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CAPTULO II

MARCO TERICO

El presente captulo, consta de antecedentes que han servido de base

para el inicio de esta investigacin, se conocern casos de investigaciones

que han aportado informacin importante, terica y prctica para el desarrollo

de la misma. Seguidamente se desarrollan las bases tericas que sustentan

la investigacin, tambin se definirn los trminos bsicos y por ltimo las

variables de la investigacin.

1. Antecedentes de la Investigacin


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Lara, (2003), en su proyecto de grado para optar al ttulo de MSc. en Ing.

de Control y Automatizacin de Procesos, en la Universidad Dr. Rafael

Belloso Chacn, en Maracaibo, el cual se titula Diseo de Estrategias de

Control PID y Predictiva en Planta de Manufactura de Propileno Grado

Polimero , cuyo propsito de optimizar y automatizar el proceso de

fraccionamiento del propano-propileno proveniente del complejo refinador de

Paraguan CRP. Se realiz un estudio en el cual se analizaron las diversas

estrategias de control existente en la planta y se diagnosticaron las causas

que originaban que algunas estrategias fuesen deficientes.

Por otro lado, se analiz la forma manual en la cual era operado el sistema

con el propsito de desarrollar los nuevos controladores que permiten que el

proceso fuese realizado en automtico. As mismo, la carencia de

aislamiento trmico brind la oportunidad de desarrollar modelos

matemticos para la seccin superior de la torre de fraccionamiento. Este


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modo de disear y seleccionar el controlador automtico especfico para el

proceso en estudio.

En el trabajo propuesto por Gonzlez (2005), titulado Sistema de

Control PID para el Sistema de Recirculacin de la Estacin de Bombeo

de Crudo Ul-1 PDVSA, como Trabajo de Grado (MSc. en Ingeniera de

Control y Automatizacin de Procesos) en la Universidad Dr. Rafael Belloso

Chacn, dirigido a la aplicacin de un sistema de Control PID para el

incremento de tasa de bombeo de crudo a travs del sistema de recirculacin

en la Estacin de bombeo Ul-1, tomando como punto de inters el estudio

de confiabilidad del proceso de suministro del crudo.

De igual manera se desarrolla la simulacin del proceso de recirculacin,

de manera de confirmar la confiabilidad del manejo de produccin con este

proceso y establecer los parmetros operacionales requeridos para el

incremento de la tasa de bombeo de crudo a travs de la lnea APL-1 hacia


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Gonzlez con su investigacin, dirigida a la aplicacin de un sistema de

control para incrementar la tasa de bombeo de crudo, proporciona muchas

ideas en cuanto a la simulacin del proceso (estacin de bombeo) para la

investigacin actual, as como tambin brinda un significante aporte en

cuanto a la estrategia utilizada, ya que los resultados obtenidos fueron

satisfactorios.

En esta misma temtica, Osorio (2005), en su trabajo titulado Estrategia

de control para optimizar la inyeccin de gas en pozos con mtodo

L.A.G. de la U.E. Tierra Oeste , desarrollado como Trabajo de Grado para

optar al ttulo de MSc. en Ing. de Control y Automatizacin de Procesos en la

Universidad Dr. Rafael Belloso Chacn, presenta el diseo de una estrategia

de control para optimizar la inyeccin de gas y produccin de crudo en pozos

con mtodo L.A.G. de la U.E. Tierra Oeste. Los fundamentos tericos de la

automatizacin de procesos y el mtodo de levantamiento artificial por gas


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proceso de identificacin del sistema y el establecimiento de una filosofa de

control adecuada.

Asimismo, el sistema de control fue desarrollado por medio de una

Metodologa constituida por cinco fases: Fase I, Estudio del Sistema Actual

de ajuste de inyeccin; Fase II, Diseo y construccin de un sistema de

captura de datos de las variables del proceso de produccin del pozo L.A.G.;

Fase III, Identificacin del proceso utilizando los mtodos de estimacin de

modelos paramtricos; Fase IV, Diseo del sistema de Control; Fase V,

Simulacin del comportamiento del esquema de control definido para evaluar

su respuesta y determinar si cumple con los lmites operacionales permitidos.

