REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA

EVALUACIÓN INTEGRAL DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN POR ULTRASONIDO UTILIZADOS EN LA MEDICIÓN DE TRANSFERENCIA Y ENTREGA DEL

FLUJO DEL CRUDO

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA

PRESENTADO POR: BR. ORLEANS G. SIERRAALTA Q.

ASESORADO POR:

LIC. HERMELINDA CAMACHO ING. CARLOS FIORENZA

ING. RIGOBERTO ORTIGOZA

MARACAIBO, julio de 2000

ii

EVALUACIÓN INTEGRAL DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN POR ULTRASONIDO UTILIZADOS EN LA MEDICIÓN DE TRANSFERENCIA Y ENTREGA DEL

FLUJO DEL CRUDO

iv

DEDICATORIA

A Dios todo poderoso, por darme la fortaleza necesaria para

seguir adelante ante cualquier dificultad. Por estar presente en todos

v

los momentos de mi vida y guiar mis pasos por un camino seguro,

lleno de enseñanzas.

A mis padres Marisol y Orlando por todo el apoyo que me han

brindado durante toda mi vida.

A mis tíos Quiñones Henrry y Quiñones Oscar por sus

oportunos consejos y haber sido ejemplos de trabajo y constancia.

A la Licenciada Hurtado Marielen por todo el apoyo brindado

durante el desarrollo de este proyecto.

Sinceramente

Orleans G. Sierrraalta Q.

AGRADECIMIENTO

Ante todo quisiera manifestar mi agradecimiento a la empresa

Petróleos de Venezuela, por haberme brindado la oportunidad de

desarrollar el presente proyecto de investigación, en el departamento

de Infraestructura y Automatización donde el personal que labora en

vi

ella, altamente capacitado, me permitió desarrollarme con un óptimo

perfil humano como profesional.

A todas las personas de ambos departamentos por su invaluable

y desinteresada colaboración durante todo el desarrollo de esta

actividad.

Además quiero expresar un especial agradecimiento al

Ing.Vladimir Chacín por su dedicación, esfuerzo y paciencia al

guiarme en las actividades que me permitieron cumplir con los

objetivos prescritos en el comienzo de la tesis y en la preparación

como futuro profesional.

A los Ings. Mónica Riquezis, Ana Carola Romero y Julio Medina

quienes también formaron parte importante en el desarrollo del

mismo.

También quiero agradecer al Ing. Oscar Quiñones quien siempre

ha representado para mí un gran ejemplo como persona y

profesional.

A la Lic. Marielen Hurtado quien siempre estuvo presente en los

momentos que más ayuda necesité.

A mi Madre la Lic. Marisol Quiñones que siempre supo darme ánimo

y a quien debo todo.

A Dios por estar presente en todo los momentos de mi vida.

vii

Sierraalta Quiñones, Orleans Gerardo, Evaluación integral de los equipos de medición por ultrasonido utilizados en la medición de transferencia y entrega del flujo del crudo. Universidad Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Ingeniería Electrónica. Maracaibo. 2000.

RESUMEN

Lo que motivó a la realización de ésta investigación fue que los

equipos de medición de flujo por ultrasonido arrojaban valores de medición fuera de los rangos de error establecidos por el fabricante, por lo tanto PDVSA se vio en la necesidad de iniciar una evaluación en los Patios de Tanque Ulé, Tía Juana para conocer el problema. Estos

viii

equipos versátiles trabajan con frecuencia de ultrasonido y operan por el método de tiempo en tránsito, donde el transductor es emisor y receptor simultáneamente. El tiene la capacidad de comunicarse con el PLC, debido a que posee una salida analógica. Conocidas las características esenciales del equipo y su estructuración, se realizó la evaluación a través de revisiones físicas de las conexiones del equipo como también una revisión eléctrica y electrónica del mismo, para luego finalizar con una validación de su comportamiento mediante pruebas de Contra Tanque. Durante la evaluación se encontró que los equipos no funcionaban correctamente debido a: problemas con el cableado y sensores (apareamiento), algunos inconvenientes con la ubicación, problemas de calibración y configuración interna del equipo. Una vez evaluada la situación se procedió a la reparación y finalmente se corrigieron los errores y se determinó que el margen de error actualmente se encuentra dentro de los parámetro establecidos tanto por PDVSA como por el fabricante del producto (Panametrics), todo esto en cuanto al proceso de medición del flujo de crudo en patios de tanque y estaciones de flujo, donde además se tomaron las medidas necesarias para que el equipo continuara cumpliendo con las normativas y exigencias requeridas. Sierraalta Quiñones, Orleans Gerardo, Evaluación integral de los equipos de medición por ultrasonido utilizados en la medición de transferencia y entrega del flujo del crudo. Universidad Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Ingeniería Electrónica. Maracaibo. 2000.

