crudo de especialidades y de propósitos
generales hacia la Refinería de Amuay.
La estación de Bomba Ule-5 se utiliza para inyectar las aguas efluentes del
Patio de Tanques a los yacimientos Lagunillas inferior 3 y 4.
La estación de Bomba Ule-6 es utilizada para transferir diluyente desde el
tanque 80034 hasta el Campo Urdaneta Oeste.
La producción de Crudo Urdaneta Pesado va a los Tanques de lavados 96154
y 80039, mezclándose en el camino con agua caliente proveniente de los hornos,
como parte del tratamiento termoquímico que debe recibir este Crudo para su
deshidratación.
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El Crudo tratado en el tanque de lavado desborda a una altura de 45 pies hasta
el tanque de compensación 20155 y desde allí es bombeado hacia los Tanques de
Almacenamiento asignados a esta segregación.
Parte del agua separada a este Crudo es bombeada desde el tanque de lavado
hacia los hornos para su calentamiento y posterior inyección a la línea de recepción.
El agua separada es drenada hacia el Sistema de tratamiento de agua de efluentes del
Patio de Tanques de ULE.
El agua drenada de los Tanques del Patio es recolectada en los separadores
API B1/2/3/4, donde el agua es separada del Crudo por decantación.
Desde aquí el agua fluye al API-5 para una separación y recuperación del
Crudo remanente. El agua es bombeada desde el separador API-5 hacia el clarificador
para su tratamiento final y posterior inyección a los yacimientos a través de las
unidades de bombeo de la estación Ule-5
Los Tanques de Almacenamiento están distribuidos en dos áreas: RIO ULE
con 7 Tanques de Almacenamiento de techo fijo y una capacidad nominal de 80000
y ULE que cuenta con 13 Tanques de techo flotante y una capacidad de 150000
barriles cada uno.
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- SISTEMA SUPERVISORIO.
SUPERVISIÓN DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS
(SCADA).
Viene de las siglas "Supervisory Control And Data Adquisition", es decir:
adquisición de datos y supervisión de control. Se trata de una aplicación software
especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción,
proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores
autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma
automática desde la pantalla del ordenador. Además, esta tecnología provee de toda la
información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del
mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad,
supervisión, mantenimiento, etc., bien sea desde una o más instalaciones a distancia.
Cuando las dimensiones de los procesos son muy extensas, desde cientos de miles de
kilómetros, desde el principio hasta el final, los beneficios en términos de reducir
costos pueden ser apreciados.
En síntesis, El software SCADA es aquél que permite ver en una pantalla el
esquema de una instalación controlada por autómatas y sobre ésta se reflejan los
valores clave, permitiendo la variación de sus parámetros.(www.scada.htm).
43
Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite,
se denomina en general Sistema SCADA.
Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes
prestaciones:
- Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para
reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias.
- Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su
proceso sobre una hoja de Cálculo.
- Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total
sobre el autómata, bajo ciertas condiciones.
- Posibilidad de programación numérica, que permite realizar Cálculos aritméticos de
elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la del autómata, menos
especializado, etc.
Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de
datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e
impresora, etc.
Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de
funciones que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C,
Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad.
44
Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea
perfectamente aprovechada:
- Deben ser Sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las
necesidades cambiantes de la empresa.
- Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el
equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).
- Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y
fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.
COMPONENTES DE UN SISTEMA SCADA.
Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición,
supervisión y control son los siguientes:
Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,
adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.
Interfaz gráfica del operador: proporciona al operador las funciones de control y
supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos
almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en
el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.
45
Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los
valores actuales de variables leídas. La programación se realiza por medio de bloques
de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.).
Gestión y archivo de datos: se encarga del Almacenamiento y procesado ordenado de
los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta y la
arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos
informáticos de gestión.
SISTEMA DE ARQUITECTURA ABIERTA (OASYS).
OASyS es un control de supervisión adelantado y manejador de información
en tiempo real para las compañías de Crudo, Gas y electricidad, entre otras. Lanzado
en 1990, OASyS es verdaderamente, una plataforma de software abierto basado en
estándares, construido con la experiencia de más de 500 instalaciones del Sistema.
OASyS proporciona la herramienta ideal para los constantes cambios operacionales y
necesidades de la empresa, ya que este, acopla la actuación de alto proceso en tiempo
real, manejo de la base de datos, redes corporativas, y la tecnología de interfaz del
usuario gráfica (GUI) con unas poderosas y robustas aplicaciones de industria
(www.Valmet.com).
46
La arquitectura de un OASyS SCADA y el manejo de información en tiempo
real esta basado en el concepto de eslabones lógicos y nodos múltiples distribuidos.
La estructura se construye alrededor de tres elementos funcionales la Interfaz del
Usuario, Manejador de Base de datos, y Herramientas que combinadas con un
inventario comprensivo de aplicaciones industriales, determinan una colección de
soluciones integrales. OASyS se adapta a los protocolos de comunicación con
Unidades Terminales Remotas (RTU’s), Controladores de Lógica Programables
(PLC’s) y los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED’s).
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC).
Según el Manual del Curso Básico de PLC, dictado en las instalaciones de J.J
Electronics (2000), el hombre ha tenido la necesidad desde hace mucho tiempo de
utilizar dispositivos que le permitan simplificar y facilitar las actividades industriales
y aún más cuando son repetitivas. La necesidad ha influido de manera efectiva en el
desarrollo de instrumentos que ayuden notoriamente a simplificar los procesos
industriales en los que se necesite mayor atención.
Desde que comienza la automatización de los procesos, a partir de una lógica
de relé imprecisa y engorrosa, surge la necesidad de crear un dispositivo de mayor
efectividad y flexibilidad, orientado a las posibilidades de expansión.
47
En los Estados Unidos para el año de 1968 comienzan a desarrollarse los
primeros controladores lógicos, que a pesar de ser elaborados con un gran numero de
transistores, cubrieron las expectativas iniciales.
Luego de tres años se incorpora una tecnología basada en microprocesadores,
con la que se obtiene más flexibilidad en las diferentes aplicaciones y la capacidad
de poder interactuar con el operador. Con este gran avance los controladores lógicos
programables se convierten en dispositivos electrónicos capaces de ejecutar
acciones programadas en función de eventos externos, correspondientes a cualquier
proceso industrial.
Según Nema (The National Electric Manufactures Association):
“El PLC es un aparato electrónico que opera digitalmente y usa una memoria
programable para el Almacenamiento interno de instrucciones, para implementar
funciones especificas tales como lógica, secuencia, temporización, conteo y
aritmética, para controlar máquinas o procesos por medio de módulos de entrada o
salida, discretas o analógicas”.