Con las pruebas realizadas a este modelo se cumplen a cabalidad los

objetivos establecidos en esta investigacin, logrando que la produccin del

pozo pueda ser controlada de manera satisfactoria, controlando la dinmica

del proceso, garantizando el menor consumo de gas de levantamiento.


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control del suministro de gas a la turbina de la estacin de bombeo

Pajuizal , se enfoca en la bsqueda de la solucin al problema que se

plantea en la estacin de bombeo de Pajuizal, donde existe la necesidad de

Optimizar el Sistema de Control PID aplicado a la vlvula de suministro de

gas a la turbina Orenda, mediante un PLC para el arranque de la misma, el

cual garantice el buen funcionamiento de la turbina por medio del control

PID.

La preocupacin principal de sta radica en descubrir las caractersticas

fundamentales de las variables en estudio una vez planteada la

investigacin. Partiendo de las necesidades del modelo, se busca como fin

directo la Optimizacin del sistema de control para el arranque de la turbina

de la estacin en un lapso de tiempo corto.

La investigacin fue desarrollada en tres fases fundamentales las cuales

son; Fase 1: Descripcin de la situacin actual; Fase 2: Identificacin del


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misma problemtica en cuanto a la disponibilidad del fluido que se maneja en

la planta, denotando la importancia de la aplicacin de un sistema de control

que permita la regulacin del fluido y garantice el funcionamiento de la planta

en ptimas condiciones, basndose en teoras de control.

2. Fundamentacin Terica

A continuacin se incluyen los fundamentos, definiciones, descripciones y

teoras en los cuales se soporta tericamente el presente trabajo de

investigacin, a los trminos asociados con la variable de investigacin, es

decir, Sistema de Control para las Bombas Centrfugas y Verticales.

2.1 Estacin de Bombeo de Agua Salada II (EBAS-II).

La Planta EBAS-II, est conformada por diez (10) bombas, las cuales

fueron concebidas para el suministro de agua salada al sistema de


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observar la Arquitectura Actual del Sistema de Control EBAS-II, en l se

indica la ubicacin del sistema de control y las direcciones del conexionado,

especificando desde la Sala de Control del Bloque 29, la Sub-Estacin 44-

1/44-2 y el campo o rea EBAS-II.

Figura 1.Arquitectura Actual del Sistema de Control EBAS-II. Elaboradopor Daz y Maldonado (2012)


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2.2 Bomba Centrfuga.

Una bomba centrfuga (ver Figura 2), es una mquina que consiste de un

conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja, o una cubierta

o coraza. Su caracterstica principal es que aumentan la energa del fluido

por la accin de la fuerza centrfuga provocada por el movimiento del fluido

dentro de un rodete. Se denominan as porque la cota de presin que crean

es ampliamente atribuible a la accin centrfuga. Las paletas imparten

energa al fluido por la fuerza de esta misma accin. As, despojada de todos

los refinamientos, una bomba centrfuga tiene dos partes principales: (1) Un

elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento

estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.


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Segn la Norma Interna PDVSA K375, denominada Instrumentacin de

Bombas, expone lo siguiente en referencia a las Bombas Centrfugas:

Bomba comnmente usada en el manejo y mezcla de fluidos de pozo.El movimiento rotativo del impelente (impulsor) en combinacin con lacarcasa de la bomba (voluta) aplica fuerza centrfuga para descargarlos fluidos de la bomba. La bomba centrfuga se utiliza generalmente en

operaciones que requieren alto volumen y baja presin de descarga.

2.3 Clasificacin de las Bombas Centrfugas.

De acuerdo a lo establecido por COVENIN, las bombas Centrfugas se

clasifican como se indica a continuacin:

1. Segn la configuracin del impulsor y velocidad especifica en:

Radiales, Flujo Mixto y Axiales.

2. Segn el nmero de impulsores en: Centrifuga Simple y Centrifuga

Multietapas.

3. Segn la configuracin de la carcasa en: de Voluta y de Difusor.


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2.4 Funcionamiento de una Bomba Centrfuga.

