capitulo iv. anÁlisis de los resultados
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CAPITULO IV.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
1. RESULTADOS DEL ESTUDIO.
Estos vienen dados por la presentación del diseño del sistema que permite
brindar alimentación de energía contínua e incesante al sistema de carga de
cementación de la gabarra 1.005 perteneciente a la empresa Dowell Schlumberger
de Venezuela, S. A.
1.1. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL.
Dowell Schlumberger es una empresa transnacional suplidora de ingeniería
de fluidos y servicios de bombeo. Esta empresa ofrece un amplio rango de
servicios que abarcan todas las etapas de vida de los pozos petroleros, desde la
Cementación Primaria, Tapones, Estimulación, Fluidos de Perforación, Fractura,
Sand Control (Control de Arena), y hasta los servicios de Coiled Tubing (Tubería
Flexible), tanto en tierra como en el lago. Para cada servicio existen gabarras que
cumplen con la operación necesaria y hacen factibles los servicios.
Esta empresa agrupa sus servicios en torno al circulo de calidad: diseño,
ejecución y evaluación, facilitados por un programa de diseño y evaluación
asistidos por computadora CAD, que permite la simulación de una operación antes
de su ejecución, durante la evaluación, estima su eficacia y compara los resultados
reales del tratamiento, con los del diseño. Esta metodología se implementa a
través del servicio DESC, en el que ingenieros de Dowell son asignados a las
oficinas de los clientes para asegurar que cada operación sea optimizada, para
máximo beneficio de las compañías petroleras.
Dentro de los Servicios de Construcción están incluidos los servicios de
Fluidos de Perforación que es suministrado al cliente directamente sobre los
taladros de perforación del mismo, en los cuales un personal calificado de Dowell
se encarga del análisis de los fluidos que retornan y van a la perforación. Otro tipo
de Servicio de Construcción es el de Cementación, esta tecnología se lleva a cabo
una vez que el pozo ya ha sido perforado y debidamente canalizado mediante
tubería. La cementación permite que dicha tubería se adhiera firmemente a la
formación, este servicio es llevado a cabo mediante sistemas de bombeo de alta
presión que se disponen directamente sobre los taladros de perforación del cliente,
colocados en gabarras o camiones que pueden ser llevados de una locación a otra
según sea el caso. Entre las nuevas técnicas de cementación se encuentra el
servicio de WELLCLEAN para una remoción más eficaz del lodo y una mejor
adherencia del cemento; el mezclador de cemento VIP Mixer con control
computarizado de la densidad de la lechada; y la cabeza de cementación
EXPRESS que activa por control mas preciso de las operaciones. Las principales
gabarras destinadas a prestar todos los servicios de cementación se identifican
bajo las siglas B-1.005 que es donde se esta realizando la investigación, además de
esta, también están dispuestas para la cementación las gabarras B-1.006 y la B-
1.992.
Para llevar a cabo todas estas labores y procesos de cementación, la
gabarra B-1.005 cuenta con varios equipos electrónicos, eléctricos y mecánicos
desarrollados mediante tecnologías propias de la empresa, entre los cuales está el
sistema de carga o sistema de control y registro de cementación que consta de
bombas que son maquinas que sirven para hacer circular fluidos y líquidos
mediante algún medio mecánico como por ejemplo un motor diesel, nos referimos
a dos Bombas Triplex (de tres pistones) SPS-343 de alta presión (cada una trabaja
con una presión de fluido máxima de 12.000 psi.), reciprocantes en serie, con
desplazamiento positivo, capaces de generar hasta 1.600 HHP (Caballos de Fuerza
Hidráulicos), y su función principal es tener la capacidad de bombear los fluidos
(cemento) almacenados en los tanques hacia el pozo. Toda bomba posee un primer
motor que le provee la potencia mecánica en el eje de carga entre motor y bomba
por medio de un cardan, en este caso la potencia es proporcionada por
CATERPILLAR® quien también provee el panel de control de la bomba y una
consola remota para que dichas bombas sean controladas desde la sala de control
de la gabarra conectado por medio de un Policable (cable de control de 39 pines
con una longitud aprox. de 20 mts., la alimentación de control es de +12 VDC. y
el encendido del motor es realizado neumáticamente por medio de un arranque
neumático), con el propósito de hacer ésta labor portátil, estos equipos están
dispuestos en la gabarra de modo que pueden movilizarse hacia cualquier locación
lacustre para realizar los trabajos pertinentes. Otro tipo de operación en la que
pueden ser usadas dichas bombas es para la estimulación de pozos, bombeando
ácidos, etc.
FIG. N°°°° 4-1. BARGE B-1.005: TRIPLEX SPS-343 (STIMULATION PUMPER SKID).
Fuente: Muelle de Dowell Schlumberger, S.A. (H.V.Z.). Terminales de Maracaibo, Cd. Ojeda, Edo.
Zulia (1.998).
Otro equipo relevante y de importancia que esta incluido dentro del
sistema de carga o control y registro de cementación es el mezclador de cemento
de efecto de vórtice (Vortex) y volumen constante VIP Mixer™ Diesel Powered,
con sistema de control computarizado y preciso de la densidad de lechada
(predecible), de rápida respuesta, y con una precisión en la densidad del sistema de
mezcla de ± 0.1 PPG. El VIP Mixer™ tiene un modulo electrónico de control
ECM (Electronic Control Module) que contiene placas de circuitos electrónicos,
suministro de 220 VAC. para el arrancador eléctrico, sensores de presión, válvulas
neumáticas tipo solenoide y un bloque hidráulico (Hidraulyc Block) que controla
el movimiento de la cuchilla (Cement Gate), esta cuchilla permite el control de la
velocidad del suministro de cemento al mezclador. En el ECM están las tarjetas de
interface de las funciones de varios sensores (presión, fluido, etc.) de la unidad
VIP Mixer™, esta interface permite la alimentación de energía, controla los
sensores y el panel remoto, para así regular los cálculos y procesos de control
necesarios para operar dicha unidad. Los componentes mas importantes de el
ECM son: una tarjeta de interface, tarjeta del CPU, alimentación de poder de 12
VDC. a 5 VDC, 220 VAC. a 12 VDC., 12 VDC. a 24 VDC., un transmisor NRD
(RFT-9712), sensores de presión de la marca Endress & Hauser, borneras de
conexión (Terminal Blocks) y diversos fusibles. En general el mezclador de
cemento Diesel Powered VIP Mixer™ Unit tiene un sistema de control de
respuesta rápida y precisa de la densidad de lechada que trabaja con baja presión y
alimenta de cemento premezclado a las bombas de alta presión Triplex SPS-343
mencionadas anteriormente.
FIG. N°°°° 4-2. VISTA FRONTAL DEL V.I.P. MIXER™ (CBS-062).
Fuente: VIP MIXER Electronics Training Course. D.S. (1.997, p. 2.5).
FIG. N°°°° 4-3. V.I.P. ELECTRONICS: E.C.M. DESCRIPTION.
Fuente: VIP MIXER Electronics Training Course. D.S. (1.997, p. 5.2).
En la gabarra existe también otro sistema de gran importancia que trabaja
conjuntamente con los sistemas, equipos y procesos del sistema de control y
registro de cementación que tiene que ver con el apoyo logístico al operador o
personal de cementación para el registro del comportamiento del pozo durante el
proceso de cementación. El sistema al cual nos referimos es un paquete integrado
que incluye software y hardware para la supervisión y control del equipo de
cementación; el “PRISM”, sistema computarizado de adquisición de datos
centrado a la cementación que trabaja con parámetros de campo (presión, tasa,
volumen, etc.) el cual recaba toda la información de los sensores instalados en la
gabarra B-1.005 y principalmente en los sistemas de bombeo, este paquete
después de recabar y procesar dicha información de los sensores, es capaz de
generar reportes tanto tabulados como gráficos para el apoyo logístico a personal
calificado de Dowell.
El elemento primigenio de esta Red es el conjunto de sensores distribuidos
en las instalaciones de la gabarra de cementación (B-1.005) de Dowell
Schlumberger, que contempla puertos analógicos y puertos digitales (cada puerto
está asociado a un sensor). Habitualmente las lecturas aprobadas por los sensores a
través de sus respectivos transductores es multiplexada en el tiempo en forma de
barrido secuencial mediante dispositivos de uso delicado que incluyendo una etapa
de conversión Analógica/Digital (A/D), transforman este conjunto de lecturas, en
un tren de datos que se transfieren en forma serial asincrona mediante un puerto
RS-232 Line (Protocolo de Comunicación EIA Standards # 232, interfaces entre
Señales Eléctricas y Terminales de Procesamiento de Data de el CCITT), estos
dispositivos son denominados R.D.A. Box (Remote Data Acquisition System)
desarrollados para la adquisición de mediciones como corriente y frecuencia de los
sensores, y también, para transmitir digitalmente dichas mediciones adquiridas a
una Computadora de Control. Estas R.D.A. se hallan ubicadas en la periferia de la
Sala de Control, entregando su salida de datos al P.A.C. (Portable Acquisition
Computer), este es un sistema que ejecuta las funciones básicas de control,
adquisición de datos y monitoreo del pozo en sitio. El P.I.M. (Pump Integrity
Monitor), permite multiplexar las entradas de varios R.D.A. hacia una sola salida
que entrega al P.A.C., además aporta una interfaz a una Computadora Portatil
(LAPTOP) que mediante un Software de Monitoreo en tiempo real, permite el
diagnóstico y la supervisión del conjunto de bombas de la instalación y del
Sistema de Adquisición de Datos “PRISM”.
