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CAPTULO II
MARCO TERICO
El presente captulo, consta de antecedentes que han servido de base
para el inicio de esta investigacin, se conocern casos de investigaciones
que han aportado informacin importante, terica y prctica para el desarrollo
de la misma. Seguidamente se desarrollan las bases tericas que sustentan
la investigacin, tambin se definirn los trminos bsicos y por ltimo las
variables de la investigacin.
1. Antecedentes de la Investigacin
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Lara, (2003), en su proyecto de grado para optar al ttulo de MSc. en Ing.
de Control y Automatizacin de Procesos, en la Universidad Dr. Rafael
Belloso Chacn, en Maracaibo, el cual se titula Diseo de Estrategias de
Control PID y Predictiva en Planta de Manufactura de Propileno Grado
Polimero , cuyo propsito de optimizar y automatizar el proceso de
fraccionamiento del propano-propileno proveniente del complejo refinador de
Paraguan CRP. Se realiz un estudio en el cual se analizaron las diversas
estrategias de control existente en la planta y se diagnosticaron las causas
que originaban que algunas estrategias fuesen deficientes.
Por otro lado, se analiz la forma manual en la cual era operado el sistema
con el propsito de desarrollar los nuevos controladores que permiten que el
proceso fuese realizado en automtico. As mismo, la carencia de
aislamiento trmico brind la oportunidad de desarrollar modelos
matemticos para la seccin superior de la torre de fraccionamiento. Este
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modo de disear y seleccionar el controlador automtico especfico para el
proceso en estudio.
En el trabajo propuesto por Gonzlez (2005), titulado Sistema de
Control PID para el Sistema de Recirculacin de la Estacin de Bombeo
de Crudo Ul-1 PDVSA, como Trabajo de Grado (MSc. en Ingeniera de
Control y Automatizacin de Procesos) en la Universidad Dr. Rafael Belloso
Chacn, dirigido a la aplicacin de un sistema de Control PID para el
incremento de tasa de bombeo de crudo a travs del sistema de recirculacin
en la Estacin de bombeo Ul-1, tomando como punto de inters el estudio
de confiabilidad del proceso de suministro del crudo.
De igual manera se desarrolla la simulacin del proceso de recirculacin,
de manera de confirmar la confiabilidad del manejo de produccin con este
proceso y establecer los parmetros operacionales requeridos para el
incremento de la tasa de bombeo de crudo a travs de la lnea APL-1 hacia
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Gonzlez con su investigacin, dirigida a la aplicacin de un sistema de
control para incrementar la tasa de bombeo de crudo, proporciona muchas
ideas en cuanto a la simulacin del proceso (estacin de bombeo) para la
investigacin actual, as como tambin brinda un significante aporte en
cuanto a la estrategia utilizada, ya que los resultados obtenidos fueron
satisfactorios.
En esta misma temtica, Osorio (2005), en su trabajo titulado Estrategia
de control para optimizar la inyeccin de gas en pozos con mtodo
L.A.G. de la U.E. Tierra Oeste , desarrollado como Trabajo de Grado para
optar al ttulo de MSc. en Ing. de Control y Automatizacin de Procesos en la
Universidad Dr. Rafael Belloso Chacn, presenta el diseo de una estrategia
de control para optimizar la inyeccin de gas y produccin de crudo en pozos
con mtodo L.A.G. de la U.E. Tierra Oeste. Los fundamentos tericos de la
automatizacin de procesos y el mtodo de levantamiento artificial por gas
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proceso de identificacin del sistema y el establecimiento de una filosofa de
control adecuada.
Asimismo, el sistema de control fue desarrollado por medio de una
Metodologa constituida por cinco fases: Fase I, Estudio del Sistema Actual
de ajuste de inyeccin; Fase II, Diseo y construccin de un sistema de
captura de datos de las variables del proceso de produccin del pozo L.A.G.;
Fase III, Identificacin del proceso utilizando los mtodos de estimacin de
modelos paramtricos; Fase IV, Diseo del sistema de Control; Fase V,
Simulacin del comportamiento del esquema de control definido para evaluar
su respuesta y determinar si cumple con los lmites operacionales permitidos.