El flujo entra a la bomba a travs del centro u ojo del rodete y el fluido

gana energa a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera,

en direccin radial. Esta aceleracin produce un apreciable aumento de

energa de presin y cintica, lo cual es debido a la forma de caracol de la

voluta para generar un incremento gradual en el rea de flujo de tal manera

que la energa cintica a la salida del rodete se convierte en cabeza de

presin a la salida.

2.5 Partes constitu tivas de una Bomba Centrfuga.

Segn Viejo (2000), las partes constitutivas de una bomba centrfuga

dependen de su construccin y tipo. Por esta razn, existen innumerables

cantidades de piezas. De acuerdo a esto, se procede a definir slo las partes

ms significativas en una bomba centrfuga.


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1. Segn la manera de efectuar la conversin de energa: voluta (simple

y doble) y difusor.

2. Segn su construccin: de una pieza y partida (por un plano

horizontal, por un plano vertical y por un plano inclinado).

3. Segn sus caractersticas de succin: simple, doble y succin por un

extremo (lateral, superior e inferior).

4. Segn el nmero de etapas: de una etapa y de varias etapas.

2.5.2 Impulsores.

Igualmente, el autor citado anteriormente, establece lo siguiente con

respecto a los impulsores: "Recibe el lquido y le imparte una velocidad de la

cual depende la carga producida por la bomba (p. 40). Los impulsores son

conocidos como el corazn de la bomba, ya que es el elemento por medio

del cual se transmite la energa al fluido. Este se encuentra compuesto por


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Figura 3. Tipos de Impulsores segn el tipo de succin: simple succin y

doble succin. Elaborado por Viejo (2000).

2. Forma de las aspas: aspas tipo Francis, aspas curvas radiales, aspaspara flujo mixto y aspas tipo propela (Ver Figura 4). En un impulsor tipo

Francis las aspas tienen doble curvatura, son ms anchas y el flujo tiende a

ser radial. Un impulsor con flujo mixto puede manejar fluidos con slidos en

suspensin. Los impulsores de tipo propela, tienen pocas aspas y pueden

manejar lquidos con slidos en suspensin de tamao relativamente grande.


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3. Direccin del flujo:radial, mixto y axial (Ver Figura 5). Los impulsores

de simple curvatura son de flujo radial y estn sobre un plano perpendicular.

Un impulsor con flujo mixto puede manejar fluidos con slidos en suspensin.

Figura 5.Tipos de Impulsores: axial y mixto, respectivamente. Elaborado por

Viejo (2000).

4. Construccin mecnica: abierto, semiabierto y cerrado (Ver Figura 6).

Un impulsor abierto las paletas estn libres, extendindose desde el cubo


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Figura 6.Tipos de Impulsores abiertos. Elaborado por Viejo (2000).

2.5.3 Anil los de desgaste

Seguidamente, Viejo (2000, p. 41) define lo siguiente con respecto a los

anillos de desgaste:

Cumplen la funcin de ser un elemento fcil y barato de remover enaquellas partes en donde, debido a las cerradas holguras que seproducen entre el impulsor que gira y la carcasa fija, la presencia deldesgaste es casi segura. En esta forma, en lugar de tener que cambiar

todo el impulsor o toda la carcasa, solamentese quitan los anillos.

La funcion principal de los anillos de desgaste es actuar como


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Figura 7.Diferentes tipos de anillos de desgaste. Elaborado por Viejo (2000).

2.5.4 Estoperas, Empaques y Sellos

La funcin de estos elementos (ver Figura 8), es evitar el flujo hacia fuera,

del lquido bombeado a travs del orificio por donde pasa la flecha de la

bomba, y el flujo de aire hacia el interior de la bomba (Viejo, 2000).


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2.5.5 Flecha

La flecha de una bomba centrfuga (ver Figura 9), es el eje de todos los

elementos que giran en la bomba centrfuga, transmitiendo adems el

movimiento que le imparte la flecha del motor de acuerdo a lo descrito por

Viejo (2000, p. 43).

Figura 9.Flecha. Elaborado por Viejo (2000).

2.5.6 Coj inetes


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unidad existen: soporte de baleros, soporte de toda la bomba y soporte del

grupo bomba-motor (p. 48).

