Diseño e Inplementacion

7/21/2019 Diseo e Inplementacion

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DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA DE CONTROL PARALA REINYECCIN DE AGUA EN LOS POZOS DE PRODUCCIN

DE UNA ESTACIN PETROLERA

Freire Nez Juan Carlos

[email protected]

Escuela Politcnica Nacional

RESUMEN

El presente proyecto de titulacin tiene comofinalidad poner operativo el sistema de

reinyeccin de agua de una estacin petroleraubicada en el oriente ecuatoriano, cuyosrequerimientos fueron la implementacin deun sistema de control y monitoreo del procesode reinyeccin de agua, utilizando losdiferentes elementos existentes en dichoproceso tales como: sensores de presin,sensores de temperatura, sensores de nivel,sensores de vibracin y actuadores elctricos.

La solucin propuesta fue la de desarrollaruna HMI hibrido ON/OFF y PID con el

software FactoryTalk View ME y un sistemade control desarrollado con el softwareRSLogix 5000. Para el monitoreo se configurun Panel View el cual permite a losoperadores la facilidad de visualizar los datosen forma amigable y en tiempo real, recibir lasadvertencias y alarmas configuradas en elsistema. Para el control se utiliz un PLC consus respectivas tarjetas de entrada, salida ycomunicacin para recibir las seales de losinstrumentos del rea del separador, del reade las bombas y del rea de utilidades.

Como resultado de la aplicacin eimplementacin del sistema descrito seobtiene un flujo constante de agua hacia lospozos de reinyeccin de agua, as comotambin ofrece al personal de operacin ymantenimiento herramientas para realizar elcontrol y monitoreo de las variablesinvolucradas en el proceso a travs de losinstrumentos y seales del separador,

bombas booster, bombas de inyeccin,variadores de las mismas bombas, ademsdel monitoreo de las seales de los equiposde utilidades como son el tanque de agua

para el sistema contra incendios y elsumidero de la estacin.

1. EL PETRLEO, SU ORIGEN YLOCALIZACIN.

El petrleo es un recurso natural y una de lasfuentes de energa ms importante. Lapalabra petrleo proviene del latnPETROLEUM, que significa ACEITE DEPIEDRA".

Al ser un compuesto lquido, su presencia nose localiza habitualmente en el lugar en elque se gener, sino que se filtra a travs derocas porosas, hasta encontrar unas rocasllamadas "rocas almacn", en las cuales seconcentra y permanece. Esta trampa leimpide la migracin hasta la superficie,entonces se habla de un yacimiento. Unyacimiento es aquella parte de una trampaporosa que contiene petrleo, gas o ambosasociado a un acufero.

Figura 1.1 Localizacin del Petrleo.


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1.1. PROCESO DE PRODUCCIN DELPETRLEO.

La produccin de petrleo es el proceso desacar de manera ordenada y planificada el

crudo que la naturaleza ha acumulado enyacimientos subterrneos teniendo cuidadoen la proteccin ambiental, a este proceso selo puede resumir en las cinco fases que son:

Figura 1.2 Proceso de Produccin de Petrleo.

1.1.1. LOCALIZACIN DEL YACIMENTO

En la industria petrolera cuando se habla deltrmino localizacin o exploracin se refiere ala bsqueda de nuevos yacimientos de

hidrocarburos. Las tcnicas empleadas paraesta bsqueda son muy variadas y las msutilizadas son las siguientes: exploracingeolgica y exploracin geofsica.

1.1.2. PERFORACIN.

Una vez localizado el petrleo es necesariollevarlo desde el yacimiento hasta lasuperficie, para ello se utilizan los siguientesmtodos de perforacin: por percusin y porrotacin.

1.1.3. EXTRACCIN.

Luego de haber realizado la perforacin, elpozo est en condiciones de producir. En estemomento puede ocurrir que el pozo seapuesto en funcionamiento por surgencianatural (extraccin sin necesidad de ayuda),lo que no ocurre en la mayora de lasperforaciones. Los fluidos de un yacimiento

(petrleo, gas, agua) entran a los pozosimpulsados por la presin a los que estnconfinados en el mismo. Pero en la mayorade los casos esta surgencia natural decrece yel pozo deja de producir. Para proseguir con

la extraccin se procede a la utilizacin demtodos de recuperacin de petrleo.

