Dis Enos is t Control

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

PROYECTO:

TESIS

DISEO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE PRESIN EN LAZO ABIERTO PARA UNA LNEA DE BOMBEO EN

UNA ESTACIN DE BOMBEO DE CRUDO

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN

PRESENTAN:

PABLO TONATIUH BARRERA MORALES JOS LUIS RAMOS ESPINOZA

ASESORES:

LUIS ENRIQUE MURILLO YEZ HUMBERTO SOTO RAMREZ MXICO D. F. JULIO 2009

Ingeniera en Control y Automatizacin

Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS

En primera instancia quiero agradecer a mis padres, Pablo y Maricruz, por brindarme su apoyo incondicional a

lo largo de toda mi educacin, por ser un ejemplo y una gua en mi formacin como profesionista, de igual

forma agradezco a mis hermanos, Marcelo y Yoalli, a mi abuelita Mary y a mi novia Elizabeth quienes siempre

estuvieron conmigo en los tiempos difciles. Todos ustedes son mi motivacin para seguir adelante, gracias

por ser.

A mi compaero de este trabajo y gran amigo Jos Luis, s que fueron tiempos difciles y una larga espera,

pero a pesar de todo logramos el objetivo, gracias por tu esfuerzo y dedicacin.

A todos mis compaeros de trabajo y amigos, por permitirme aprender de ellos y ayudarme a crecer personal

y profesionalmente.

Al Instituto Politcnico Nacional, a mis maestros y en especial a mis asesores, por formarme como

profesionista y hacer posible este trabajo.

Pablo Tonatiuh Barrera Morales

Muchas personas intervinieron en el desarrollo de este trabajo y con todas estoy profundamente agradecido,

a la persona que me inculc el gusto por la ingeniera y que aunque ya no tuvo la oportunidad de leer este

trabajo se que est gustoso en el lugar donde se encuentre, gracias abuelo Lalo.

A mis padres, Luis Eduardo y Celia que nunca dejaron de velar por mi bienestar y que a base de sacrificios

me han apoyado y han sido parte importante en todas mis decisiones, gracias por todo aquello que me han

brindado e inculcado, son los mejores padres del mundo.

A mis hermanas, Celia y Liliana que siempre han estado en los momentos importantes, crecer con ustedes ha

sido una experiencia nica. A la personita que acaba de llegar a formar parte de mi familia y que me cambi la

forma de ver las cosas, gracias Joselyn.

A un amigo incondicional y compaero de trabajo Pablo, hemos salido adelante desde que fuimos

compaeros de clase y en nuestra faceta como profesionistas nos espera un largo camino por recorrer,

gracias por tu amistad y por todos esos logros.

A mis compaeros de trabajo con quienes he crecido enormemente como persona y de quienes he aprendido

demasiado. A mi cuado Mario y a todos mis amigos, profesores y familiares, gracias.