Haciendo referencia a lo anterior, los soportes de baleros (ver Figura 10)

son los alojamientos donde los baleros entrar con un ajuste especial

quedando en una posicin definida, perfectamente concntrica con el eje de

la flecha. Otra funcin que cumplen los mismos, es de contener el lubricante

necesario para la operacin correcta de los mismos. El soporte de toda la

bomba, es aquel que sostiene todo el peso de la misma.


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Figura 11.Base para grupo Bomba-Motor. Elaborado por Viejo (2000).

2.6 Bombas Centrfugas. Generalidades

Segn la Normativa interna existen diversas consideraciones que se

deben tomar en cuenta con respecto a las bombas centrfugas. La norma,

denominada Instrumentacin de Bombas, establece lo siguiente:

1. En caso de ser necesario, se utilizarn vlvulas de control en la lnea

de recirculacin de la bomba para lograr mejoras en su desempeo.

2. Las Bombas centrfugas impulsadas por turbinas de vapor de

velocidad variable pueden ser ajustadas mediante el gobernador de la


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4. Se permite utilizar bombas centrfugas impulsadas por motores

elctricos controlados por variadores de velocidad.

5. Las bombas e impulsores que tengan sistemas de instrumentacin

propietarios para su operacin y/o proteccin, deben estar de acuerdo con

los requerimientos establecidos en la norma y contar con la aprobacin del

ingeniero de instrumentacin y control.

6. Las bombas centrfugas deben cumplir con los requerimientos de

proteccin indicados en las normas API STD 610 y 682.

2.7 Variables de Proceso

Los parmetros operacionales para la proteccin y control de bombas

centrfugas (a excepcin de lo establecido en API 670) son:

1. Monitoreo de la temperatura de la cara estacionaria del sello.

2. Temperatura de cojinete.

3 Presin en la succin


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2. Alto desplazamiento axial.

3. Vibracin de la carcasa (para cojinetes antifriccin).

4. Alta temperatura de cojinete.

5. Alta presin de descarga.

6. Bajo nivel en el tanque de aceite de sello.

7. Alarma o paro por baja presin de succin de la bomba. Dependiendo

de la criticidad de la bomba se pueden implementar paros por baja presin

en la succin y/o alarma en el caso que su funcionamiento en esa condicin

afecte la integridad del proceso o la planta.

2.9 Controladores

PID

Las estrategias de control PID; Proporcional, Integral, Derivativa, se

incorporan en el ambiente industrial en el primer cuarto de este siglo, con un

esquema de ajuste puramente emprico. En la actualidad, pese al


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controladores adaptables sofisticados si estos vienen bajo una

empaquetadura PID.

Probablemente es debido a esta razn que en los ltimos aos varios

grupos que se encuentran en la vanguardia de la investigacin han invertido

un considerable esfuerzo en el desarrollo de nuevos algoritmos de control

basados en estructuras PID.

El controlador PID surge como consecuencia de la combinacin de tres

acciones bsicas de control; accin proporcional, integral y derivativa, cuyos

efectos ya eran conocidos a principios de siglo.

2.9.1 Estructura de un Contro lador PID

La figura a continuacin (Figura 12), representa un lazo de control simple,

de una entrada y una salida, en donde G(s) representa la funcin de

transferencia de la planta a controlar, y el bloque PID la funcin de


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Los miembros de la familia de controladores PID, incluyen tres acciones:

proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Estos controladores son los

denominados P, I, PI, PD y PID.

2.9.2 Accin de control proporcional

Da una salida del controlador que es proporcional al error, es decir

()= ()que descrita desde su funcin de transferencia queda como

se muestra en la ecuacin ()=. Donde Kp es una ganancia

proporcional ajustable. Un controlador proporcional puede controlar cualquier

planta estable, pero posee desempeo limitado y error en rgimen

permanente. De acuerdo a lo establecido por Ogata (1998) el control

proporcional se conoce como control continuo, ya que proporciona una

respuesta instantnea del controlador a los cambios que existan en el error

(p.215).