FIG. N°°°° 4-4. P.A.C. AND S.R.D. COMPONENTS.
Fuente: P.A.C. Parts and Maintenance Manual. D.S. (1.994, p.1-2).
El P.A.C., es el dispositivo de campo que aglomera toda la información
aportada por los sensores configurando el protocolo de comunicación hacia la Red
de Datos (X25 y TPC/IP), constituyendo junto con el “PRISM”, por medio del
“Gateway o Bridge” que comunica las dos redes, esto implica que tanto la
topología de la Red de Campo como la Red de Datos es un árbol cuyo nodo de
máxima jerarquía, la constituyen el P.A.C. y el “PRISM”. El P.A.C.
adicionalmente puede recibir datos del V.I.P. Mixer.
La función de la Red de Datos, es la de administrar, desplegar y almacenar
los datos aportados por la Red de Campo, su nodo principal lo constituye el
“PRISM”, computador que funge como Buffer de información a un formato
compatible con la Red Digital de Control. Esta Red Digital, constituida bajo la
norma IEEE (Institute of Engineering Electric Electronic) 802.3, que especifica la
utilización de un H.U.B. (Conmutador Selectivo) conectado vía par trensado
blindado y conectores RJ 45, y transfiriendo datos de la tecnología Ethernet 10
Base T. Los terminales inteligentes conectados al H.U.B., incluyen terminales de
visualización, computadores portátiles, estaciones de trabajo y estaciones de
impresión. El sistema Scada es flexible en cuanto a la conección de accesorios que
amplíen sus capacidades, como añadir R.D.A.´s aumentando la disponibilidad de
puertos de entrada, del mismo modo, al P.A.C. puede conectársele una unidad de
S.R.D. (Standard Remote Display), para visualizar y configurar sus operaciones.
Pueden añadirse computadores o servidores de archivo para almacenar
redundantemente los datos históricos, para ser transferidos remotamente a tierra
mediante la adición de un Radio Módem y su respectiva antena de comunicación.
La gabarra de cementación también contará con válvulas bidireccionales
WECO® BUTTERFLY (tipo mariposa) de FMC CORPORATION / Fluid
Control Division, modelos 12, 12N, 22 y 22L, con diferentes tamaños (desde 2"
hasta 16" en los modelos 12, y desde 2" hasta 24" en los modelos 22), el material
del cuerpo de la válvula es de Hierro Dúctil y sus discos (veletas de paso) son de
Nitrilo, Nitrilo Carboxilado, Hypalon, TFE, Neopreno, EPDM y Fluorocarbón;
esto para tener resistencia a diversos tipos de fluidos y rangos de temperatura.
Estas válvulas permiten la dirección y el “paso” o no de los fluidos (agua, aceite,
gasoil, cemento, químicos, multiusos, etc.) de alta y baja presión de la gabarra
desde los tanques de almacenamiento hacia el terminal donde se necesiten o hacia
determinada localidad de la gabarra, como por ejemplo el paso de cemento para
recircularlo, el paso de cemento a las bombas de alta presión SPS-343, el paso de
cemento al VIP Mixer™ para su mezclado, el paso de diversos tipos de fluidos y
químicos, el paso de los fluidos para el control de el lastre, etc. Actualmente, para
el control de los fluidos, la gabarra cuenta con sistemas de control
electroneumáticos Festo, pero dado a la calidad y complejidad de estos, a la hora
de repotenciar totalmente la gabarra en el Dique Seco PREMECA, C.A. (empresa
ubicada en Cabimas), los equipos que permitirán en un futuro (a plazo corto) el
control electrónico, electroneumático y neumático para la apertura cierre de las
válvulas bidireccionales de control de fluidos, estará dado por los actuadores
neumáticos de válvulas EXCEL de HYTORK CONTROLS LIMITED / Valve
Automation Center, con los modelos 130-SR, 280-SR, 425-SR y 680-SR, estos
estarán acoplados al eje del disco de la válvula y la actuarán (moverán) con un
ángulo de 0° hasta 90° (puede lograrse un giro de disco de 360° eliminando el
freno en el eje del disco, este freno detiene el viaje bidireccional del disco de la
válvula regulando su apertura o cierre) y operan con una presión de aire mínima
de 30 psi. hasta máxima de 120 psi. (Pound Squeare Inches), a su vez estos
actuadores cuentan con los Position Indicator/Switchbox SAFEVISION
(Electrical and Visual) de HYTORK´s Valve Automation Center formando junto
con el actuador un modulo integral, este es un instrumento con un switch de fin de
carrera o switch limite (Limit Switch) indicador de posición del disco de la
válvula para el monitoreo eléctrico de la posición de la válvula (abierta o cerrada),
además estos actuadores cuentan con un indicador visual para la fácil
visualización de la válvula desde cualquier ángulo externo. La presión de aire que
permite que dichos actuadores abran o cierren las válvulas Mariposa FMC será
controlada por electroválvulas de la serie 3 y 4, de 3/2 y 5/2 vías monoestables
dispuestas en bloque de válvulas de CAMOZZI con solenoides bipolares Modelo
A72 (Inestables) de ±12 VDC. de tensión (el solenoide es un embobinado que por
medio de un campo electromagnético al fluir la corriente por el, se comporta como
un imán permanente), estos solenoides controlan electromagnéticamente una
micro válvula para permitir o no el paso de la presión de aire hacia el actuador
neumático HYTORK por medio de racores rápidos Sprint y tubería plástica
PVC reforzada (diámetro de electroválvula, racor, filtro lubricador, filtro
regulador y tubo Ø ½"), la lubricación del sistema la realizan los filtros
lubricadores de la serie C por medio de un dosificador y la regulación de la
presión del sistema se realiza por medio de los filtros reguladores de presión
también de la serie C equipados cada uno con un manómetro (medidas en
unidades de presión bar. y psi.). La energía neumática o presión de aire será
suministrada por dos compresores de aire COMAIR®, cada uno con un motor
eléctrico trifásico de 10 Hp. Todos estos sistemas, equipos y dispositivos se
regirán principalmente por el Sistema de Control electroneumático (eléctrico-
electrónico) diseñado por FAIRBURN ENGINEERING LIMITED (empresa
destinada al diseño y equipamiento de sistemas de control eléctrico), este sistema
de control también formará parte del sistema de carga o sistema de control y
registro de cementación de la gabarra. A continuación se dará una explicación de
el funcionamiento total del sistema de control electroneumático que permitirá el
monitoreo y circulación de fluidos en la gabarra: el sistema de bombeo de baja
presión se controlará remotamente a través de válvulas electroneumáticas
CAMOZZI que funcionan con solenoides que activan la microválvula (o la
desactivan) al recibir una señal de 0 Vdc. ó 12 Vdc., permitiendo o no el pase de
aire hacia el actuador de la válvula FMC que es la que permitirá el pase o no de
fluido. Estas electroválvulas neumáticas cambiarán el sentido de flujo de dos
mangueras de aire y controlarán el actuador neumático HYTORK que va cambiar
de posición una válvula mariposa FMC, dependiendo de que es lo que se va a
bombear, se tendrá que abrir o cerrar determinadas válvulas. El cierre y apertura
de éstas válvulas se logrará mediante un sistema de presión constante aplicada, por
medio de las válvulas CAMOZZI (entre 100 y 120 psi.) y esta presión será
aplicada a una de las dos salidas de la misma válvula, a su ves esa salida será
aplicada al actuador HYTORK en una de sus dos posiciones, dependiendo de la
posición del actuador como uno cuadre la salida de aire de la electroválvula en el
actuador, podrá ser abierta o cerrada la válvula FMC.
El funcionamiento del sistema eléctrico constará de una fuente de 12 Vdc.
que va a un interruptor o pulsador (al presionarlo se activa, y al presionarlo
nuevamente se desactiva), este pulsador será retenido y activará un relé; ese
contacto de relé enviará los 12 Vdc. al solenoide que a su ves se activará y enviará
una señal neumática al actuador que consta en su parte eléctrica exterior de unos
switches de fin de carrera (switch límite), cuando la válvula esté cerrada, estará
activado uno de los dos switches y cuando esté abierta se activará el otro y
viceversa. Adicional a esto, el sistema de control de las electroválvulas
CAMOZZI tendrá un generador de pulso que estará constantemente activado para
monitorear el buen o mal funcionamiento de la válvula puesto que al no haber
terminado el fin de carrera de la válvula mariposa se reflejará por medio del
generador de pulso en el tablero de monitoreo y control mediante el encendido
intermitente de una luz, y al haber concluido el fin de carrera de la válvula
mariposa, también se reflejará en el tablero de monitoreo y control mediante la
misma luz que pasará de encendido intermitente a un encendido contínuo.