1.1.3.1. RECUPERACIN PRIMARIA.

Si la presin subterrnea en el yacimiento essuficiente, esta presin forzar el crudo a lasuperficie. En esta situacin, en la cabeza delpozo se coloca un arreglo complejo devlvulas (rbol de Navidad) para conectar latubera y poder transportar el crudo aestaciones de produccin. La recuperacinprimaria se puede dar por las siguientescausas: flujo natural, levantamiento artificial,

1.1.3.2. RECUPERACIN SECUNDARIA.

Durante la vida productiva del yacimiento lapresin descender y es entonces cuando serequiere hacer Recuperacin Secundaria, quees la inyeccin de agua o de gas paracompensar la prdida de presin y la ayudamediante bombas para extraer el petrleo.

1.1.3.2.1. INYECCIN DE AGUA.

El mtodo se realiza por medio de pozosllamados inyectores que se pueden encontraren medio de varios pozos productores oalrededor de ellos con el fin de facilitar eldesplazamiento de crudo por el medio porosohasta el pozo y posteriormente hasta lasuperficie. Hoy en da, ste es el principalmtodo de recuperacin secundaria.

Figura. 1.3 Recuperacin secundaria, inyeccinde agua.

LOCALIZACIN DEL YACIMIENTO

PERFORACIN

EXTRACCIN

TRANSPORTE

ESTACIN DE PRODUCCIN


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1.1.3.2.2. INYECCIN DE GAS

Es un proceso donde el gas se inyecta en elyacimiento con la finalidad de aumentar larecuperacin manteniendo la presin dentro

del yacimiento.

1.1.4. TRANSPORTE.

Normalmente los pozos petrolferos seencuentran en zonas muy alejadas de loslugares o estaciones de tratamiento del crudo,de modo que la conduccin del petrleo se lohace por tuberas que van del pozo a laestacin de produccin.

1.1.5. ESTACIN DE PRODUCCIN.

La estacin de produccin es el lugar dondellega el crudo de todos los pozos deproduccin. El petrleo extrado generalmenteviene acompaado de sedimentos, agua ygas natural, por lo que en esta estacin sedeben construir previamente las facilidadesde produccin, separacin y almacenamientocon la finalidad de que el petrleo tenga unporcentaje mnimo de agua y sedimentos quedebe ser menor al 1% BSW (Basic sedimentand wather).

1.2. SISTEMA DE INYECCIN DE AGUA.

La produccin de crudo est usualmenteasociada con la produccin de agua, dichaagua recibe el nombre de Agua deformacin, y tiene altas concentraciones desales minerales y metales pesados. Lapresencia de hidrocarburos en el agua hacedifcil la inyeccin de sta en los pozos, comoagua de inyeccin, para operaciones derecuperacin. El agua producida debe sertratada antes de ser dispuesta o inyectada en

el reservorio. El propsito del tratamiento esremover el suficiente hidrocarburo del aguahasta que la cantidad remanente seaapropiada para la disposicin o inyeccin dela misma.

1.2.1. REINYECCIN DE AGUAS DEFORMACIN.

Para la reinyeccin de agua de formacin serequieren de bombas para elevar la presindel agua a ser inyectada por medio del pozoinyector.

1.2.2. POZO INYECTOR

Generalmente son pozos productoresagotados o tambin se puede realizar laperforacin para un nuevo pozo inyector. Estepozo inyector es el encargado de llevar elagua de formacin hacia el yacimiento.

2. SISTEMA DE REINYECCIN DE AGUADE LA ESTACIN PETROLERA.

La estacin petrolera, donde se va a proceder

a reactivar el sistema, est compuesta comose muestra en la Figura 2.1:

Figura 2.1 Sistema de Reinyeccin de Agua.

2.1. INSTRUMENTOS DEL SISTEMA DEREINYECCIN DE AGUA.

Los instrumentos del sistema de reinyeccinde agua estn divididos en las siguientesreas:

2.1.1. REA DEL SEPARADOR.

- Vlvula SDV-C603, permite el ingreso delfluido que llega desde el Manifold hacia elseparador.

YACIMIENTO

POZO

MANIFOLD

AGUA GAS

SEPARADOR

HACIA LAESTACINCENTRAL

PETRLEO

BOMBAS DEINYECCIN

POZO DEINYECCIN


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Figura 2.2 Vlvula SDV-C603.

- Vlvula PDV-V601B, permite el Bypass elcrudo que no ingresa al separador y esdirigido hacia la estacin central.