Por otra parte el CIED (Centro Internacional de Educación y Desarrollo)
afirma que un PLC es un equipo electrónico digital de alto rango de flexibilidad,
que puede ser programado de acuerdo a una secuencia lógica de actividades por
realizar, capaz de controlar eficientemente y en tiempo real un determinado proceso
48
industrial. El PLC se puede considerar como un equipo de control muy flexible, ya
que puede cambiar su función de control cuando se modifica el programa por
ejecutar, de esta manera, es posible controlar un proceso totalmente distinto
utilizando el mismo equipo o controlar un proceso con un gran numero de variables.
El PLC esta constituido por un conjunto de elementos que interactúan entre si
y que dependiendo de la integridad y flexibilidad de cada uno de cada uno de ellos
se garantizara la efectividad del Sistema de control implantado.
Entre los elementos más importantes se encuentra el Microprocesador; éste
es un dispositivo electrónico integrado a los que se les atribuye la inteligencia de los
PLC. Estos circuitos tienen una gran capacidad de Cálculo y control como manejo de
datos, además, pueden realizar operaciones del tipo lógico y aritmético al igual que
la ejecución de rutinas de diagnostico de fallas en los procesos. Estas funciones no
son posibles ni para relés, ni para circuitos manejadores (Sistemas lógicos cableados).
Todas las actividades que puede realizar el microprocesador son previamente
programadas por el fabricante. La tecnología de un microprocesador utilizado en un
determinado PLC definirá su capacidad y velocidad. Los microprocesadores se
clasifican de acuerdo con el tamaño de la palabra (numero de bits) que son capaces
de procesar simultáneamente, los tamaños más comunes de estos son 4, 8, 16 y 32
bits. Existen PLC que contienen más de un microprocesador en su CPU.
49
TIPOS DE LENGUAJES DE LOS PLC.
Existen varios lenguajes de programación para el PLC, siendo los más
utilizados aquellos que relacionan el esquema de contactos del Sistema a controlar
con las ecuaciones lógicas.
Lenguaje Mnemotécnico o Booleano: Es un lenguaje muy poco utilizado, en el cual
cada instrucción se basa en definiciones del álgebra booleana o álgebra lógica. A
continuación se muestra una relación entre mnemotécnicos con indicación de lo que
representan.
STR: operación inicio contacto abierto.
STRNOT: operación inicio contacto cerrado.
AND(Y): contacto serie abierto.
OR(O): contacto paralelo abierto
AND NOT : contacto serie cerrado.
OR NOT: contacto paralelo abierto.
OUT: bobina de relé de salida.
TMR : temporizador.
CNT: contador.
MCS: conexión de una función a un grupo de salidas.
MCR: fin de la conexión del grupo de salidas.
SFR: registro de desplazamiento. ect
50
Diagrama de contactos: una gran mayoría de fabricantes utiliza este lenguaje, debido
a su similitud con el diagrama de contactos de la lógica de control cableada en relés,
lo que facilita la labor a los técnicos habituados a trabajar con esos automatismos.
En la figura se muestra un diagrama en escalera en el que se ejemplifica este
lenguaje.
Figura 3. Diagrama en escalera
Fuente: Wilman Fai, Golguin Ramos,2000.
Plano de funciones: Su semejanza con los símbolos lógicos o compuertas lógicas
hace interesante este lenguaje, por la facilidad en la representación para los
conocedores de la electrónica digital. En la figura 4 se muestra un esquema para la
ecuación propuesta.
51
Figura 4. Plano de funciones
Fuente: Controladores Lógicos Programables.CIED,1997.
Grafcet: el GRAFCET (Graphe of Comande Etape Transition) esto es, Gráfico de
orden de etapas de transición, es un método por el cual se describen, en una forma
gráfica, perfectamente inteligible, las especificaciones de cualquier automatismo. La
siguiente figura da una idea simplificada de éste Sistema.
Figura 5. Gráfico de orden de etapas de transición
Fuente: Controladores Lógicos Programables.CIED,1997.
Organigrama: Este método también es llamado ordinograma, diagrama de flujo y
flujo grama, es un Sistema de representación que se basa en una serie de figuras
52
geométricas, utilizadas como símbolos, unidas por líneas, que tiene como misión
mostrar gráficamente, en este caso, un proceso o problema, así como informar sobre
él, es decir, analizar las partes y darle solución. Los símbolos empleados se
representan en la figura.
Figura 6. Diagrama de flujo.
Fuente: Controladores Lógicos Programables.CIED,1997.
Para la validación del Cálculo de Crudo Neto en el caso especifico de
PDVSA, se realizó el análisis del PLC-5 Allen Bradley, ya que éste se encarga de
realizar algunos Cálculos relevantes para el volumen Neto.
Una característica relevante en la serie 5 Allen Bradley, es que pueden
comunicarse serialmente por medio de la red Data Highway Plus, además, se puede
utilizar esta red para transferir datos a un nivel superior de computadoras, así como
también, a una múltiple red de procesadores de la serie PLC-5. Solo se pueden
conectar un máximo de 64 estaciones a una red DH+. La red opera sobre un protocolo
token-passing con una velocidad de transferencia de 57.6 Kbps
53
Muchos Factores pueden afectar el desempeño de la red DH+:
Nodos.
Tamaño y numero de mensajes.
Destinación de Mensajes.
Tiempo de procesamiento Interno.
Adicionalmente el PLC 5/40E tiene la posibilidad de operar bajo protocolo
ETHERNET, permitiendo actualizar los datos entregados a un Sistema de supervisión
de control en un tiempo menor.
La flexibilidad en cuanto a comunicación aportada por esta serie, permite
realizar conexiones con redundancia múltiple, asegurando la integridad de la
información, logrando así una mayor confiabilidad y certeza de los Cálculos
realizados.
REDES.
Según Kevin Stoltz “ Todo acerca de... Redes de Computación” (1994), las
redes constan de dos o más computadoras conectadas entre si y permiten compartir
recursos e información. Una red trae varios beneficios; como por ejemplo, la
posibilidad de obtener y utilizar información de una fuente común que, en algunos
casos, es un requisito para operaciones como la contabilidad, en la cual diferentes
54
personas necesitan aplicar los mismos datos al mismo tiempo. Otro beneficio
inmediato de enlazar en red a las PC es la posibilidad que se tiene de compartir
impresoras y unidades de disco.
Mucho antes de que fuera considerada factible la idea de que las PC
reemplazaran a las macro o las minicomputadoras, comenzaron a aparecer las
primeras LAN (red de área local) de PC. Una LAN es un Sistema de comunicaciones
de alta velocidad que conecta microcomputadoras o PC que se encuentren cercanas,
por lo general dentro del mismo edificio. Una LAN consta de hardware y software de
red y sirve para conectar las PC que están aisladas. Una LAN da la posibilidad de que
las PC compartan entre ellas programas, información y recursos, como unidades de
disco, directorios e impresoras.
En una red existen dos tipos de computadoras en general, tal y como se
muestra en la figura 7; Las estaciones de trabajo, que son las computadoras ante la
cual se sienta el usuario y realiza su trabajo, y el servidor que es el computador que
proporciona servicio a las estaciones de trabajo.