En el diagrama eléctrico de la FIG. N° 4-5, se pueden observar los
componentes diversos que anteriormente se estuvieron explicando. El sistema de
control eléctrico- electrónico para el control electroneumático contará de un relé,
un generador de pulso (relé de estado sólido), cuatro diodos para direccionar la
corriente DC., un tercer diodo en paralelo con el solenoide de la electroválvula
para que al desactivarlo, la corriente DC. remanente de éste; sea descargada a
través de ese diodo y un push button para abrir o cerrar las válvulas.
FIG. N°°°° 4-5. ELECTRONIC DIAGRAM VALVE CONTROL.
Fuente: Schlumberger Dowell Barge B-1.007 Valve Control, Designed by Fairburn. (1.998).
FIG. N°°°° 4-6. CAMOZZI´S ELECTROPNEUMATIC VALVES. 3 AND 4 SERIES (SOLENOIDS).
Fuente: Catálogo Camozzi. (1.996, p. 2.8).
FIG. N°°°° 4-7. HYTORK´S “SAFEVISION” EXPLOSION PROOF, LIMIT SWITCHBOX////POSITION
INDICATOR &&&& CONECTOR.
Fuente: Catálogo Eleinca, C. A. (HYTORK). (1.998, sección 3).
FIG. N°°°° 4-8. HYTORK CONTROLS, INC.: “HYVISION” LIMIT SWITCH, PNEUMATIC
ACTUATOR XL DUCTILE IRON AND BUTTERFLY VALVE.
Fuente: Catálogo Eleinca, C. A. (HYTORK). (1.998, sección 6).
La gabarra posee un sistema hidráulico que controla el equilibrio y
movimiento de los fluidos de esta, por medio del cual, se proporciona la energía
hidráulica a los diferentes equipos que la necesitan, tales como: grúa, winches de
anclas, bombas hidráulicas. Dicha energía hidráulica es proporcionada a través de
dos skid´s, conformados cada uno por una bomba de desplazamiento positivo que
por medio de un cardan se incorporan cada una a un motor diesel de la marca
DETROIT DIESEL de GENERAL MOTORS, con una potencia mecánica de 250
HP (caballos de fuerza) cada uno. Estos skid´s también cuentan con un panel de
control y una consola remota con el propósito de gobernarlos. La Bomba de
Desplazamiento conjuntamente con las bombas centrífugas, tienen la función de
llevar el cemento al mezclador VIP Mixer para ser mezclado y alimentar o llevar
el fluido (cemento) a las bombas Triplex para ser inyectado al pozo. Una bomba
centrífuga es una maquina que sirve para hacer circular fluidos y líquidos, consta
primordialmente de un impulsor eléctrico (motor eléctrico) acoplado (por una
cadena) a un rodete portador de los álabes o paletas, llamado impulsor hidráulico
(impeller), y de una capa, envolvente o carcaza fija (Caracol). El impulsor
hidráulico imparte presión y energía cinética al fluido bombeado, la caja guía al
fluido hacia el impulsor y a partir de él. estas son las encargadas de enviar el
fluido almacenado en los tanques hacia el terminal donde se necesitan o en alguna
planta de tratamiento.
FIG. N°°°° 4-9. MOTORES ELÉCTRICOS ACOPLADOS POR CADENA A BOMBAS
CENTRÍFUGAS.
Fuente: Folleto Gorman-Rupp, Self-Priming, centrifugal Petroleum Pumps (1.995, Portada).
De una u otra manera todos estos equipos, procesos y sistemas de control
eléctricos y mecánicos, conforman el sistema de carga o sistema de control y
registro de cementación que corresponde a sistemas de control electrónicos de la
gabarra para que esta pueda cumplir con sus funciones, por este motivo la
alimentación de energía (D.C.) contínua e incesante a los equipos de control
electrónicos es de vital importancia, ya que el sistema de control y registro o
sistema de carga supervisa y controla los procesos del equipo de cementación de la
gabarra B-1.005.
Resulta evidente que los sistemas de carga y medición crítica deberán estar
respaldados por una fuente alterna de energía por medio de un banco de baterías, y
a su vez, un sistema que permita la entrada de alimentación de energía
instantáneamente desde el banco de baterías a los sistemas de carga y medición
crítica durante los procesos del equipo de cementación, para que así, estos no
sufran las consecuencias de una mala alimentación de energía eléctrica (como por
ejemplo, un desface entre las cargas críticas).
Todo lo anteriormente expuesto es debido al incremento de la
competitividad ocasionado por la apertura petrolera, aunado a la modernización de
las tecnologías usadas en dichos servicios se ha impulsado a que la gabarra 1.005
sea completamente reacondicionada con herramientas y equipos que garanticen
una alta eficiencia operativa de acuerdo con los nuevos Standards del mercado.
1.1.1. FUNCIONAMIENTO ACTUAL DEL SISTEMA
ELÉCTRICO DE LA GABARRA.
Actualmente el sistema eléctrico de la gabarra esta formado por dos
generadores sincrónicos de corriente alterna (A.C.), cada uno de 392 KW.,
proveen una potencia en tensión alterna de 480 VAC., a una frecuencia de 50/60
Hz., estos generadores funcionan en forma independiente, esto quiere decir que
uno se encuentra en barra y el otro en espera. El sistema de transferencia esta
formado por tres contactores, el primero controla la entrada al sistema del
generador 1, el segundo controla la entrada al sistema del generador 2 y el tercero
permite la entrada al sistema de alimentación en el muelle (SHORE POWER),
estos contactores están ubicados en la Central de Control de Motores (M.C.C.),
esta central es un gabinete que posee un sistema de barras trifásicos y sistemas de
control eléctricos para la alimentación de energía a todos los equipos, motores
(eléctricos), e iluminarias de la gabarra por medio de arrancadores de motor, push
buttons, interruptores termomagnéticos en caso de falla de equipos o para la
protección de sobrecorrientes, etc.
La gabarra tiene motores eléctricos de 40 Hp. y 75 Hp., debido al tamaño
de estos, el consumo de arranque en directo es un valor muy alto, y por ello, el
M.C.C. tiene también arrancadores suaves que son dispositivos de estado sólido
activados por tiristores (SCR´s) que van cortando la onda (seccionando los picos
de la onda) y aplicándola lentamente al motor hasta que éste alcance su velocidad
de régimen que es donde le esta aplicando todo el voltaje necesario de
alimentación para que de esta manera la corriente de consumo o la corriente pico
de arranque de los motores disminuya, y a su ves el arranque del motor sea suave.
Hay también motores de 25 HP arrancados en directo, estos no necesitan cambio
estrella-delta por que su corriente de consumo inicial, no es tan elevada.
Una de las razones principales que ocasionan fallas en los generadores
A.C. y provocan que las protecciones de éstos se disparen con frecuencia, es por el
exceso de carga que es exigido a los mismos, también se presentan fallas en los
generadores por motivos mecánicos como por ejemplo el desgaste en los
rodamientos. El estudio de cargas de la gabarra B-1.005, realizado mediante la
verificación de la capacidad de los motores eléctricos instalados en dicha gabarra
(bombas centrífugas, power pack´s, agitadores, extractores, compresores de aire,
aires centrales, cocina e iluminación entre otros), dio como resultado un consumo
en KW. mayor que la capacidad máxima de generación en KW de los generadores
de energía eléctrica anteriores.
Los generadores también proporcionan de energía a los transformadores,
para que éstos a su ves, brinden de energía a otros equipos que se alimentan con
una tensión distinta a la que puedan ofrecer los generadores. Dicho transformador
absorbe energía eléctrica de los generadores mencionados anteriormente, y a su
vez brindan alimentación de energía eléctrica, pero con diferente voltaje a las
fuentes de poder (Rectificadores) del sistema de carga o sistema de control y
registro de cementación de la gabarra.. Dichas fuentes de poder D.C. o fuentes de
alimentación son una de las partes más predispuestas a fallar en muchos
dispositivos analógicos y digitales. Un voltaje anormal puede ocasionar un
desempeño errático del circuito. A continuación, se puede observar mediante el
diagrama del sistema eléctrico en la FIG. N° 4-11, la conexión entre los equipos
del sistema eléctrico y electrónico actual de la gabarra B-1.005.
FIG. N°°°° 4-10. DIAGRAMA DEL SISTEMA ELÉCTRICO ACTUAL: GENERADORES-
TRANSFORMADOR-FUENTES DE PODER-CARGAS.
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
A continuación se darán características mas específicas de cada uno de los
equipos que conforman el sistema eléctrico y electrónico de la gabarra B-1.005.
1.1.1.1. Generadores de Energía Eléctrica.
Durante esta etapa se tomaron como referencia dos generadores marca
CATERPILLAR® de la serie SR4B, de 400 KV. en 480 VAC., con un factor de
potencia de 0,8, y con una conexión ESTRELLA en Serie. Estos generadores de
energía eléctrica alterna (A.C.) que alimentan a todos los equipos y sistemas
eléctricos y electrónicos de la gabarra, sin escobillas son adecuados para
aplicaciones de todo tipo de cargas, incluidas, pero sin limitarse a: cargas mixtas
de motores y luces, equipos impulsados por rectificadores controlados por silicio
(SCR), centros de computadoras, instalaciones de comunicaciones y aplicaciones
de perforaciones y servicios petrolíferos. La eliminación de las escobillas en el
circuito inductor reduce el mantenimiento, aumenta la fiabilidad y proporciona un
mayor grado de protección en ambientes potencialmente peligrosos.
