ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERIA ELCTRICA Y ELECTRNICA

INGENIERA BSICA DEL REA ELCTRICA Y DE INSTRUMENTACIN PARA LA CONSTRUCCIN DE UNA

PLATAFORMA PETROLERA DE PRODUCCIN ECUATORIANA

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TITULO DE INGENIERO EN ELECTRNICA Y CONTROL

NATHALIE VERNICA ESCOBAR MARTNEZ

DIRECTOR: DR. LUIS CORRALES.

Quito, febrero 2008 luisco5049@yahoo.com

nathalie_escobar@yahoo.com

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DECLARACIN

Yo Nathalie Vernica Escobar Martnez, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de mi autora; que no ha sido previamente presentada para ningn grado o calificacin profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este documento.

A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

__________________________________

Nathalie Vernica Escobar Martnez.

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CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Nathalie Vernica Escobar Martnez, bajo mi supervisin.

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Dr. Luis Corrales DIRECTOR DE PROYECTO

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por concederme vida y salud.

Al Dr. Luis Corrales por su valiosa gua en la direccin de este trabajo, por su comprensin y amistad.

A la empresa ARB Ecuador por brindarme la informacin y el apoyo necesario.

Al Ing. Elvis Escobar por su aporte incondicional en el desarrollo de este documento, por ser mi inspiracin profesional, mi hermano y mi amigo.

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DEDICATORIA

Para ti, a quien he prometido dedicar los mejores logros de mi vida.

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CONTENIDO

RESUMEN

PRESENTACIN

CAPITULO 1: GENERALIDADES 1.1 DEFINICIN DE PETRLEO. 1.2 DEFINICIN DE UNA PLATAFORMA DE PRODUCCIN. 1.2.1 PLATAFORMA DE PRODUCCIN ON SHORE. 1.2.2 PLATAFORMA DE PRODUCCIN OFF SHORE. 1.3 DEFINICIN DE CENTRO DE FACILIDADES DE PRODUCCIN. 1.4 TIPOS DE DISEO E INGENIARAS. 1.4.1 INGENIERA BSICA. 1.4.2 INGENIERA DE DETALLE. 1.5 DISEO BAJO CDIGOS INTERNACIONALES. 1.5.1 CDIGO NACIONAL ELCTRICO (NEC). 1.5.2 SOCIEDAD DE INSTRUMENTISTAS DE AMRICA (ISA). 1.5.3 INSTITUTO DE PETRLEO AMERICANO (API).

1.5.4 INSTITUTO DE INGENIEROS ELCTRICOS Y ELECTRNICOS. 1.6 DESCRIPCIN DE UNA PLATAFORMA DE PRODUCCIN 1.6.1 DESCRIPCIN DEL REA DE POZOS. 1.6.2 DESCRIPCIN DEL REA DE PROCESOS. 1.6.2.1 Manifold de entrada. 1.6.2.2 Sistema de aire de instrumentos y utilidades. 1.6.2.3 Tanque sumidero. 1.6.2.4 Piscina desnatadora. 1.6.2.5 Sistema de inyeccin de qumicos.

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CAPITULO 2: DISEO DEL SISTEMA ELCTRICO. 2.1 DEFINICIN DE REAS PELIGROSAS. 2.1.1 CLASIFICACIN. 2.1.1.1 Clase.

2.1.1.2 Divisin.

2.1.1.3 Grupo.

2.1.2 CODIFICACIN GRFICA. 2.1.3 CONSIDERACIONES SOBRE EQUIPO ELCTRICO.

2.2 GENERALIDADES DEL SISTEMA ELCTRICO. 2.2.1 TIPO DE SISTEMA DE DISTRIBUCIN.

2.2.2 CONSIDERACIONES SOBRE LAS ACOMETIDAS, ALIMENTADORES Y CIRCUITOS RAMALES.

2.2.3 CONSIDERACIONES SOBRE EL CUARTO DE CONTROL ELCTRICO.

2.2.3.1 Definicin de tablero elctrico. 2.2.3.2 Definicin de centro de control de motores.

2.3 IDENTIFICACIN DEL EQUIPO ELCTRICO. 2.3.1 MOTORES 2.3.1.1 Valores normalizados de potencia. 2.3.1.2 Seleccin de voltajes para motores. 2.3.1.3 Aislamiento.

2.3.1.4 Factor del servicio. 2.3.1.5 Arranque de motores. 2.3.1.6 Ubicacin. 2.3.1.7 Calentadores

2.3.2 CENTRO DE CONTROL DE MOTORES PARA BAJA TENSIN. 2.3.3 CENTRO DE CONTROL DE MOTORES PARA MEDIA TENSIN.

2.3.4 TRANSFORMADORES. 2.3.4.1 Tipos.

2.3.4.2 Voltaje y frecuencia. 2.3.4.3 Capacidad. 2.3.4.4 Ubicacin.

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2.4 DISEO DEL SISTEMA DE ILUMINACIN. 2.4.1 CLCULO DE NIVELES DE ILUMINACIN. 2.4.2 NIVELES RECOMENDADOS DE ILUMINACIN. 2.4.3 CONSIDERACIONES DEL SISTEMA DE ILUMINACIN. 2.5 SELECCIN DE LOS CONDUCTORES. 2.5.1 SELECCIN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES DE POTENCIA

E ILUMINACIN. 2.5.2 CALIBRE MNIMO DE LOS CONDUCTORES. 2.5.3 AISLAMIENTO. 2.5.4 CABLES CON CUBIERTA METLICA. 2.6 SELECCIN DE CANALIZACIONES ELCTRICAS. 2.7 CRITERIOS DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 2.7.1 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN. 2.7.2 PUESTA A TIERRA DE SERVICIO.

2.7.3 SISTEMA GENERAL DE TIERRAS.

2.8 CRITERIOS DE DISEO DEL SISTEMAS DE PROTECCIN CONTRA RAYOS (SPR)

2.9 TIPO DE DISPOSITIVOS DE MANDO Y PROTECCIN. CAPITULO 3: DISEO DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIN. 3.1 SMBOLOS Y DIAGRAMAS. 3.1.1 DIAGRAMAS DE INSTALACIONES. 3.1.2 SMBOLOS Y ABREVIATURAS.

3.1.2.1 Identificacin de Instrumentos. 3.1.2.2 Designacin de instrumentos por crculos. 3.1.2.3 Fuentes de Alimentacin. 3.1.2.4 Lneas de Instrumentacin.

3.2 IDENTIFICACIN DE INSTRUMENTOS. 3.2.1 CARACTERSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS.

3.2.2 CLASIFICACIN DE LOS INSTRUMENTOS. 3.2.2.1 Por funcin del instrumento en el proceso. 3.2.2.2 Por la variable que mide el instrumento.

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3.2.3 INSTRUMENTOS APROBADOS PARA EL USO EN INSTALACIONES PETROLERAS.

3.2.3.1 Flujo. 3.2.3.1.1 Medidores turbina.

3.2.3.2 Nivel. 3.2.3.2.1 Transmisores de nivel.

3.2.3.3 Presin. 3.2.3.3.1 Indicadores de presin. 3.2.3.3.2 Interruptores de presin. 3.2.3.3.3 Transmisores de presin. 3.2.3.4 Temperatura. 3.2.3.4.1 Termopares.

3.2.3.4.2 Termoresistencias.

3.2.3.4.3 Indicadores de temperatura. 3.2.4 IMPORTANCIA DE LA CALIBRACIN DE INSTRUMENTOS. 3.3 TIPOS DE VLVULAS. 3.3.1 Vlvulas de regulacin. 3.3.2 Vlvulas reductoras de presin. 3.3.3 Vlvulas de seguridad.

3.3.4 Vlvulas de retencin.

CAPITULO 4: DISEO DE UNA PLATAFORMA DE PRODUCCIN. 4.1 BASES DE DISEO. 4.1.1 DATOS GENERALES.

4.1.2 SISTEMA ELCTRICO. 4.1.3 SISTEMA DE INSTRUMENTACIN. 4.1.4 SISTEMA DE CONTROL.

4.2 DESCRIPCIN DEL PROCESO. 4.3 FILOSOFA DE OPERACIN DE LA PLATAFORMA. 4.3.1 POZOS.

4.3.2 INLET MANIFOLD Y LNEA DE TRANSPORTE. 4.3.3 SISTEMA DE MEDICIN DE CAUDALES.

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4.3.4 SISTEMA DE AIRE DE INSTRUMENTOS Y UTILIDADES. 4.3.5 TANQUE SUMIDERO. 4.3.6 PISCINA DESNATADORA. 4.3.7 SISTEMA DE INYECCIN DE QUMICOS. 4.3.8 SISTEMA DE DETECCIN DE INCENDIOS. 4.3.9 PARADAS DE EMERGENCIA.

4.4 DISEO DEL SISTEMA ELCTRICO. 4.4.1 IMPLANTACIN DE EQUIPOS. 4.4.2 CLASIFICACIN DE REAS. 4.4.3 DIAGRAMA DE BLOQUES ELCTRICOS. 4.4.4 ESTUDIO DE CARGAS ELCTRICAS. 4.4.5 SELECCIN DE CONDUCTORES, ANLISIS DE CADA DE

VOLTAJE Y SELECCIN DE PROTECCIONES. 4.4.6 ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO. 4.4.7 DIAGRAMA UNIFILAR MCC-2400V.

4.4.8 DIAGRAMA UNIFILAR MCC-480V. 4.4.9 ILUMINACIN Y RECEPTCULOS.

4.4.9.1 rea de procesos. 4.4.9.2 rea de pozos.

4.4.10 PUESTA A TIERRA. 4.4.11 PARARRAYOS.

4.5 DISEO DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIN. 4.5.1 DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESO (PFD). 4.5.2 DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIN Y TUBERA (P&ID). 4.5.4 PLANOS DE UBICACIN DE INSTRUMENTACIN. 4.5.5 LISTADO DE SEALES E INSTRUMENTOS. 4.5.6 MATRIZ CAUSA EFECTO.

CAPITULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 5.1 CONCLUSIONES. 5.2 RECOMENDACIONES.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.

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ANEXO 1. CODIFICACIN DE DOCUMENTOS.

ANEXO 2. MEMORIAS DE CLCULO DEL DISEO DEL SISTEMA ELCTRICO.

ANEXO 3. PLANOS DEL DISEO DEL SISTEMA ELCTRICO.

ANEXO 4. DOCUMENTOS DEL DISEO DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACION. .

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RESUMEN

En este proyecto se elabora la ingeniera bsica, en el rea elctrica y de instrumentacin, de una plataforma de produccin ecuatoriana (well pad).

El diseo se bas en normas y estndares internacionales como por ejemplo la NEC y el API, y pretende ser una gua para el desarrollo de ingenieras de well pads para la empresa ARB Ecuador.

Se inici con la recopilacin de los criterios utilizados en el diseo de cada una de las reas de inters: elctrica e instrumentacin. Luego, esta informacin se aplic para la elaboracin de la ingeniera bsica de una plataforma de produccin.

