ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL ...
Transcript of ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL ...
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA
ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL COMPLEJO DE FRACCIONAMIENTO DE
GLP ULÉ. PDVSA
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA
PRESENTADO:
GARCÍA G, RUBÉN J. CI. 14801574
GRIMÁN L, EILLEEN MARÍA.
CI. 14181772
ASESORADO POR:
TUTOR INDUSTRIAL Ing. Osvaldo Romero
TUTOR ACADÉMICO TUTOR METODOLÓGICO Ing. Johanna Ferrer Prof. Beatriz Isamberg
MARACAIBO, FEBRERO DEL 2002
iv
DEDICATORIA
Cuando los tropiezos son grandes en la vida, el truco está en saberse
levantar rápido y seguir hacia delante abriéndose camino. En el camino me
conseguí con muchas piedras pero supe llegar al final y conseguir la meta.
Por ello dedico mi éxito a:
La memoria del ING. Osvaldo Romero quien en vida fuera mi tutor
industrial y amigo; y que a pesar de su pérdida física siempre estuvo
conmigo.
A mis padres que supieron apoyarme y comprenderme en todo
momento, a demás de darme todo en la vida para lograr mis propósitos.
Rubén García
v
DEDICATORIA
A la memoria del Sr. Ingeniero Osvaldo Romero
con quien tuve la oportunidad de compartir sus grandes
conocimientos, su prematura ausencia me privó de ese
manantial de sabiduría que le caracterizaba.
A mis padres quienes son símbolo de amor y
orgullo y que serán siempre mi ejemplo a seguir.
Para ellos un homenaje póstumo, el tributo
merecido de mi tesis de grado.
Eilleen Grimán
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios por sobre todas las cosas.
A mi familia por todo su apoyo en los momentos más necesitados
además de su comprensión.
A mi compañera ya amiga Eilleen Grimán que estuvo allí en todo
momento cuando las cosas se nos ponían difíciles.
A todo el personal que labora en la planta GLP-ULÉ por todo el apoyo
brindado durante la investigación.
A la Ingeniera Johanna Ferrer y la Profesora Beatriz Isamberg.
Al Ingeniero Osvaldo Romero e Ingeniero Elvis Villalobos, por su apoyo
técnico brindado.
A todos en general que de una y otra forma colaboraron en el desarrollo
de la presente investigación.
A todos muchas gracias.
Rubén García
vii
AGRADECIMIENTO
Al Dios Omnipotente que me concedió la vida, entendimiento, capacidad
e inteligencia; que me regaló unos padres extraordinarios que me enseñaron
que no hay barreras que no podamos derribar, ni obstáculos que no
podamos vencer cuando se desea con anhelo triunfar.
A mi compañero de tesis y gran amigo Rubén García con quien
compartí y logré superar momentos muy difíciles a lo largo de la realización
de esta investigación.
A mis amigos y familia, en especial a mis hermanos quienes
representan siempre mis ganas de seguir adelante.
Al personal que labora en la Empresa PDVSA GAS Occidente por
haberme dado todo el apoyo necesario para que esta investigación culminare
con éxito.
Al Ingeniero Elvis Villalobos por su valiosa ayuda.
A la Ingeniera Johanna Ferrer y la Profesora Beatriz Isamberg quienes
compartieron sus conocimientos en la realización de esta investigación.
A los Ingenieros Angel Rojas, Alejandro Ledesma y Gilberto López por
su gran apoyo.
A todos aquellos que siempre estuvieron presente de una u otra forma
muchas gracias.