Jos Luis Ramos Espinoza


ndice

NDICE

CONTENIDO PGINA

RESUMEN ...... i

INTRODUCCIN .... iv

DESCRIPCIN DEL PROBLEMA ..... vii

JUSTIFICACIN ........ vii

OBJETIVO GENERAL ....... viii

OBJETIVOS ESPECFICOS ... viii

NOMENCLATURA ..... ix

CAPTULO I GENERALIDADES

1.1 Bombas Utilizadas en Sistemas de Bombeo ..... 3

1.1.1 Bombas Centrfugas ..... 4

1.1.2 Clasificacin de las Bombas Centrfugas . 5

1.1.3 Bombas Radiales, Axiales y Diagonales ..... 6

1.1.4 Bombas de Impulsor Abierto, Semiabierto y Cerrado ..... 6

1.1.5 Bombas Horizontales y Verticales ..... 7

1.1.5.1 Bombas Verticales ..... 7

1.1.5.2 Bombas Horizontales ..... 8

1.1.6 Criterios de Seleccin de las Bombas ..... 8

1.2 Vlvulas de Control en Sistemas de Bombeo ..... 8

1.2.1 Vlvulas de Compuerta ..... 9

1.2.1.1 Ventajas y Desventajas de las Vlvulas de Compuerta .... 10

1.2.2 Vlvulas Check o de Retencin .... 11

1.3 Oleoductos .... 12

1.4 Instrumentacin .... 13

1.4.1 Medidores de Flujo .... 13

1.4.1.1 Medidores de Presin Diferencial .... 15

1.4.1.1.1 Placas de Orificio .... 17

1.4.1.1.2 Tubo Venturi .... 18

1.4.1.1.3 Toberas ......... 19

1.4.1.1.4 Medidores de rea Variable (Rotmetro) ..... 19

1.4.1.2 Medidores de Velocidad .... 20

1.4.1.2.1 Medidores Tipo Turbina .... 20

1.4.1.2.2 Medidores Tipo Vortex .... 21

1.4.1.2.3 Medidores Electromagnticos .... 22


ndice

CONTENIDO PGINA 1.4.1.2.4 Medidores de Flujo por Ultrasonidos .... 23

1.4.1.3 Medidores de Flujo Msico .... 25

1.4.1.3.1 Medidores de Flujo Msico Tipo Coriolis .... 25

1.4.1.3.2 Medidores de Flujo Msico Tipo Trmicos .... 26

1.4.2 Medidores de Presin (Manmetros) .... 27

1.4.2.1 Manmetros de Diafragma .... 27

1.4.2.2 Manmetro de Tubo Bourdn .... 26

1.4.3 Criterios de Seleccin para Instrumentacin .... 29

1.4.3.1 Criterios de Seleccin para Instrumentos de Medicin de Flujo .... 30

1.5 Controladores Lgicos Programables (PLC) .... 32

1.6 Motores de Induccin .... 35

1.6.1 Funcionamiento del Motor de Jaula de Ardilla .... 36

1.6.2 Control de Velocidad en Motores Trifsicos .... 36

1.6.2.1 Variador Electrnico de Velocidad .... 37

1.7 Sistemas de Control .... 42

1.8 Ecuaciones Fundamentales .... 44

1.8.1 Prdidas de Presin por Friccin .... 44

1.8.1.1 Prdidas Primarias .... 44

1.8.1.2 Prdidas Secundarias .... 45

1.8.1.2.1 Reduccin Concntrica .... 46

1.8.1.2.2 Codos .... 47

1.8.1.2.3 Vlvulas .... 49

1.8.2 Factores de Correccin por Cambios de Temperatura .... 50

CAPTULO II FUNCIONAMIENTO ACTUAL DEL SISTEMA DE BOMBEO DE CRUDO

2.1 La Estacin de Bombeo .... 52

2.1.1 Lnea de Bombeo .... 53

2.1.2 Bomba Centrfuga .... 56

2.1.3 Fluido Transportado .... 57

2.1.4 Instrumentacin de la Lnea de Bombeo .... 57

2.2 Condiciones de Operacin .... 58

2.2.1 Condiciones Actuales de Operacin .... 59

2.2.2 Condiciones ptimas de Operacin de la Bomba .... 59

2.2.3 Necesidades de Bombeo de la Estacin .... 61

2.2.4 Parmetros de Operacin Desarrollados por la Bomba para Cada Necesidad de Flujo sin Variar la Velocidad del Motor ..... 63

CAPTULO III DESARROLLO DE INGENIERA

3.1 Modelado Matemtico .... 65

3.1.1 Intervalo de Operacin de la Bomba Variando la Velocidad de Giro . 73

3.1.2 Parametrizacin . 77

3.1.3 Clculos de Prdidas por Friccin en la Descarga de la Lnea de Bombeo ........... 79

3.1.3.1 Perdidas Primarias ........ 81

3.1.3.2 Prdidas Secundarias .... 83

3.1.4 Configuracin Alternativa .... 90

3.1.5 Anlisis de Resultados .... 93

3.2 Seleccin del Lazo de Control .... 94


ndice

CONTENIDO PGINA

3.2.1 Instrumentacin .... 95

3.2.1.1 Medidor y Transmisor Electrnico de Presin Marca Foxboro IGP10......... 95

3.2.1.2 Medidor de Flujo Tipo Ultrasnico y Transmisor Marca Faure Herman Modelo FH 8500...... 95

3.2.2 Elementos de Control .... 96

3.2.2.1 Allen Bradley Power Flex Series 700H ..... 97

3.2.2.2 Mitsubishi Series FR-E ..... 98

3.2.2.3 Telemecanique Altivar 61 ..... 99

3.2.2.4 Comparativa de Variadores de Velocidad .100

3.2.3 Lazo de Control .100

3.3 Programacin del Controlador .102

3.3.1 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de la Frecuencia Mnima y Mxima......102

3.3.2 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de 15 Frecuencias Programadas .... 105

CAPTULO IV PROPUESTA GENERAL DE COSTO DEL PROYECTO

4.1 Cotizacin del Proyecto ... 114

4.2 Energa Consumida Ahorrada Para Cada Caso Operativo ... 118

CAPTULO V SOLUCIN ALTERNATIVA

5.1 Alternativa Operacional Para el Manejo de Flujo en la Estacin ... 122

5.1.1 Desempeo de la Bomba para las Alternativas de Flujo sin Variar la Velocidad del Motor .....123

5.1.2 Parametrizacin de Casos Operativos Alternativos ... 124

5.1.3 Anlisis de Resultados ... 128

5.2 Programacin del Controlador ... 129

5.2.1 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de la Frecuencia Mnima y Mxima.... 129

5.2.2 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de 15 Frecuencias Programadas ...... 134

5.3 Energa Consumida para Cada Caso Operativo .... 139

CAPTULO VI ANLISIS DEL PROYECTO Y CONCLUSIONES

6.1 Anlisis y Conclusiones Generales del Proyecto ... 143

BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS

ANEXOS

ANEXO A Terminales y Conexiones del PLC Telemecanique Twido Modular LMDA 20DTK

ANEXO B Terminales y Conexiones del Drive Mitsubishi Serie FR-E


Resumen i

RESUMEN

En ste trabajo se desarroll un sistema de control en lazo abierto para una lnea de bombeo dentro

de una estacin de rebombeo, sta lnea transporta crudo de tipo Olmeca de 35.6 grados API desde

un cabezal de succin hacia un cabezal de descarga. El sistema de control se plante por medio de

una modificacin en el desempeo de la motobomba, variando su velocidad de giro para ajustarse a

los requerimientos de transporte de la estacin, que se encuentran en un intervalo de 70 a 150 MBD

totales, el flujo por lnea de bombeo depende del nmero de lneas de bombeo activas y de la

cantidad de flujo de llegada a la estacin. El sistema de control planteado responde a las diferentes

necesidades de flujo de llegada a la estacin garantizando un control de presin a un valor de 40

kg/cm en el cabezal de descarga de la estacin y con una eficiencia en la bomba no menor al 5%

del punto de mejor desempeo del equipo.

Para realizar el control propuesto fue necesario analizar el desempeo de la motobomba a partir de

su curva caracterstica a diferentes velocidades, con lo cual se implement un mtodo de

parametrizacin por medio de un modelo matemtico que involucr tres variables: presin, flujo y

velocidad. ste modelo se obtuvo resolviendo mtodos matriciales, primero obteniendo las

ecuaciones para cada una de las curvas de la bomba (a diferentes velocidades) involucrando la

presin y el flujo, para despus involucrar en el modelo la velocidad como tercera variable. La

variable a controlar en el sistema fue la presin en el cabezal de descarga de la estacin, por lo cual

se cuantificaron las prdidas de presin por friccin en los elementos que constituyen la tubera de

descarga, involucrando los resultados como parte del clculo de la velocidad necesaria en el modelo

antes descrito. Se utiliz un software como herramienta tecnolgica para capturar los parmetros de

desempeo de la bomba a diferentes velocidades y flujos y se calcul la frecuencia de giro del motor

elctrico que ser nuestra variable controlada en nuestro lazo de control. Los clculos descritos se

desarrollaron de acuerdo con las necesidades operativas de la estacin, establecidas en cuatro

casos de estudio.