A la well pad se le denomin Plataforma 211 y en ella se ubicaron toda la instalacin de equipos e instrumentos necesarios para la extraccin del crudo de diez pozos, considerando una reserva de dos pozos futuros. El mtodo de extraccin artificial sobre el cual se bas el diseo fue el de bombeo electrosumergible, y el tipo de perforacin el direccionado. Esta consideracin oblig a los cabezales de pozos a quedar alineados uno a continuacin de otro.

El diseo tambin tom en cuenta que se instalaran los equipos y la instrumentacin necesaria para el control del fluido dentro de la plataforma. Luego de su extraccin, el fluido ser direccionado a una red de coleccin central atravesando o no el sistema de medida de caudal. Se considera que una vez concluida la vida til del pozo, el sistema ser empleado para la inyeccin de agua de produccin en ellos.

Del diseo del sistema elctrico se produjo memorias de clculo y planos. Los temas tratados son: estudio de carga, seleccin de conductores, anlisis de cada de voltaje, cortocircuito, malla de puesta a tierra y pararrayos.

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Del diseo del sistema de instrumentacin se obtuvieron los P&ID de la plataforma.

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PRESENTACIN

La explotacin de crudo constituye un pilar importante en la economa de nuestro pas, tanto el estado como compaas privadas intervienen en la exploracin y produccin de este valioso recurso.

La empresa ARB Ecuador tiene como una de sus principales actividades el diseo, la construccin y el mantenimiento de instalaciones petroleras como lo son las plataformas de produccin. Con la finalidad de uniformizar los trabajos auspicia el desarrollo de diseos tipo que sean una gua para el trabajo de su departamento tcnico. Este trabajo se enmarca dentro de este objetivo.

Con este propsito se ha desarrollo el documento de la siguiente manera:

CAPITULO 1: Generalidades. Se revisa el marco conceptual necesario para la comprensin del trabajo. En la primera parte se familiariza con los tipos de plataformas de produccin y las ingenieras que pueden desarrollarse. Luego se revisan brevemente los organismos cuyas normas son de inters. Para terminar se describe la operacin general de una well pad.

CAPITULO 2: Diseo del sistema elctrico. Se listan las diferentes partes que conforman el sistema elctrico: conductores, equipo elctrico, puesta a tierra, pararrayos, etc., se citan las normas de referencia para cada uno de ellos y se resumen los principales aspectos a considerarse en planos y memorias de clculo.

CAPITULO 3: Diseo del sistema de instrumentacin. Se hace una breve descripcin de los instrumentos que se recomiendan para instalaciones petroleras, se estudian smbolos y abreviaturas normalizados y elaboran los planos de instrumentacin y tuberas (P&ID).

CAPITULO 4: Diseo de una plataforma de produccin. En la primera parte se establece las bases de diseo y se desarrolla la filosofa de operacin. Luego se

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desarrolla el diseo del sistema elctrico en base a los criterios recopilados en el captulo 2. Se finaliza con los planos P&ID que conforman el diseo de instrumentacin utilizando los smbolos e instrumentos estudiados en el captulo 3.

CAPITULO 5: Conclusiones y recomendaciones. Dentro de las conclusiones se incluyen todas las que surgieron durante la elaboracin de este trabajo. Las recomendaciones renen algunas observaciones para los futuros ingenieros de proyectos.

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CAPITULO 1

GENERALIDADES

Este trabajo presenta el diseo elctrico y de instrumentacin de una plataforma de produccin de petrleo. La informacin del diseo se ha organizado en memorias de clculos y planos como una referencia a la forma de presentacin real de una ingeniera, esto con la finalidad de que el trabajo se convierta en una gua para la elaboracin y la presentacin de este tipo de proyectos.

Los objetivos globales del presente proyecto son:

Desarrollar la ingeniera bsica, en el rea elctrica y de instrumentacin, de una plataforma de produccin petrolera ecuatoriana.

Investigar los estndares internacionales que normalicen el diseo y la seleccin de equipos e instrumentos.

En el rea elctrica:

- Disear el sistema elctrico. - Presentar memorias de clculos de: iluminacin, estudio de carga, etc. - Elaborar planos: diagrama unifilar, clasificacin de reas peligrosas, etc.

En el rea de instrumentacin:

- Disear el sistema de instrumentacin de la planta. - Desarrollar los planos P&ID (Diagramas de tuberas e instrumentacin). - Elaborar la matriz causa-efecto del sistema de instrumentacin.

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1.1 DEFINICIN DE PETRLEO [11]

"Lquido oleoso bituminoso de origen natural, compuesto por diferentes sustancias orgnicas. Tambin recibe los nombres de petrleo crudo, crudo petrolfero o simplemente crudo [11]

El petrleo est almacenado en la tierra en capas o estratos de roca porosa, tal como la piedra caliza o la arenisca, o en capas de arena o sobre una capa impermeable. Estas capas pueden encontrarse tanto en tierra firme como dentro de la costa, lo cual define el tipo de plataforma para su extraccin.

1.2 DEFINICIN DE PLATAFORMA DE PRODUCCIN

Es una sola locacin donde se realiza la obtencin y el direccionamiento del crudo a centros de facilidades de produccin. Est formada por dos sectores: el rea de pozos y el rea de procesos.

1.2.1 PLATAFORMA DE PRODUCCIN ON SHORE

Plataforma dentro de la costa.

1.2.2 PLATAFORMA DE PRODUCCIN OFF SHORE

Plataforma fuera de la costa. Sin embargo, para plataformas ubicadas en la selva se utiliza el mismo concepto.

1.3 DEFINICIN DE CENTRO DE FACILIDADES DE PRODUCCIN (CPF)

Locacin donde se procesa el crudo; es decir, donde el fluido obtenido en los pozos (petrleo, agua y gas) y direccionado desde las plataformas de produccin

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(well pad), es separado en sus fases, tratado, almacenado y preparado para el transporte.

1.4 TIPOS DE INGENIERAS

Se refiere a la terminologa que se utiliza en la prctica para referirse al alcance que se espera de una tarea de ingeniera.

1.4.1 INGENIERA BSICA [22]

Proporciona una descripcin de las instalaciones y el diseo preliminar del proceso, para lo que se generan un conjunto de documentos de ingeniera que incluye memorias de clculo y planos de diseo. Es la base de la ingeniera de detalle.

1.4.2 INGENIERA DE DETALLE [22]

Conjunto de documentos generados a partir de las definiciones bsicas, en los cuales pueden verse los detalles de los diseos por disciplinas. Estos planos y memorias de clculos establecen todos los parmetros para la construccin de la plataforma.

1.5 DISEO BAJO CDIGOS INTERNACIONALES

La necesidad de uniformidad que se ha observado en las diferentes reas de la industria ha servido de estmulo para desarrollar todas las fases de un proyecto, desde el diseo hasta la construccin, bajo cdigos internacionales, dando como resultado una variedad de ventajas por normalizacin.

Dependiendo del campo o disciplina se han desarrollado diferentes estndares, sin embargo en este trabajo, puesto que las reas de inters son la elctrica y la de instrumentacin, se tomar como gua los siguientes:

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- Cdigo Nacional Elctrico (NEC). - Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA). - Instituto de Petrleo Americano (API). - Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos (IEEE).

1.5.1 CDIGO NACIONAL ELCTRICO (NEC)

El Cdigo Nacional Elctrico (NEC), es un estndar para la instalacin segura de equipos elctricos y el cableado.

El NEC es parte de la serie de cdigos publicados por la Asociacin Nacional de Proteccin contra Incendios (NFPA), y es aprobado como estndar nacional americano por el Instituto Nacional de Estndares Americanos (ANSI).

Publicado inicialmente en 1897, el NEC es actualizado y publicado cada tres aos.

1.5.2 SOCIEDAD DE INSTRUMENTISTAS DE AMRICA (ISA)

La Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA), es una organizacin global, no lucrativa, que est fijando estndares para las disciplinas de automatizacin e instrumentacin. Adems certifica a profesionales de la industria, proporciona educacin y entrenamiento, publica libros y artculos tcnicos.

Las primeras versiones de este organismo aparecen desde 1987.

Su pgina web es: www.isa.org

1.5.3 INSTITUTO DE PETRLEO AMERICANO (API)

El Instituto de Petrleo Americano (API), es la nica asociacin comercial que representa todos los aspectos de la industria del petrleo y del gas natural.

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API produce estndares, especificaciones, cdigos, publicaciones, informes y estudios tcnicos, que cubren cada rea de la industria del petrleo y del gas natural. Estn acreditados por el Instituto Nacional de Estndares Americanos.

Sus primeros estndares fueron emitidos en 1924.

Su pgina web es: www.api.org

1.5.4 INSTITUTO DE INGENIEROS ELCTRICOS Y ELECTRNICOS (IEEE)

El Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos (IEEE), una asociacin tcnico-profesional dedicada, entre otras cosas, a la estandarizacin.

Presente en 175 pases, el IEEE es una autoridad lder y de mximo prestigio en las reas tcnicas derivadas de la elctrica original: desde ingeniera computacional, tecnologas biomdica y aeroespacial, hasta las reas de energa elctrica, control, telecomunicaciones, entre otras.

Fue creada en el ao 1963 y su pgina web es: www.ieee.org

1.6 DESCRIPCIN DE UNA PLATAFORMA DE PRODUCCIN (WELL PAD)

Una plataforma de produccin tiene como finalidad colectar, medir y direccionar hacia una red de produccin, el fluido que se obtiene de la perforacin de pozos, extrado en el presente caso, por medio de bombeo electrosumergible.

El valor de presin a la que debe trabajar la plataforma, y por tanto todos los equipos, lneas e instrumentos, se determina de tal forma que se pueda transportar el fluido desde la zona de extraccin hasta el centro de facilidades de produccin.

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Las plataformas que se montan en la regin oriente de Ecuador estn expuestas a condiciones bastantes rigurosas: temperaturas elevadas, abundantes precipitaciones, acceso restringido, localizacin en reas protegidas, etc., provocando que se aplique un diseo OFF SHORE en lugar de ON SHORE, lo que implica cumplir rigurosamente los estndares pertinentes en diseo y construccin.

La plataforma de produccin esta formada por dos sectores: el rea de pozos y el rea de procesos. En esta ltima se encuentra todo el equipo de superficie necesario para lograr la extraccin y direccionamiento del crudo a la red de transporte general.

Existen elementos comunes en el diseo de una plataforma. A continuacin se describe en forma general una well pad y los elementos que la constituyen:

El proceso se inicia en los pozos, donde se extrae el crudo a travs del equipo necesario. Desde cada pozo se construye una lnea que transporta el fluido obtenido al rea de procesos, especficamente al manifold de entrada.

El manifold de entrada es un arreglo de tuberas que tiene colectores de agua, de crudo y de prueba. El colector de agua permite inyectar agua en las lneas de pozo para incrementar el corte de agua. El colector de crudo recoge la produccin y la lleva directamente a la lnea de transporte general (salida de la plataforma). El colector de prueba dirige el fluido hacia el skid de medicin, donde se procede a medir y luego se encausa la produccin a la lnea de transporte general, tal como se muestra en la Figura 1.1.

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Figura 1.1 Proceso bsico en una Well Pad.