Estos grupos electrógenos 3406C pueden utilizarse para generar energía
principal o auxiliar, en aplicaciones terrestres o marinas.
Los generadores SR4B se emplean en modalidad trifásica, excitación y
regulación de onda completa. Estos generadores son cada uno de seis polos con
configuraciones de doce conductores por el tamaño del bastidor. Son capaces de
producir energía eléctrica para aplicaciones de 50 ó 60 Hz.
FIG. N°°°° 4-11. GENERADORES CATERPILLAR DE LA SERIE SR4B.
Fuente: Manual de Operación y Mantenimiento CATERPILLAR para Generadores de la Serie SR4B. (1.998,
p. 6).
FIG. N°°°° 4-12. DIAGRAMA DE CONEXIONES DE VOLTAJE (TRIFÁSICA).
Fuente: Manual de Operación y Mantenimiento CATERPILLAR para Generadores de la Serie SR4B. (1.998,
p. 11).
1.1.1.2. Transformador de Energía Eléctrica.
Los transformadores son máquinas estáticas cuya función es transformar,
mediante un campo electromagnético alterno, la energía eléctrica de un sistema
(generadores de energía eléctrica), con determinada tensión, a otro (fuentes de
poder del sistema de carga) con tensión igual o distinta.
En esta etapa se tomó como referencia un transformador en seco que posee
una conexión eléctrica ESTRELLA-DELTA.
Las características del transformador son las siguientes:
Es de la marca Teca, modelo número G15W, de 150KVA. a 60 Hz.-
2,557IMP. en Phase.
Voltaje Primario: 240 V./480 V.
Voltaje Secundario:120 V./240 V.
Primary Line On: H1, H4.
Voltaje Conectado.
240 H1-H3, H2-H4.
480 H2-H3.
Secundary Line On: X1, X4.
Voltaje Conectado.
120 X1-X3, X2-X4.
240 X2-X3.
FIG. N°°°° 4-13. CONEXIÓN DEL TRANSFORMADOR.
Fuente: Manual Transformador. (1.995, p. 5).
1.1.1.3. Fuentes de Poder D.C. (Rectificadores).
Cada rectificador procede a convertir la tensión alterna de red (Vac.) que
viene suministrada por el transformador, en tensión contínua (Vcc.), insensible a
las variaciones contemporáneas de la red y de carga aplicada.
Estas fuentes rectificadoras de poder están dimensionadas para alimentar
tensión continua (Vcc.) a plena carga y suministrar simultáneamente a la batería la
máxima corriente de recarga. por medio de un cargador de baterías.
FIG. N°°°° 4-14. FUENTES RECTIFICADORAS.
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
Las fuentes de poder reguladas de la marca BK PRECISION®, modelo
PS104, cada una de 12 Vcc. (13.8 Vcc.) toman corriente alterna de 110 Vac. o 220
Vac., poseen protección para los voltajes y corrientes sobre los límites estipulados
(la entrada de corriente está protegida por un fusible contra sobrecargas), el cual
está localizado en la parte posterior de la fuente. Dichas fuentes tienen una
protección de corto circuito, la cual se reactiva automáticamente. Este módulo de
alimentación (D.C.) además contiene una tarjeta que monitorea el valor de los
voltajes y genera una alarma cuando éstos se encuentran fuera de su margen de
tolerancia mediante el encendido de diodos LED´s.
Las especificaciones de las fuentes de poder son los siguientes:
Tensión Nominal de Ent. (Voltaje de Entrada Max.): 110 Vac./220 Vac.
Variación de la Tensión Nominal: +/– 10%.
Tensión de Salida (Voltaje de Salida): 12 Vdc. (13.8 Vdc.).
Frecuencia Nominal de Operación: 50/60 Hz.
Temperatura y Humedad de Operación: 0° C. a 40° C., < 80 %.
Temperatura y Humedad de Almacenamiento: -10° C. a 70° C.,< 70 %.
FIG. N°°°° 4-15. CIRCUITO FUENTE DE PODER DE 12 VDC. (13.8 VDC.). 20 AMP.
Fuente: Manual de Instrucciones de Fuentes de Poder. (1.996, p. 11).
Las fuentes de poder tienen una muy amplia variedad de aplicaciones en
servicios eléctricos y electrónicos, laboratorios de ingeniería y pruebas. Dichas
fuentes también podrían ser usadas como cargadores de baterías para la restablecer
de carga a baterías recargables como las de ácido-plomo, níquel-cadmio, y algunos
tipos alcalinos.
1.1.1.4. Banco de Baterías.
Las baterías constituyen la reserva de energía necesaria para alimentar al
sistema de control y registro (cargas) de cementación por si se presenta cualquier
interrupción o falta total de la tensión de alimentación Vac. o algún tipo de daño a
la unidad rectificadora o fuente de poder (falta de erogación Vdc.).
FIG. N°°°° 4-16. BATERÍAS TUDOR VR.
Fuente: Manual de Baterías TUDOR. (1.998, p. 2).
Existirán 9 baterías estacionarias TUDOR V.R., nominales de 12 VDC+, 7
Amp./Hora de Acido-Plomo para funcionar bajo condiciones normales. La
cubierta de la batería esta constituido por polietileno de alta resistencia ante
impactos, ante vibraciones, y a las altas temperaturas, no despiden gases. La
construcción sellada le permite estar libre de fallas, operan en cualquier posición y
sobre un amplio rango de temperatura desde los 15° C. hasta los 50° C.
Estas baterías V.R. del grupo TUDOR, representan el más alto grado de
seguridad en cuanto a duración, también ofrecen un alto rendimiento en
aplicaciones que requieren una alimentación constante en corriente contínua
además de una ausencia total de mantenimiento. Estas pueden colocarse en
cualquier posición debido a su estanqueidad, lo que facilita una instalación
compacta y la consiguiente reducción de espacio. Entre sus aplicaciones están los
sistemas de telecomunicaciones, U.P.S., estaciones de radio, paneles de control,
sistemas de alarma, alumbrado de seguridad, sistemas de energía fotovoltáica,
sistemas de protección en edificios, equipos de medicina, plataformas marítimas,
etc.
La información de recarga de las baterías viene impresa en las mismas
baterías, pero especialmente en el momento inicial de la recarga, al menos
inicialmente, requieren de una corriente constante.
1.1.2. ESTUDIO DE LA CARGA.
Existen algunos elementos que participaron de forma directa en el estudio
de carga. Esto fue aplicable para la Implantación del Sistema Ininterrumpido de
Potencia (S.I.P.) siempre y cuando sean grandes cargas o cargas críticas.
1.1.2.1. Características de Carga Contínua.
Las estaciones de trabajo correspondientes a equipos de computación y
registros electrónicos (PC´s, P.A.C., J.A.B., Servidores, Terminales, etc.), equipos
de telecomunicaciones (Radio Módem, Multiplexores, H.U.B., etc.), equipos de
control electrónico para la operación de motor-bombas de alta presión (Bombas
TRIPLEX SPS-343), y equipos de control electrónico para operar Las Bombas de
Desplazamiento Positivos (Sistema Hidráulico de la gabarra), que forman parte
del sistema de control y registro de cementación de la gabarra, están constituidos
como cargas contínuas debido a que poseen corrientes de operación relativamente
estables. A estas cargas también se les llama cargas lineales debido a que poseen
una relación de amperio/Pico o RMS de 1.414.
Estos equipos están especificados a continuación según sus características,
voltaje nominal y corriente de operación:
TABLA N°°°° 4-1. CARGAS CONTÍNUAS.
Equipos de Computación,
Telecomunicaciones y Control.
N°°°°. ####
Ip. (Amp.)
It. (Amp.)
Vn. (Volt.) AC-DC
Pa. (V.A.)
Pr. (W.)
Monitores. 4 0.363 1.45 120 1.74 K. 1.242 K. C.P.U. 4 0.26 1.04 120 1.25 K. 0.892 K.
Terminales. 6 0.245 1.47 120 1.76 K. 1.257 K. Radio Módem. 1 1.40 1.40 120 1.68 K. 1.20 K.
HUB. 1 0.76 0.76 120 0.91 K. 0.650 K. MUX. 1 0.41 0.41 120 0.49 K 0.350 K.
Panel Remoto SPS-343. 2 1.47 2.94 12 49.39 35.28 Panel Remoto
Bomba Desplazamiento. 2 1.26 2.52 12 42.33 30.24
Panel Remoto VIP Mix. 1 1.45 2.9 12 48.71 34.8 Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
N°.= Número de Equipos.
It. = Corriente Total por Equipos.
Ip. = Corriente Promedio por Equipos.
Vn. = Voltaje Nominal.
Pa. = Potencia Aparente.
Pr. = Potencia Real.
1.1.2.2. Factor de Potencia.
Este es un número entre 0 y 1que representa la porción de los VA
entregados a la carga de A.C. que realmente proporcionan energía a esa carga.