Para definir los componentes del lazo de control propuesto se realiz una investigacin y seleccin

de los dispositivos para la medicin y monitoreo de la presin, as como la medicin y transmisin de

seales de flujo. De igual forma, se seleccion como controlador un PLC modular que cumpliera con


Resumen ii

las funciones requeridas en el diseo de control de velocidad y que tambin controlara el sistema de

alarmas desarrollado, finalmente se eligi un variador de frecuencia como dispositivo actuador en el

lazo de control. La operacin conjunta del PLC y el variador de frecuencia permite que el lazo de

control pueda ser operado bajo dos mtodos de programacin, los cuales presentan resultados

adecuados en la respuesta y exactitud requerida en el control. Los dos mtodos propuestos para la

programacin de los dispositivos de control presentan una diferencia en la respuesta de magnitudes

poco considerables.

De acuerdo con el planteamiento anterior y con los resultados obtenidos se determin que la

operacin de variacin de velocidad en la bomba para flujos por arriba de 52.5 MBD es inapropiada,

ya que, aunque desempea una eficiencia dentro de los intervalos esperados, debe ser operada a

una velocidad mayor a la nominal lo que se traduce en un mayor consumo de energa, as mismo,

para flujos por debajo de 48 MBD la potencia desarrollada es menor en todos los casos, sin

embargo, la eficiencia desarrollada por la bomba se encuentra por debajo del intervalo esperado

(77.1% - 73%).

Para observar la inversin a realizar en la instalacin de ste sistema se realiz la cotizacin de

dispositivos que constituyen el lazo de control, la cual result en un costo aproximado del proyecto

de $ 1,298,132.09 M.N. para una lnea de bombeo, a partir de ste costo se evalu la rentabilidad

del proyecto mediante el clculo del consumo de energa de la bomba a condiciones actuales y su

comparacin con el consumo de energa despus del control de velocidad para cada caso de flujo,

obteniendo como resultado que: para la operacin actual del sistema, efectuar el control de presin

en flujos mayores a 52.5 MBD no es recomendable ya que el sistema consume ms energa y no

representa un ahorro de recursos; Por tal motivo se decidi realizar una nueva parametrizacin

tomando como premisa garantizar una eficiencia no menor del 15% por debajo de punto de mejor

eficiencia con el uso de ms dispositivos dinmicos como una flexibilidad operativa para cada

necesidad operativa en la estacin (casos de estudio), sta evaluacin implic repetir los pasos

desarrollados en la ingeniera y el diseo del sistema de control mostrado anteriormente. sta

evaluacin obtuvo como resultado un ahorro de energa en todos los casos de manejo de flujo,

garantizando la presin de descarga en el cabezal y desarrollando para todos los casos una

eficiencia muy cercana al intervalo esperado en la bomba. El ahorro de energa generado por esta


Resumen iii

propuesta permite que la inversin inicial por lnea de bombeo se recupere en un lapso mximo de 2

aos y 11 meses.

A partir de los resultados obtenidos se observ que el uso de sta propuesta de control genera un

sistema con condiciones operativas ms estables, confiable, seguro y de bajo consumo energtico,

el cual evita el uso de mtodos manuales para el control del flujo y la presin de descarga

(estrangulamiento de vlvula en la descarga), generando de manera indirecta un ahorro en

mantenimiento de los equipos y evitando inestabilidades en la estacin y en el sistema.


Introduccin iv

INTRODUCCIN

El petrleo a nivel mundial es el energtico ms importante, ya que el uso de ste recurso no

renovable aporta la mayor cantidad de energa generada y utilizada en el mundo. En Mxico, la

empresa paraestatal Petrleos Mexicanos (PEMEX) es la encargada de extraer del subsuelo

mexicano (ya sea terrestre marino) combustibles como gas amargo y petrleo, comnmente

denominado crudo. Mxico produce tres tipos de crudo: Maya, Istmo y Olmeca, los cuales cumplen

con la calidad necesaria para ser crudos de exportacin.

Aunque las energas alternativas siguen desarrollndose, la dependencia del petrleo como fuente

generadora de energa y de empleos en Mxico es insustituible. Actualmente la industria petrolera

nacional se encuentra entre los primeros lugares en reservas y exportacin de petrleo a nivel

mundial; el crudo encontrado en estas reservas es transportado por medio de redes de tuberas a lo

largo y ancho del pas desde los puntos de extraccin (pozos marinos terrestres) hasta puntos de

almacenamiento, refineras para su procesamiento bien a terminales martimas para su

exportacin. Las redes de transporte de crudo estn compuestas por estaciones de bombeo

rebombeo, localizadas estratgicamente para generar las condiciones operativas adecuadas que

permitan el transporte del crudo a travs de oleoductos por la compleja topografa del territorio

mexicano. Los oleoductos estn constituidos por la unin de varios tubos de acero a lo largo de una

trayectoria especificada.

Las estaciones de bombeo se constituyen por medio de lneas de bombeo, las cuales pueden

presentarse en serie paralelo, cada lnea de bombeo consta de un arreglo de tuberas, equipo de

bombeo, accesorios e instrumentacin, la configuracin de estas lneas consta de dos etapas:

succin y descarga. La etapa de succin aspiracin tiene como objetivo dirigir el flujo de llegada

proveniente de otra estacin punto de almacenamiento hacia una bomba. La bomba es el

dispositivo dinmico que proporciona un trabajo al fluido, generando diferentes condiciones

operativas dependientes de las caractersticas tcnicas del equipo y de los requerimientos del

sistema de transporte al que pertenecen. Despus de su paso por la bomba, el fluido es enviado

hacia un cabezal de descarga con la finalidad de que contine su transporte hasta los puntos de

exportacin, almacenamiento procesamiento (etapa de descarga).


Introduccin v

En la actualidad las instalaciones petroleras cuentan con mtodos de control manuales, de difcil

operacin y de baja eficiencia, que si bien permiten una adecuada operacin del sistema generan un

elevado costo de operacin y mantenimiento, tal es el caso del control de flujo y presin en una lnea

de bombeo, ya que la operacin ms comn para ste fin es el estrangulamiento de una vlvula de

control la cual puede estar ubicada en la succin en la descarga de la bomba. sta operacin

provoca que la cantidad de flujo manejado en la lnea de bombeo disminuya se incremente, lo cual

provoca en primera instancia un incremento disminucin de la presin de descarga.