A travs de la plataforma se extiende una red de aire para instrumentos, que junto con los tapones fusibles (TSE), distribuidos estratgicamente en distintos puntos de la plataforma, forman una red neumtica que controla el sistema contra incendios.

El sistema de inyeccin de qumicos permite colocar ciertas sustancias en la cabeza de los pozos, en las lneas de transporte y en el skid de medicin.

La piscina desnatadora recibe fugas o goteos de crudo y qumicos a travs de las cunetas perimetrales de la plataforma. Luego, a travs de bombeo, se traslada la mayor parte de las sustancias contaminantes hacia el tanque sumidero, desde el cual se realiza la evacuacin de estos desechos.

1.6.1 DESCRIPCIN DEL REA DE POZOS [23]

Al utilizar bombeo electrosumergible (BES), cada uno de los pozos tiene una bomba electrosumergible. Estas bombas estn compuestas por una seccin motor, una seccin sello y una seccin bomba, y estn conectadas a la superficie

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por un cable de potencia que es instalado segn los requerimientos de energa de cada pozo. Para su control tienen una vlvula shut down (VSD).

La potencia que consume una bomba electrosumergible depende de muchos factores como son: la profundidad del pozo, el corte de agua del fluido, caudal, presin de cabecera, entre los ms importantes.

La lgica de operacin del pozo esta diseada para que opere normalmente dentro de un rango de presiones de cabecera.

El fluido de cada pozo es conducido a travs de una tubera hasta el manifold de entrada, en el cual converge todo el fluido.

1.6.2 DESCRIPCIN DEL REA DE PROCESOS [23]

1.6.2.1 Manifold de entrada (INLET MANIFOLD) y lnea de transporte

Un manifold es un arreglo de tuberas y vlvulas que permiten direccionar, en el caso de una well pad, el crudo y el agua de inyeccin.

Puede existir uno o varios colectores de produccin (crudo), cuyo dimetro debe considerar el nmero de pozos que se direccionan a l, as como el volumen de ingreso.

Las lneas que confluyen en el colector de produccin tienen conexiones con el colector de agua, estas conexiones tienen por finalidad reducir la viscosidad del fluido, en caso de ser necesario, a travs de la inyeccin de agua al crudo.

Al colector de prueba se direcciona las lneas de pozos cuyo caudal se desea medir. El fluido del colector pasa al skid de medicin donde se determina su caudal.

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La lgica de operacin debe realizarse para que las lneas operen dentro de un rango especfico de presiones, y deber incluir paro de produccin (shut down) en caso de alarmas por alta o baja presin.

Los colectores poseen un sistema de drenaje hacia el tanque sumidero (Sump Tank).

1.6.2.2 Sistema de aire de instrumentos y utilidades

El Air Compressor Package provee a la plataforma del aire necesario para instrumentos y utilidades.

El aire de instrumentos, a diferencia del aire de utilidades, pasa por un proceso de prefiltrado, secado y post filtrado para reducir al mnimo el nivel de humedad.

El aire de instrumentos pasa a un equipo pulmn, equipado de una vlvula de seguridad seteada a un valor fijo, la cual se abre en caso de sobrepasar dicha presin, lanzando el aire a la atmsfera. Adems tiene un drenaje para la humedad que se condensa en el mismo.

1.6.2.3 Tanque sumidero (SUMP TANK)

El Sump Tank recibe los lquidos drenados provenientes del manifold de entrada, del dique del rea de qumicos, del skid de medicin y de los lquidos provenientes del Skim Pond.

Las operaciones de desahogo de fluidos se lo realiza por medio de una bomba, la cual envia los fluidos desde el Sump Tank hacia un camin tanque o se evacua con la ayuda de un camin vacuum, el cual succiona los lquidos del Sump Tank.

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1.6.2.4 Piscina desnatadora (SKIM POND)

La Skim Pond es una piscina recubierta de una geomembrana, la cual recibe los fluidos drenados del rea de transformadores y de los lquidos encausados en las cunetas perimetrales del Well Pad.

Los hidrocarburos que reposen en la superficie son retirados peridicamente de la piscina con ayuda de una bamba flotante (Floating Boom), para luego ser enviados al Sump Tank.

1.6.2.5 Sistema de inyeccin de qumicos (CHEMICAL INJECTION PACKAGE)

Este sistema permite inyectar qumicos en las cabeceras de cada uno de los pozos de produccin, en el skid de medicin, y en la lnea de transporte.

Los qumicos a ser inyectados son tomados de tanques, los cuales estn colocados dentro de un dique construido para el efecto. Los lquidos drenados son direccionados al Sump Tank o a la cuneta perimetral.

Los qumicos son inyectados a travs de bombas de inyeccin multicabezas.

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CAPITULO 2

DISEO DEL SISTEMA ELCTRICO

Este captulo tiene como objetivo recopilar los criterios para el diseo del sistema elctrico en la plataforma de produccin.

2.1 DEFINICIN DE REAS PELIGROSAS [2] [8]

El estudio de reas peligrosas determina la existencia de zonas de riesgo, con el fin de establecer una adecuada seleccin y ubicacin del equipo elctrico o cualquier equipo productor de chispas o calor, con energa suficiente para causar la combustin de mezclas inflamables.

Para el diseo se consideran las normas API 500 y NEC seccin 500, como se indica en sus respectivos alcances:

El propsito de esta prctica recomendada es proveer una gua para la clasificacin de locaciones Clase I, Divisin 1 y Clase I, Divisin 2, en facilidades petroleras, para la seleccin e instalacin de equipos elctricos basado en las definiciones del NFPA 70 de 1996 [2]

Las secciones 500 a 505 tratan de los requisitos del alambrado y equipos electricos y electronicos a cualquier voltaje, instalados en lugares Clase I, Divisiones 1 y 2, Clase II, Divisiones 1 y 2 y Clase III, Divisiones 1 y 2 en donde puede existir riesgo de explosin debido a la presencia de gases o vapores inflamables, lquidos inflamables, polvos combustibles o fibras o partculas combustibles. [8]

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2.1.1 CLASIFICACIN

La clasificacin de reas peligrosas se realiza mediante la identificacin de CLASE DIVISION GRUPO, donde cada parmetro establece lo siguiente:

Clase: Naturaleza del producto que escapa a la atmsfera. Divisin: Frecuencia y extensin con las que las mezclas inflamables estarn

presentes. Grupo: Facilidad con la cual la mezcla inflamable tiende a incendiarse.

2.1.1.1 Clase

Los criterios de diseo que se analizan en este trabajo son aplicables al caso particular de las instalaciones de produccin, donde manejan gases o vapores inflamables (Clase I). No se hace referencia a aquellas instalaciones que manejan polvos o fibras combustibles (Clase II o Clase III).

2.1.1.2 Divisin:

a. Clase I, Divisin 1:

rea en la cual:

- Pueden existir continuamente, bajo condiciones normales de operacin, concentraciones de gases o vapores explosivos o inflamables.

- Existen peridicamente concentraciones peligrosas de gases o vapores inflamables, en condiciones normales de operacin.

- Pueden existir frecuentemente concentraciones de gases o vapores explosivos o inflamables debidos a trabajos de reparacin o mantenimiento, o por causa de fugas.

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- Una interrupcin o una falla en la operacin de los equipos o del proceso que pueda provocar la formacin de concentraciones peligrosas de gases o vapores inflamables y simultneamente provocar tambin la falla del equipo elctrico.

b. Clase I, Divisin 2:

Lugar donde:

- Se manejan, procesan o usan lquidos voltiles, gases o vapores inflamables, que estn normalmente confinados en recipientes o sistemas cerrados, pero de los cuales puedan escapar por algn accidente.

- Lugares que se tornan peligrosos por falla o funcionamiento anormal del equipo de ventilacin que impide la concentracin de gases o vapores inflamables en el rea.

- Estn contiguos a los de Clase I, Divisin 1, a los cuales puedan llegar ocasionalmente concentraciones de gases o vapores inflamables.

2.1.1.3 Grupo.

Para la Clase I:

Grupo A: Atmsferas con Acetileno.

Grupo B: Atmsferas que contienen hidrgeno, o combustibles con gases con 30% o ms de contenido de hidrgeno por volumen.

Grupo C: Se trata de gases inflamables o vapores producidos por un lquido inflamable como etileno u otros gases de peligrosidad similar.

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Grupo D: Son vapores producidos por un lquido inflamable o un gas inflamable como acetona, butano, benceno, gasolina, metanol, etanol, propano, gas natural, nafta o gases de peligrosidad equivalente.

2.1.2 CODIFICACIN GRFICA

Una parte importante de la ingeniera es la elaboracin de planos cuyo objetivo principal es informar el tipo de reas en las que se trabaja, para una adecuada seleccin del equipo e instalaciones. La Figura 2.1 muestra las formas grficas destinadas a este propsito:

Figura. 2.1 Cdigo de clasificacin de reas peligrosas.

2.1.3 CONSIDERACIONES SOBRE EQUIPO ELCTRICO

La seleccin e instalacin del equipo elctrico para reas clasificadas debe cumplir con el artculo 501 del NEC o similares.

El equipo requerido para reas clasificadas debe estar certificado para trabajar en esa locacin por una organizacin internacional de pruebas, tal como el Underwriter Laboratories (USA), Department of Trade and Industry (Gran Bretaa), u otras.

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2.2 GENERALIDADES DEL SISTEMA ELCTRICO

2.2.1 TIPO DE SISTEMA DE DISTRIBUCIN [3]

La configuracin del sistema de distribucin de energa de una plataforma de produccin se define en base a la norma API 540, captulo 4, artculo 4.5:

Cuatro tipos bsicos de sistemas de distribucin de energa estn disponibles: radial, radial selectivo primario, radial selectivo secundario y paralelo selectivo secundario. La seleccin de uno de estos tipos de sistemas se define por el anlisis de algunos factores como costo, continuidad de servicio, [3]

El sistema de distribucin utilizado en las plataformas de produccin es el sistema radial simple (Figura 2.2). Esta es la configuracin usual debido a que las empresas petroleras tienen sus propias plantas de generacin, lo que asegura continuidad de servicio. Adems es el sistema ms econmico para distribucin de energa.

FUENTE

CARGAS CARGAS

Figura 2.2 Sistema radial simple.

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2.2.2 CONSIDERACIONES SOBRE LAS ACOMETIDAS, LOS ALIMENTADORES Y LOS CIRCUITOS RAMALES

Figura 2.3 Alimentadores y acometida.

2.2.2.1 Acometidas [8] [13]

Se define as a los conductores que se extienden desde la red de distribucin elctrica hasta el medio general de desconexin de la instalacin, en el caso presente la plataforma de produccin.

Las acometidas elctricas deben cumplir con lo dispuesto en la NEC, Seccin 230:

Esta seccin trata de los conductores y equipos de acometidas para el control y proteccin de las acometidas y sus requisitos de instalacin. [8]

En acometidas, tanto areas como subterrneas, el calibre mnimo de los conductores no debe tener una seccin transversal menor a 8 AWG (8,36 [mm2]) si son de cobre, o de 6 AWG (13.29 [mm2]) si son de aluminio o de cobre revestido de aluminio. La seleccin del calibre del conductor debe asegurar una

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seccin transversal suficiente para transportar la corriente calculada en base al estudio de carga.