ABSTRACT

The real meaning of this investigation was that the ultrasonic flowmeters equipment showed mensuration values outside of the established error ranges for the maker, therefore PDVSA was seen in the necessity of beginning an evaluation in Tanque Ulé's Patios, Tía Juana to know the problem. These versatile equipment work with

ix

ultrasonic frequency and they operate for Transit Time method, where the transducer is used as transmitter and receiver simultaneously. It is also able to calculate pipe thickness and calculating energy, being based on a temperature compensation principle. The equipment also has the capacity to communicate with the PLC, because its analogical exit. Once we know the equipment essential characteristics and their structuring, was carried out the evaluation through physical revisions of the connections as well as an electric and electronic revision of the equipment to conclude with a validation of its behavior by means of Contra Tanque proofs. During the evaluation it was found that the equipment didn't work correctly due to: problems with the one wired and sensors (pairing), location inconveniences, calibration problems and internal configuration of equipment. Once evaluated the situation you proceeded to the repair and finally the errors were corrected and it was determined that the error margin at the moment is inside the established parameter as much for PDVSA as for the maker of the product (Panametrics), all this for the process of mensuration of the flow raw in patios de tanque and flow stations, where they also took the necessary measures so the equipment continued fulfilling the normative ones and demands required.

INDICE GENERAL

Contenido Pág

VEREDICTO ........................................................................... iii

DEDICATORIA ....................................................................... iv

AGRADECIMIENTO ............................................................... v

RESUMEN ............................................................................... vii

ABSTRACT ............................................................................. viii

x

INDICE DE ILUSTRACIONES ................................................ xvi

INDICE DE TABLAS ............................................................... xviii

INDICE DE ANEXOS .............................................................. xx

INTRODUCCIÓN ..................................................................... 1

CAPÍTULO I. EL PROBLEMA ................................................ 5

A- Planteamiento del Problema ............................................... 6

B- Objetivos de la Investigación .............................................. 8

• Objetivo General

.......................................................... 8

• Objetivos Específicos

................................................... 9

C- Justificación de la Investigación .......................................... 10

D- Delimitación de la Investigación .......................................... 11

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO ........................................... 13

A- Fundamentación Teórica .................................................... 13

1.- Evaluación de equipos de medición por ultrasonido ........... 14

1.1- Incertidumbre en la Medición ................................. 14

a) Tabulación de Datos, Teóricos y Prácticos ................ 15

b) Representación Gráfica ............................................. 16

c) Establecer Rangos de Exactitud y Precisión ............. 16

• Errores Sistemáticos ............................................

xi

16

• Errores Aleatorios .................................................

17

2.- Transferencia y Entrega del Flujo de Crudo ....................... 18

2.1- Estaciones de flujo de Crudo .................................. 18

2.1.1- Procesos básicos de una estación de flujo. 19

2.1.1.1- Múltiples de Recepción ................. 20

2.1.1.2- Separadores de Prueba ................ 20

2.1.1.3- Separadores de Producción .......... 21

2.1.1.4- Depurador ..................................... 22

2.1.1.5- Tanque de Almacenamiento ......... 23

2.1.1.6- Bombas de Transferencia de

Crudo .............................................. 24

2.1.1.7- Sistema de Inyección de química 25

2.1.1.8- Sumidero y Bomba de Lavado ..... 25

2.1.1.9- Sistemas Auxiliares ..................... 26

2.2- Desarrollo del Proceso ............................................... 27

2.3- Patios de Tanque ....................................................... 29

2.3.1- Procesos básicos de un patio de tanques .. 30

2.3.1.1- Medición de nivel de crudo ............. 31

a) Medición manual (paso a paso) ............. 31

xii

b) Medición mecánica ................................. 34

c) Medición electrónica ............................... 34

2.3.1.2- Recepción de Crudo en un Patio

de Tanques ..................................... 35

2.3.1.3- Despacho del crudo (estaciones

de bombeo) ..................................... 35

2.3.1.4- Mezcla de Crudo ............................ 37

2.4- Desarrollo del Proceso .............................................. 38

3.- Sistemas de Control ............................................................... 39