55
Figura 7. Servidor y estaciones de trabajo.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación.Kevin Stoltz,1994.
A su vez los servidores se clasifican en dedicados y no dedicados, El servidor
no dedicado es una estación de trabajo que comparten sus recursos con otras
computadoras, mientras que el servidor dedicado no puede ejecutar ningún otro
trabajo aparte del requerido para compartir sus recursos con las estaciones de trabajo.
En la figura 8 se muestran estos tipos de servidores.
Figura 8. Servidor dedicados y no dedicados.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación.Kevin Stoltz,1994.
56
Una de las mayores razones de porque utilizar los servidores dedicados es que
pueden procesar trabajos a mayor velocidad, ya que no tienen que realizar actividades
pertinentes a un usuario, como en el caso de los servidores no dedicados.
Las LAN se pueden clasificar dentro de dos categorías: las de servidor y las
de punto a punto. Las LAN basadas en uno o más servidores dedicados o no
dedicados, también llamado cliente-servidor, consta normalmente de uno o más
servidores que comparten sus recursos con las estaciones de trabajo. Las LAN punto
a punto como la que se muestra en la figura 9 permite que las computadoras de red se
configuren como servidores no dedicados de la red y, de esta forma, se compartan los
recursos de cada una de ellas.
Figura 9. LAN punto a punto.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación.Kevin Stoltz,1994.
57
Existen tres topologías de red estándar: la de bus, la de estrella y la de anillo.
También hay combinaciones de más de una topología. Por ejemplo, una topología de
árbol es la combinación de una topología de bus y una de estrella.
En una topología de bus tal y como se muestra en la figura 10, cada
computadora esta conectada a un segmento común de cable de red. El segmento de
red se coloca como un bus lineal, es decir, un cable largo que va de un extremo a otro
de la red, y al cual se conecta cada nodo de la red.
Figura 10. Red configuración bus..
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994.
En una topología de estrella, cada computadora esta conectada a un
concentrador ubicado centralmente. El concentrador es un dispositivo de hardware
con varios puertos, donde se puede conectar un terminal de red en uno de ellos.
58
Figura 11. Red configuración Estrella
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994..
En una topología de anillo, cada computadora se conecta en forma de anillo a
la red. Las topologías de anillo casi siempre son lógicas con topología física de
estrella.
Figura 12. Red configuración Anillo.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994..
Una topología de árbol es la combinación de las topologías de bus y de
estrella. Muchos concentradores de las redes Ethernet con topologías física de estrella
también tienen un conector en la parte trasera que enlaza al concentrador a una red de
topología física de bus.
59
Figura 13. Red configuración Árbol.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994.
Los tres estándar más populares que se utilizan para red son: Ethernet,
ARCnet y token ring.
Ethernet emplea una topología lógica de bus y una topología física de bus o de
estrella. Es uno de los estándar más popular para las LAN que se usa actualmente y se
subdivide en tres tipos a su vez: 10BASE5, 10BASE2 y 10BASE-T, que definen el
tipo de cable de red, las especificaciones de longitud y la topología física que debe
utilizarse para conectar nodos en la red.
Figura 14. Red Ethernet.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994.
60
Token Ring fue idea por IBM y otros fabricantes, opera a una velocidad de
4Mbps o 16 Mbps con una topología lógica de anillo y una topología física de
estrella. Token Ring se basa en un Sistema de paso de señales, es decir que pasa un
token a todas las computadoras de la red. La computadora que posee el token tiene
autorización para transmitir su información a otra computadora del anillo. Si la
siguiente computadora tiene que enviar información, acepta el token y procede a
enviarla. En caso contrario, el token pasa a la siguiente computadora del anillo y el
proceso continua.
Figura 15. Red Token Ring.
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994.
ARCnet usa una topología lógica de bus y una ligera variación de la topología
de estrella. Cada nodo de la red esta conectado a un concentrador pasivo o a uno
activo. Un concentrador pasivo no recibe potencia eléctrica y sirve para distribuir la
señal de la red a cortas distancias. Un concentrador activo si recibe potencia eléctrica
61
y también amplifica la señal de la red para permitir que la red cubra distancias más
largas.
Figura 16. Red ARCnet
Fuente: Todo acerca de Redes de computación. Kevin Stoltz,1994.
PROTOCOLO.
Un protocolo es un juego de reglas que define la forma en que deben
efectuarse las comunicaciones de las redes, incluyendo el formato, la temporización,
la secuencia y la revisión y la corrección de errores (www.fondon.com).
Un protocolo simplemente es el idioma que usan las computadoras, las RTU’s
y otros dispositivos cuando ellos se comunican entre sí. Entre los protocolos más
importantes se destacan los siguientes:
62
MODBUS.
El protocolo Modbus originalmente fue diseñado para comunicación entre
(PLC’s), los cuales eran ampliamente utilizados en fabrica automotriz y en otros
procesos de automatización. Modbus, como otros protocolos de PLC, todavía sigue
siendo diseñado para leer y escribir puntos I/O individuales en el PLC.
FIELD BUS.
Según una sección denominada “Lo básico del Fieldbus” en la pagina
(www.fondon.com) el Fieldbus es un canal de comunicación digital, bidireccional,
multi-drop entre los dispositivos inteligentes que reemplazan los lazos de 4-20 mA.
Aunque las computadoras, los controladores de lógica programables (PLCs), y
las unidades terminales remotas (RTUs) se comunican entre sí digitalmente, la
mayoría de los dispositivos de campo (ej: válvulas, transductores de presión,
interruptores, etc.) todavía usan señales analógicas para comunicarse.
63
Figura 17.Protocolo Field Bus
Fuente: www.fondon.com
Los Medios de comunicaciones bidireccionales no solo permiten que el valor
del dispositivo del campo sea leído sino que ahora es posible escribir al dispositivo.
La capacidad del multi-drop del fieldbus produce la economía más inmediata de gran
beneficio para los usuarios. Con dispositivos analógicos, un par de cables se necesitan
entre el dispositivo de campo y el Sistema de control porque sólo una señal analógica
puede representarse en el circuito.
Los Sistemas distribuídos modernos resuelven este problema parcialmente
localizando dispositivos del multiplexing remotos en el campo. La última solución,
sin embargo, es ser capaz de conectar un número razonable de sensores a un mismo
cable, esto es exactamente lo que fieldbus permite realizar.
Algunos protocolos híbridos, como HART ®, están siendo ahora un puente
entre tecnologías analógicas y digitales. Usando el protocolo del HART, las señales
analógicas todavía son transmitidas por el proceso mientras un valor digital se
sobrepone encima del valor analógico para intercambiar información adicional con el
dispositivo.
64
Se diseñan fieldbus para incluir más los rasgos en su protocolo para resolver
problemas de actuación, seguridad, y descubrimientos de errores. Este proporciona
economía en costo de cableado entre un 80 a 90% cuando se construyen sobre las
instalaciones convencionales.