Estrangular una vlvula en la succin en la descarga de la bomba ha resultado efectiva por

dcadas, sin embargo, acarrea problemas vinculados con ella, estos problemas por mencionar

algunos, pueden presentarse como inestabilidades en la bomba, incrementos de velocidad del flujo y

vorticidades arremolinamientos, estos factores pueden ser mecanismos generadores de

vibraciones y ruido en el equipo y la tubera, sin mencionar el elevado consumo de energa del

sistema. De la misma forma, a estos factores se les atribuye un excesivo costo de mantenimiento ya

que generan desgaste prematuro en los componentes de la bomba y de las vlvulas.

Actualmente existen investigaciones y artculos que describen mtodos para realizar un adecuado

control de la bomba, estos mtodos sugieren la manipulacin del motor elctrico acoplado a la

bomba por medio de variadores de frecuencia para motores de corriente alterna [1]. Por ello,

teniendo como referencia ste principio se plante el desarroll de un sistema de control en lazo

abierto para una lnea de bombeo de una estacin de rebombeo, la cual garantice una presin en el

cabezal de descarga para diferentes condiciones de flujo de llegada. ste sistema debe cumplir con

los requerimientos operativos y ser apropiado para acoplarse a toda la estacin.

ste trabajo se desarroll a travs de seis captulos, que contemplan la investigacin del panorama

general y terico involucrado en el tema, as como la descripcin de las caractersticas del sistema y

la lnea de bombeo usada como referencia, a partir de ello se gener un modelo matemtico que nos

permite obtener el desempeo de la bomba en un intervalo de operacin para diferentes

velocidades. De acuerdo con los resultados obtenidos por el modelo matemtico se realiz una

seleccin de dispositivos y se elabor el diseo del lazo de control para la motobomba en la lnea de

bombeo, de igual forma se desarroll un sistema de alarmas y se analiz la respuesta del sistema

para diferentes formas de programacin del sistema de control.


Introduccin vi

Finalmente se realiz el clculo del consumo de energa actual y se compar con el consumo de

energa resultado de la implementacin del sistema de control, con la finalidad de verificar si la

propuesta de sistema de control es un proyecto redituable.


Descripcin del Problema y Justificacin vii

DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

El control de las variables de proceso presin y flujo para la mayora de las estaciones de bombeo

de crudo es antigua, de difcil operacin y poco eficiente, ya que se realiza mediante la interrupcin

parcial de la continuidad en el flujo de la bomba a causa de estrangulamiento de una vlvula de

control ubicada en la tubera de descarga, lo cual en principio, representa dificultades operativas al

no poder tener un control del proceso sino un control manual a prueba y error. ste tipo de control

con el paso del tiempo puede llegar a convertirse en una serie de problemas para el sistema en

general, elevando su consumo de energa y reduciendo el tiempo de vida de algunos elementos del

sistema, incrementando as los costos de mantenimiento. Por ello se plantea el diseo de un sistema

de control que permita tener un control adecuado de estas variables de proceso, que genere un

menor consumo energtico y que considere las necesidades operativas de la estacin como parte

de un sistema de transporte.

JUSTIFICACIN

El sistema de control a desarrollar en ste trabajo se propone para dar solucin a los problemas

derivados del control manual de las variables de proceso en las instalaciones petroleras, mediante el

diseo de un sistema automtico para el control de presin en el envo de crudo y as contar con

instalaciones modernas, actuales y automatizadas. El principio de operacin de ste sistema

pretende obtener un ahorro de energa y evitar de forma indirecta que algunos elementos el sistema

sufran un desgaste excesivo, representando as un ahorro de recursos en costos de mantenimiento.


Objetivos viii

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar y verificar la viabilidad de una propuesta de un sistema de control en lazo abierto

mediante el modelado matemtico de la operacin en una motobomba, y que con base en una

instrumentacin y dispositivos de control adecuados, regule la velocidad del motor elctrico acoplado

mecnicamente a la bomba con base en el flujo de llegada a la lnea de bombeo, para de sta forma

garantizar una presin de descarga constante y as obtener un sistema de envo de crudo eficiente,

garantizando la seguridad del personal e instalaciones.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Analizar la configuracin del sistema a estudiar.

Desarrollar el modelo matemtico de la operacin de la bomba a utilizar.

Determinar los parmetros operativos necesarios para establecer un control adecuado a

partir del modelo matemtico desarrollado.

Obtener las prdidas de presin por friccin en accesorios y tuberas.

Proponer una instrumentacin adecuada para la lnea de bombeo de crudo que contemple

las caractersticas del fluido transportado y las condiciones operativas de la estacin de

bombeo, para as garantizar la medicin correcta de las variables operativas.

Desarrollar el sistema de control en lazo abierto.

Realizar un anlisis de costos del proyecto.

Analizar si el proyecto es viable para su construccin y puesta en marcha.


Nomenclatura ix

NOMENCLATURA

ABREVIATURAS Y SMBOLOS

NPSHr Carga o presin neta de succin requerida, (Net Positive Suction Head required).

% Porcentaje.

D.N. Dimetro nominal.

fem Fuerza electromagntica.

Smbolo mas menos.

PLC Controlador lgico programable, (Programed Logic Controller).

PID Proporcional, integral y derivativo.

DCS Sistema de control distribuido, (Distributed Control System).

E/S Entradas/Salidas.

Mbps Mega bytes por segundo.

HMI Interfaz hombre maquina, (Human Machine Interface).

FBD Diagrama de funciones por bloques, (Function Block Diagram).

LD Diagrama de escalera, (Ladder Diagram).

ST Texto estructurado, (Structured Text).

IL Lista de instrucciones, (Instruction List).

SFC Grfico de funciones secuenciales, (Sequential Function Chart).

VSD Variador de velocidad, (Variable Speed Drive).

ASD Control de velocidad ajustable, (Adjustable Speed Drive).

IGBT Transistor bipolar de puerta aislada, (Insulated Gate Bipolar Transistor).

SCR Rectificadores controlados de silicio, (Silicium Controlled Rectifier).


Nomenclatura x

GTO Tiristores de compuerta desactivable, (Gate Turn Off tiristor).

PWM Modulador de ancho de pulso, (Pulse Width Modulator).

VFD Variadores de velocidad de tipo flujo vectorial, (Vectorial Flow Drive).

BEP Punto de mejor eficiencia, (Best Efficiency Point).

M.N. Moneda Nacional.

Vdc Volts de corriente directa.

USD Dlares Americanos, (United States Dollars).

I.V.A. Impuesto al valor agregado.