Los medios de desconexin deben estar ubicados lo ms cerca posible del punto de entrada de los conductores de la acometida y su capacidad nominal no debe ser menor a la carga que transporta.

2.2.2.2 Alimentadores [8] [13]

Son conductores que se encuentran entre el equipo de acometida y los dispositivos de sobrecorriente de los circuitos ramales.

Los requisitos que deben cumplir los alimentadores se establecen en la NEC, Seccin 215 y Seccin 430 para motores:

Esta seccin trata de los requisitos de instalacin, de la capacidad de corriente y del calibre mnimo de los conductores de los alimentadores que suministran corriente a los circuitos ramales [8]

Esta seccin trata de los motores, de los conductores de los alimentadores y circuitos ramales [8]

Los conductores del alimentador deben tener una capacidad de corriente suficiente para alimentar a las cargas conectadas. En ningn caso la carga calculada para el alimentador debe ser menor a la suma de las cargas de los circuitos derivados conectados.

Para alimentadores, como para acometidas y circuitos derivados, el calibre mnimo de los conductores, sin aplicar ningn factor de correccin o ajuste, no debe ser menor a la carga no continua ms el 125% de la carga continua.1 [8]

1 Se considera cargas de ciclo no continuo a aquellas que operan por un perodo de

tiempo menor a tres horas, y de ciclo continuo a aquellas que operan por tres horas o ms.

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2.2.2.3 Circuitos Ramales [8] [13]

Estn constituidos por la proteccin de sobrecorriente, el conductor y el aparato de salida.

Estos circuitos deben cumplir con lo establecido en la NEC, Secciones: 210, 225 y 430, como se resume en sus respectivos alcances:

Esta seccin trata de circuitos ramales, excepto aquellos que alimentan nicamente a motores tratado en la Seccin 430 [8]

Esta seccin trata de los requisitos que deben cumplir los circuitos ramales y alimentadores exteriores tendidos sobre o entre edificaciones, estructuras o postes en los predios [8]

Tanto para circuitos ramales como para alimentadores exteriores areos, el calibre mnimo de los conductores de cobre es: 10 AWG para 600 [V] nominales y menos, y 6 AWG para ms de 600 [V].2

Los circuitos derivados para motores deben tener conductores capaces de soportar los arranques, paros y operacin continua al accionar las cargas. Los conductores de dimensionan al 125% de la corriente a plena carga del motor.

2.2.3 CONSIDERACIONES SOBRE EL CUARTO DE CONTROL ELCTRICO [8]

El cuarto de control elctrico es el lugar donde se concentra la distribucin de la energa a las diferentes cargas de la plataforma. Sus elementos principales son: los tableros de distribucin y los centros de control de motores.

Fsicamente debe estar localizado lo ms cerca posible de la carga elctrica, en un rea no peligrosa.

2 Excepcin: Cuando tengan soporte.

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La distribucin del equipo en el cuarto de control elctrico debe realizarse permitiendo espacios de acceso y trabajo suficiente, un mantenimiento rpido y seguro alrededor del equipo elctrico. Los espacios mnimos permitidos se indican en la NEC, Seccin 110, artculo 110-34:

a) A menos que se permita o se exija otra cosa en este cdigo, el mnimo espacio libre de trabajo en direccin del acceso a las partes energizadas de un equipo elctrico no debe ser inferior al especificado en la Tabla 110-34. Las distancias se deben medir desde las partes energizadas, si estn expuestas, o desde el frente o abertura del cerramiento si estn encerradas. [8]

Distancia mnima en [m] segn condicin Voltaje Nominal [V] 1 2 3

601-2500 0,90 1,20 1,50 2501-9000 1,20 1,50 1,80 9001-25000 1,50 1,80 2,70 25001-75000 1,80 2,40 3,00 Ms de 75000 2,40 3,00 3,70

Tabla 2.1 Espacios mnimos de trabajo en un cuarto elctrico (NEC - Tabla 110-34 ).

2.2.3.1 Definicin de tablero elctrico [5] [21]

Los tableros son equipos que concentran dispositivos de proteccin y de maniobra o comando, desde los cuales se puede proteger y operar toda la instalacin o parte de ella.

La cantidad de tableros que sea necesario se determina con la finalidad de salvaguardar la seguridad, y tratando de obtener la mejor funcionalidad en la operacin de la plataforma.

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2.2.3.2 Definicin de centro de control de motores (MCC) [5] [21]

Un centro de control de motores es un tablero que alimenta, controla y protege circuitos cuya carga esencialmente consiste en motores y que usa contactores o arrancadores como principales componentes de control.

2.3 IDENTIFICACIN DEL EQUIPO ELCTRICO

2.3.1 MOTORES [3] [5] [8]

Los motores elctricos se encuentran al final de los circuitos ramales en la plataforma, y su funcin es transformar la energa elctrica en energa mecnica.

Los circuitos derivados para motores, sus protecciones contra sobrecarga, los circuitos de control, equipos de control y proteccin, y los centros de control de motores, deben ser diseados conforme a la NEC, Seccin 430.

Los motores de induccin jaula de ardilla y sncronos deben cumplir con las normas API 540, API 541 y API 546.

La norma API 540 trata en el captulo 6, artculo 6-10, sobre los tipos de motores, da una breve descripcin de ellos y especifica que el ms usado en las plataformas de produccin es el jaula de ardilla, mientras que otros tipos pueden ser utilizados para aplicaciones especiales o por motivos econmicos.

La norma API 541 analiza especficamente a los motores de induccin jaula de ardilla, trata sobre su diseo bsico: elctrico y mecnico, accesorios: sensores de temperatura, calentadores, filtros, alarmas; y otros temas de inters.

La norma API 546 trata los mismos aspectos que la norma API 541 pero para mquinas sincrnicas.

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2.3.1.1 Valores normalizados de potencia [21]

Los valores normalizados de motores, expresados en potencia y basados en 1 [HP] = 746 [W], son los siguientes:

1/2, 3/4, 1, 1 , 2, 3, 5, 7 , 10, 15, 20, 25, 40, 50, 60, 70, 100, 125, 150, 200, 250, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 1750, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10000.

2.3.1.2 Seleccin de voltajes para motores [21]

Para la seleccin de voltajes en motores hay que referirse a la Tabla 2.1:

POTENCIA DEL MOTOR

(HP)

TENSIN DE DISEO DEL

MOTOR (V)

TENSIN DEL SISTEMA

(V)

FRECUENCIA (HERTZ) FASES

Menor de 1 115, 220 120, 220 60 1 o 3 De 1 a 175 460 480 60 3

De 200 a 2000 4000 4160 60 3 Mayores de 2000 13200 13800 60 3

Tabla 2.1 Seleccin de voltajes para motores.

Para ms informacin el usuario debe referirse a los catlogos y otros datos disponibles de los fabricantes. Informacin adicional se puede obtener en las normas ANSI y NEMA.

2.3.1.3 Aislamiento [21]

Se utiliza aislamiento clase B o F. La clase F es preferida.

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2.3.1.4 Factor de servicio [21]

El motor tendr generalmente un factor de servicio de 1.0, los de alta eficiencia 1.15.

2.3.1.5 Arranque de motores [21]

Para definir el tipo de arranque de los motores se debe analizar la capacidad del sistema elctrico, la longitud del circuito alimentador del motor, as como la inercia de la carga a vencer.

Con una cada menor al 10% del voltaje nominal del sistema se considera que el motor puede arrancarse a tensin plena. Si este valor es mayor, debe seleccionarse un tipo de arranque a tensin reducida. [21]

Para arrancadores de estado slido con arranque suave y variadores de frecuencia, se debe seleccionar el que proporcione menor cantidad de armnicos al sistema elctrico.

2.3.1.6 Ubicacin

Generalmente el equipo elctrico y mecnico, en instalaciones petroleras, es instalado a la intemperie, sin proteccin contra el clima. La experiencia ha demostrado que la operacin de motores elctricos a la intemperie es prctica y econmica con equipo adecuadamente seleccionado.

La instalacin de motores en reas clasificadas peligrosas deben ser adecuados para operar en dicha clasificacin y contar con certificacin UL.

2.3.1.7 Calentadores de espacio [21]

Se utilizan en localidades donde los devanados de los motores van a estar sujetos a acumulaciones excesivas de humedad durante largos perodos fuera de

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servicio, esto se aplica especialmente a motores que operan a valores mayores o iguales a 2300V. Generalmente son monofsicos y tienen voltajes de operacin de 115V o 230V.

2.3.2 CENTRO DE CONTROL DE MOTORES PARA BAJA TENSIN [25]

El caso presente alberga a arrancadores que suministrarn una potencia de 480V, 3 fases, 60 Hz, a motores de induccin jaula de ardilla, de 460V, 3 fases, 60 Hz.

Las barras principales deben ir alojadas en la parte superior y a todo lo largo del MCC. La capacidad de corriente de las barras principales ser de 600 A mnimo, y para las barras verticales de 300 A mnimo. La capacidad de la barra neutra debe ser igual a la de las barras principales. Adems debe suministrarse una barra de tierra a todo lo largo del CCM, con capacidad mnima de 1/3 de la capacidad de las barras principales, pero en ningn caso menor a 200 A.

Los interruptores deben ser en aire, tipo removible de 3 polos, tiro simple, operados elctrica o manualmente, tipo de energa almacenada y adecuados para servicio en un sistema de 480 Volts, 3 fases, 3 hilos, 60 Hz.

Los circuitos de control operarn a 120V, 60Hz.

2.3.3 CENTRO DE CONTROL DE MOTORES PARA MEDIA TENSIN [25]

Los centros de control de motores de media tensin suministrarn, en el caso presente, 2400V o 4160V.

La capacidad de corriente de la barra principal se seleccionar de los siguientes valores nominales: 1000A, 1200A, 1600A, 2000A, 2500A y 3000A.

Cada arrancador suministrar potencia en media tensin (4160V, 2400V), 3 fases, 60 Hz. Este arrancador incluir elementos de desconexin, un juego de 3 transformadores de corriente y un rel de sobrecarga de tres polos.

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Los circuitos de control operarn a 120V, 60Hz.

2.3.4 TRANSFORMADORES

Los transformadores son mquinas usadas para aislar diferentes sistemas de voltajes, y para reducir o incrementar voltajes a sus niveles ptimos de utilizacin.

Se pueden observar como normas de referencia las siguientes: API 14F, API 540, y la NEC seccin 450.

La norma API 540, trata en el captulo 4, artculo 4-11, sobre los tipos de transformadores, capacidad, voltaje, frecuencia, aislamiento, mantenimiento, accesorios y otros temas de inters.

La norma API 14F analiza en el captulo 8 la seleccin de transformadores, su instalacin, conexiones y proteccin.

La NEC, seccin 450 trata de la instalacin de los transformadores.