Con las pruebas realizadas a este modelo se cumplen a cabalidad los
objetivos establecidos en esta investigacin, logrando que la produccin del
pozo pueda ser controlada de manera satisfactoria, controlando la dinmica
del proceso, garantizando el menor consumo de gas de levantamiento.
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control del suministro de gas a la turbina de la estacin de bombeo
Pajuizal , se enfoca en la bsqueda de la solucin al problema que se
plantea en la estacin de bombeo de Pajuizal, donde existe la necesidad de
Optimizar el Sistema de Control PID aplicado a la vlvula de suministro de
gas a la turbina Orenda, mediante un PLC para el arranque de la misma, el
cual garantice el buen funcionamiento de la turbina por medio del control
PID.
La preocupacin principal de sta radica en descubrir las caractersticas
fundamentales de las variables en estudio una vez planteada la
investigacin. Partiendo de las necesidades del modelo, se busca como fin
directo la Optimizacin del sistema de control para el arranque de la turbina
de la estacin en un lapso de tiempo corto.
La investigacin fue desarrollada en tres fases fundamentales las cuales
son; Fase 1: Descripcin de la situacin actual; Fase 2: Identificacin del
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misma problemtica en cuanto a la disponibilidad del fluido que se maneja en
la planta, denotando la importancia de la aplicacin de un sistema de control
que permita la regulacin del fluido y garantice el funcionamiento de la planta
en ptimas condiciones, basndose en teoras de control.
2. Fundamentacin Terica
A continuacin se incluyen los fundamentos, definiciones, descripciones y
teoras en los cuales se soporta tericamente el presente trabajo de
investigacin, a los trminos asociados con la variable de investigacin, es
decir, Sistema de Control para las Bombas Centrfugas y Verticales.
2.1 Estacin de Bombeo de Agua Salada II (EBAS-II).
La Planta EBAS-II, est conformada por diez (10) bombas, las cuales
fueron concebidas para el suministro de agua salada al sistema de
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observar la Arquitectura Actual del Sistema de Control EBAS-II, en l se
indica la ubicacin del sistema de control y las direcciones del conexionado,
especificando desde la Sala de Control del Bloque 29, la Sub-Estacin 44-
1/44-2 y el campo o rea EBAS-II.
Figura 1.Arquitectura Actual del Sistema de Control EBAS-II. Elaboradopor Daz y Maldonado (2012)
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2.2 Bomba Centrfuga.
Una bomba centrfuga (ver Figura 2), es una mquina que consiste de un
conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja, o una cubierta
o coraza. Su caracterstica principal es que aumentan la energa del fluido
por la accin de la fuerza centrfuga provocada por el movimiento del fluido
dentro de un rodete. Se denominan as porque la cota de presin que crean
es ampliamente atribuible a la accin centrfuga. Las paletas imparten
energa al fluido por la fuerza de esta misma accin. As, despojada de todos
los refinamientos, una bomba centrfuga tiene dos partes principales: (1) Un
elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento
estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.
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Segn la Norma Interna PDVSA K375, denominada Instrumentacin de
Bombas, expone lo siguiente en referencia a las Bombas Centrfugas:
Bomba comnmente usada en el manejo y mezcla de fluidos de pozo.El movimiento rotativo del impelente (impulsor) en combinacin con lacarcasa de la bomba (voluta) aplica fuerza centrfuga para descargarlos fluidos de la bomba. La bomba centrfuga se utiliza generalmente en
operaciones que requieren alto volumen y baja presin de descarga.
2.3 Clasificacin de las Bombas Centrfugas.
De acuerdo a lo establecido por COVENIN, las bombas Centrfugas se
clasifican como se indica a continuacin:
1. Segn la configuracin del impulsor y velocidad especifica en:
Radiales, Flujo Mixto y Axiales.
2. Segn el nmero de impulsores en: Centrifuga Simple y Centrifuga
Multietapas.