Eilleen Grimán
viii
INDICE GENERAL Pág VEREDICTO ii
DEDICATORIA iii
AGRADECIMIENTO
v
INDICE GENERAL
vii
INDICE DE FIGURAS
xi
LISTA DE SÍMBOLOS
xiii
RESUMEN
xvi
ABSTRACT
xvii
INTRODUCCIÓN
1
CAPITULO I EL PROBLEMA
A.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
4
1.- FORMULACIÓN 8
B.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
8
1.- OBJETIVO GENERAL 8
2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8
C.- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
9
CAPITULO II MARCO TEORICO
A.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
12
ix
B.- BASES TEORICAS
14
1.- SISTEMA DE CONTROL
15
2.- TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
15
2.1.- SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO
16
2.2.- SISTEMA DE CONTROL A LAZO CERRADO
17
3.- CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS
19
3.1.- VARIABLES DEL PROCESO
20
4.- TIPOS DE CONTROLADORES
22
4.1.- CONTROL PROPORCIONAL
22
4.2.- CONTROL INTEGRAL
24
4.3.- CONTROL DERIVATIVO
25
4.4.- CONTROL PROPORCIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVO
26
4.5.- CONTROL EN CASCADA
27
4.6.- CONTROL AVANZADO FEED-FORWARD
28
4.6.1. SISTEMAS PARA UN NIVEL DE LÍQUIDO Y PRESIÓN
31
4.6.2. CONTROL DE TEMPERATURA Y COMPOSICIÓN 35
4.6.3. APLICACIÓN A UN INTERCAMBIADOR DE CALOR.
36
4.7.- COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO
41
5.- GAS NATURAL
43
5.1.- PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL 44 6.- GAS LICUADO DE PETROLEO
45
6.1.- PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DE GLP
46
6.2.- PARÁMETROS CLAVES DE LA TORRE 48
x
6.3.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO
DENTRO DE LA TORRE
49
6.4.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DE
LA PLANTA GLP-2
51
6.4.1.- SECCION DESPROPANIZADORA 51
6.4.2.- SECCION DESBUTANIZADORA 56
7.- SISTEMA TDC-3000
59
8.- SIMULACIÓN DE PROCESOS 61
8.1.- HYSYS DINAMICO 65
C.- DEFINICIÓN DE TERMINOS BÁSICOS 66
D.- SISTEMA DE VARIABLES
72
CAPITULO III MARCO METODOLOGICO
A.- TIPO DE INVESTIGACIÓN 75
B.- METODOLOGÍA APLICADA 76
C.- EQUIPOS Y HERRAMIENTAS UTILIZADAS
78
CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACION
A. FUNCIONAMIENTO OPERACIONAL DE LOS ESQUEMAS DE
CONTROL EXISTENTES EN LA PLANTA.
80
B. FALLAS QUE INTERVIENEN DIRECTAMENTE CON LOS
ESQUEMAS DE CONTROL
91
xi
C. ALTERNATIVA QUE SOLVENTA LA PROBLEMÁTICA
EXISTENTE EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN
93
D. SIMULACION DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
DISEÑADO
95
E. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 98
CONCLUSIONES
104
RECOMENDACIONES
105
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA
106
ANEXOS 108
xii
INDICE DE FIGURAS FIGURAS Pág
1. ELEMENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO
ABIERTO
16
2. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL
DE VELOCIDAD EN RALETÍN EN LAZO CERRADO
18
3. RESPUESTA DEL CONTROLADOR PROPORCIONAL
INTEGRAL
25
4. SISTEMA DE CONTROL EN CASCADA 28
5. SISTEMA DE CONTROL FEED-FORWARD 29
6. FLUJO DE ALIMENTACIÓN DE LÍQUIDO FIJADO IGUAL AL
FLUJO DE VAPOR DE UNA CALDERA
33
7. EL SISTEMA DE CONTROL FEED-FORWARD CALCULA EL
FLUJO DE VAPOR CORRECTO PARA CORRESPONDER LA
CARGA DE CALOR ACTUAL
38
8. LOS CÁLCULOS REALIZAN EL BALANCE DE ENERGÍA EN
ESTADO ESTACIONARIO
38
9. GRÁFICAS DE TEMPERATURA VS FLUJO 41
10. COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO BASADO EN EL
MODELO
43
11. COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO COMPLETA 43
12. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN A GLP-2 52
xiii
13. TORRE DESPROPANIZADORA 53
14. TORRE DESBUTANIZADORA 58
15. SECCION DESPROPANIZADORA 82
16. SECCION DESBUTANIZADORA 88
17. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL FEED-FORWARD 94
18. TIEMPO DE ESTABILIZACIÓN DE LA TEMPERATURA DE