CFE Comisin Federal de Electricidad.

UNIDADES

MBD Unidad de flujo volumtrico, miles de barriles diarios.

pulg Unidad de longitud lineal, pulgadas.

in Unidad de longitud lineal, pulgadas.

m3/s Unidad de flujo volumtrico, metro cbicos por segundo.

m/s Unidad de velocidad lineal, metros por segundo.

m2 Unidad de rea, metros cuadrados.

kg/m Unidad de densidad, kilogramos por metro cbico.

m Unidad de longitud lineal, metros.

Pa.s Unidad de viscosidad dinmica, pascales por segundo.

Unidad de desplazamiento angular, grados.

l/min Unidad de flujo volumtrico, litros por minuto.

kg/cm Unidad de presin, kilogramos sobre centmetro cuadrado.


Nomenclatura xi

mca Unidad de presin, metros columna de agua.

ml/s Unidad de flujo volumtrico, mililitros por segundo.

V/Hz Relacin voltaje/frecuencia, volts/hertz.

Hz Unidad de frecuencia, hertz.

RPM Unidad de velocidad angular, revoluciones por minuto.

ft H2O Unidad de presin, pies columna de agua.

bph Unidad de flujo volumtrico, barriles por hora.

ft Unidad de longitud lineal, pies.

mm Unidad de longitud lineal, milmetros.

cm Unidad de longitud lineal, centmetros.

F Unidad de temperatura, grados fahrenheit.

psig Unidad de presin manomtrica, libra por pulgada cuadrada (pound per square inch

gage).

hp Unidad de potencia, horse power.

V Unidad de tensin elctrica, volt.

Cp Unidad de Viscosidad dinmica, centipoises.

kW Unidad de potencia, kilowatt.

m/s Unidad de aceleracin, metros por segundo cuadrado.

psi Unidad de presin, libra por pulgada cuadrada (pound per square inch).

mA Unidad de corriente, miliamperes.

V Unidad de tensin elctrica, volts.

kW hr Unidad de consumo energtico, kilowatt por hora.

hr Unidad de tiempo, horas.


Nomenclatura xii

VARIABLES

Q Flujo volumtrico.

Velocidad media del fluido.

A rea transversal de la tubera.

Re Nmero de Reynolds.

Densidad.

D Dimetro.

d Dimetro.

Viscosidad dinmica.

rpH Prdidas por friccin primarias.

Coeficiente de friccin para prdidas primarias.

L Longitud.

g Gravedad.

k Rugosidad.

< Smbolo menor que.

10log Logaritmo base 10.

rsH Prdidas por friccin secundarias.

Coeficiente de friccin para prdidas secundarias.

ngulo interno de reduccin concntrica.

rcm Coeficiente dependiente del ngulo .

r Radio.

45rsc Coeficiente de friccin para perdidas en un codo 45.


Nomenclatura xiii

tf Factor dependiente del dimetroD para calcular coeficientes de friccin.

ngulo interno de una vlvula de retencin.

Relacin entre dimetros de entrada y salida en una vlvula de compuerta.

T Temperatura.

API Grado API.

1 Densidad final.

0 Densidad inicial.

Coeficiente de expansin volumtrica por temperatura.

1t Temperatura final.

0t Temperatura inicial.

P Presin.

Peso especfico.

PRIMTOTH Prdidas por friccin primarias totales.

SECTOTH Prdidas por friccin secundarias totales.

TOTH Prdidas por friccin totales.


Captulo I 1 de 145

CAPTULO I

GENERALIDADES

El petrleo en la actualidad es el energtico ms importante para la humanidad, un recurso natural

no renovable que aporta el mayor porcentaje del total de la energa que se consume en el mundo. La

alta dependencia del mundo por el petrleo y la inestabilidad que caracteriza el mercado

internacional en los precios de ste producto, han llevado a que se investiguen fuentes y

combustibles alternativos para producir energa (alcoholes, biomasa, aire, energa solar, hidrgeno),

sin que hasta el momento se haya logrado una opcin que realmente lo sustituya, aunque se han

dado importantes pasos en ese sentido.

Mxico ocupa el 14 lugar en reservas de petrleo en todo el mundo, haciendo de Petrleos

Mexicanos (PEMEX) una de las empresas ms importantes en la exploracin, produccin y

procesamiento de energticos. PEMEX comercializa tres tipos de crudo extrados del subsuelo

mexicano denominados crudo Olmeca, Istmo y Maya. PEMEX produce 3,824 MBD de crudo tipo

Maya, procesando 1,303 MBD y obteniendo como resultado una produccin de 467 MBD de

gasolina, 386 MBD de aceite combustible y 325 MBD de diesel, sin tomar en cuenta la produccin

de gas natural que actualmente desarrolla un incremento notable y que el crudo de tipo Istmo y

Olmeca se envan al extranjero a una razn de 1,758.3 MBD [2], lo cual hace de Mxico un

importante pas exportador de petrleo. Mxico cuenta con una infraestructura de produccin,

refinacin y transporte de notables dimensiones y capacidad para la distribucin de productos a nivel

nacional, la figura 1.1 muestra los principales campos de produccin, las redes de transporte y

distribucin de hidrocarburos ms importantes y los puntos de refinacin y exportacin de

hidrocarburos en el territorio nacional.

El transporte de crudo es un aspecto muy importante dentro de la industria petrolera nacional, Se

realiza mediante redes de bombeo las cuales manejan su distribucin en el pas, desde el campo de

produccin extraccin hacia estaciones de rebombeo y posteriormente hasta refineras puntos de

embarcacin para su exportacin, stas redes estn interconectadas por medio de oleoductos,


Captulo I 2 de 145

donde su capacidad de transporte depende del dimetro de la tubera, la topografa del terreno y su

presin de operacin. stos pueden ir sobre la superficie bajo tierra y atraviesan la topografa ms

variada.

Campos de Produccin

Refineras

Complejos Procesadores de Gas

Complejos Petroqumicos

Puntos de Venta y Exportacin

Ductos

Rutas Martimas

Campos de Produccin

Refineras

Complejos Procesadores de Gas

Complejos Petroqumicos

Puntos de Venta y Exportacin

Ductos

Rutas Martimas

Figura 1.1. Infraestructura Petrolera en Mxico [2].