3. Segn la configuracin de la carcasa en: de Voluta y de Difusor.
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2.4 Funcionamiento de una Bomba Centrfuga.
El flujo entra a la bomba a travs del centro u ojo del rodete y el fluido
gana energa a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera,
en direccin radial. Esta aceleracin produce un apreciable aumento de
energa de presin y cintica, lo cual es debido a la forma de caracol de la
voluta para generar un incremento gradual en el rea de flujo de tal manera
que la energa cintica a la salida del rodete se convierte en cabeza de
presin a la salida.
2.5 Partes constitu tivas de una Bomba Centrfuga.
Segn Viejo (2000), las partes constitutivas de una bomba centrfuga
dependen de su construccin y tipo. Por esta razn, existen innumerables
cantidades de piezas. De acuerdo a esto, se procede a definir slo las partes
ms significativas en una bomba centrfuga.
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1. Segn la manera de efectuar la conversin de energa: voluta (simple
y doble) y difusor.
2. Segn su construccin: de una pieza y partida (por un plano
horizontal, por un plano vertical y por un plano inclinado).
3. Segn sus caractersticas de succin: simple, doble y succin por un
extremo (lateral, superior e inferior).
4. Segn el nmero de etapas: de una etapa y de varias etapas.
2.5.2 Impulsores.
Igualmente, el autor citado anteriormente, establece lo siguiente con
respecto a los impulsores: "Recibe el lquido y le imparte una velocidad de la
cual depende la carga producida por la bomba (p. 40). Los impulsores son
conocidos como el corazn de la bomba, ya que es el elemento por medio
del cual se transmite la energa al fluido. Este se encuentra compuesto por
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Figura 3. Tipos de Impulsores segn el tipo de succin: simple succin y
doble succin. Elaborado por Viejo (2000).
2. Forma de las aspas: aspas tipo Francis, aspas curvas radiales, aspaspara flujo mixto y aspas tipo propela (Ver Figura 4). En un impulsor tipo
Francis las aspas tienen doble curvatura, son ms anchas y el flujo tiende a
ser radial. Un impulsor con flujo mixto puede manejar fluidos con slidos en
suspensin. Los impulsores de tipo propela, tienen pocas aspas y pueden
manejar lquidos con slidos en suspensin de tamao relativamente grande.
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3. Direccin del flujo:radial, mixto y axial (Ver Figura 5). Los impulsores
de simple curvatura son de flujo radial y estn sobre un plano perpendicular.
Un impulsor con flujo mixto puede manejar fluidos con slidos en suspensin.
Figura 5.Tipos de Impulsores: axial y mixto, respectivamente. Elaborado por
Viejo (2000).
4. Construccin mecnica: abierto, semiabierto y cerrado (Ver Figura 6).
Un impulsor abierto las paletas estn libres, extendindose desde el cubo
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Figura 6.Tipos de Impulsores abiertos. Elaborado por Viejo (2000).
2.5.3 Anil los de desgaste
Seguidamente, Viejo (2000, p. 41) define lo siguiente con respecto a los
anillos de desgaste:
Cumplen la funcin de ser un elemento fcil y barato de remover enaquellas partes en donde, debido a las cerradas holguras que seproducen entre el impulsor que gira y la carcasa fija, la presencia deldesgaste es casi segura. En esta forma, en lugar de tener que cambiar
todo el impulsor o toda la carcasa, solamentese quitan los anillos.
La funcion principal de los anillos de desgaste es actuar como
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Figura 7.Diferentes tipos de anillos de desgaste. Elaborado por Viejo (2000).
2.5.4 Estoperas, Empaques y Sellos
La funcin de estos elementos (ver Figura 8), es evitar el flujo hacia fuera,
del lquido bombeado a travs del orificio por donde pasa la flecha de la
bomba, y el flujo de aire hacia el interior de la bomba (Viejo, 2000).
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2.5.5 Flecha
La flecha de una bomba centrfuga (ver Figura 9), es el eje de todos los
elementos que giran en la bomba centrfuga, transmitiendo adems el
movimiento que le imparte la flecha del motor de acuerdo a lo descrito por
Viejo (2000, p. 43).