En equipos de computación y registros los amperios fluyen en los equipos
sin ser útilmente convertidos en energía.
Esto ocurre si la corriente está distorsionada (contiene armónicos), o si no
está en fase con el voltaje aplicado al equipo. A esto se puede decir que los
computadores y sistemas electrónicos drenan corrientes armónicas que hacen que
su factor de potencia sea menor que 1.
Para calcular el factor de potencia usamos la expresión Fp=Pr/Pa, es el
cociente de la potencia real sobre la potencia aparente, donde la potencia aparente
se expresa como Voltios-Amperios (VA.). La potencia real en este sistema es el
valor VA : multiplicado por el factor de potencia.
Para dimensionar el Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.) y
asegurar que la capacidad de salida es suficiente, el valor de potencia aparente del
S.I.P. es mayor que el requisito en VA. de la carga. La potencia en vatios de la
carga es menor y este dato no fue tomado como referencia ya que no incluye la
corriente armónica o reactiva adicional que el S.I.P. realmente entrega durante el
funcionamiento.
Las medidas de potencia de A.C. se relacionaron así:
Pa. = Potencia Aparente.
Pr. = Potencia Real.
Fp. = Factor de Potencia.
Vn. = Voltaje Nominal.
ITA. = Corriente Total Actualizada.
INA. = Corriente No Actualizada.
P(real). = Pa x Fp.
Vn. = 120 V.
Fp. = P(real)/Pa.
El punto importante a entender es que esta corriente reactiva o de
distorsión que existe debido a la carga, hace que la medida en VA. sea mayor que
aquella en vatios, lo cual nos permite obtener un factor de potencia.
1.1.2.3. Factor de Pico.
El factor de pico se relaciona con la capacidad de sobrecarga momentánea
del Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.) y es una medida de la habilidad
de dicho sistema para arrancar cargas que temporalmente requieren de potencia
extra durante el encendido. Los motores arrancadores de discos son ejemplos de
carga que tienen un alto factor de pico.
Para sistemas de computación, el factor de pico requerido es
aproximadamente 1.5 veces el consumo de potencia en estado estable.
Los Sistemas Ininterrumpibles de Potencia (S.I.P.) deben tener la
capacidad de factor de pico para dar arranque a discos duros aún cuando el S.I.P.
esté funcionando a plena potencia. En esta etapa el sobrediseño del Sistema
Ininterrumpible de Potencia debe ser tomado muy en cuenta en sistemas de carga
con un gran factor de pico.
1.1.2.4. Cargas No Lineales.
Las cargas no lineales presentes en este sistema corresponden a los
solenoides de las electoválvulas (sistemas electroneumáticos de control de fluidos)
y también a las impresoras, los cuales son dispositivos cuya corriente es inestable
debido a que presentan picos en su corriente de arranque y operación. Sin embargo
la capacidad del Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.) permite incluir
dentro de sus cargas a estos sistemas de control y dispositivos.
Las corrientes de operación y arranque son muy variables, en algunos
sistemas de control e impresoras son el doble de la corriente nominal que trae en
sus especificaciones. Esta variación tiene que ver dependiendo del tipo de
impresora que se utilice, ya que algunos fabricantes de impresoras se basan en
realizar dispositivos con un bajo consumo de corriente. Sin embargo las
impresoras láser poseen una corriente de operación mucho más alta e inestable que
las de inyección de tinta y matriz de punto.
Debido a esta situación de no linealidad se ha considerado no involucrar a
los dispositivos de impresión con el Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.),
ya que el alto valor de corriente al cual estas llegan en ocasiones cuando se
encuentran en operación, traería como consecuencia la sobrecarga momentánea
del S.I.P.
También las características de las baterías son parte importante en este
punto, ya que a pesar de tener suficiente capacidad de energía en el Sistema
Ininterrumpible de Potencia, las baterías solo permiten ciento veinte (120) minutos
de autonomía para un consumo en términos de corriente menor de 100 Amp. por
dos (2) horas.
La no linealidad de la carga debe limitarse a un nivel que no afecte el
contenido armónico de la tensión de salida del S.I.P. hasta el punto que pueda
superar los valores especificados.
El rango de consumo en términos de corriente de estos equipos de control
que se presentan a continuación:
TABLA N°°°° 4-2. CARGAS NO LINEALES.
Equipos de Computación
y Control.
N°°°°. ####
Ct. (Amp.)
Vn. (Volt)
AC-DC
Rango. (Amp.)
Promedio. (Amp.)
Impresora Láser.
1 7 120 0.1 ≅ 16 7
Solenoides. 72 30 12 0.41 ≅ 15 0.41 Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
N°. = Número de Equipos.
Ct. = Corriente Total por Equipos.
Vn. = Voltaje Nominal.
1.1.2.5. Cargas Críticas.
Estas cargas a proteger son los sistemas de carga ó sistema de control y
registro de cementación (paneles remotos de control de bombas de alta presión
TRIPLEX SPS-343, registro o sistema de monitoreo y control de cementación
“PRISM”, panel remoto control del VIP MIXER o mezclador de cemento,
sistema de control electroneumático de fluidos y el los paneles remotos de control
a bombas de desplazamiento para la energía hidráulica), están denominados como
cargas críticas ya que son de vital importancia y que corresponden a sistemas de
control de procesos operativos cuya función es permitir la realización de diversos
servicios de cementación petrolera brindados por la gabarra de la empresa Dowell
Schlumberger, S. A.
La corriente de consumo de dichas cargas se muestran en la siguiente tabla:
TABLA N°°°° 4-3. CARGAS CRÍTICAS.
Equipos de Computación y Control.
N°°°°. ####
It. (Amp.)
Vn. (Volt)
AC-DC Registro (C.P.U., Monitores, etc. del “PRISM”). 1 3. 96 120
Neumático (Solenoides de Válvulas). 72 30 12 Bomba 1. Alta Presión (Panel Remoto de Control SPS-343 1). 1 1.47 12 Bomba 2. Alta Presión (Panel Remoto de Control SPS-343 2). 1 1.47 12 Hidráulico 1 (Panel Remoto de Control Bomba Desp. 1). 1 1. 26 12 Hidráulico 2 (Panel Remoto de Control Bomba Desp. 2). 1 1. 26 12
V.I.P. Mezclador de Cemento (Panel Remoto VIP MIXER). 1 1.45 12 Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
N°. = Número de Equipos.
It. = Corriente Total por Equipos.
Vn. = Voltaje Nominal.
1.1.2.6. Valores Nominales.
Los valores nominales fueron dados por los requerimientos de los equipos
del sistema de carga o sistema de control y registro de cementación de la gabarra
1.005, sin olvidar el factor de contingencia que debe incluir un 20% de capacidad
de reserva dentro de la clasificación para la carga. El valor It fue seleccionado
tomando en cuenta el factor de diversidad entre el 80% y 90% de carga en
operación para un total de 140 Amp. con la finalidad de que las baterías
suministren la autonomía requerida de 1 Hr. y 30 min. a 2 Hrs.
Estos son los valores seleccionados:
Ie. ≅ 20 AMP. Corriente estimada por cada carga del sistema de control y registro.
Vn. ≅ 120 Volts. Voltaje Nominal A.C.
Vn´. ≅ 12 Volts Voltaje Nominal D.C.
Ft. ≅ 1.0 Factor de Contingencia.
Fd. ≅ 0.8 Factor de Diversidad.
It. ≅ 140 AMP. Corriente total de todo el sistema de control y registro.
1.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
ELECTRÓNICO S.I.P.
1.2.1. CONCEPTUALIZACIÓN.
El sistema de control electrónico S.I.P. (Sistema Ininterrumpible de
Potencia), permite brindar alimentación de energía (D.C.) contínua e incesante a
los equipos y procesos del sistema de control y registro de cementación, con el
propósito de permitir la realización de todos los procesos de control mecánicos,
eléctricos y electrónicos de la gabarra de cementación B-1.005 que opera en el
Lago de Maracaibo. Dicho sistema electrónico de respaldo también tiene como
finalidad mantener en óptimas condiciones los procesos operativos del servicio de
cementación y de esta manera una mayor fiabilidad en el momento de la
operación.
1.2.2. OBJETIVOS.
1.2.2.1. OBJETIVO GENERAL.
Brindar alimentación de energía contínua e incesante al sistema de control
y registro de cementación, con el propósito de asegurar un cumplimiento total en
los procesos de cementación de la gabarra.
1.2.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Para cumplir con el objetivo general, el sistema de seguridad de
alimentación contínua, debe cumplir con varios objetivos, los cuales son:
a. Mantener una alimentación de energía eléctrica contínua e incesante
b. Lograr una realización total en los procesos operativos del servicio de
cementación.
c. brindar seguridad operativa a los sistemas de control de los procesos de
cementación.
d. Brindar una protección eficaz a los equipos allí instalados
e. Diseñar una tarjeta electrónica que conmute dos alimentaciones de
energía instantáneamente.
f. Implantar un sistema de control electrónico que permita conmutar dos
alimentaciones de energía eléctrica (una principal y una de respaldo).