Al inicio de un oleoducto de una red de transporte, se tiene una estacin de bombeo batera que

impulsa el petrleo y dependiendo de la topografa por donde ste pase, se colocan

estratgicamente estaciones de rebombeo para que le permitan superar sitios de gran altura, como

las cadenas montaosas en el lado este y oeste de la Republica Mexicana. Los oleoductos disponen

tambin de vlvulas que permiten controlar el paso del petrleo y atender oportunamente situaciones

de emergencia desviando el flujo de petrleo de una estacin a otra para que la red de bombeo no

se vea afectada. Las estaciones de bombeo y rebombeo estn compuestas principalmente por:

Bombas (principalmente centrfugas).

Vlvulas de control (principalmente de compuerta).

Vlvulas de seguridad (check).

Tuberas (ductos de acero al carbono principalmente).

Instrumentacin (medidores y registros de presin y flujo).


Captulo I 3 de 145

En ste captulo se muestran los conceptos generales acerca de los equipos, accesorios e

instrumentacin utilizados en los sistemas de bombeo de petrleo. El desarrollo de ste captulo nos

servir para conocer la configuracin tpica de los sistemas de bombeo de crudo as como sus

principales componentes y nos mostrara tambin los aspectos tericos de clculo y diseo de

sistemas de control para ste tipo de instalaciones.

1.1 Bombas Utilizadas en Sistemas de Bombeo

Se puede definir una bomba como un dispositivo capaz de proporcionarle movimiento y energa a

una sustancia lquida (agua, aceite, petrleo, etc.) para transportarse de un lugar a otro superando

cambios de elevacin. sta energa har que el lquido efecte un determinado trabajo, tal como

circular por una tubera subir a una mayor altura. Las bombas se clasifican segn la forma en

cmo el fluido se desplaza dentro de sus elementos, por ejemplo: las bombas en las que el fluido se

desplaza a presin dentro de una carcasa cerrada como resultado del movimiento suavizado de un

pistn mbolo, reciben el nombre de bombas de desplazamiento positivo, mientras que para las

bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno varios impulsores

provistos de labes, se les llama bombas centrfugas, siendo estas ltimas a las que se har

referencia en ste trabajo. La clasificacin general de las bombas se muestra en la figura 1.2 [3].

Bombas

Desplazamiento

Positivo

Reciprocantes

Pistn

Embolo

Rotatorias

Diafragma

Doble accin

Simple accin

Doble accin

Simple

DobleVapor

Simple

Doble

Triple

Mltiple

Potencia

Simple

MltipleOperada p/ fluido

Operada mecnicamente

Dinmicas

Centrfugas

Perifricas

Especiales

Rotor Simple

Rotor Mltiple

Aspas

Pistn

Miembro flexible

Tornillo

Engranes

Lbulos

Balancines

Tornillos

Flujo radial

Flujo mixto

Simple succin

Doble succin

Autolubricadas

Lubricadas por medios externos

Simple paso

Multipaso

Impulsor abierto

Impulsor semiabierto

Impulsor cerrado

Flujo axial Simple succinSimple paso

Multipaso

Impulsor abierto

Impulsor cerrado

Simple paso

Multipaso

Autolubricadas


Electromagnticas

Bombas

Desplazamiento

Positivo

Reciprocantes

Pistn

Embolo

Rotatorias

Diafragma

Doble accin

Simple accin

Doble accin

Simple

DobleVapor

Simple

Doble

Triple

Mltiple

Potencia

Simple

MltipleOperada p/ fluido

Operada mecnicamente

Dinmicas

Centrfugas

Perifricas

Especiales

Rotor Simple

Rotor Mltiple

Aspas

Pistn

Miembro flexible

Tornillo

Engranes

Lbulos

Balancines

Tornillos

Flujo radial

Flujo mixto

Simple succin

Doble succin

Autolubricadas


Simple paso

Multipaso

Impulsor abierto

Impulsor semiabierto

Impulsor cerrado

Flujo axial Simple succinSimple paso

Multipaso

Impulsor abierto

Impulsor cerrado

Simple paso

Multipaso

Autolubricadas


Electromagnticas

Figura 1.2. Clasificacin General de las Bombas.


Captulo I 4 de 145

1.1.1 Bombas Centrfugas

Las bombas centrfugas como la que se muestra en la figura 1.3, son mquinas hidrulicas que

transforman un trabajo mecnico en otro de tipo hidrulico, convirtiendo la energa cintica de un

fluido en energa potencial, y de sta forma transmiten un trabajo al fluido [3]. Los elementos

constructivos con los que cuentan son:

a) Tubera de succin, que concluye en la brida de succin.

b) El impulsor rodete, formado por una serie de labes de diversas formas que giran dentro

de una carcasa circular. El impulsor va unido al eje y es la parte mvil de la bomba.

c) Difusor y tubera de descarga.

El fluido entra axialmente por la tubera de succin hasta el centro del impulsor que dispone de unos

labes para conducir el fluido, estos labes someten a las partculas de lquido a un movimiento de

rotacin muy rpido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrfuga, de forma que

abandonan el impulsor hacia la carcasa a gran velocidad, aumentando su presin en el impulsor

segn la distancia al eje (ver figura 1.3). La elevacin del lquido se produce por la reaccin entre

ste y el impulsor sometido al movimiento de rotacin; en la carcasa voluta se transforma parte de

la energa dinmica adquirida en el impulsor en energa de presin, siendo lanzado el lquido contra

las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubera de descarga.

Figura 1.3. Corte Transversal de una Bomba Centrfuga.


Captulo I 5 de 145

La carcasa est dispuesta en forma de caracol, de tal forma que la separacin entre ella y el

impulsor es mnima en la parte superior, esta separacin va aumentando hasta que las partculas

lquidas se encuentran frente a la descarga; en algunas bombas existe en la salida del rodete una

directriz de labes que gua el lquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la carcasa.

La finalidad de la carcasa voluta es recoger el lquido a gran velocidad, cambiar la direccin de su

movimiento y encaminarle hacia la brida de descarga de la bomba. La voluta es tambin un

transformador de energa, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energa dinmica

creada en el rodete en energa de presin), aumentando la presin del lquido a medida que el

espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

ste es, en general, el funcionamiento de una bomba centrfuga aunque existen distintos tipos y

variantes, por lo que a continuacin se mostrar una clasificacin de las bombas centrfugas.