2.3.4.1 Tipos [7]

Los tipos de transformadores ms utilizados en una plataforma son:

a. Transformadores de potencia

Se utilizan para substransmisin y transmisin de energa elctrica en alta y media tensin. Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2 a 132 [kV] y frecuencias de 50 y 60 Hz.

b. Transformadores de distribucin

Se denomina transformadores de distribucin, generalmente a los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones

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iguales o inferiores a 67000 V, tanto monofsicos como trifsicos. Proveen aislamiento y los diferentes niveles de voltaje necesarios en la instalacin.

c. Transformadores de corriente y potencial

Se utilizan para tomar muestras de corriente y voltaje y reducirlas a un nivel seguro y medible.

2.3.4.2 Voltaje y frecuencia [21]

Para sistemas elctricos de potencia de 60 Hz, se recomienda que el rango de voltaje est de conformidad con lo establecido en la norma ANSI C84.1. Las tensiones nominales utilizadas al interior de las plataformas de produccin son: 13800V, 4160V, 2400V, 480V, 220V, 127V.

2.3.4.3 Capacidad [21]

La capacidad nominal de transformadores es de:

Transformadores Monofsicos: 5, 10, 15, 25 [KVA].

Transformadores Trifsicos: 15, 30, 45, 75, 112.5, 150, 225, 300, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3750, 5000, 7500, 10000, 12000, 15000, 18000, 20000, 24000 y 30000 [KVA].

2.3.4.4 Ubicacin

Los transformadores, como un aspecto prctico, pueden ubicarse tan cerca de sus centros de carga como sea posible, mientras se minimiza la exposicin al fuego y a daos mecnicos. La ubicacin preferiblemente debe ser en un rea no clasificada. En los casos en los cuales el transformador debe estar en un rea

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clasificada, todos los dispositivos auxiliares asociados deben corresponder a dicha clasificacin.

2.4 DISEO DEL SISTEMA DE ILUMINACIN

La norma API 540, en el captulo 7, estudia los elementos del sistema de iluminacin de una planta de procesamiento de petrleo, y presenta los requisitos generales de que debera cumplir su diseo.

2.4.1 CLCULO DE NIVELES DE ILUMINACIN

Tanto el rea de procesos como el de pozos se encuentran en exteriores, por tanto se debe emplear el mtodo de clculo adecuado para determinar la cantidad, disposicin y tipos de lmparas y luminarias a emplear en el sistema de alumbrado.

Los mtodos ms recomendados son: isolux, punto por punto y lmenes para exteriores.

2.4.2 NIVELES RECOMENDADOS DE ILUMINACIN [25]

Los sistemas de iluminacin sern diseados para mantener las intensidades promedio descritas en la Tabla 2.2.

LOCALIZACIN EXTERIOR

LUXES

rea de procesos generales. 50 reas operativas 100

Tabla 2.2 Niveles recomendados de iluminacin

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2.4.3 CONSIDERACIONES DEL SISTEMA DE ILUMINACIN [3] [25]

Las luminarias para el alumbrado exterior de las plantas de proceso son de tipo alta presin de vapor de sodio, a 220 [V] o 480 [V], de 250 [W] 0 400 [W], con balastro integral de alto factor de potencia.

En general los circuitos de alumbrado exterior son alimentados desde tableros ubicados en los cuartos de control elctrico, controlados por medio de un contactor, con selector de tres posiciones (manual - fuera de servicio automtico) y una fotocelda.

2.5 SELECCIN DE LOS CONDUCTORES [8]

Las caractersticas de los conductores se encuentran especificadas en la NEC, Seccin 310, tal como lo muestra su alcance:

Esta seccin trata de los requisitos generales de los conductores y de sus denominaciones de tipos, aislamiento, rtulos, etiquetas, resistencia mecnica, capacidad de corriente nominal y usos [8]

2.5.1 SELECCIN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES DE POTENCIA E ILUMINACIN [8] [13]

Para la seleccin del calibre de los conductores se debe seguir los siguientes pasos:

1. Determinar la corriente de conduccin. 2. Buscar el calibre del conductor que soporte una corriente igual o superior a la

calculada.

Utilizar la NEC, Seccin 310: Tablas 31016 a 31019 para voltajes de 0-2000 [V], y Tablas 31067 a 31086 para voltajes entre 2001-35000 [V].

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3. Verificar la cada de tensin y cambiar el calibre del cable en caso de ser necesario. (Tabla 2.3)

CIRCUITO TIPO DE CIRCUITO CADA NORMAL PERMISIBLE (%) Alimentadores 2 POTENCIA Ramales 3 Alimentadores 2 ILUMINACIN Ramales 3

Tabla 2.3 Cada de tensin permisible en circuitos elctricos.

4. Aplicar factor de correccin de temperatura.

Esto es necesario porque con el incremento de temperatura disminuye la capacidad de conduccin de corriente.

Temperatura Ambiente (C): 30 35 40 45 50 Factor de correccin: 1.0 0.95 0.9 0.85 0.8

2.5.2 CALIBRE MNIMO DE LOS CONDUCTORES [8]

El artculo 310-5 de la NEC indica el calibre mnimo de los conductores, estos valores se recogen en la Tabla 2.4.

VOLTAJE NOMINAL DEL CONDUCTOR

SECCIN TRANSVERSAL MNIMA DEL CONDUCTOR

[V] [mm2] AWG 0-2000 2.08

3.30 14 (Cu) 12 (Al o Al recubierto con Cu)

2001-8000 8.36 8 8001-15000 33.62 2 15001-28000 42.20 1 28001-35000 53.50 1/0

Tabla 2.4 Calibre mnimo de los conductores.

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2.5.3 AISLAMIENTO [13]

En la actualidad se cuenta con una amplia gama de aislamientos para conductores, con la finalidad de satisfacer las condiciones presentes en las distintas aplicaciones.

El aislamiento es designado mediante la siguiente nomenclatura:

A Aislamiento de asbesto. MI Aislamiento mineral. R Aislamiento de hule. SA Aislamiento de silicio y asbesto. T Aislamiento termoplstico. V Aislamiento de cambray barnizado. X Aislamiento de polmero sinttico barnizado.

Sin embargo, para una denominacin completa se debe tomar en cuenta lo siguiente:

Temperatura:

H Resistente al calor hasta 75 [C]. HH Resistente al calor hasta 90 [C]. * Si no hay designacin se da por entendido 60 [C].

Tipo de uso:

W Resistente a la humedad. UF Para uso subterrneo.

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Se trabaja con los aislamientos XHHW3 y XHHW-2.4, debido a las condiciones medioambientales en donde se encuentran las plataformas.

Los aislamientos de los conductores y sus aplicaciones se encuentran en la Tabla 310-13 de la NEC.

2.5.4 CABLES CON CUBIERTA METLICA (TIPO MC) [8]

El artculo 334-1 de la NEC define al cable con cubierta metlica de la siguiente manera:

Un cable de tipo MC es un conjunto hecho en fbrica de uno o ms conductores aislados de circuito, con o sin cables de fibra ptica, encerrados en una cubierta metlica de cinta entrelazada o en un tubo liso o corrugado. [8]

Debido a que el cableado se lo realiza en exteriores, sobre bandejas metlicas, y muchas veces en reas peligrosas, los cables con cubierta metlica son los usados en las plataformas de produccin debido a que sus caractersticas as lo permiten, tal como se indica en el artculo 334-3 de la NEC:

Si no se indica otra cosa en este cdigo y si no estn sujetos daos fsicos, se permite utilizar cables de tipo MC en los siguientes casos: 1) en acometidas, alimentadores y circuitos ramales; 2) en circuitos de fuerza, alumbrado, control y seales; 3) en interiores y exteriores; 4) expuestos u ocultos; 5) directamente enterrados cuando estn especificados para ese uso; 6) en bandejas portacables; [8]

3 XHHW (90 [C]) Lugares secos y hmedos.

4 XHHW-2 (90 [C]) Lugares secos y mojados.

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2.6 SELECCIN DE CANALIZACIONES ELCTRICAS [8] [13]

Las canalizaciones elctricas son los elementos utilizados para conducir los conductores entre las diferentes partes de la instalacin elctrica.

En lo posible dentro de la planta se utilizarn sistemas tipo bandeja. Se tendr cuidado de no sobrecargar las bandejas y utilizar unidades separadas para aislar cables de diferente nivel de tensin, cables para instrumentacin y otros, segn el caso.

Temas de inters como los diferentes sistemas de bandejas, los cables permitidos para su uso, el nmero de conductores por bandeja, etc., son tratados en la NEC, Seccin 318, como lo indica su alcance:

Esta seccin trata de los sistemas de bandejas portacables tipo escalera, canal ventilado, batea ventilada, bandejas de fondo slido y otras estructuras similares. [8]

Las charolas utilizadas en las plataformas de produccin son las siguientes:

- Charolas de paso: Tienen un fondo continuo, ya sea ventilado o no ventilado, y con anchos estndar de 15, 23, 30, 45, 60, 75 y 90 cm. Este tipo de bandeja se usa cuando los conductores son pequeos.

- Charolas tipo escalera: Consisten de dos rieles laterales unidos o conectados por barrotes individuales, por lo general se usan como soporte para los cables de potencia. Se fabrican en anchos estndar de 15, 23, 30, 45, 60, 75 y 90 cm, en materiales de acero y aluminio.

Algunas consideraciones especiales sobre el uso de bandejas son las siguientes:

- No se permiten empalmes de cables en las bandejas. - Las bandejas deben estar aterrizadas. - Cada cable en la bandeja debe ser identificado con marcas permanentes.

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- La parte interna de la bandeja no presentar bordes afilados, arandelas o salientes que puedan daar los cables.

2.7 CRITERIOS DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

2.7.1 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIN [8] [12]

Se entender por tierra de proteccin a la puesta a tierra de toda pieza conductora que no forma parte del circuito activo, pero que en condiciones de falla puede quedar energizada. Su finalidad es proteger a las personas contra tensiones de contacto peligrosas.

El artculo 250-95 de la NEC establece que todo equipo o dispositivo elctrico debe ser conectado al sistema general de tierras con conductor de cobre desnudo, el calibre del conductor debe ser el indicado de acuerdo a la capacidad del dispositivo de proteccin, sin embargo el calibre mnimo aceptado en la prctica es de 2 AWG.

2.7.2 PUESTA A TIERRA DE SERVICIO [3] [12]

Se entender por tierra de servicio la puesta a tierra de un punto de la alimentacin, especialmente la conexin a tierra del neutro del sistema elctrico. Esta conexin debe ser realizada con conductores aislados que tengan el mismo nivel de aislamiento que el voltaje de fases del sistema a aterrizar.

El tipo de aterrizamiento, de acuerdo a la norma API 540, Captulo 5, se elige de la siguiente forma:

220/127 VCA Slidamente aterrizado 480 VCA Slidamente aterrizado o mediante alta resistencia. 2400V, 13800 VCA Mediante alta impedancia.

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2.7.3 SISTEMA GENERAL DE TIERRAS [8] [14] [16] [21]

Una red de tierras es una red de proteccin usada para establecer un potencial uniforme en y alrededor de alguna estructura.