1.2.3. ESTRUCTURA DE DISEÑO DEL S.I.P.
En esta etapa se procedió a recopilar todos los elementos del proceso,
aprovechando al máximo los resultados que proporcionaron las pruebas y el
diagnóstico de la situación problemática, con la finalidad de obtener los
parámetros que permitan la ejecución de la investigación.
Para llevar a cabo esta estructura del sistema de control electrónico, se
tomó en cuenta el sistema de alimentación de energía actual a los equipos de
control y registro de cementación para así poder realizar el diseño de un sistema
ininterumpible de potencia que cumpliera con las especificaciones del proceso y
sus normas de seguridad.
Entre los componentes electrónicos se seleccionaron varios sistemas de
conmutación instantánea, hasta llegar al más adecuado y que cumpliera con las
exigencias del sistema de carga (alto consumo, conmutación instantánea, igual o
menor a 20 ns. de respuesta, etc.).
1.2.3.1. Desarrollo de Diseño del Sistema Ininterrumpible de
Potencia (S.I.P.).
Para realizar el diseño de los circuitos del sistema, se tomo en
consideración aparte de los objetivos del sistema y los requerimientos necesarios,
la disponibilidad de los componente electrónicos necesarios para la implantación.
En concordancia con estos puntos se diseñaron los circuitos del Sistema
Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.).
1.2.3.2. Teoría de Funcionamiento del Sistema
Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.).
El Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.) es una tarjeta de control
electrónico que por medio del resguardo de un banco de baterías de emergencia,
básicamente, garantiza una alimentación de energía eléctrica D.C. a el sistema de
carga o sistema de control y registro de cementación de la gabarra, por medio de la
supervisión o monitoreo del voltaje de entrada 12 Vdc. (13,8 Vdc.) que proviene
de las fuentes de poder (Vin. 1), siendo esta la alimentación principal. Si el voltaje
de entrada (Vin. 1) es menor que 10.5 Volts, entonces la tarjeta S.I.P. switchea
(conmuta o intercambia) la alimentación de energía de las fuente de poder (Vin. 1)
con otra fuente de energía adicional de emergencia, como el banco de baterías
(Vin. 2 - BATT). Entonces el sistema de carga continuará siendo alimentado por
el banco de baterías (Vin. 2 - BATT) mientras estas no se descarguen o hasta que
el voltaje de la fuente de poder (Vin. 1) sea restaurado (los 10.5 Volts o menos
nuevamente a 12 Volts).
Si las baterías destinadas al sistema de carga no están completamente
recargadas, entonces dicho sistema de carga no operará o se desfasará si hay
alguna anomalía en la alimentación principal (fuentes de poder). Es importante
que mientras el sistema de carga esté en operación normal (alimentado de energía
por las fuentes de poder), el banco de baterías sea recargado por medio de un
cargador de baterías.
La tarjeta S.I.P. siempre estará monitoreando el voltaje de las dos
alimentaciónes de energía, tanto las fuentes de poder Vin. 1 (alimentación
principal), como a el banco de baterías Vin. 2 - BATT (alimentación secundaria de
emergencia).
Cuando el sistema de carga esté operando por medio de la alimentación
del banco de baterías, se encenderá un diodo LED, esto también puede registrarse
por medio de la salida de IC3, cuando el sistema de carga este operando por medio
de las fuentes de poder, entonces Ic3 causará una baja condición en la pata o pin 5.
Y si el poder es derivado del banco de baterías, entonces IC3 se bloqueará (Turn
Off) causando una alta condición en el pin 5 que es monitoreada por medio de una
tarjeta VDAD y desplegado en el SRD (Standard Remote Display) de el PAC
(Portable Acquisition Computer).
El modo de funcionamiento del circuito consiste en durante el tiempo en
que el voltaje de alimentación de las baterías sea mayor a 10.5 Volts (mínimo), el
voltaje de la entrada inversora (IC1) es mayor que el voltaje de la entrada no-
inversora 2. En este caso, el voltaje en la salida 7 de el comparador es baja,
entonces la alimentación de energía al sistema de carga, es suministrada por la
fuente de poder.
Cuando la alimentación de energía es dada por la fuente de poder, una
corriente fluye a la etapa de paso del optoacoplador (IC2) y la etapa de salida es
saturada, quien envía un voltaje bajo en las compuertas (G) de los VMOS
transistores de potencia (T1, T2, T3 y T4). Este voltaje bajo bloquea a los
transistores VMOS, con lo cual se previenen las corrientes que fluyen procedentes
de la tierra (0 Vout.) para el sistema de carga hacia polo negativo de las baterías
(0V - BATT). El voltaje bajo es como un switch abierto, desconectando las
baterías de la fuente de poder.
Si el voltaje de la batería cae a menos que el voltaje mínimo (10.5 Volts),
el comparador de voltaje (IC1) se eleva, y el optoacoplador (IC2) se bloquea,
eliminando el bajo voltaje a los VMOS transistores de potencia (T1, T2, T3 y T4).
El voltaje de las baterías es entonces aplicado a la compuerta (G) de los VMOS
transistores de potencia (T1, T2, T3 y T4). Hay una saturación en los transistores,
permitiendo que una corriente fluya desde la tierra para el sistema de carga (0V
OUT) hacia el polo negativo de las baterías (0V - BATT). Entonces ahora las
baterías suministrarán la energía al sistema de carga reemplazando la alimentación
de energía insuficiente de las fuentes. El diodo D2 previene la corriente fluyente
de las baterías.
FIG. N°°°° 4-17. CIRCUITO SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE POTENCIA (S.I.P.).
Fuente: PAC Parts and Maintenance Manual (Diseño Modificado). D.S. (1.993, p. A-31).
LISTA IC :
IC1 : LM 311H - ECG 922. (Comparador de Voltaje).
IC2, IC3 : TIL 119A - ECG 3044 ó ECG 3045. (Optoacopladores).
TRANSISTORES :
T1, T2, T3, T4 : IRF 130 - ECG 2392. (Transistor de Potencia).
DIODOS :
D1 : 138 A - ECG 138A. (Diodo Zener).
D2 : SKR 71/04 - ECG 6060. (Diodo Rectificador Industrial).
RESISTENCIAS :
R1÷÷÷÷R5, R7, R8 : Metal Oxide ¼ w_ 5 %.
R6 : Metal Oxide ½ w_ 5 %.
- Comparador (IC1).
El comparador (IC1), compara el voltaje en su entrada inversora 3 con el
voltaje en la entrada no inversora 2. Cuando el voltaje en la entrada inversora 3 es
superior que el voltaje de la entrada no-inversora 2, el voltaje en la salida 7 es
bajo.
FIG. N°°°° 4-18. COMPARADOR DE VOLTAJE (LM111////LM211////LM311).
Fuente: National Semiconductor. (1.996, p. 5-21).
- Optoacoplador (IC2).
El optoacoplador (IC2) mantiene un fluido de corriente mientras las
fuentes de poder de alimentación principal es mayor a 10.5 Volts (mínimo).
FIG. N°°°° 4-19. OPTOCOUPLER (ECG 3044 OR ECG 3045).
Fuente: Master Replacement Guide. ECG 212T. (1.998, p. 1-161).
- Transistores VMOS (T1, T2, T3 y T4).
Los transistores VMOS (T1, T2, T3 y T4) permiten un flujo de corriente
desde la línea 0V OUT al polo negativo de las baterías cuando el voltaje de las
fuentes de poder cae debajo de los 10.5 Volts.
FIG. N°°°° 4-20. MOSFET TRANSISTOR POWER (ECG 2392).
Fuente: Master Replacement Guide. ECG 212T. (1.998 ,p. 1-67).
1.2.4. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD.
En el momento de estudiar la factibilidad del sistema fue necesario aplicar
las consideraciones de análisis y de diseño de Kendall (1.992, p. 753), ya que debe
apoyarse en los principios operativos, técnicos y económicos.
1.2.4.1. Factibilidad Operativa.
Kendall (1.992, p. 758), señala que la aplicación de esta prueba o principio
permite establecer si el proyecto propuesto cumple con los requerimientos de los
usuarios del sistema.
Con respecto al sistema de control electrónico S.I.P. para el Sistema de
Control y Registro de Cementación de la Gabarra de Cementación 1.005 de la
empresa Dowell Schlumberger, el Departamento de Electrónica de la misma
empresa, convienen en considerar que el sistema de control electrónico cumple
con los requerimientos exigidos ya que el funcionamiento de este se efectuó
satisfactoriamente, logrando brindar una alimentación de energía eléctrica
contínua e incesante para permitir que los procesos operativos de cementación se
cumplan enteramente.
1.2.4.2. Factibilidad Técnica.
De acuerdo con Kendall (1.992, p. 759), ésta se refiere a los recursos
técnicos disponibles durante el desarrollo del proceso. Al aplicar este principio en
el sistema de control electrónico S.I.P., se encontró que los dispositivos existentes
son adecuados para la instalación del mismo, igualmente, la capacidad de
adaptación a cualquier cambio en el proceso es efectiva.
1.2.4.3. Factibilidad Económica.
Kendall (1.992, p. 760), establece que este principio se debe considerar
mediante el estudio de los resultados básicos basándonos en el tiempo y costo del
desarrollo del sistema de control electrónico.