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La seal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la seal de

error e(t) es cero. Por lo que se concluye que dada una referencia constante,

o perturbaciones, el error en rgimen permanente es cero. Ogata (1998)

afirma con respecto a la accin integral lo siguiente: acta sobre la salida

para que cambie hasta un valor correcto necesario para mantener la

medicin en el valor de consigna. Cuanta ms pequea sea la accin de

reset o integral exista en el controlador, ms rpido cambia la salida en

funcin del tiempo.

2.9.4 Accin de control proporcional-integral

La accin de control proporciona-integral se define mediante la ecuacin

2,

()= () +

()

(2)

Donde Ti se denomina tiempo integral y es quien ajusta la accin integral.


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Aunque el control derivativo no afecta en forma directa al error de estado

estacionario, aade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un valor

ms grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precisin en

estado estable.

2.9.6 Accin de control Proporc ional-Integral-Derivativa

Las acciones de control proporcional, integral y derivativa combinadas

renen las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales.

La ecuacin de un controlador con esta accin combinada se obtiene

mediante la ecuacin 6:

()= () +

() + ()

(6)

Y su funcin de transferencia resulta (ecuacin 7):


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principal objetivo ser arrojar la informacin necesaria para poder dar

solucin a la problemtica. En el caso de la presente investigacin, se tienen

dos variables; como lo son las Bombas Centrfugas y el Sistema de Control.

3.1 Definicin Conceptual

A continuacin se hace la definicin conceptual de la variable de estudio,

que en esta investigacin se encuentran representada por: Sistema de

Control para las Bombas Centrfugas Verticales.

3.1.1 Sistema de Control para Bombas Centrfugas Verticales

Segn Viejo (2000), la definicin para una bomba centrfuga es la

siguiente:

Bomba que aprovecha el movimiento de rotacin de una rueda conpaletas (rodete) inserida en el cuerpo de la bomba misma. El rodete,alcanzando alta velocidad, proyecta hacia afuera el agua anteriormente


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otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado. La

finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulacin de

las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo

que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).

De acuerdo a lo expuesto anteriormente se puede establecer una

definicin conceptual para la variable en estudio. Un sistema de control para

Bombas Centrfugas Verticales es un conjunto de elementos o componentes

destinado a regular la conducta, comportamiento u operacin de las bombas

centrfugas verticales, de tal modo que las mismas operen dentro de un

rango determinado o cumplan con requerimientos especficos previamente

establecidos, con la finalidad de que el proceso opere sin ningn

inconveniente.

3.2 Definicin Operacional


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acuerdo a los requerimientos necesarios, as como tambin que el proceso

se realice con total normalidad, sin presentar ningn tipo de inconveniente en

lo que respecta a la operacin de las bombas centrfugas verticales. Es un

sistema encargado de controlar las bombas en cuestin, de tal modo que las

mismas surtan a las dems plantas que conforman la refinera sin presentar

problema alguno, de acuerdo a especificaciones previamente implantadas.


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Cuadro 1. Operacionalizacin de las Variables.

Objetivos Especficos Variable rea Sub-rea

Diagnosticar el funcionamiento actual de lasbombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera(EBAS).

Sistema de Control

para BombasCentrfugasVerticales

Caractersticas defuncionamiento de lasbombas.

- Variables defuncionamiento.- Condiciones deoperacin.

Definir las variables operativas en lasbombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera

(EBAS).

Anlisis de las variables acontrolar

- Flujo- Presin

Modelar matemticamente el sistema de lasbombas Centrfugas verticales en EBAS.

Modelo matemtico delcomportamiento de lasBombas CentrfugasVerticales.

- Controlabilidad- Observabilidad- Estabilidad

Disear el Sistema de Control aplicado alas bombas Centrfugas Verticales, enEstacin de Bombeo de Agua Salada enRefinera (EBAS).

Estrategia de control autilizar en el sistema. - PI

- PD- PIDSistema de control.

Validar el Sistema de Control aplicado abombas Centrfugas Verticales, en Estacinde Bombeo de Agua Salada en Refinera(EBAS) a travs de su simulacin.

No operacional

Fuente: Daz 2012. Elaboracin propia.

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