3.1- Sistemas de control de lazo abierto .......................... 40

3.2- Sistemas de control de lazo cerrado ......................... 40

3.3- Controlador Lógico Programable (PLC) .................... 41

4.- Sistemas de Supervisión .................................................... 42

4.1.- Definición ............................................................... 42

4.1.1- Alarmas en el Sistema de Supervisión ........ 44

4.2.- Sistema SCADA ........................................................ 45

4.3.- Componentes de un Sistema SCADA ..................... 46

4.3.1- Estación Maestra (MTU) .............................. 46

4.3.2- Módulo de Comunicación hombre-máquina 47

4.3.3- Red de Área Local ....................................... 47

5.- Medidas de Caudal ............................................................... 48

xiii

5.1- Medidores Volumétricos ........................................... 48

5.1.1- Elementos de Presión Diferencial ............... 49

a) Placa orificio o diafragma ................................. 49

b) La Tobera ......................................................... 52

c) Tubo Venturi ..................................................... 52

d) Tubo Pitot ......................................................... 53

e) Tubo Annubar .................................................. 54

f) Transmisor de Fuelle y de Diafragma .............. 54

g) Integradores ...................................................... 56

5.1.2- Área variable (rotámetros) ...................................... 56

5.1.3- Velocidad ................................................................ 57

a) Vertederos y Venturi .................................................... 57

b) Turbinas ...................................................................... 58

c) Ultrasónicos ................................................................. 59

5.1.4- Fuerza (medidor de placa) ...................................... 65

5.1.5- Tensión Inducida (medidor magnético) .................. 65

5.1.6- Desplazamiento positivo ......................................... 66

5.1.7- Torbellino ................................................................. 66

B- Revisión de la Literatura ......................................................... 67

C- Definición de Términos Básicos ............................................. 70

D- Sistema de Variables ............................................................ 73

xiv

1.- Evaluación Integral ................................................................ 73

2.- Equipos de medición por ultrasonido ..................................... 74

3.- Transferencia y entrega del flujo de crudo ............................ 76

CAPÍTULO III. LA INVESTIGACIÓN ......................................... 77

A- Tipo de Investigación ............................................................... 78

B- Técnicas e instrumentos de recolección de datos ............... 79

C- Fases para evaluar el equipo de medición de crudo por

ultrasonido ........................................................................... 80

D-Materiales y equipos utilizados durante el proceso de

evaluación ............................................................................ 81

CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ....... 84

Resultados de la investigación .................................................... 85

A- Observación y recopilación de información ........................ 85

1.- Medidores de caudal por ultrasonido .................................. 85

• El efecto doppler

................................................................ 86

• Principio de Tiempo en Tránsito

........................................ 87

2.- Equipo de medición de flujo de crudo marca Panametrics

modelo XMT 868 ................................................................. 89

2.1- Modelo Matemático ................................................ 90

xv

2.2.- Especificaciones técnicas del equipo de medición

de flujo de crudo marca Panametrics modelo Xmt

868 ......................................................................... 94

þ Especificaciones Globales ........................................

94

þ Tamaño de la tubería & los materiales ...................... 95

þ Especificaciones Eléctricas ....................................... 95

þ Especificaciones del transductor ...............................

98

B- Diagnóstico del proceso de distribución y fiscalización del

crudo de PDVSA, División de Occidente ............................ 98

1.- Totalización de la producción de crudo por parte de las

estaciones de flujo ............................................................ 99

2.- Totalización de la producción en la recepción de crudo

por parte del patio de tanques Ulé ..................................... 100

3.- Desventajas del proceso de totalización en estaciones de

flujo .................................................................................... 102

4.- Desventajas del proceso de totalización en patio de

tanques Ulé ........................................................................ 102

C.-Evaluación de los equipos de medición de flujo de crudo por

ultrasonido en las instalaciones del patio de tanques de Ulé y

xvi

las estaciones de flujo de PDVSA ............................................... 103

1.- Evaluación del equipo de medición de flujo de crudo por

ultrasonido ubicado en las instalaciones del patio de tanques

de Ulé ....................................................................................... 103

2.- Evaluación de los equipos de medición de flujo de crudo

por ultrasonido ubicado en las estaciones de flujo .................. 118

D- Discusión de resultados ..................................................... 124

CONCLUSIÓN ......................................................................... 127

RECOMENDACIONES ............................................................ 130

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................... 133

ANEXOS .................................................................................. 135

INDICE DE ILUSTRACIONES

Figuras Pág.