Figura 9.Flecha. Elaborado por Viejo (2000).
2.5.6 Coj inetes
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unidad existen: soporte de baleros, soporte de toda la bomba y soporte del
grupo bomba-motor (p. 48).
Haciendo referencia a lo anterior, los soportes de baleros (ver Figura 10)
son los alojamientos donde los baleros entrar con un ajuste especial
quedando en una posicin definida, perfectamente concntrica con el eje de
la flecha. Otra funcin que cumplen los mismos, es de contener el lubricante
necesario para la operacin correcta de los mismos. El soporte de toda la
bomba, es aquel que sostiene todo el peso de la misma.
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Figura 11.Base para grupo Bomba-Motor. Elaborado por Viejo (2000).
2.6 Bombas Centrfugas. Generalidades
Segn la Normativa interna existen diversas consideraciones que se
deben tomar en cuenta con respecto a las bombas centrfugas. La norma,
denominada Instrumentacin de Bombas, establece lo siguiente:
1. En caso de ser necesario, se utilizarn vlvulas de control en la lnea
de recirculacin de la bomba para lograr mejoras en su desempeo.
2. Las Bombas centrfugas impulsadas por turbinas de vapor de
velocidad variable pueden ser ajustadas mediante el gobernador de la
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4. Se permite utilizar bombas centrfugas impulsadas por motores
elctricos controlados por variadores de velocidad.
5. Las bombas e impulsores que tengan sistemas de instrumentacin
propietarios para su operacin y/o proteccin, deben estar de acuerdo con
los requerimientos establecidos en la norma y contar con la aprobacin del
ingeniero de instrumentacin y control.
6. Las bombas centrfugas deben cumplir con los requerimientos de
proteccin indicados en las normas API STD 610 y 682.
2.7 Variables de Proceso
Los parmetros operacionales para la proteccin y control de bombas
centrfugas (a excepcin de lo establecido en API 670) son:
1. Monitoreo de la temperatura de la cara estacionaria del sello.
2. Temperatura de cojinete.
3 Presin en la succin
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2. Alto desplazamiento axial.
3. Vibracin de la carcasa (para cojinetes antifriccin).
4. Alta temperatura de cojinete.
5. Alta presin de descarga.
6. Bajo nivel en el tanque de aceite de sello.
7. Alarma o paro por baja presin de succin de la bomba. Dependiendo
de la criticidad de la bomba se pueden implementar paros por baja presin
en la succin y/o alarma en el caso que su funcionamiento en esa condicin
afecte la integridad del proceso o la planta.
2.9 Controladores
PID
Las estrategias de control PID; Proporcional, Integral, Derivativa, se
incorporan en el ambiente industrial en el primer cuarto de este siglo, con un
esquema de ajuste puramente emprico. En la actualidad, pese al
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controladores adaptables sofisticados si estos vienen bajo una
empaquetadura PID.
Probablemente es debido a esta razn que en los ltimos aos varios
grupos que se encuentran en la vanguardia de la investigacin han invertido
un considerable esfuerzo en el desarrollo de nuevos algoritmos de control
basados en estructuras PID.
El controlador PID surge como consecuencia de la combinacin de tres
acciones bsicas de control; accin proporcional, integral y derivativa, cuyos
efectos ya eran conocidos a principios de siglo.
2.9.1 Estructura de un Contro lador PID
La figura a continuacin (Figura 12), representa un lazo de control simple,
de una entrada y una salida, en donde G(s) representa la funcin de
transferencia de la planta a controlar, y el bloque PID la funcin de
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Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones:
proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los
denominados P, I, PI, PD y PID.
2.9.2 Accin de control proporcional
Da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir
()= ()que descrita desde su funcin de transferencia queda como
se muestra en la ecuacin ()=. Donde Kp es una ganancia
proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier
planta estable, pero posee desempeo limitado y error en rgimen
permanente. De acuerdo a lo establecido por Ogata (1998) el control
proporcional se conoce como control continuo, ya que proporciona una
respuesta instantnea del controlador a los cambios que existan en el error
(p.215).