El sistema general de tierras incluye la conexin a tierra del neutro del sistema elctrico, de los gabinetes de equipo elctrico, tierra de estructuras y partes metlicas no portadoras de corriente. [21]

El Sistema general de tierras debe ser diseado de acuerdo con las normas IEEE 80, IEEE 142 y NEC Seccin 250.

La norma NEC en la seccin 250 trata sobre los requisitos generales de un sistema de puesta a tierra: puesta a tierra de los circuitos y sistemas elctricos, de los equipos, conductores y electrodos de puesta a tierra, etc.

La norma IEEE 142 en el captulo 4 trata sobre los elementos a considerarse en una sistema de conexin a tierra: resistividad del terreno, clculo de la resistencia de la tierra, electrodos, conexin de electrodos, etc.

La norma IEEE 80 nos muestra el diseo de sistemas de tierra para subestaciones elctricas, mtodo que es usado para calcular el sistema de puesta a tierra de una plataforma de produccin.

El sistema de tierras debe tener los siguientes elementos: malla a base de conductor de cobre desnudo, electrodos de puesta a tierra y los conectores.

El diseo de una malla a tierra est afectado por las siguientes variables:

- Tensin Permisible de paso. - Tensin Permisible de contacto. - Configuracin de la malla. - Resistividad del terreno

34

- Conductor de la malla. - Profundidad de instalacin de la malla.

De acuerdo a la norma IEEE 80, el rea de la seccin transversal mnima de los conductores para una malla de tierra es de 107.2 [mm2] (4/0 AWG). Adems, los conductores paralelos que conforman la malla no deben tener una separacin mayor a 7 [m].

Los electrodos utilizados son varillas copperweld de 3m de longitud (el valor min. es 2.4 [m]), y de tamao mnimo de 5/8 (16 [mm]) de dimetro.

2.8 CRITERIOS DE DISEO DEL SISTEMA DE PROTECCIN CONTRA RAYOS (SPR) [16] [21]

La norma IEEE 142 en el captulo 3 trata sobre la proteccin contra rayos, consideraciones sobre la proteccin a equipos, estructuras y prcticas para la proteccin directa.

Un sistema de proteccin contra rayos consta de los siguientes elementos: terminales areas, bajantes y el sistema de puesta a tierra.

Terminales areos:

Son puntas que tienen como funcin interceptar el rayo y ser el punto de impacto preferencial.

Las terminales de aire deben colocarse a las orillas de las estructuras, en el punto ms alto, a no ms de 6 metros de distancia entre puntas cuando su altura sea de 25 centmetros, y a no ms de 7.5 metros para puntas de 60 centmetros de altura. Las puntas pararrayos deben ser slidas de al menos 12.7mm (1/2) de dimetro.

35

Bajantes:

Conductores previstos para conducir la corriente del rayo desde el terminal areo hasta el sistema de puesta a tierra.

Los conductores deben ser de cobre, de fabricacin especial para sistema de pararrayos, con rea transversal equivalente al menos de calibre 2/0 AWG.

Las caractersticas de estos cables son: alta resistencia a la corrosin an en ambientes contaminados o salobres, alta resistencia mecnica, flexibilidad y conductividad.

Los cables pararrayos se clasifican en clases:

- Clase I: Para usarse en construcciones de tipo ordinario, que no excedan los 20 [m] de altura.

- Clase II: Para usarse en construcciones y estructuras que tengan una altura mayor de 20 [m].

- Clase III: Para usarse en construcciones que requieran mayor seguridad en caso de descargas elctricas.

2.9 TIPOS DE DISPOSITIVOS DE MANDO Y PROTECCIN [8][10]

Los dispositivos de mando permiten poner en servicio o fuera de servicio a la instalacin, parte de ella o a la carga.

Los dispositivos de proteccin protegen los equipos, las instalaciones y a las personas que los utilizan.

El anlisis de los dispositivos de proteccin contra sobrecorriente se puede estudiar en la NEC, Seccin 240:

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La parte A hasta la G de esta seccin tratan de los requisitos generales de la proteccin contra sobrecorriente y los dispositivos contra sobrecorriente de no mas de 600 V nominales. La parte H trata de la proteccin contra sobrecorriente de ms de 600 V nominales [8]

2.9.1 Funcin de mando o maniobra

a. Interruptor

El interruptor es un dispositivo cuya funcin es interrumpir y restablecer la continuidad en un circuito elctrico. Recibe el nombre de desconectador o cuchillas si la operacin se efecta sin carga. [10]

- Interruptores magnticos (con disparo instantneo).

Son dispositivos que se abren en condicin de cortocircuito entre fases o de fase a tierra. No operan con elevaciones de temperatura lentas debido a calentamientos en los conductores [10].

- Interruptores termomagnticos (de tiempo inverso).

Son elementos que cuentan con un sistema magntico de respuesta rpida ante sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una proteccin trmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia ms lenta (sobrecargas). [10]

- Interruptor o Protector Diferencial.

El interruptor diferencial es un elemento destinado a la proteccin de las personas contra los contactos indirectos. Su funcin es sensar la corriente que circula por la fase y el neutro, que en condiciones normales debiese ser igual. Si ocurre una falla de aislamiento y se origina una descarga a tierra, entonces la corriente que circular por el neutro ser menor a la que circula por la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectando el circuito. [10]

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b. Contactores

Es un dispositivo capaz de interrumpir o reestablecer la corriente de un circuito, con la posibilidad de ser accionado a distancia. Tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe accin alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando acta dicha accin. [10]

2.9.2 Funcin de proteccin

a. Fusibles

El fusible es un aparato de proteccin cuya funcin es abrir el circuito cuando la corriente que lo atraviesa supera un valor determinado durante un tiempo definido. [10]

b. Rel y Disparador

Son los encargados de vigilar la magnitud de las corrientes que circulan por los equipos o instalaciones que protegen, y de provocar la apertura del circuito en caso de defecto. [10]

El disparador acta mecnicamente sobre los aparatos de interrupcin de la corriente a los que estn asociados. El rel acta elctricamente sobre el circuito de mando del aparato encargado de interrumpir la corriente anormal que ha sido detectada; acta sobre las bobinas de los contactores y de los interruptores. [10]

Los principales rels de proteccin o de disparo son: los rels trmicos, los rels magnetotrmicos y los disparadores diferenciales

Los lineamientos presentados permiten desarrollar el diseo del sistema elctrico de la plataforma. Los cdigos y secciones citadas contienen la informacin ampliada de cada uno de los temas.

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CAPITULO 3

DISEO DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIN

Este captulo tiene como objetivo estudiar las caractersticas principales de los instrumentos utilizados en las plataformas de produccin y establecer la simbologa necesaria para el desarrollo de los P&IDs.

3.1. SMBOLOS Y DIAGRAMAS

Son usados para identificar el proceso, el tipo de seales empleadas, la secuencia de componentes interconectados y la instrumentacin utilizada. La Sociedad de Instrumentistas de Amrica (ISA), publica normas para smbolos, trminos y diagramas que son reconocidos en la industria.

3.1.1 DIAGRAMAS DE INSTALACIONES

El uso de diagramas permite identificar rpidamente el proceso, tanto en las variables que intervienen como en los equipos utilizados. A continuacin se describen los diagramas de inters para el diseo:

a. Diagrama de flujo de proceso (PFD)

Representa de una forma secuencial los equipos principales involucrados en el proceso, sentidos de fluidos y cualquier otro dato relevante para el diseo. En general describen lo que se desea del proceso y como lograrlo.

b. Diagrama de tuberas e instrumentacin (P&ID)

Diagrama que presenta la interconexin de los equipos e instrumentos usados para el control de procesos.

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Tpicamente contiene:

- Detalles de las tuberas y la instrumentacin. - Esquemas de control y paradas. - Informacin bsica sobre la operacin.

3.1.2 SMBOLOS Y ABREVIATURAS

Las normas aplicables son:

- NORMA ANSI/ISA-S5.1: Trata sobre los smbolos para instrumentacin y control.

- NORMA ANSI/ISA-S5.2: Lista los smbolos lgicos que representan operaciones de proceso binarias realizadas por cualquier clase de hardware, sea elctrico, neumtico, hidrulico u otro.

3.1.2.1 Identificacin de Instrumentos [17]

Cada instrumento debe identificarse con un cdigo alfanumrico como se ejemplifica en la Figura 3.1.

TIC 103 Identificacin del instrumento. T 103 Identificacin de lazo. 103 Nmero de lazo. TIC Identificacin funcional. T Primera letra.

IC Letras sucesivas. Figura 3.1 Identificacin de instrumentos en un P&ID.

Las letras hacen referencia a la variable manejada y a la funcin del instrumento, y deben estar acorde con la Tabla 3.1.

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1ra letra: Variable medida o modificante 2da y 3ra letras: Funcin de salida o de presentacin de datos.

Los nmeros indican el lazo de control al cual pertenece el instrumento.

Tabla 3.1 Letras de identificacin de instrumentos en diagramas P&ID.

Sin embargo, este sistema de identificacin no permite obtener datos importantes como la plataforma a la que pertenece el instrumento (pueden existir varias en un solo campo), en que lugar dentro de ella se encuentra, etc. Para caracterizar

VARIABLE MEDIDA INICIAL

LETRA DE MODIFICACIN

FUNCION DE LECTURA PASIVA

FUNCIN DE SALIDA

LETRA DE MODIFICACIN

A Anlisis (d) AlarmaB Quemador,cobustin Libre (a) Libre (a) Libre (a)C Conductividad elctrica Control

DDensidad, peso especifico Direncial ( c )

E Tensin (f.e.m) Elemento primarioF Caudal Relacin ( c )G Calibre Vidrio (h)H Manual Alto (f) (m) (n)

ICorriente elctrica Indicacin o indicador ( i )

J Potencia Exploracin (f)

KTiempo Estacin de

controlL Nivel Luz piloto ( j ) Bajo (a) (n)

MHumedad Libre

Medio o intermedio (f) (m)

N Libre (a) Libre LibreO Libre (a) OrificioP Presin de vaco Punto de pruebaQ Cantidad Integrar, TotalizarR Radiactividad Registro

SVelocidad o frecuencia Seguridad (g) Interruptor

TTemperatura Trnasmisin o

transmisorU Multivariable Multifuncin (k) Multifuncin (k) Multifuncin (k)V Viscocidad VlvulaW Peso o Fuerza VainaX Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar

YLibre (a) Rel, clculo

conversin (l)

ZPosicin Motor, Elemento final de control

PRIMERA LETRA LETRAS SUCESIVAS

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mejor a los equipos e instrumentos se mejora el sistema de identificacin como se explica en el Anexo # 01.

3.1.2.2 Designacin de Instrumentos por crculos [17]

Montado localmente

Detrs de la consola (no accesible)

En tablero

En tablero auxiliar

Instrumentos para dos variables medidas o instrumentos de una variable con ms de una funcin

Tabla 3.2. Designacin de instrumentos por crculos.