FONDO DE LA TORRE DESPROPANIZADORA
99
19. CONTROL FEED-FORWARD EN LA TORRE D8-504 100
20. CONTROL FEED-FORWARD EN LA TORRE D8-506 101
xiv
LISTA DE SIMBOLOS
c Variable Controlada
cp Valor Pico de c
Cp Capacidad Calorífica
d Diferencial
e Desviación
E Flujo de Error Integrado
f Flujo Controlado
fi Entrada de flujo Fraccional
fΤ Salida de Flujo Fraccional
F Retroalimentación para un controlador de nivel
Gm Retroalimentación para un controlador de temperatura
gp Flujo Total
gq Vector Ganancia Dinámica para m
Hs Vector de ganancia Dinámica para procesos
I Vector Ganancia Dinámica para q
I1 Calor Latente de Vapor
I2 Tiempo Integral
IE Primer tiempo Integral
IAE Segundo Tiempo Integral
xv
K Constante
Km Ganancia de estado estacionario hasta m
kp Ganancia de proceso en estado estacionario
kq Ganancia de estado estacionario hasta q
m Variable manipulada
ml Salida del controlador de nivel
mΤ Salida del controlador de temperatura
N Número de elementos en el arreglo
P Banda proporcional
PL Banda proporcional del controlador de nivel
Q Carga
Q Razón de transferencia de calor
R Punto de ajuste (set point)
R Radio
T Tiempo
tc Tiempo de cruce
tp Tiempo Pico
Τ Número de elemento en arreglo
Τ1 Temperatura de Entrada
Τ2 Temperatura de salida
Τ2 Punto de Ajuste de Temperatura de salida.
V Volumen
*
xvi
WF Alimentación
WF Punto de Ajuste en la Alimentación
WP Flujo de fluido de procesos
WS Flujo de Proceso
WS Punto de Ajuste de Flujo de Vapor
x Entrada para Compensador Dinámico
y Salida de la función de tiempo muerto o retraso
z Salida de la función de adelanto – retraso
∆ Diferencia
∆t Intervalo de muestra
τ Constante de Tiempo
τd Tiempo muerto
τdm Tiempo muerto para m
τdq Tiempo muerto para q
τf Filtro de tiempo constante
τm Tiempo de retraso para m
τq Tiempo de retraso para q
τv Tiempo constante del recipiente
τ1 Constante de tiempo de adelanto
τ2 Constante de tiempo de retraso
xvii
RESUMEN
García G., Rubén J y Grimán L., Eilleen M. “ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL COMPLEJO DE FRACCIONAMIENTO GLP ULE”. Universidad Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Trabajo Especial de Grado. 2001.
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo fundamental crear nuevas estrategias de control en las torres de separación de la planta GLP-2 basadas en la técnica de control avanzado Feed-Forward (acción precalculada) con la finalidad de minimizar las variaciones de la cantidad y calidad de los productos terminados para generar valor agregado al complejo GLP-ULÉ. Esta investigación es de tipo Descriptiva y Aplicada, apoyada además en una investigación de campo; utilizando la metodología de Shinskey para fundamentar las bases teóricas adaptando algunas de sus etapas o fases a esta investigación. Para cumplir a cabalidad con los objetivos planteados para esta investigación y buscar la propuesta más adecuada que pueda solucionar el problema planteado por PDVSA GAS se hace necesario el uso del simulador Hysys Plant, el cual permitió evaluar y comparar fuera de línea los nuevos esquemas de control obteniendo como resultado un mejoramiento en el proceso de fraccionamiento ya que se logró mantener la composición de los productos de tope y fondo de las Torre Despropanizadora y la Torre Desbutanizadora dentro de las especificaciones especificaciones requeridas. Se ha logrado un esquema de control avanzado que permita la continuidad del proceso a pesar de las perturbaciones del flujo de alimentación y el flujo de reflujo, mejorando la rapidez de respuesta y estabilidad del sistema; además de que se logró aumentar el grado de automatización de la planta lo que permite minimizar los venteos de productos ocasionados por acciones no adecuadas de operaciones de control. Palabras Claves: Estrategia, Control, Valor Agregado, Automatización, Fraccionamiento.