La información adicional de diagnóstico que permite el fieldbus hace posible
a menudo diagnosticar un problema de dispositivo de campo remotamente, ahorrando
así, viajes a campo.
PROTOCOLO HART.
El protocolo HART utiliza modulación de Frecuencia (FSK) para sobreponer
señales digitales de baja frecuencia de 4-20mA. Esto permite la comunicación entre
dos dispositivos o más y posibilita información adicional más allá del proceso normal
de un instrumento de campo inteligente. El protocolo del HART se puede utilizar
para comunicación sin interrumpir las señales de 4-20mA Como la señal de FSK es
fase continua, no hay ninguna interferencia con la señal 4-20mA
(www.Rosemount.com).
65
El HART es un protocolo de comunicación de amo-esclavo, la comunicación
es comenzada por el dispositivo amo con cada esclavo (dispositivo del campo). El
amo generalmente es un Sistema de mando distribuido (DCS), un controlador de
lógica programable (PLC), o una computadora personal (PC).
El HART posee las siguientes características:
- Capacidad digital: Permite el acceso a todos los parámetros del instrumento y
diagnósticos, Estado del dispositivo en-línea.
- Compatibilidad analógica: Permite comunicaciones analógicas y digitales
simultáneas
- Interoperabilidad: Es un sistema totalmente abierto
- SISTEMAS DE CONTROL Y MEDICIÓN.
AFORACIÓN.
Según el Manual de Aforación de Tanques, la aforación es una actividad que
comprende la determinación de la cantidad de Crudo y/o producto contenido en un
tanque; mediante la obtención de las muestras representativas de este... Para esto los
aforadores necesitan de ciertos implementos como la cinta metálica continua con su
respectiva plomada, pasta indicadora de agua y gasolina, barras para medir sedimento
66
en el fondo del tanque, entre otros implementos, así como también de algunas normas
para la determinación de temperatura en el Crudo y para la toma de muestras para la
determinación de porcentaje de agua en el Crudo. Existen dos Métodos de
mediciones: el método de medición directa y el método de medición indirecta. Estos
métodos son utilizados para determinar el nivel del Crudo y el nivel de agua libre
depositada en el fondo del tanque.
Método de medición Directa: Este método consiste en bajar la cinta con la
plomada hasta tocar ligeramente el fondo del tanque o la placa de nivel cero fijada en
el fondo. El nivel del liquido en el tanque se determina por la longitud de la cinta
mojada. Este método se usa necesariamente para la medición de Tanques de techo
flotante, medición de agua en el fondo del tanque, residuos de petróleo o productos
del mismo en cualquier tanque.
Método de medición Indirecta o medición por vacío: Este método consiste en
bajar la cinta con la plomada hasta cierta profundidad dentro del liquido contenido en
el tanque. El nivel del liquido contenido en el tanque se determina restándole a la
altura de referencia la lectura de la cinta y sumándole al resultado obtenido, la lectura
de la cinta mojada.
Este método se usa comúnmente en la medición de Tanques de techo fijo y en
oportunidades, se usa para medir los niveles de los residuos y agua en el fondo de los
Tanques.
67
MEDICIÓN POR RADAR UTILIZANDO MODULACIÓN DE
FRECUENCIA.
En 1933 Edwin Howard Armstrong invento la técnica de modulación de
frecuencia, por primera vez, se dio la radio estática-libre mundial. El precio a pagar
por ésta ventajosa técnica fue el ancho de banda requerido para la propagación de la
señal. Por ejemplo una estación de radio comercial AM ocupa un ancho de banda
máximo de 10 Khz, utilizando la modulación de frecuencia “FM” se podría utilizar
un ancho de banda mínimo de 200 Khz. El transmisor de FM y el receptor de FM
requieren más componentes en circuito, así, ellos son más costosos que sus AM
colegas.Aparte de las consideraciones técnicas, hay una diferencia teórica dominante.
En principio, AM es un proceso de la modulación lineal. Sin embargo, FM es no
lineal. Esto complica el análisis, el plan, y la aplicación de dispositivos de FM.
La modulación de frecuencia consiste en variar las características de una señal
en función de otra, de esta manera la señal que contiene la información se puede
acoplar al medio físico o canal de transmisión de la manera más adecuada. Revista
Cekit, Edison Duque (1998)
Los medios físicos o canales sobre los cuales se transmiten diferentes señales
pueden ser especificados en función de su respuesta en frecuencia. Para obtener una
68
transmisión eficiente, los parámetros de la señal a transmitir deben corresponder
con las propiedades del canal. Cuando esto no ocurre, la señal debe ser modificada o
procesada para que ésta se adapte a su medio. Esto es lo que se conoce como
Modulación.
Según Stremler, La modulación de frecuencia FM, es un tipo de modulación
que consiste en hacer variar la frecuencia de una señal portadora proporcionalmente a
una señal moduladora. Una señal de FM tiene la siguiente forma:
ϕ(t) = Acos(ωct + ∫m(t)dt)
donde ωc es la frecuencia angular de la señal portadora objeto de modulación , y m(t)
es la señal moduladora o mensaje. Es importante resaltar que si la ecuación no tuviera
el símbolo de integral de la señal moduladora, m(t) sería una señal moduladora en
fase “PM”, debido a que la desviación de frecuencia es la derivada de la desviación
de fase, y para que exista modulación en FM, la desviación de frecuencia debe ser
proporcional a la amplitud de la señal moduladora. Por lo tanto cuando se modula en
FM se tiene PM indirecta y viceversa.
Existen varios parámetros importantes en la modulación de FM que son los
siguientes.
Df : Este parámetro es conocido como ganancia del modulador FM, y es una
constante que viene dada en V/Hz.
69
Af : Este parámetro es la máxima variación de frecuencia de la portadora por
efecto de la señal moduladora, y depende de la amplitud de esta última según la
siguiente relación: Af = DfVp, donde Vp es el voltaje pico de la señal modulante.
β: Este es el índice de modulación en FM, y es un valor a dimensional que
viene dado por β = Af/fm, donde fm es la frecuencia de la señal moduladora.
uladoramodseñalladefrecuencia
portadoraseñaldefrecuenciadedesviacion=β
De la ecuación antes planteada se puede deducir que para una señal triangular
de baja frecuencia como la de la figura 18, el ser sometida al proceso de la
modulación con una señal senoidal de frecuencia relativamente alta, cambiara sus
propiedades de frecuencia trasladando su espectro a un poco más allá de la
frecuencia portadora.
Figura 18.Señal de baja frecuencia.
Fuente: Wilman Fai, Golguin Ramos,2000.
70
La señal que se obtiene de alta frecuencia que se muestra en la figura 20, es
el resultado de la modulación, en ésta se puede ver la total correspondencia entre la
variación de amplitud de la señal mensaje y el cambio de frecuencia de la señal
portadora.
Figura 19. Señal modulada de alta frecuencia
Fuente: Sistemas de comunicación. LEON COUCH,1996.