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La seal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la seal de
error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante,
o perturbaciones, el error en rgimen permanente es cero. Ogata (1998)
afirma con respecto a la accin integral lo siguiente: acta sobre la salida
para que cambie hasta un valor correcto necesario para mantener la
medicin en el valor de consigna. Cuanta ms pequea sea la accin de
reset o integral exista en el controlador, ms rpido cambia la salida en
funcin del tiempo.
2.9.4 Accin de control proporcional-integral
La accin de control proporciona-integral se define mediante la ecuacin
2,
()= () +
()
(2)
Donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la accin integral.
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Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error de estado
estacionario, aade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor
ms grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precisin en
estado estable.
2.9.6 Accin de control Proporc ional-Integral-Derivativa
Las acciones de control proporcional, integral y derivativa combinadas
renen las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales.
La ecuacin de un controlador con esta accin combinada se obtiene
mediante la ecuacin 6:
()= () +
() + ()
(6)
Y su funcin de transferencia resulta (ecuacin 7):
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principal objetivo ser arrojar la informacin necesaria para poder dar
solucin a la problemtica. En el caso de la presente investigacin, se tienen
dos variables; como lo son las Bombas Centrfugas y el Sistema de Control.
3.1 Definicin Conceptual
A continuacin se hace la definicin conceptual de la variable de estudio,
que en esta investigacin se encuentran representada por: Sistema de
Control para las Bombas Centrfugas Verticales.
3.1.1 Sistema de Control para Bombas Centrfugas Verticales
Segn Viejo (2000), la definicin para una bomba centrfuga es la
siguiente:
Bomba que aprovecha el movimiento de rotacin de una rueda conpaletas (rodete) inserida en el cuerpo de la bomba misma. El rodete,alcanzando alta velocidad, proyecta hacia afuera el agua anteriormente
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otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado. La
finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulacin de
las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo
que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).
De acuerdo a lo expuesto anteriormente se puede establecer una
definicin conceptual para la variable en estudio. Un sistema de control para
Bombas Centrfugas Verticales es un conjunto de elementos o componentes
destinado a regular la conducta, comportamiento u operacin de las bombas
centrfugas verticales, de tal modo que las mismas operen dentro de un
rango determinado o cumplan con requerimientos especficos previamente
establecidos, con la finalidad de que el proceso opere sin ningn
inconveniente.
3.2 Definicin Operacional
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acuerdo a los requerimientos necesarios, as como tambin que el proceso
se realice con total normalidad, sin presentar ningn tipo de inconveniente en
lo que respecta a la operacin de las bombas centrfugas verticales. Es un
sistema encargado de controlar las bombas en cuestin, de tal modo que las
mismas surtan a las dems plantas que conforman la refinera sin presentar
problema alguno, de acuerdo a especificaciones previamente implantadas.
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Cuadro 1. Operacionalizacin de las Variables.
Objetivos Especficos Variable rea Sub-rea
Diagnosticar el funcionamiento actual de lasbombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera(EBAS).
Sistema de Control
para BombasCentrfugasVerticales
Caractersticas defuncionamiento de lasbombas.
- Variables defuncionamiento.- Condiciones deoperacin.
Definir las variables operativas en lasbombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera
(EBAS).
Anlisis de las variables acontrolar
- Flujo- Presin
Modelar matemticamente el sistema de lasbombas Centrfugas verticales en EBAS.
Modelo matemtico delcomportamiento de lasBombas CentrfugasVerticales.
- Controlabilidad- Observabilidad- Estabilidad
Disear el Sistema de Control aplicado alas bombas Centrfugas Verticales, enEstacin de Bombeo de Agua Salada enRefinera (EBAS).
Estrategia de control autilizar en el sistema. - PI
- PD- PIDSistema de control.
Validar el Sistema de Control aplicado abombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera(EBAS) a travs de su simulacin.
No operacional
Fuente: Daz 2012. Elaboracin propia.