xviii
ABSTRACT
García G., Rubén J and Grimán L., Eilleen M. ESTRATEGIAS OF CONTROL IN THE TOWERS OF SEPARATION OF THE COMPLEX OF DIVISION OF GLP ULE.. University Rafael Belloso Chacín. Faculty of Engineering. School of Electronics. Special work of Degree. 2001.
The present investigation work has as fundamental objective to create new control strategies in the plant GLP-2 based on the Feed-Forward advanced control with the purpose of minimizing the variations of the quantity and quality of the products finished to generate value added the complex GLP-ULÉ. This investigation is of Descriptive and Applied type, also supported in a field investigation; using the methodology of Shinskey to base the theoretical bases adapting some of their stages or phases to this investigation. To fulfill to cabalidad the objectives outlined for this investigation and look for the most adequate proporsal allowing the solution to the problem stated in PDVSA GAS it becomes necessary the use of the Dynamic Hysys Simulator, which allowed to evaluate and to compare outside of line the new control outlines obtaining an improvement as a result since in the division process was achieved that the product of top and bottom of the Depropanizer Tower and Debutanizer Tower is qualitatively and quantitativelly. An advanced control has been achieved that allows the continuity of the process in spite of the feed rate and reflujo rate interferences improving the answer speed, it has been achieved the plant automatization grade for decrease the bunghole provoking for no actions adequate of the control perations. Key Words: Strategies, Control, Value Added, Automatization,
Fraction.
1
INTRODUCCION.
En la actualidad, el desarrollo tecnológico de la Industria se ha
orientado hacia la automatización de los Procesos, desde los más complejos
hasta los más sencillos y cotidianos, debido a que los procesos
automatizados brindan una mayor economía, la cual viene dada por la
reducción de la intervención humana, mayor precisión y el funcionamiento
óptimo y versátil de los equipos que conforman el proceso aumentando así
su eficiencia.
El Gas, juega un papel fundamental en la Industria Petrolera Nacional,
siendo utilizado en la División de Occidente para el Levantamiento Artificial,
Obtención de GLP (Gas Licuado del Petróleo), Inyección a pozos, y
Consumo Doméstico e Industrial.
El propósito de esta investigación consiste en proponer nuevas
estrategias de control en las torres de separación de GLP-2 en el complejo
GLP-ULÉ. Hoy en día existen varias estrategias de control que
normalmente se encuentran a lazo abierto o con una marcada inestabilidad
debido a problemas de entonamiento o poca robusticidad de las mismas, por
tal razón se observan pérdida de oportunidad en la producción por exceso o
déficit en la calidad de los productos.
2
En esta investigación se plantean una serie de alternativas capaces de
minimizar las variaciones de la cantidad de los productos terminados a través
de un control avanzado feedforward.
Con la finalidad de cumplir con uno de los requisitos del programa
regular de Ingeniería Electrónica de la Universidad Rafael Belloso Chacín se
presenta la siguiente investigación la cual está estructurada en cuatro
capítulos:
CAPITULO I, El Problema donde se formulan justifica y delimita el
problema, y como se plantean los objetivos generales y específicos de la
investigación.
CAPITULO II, Marco Teórico en donde se describen las bases teóricas
en las cuales se sustenta el estudio investigativo.
CAPITULO III, Marco Metodológico en el cual se presentan el tipo de
investigación, la metodología aplicada y equipos o herramientas utilizadas.
CAPITULO IV, Resultados de la Investigación que consiste en aplicar la
metodología de la investigación a la información obtenida, y realizar un
análisis que de origen a la propuesta sugerida.
Y para culminar, basándonos en los capítulos desarrollado en esta
investigación se presentan las conclusiones y recomendaciones.