El principio de modulación de frecuencia se aplica en los medidores de nivel
de Crudo tipo Radar. Este dispositivo es capas de detectar objetos a su frente
midiendo el retraso de tiempo entre las señales de alta frecuencia emitidas por él
mismo.
Un radar opera modulando una señal mensaje a altas frecuencias, donde su
antena apunta a la superficie que se desea identificar. Esta medición de nivel se
hace de manera indirecta, el radar solo identifica el espacio vacío a su frente. El
proceso de medición con radar comienza con la emisión continua de una señal
mensaje triangular de frecuencia modulada que una ves que ésta choca con la
superficie parte de regreso al sitio de emisión. En éste punto la señal viajera se de
71
modula y se compara con la señal original, siendo el desfase entre ellas
directamente proporcional a la distancia desde la superficie más próxima.
En la figura 20 se representa el proceso de emisión y recepción de señal.
Figura 20. Señales emitidas y recibidas por el Radar
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
Por otra parte según DAVID CHENG en su libro “Teoría Electromagnética”
(1995) para obtener una radiación eficiente de energía electromagnética desde una
antena, la longitud de onda de la señal radiada debe ser comparable con las
dimensiones físicas de la misma. Dicho lo anterior, para transmitir señales de audio
como las emitidas por estaciones de radio comercial (a bajas frecuencias), se
requieren antenas de varios kilómetros de longitud, lo que es algo imposible en la
practica. Para obtener dimensiones convenientes, las señales transmitidas por antenas
deben ser de altas frecuencias. Siendo éstas razones por lo que las señales de audio
deben ser sometidas a un proceso de modulación en estaciones de radio para poder
ser irradiadas desde una antena de tamaño considerable.
72
De lo antes expuesto se aclara el porque se utiliza una antena en pequeñas
dimensiones en el caso particular de un medidor de espacio vacío tipo radar de la
marca SAAB. En la figura 21, se pueden observar los tipos de antenas utilizadas
para tal fin, tomando en cuenta que todas se adaptan a una misma unidad electrónica.
Figura 21. Dimensiones de Antenas
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
Una antena de reducidas dimensiones es compensada con una frecuencia de
operación considerablemente alta. Esto se traduce en que la longitud de onda de la
señal es comparable con las dimensiones físicas de la antena, corroborando que la
señal se irradia desde la antena con un nivel de potencia relativamente alto en
operaciones normales. En la figura 22, se muestra la frecuencia de trabajo para el
Radar, en el que la señal modulada puede ser irradiada por cualquiera de las antenas
antes mostradas.
73
Figura 22.Frecuencia de operación
Fuente: Manual de servicio Saab,1997
La parte más importante del radar es la unidad electrónica, mostrada en la
figura 23, ya que ella incluye la parte funcional de la unidad de microondas y la
tarjeta de procesamiento de señal, esta unidad puede ser intercambiable en los
diferentes tipos de antena. El cambiar el tipo de antena solo implica un pequeño
ajuste en la configuración de la base de datos del dispositivo.
Figura 23. Unidad electrónica.
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
Medidor tipo radar de antena cónica Radar Tank Gauge (RTG) 2920
Este modelo utiliza una antena cónica como la mostrada en la figura 24, ya
que fue diseñado para medir cualquier tipo de liquido independientemente de su
composición química a excepción del bitumen y el asfalto.
74
Figura 24. RTG 2920
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
Medidor tipo radar de antena parabólica RTG 2930
Este radar con antena parabólica se usa cuando se desea medir nivel en
Tanques que almacenan cualquier tipo de liquido, entre ellos bitumen y asfalto,
siendo esta una de las más resistente a la corrosión y condensación producto del
liquido almacenado; En la figura 25 se ilustra el instrumento de medición de nivel,
resaltando que este modelo es el más adecuado para Tanques de techo fijo en donde
se lleve a cabo una labor de transferencia y custodia.
Figura 25. RTG 2930
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
75
Medidor tipo radar de antena cónica para tubos de calma. RTG 2940
Este tipo de antena esta diseñada para Tanques de proceso o
Almacenamiento, donde existan altos niveles de turbulencia, y que la precisión sea
un factor de mayor importancia. Para este modelo de antena, se requiere un tubo de
calma en el que repose el instrumento. Este tubo se utiliza, debido a que en el los
niveles de turbulencia son despreciables. En la figura 26, se muestra el tubo de calma
del tanque donde reposa el instrumento.
Figura 26. Tanques con tubo de calma.
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
El modelo 2940 es uno de los más utilizados en operaciones de transferencia
y custodia, hasta el punto que es uno de los más recomendados por el Instituto de
Petróleos Americanos. En la grafica 27 se muestra el radar recomendado por API
para la medición de nivel en Tanques.
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Figura 27. RTG 2940
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
Medidor tipo radar de antena cónica para Tanques de LPG. 2960
Para el modelo 2960 al igual que el anterior, la antena se debe instalar en un
tubo de calma. Este tipo de antena fue diseñada para Tanques presurizados, en los
que la medición de nivel con precisión es una difícil labor.
El tubo de calma a utilizar debe contar con algunos pines de referencia a
distancias conocidas, que servirán de guías para el medidor de nivel al momento de
calibración debido a que en este tipo de Tanques es imposible realizar una medición
manual; En la figura 28 se muestra la antena utilizada para esta aplicación.
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Figura 28. RTG 2960.
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
En operación normal, cuando el radar emite una señal de FM hacia la
superficie del tanque, ésta la refleja hasta el punto de emisión donde el procesador
digital de señal (DSP) aplica una transformada de fourrier (FFT) a la señal recibida.
Desarrollando el cálculo de la FFT de la señal entrante, se proporciona el espectro de
frecuencia analizado, y comparando con el espectro de la señal emitida, se obtiene la
distancia desde el radar hasta la superficie del liquido.
Esta técnica de procesamiento de señales a pesar de la relativa baja resolución
y precisión de método, es una de las más simples y usada, con ella se podrían obtener
errores de medición de hasta 1mm ocasionado por una perdida de niveles de energía
Sin embargo las magnitudes de las componentes espectrales de primer orden
permiten ser ajustadas a la potencia requerida.
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Según el Manual de Instalación del Radar Saab (1997), un diámetro de la
antena más grande tiene una ganancia más alta o una señal más concentrada y por
consiguiente recibe un eco más fuerte. La potencia de señal recibida de vuelta de la
superficie es proporcional a un cuarto de la potencia del diámetro de la antena dado
una frecuencia de microonda fija. Una antena más grande proporciona un estrecho
enfoque, el cual es conveniente para aplicaciones en Tanques de líquidos con
reflexión del radar baja, en distancias más largas y en ambientes sucios. En la figura
29 se muestran los enfoques que se pueden obtener según el diámetro de la antena.
Figura 29. Enfoques de la señal emitida según el diámetro de la antena
Fuente: Manual de servicio Saab,1997.
EL MEDIDOR DE NIVEL CAPACITIVO.