Figura 1.4. Componentes de una Bomba.

1.1.2 Clasificacin de las Bombas Centrfugas

La energa en las bombas centrfugas se comunica al lquido por medio de labes en rotacin, a

diferencia de las de desplazamiento volumtrico positivo, rotativas (de engranajes, tornillos,

lbulos, levas, etc.) y alternativas (de pistn, de vapor de accin directa mecnicas) [3].


Captulo I 6 de 145

Las bombas centrfugas pueden ser:

Radiales, axiales y diagonales.

De impulsor abierto, semiabierto y cerrado.

Horizontales y verticales.

Las ventajas principales de las bombas centrfugas son:

Caudal constante.

Presin uniforme.

Sencillez de construccin.

Tamao reducido.

Bajo mantenimiento.

Flexibilidad de regulacin.

A continuacin se describen brevemente las caractersticas constructivas de cada uno de los tipos

antes mencionados as como las exigencias a las que responden.

1.1.3 Bombas Radiales, Axiales y Diagonales

En las bombas centrfugas radiales la corriente lquida contina de la succin a la descarga en

planos radiales, en las axiales en superficies cilndricas alrededor del eje de rotacin y en las

diagonales contina radial y axialmente, denominndose tambin de flujo mixto.

1.1.4 Bombas de Impulsor Abierto, Semiabierto y Cerrado

Teniendo en cuenta su diseo mecnico estructural, se pueden distinguir tres tipos de bombas

clasificadas por sus impulsores:

a) De labes aislados (abiertos).

b) Con una pared disco lateral de apoyo (semiabiertos).

c) Con ambas paredes laterales (cerrados).


Captulo I 7 de 145

sta clasificacin es independiente de la primera, la cual se refiere en principio al tipo de diseo

hidrulico, por lo que se pueden incluir impulsores centrfugos y de flujo mixto adems de los

abiertos, semiabiertos cerrados.

Los impulsores axiales, por su misma estructura, slo pueden ser semiabiertos cerrados, ya que

sus labes se pueden considerar como apoyados lateralmente en el eje de rotacin, que hace las

veces de cubo del impulsor, como si fuese la pared posterior de los radiales y diagonales.

1.1.5 Bombas Horizontales y Verticales

El eje de rotacin de una bomba puede ser horizontal vertical, (rara vez inclinado). De sta

disposicin se derivan diferencias estructurales para la construccin de la bomba, por lo que tambin

las aplicaciones de los dos tipos de construccin suelen ser distintas y bien definidas [3].

1.1.5.1 Bombas Verticales

Las bombas con eje de giro en posicin vertical (figura 1.5) tienen, casi siempre, el motor a un nivel

superior al de la bomba, por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba

trabaje rodeada por el lquido a bombear, estando, sin embargo, el motor por encima de sta.

Figura 1.5. Bomba Vertical.


Captulo I 8 de 145

1.1.5.2 Bombas Horizontales

La disposicin del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma

altura; ste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al lquido bombeado que

llega a la bomba por medio de una tubera de succin. Las bombas centrfugas, sin embargo, no

deben rodar en seco, ya que necesitan del lquido bombeado como lubricante entre los aros

rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje.

Debido a que su funcionamiento es exterior al lquido bombeado, deben estar lubricadas antes de su

puesta en marcha, esto no es fcil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima

del nivel del lquido, que es el caso ms comn con bombas horizontales, siendo a menudo

necesarias las vlvulas de pie y los distintos sistemas de engrasado.

Como ventajas especficas se puede decir que las bombas horizontales (excepto para grandes

tamaos), son de construccin ms barata que las verticales y su mantenimiento y conservacin es

mucho ms sencillo y econmico; el desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover

el motor y sin tocar las conexiones de succin y descarga.

1.1.6 Criterios de Seleccin de las Bombas

En la seleccin de bombas se deben tener en cuenta las propiedades fsico qumicas del lquido,

tales como el peso especfico, presin de vaporizacin, viscosidad, temperatura, slidos en

suspensin, etc., as como la presin de succin y descarga de la bomba, el NPSHr (Carga Neta de

Presin de Succin Requerida), que es la presin necesaria en la succin para evitar problemas de

cavitacin. Tambin es importante conocer las disponibilidades con las que cuenta la planta (agua

limpia a temperatura ambiente, inyeccin de fuente externa, metanol, etc.) [3].

1.2 Vlvulas de Control en Sistemas de Bombeo

Una vlvula se utiliza para controlar el flujo de un fluido en un tubo en un ducto. El requisito de

control puede ser de paso y corte, estrangulacin (regulacin control del flujo) y reduccin de la

presin del fluido. En sta seccin se describirn las caractersticas generales y funcionamiento de

diferentes tipos de vlvulas utilizadas en la industria [4].


Captulo I 9 de 145

1.2.1 Vlvulas de Compuerta

La vlvula de compuerta es de flujo rectilneo, es decir, no se modifica la trayectoria del flujo a travs

del cuerpo de la vlvula (figura 1.6). sta vlvula abre mediante el levantamiento de una compuerta

cuchilla en forma de cua (la cual puede ser redonda rectangular) que se desliza en ngulo recto

con el sentido del flujo. Lo que distingue a una vlvula de compuerta es el sello, el cual se hace

mediante el asiento del disco en dos reas distribuidas en los contornos de ambas caras de disco.

ste tipo de vlvulas no son recomendables para la regulacin de flujo.

Figura 1.6. Vlvula de Compuerta.

Estas vlvulas se pueden dividir para distinguirse en: vlvulas de vstago elevable no elevable, de

cua maciza y disco doble, de rosca interna y vstago con rosca externa, de bonete atornillado

roscado, de volante y palanca para accionar el vstago, etc. Los componentes de una vlvula de

compuerta se muestran en la figura 1.7.

Figura 1.7. Componentes de una Vlvula de Compuerta.


Captulo I 10 de 145

1.2.1.1 Ventajas y Desventajas de las Vlvulas de Compuerta

Ventajas.

El tipo de cierre es tal, que el cuerpo de la vlvula de compuerta es de perfil delgado

comparado con otros tipos de vlvulas, lo cual produce menor masa del cuerpo y un costo

ms bajo, especialmente en las vlvulas de tamao mayor.