Figura 2.3 Vlvula PDV-V601B.

- Transmisor indicador de presin diferencialPDIT-V601B, est ubicado en la lnea debypass este transmisor sirve para controla ala vlvula PDV-V601B.

Figura2.4 PDIT-V601B.

- Transmisor indicador de presin PIT-V601,indica la presin del separador.

Figura 2.5 PIT-V601.

- Transmisor indicador de temperatura TIT-V601, indica la temperatura del separador.

Figura 2.6 TIT-V601.

- Transmisor indicador de presin PIT-V601A,indica la presin del separador y ayudar acontrolar la vlvula PV-V601A.

Figura 2.8 PIT-V601A.

- Transmisor indicador de nivel LIT-V601B,indica el nivel de agua en el separador,controla a la vlvula LV-V601B.

Figura 2.9 LIT-V601B.

- Vlvula PV-V601A, controla la salida de gasdel separador con la ayuda del transmisorindicador de presin PIT-V601A.

Figura 2.10 PV-V601A.

- Vlvula LV-V601B, controla el nivel de aguaexcedente con la ayuda del transmisorindicador de nivel LIT-V601B.


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Figura 2.11 LV-V601B.

- Vlvula SDV-C604, permite el flujo de aguadesde el separador hasta las bombas deinyeccin.

Figura 2.12 SDV-C604.

2.1.2. INSTRUMENTACIN EN EL READE BOMBAS DE INYECCIN.

El sistema de reinyeccin de agua consta dedos bombas booster P-612A/B y dos bombasde inyeccin P-601C/D, cada una de estasbombas tienen sus respectivas proteccionesexistentes como lo son:

Para las Bombas P-612A y P-612B:

- Baja presin durante la succin PSL-P612A/B.

- Alta presin durante la descarga PSH-P612A/B.

- Alta presin diferencial a la entrada PDSH-P612A/B.

- Alta temperatura de la bomba TSH-P612A/B.

- Alta vibracin de la bomba VSH- P612A/B.

Para las Bombas P-601C y P-601D:

- Baja presin durante la succin PSL-P601C/D.

- Alta presin durante la descarga PSH-P601C/D.

- Alta vibracin de la bomba VSH- P601C/D.- Monitoreo de corriente CT-VSDP601C/D.- Estado de cooler Exchange HE- P601C/D.

2.2. TABLERO DE CONTROL DEL PLC.

En este tablero se encontrar el PLC, tarjetasde entrada/salida tanto analgicas comodigitales, borneras de conexiones, fuentes de

energa, Panel View, lmpara, tomacorriente,etc. El PLC y sus tarjetas son de marcaALLEN BRADLEY serie 1756 ControlLogixdebido a que las especificaciones tcnicasrequeridas por el cliente as lo requeran.

2.2.1. MDULOS I/O, PLC Y ACCESORIOS.

En base a todos los instrumentos, se puedeidentificar cuantos mdulos de entrada, saliday de qu tipo se necesitarn para el tablero ylas dimensiones que tendra el mismo. Los

diferentes mdulos de entrada y salida serie1756 ControlLogix se escogern dejando unareserva para una ampliacin de este sistemade reinyeccin de agua. La ampliacin se larealizar para aadir ms equipos para eltratamiento del agua.

Figura 2.11 Tablero de control vista externa.

Figura 2.12 Tablero de control vista interna.

2.3. CABLES PARA LAS CONEXIONESDE LOS INSTRUMENTOS.


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El cable a ser utilizado para las conexionesde todos los instrumentos es de marcaOKONITE, tipo ITC Armored (instrumentationcable), calibre 16 AWG o menores paracables multipares y calibre 14 AWG o

menores para cables multiconductores.

Este tipo de cable no necesita de ningunaproteccin adicional, la envoltura propia delcable proporciona la proteccin fsica contrael dao mecnico. Cumple con la clasificacinde reas.

Figura 2.13 Cable Armado.

Para las conexiones del cable armado a losinstrumentos y al tablero de control seutilizarn conectores tipo TMCX, por ser losrecomendados para la utilizacin con el cablearmado, tambin cumplen con la clasificacinde reas.

Figura 2.14 Conector TMCX para cable armado.

3. DESARROLLO DEL SOFTWARE DELSISTEMA DE CONTROL.

El PLC de marca ALLEN BRADLEY seprograma con el software RSLogix5000 y lasdiferentes pantallas para supervisin se

desarrollan en Factory Talk View Studio.