3.1.2.3 Fuentes de Alimentacin [17]

Las abreviaturas utilizadas para fuentes de alimentacin son las siguientes:

- AS Alimentacin de aire - ES Alimentacin elctrica - GS Alimentacin de gas - HS Alimentacin hidrulica - NS Alimentacin de nitrgeno - SS Alimentacin de vapor - WS Alimentacin de agua

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3.1.2.4 Lneas de Instrumentacin [17]

Conexin a proceso, o enlace mecnico o alimentacin de instrumentos.

Seal neumtica

Seal elctrica

Seal elctrica (alternativo)

Tubo capilar

Seal sonora o electromagntica guiada (incluye calor, radio, nuclear, luz)

Seal sonora o electromagntica no guiada

Conexin de software o datos

Conexin mecnica

Seal hidrulica

Tabla 3.3. Lneas de instrumentacin.

3.2 IDENTIFICACIN DE LOS INSTRUMENTOS

3.2.1 CARACTERSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS [9]

De acuerdo con la norma SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), PMC20, las caractersticas de los instrumentos son las siguientes:

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a. Campo de medida o Rango

Es el conjunto de valores dentro de los lmites superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en forma confiable.

b. Alcance (Span)

Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de medida.

c. Error

Es la diferencia que existira entre el valor que el instrumento indique que tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese momento.

d. Precisin

Es la mnima divisin de escala de un instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje (%) del alcance.

e. Zona muerta

Es el mximo campo de variacin de la variable en el proceso real, para el cual el instrumento no registra ninguna variacin en su indicacin, registro o control.

f. Sensibilidad

Es la relacin entre la variacin de la lectura del instrumento y el cambio en el proceso que causa este efecto.

g. Repetibilidad

Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una medicin, de un mismo valor de la variable real en una nica direccin de medicin.

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h. Histresis

Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medicin se efecta en ambas direcciones.

i. Campo de medida con supresin de cero

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mnimo se encuentra por encima del cero real de la variable

j. Campo de medida con elevacin de cero

Es aquel rango de un instrumento cuyo valor mnimo se encuentra por debajo de cero de las variables

3.2.2 CLASIFICACIN DE LOS INSTRUMENTOS [9]

Se clasifican a los instrumentos por:

a. Funcin en el proceso. b. Variable que miden.

3.2.2.1. Por funcin del instrumento en el proceso

a. Instrumentos indicadores

Instrumentos que indican directamente el valor de la variable de proceso.

b. Instrumentos ciegos

Instrumentos que cumplen una funcin reguladora en el proceso, pero no muestran nada directamente.

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c. Instrumentos registradores

Instrumentos que generan un registro histrico de las variables en un proceso.

d. Elementos primarios

Instrumentos que estn en contacto con el fluido o variable, utilizando o absorbiendo energa del medio controlado para dar al sistema de medicin una Indicacin, en respuesta a la variacin de la variable controlada.

e. Transmisores

Instrumentos que reciben la variable de proceso a travs del elemento primario, y transmiten su valor a travs de seales proporcionales, a algn lugar remoto.

f. Transductores

Instrumentos fuera de lnea (no en contacto con el proceso), que son capaces de realizar operaciones lgicas y/o matemticas con seales de uno o ms transmisores.

g. Convertidores

Instrumentos que reciben un tipo de seal de un instrumento y la modifican a otro tipo de seal.

h. Receptores

Instrumentos utilizados como interfase entre el proceso y el hombre. Estos reciben las seales de los transmisores o de un convertidor.

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3.2.2.2 Por la variable que mide el instrumento

Esta clasificacin corresponde especficamente al tipo de variable medida, como por ejemplo: caudal, nivel, presin, temperatura, densidad y peso especfico, humedad y punto de roco, viscosidad, posicin, velocidad, etc.

3.2.3 INSTRUMENTOS APROBADOS PARA EL USO EN INSTALACIONES PETROLERAS

Para la adecuada seleccin de los instrumentos que formarn parte del sistema de I&C (Instrumentacin y Control) de la plataforma, hay que regirse a la norma API 551 (Process Measurement Instrumentation). En ella se describen los instrumentos aprobados para el uso en instalaciones petroleras, sus caractersticas y montaje.

3.2.3.1 Flujo [4] [9] [24]

Los instrumentos para medir flujo caen dentro de las siguientes categoras:

a. Presin diferencial. b. Medidores de rea variable. c. Medidores magnticos. d. Medidores de turbina. e. Medidores de desplazamiento positivo. f. Vortex. g. Medidores especiales.

Es de especial inters aqu el estudio del medidor tipo turbina, comnmente usado en el skid de medicin.

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3.2.3.1.1 Medidores de turbina [4] [9] [24]

Consiste en un rotor que gira con el paso del fluido, donde la velocidad de giro es directamente proporcional al caudal (Figura 3.1).

Sus ventajas incluyen una precisin de 0,25% y una exactitud de 0,1% de la escala total, adems son eficaces para amplios rangos de temperatura y presin. Existen modelos especiales que pueden trabajar con flujos bidireccionales.

Figura 3.1 Medidor Turbina

Tienen las siguientes limitaciones: son susceptibles a daos si el proceso no est lo suficientemente lubricado o debido a una sobrevelocidad o a un fluido pulsante. Requiere mantenimiento y puede necesitar retorno a la casa del fabricante para lubricacin. Puede verse afectado el rango de accin por la alta viscosidad y baja densidad de ciertos fluidos.

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Son instalados directamente en la lnea de proceso. Los medidores de turbina son normalmente montados en lneas horizontales, pero pueden ser instalados en lneas verticales con flujo hacia arriba.

3.2.3.2 Nivel [4] [9] [24]

Es necesario utilizar un transmisor indicador de nivel para el manejo del lquido dentro del tanque sumidero.

A continuacin los tipos de transmisores aprobados para el uso en instalaciones petroleras:

2.3.3.2.1 Transmisores de nivel

a. Transmisores de desplazamiento

Este tipo de medida se basa en la variacin del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido en un lquido, cuando la altura del lquido vara. El cuerpo flotador est conectado mediante un brazo a una barra de torsin, la cual a su vez se encuentra acoplada a un transductor (generalmente de 4 20 [mA]).

Es un sistema bastante preciso.

Su principal inconveniente es que depende de la densidad del fluido.

Las longitudes estandard de desplazadores van desde 0.3 hasta 3 metros.

Puede trabajar a altas presiones y temperaturas (5.000 psig, 540 [C]).

b. Transmisores de presin diferencial

Este medidor consiste en un diafragma en contacto con el lquido, que mide la presin hidrosttica en un punto del fondo del tanque. En este caso lo que se

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mide es la presin hidrosttica, cuyo valor es igual al producto de la altura de la columna de lquido por su densidad. El diafragma forma parte de un transmisor neumtico, electrnico o digital de presin diferencial.

c. Transmisores capacitivos

Se basan en medir la variacin de capacitancia de un condensador cuando vara el medio dielctrico entre sus placas. Para ello se forma un condensador con la pared del depsito y una sonda metlica, la capacidad vara proporcionalmente al nivel del lquido. Si el depsito no es metlico se introducen dos sondas metlicas.

El cambio en la capacidad se convertir a una medida estndar, habitualmente 4 -20 [mA].

Est limitado a slidos y lquidos con propiedades elctricas constantes. Sin embargo, los posibles contaminantes contenidos en el lquido pueden adherirse al electrodo, variando su capacidad y falseando la lectura.

3.2.3.3. Presin [4] [9] [24]

La presin es una variable crtica en el proceso. Con frecuencia se utiliza indicadores y transmisores de presin en puntos clave de la plataforma para verificar el trabajo de la planta. Gran parte de la lgica de control, como se puede observar en la filosofa de operacin, se basa en esta variable.

3.2.3.3.1 Indicadores de presin

Los indicadores de presin ms utilizados son los manmetros de tubo bourdon.

Los manmetros de tubo bourdon tiene un amplio rango de medida (entre 15 y 105 psi abs.), mientras que los de diafragma y muelle son para presiones relativamente pequeas.

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Deben estar provistos con seguros de alivio de presin, para minimizar riesgos por fallas de operacin. Adems deben contar con sifones, que permitan la evacuacin de vapores del proceso que puedan daar al instrumento o causar errores de medida debido a la temperatura.

3.2.3.3.2 Interruptores de presin.

Los interruptores de presin o presostatos, utilizan las mismas tecnologas que los manmetros, con la diferencia que se les incluye un contacto elctrico calibrado a un valor de presin, de tal manera que dicho contacto cambia de estado cuando el valor de la presin llega al punto de consigna (set point).

En general se debe tener los mismos cuidados para su instalacin que los indicadores de presin.

3.2.3.3.3 Transmisores de presin

Este tipo de instrumentos de presin convierte la deformacin producida por la presin en seales elctricas.

Los tipos ms comunes como transmisores de presin y presin diferencial son:

- Transmisores capacitivos. - Transmisores resistivos. - Transmisores piezoelctricos. - Transmisores piezoresistivos.

La instalacin de los transmisores de presin y presin diferencial debe realizarse de manera que se proteja al instrumento de las temperaturas del proceso y del medio ambiente. Debern ser autoventilados en caso de trabajar con vapores o

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con lquidos que puedan condensarse. Es necesario considerar vlvulas de purga para limpieza de sedimentos u otros.

3.2.3.4 Temperatura [4] [9] [24]

Indicadores de temperatura se colocan en la lnea de salida de cada pozo para poder tomar registro de este parmetro. Adems se colocan transmisores de temperatura en la lnea de crudo del skid de medicin y en la lnea que conduce la produccin de la plataforma a la lnea principal de transporte hacia CFP.

3.2.3.4.1 Termopares

Son sensores de temperatura formados por dos materiales. Su principio es la circulacin de corriente cuando la unin de los materiales se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente.

Los tipos de temocuplas, sus materiales, y el rango de medida, se presentan en la Tabla 3.4

SMBOLO ANSI

MATERIALES TEMPERATURA

[C] E Cromel - Constantan -200 a 900 J Hierro Constantn 0 a 750 K Cromel Alumel -200 a 1250 R Platino 13% rodio / platino 0 a 1650 S Platino 10% rodio / platino 0 a 1650 T Cobre - Constantan -200 a 350

Tabla 3.4 Caractersticas de las termocuplas.

Son aplicables para un amplio rango de medida, con una precisin y repetitividad aceptables.

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Por su construccin se clasifican en: Tipo A (respuesta rpida), y Tipo B (respuesta lenta).

La instalacin generalmente se da mediante vainas de proteccin. (Referencia: API 551, Captulo 5, Seccin 5.2).

3.2.3.4.2 Termoresistencias (RTDs)

Estos dispositivos estn basados en el principio de cambio de la resistencia elctrica de un cable como funcin de la temperatura.

Tienen un alto grado de precisin y un rango de medida prctico de -250C a 800C.

Las termoresistencias usadas en el mercadeo y sus caractersticas se muestran en la Tabla 3.5:

METAL RANGO DE OPERACIN

[C] PRECISIN

[C] Platino -200 a 950 0.01 Nquel -150 a 300 0.50 Cobre -200 a 120 0.10

Tabla 3.5 Caractersticas de las termoresistencias comerciales.