La capacitancia que mide el Sistema puede ser usado para medir el nivel del
liquido de un tanque con precisión (www.beacon.com).
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Incluso cuando un segundo material (por ejemplo: aire o un fluido del
proceso) esta sobre el liquido cuyo nivel nosotros deseamos medir, el sensor
capacitivo habilitará la medida del nivel, o altura, del material más bajo. Para que el
Sistema de sensor capacitivo proporcione una exacta y repetible medida de nivel, las
propiedades de los materiales que son modelados deben permanecer constantes con el
tiempo.
En un Sistema de medida típico, una sonda se pone verticalmente en el tanque
que contiene los materiales a ser medidos. Cuando ambos, el material a ser medido y
el material que esta sobre este son no conductivos, las medidas son basadas en las
diferencias de las constantes dieléctricas de los dos materiales.
Debido a que la medida es basada en la constancia de las propiedades
eléctricas de los materiales, generalmente se realizan calibraciones usando los
materiales reales. A menos que las propiedades de los materiales sean conocidas con
gran exactitud, las calibraciones frecuentemente se realizan en , o muy cerca de, la
instalación final cuando podría ser muy difícil de proporcionar muestras de los
materiales al fabricante del sensor.
En el caso especial de agua conductiva al fondo de un tanque que contiene un
proceso con fluido no conductivo, como Crudo, puede mostrarse que la medida es
relativamente insensible a la conductibilidad del agua; caso frecuente para las agua
que se forman a lo largo de la extracción de un Crudo y el Crudo mismo, es común
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usar una sonda cubierta con una capa de material dieléctrico como Teflón. En este
caso, el material a ser modelado realmente es el Teflón cuyas propiedades son muy
estables con relación a cambios considerables de las condiciones del ambiente. Por
consiguiente, el sensor capacitivo puede usarse para medir el nivel del agua al fondo
de un tanque de Almacenamiento de aceite Crudo con una exactitud generalmente del
orden de unas décima de una pulgada.
Principales características del medidor capacitivo ACCU:
Indicación continua de interfaz de nivel de agua Libre
Encapsulado a prueba de explosión
Resolución alta
Sondas de RTD promediantes
Tubo de acero flexible
Fuente de 24 VDC
Señal 4-20 mA o HART (Inteligente)
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Figura 30 Medidor de nivel de agua libre Capacitivo.
Beacon ACCU-TEMP Tipo MW
Fuente: www.beacon.com
Además de proporcionar una temperatura media muy exacta y fidedigna de
volúmenes del tanque, el Beacon ACCU-TEMP Tipo MW también proporciona una
indicación continua de nivel de interfaz de agua en el que la información puede
determinar el Cálculo de barril Neto junto con la corrección de temperatura.
Adicionalmente la información puede ser analizada en tiempos posteriores del horario
de las actividades.
El fondo del Beacon que mide la interfaz de agua utiliza una sonda capacitiva
con circuitería intrínsecamente segura para determinar el nivel de la interfaz entre el
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fondo de agua y el producto en el tanque. Necesita de una fuente de poder de 24
VDC. El rendimiento del Sistema es 4-20 MA. Para la mayoría de las aplicaciones, la
sonda proporcionará una resolución de 1/4" (6mm) sobre un rango de 0-36".
PRESIÓN.
Según Robert L.Mott, la presión se define como la cantidad de fuerza ejercida
sobre una área unitaria de una sustancia. Esto se puede establecer con la ecuación:
AF
p =
Blaise Pascal, un científico del siglo XVII, describió dos principios acerca de
la presión.
La presión actúa uniformemente en todas direcciones sobre un pequeño
volumen de fluido.
En un fluido confinado entre fronteras sólidas, la presión actúa
perpendicularmente a la frontera.
Aunque la unidad estándar de la presión en el Sistema británico de unidades
es la libra por pie cuadrado, no se utiliza muy a menudo debido a su inconveniencia.
Las medidas de longitud son más convenientes si se hacen en pulgadas
83
cuadradas(PSI). En algunas ocasiones la presión suele ser expresada como la altura
de una columna de liquido, ya que, la magnitud real de la lectura de presión, a
menudo, es pequeña. En ocasiones se utilizan manómetros para medir tales presiones
y los resultados están dados en unidades como pulgadas de agua, en lugar de las
unidades convencionales de Pa o lb/pulg² (PSI).
Para convertir estas unidades a las que se necesitan para efectuar los Cálculos,
se debe utilizar la relación presión - elevación. Por ejemplo, una presión de 1 pulgada
de agua expresada en unidades lb/pulg² es:
hp γ=
²lg/0361.0³1728
³1)lg1(
³ 4.62
2 pulbpul
pieOHpu
pieslb
p ==
MEDIDORES Y TRANSDUCTORES DE PRESIÓN.
Según Robert L. Mott, un dispositivo para medir presión que se utiliza
ampliamente es el medidor de presión de tubo Bourdon. La presión que se va a medir
se aplica a la parte interior de un tubo aplanado que, normalmente, tiene la forma de
un circulo o una espiral. La presión aumentada en el interior del tubo ocasiona que
este se enderece un poco. El movimiento del extremo del tubo es transmitido a través
de una ligadura que, a su vez, hace que un indicador gire. Existen otros tipos de
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medidores o transductores de presión, que miden una cantidad física (presión) y
generan una señal eléctrica que tiene relación predecible con la cantidad medida.
Algunos tipos de transductores son los de resonador de cuarzo, de tipo LVDT, entre
otros. Uno de los transductores de presión como el de estado sólido utiliza dos placas
paralelas cuya superficie esta compuesta por un patrón estriado de silicio. La presión
aplicada a una placa ocasiona que esta se desvíe, cambiando el espacio de aire que
hay entre las placas, resultando en un cambio de capacitancia entre las placas. Este
principio es similar al aplicado en el funcionamiento de los transmisores Rosemount.
MEDIDORES DE PRESIÓN ROSEMOUNT.
El principio de funcionamiento de los transmisores Rosemount mide la
presión del proceso aplicada y desplaza el diafragma del transmisor, transmitiendo el
modelado de la presión a través del Sistema. Esta presión cambia de sitio al
diafragma en la célula del sensor, creando un diferencial capacitivo entre el
diafragma y la chapa del condensador (www.Rosemount.com).
El Transmisor de Presión Hidrostática Modelo 3001C tiene las siguientes
características:
• Alta Exactitud.
• Tecnología probada del sensor.
• Electrónica basada en Microprocesador.
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• Comunicaciones Digitales vía protocolo HART.
• A prueba de Explosión e intrínsecamente seguro.
El Transmisor de Presión Hidrostática Modelo 3001C es el corazón del
Rosemount Hydrostatic Tank Gauging System (HTG). Este sensor de gran exacto
proporciona la medida de presión primaria en los que se basan los Cálculos de HTG.
Estos Cálculos proporcionan medidas en líneas de masa, densidad, densidad normal,
volumen, volumen normal, y nivel en Tanques del Almacenamiento de líquidos.