1. Vista panorámica de una estación de flujo .......................... 19

2. El múltiple de recepción ....................................................... 20

3. Representación de un Separador de prueba ....................... 21

4. Instalación de separadores y etapas de separación del

crudo .................................................................................... 22

5. Representación gráfica de un depurador de flujo ................ 23

xvii

6. Tanque de almacenamiento de flujo de crudo ..................... 24

7. Esquema externo de la bomba de inyección ....................... 24

8. Disposición de los tanques en un patio de almacenamiento 30

9. Arquitectura general del proceso de automatización ........... 43 10. Representación lateral de una placa orificio o diafragma .. 51 11. Placa orificio variable ......................................................... 51 12. Representación física de la Tobera .................................. 52 13. Tubo Venturi ....................................................................... 53 14. a) Diagrama del medidor de turbinas; b) turbina ............... 59 15. Técnicas de Medición de caudal por ultrasonido ............... 61 16. Refracción de las ondas del sonido ................................... 63 17. Diagrama de bloques de un transductor ultrasónico ......... 63 18. Efecto Doppler ................................................................... 87 19. Principio de Tiempo en Tránsito ........................................ 88 20. Cálculo del caudal .............................................................. 91 21. Ley de Snell ....................................................................... 93 22. Prueba de aforo contra el equipo "Panametric”.................. 111 23 Prueba de aforo contra el equipo "Panametric” .................. 115

xviii

INDICE DE TABLAS

Contenido Pág

Tabla #1: Representación de los indicadores y dimensiones

de la variable “Evaluación integral”........................................... 74

Tabla # 2: Representación de los indicadores y dimensiones

de la variable “Equipo de medición por ultrasonido”................ 75

Tabla # 3: Representación de los indicadores y dimensiones

de la variable “Entrada y salida del flujo de crudo”................... 75

xix

Tabla # 4: Fases de Evaluación del equipo de medición ........ 81

Tabla # 5: Configuración inicial del XMT868........................... 106

Tabla # 6: Parámetro de medición en la línea de 24” .............. 109

Tabla # 7: Comparación entre la data de las líneas de 16” y

24” ............................................................................................ 112

Tabla # 8: Registro de la tubería de 24” de Ulé ....................... 113

Tabla # 9: Registro de la tubería de 16” de Ulé ....................... 114

Tabla # 10:Tendencia barriles/horas ....................................... 115

Tabla # 11: Configuración final del XMT868.......................... 116

Tabla # 12: Prueba de tanque EF LL 67 .................................. 120

Tabla # 13: Segunda prueba de tanque EF LL 67 ................... 121

Tabla # 14: Prueba de tanque EF LL76 ................................... 121

Tabla # 15: Segunda prueba de tanque EF LL 76 .................... 122

Tabla # 16: Prueba de tanque EF LL 65 .................................. 122

Tabla # 17: Prueba de tanque EF LL 14 .................................. 123

xx

INDICE DE ANEXOS

Contenido Pág

1.- Medidor ultrasónico de Tiempo en Tránsito. Modelo XMT

868 ........................................................................................... 136

2.- Esquema eléctrico del medidor ultrasónico. Modelo XMT

868 ........................................................................................... 137

xxi

3.- Sección de corrección de errores para medidores de flujo

tipo ultrasónico marca “Panametrics” ...................................... 138

4.- Carrera de Medición (meter run) ........................................ 142

5.- Conexión Ortogonal de los Sensores ultrasónicos

ubicados en una Estación de flujo ........................................... 143

6.- Instalación del equipo ultrasónico “Panametrics” ubicado

en una Estación de Flujo.......................................................... 144

7.- Medidor ultrasónico de tiempo en tránsito portátil “PTDF

868”.................................................................................... 145