Generalmente se montan en una termocelda (termopozo). Cuando se requiere un tiempo rpido de respuesta (5 6 [seg]), el revestimiento del elemento resistivo puede quitarse quedando ste sin proteccin dentro de la vaina.

3.2.3.4.3 Termmetros indicadores locales

El termmetro bimetlico es el ms popular. Consta de dos barras metlicas que deben tener diferentes coeficientes de dilatacin lineal, la variacin de la

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temperatura produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un material se elongar ms que el otro.

Estn disponibles en un amplio rango de escalas y estilos.

3.2.4 IMPORTANCIA DE LA CALIBRACIN DE INSTRUMENTOS [26]

La calibracin es el conjunto de operaciones con las que se establece, en ciertas condiciones especficas, la correspondencia entre los valores indicados en los instrumentos, equipos o sistemas de medidas, o por los valores representados por una medida materializada o material de referencia, y los valores conocidos correspondientes a una magnitud de medida o patrn. [26]

No todos los instrumentos a instalarse en una plataforma son contrastados y calibrados por empresas especializadas en este campo. Generalmente se obtiene el certificado de calibracin de un equipo y todos los dems instrumentos son contrastados con ste para tener constancia de su buen funcionamiento.

En nuestro pas existen algunas empresas e instituciones que emiten dichas certificaciones, como por ejemplo el Instituto Ecuatoriano de Normalizacin (INEN) y la Escuela Politcnica Nacional (EPN).

Las calibraciones de los equipos e instrumentos deben realizarse acorde con las normas tcnicas internacionales aplicables. La norma API 551 da algunos parmetros que deben seguirse con este propsito para instrumentos utilizados en instalaciones petroleras.

3.3 TIPOS DE VLVULAS [19]

Son dispositivos que pueden iniciar, detener o regular la circulacin de lquidos o gases, mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye la tubera de proceso. [19]

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3.3.1 VLVULAS DE REGULACIN

Se utilizan para regular variables de proceso: caudal, presin, etc.

Pueden ser vlvulas manuales o automticas. Estas ltimas constituyen el elemento final de los lazos de control, generalmente conformado por: transmisor, regulador y vlvula. [19]

Las vlvulas de regulacin, de acuerdo a su constitucin mecnica, pueden ser de tipo: bola, mariposa, compuerta, macho, etc.

La seleccin de una vlvula se debe realizar mediante un anlisis minucioso de los datos del proceso: caractersticas del fluido (viscosidad, slidos en suspensin, etc) y condiciones de operacin (caudal mximo, mnimo, normal, etc).

Referirse a la norma API 14 E, Seccin 3, para informacin sobre caractersticas y seleccin de vlvulas.

3.3.2 VLVULAS REDUCTORAS DE PRESIN

Actan de tal forma que permiten reducir la presin de la corriente de fluido hasta un valor establecido.

Son vlvulas autopilotadas, no requieren de una seal externa. Su funcionamiento es automtico, requiriendo solamente que se establezca el punto de consigna: la presin a conseguir. [19]

3.3.3 VLVULAS DE SEGURIDAD

Son vlvulas que se instalan en equipos o lneas, evitando daos tanto a personas como a equipos, a consecuencia de una excesiva presin, o por el contrario, por vaco. [19]

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Son autnomas, no necesitan ninguna seal externa para entrar en funcionamiento.

3.3.4 VLVULAS DE RETENCIN

Se utilizan para asegurar el sentido de flujo dentro de una lnea, evitando que se produzca un retorno de fluido. [19]

Los conceptos presentados son suficientes para elegir los instrumentos adecuados para el control del proceso de la plataforma de produccin de petrleo y la elaboracin de sus P&IDs. La matriz causa efecto permitir enlazar las acciones de los instrumentos y seales.

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CAPITULO 4

DISEO DE UNA PLATAFORMA DE PRODUCCIN

Este captulo tiene como objetivo desarrollar la ingeniera bsica de una plataforma de produccin tpica con la informacin suministrada por la empresa ARB Ecuador. Para efectos de lograr una presentacin real del proyecto la informacin se ha organizado en memorias de clculos y planos, figurando como contratista la Escuela Politcnica Nacional (EPN) y como cliente la empresa ARB Ecuador.

4.1 BASES DE DISEO

4.1.1 DATOS GENERALES

- No. de plataforma: 211. - No. de pozos a perforarse: 10. - No. de pozos futuros (reserva): 2. - No. de Cellars: 10. - Potencia requerida por pozo: 760 HP - Fluido Total Mximo del PAD: 100.000 BFPD. - Presin de trabajo de la Well Pad: 350 a 380 Psig. - API Crudo: 14 16 API - Presin mxima del agua de formacin 1200 Psi

4.1.2 SISTEMA ELCTRICO

- Suministro de energa: 35 KV. - Topologa de distribucin: Radial simple.

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4.1.3 SISTEMA DE INSTRUMENTACIN

- Instrumentacin anloga electrnica 4-20mA. - Indicadores locales donde se requiera. - Instrumentacin discreta formada por switches alimentados por 120Vac.

4.1.4 SISTEMA DE CONTROL

El sistema de control est compuesto por un Rack Remoto para recolectar seales del rea de procesos y pozos, y un PLC Principal dentro del cuarto de control.

4.1.5 DISTRIBUCIN FSICA DE LA PLATAFORMA

La distribucin fsica de la plataforma se muestra en el plano 211-B68PL-001: Implantacin General.

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4.2 DESCRIPCIN DEL PROCESO

Se desarrollar la ingeniera en el rea elctrica y de instrumentacin de una well pad tipo, donde se ha previsto la perforacin de 10 pozos (considerando una reserva de 2 pozos), los cuales aportarn un caudal promedio de 100000 BFPD a un sistema de produccin general. El fluido ser extrado de los pozos por medio de bombas electrosumergibles y ser colectado, medido y direccionado hacia la red de produccin principal.

Se conoce que la presin de trabajo de la plataforma debe estar entre 350 - 380 psig (dato de partida). Por lo tanto todos los equipos, lneas e instrumentos estarn diseados en base a esta presin.

4.3 FILOSOFA DE OPERACIN DE LA PLATAFORMA

4.3.1 POZOS

Cada uno de los pozos del Well Pad tienen una bomba electrosumergible, conectadas a la superficie por un cable de potencia que es instalado segn los requerimientos de energa de cada pozo. Para su control se debe prever un accionamiento de velocidad variable (VSD).

La potencia que consume una bomba electrosumergible, de acuerdo a los datos de partida, es de 760 HP.

La lgica de operacin del pozo se disear para que opere normalmente dentro de un rango de presiones de cabecera entre 300 psig y 500 psig. Bajo los 300 psig o sobre los 500 psig el sistema indicar alarma por baja y alta presin respectivamente. Estas presiones sern sensadas por los transmisores de presin PT W21101A a 12A.

El pozo dejar de producir por muy alta presin cuando alcance los 600 psig o por muy baja presin cuando alcance los 250 psig, provocando un shut down de pozo

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cerrando las vlvulas de parada de emergencia (SDV), W211 del pozo respectivo.

El fluido de cada pozo es conducido a travs de una tubera de 4 hasta el manifold de entrada, en el cual converge todo el fluido. En las lneas de 4 estarn ubicados los transmisores de presin PT W211B lo cuales sensarn la presin de estas lneas entre el rbol de navidad y el manifold de entrada. Este transmisor tiene la funcin de detectar variaciones de presin ante la eventualidad de una fuga de fluido o bloqueo de vlvulas manuales.

El pozo dejar de producir por muy alta presin cuando alcance los 600 psig o por muy baja presin cuando alcance los 250 psig provocando un shut down de pozo mandando a cerrar las SDV W211 del pozo respectivo.

Los pozos dejarn de producir cuando los PSL W21101 a 12 sensen que la presin del aire de instrumentos esta por debajo de los 70 psig mandando a cerrar las SDV W21101 a 12.

4.3.2 INLET MANIFOLD Y LINEA DE TRANSPORTE

Un colector de produccin de 10 recibir el fluido proveniente de los doce pozos previstos en la plataforma.

Las lneas de 4 que confluyen en el colector de produccin tienen conexiones con el colector de agua de 4. Estas conexiones tienen por finalidad reducir la viscosidad del fluido en caso de ser necesario, aumentando el corte de agua y permitiendo bajar as la cada de presin por la lnea de 16 que transporta el fluido hasta la lnea principal (main line).

El caudal de agua que circula por el colector de agua de 4 es proveniente del colector de agua de inyeccin de 10, parte del agua de este colector se deriva a travs de una vlvula reductora de presin hacia el colector del 4. Este colector

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tiene como finalidad el de proporcionar agua a una presin similar a la de produccin de los pozos para efectos de recirculacin. Los colectores poseen un sistema de drenaje hacia el Sump Tank, con la configuracin de un bloqueo manual que normalmente se encuentra cerrado y una vlvula globo para realizar la reduccin de presin y poder drenar hacia el Sump Tank.

Todo el fluido de los pozos que confluyen en el manifold de entrada es luego transportado a travs del skid SK-21102 por una lnea de 10 en la que se encuentra montado el transmisor de presin PT SK21102A. Este desencadena un shut down de produccin cuando se sobrepasan las presiones de seteo por muy alta presin o por muy baja presin.

La lgica de operacin est diseada para que la lnea opere normalmente dentro de un rango de presiones entre 300 psig y 400 psig. Bajo los 300 psig o sobre los 400 psig el sistema indicar alarma por baja y alta presin respectivamente.

Un shut down de produccin por muy alta presin ocurrir cuando la lnea alcance los 450 psig o por muy baja presin cuando alcance los 250 psig, cerrando todos los pozos.

A partir del skid SK-21102 el fluido es transportado por tubera de 16 hasta interconectarse con el main line que lo llevar finalmente hasta un centro de acopio y procesamiento.

Se colocar un transmisor de presin PT 21101A despus del skid SK-21102, el cual desencadena un shut down de produccin cuando se sobrepasan las presiones de seteo por muy alta presin o por muy baja presin. La lgica de operacin de este transmisor ser similar a la lgica de operacin del PT SK21102A, descrita anteriormente.

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4.3.3 SISTEMA DE MEDICIN DE CAUDALES

De las lneas de 4 que provienen de los pozos de produccin tambin es posible derivar el fluido hacia un colector de prueba de 6, en el cual se colectan los fluidos de los pozos cuyo caudal se desea medir. El fluido del colector pasa al skid de medicin SK-21102 donde a travs de medidores tipo turbina se determina su caudal.

La operacin de medicin de cada pozo empieza con la apertura de todas las vlvulas manuales que conducen el fluido desde el colector de test hacia el skid de medicin y el cierre de la vlvula que lleva al fluido al colector de produccin. Realizada esa operacin, el operador proceder al panel de botoneras donde activar la apertura de la vlvula SDV SK21102A que permite el paso del fluido a travs de los medidores de turbina y se cerrar la vlvula SDV SK21102B que permite el paso del fluido hacia la lnea principal de 10.

Una vez finalizada la operacin de medicin, el operador se dirigir nuevamente hacia el panel de botones y accionar el botn de by-pass el cual abrir la vl