Dependiendo de la aplicación, se usan uno o dos transmisores de presión por tanque
de Almacenamiento. Un transmisor se usa si la densidad es constante y el segundo
transmisor se usa si la densidad necesita ser medida.
El instrumento proporciona las medidas fiables que se necesitan para el
manejo de inventarios y traslados de productos.
El Transmisor de Presión Hidrostática Modelo 3001C incorpora una exactitud
alta y son especialmente caracterizados porque todos pueden operar en temperaturas
de (–40 a 185 °F [–40 a 85 °C])
El transmisor es basado en microprocesador, proporcionando internamente
corrección por temperatura. El arreglo del microprocesador permite a transmisores
ser intercambiados sin necesidad de reconfigurar cualquier otro componente dentro
del Sistema de HTG. La presión proporcionada por el transmisor se afianza en las
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comunicaciones digitales usando el protocolo HART a dos hilos. El transmisor
permite las conexiones de alambrado de campo sin entrada en la electrónica del
transmisor, puede trabajar en varios tangos de presión (0 a 9 psi ,0 a 30 psi ,0 a
150psi).
Figura 31. Medidor de presión ROSEMOUNT
Fuente: ROSEMOUNT. www.rosemount.com.
SISTEMAS DE CONTROL.
Según, Arístides Soto, Julio 1998 en su tesis ”Desarrollo de un modelo
matemático para la validación de mediciones y detección de fuga en una red de
recolección de Crudo desde las estaciones de flujo hacia los Patios de tanque.”, un
Sistema de control se refiere generalmente a todos los componentes de control
incluyendo el proceso, la medición, el controlador y el operador de equipos que
contribuyen a la operación.
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En los Sistemas de control se lleva a la practica un concepto fundamental que
consiste en medir, comparar, computar y corregir; para producir el mejor resultado
posible.
Según un trabajo de Investigación realizado por Alfredo López, 1999,
titulado Teoría General de los Sistemas de control “Un Sistema de control es un
conjunto organizado de cosas o partes interdependientes, que se relacionan formando
un todo unitario y complejo, con el fin de mantener en condiciones ideales un
proceso”; Cabe destacar que cada uno de los elementos que conforma un Sistema
de control deben estar íntimamente relacionados, lo que garantiza la efectiva
ejecución de una acción de control ante perturbaciones en las variables del proceso.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL.
SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO.
Un Sistema se denomina Lazo Abierto porque las entradas de control no son
influenciadas por las salidas del proceso, es decir, no se produce retroalimentación
de las variables de salida.
Este Sistema de control posee la ventaja de simplicidad, pero su
funcionamiento es fuertemente dependiente. Idealmente este tipo de control se aplica
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a procesos que destacan la capacidad de desempeño con exactitud, que es
determinado por su calibración y consiste en establecer una relación entrada/salida
que permita obtener la exactitud requerida y la escasa presencia de problema por
inestabilidad.
SISTEMAS DE CONTROL A LAZO CERRADO.
Un Sistema de control a lazo cerrado, consiste en llevar la salida del proceso
mediante una trayectoria de retorno hacia la entrada, donde será comparada con la
salida deseada. Este por ser un Sistema de mayor complejidad, se utiliza en procesos
críticos donde un simple Sistema a lazo abierto fracasaría por excesiva inestabilidad.
Según Katsuhito Ogata,(1.977;Pag 250) en un Sistema de control a lazo
cerrado, se compara el valor efectivo de salida de un proceso con el valor deseado, se
determina la desviación y produce una señal que reduce la desviación a cero o a un
valor pequeño. La forma en que el control automático produce la señal de control
recibe el nombre de acción de control.
De acuerdo con su acción de control se pueden clasificar los controles
automáticos en:
Controles de dos posiciones
Controles proporcionales
Controles integrales
Controles proporcionales e integrales
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Controles proporcionales y derivados
Controles proporcionales y derivados e integrales.
Según, Arístides Soto, un Sistema de control automático es una disposición
operable de uno o más controladores automáticos, junto con su equipo asociado,
unidos en circuitos cerrados con uno o más procesos.
La mayoría de los controles automáticos industriales usan como fuentes de
potencia la electricidad o un fluido a presión que puede ser aceite o aire. También se
pueden clasificar los controles automáticos según el tipo de fuente de energía usada
en su funcionamiento, en controles neumáticos, hidráulicos o electrónicos.
Una característica de los controles neumáticos es que emplean casi
exclusivamente válvulas de accionamiento neumático. Una válvula de accionamiento
neumático puede brindar gran potencia de salida. En las válvulas de accionamiento
neumáticas practicas, la característica de la válvula puede no ser lineal; es decir, el
flujo puede no ser directamente proporcional a la posición del vástago de la válvula y
también puede haber otros efectos no lineales, tales como histéresis.
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VÁLVULAS DE CONTROL.
Según Katsuhito Ogata, (1.977,Pag.320) una válvula de control es un
elemento final de control usado en Sistemas de instrumentación para regular el flujo,
presión o temperatura de líquidos y gases en un proceso determinado.
Una válvula de control es diferente de otras válvulas en que estas tienen un
actuador en lugar de un volante para mover el mecanismo de cierre en respuesta a una
señal externa. El actuador usual es neumático con una cubierta que tiene un
diafragma que la divide en dos compartimentos. El diafragma y el vástago conectado
con él están en posición equilibrada por un resorte en un lado y el aire a presión en el
otro. En control del flujo, la presión del aire cambia en respuesta a una señal
proveniente de la medición de la presión diferencial en un orificio u otro aparato
detector de flujo. Una válvula de control consiste en dos partes principales: el cuerpo
y el actuador. El cuerpo sirve para el paso del fluido entre el tubo e las conexiones.
Por tanto, debe servir como recipiente de presión y está sometido a las mismas
condiciones de temperatura, presión y corrosión que el resto de la tubería. La función
del actuador es responder a la señal del controlador automático y mover las
guarniciones de la válvula para variar el flujo. El actuador es el amplificador de
potencia entre el controlador y la circulación de líquido. Hay dos actuadores
neumáticos básicos; en uno se utilizan un resorte y un diafragma, y el otro es de
pistón y cilindro.
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MEDIDORES DE PORCENTAJE DE AGUA AGAR.
El AGAR Detector de Interfase (ID-201) es un instrumento que mide el
contenido de agua presente en el Crudo, dicho instrumento utiliza el principio de
absorción de energía para detectar el contenido de agua en una emulsión de agua en
Crudo, en un rango desde 0 al 100%. El detector de agua en Crudo opera con una
señal de alta frecuencia produciendo una salida de corriente directa, proporcional a
la energía absorbida por el liquido que esté hasta un poco más allá de la antena
(www.agarcorp.com).
La fuente de alimentación (PS-201) provee de voltaje regulado DC a la antena
y recibe la señal cruda de esta, acondicionándola dentro del estándar 4-20ma, para
lecturas correspondientes al contenido de agua en la emulsión medida.