3.1. RSLOGIX 5000.

RSLogix 5000 es un entorno deprogramacin grfico, el cual permite generaraplicaciones para PLCs de familia decontroladores programables deautomatizacin Logix. El PLC 1756-L61

funciona de manera cclica, leyendo entradas,realizando la lgica del programa de control, yescribiendo salidas.

3.2. DESCRIPCIN DEL PROGRAMA DE

CONTROL IMPLEMENTADO EN EL PLC.3.2.1. FILOSOFA DE OPERACIN YCONTROL.

La filosofa de control se basa en mantenerun caudal de agua de formacin saliendo delseparador hacia las bombas de inyeccin deagua. Para ello el programa de controlimplementado se basa en lo siguiente:

El fluido de produccin proveniente delmanifold entra al separador de produccin a

215 Psi y 200 F monitoreados por eltransmisor indicador de presin PIT-V601 ypor el transmisor indicador de temperaturaTIT-V601 respectivamente. En l se separaagua, crudo y gas. Sin embargo, el gas, elcrudo, y parte del agua separada se envanhacia la tubera que va a la Estacin Central.

Parte del agua proveniente del separador, seenva a la succin de las Bombas Booster P-612 A/B, por medio de las cuales se eleva lapresin desde 210 - 260 psig hasta 900 -1000 psig y desde ste nivel de presin hastauna presin de 2400 - 2600 psig por medio delas Bombas de Inyeccin P- 601 A/B, para sudisposicin final en los pozos de inyeccin deagua.

3.2.2. MATRIZ CAUSA-EFECTO.

La Matriz Causa-Efecto describe la relacinentre las seales de los diferentesinstrumentos y su efecto en la operacin delsistema. En la matriz causa-efecto se colocanen una columna todas las seales de entrada

y en una fila todas las seales de salida,mediante sta matriz se podr identificarcomo una seal de entrada, se relaciona conuna o varias seales de salida.

3.3. FACTORY TALK VIEW STUDIO MACHINE EDITION.


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FactoryTalk View ME, es una plataforma dedesarrollo para hacer HMI diseado con unainterface homognea e intuitiva para acelerarel proceso de desarrollo y capacitacin deaplicaciones HMI. Permite la integracin con

controladores basados en Logix.

3.4. HMI DESARROLLADO EN FACTORYTALK VIEW ME.3.4.1. PANTALLA MAIN.

La pantalla MAIN se ve cuando se inicia laaplicacin, muestra el ttulo de la tesis,desarrollador y los directores de la misma.

Figura 3.1 Pantalla Principal MAIN.

3.4.2. PANTALLA V601.

Esta pantalla presenta el separador V-601para el sistema de inyeccin de agua, con suscontroles, protecciones, seales de monitoreoy los respectivos enlaces hacia otraspantallas.

Figura 3.2 Pantalla Separador V601.

3.4.3. PANTALLA INJECTION PUMPS

Esta pantalla presenta el estado de lasbombas booster como las bombas deinyeccin cada una con sus respectivas

protecciones.

Figura 3.3 Pantalla Bombas de Inyeccin.

3.4.4. PANTALLA UTILITIES.

Esta pantalla presenta el sistema deUtilidades como son el sistemacontraincendios y el sumidero ubicados en laestacin. Se tiene seales de alarma y controlen el tanque de agua para el sistemacontraincendios, se monitorea el estado delas bombas P-602 y P-sumidero.

Figura 3.4 Pantalla Utilities.

3.4.5. PANTALLA DIAGNOSTIC

Esta pantalla presenta la arquitectura decontrol del sistema de inyeccin de agua y ala vez el diagnostico de la fuente de energa


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del PLC y de la fuente de energa de losinstrumentos.

Figura 3.5 Pantalla Diagnostic ArquitecturaSistema de Inyeccin.

3.4.6. PANTALLA ALARMS.

Las Pantalla de Histricos de alarmaspresenta un resumen en el tiempo de cmose fueron presentando las alarmas tantodigitales como analgicas.

Figura 3.61. Pantalla Alarm History.