En el estudio realizado sobre la factibilidad económica del sistema de
control electrónico S.I.P., pudo evidenciarse que los costos de la realización de
dicho sistema serán compensados por las ganancias a corto plazo que éste
aportará.
Por lo planteado anteriormente, se establece que la implantación del
sistema de control electrónico S.I.P. en la gabarra de cementación, resultó factible
en todos los aspectos estudiados, por lo que su desarrollo fue una decisión
acertada.
Asumiendo que el diseño propuesto ha demostrado su eficiencia, sobre
situaciones previstas en el mismo, la fabricación del sistema de control electrónico
S.I.P. requiere de cierta inversión para cubrir el costo de los componentes, la caja
y accesorios para su ensamblaje.
Para la realización práctica del diseño, se necesitan cubrir ciertos aspectos
los cuales se pueden clasificar de la siguiente forma:
- Componentes y Elementos de Ensamblaje Utilizados: Después de realizar
un estudio de mercado, tomando en cuenta la disponibilidad y los costos, se
presentó a la empresa una lista detallada de cotización de los componentes
eléctricos (borneras de conexión, cables, etc.), electrónicos (transistores,
resistencias, diodos, etc.) y elementos de ensamblaje (caja, tornillos, etc.)
utilizados para el montaje de los circuitos del sistema S.I.P., que vendrían a ser un
total de siete (7) tarjetas electrónicas para cada una de las cargas críticas del
Sistema de Carga o Sistema de Control y Registro de Cementación de la gabarra
1.005. Las cuales se usarán dos (2) para el control de dos bombas de alta presión
TRIPLEX, una (1) para el registro “PRISM", una (1) para el control del VIP
MIXER, una (1) para el sistema de control electroneumático, una (1) para el
sistema de control hidráulico y una (1) en Stand-By o Speare (para cualquier otra
carga de emergencia).
TABLA N°°°° 4-4. COTIZACIÓN DEL S.I.P.
Maracaibo, 11 de Agosto de 1998.
Señores : DOWELL SCHLUMBERGER DE VENEZUELA, S. A. Dirección : AV. INTERCOMUNAL, SECTOR LAS MOROCHAS, APARTADO 106 , VZLA. Telf : 065-26150. Fax : 065-26254. Asunto : COTIZACIÓN S.I.P. PROYECTO GABARRA 1.005.
ITEM #
CANT DESCRIPCIÓN P./U. (Bs.).
IMPORTE (Bs.).
PROVEEDOR
01 01 Tablero de Aluminio de Lamina Calibre #14 Tipo Paso, con Tapa Atornillada Dividida en Dos y Ventilación Lateral. (150cm.×50cm.×50cm.).
185,220.00 185.220.00
Panelectric, C. A.
02 28 Semiconductor Heat Sink, Undrilled Mounting Surface, Rθ=1.0°C/W. Disipador de Calor para TO-3. (14cm.×12cm.×5cm.). (ECG441B).
4,399.99 123,199.99
Supersón, C. A.
03 14 Semiconductor Heat Sink. Disipador de Calor Dual para TO-3. (12cm.×8.9cm.×8.6cm.).
1,379.36 19,311.04 Semca, C. A.
04 14 Semiconductor Heat Sink. Disipador de Calor con Rosca para Diodos, SCR´s, etc. Industrial. (6.5cm.×3.5cm.×5cm.).
2,256.60 31,592.47 Semca, C. A.
05 28 Power MOSFET-N-Ch Transistor, Enhancement, Mode High Speed Switch. 25 A., 50 V. Transistor de Poder MOS FIELD EFFECT (Case Style TO-3). (ECG2392).
1,596.05 44,689.40 Semca, C. A.
06 14 Industrial Rectifier Diode. R-400 PRV, 70 A., 400 cc., Cath Case. Diodo Rectificador Industrial. (ECG6060).
6,660.30 93,244.27 Semca, C. A.
07 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 470 Ω. 10.48 83.88 Semca, C. A. 08 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 1.5 KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A. 09 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 2.2 KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A. 10 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 5.1 KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A. 11 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 11 KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A. 12 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 68 KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A. 13 08 Resistor. Resistencia. 1/4 W., 5%. 100
KΩ. 10.48 83.88 Semca, C. A.
14 08 Resistor. Resistencia. 1/2 W., 5%. 2.2 KΩ. 15.14 121.16 Semca, C. A. 15 08 ZD-7.5 V., 1 W., (Type 2 Pkg.). Diodo
Zener. (ECG138A). 110.67 885.40 Semca, C. A.
16 08 IC-Linear, Voltage Comparator, 8-Pin Lead Metal Can. Amplificador Operacional Comparador de Voltaje (Op. Amp.). (ECG922).
565.02 4,520.20 Semca, C. A.
17 16 Optocoupler/Isolator, NPN Photo Transistor Darlington Output. 6-Pin lead DIP. (Optoacoplador/Photo Darlington). (ECG3044-ECG3045).
209.70 3,355.20 Semca, C. A.
18 08 8-Pin Can, IC Semiconductor Socket (Type 2/Pkg.). Base para IC de 8 Pines Can (Circ.). (ECG407).
--------- --------- Semca, C. A.
19 08 8-Pin DIP, IC Semiconductor Socket (Type 2/Pkg.). Base para IC de 8 Pines DIP (Cuad.). (ECG423).
74.56 596.48 Semca, C. A.
20 16 6-Pin DIP, IC Semiconductor Socket (Type 2/Pkg.). Base para IC de 6 Pines DIP (Cuad.). (ECG435P6).
34.95 559.20 Semca, C. A.
21 21 Plug Banana dual. Conector Tipo Banana R/N.
599.97 12,599.47 Semca, C. A.
22 42 Jack Banana Simple. Conector Chasis tipo Banana 12 MM.
159.60 6,703.41 Semca, C. A.
23 07 Regleta Plástica con Tapa de 3 Pares para 747.93 5,235.51 Matel, C. A.
Chasis. 600 V., 25 A. (de 3 Conexiones). 24 07 Regleta Plástica con Tapa de 6 Pares para
Chasis. 600 V., 25 A. (de 6 Conexiones). 1,223.25 8,562.75 Matel, C. A.
25 08 Regleta Plástica con Terminales Macho para Chasis. (de 6 Conexiones).
290.08 2,320.68 Semca, C. A.
26 09 Regleta Plástica Pequeña para CI. (de 10 Pines).
583.69 679.99 Supersón, C. A.
27 32 Semiconductor Insulator Kit for TO-3 Type Package (Each Kit Includes Mica Insulator & Nylon Bushings). Kit de Montaje para TO-3. (ECG413).
--------- --------- Alsonic, C. A. Max Ferrer Centro.
28 32 Semiconductor Mica Insulator for TO-3 Style Package. Micas Aisladoras para Transistores de Carcaza Tipo TO-3.
94..36 3,019.68 Semca, C. A.
29 64 Tornillos para Montaje de Transistores TO-3.
70.00 4,480.31 R. T. C., C. A.
30 128 Arandelas Planas para Montaje de Transistores TO-3.
2.00 256.48 R. T. C., C. A.
31 64 Arandelas de Presión para Montaje de Transistores TO-3.
5.17 331.04 R. T. C., C. A.
32 64 Arandelas con Terminal Macho para Montaje de Transistores TO-3.
--------- --------- ---------------------
33 64 Arandelas Plásticas para Aislamiento y Montaje de Transistores TO-3.
--------- --------- ---------------------
34 64 Tuercas para Montaje de Transistores TO-3.
10.35 662.83 R. T. C., C. A.
35 30 Standard Socket for TO-3 Package (2/Pkg.). Base para TO-3. (ECG209).
--------- --------- ---------------------
36 03 Heat Sink Compound Silicone Grease. Thermal/Insulator Compound, 21Gram/Tube. Grasa Disipadora de Calor a Base de Siliconas para Transistores. 1 Pomo de 21 gr. Marca Prompt. (ECG303).
475.32 1,425.96 Semca, C. A.
37 03 Acido para CI (Cloruro Férrico). 1/4 litro. 950.05 2,850.17 Semca, C. A. 38 01 Placa Baquelita Doble Cara Grande para
CI. (52cm×35cm.). 3,645.28 3,645.28 Semca, C. A.
39 01 Solder Flux. Soldadura de Estaño. Marca Kester 60/40. 1 Lb. 0.031.
5,820.34 5,820.34 Semca, C. A.
40 01 Rosin Paste Flux. Pasta para Soldadura de CI. Marca Kester SP-44.
964.62 964.62 Semca, C. A.
41 10 Mecha para CI de 0.035 ″. 290.08 2,900.85 Semca, C. A. 42 10 Mecha para CI de 0.045 ″. 290.08 2,900.85 Semca, C. A. 43 04 Mecha para CI de 0.073 ″. 290.08 1,160.34 Semca, C. A. 44 03 Bolígrafo Marcador Indeleble para CI.
Marca Sanford-Sharpie. Fine Point, Permanent Marker.
800.00 2,400.00 Tele Zulia, S.R.L.
45 01 Bolígrafo Restaurador/Conductor a Base de Plata. Air Dry Sistem.
12,000.00 12,000.00 Electrónica Santo Domingo, C. A.