Este instrumento es comúnmente utilizado en los Sistemas de control de
drenaje a lazo cerrado, tal es el caso del Sistema de drenaje automático en los
Tanques de Almacenamiento de PDVSA, en esta aplicación el AGAR ID se
encarga de medir la variable de proceso para ejercer control sobre la válvula de
drenaje, permitiendo ajustar la cantidad de agua en el fondo del tanque a un nivel
deseado. La instalación del medidor de corte de agua se hizo como se muestra en la
figura.
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Figura No.32. Instalación de un AgarID-201
Fuente: Wilman Fai, Golguin Ramos,2000.
En el Sistema antes descrito, la salida 4 a 20ma del AGAR ID se conecta a
un PLC, en éste residen los valores para apertura y cierre de la válvula de drenaje,
estando en capacidad de establecer control de manera automática sobre la misma
desde el Sistema de Supervisión Centralizado.
El Analizador de agua en Crudo AGAR (OW) al igual que el ID también
trabaja bajo el principio de absorción. El OW consta de dos partes:
Una de ellas la conforma la “antena” OW-102 que detecta el contenido de
agua en una emulsión de Agua-Crudo, en un rango desde 0 al 10%.El detector de
agua en Crudo opera con una señal de alta frecuencia produciendo una salida de
corriente directa, proporcional a la energía absorbida por el liquido que esté hasta un
93
poco más allá de la antena. En la figura 33 se muestra la apariencia física de este
instrumento.
FIGURA 33. ANTENA OW-102
Fuente: http\\www.AGARCORP.com
La señal de corriente directa “cruda”, se conecta a la PS-203; Esta además
de generar la alimentación del la antena OW-102, posee el circuito linealizador que
acondiciona la señal de corriente cruda proveniente del sensor, “Antena”. Este
circuito linealizador de salida contiene dos memorias EPROM (solo lectura) donde
reside la calibración del sensor, logrando emular el estándar 4-20ma para una salida
analógica y para el display de lectura local, figura 34.
FIGURA 34. LINEALIZADOR PS-203
Fuente: http\\www.AGARCORP.com
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C. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS.
Compresibilidad.
La compresibilidad se refiere al cambio de volumen de una sustancia que esta
sujeta a un cambio de la presión que ejerce sobre ella. Los líquidos son elementos
poco comprensibles, por lo cual, necesitan de cambios muy grandes de presión para
producir un pequeño cambio en el volumen.
Crudo.
Petróleo en su estado natural. Nombre coloquial que se le asigna al petróleo.
Densidad
Es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.
Emulsión.
Es un Sistema heterogéneo formado por dos líquidos con cierto grado de
inmiscibilidad, uno de los cuales se encuentra disperso en el otro en forma de
pequeñas gotas Este Sistema comprende dos fases: una fase dispersa, en forma de
pequeñas gotas (fase interna) y se encuentra suspendida dentro de la fase externa o
fase continua.
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Gravedad especifica.
La gravedad especifica es el cociente de la densidad de una sustancia entre la
densidad del agua a 4 °C o también suele expresarse como el cociente del peso
especifico de una sustancia entre el peso especifico del agua a 4 °C.
Gravedad API.
La gravedad especifica API o Baumé se denota a menudo como Gravedad
Especifica 60o/60o F. Esta notación indica que tanto el fluido de referencia como el
Crudo se encuentran a 60 oF.
Incertidumbre
Es la perturbación de la medición, hasta cierto grado, de la materia que se esta
midiendo. Las incertidumbres importantes de las mediciones son causadas por
factores, tales como el error humano, el mal funcionamiento de los dispositivos de
medición, y los errores experimentales. La utilidad de una información depende de la
confianza que se le puede tener a su validez.
Materia.
Es cualquier cosa que exhibe inercia, o sea que tiende a mantener una
velocidad constante, por tanto a menos que sobre ella actúe una fuerza, la misma
permanecerá en reposo.
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Peso.
Es la fuerza que ejerce sobre el la gravedad terrestre.
Peso especifico.
El peso específico es la cantidad de peso por unidad de volumen de una
sustancia.
Sistema.
Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen
determinado objetivos. Un Sistema no esta limitado a objetivos físicos. El concepto
puede aplicarse a fenómenos dinámicos abstractos, refiriéndose a Sistemas físicos,
biológicos, etc.
Sistemas de Control
Interconexión de componentes que forman una configuración del Sistema que
proporcionara una respuesta deseada del Sistema.
Temperatura.
Es la propiedad de un cuerpo que lo predispone a perder calor.
Volumen.
Es una cantidad derivada, basada en la longitud, por lo tanto, la unidad
métrica de volumen es la unidad de longitud cúbica.
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Agua en Crudo (W/O).
Es donde la fase dispersa o interna es el agua y la fase continua es el Crudo.
Crudo en agua (O/W).
Es donde las gotas de Crudo se encuentran dispersas en la fase continua de
agua.
Crudo.
Término sinónimo de petróleo.
Desemulsificación.
Es el proceso de separación de una emulsión en sus dos fluidos inmiscible,
generalmente por la adición de un agente químico.
Presión.
Es la Fuerza o carga que se ejerce sobre una superficie.
Presión absoluta.
Es aquella que representa la presión manométrica más la adición de la presión
atmosférica.
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Presión atmosférica.
Es la presión ejercida por la atmósfera sobre la superficie de la tierra, debido
al peso del aire. su valor a 0 ºC es igual a 1,03323 kg/cm2 ó 14,7 psi.
Presión de vapor.
Es la Presión a la cual el liquido pasa a la fase de vapor.
Sistema.
Es un Conjunto de entidades definidas por sus atributos y relacionadas entre sí
por vínculos, con el objeto de lograr predeterminados objetivos dentro de un cuadro
de limitaciones especificadas.
Válvula de control.
Es una válvula que regula el flujo o la presión de un fluido que influye en
algún proceso controlado.
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D. SISTEMA DE VARIABLES
SISTEMA DE VALIDACIÓN.
Teóricamente es el dar firmeza, seguridad o subsistencia de algún acto
“Diccionario manual e ilustrado de la lengua española. 1989”, así como también a la
contrastación de datos con condiciones estándar “Diccionario de términos científicos
y técnicos. 1981’’.
Operacionalmente el Sistema de validación es el conjunto de elementos que
permiten verificar el grado de certeza, tanto, de los valores reportados por los
instrumentos de campo, como, del Cálculo Automatizado de Crudo Neto en el
SCADA.
CÁLCULO AUTOMATIZADO DE CRUDO NETO.
Teóricamente el Cálculo se define como la operación que se hace para
conocer el resultado de varios números “Larousse. 1997”.
Operacionalmente el Cálculo Automatizado de Crudo Neto son el conjunto de
operaciones que deben realizar los autómatas para obtener el volumen Neto de Crudo
contenido en los Tanques de Almacenamiento de ULE.