4. PRUEBAS Y RESULTADOS.4.1. PRUEBA DE ACEPTACION EN SITIO(SAT).

La prueba SAT para un Sistema de Controldetermina las condiciones de ensamble yfuncionamiento de los equipos que sedestinarn a controlar la operacin de unproceso de reinyeccin de agua. Durante laspruebas se evalan entre otras las siguientescondiciones:

- Calidad de los equipos y suministros demontaje, donde se revisa que lasespecificaciones tcnicas del sistemacumplan con los estndares y normas querigen en cuanto a seguridad industrial,

clasificacin de reas y prcticas deconfiabilidad aceptadas en la industria.- Verificacin de las I/O del sistema, una vez

energizado el panel se proceder a probarlas entradas y salidas del sistema. Para ellose utilizar una aplicacin de prueba con laconfiguracin de los mdulos I/O presentesen el sistema de reinyeccin.

4.2. PRUEBAS DE CONECTIVIDAD ENLA RED

Para la red ControlNet redundante, sedesconectar un canal, este canal secolocar con luz roja indicando que se hadesconectado, se comprueba la redundanciaal observar que el otro canal permanece conluz verde permanente. Se proceder con elotro canal de igual forma.

Figura 4.1. RSNetWorx verificacin comunicacinControlNet.

Para la prueba de Ethernet, se deber cargaruna direccin IP al mdulo Ethernet 1756-ENBT, la prueba se la realizar mediante el

software RSLinx, se comprobar sufuncionamiento al observar todos los mdulosdel chasis. Otra forma de probar esrealizando un ping desde la PC directamentea la direccin IP del mdulo.


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Figura 4.2. RSLinx verificacin comunicacinEthernet.

4.3. PRUEBAS DE LAS HMI

Una vez establecido las pruebas decomunicacin se proceder a realizar las

pruebas del HMI implementado en el PanelView. Se comprobar el correctofuncionamiento de los niveles de acceso.

Figura 4.3. Pantalla para el ingreso de usuarios.

En el separador, se procedi a cerrar lavlvula SDV-CV604 y a abrir la vlvula SDV-

CV603 dejando ingresar el crudo provenientedel manifold hasta obtener un nivel de 57agua.

Figura 4.4. Apertura vlvula SDV-CV603.

Figura 4.5. Cierre vlvula SDV-CV604.

Figura 4.6. HMI Separador V-601.

El agua del separador va directamente hacialas bombas booster, con una presinaproximada de 60 PSI, la cual es suficientepara la presin de operacin durante lasuccin de las bombas booster. Para elsistema de bombas de Inyeccin se cuentacon 2 bombas booster P-612 A/B y 2 bombasde inyeccin P-601 C/D cada una con susrespectivas protecciones, como se puedeobservar en la Figura 4.7.

Figura 4.7 Pantalla Bombas Inyeccin.

5. CONCLUSIONES

El proyecto analizado y desarrollado en el

presente trabajo cumple con los objetivosplanteados inicialmente que son, el diseo eimplementacin del sistema de control para lareinyeccin de agua.

Los resultados obtenidos luego de realizarpruebas al sistema de Reinyeccin de Aguafueron positivos. Todas las funciones


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implementadas trabajan del modo que seesperaba.

El conjunto HMI y pantallas desarrolladas enFactoryTalk View ME, permite que cualquier

usuario fcilmente se desplace entre ellas yaque es un interfaz sencillo de comprender yutilizar.

El nivel de acceso que se define para undeterminado usuario, es un mtodo efectivopara garantizar que personas no autorizadasmanipulen ciertas partes del proceso.

Para armar el sistema de control para lareinyeccin de agua se deben tener variasconsideraciones, aplicacin de normas que

ayudan a elegir equipos diseados paratrabajar en ambientes de trabajo hostiles.

Los PLC poseen una amplia gama demdulos que permiten simplificar lasoperaciones de adquisicin de datos ycomunicaciones dentro de varios tipos deredes industriales.

Las aguas de formacin que se extraen juntoal petrleo crudo merecen consideracionesespeciales pues ellas pueden ser un agentepotencialmente ms contaminante que elpropio petrleo.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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PACHECO Ral; ROMERO Paulo.Implementacin del sistema de control parala reinyeccin de agua de formacin en laEstacin Bermejo. Escuela PolitcnicaNacional. Ecuador. Quito. 2007.

Juan Carlos Freire Nez

Naci en Quito, en 1980.Sus estudios secundarioslos realizo en el InstitutoSuperior TecnolgicoDocente Guayaquil de laciudad de Ambato. En el

2010 Obtiene el ttulo de Ingeniero enElectrnica y Control en la EscuelaPolitcnica Nacional.

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