46 25 T-RAP. Correa Plástica Sujetacable de 15 ″. 45.43 1,135.87 Semca, C. A. 47 105 Terminal Macho Amarillo 3/16 #180. 56.95 5,980.46 R. T. C., C. A. 48 63 Terminal Hembra Aislada Amarilla 250
#228. 67.31 4,240.76 R. T. C., C. A.
49 49 Terminal Macho Azul 1/8 #166. 36.24 1,775.91 R. T. C., C. A. 50 112 Terminal Hembra Aislada Azul 250 #192. 59.99 6,719.72 R. T. C., C. A. 51 --- Tornillos, Arandelas Planas, Arandelas de
Presión y Tuercas para todo el Equipo. Material : Hierro.
--------- 5,828.89 R. T. C., C. A.
52 --- Tornillos, Arandelas Planas, Arandelas de Presión y Tuercas para todo el Equipo Electónico. Material : Acero Inox.
--------- 40,283.37 Torni Sur, S. R. L.
53 25 (Mts.).
Cable para Corriente #12 AWG (TW). Color Rojo. Para Conexión de Potencia.
130.00 (×1mt.).
3,250.00 Inlectric, C. A.
54 25 Cable para Corriente #12 AWG (TW). 130.00 3,250.00 Inlectric, C. A.
(Mts.). Color Negro. Para Conexión de Potencia. (×1mt.). 55 16
(Mts.). Cable para Corriente #18 AWG (TF). Color Rojo. Para Conexión de Tarjetas.
75.00 (×1mt.).
1,200.00 Roberto Tudares, C.A.
56 16 (Mts.).
Cable para Corriente #18 AWG (TF). Color Negro. Para Conexión de Tarjetas.
75.00 (×1mt.).
1,200.00 Roberto Tudares, C.A.
57 16 (Mts.).
Cable para Audio #18 AWG. Color Rojo y Negro (Dual). Car-2×18. Marca : Hurricane Power. Para Conexión de Tarjetas.
120.00 (×1mt.).
1,920.00 Electrónica Vzla. T.V., C. A.
58 56 (Mts.).
Cable de Alta Temp. #18 AWG (TF). CSA TYPE CL 1251 125C-600V. Color Negro. Para Conexión de Transistores de Potencia.
410.00 (×1mt.).
22,960.00 Roberto Tudares, C.A.
59 --- Terminales para Bases de Transistores TO-3.
--------- --------- R. T. C., C. A.
60 30 Soportes Para Tarjetas CI. Tornillos con Cabeza Hexagonal Larga (+ó− ECG411).
--------- --------- ---------------------
TOTAL ≅ (Bs.).
680,798.62
SON SEISCIENTOS OCHENTA MIL, SETECIENTOS NOVENTA Y OCHO CON 62/100 Bs. Nota : - En los precios y el total está incluido el I.S.V. (16.5%). - Cantidades y precios sujetos a cambios
POR : GARY LA COTERA C.
-----------------------------
TESISTA DE SCHLUMBERGER DOWELL, S.A.
1.3. IMPLANTACIÓN DEL SISTEMA
ININTERRUMPIBLE DE POTENCIA (S.I.P.).
Corresponde en esta etapa al desarrollo del sistema de control electrónico,
en la cual se hace referencia a la instalación del mismo, y que se llevó a cabo por
niveles, efectuándose pruebas a cada uno de los elementos que conforman el
sistema implantado, con la finalidad de determinar cualquier error en cada uno de
ellos. Luego se aplicaron pruebas al sistema completo; es decir, se evaluó la
integración de todos los elementos del sistema y se demostró que el mismo
cumple con las exigencias requeridas por el sistema de carga de la gabarra.
1.3.1. SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE POTENCIA
(S.I.P.) A IMPLANTAR.
El Sistema Ininterrumpible de Potencia (S.I.P.), estático es un equipo
electrónico capaz de suministrar energía eléctrica de una manera autónoma y
adecuada a una determinada carga crítica durante cierto tiempo, cuando falla el
suministro de energía eléctrica del generador y/o alguna de las fuentes de
alimentación de energía.
Este sistema asegura continuidad de la alimentación eléctrica ante
interrupciones, es decir, respaldar al medio convencional de obtener energía
eléctrica. Dicho sistema funciona principalmente cuando falta la energía
convencional del generador y/o de las fuentes de alimentación y cuando algún
parámetro de la señal del generador y/o fuentes de energía esta fuera de un rango
preestablecido (voltaje, frecuencia, nivel de ruido, etc.).
El anteriormente mencionado minimiza o anula los efectos producidos en
la carga debidos a interrupciones o perturbaciones en el generador y/o fuentes de
alimentación y estabiliza la alimentación de la carga, cuando el S.I.P. se
implementa en línea.
FIG. N°°°° 4-21. SISTEMA ININTERRUMPIBLE DE POTENCIA (S.I.P.).
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
1.2.3.1. Modos de Operación del S.I.P. Según su
Implantación.
El sistema ininterrumpido de potencia según su implantación se clasifica
en:
1.2.3.1.1. S.I.P. En Línea.
Es aquel sistema en el que no hay conmutación entre un suministro y otro,
al momento de que la alimentación de energía falla, por lo que no se produce
interrupción en la alimentación de la carga crítica.
Existen dos tipos de implementación En línea:
- S.I.P. En Línea Directa.
El generador de energía eléctrica alimenta al las fuentes de energía, este a
su vez alimenta al Sistema Ininterrumpido de Potencia, y este a la carga. En esta
configuración la energía eléctrica es almacenada y transformada en una señal que
simula a la del generador y/o fuentes de energía eléctrica mejorada para alimentar
a la carga crítica.
FIG. N°°°° 4-22. S.I.P. EN LÍNEA DIRECTA.
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
Este sistema tiene la ventaja de que provee la salida más estable a la carga
(protección permanente), y en el momento de interrumpirse el suministro eléctrico
no se produce ninguna perturbación en la alimentación de la carga. Y por otro lado
tiene la desventaja de que trabaja continuamente a plena carga, lo que disminuirá
su durabilidad.
- S.I.P. en Línea Compartida.
El generador y/o fuentes de energía eléctrica y el Sistema Ininterrumpido
de Potencia alimentan a la carga simultáneamente, el cual actúa como
compensador de la señal del generador eléctrico y/o de las fuentes de energía.
FIG. N°°°° 4-23. S.I.P. EN LÍNEA COMPARTIDA.
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
En el momento que es detectada una anormalidad en el suministro, este
genera la señal necesaria para compensar las diferencias entre la muestra del
voltaje en la carga (que es tomada como señal de control) y la señal que debe ser
la adecuada para la carga. De esta manera no hay necesidad de conmutar de una a
otra alimentación ya que el procesos de compensación es continuo.
La ventaja de este sistema es que el inversor esta sometido al trabajo
mínimo necesario para compensar la señal del generador de energía eléctrica, con
lo que se alarga la durabilidad, sin descuidar a la carga, pero tiene como
desventaja una implementación muy compleja y costosa.
1.2.3.1.2. S.I.P. Fuera de Línea.
Es cuando la salida del sistema está desacoplada de la carga crítica
mientras la alimentación convencional continúe en buenas condiciones.
FIG. N°°°° 4-24. S.I.P. FUERA DE LÍNEA.
Fuente: La Cotera, Gary. (1.998).
En este sistema, mediante la salida de control, desacopla al suministro
convencional cuando detecta que alguno de los parámetros, (voltaje, frecuencia,
nivel de ruido), se sale del rango especificado, se conecta él mismo para seguir
alimentando la carga hasta que se restablezcan las condiciones del generador o de
las fuentes de energía eléctrica.
Este sistema tiene como ventaja una implementación sencilla y económica,
únicamente trabaja cuando hay falla en el suministro convencional (generador y/o
fuentes de energía). Y a su vez tiene como desventajas una perturbación en la
carga crítica, cuando falla la alimentación convencional, producto de la
conmutación, además dicha carga crítica está sometida a más variaciones en los
parámetros de alimentación que en las demás modalidades, ya que el Sistema
Ininterrumpido de Potencia no actúa sino cuando las variaciones se salen de cierto
rango, permitiéndose las que estén dentro del mismo, para no causar un excesivo
numero de conmutaciones.
2. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS.
La necesidad de asegurar la continuidad de energía eléctrica
(ininterrumpida e incesante) al Sistema de Carga o Sistema de Control y Registro
de Cementación en la Gabarra B-1.005 de la empresa Dowell Schlumberger,
permitió la aprobación del presente estudio, para lograr una confiabilidad en el
cumplimiento de los procesos operativos de cementación, y minimizando los
tiempos de atención horas-hombre de las fallas ocurridas en el sistema de
alimentación de energía eléctrica del Sistema de Carga.
Para lograr la protección de los equipos y procesos de control del sistema
de carga, importantes para la gabarra y por lo tanto para la empresa, fue necesario
la implantación de un sistema ininterrumpido de potencia, para brindar eficacia,
seguridad y garantía en dichos equipos y procesos.
De acuerdo con los resultados, obtenidos en la evaluación de la
implantación del sistema de control electrónico, se constató que este cumple de
una manera eficiente con los objetivos para los cuales fue proyectado.
CONCLUSIONES