Su dimensin es corta entre cara y cara, lo cual permite instalarla en tubos ocupando menor

espacio que la mayora de las otras vlvulas.

Debido a que no se modifica la trayectoria del flujo a travs de la vlvula, slo agrega una

cada de presin muy pequea en la tubera.

No se requiere lubricante en la cara de las piezas mviles internas, con lo cual no hay riesgo

de contaminar el fluido de proceso.

Desventajas.

El asiento es parte integral del cuerpo y produce una cavidad que puede retener slidos y

evitar el cierre completo de la vlvula. Por ello, las vlvulas de compuerta se suelen preferir

para servicio limpio, son indeseables para la mayor parte de las pastas fluidas.

Las fugas del fluido por el porta empaquetadura son un problema frecuente en estas

vlvulas, motivo que las hace indeseables en servicios con materiales muy txicos

inflamables. El problema con la empaquetadura se hace ms serio cuando aumenta la

temperatura la presin de operacin.

Estas vlvulas no se pueden utilizar cuando se requiere regulacin del flujo. Para el

momento en que la vlvula est abierta entre 5% y 10%, el flujo ya es el 85% al 95% del que

hay con apertura total. La velocidad en la apertura en forma de media luna abierta 5% a 10%

es muy alta y el disco no est diseado para resistir la fuerza de erosin resultante.


Captulo I 11 de 145

1.2.2 Vlvulas Check de Retencin

Su finalidad es permitir el flujo sin limitaciones en un sentido y restringirlo en el sentido opuesto,

como se puede apreciar en la figura 1.8. Hay diversos tipos para requisitos especficos de

funcionamiento y cada uno se identifica por su denominacin [4].

Algunas aplicaciones de las vlvulas de retencin son:

1. La descarga de una bomba centrfuga tiene una vlvula de retencin para impedir el

retroceso del lquido en la bomba cuando no est en operacin.

2. Se instalan para servicios separados conectados con un sistema comn, para evitar flujo

inverso hacia las tuberas de cada material e impedir la contaminacin.

3. Se utilizan en ocasiones para evitar que un aumento sbito de presin en un sistema

someta a los servicios de presin ms baja conectados con el mismo a una presin

superior a los lmites de diseo.

Figura 1.8. Vlvula Check Tipo Bisagra.

Los tipos especficos de vlvulas de retencin de uso comn en las refineras, plantas de productos

qumicos, sistemas de transporte de hidrocarburos y la industria en general son:

Vlvulas de Retencin de Bisagra

Vlvulas Horizontales de Retencin

Vlvulas de Retencin de Bola


Captulo I 12 de 145

Vlvulas de Pie

Vlvulas de Retencin Restringidas

Vlvulas de Retencin de Disco Dividido

1.3 Oleoductos

Dentro de la industria petrolera, a las tuberas empleadas para el transporte de crudo entre estacin

y estacin se les llaman oleoductos (ver figura 1.9). Estos ductos, se fabrican de acero al carbn y

deben cumplir con especificaciones determinadas (tanto de composicin qumica como mecnicas)

para transportar el crudo, su dimetro puede variar desde las 4 hasta las 52 pulgadas, y cuentan con

espesores que van desde 0.25 hasta 1.

Figura 1.9. Oleoducto.

Debido a la topografa que presenta la Republica Mexicana, la ubicacin de estas tuberas es muy

variada y puede encontrarse a la intemperie, bajo el suelo inmersas en agua, para cada una de

estas condiciones los oleoductos son recubiertos por diversas sustancias con la finalidad de reducir

el desarrollo de corrosin en las lneas de transporte generadas por diversos factores presentes en

el agua, el suelo la intemperie.


Captulo I 13 de 145

1.4 Instrumentacin

La medicin de las variables operativas de un proceso es una necesidad crtica en muchas plantas

industriales, en algunas operaciones, la habilidad de realizar una medicin precisa es tan importante

que puede representar la diferencia entre generar ganancias y tener prdidas. En otros casos, la

imprecisin en la medicin las fallas en la realizacin de las mediciones pueden ocasionar malos

resultados e inclusive la falla de todo un proceso.

En un sistema de bombeo de crudo las variables ms importantes a considerar son la presin y el

flujo, puesto que estn sujetas a los requerimientos de produccin; es por ello que es de suma

importancia tener la instrumentacin adecuada para garantizar un sistema de bombeo eficiente y

que garantice tanto la seguridad del sistema como del personal. Por ello, se realizar una breve

descripcin de los dispositivos empleados para la medicin de flujo y presin.

1.4.1 Medidores de Flujo

En la mayora de los instrumentos de medicin de flujo, el caudal es determinado por inferencia al

medir la velocidad del lquido por el cambio de la energa cintica. La velocidad depende de la

presin diferencial con la que es forzado el lquido a fluir a travs de un conducto una tubera. El

rea transversal es conocida y permanece constante, la velocidad promedio es una indicacin del

caudal. La relacin bsica para determinar el caudal en estos casos es:

Q x A (1)

Donde:

Q = Flujo volumtrico transportado, [m3/s]

= Velocidad media del fluido, [m/s]

A = rea de la seccin transversal de la tubera, [m2]

Otros factores que influyen en el caudal son la viscosidad, la densidad del lquido y el factor de

friccin generado por el contacto del lquido con la tubera.

El desempeo de los medidores de flujo es tambin influenciado por una unidad adimensional

llamada nmero de Reynolds, que se define como la razn de las fuerzas inerciales del lquido y sus


Captulo I 14 de 145

fuerzas viscosas (o de rozamiento). El nmero de Reynolds ilustra matemticamente la importancia

que tienen las fuerzas viscosas en el desarrollo del flujo y permite conocer el rgimen de flujo en el

que se encuentra el fluido, ya sea laminar turbulento (figura 1.10).

El flujo laminar y el flujo turbulento son dos tipos de flujos normalmente encontrados en operaciones

de medicin de flujo. La gran mayora de las aplicaciones involucran flujo turbulento, con valores de

Reynolds por encima de 4000. Los lquidos viscosos usualmente exhiben un flujo laminar, con

valores de Reynolds por debajo de 2000.

Figura 1.10. Flujo Laminar y Turbulento.

En la zona de transicin entre los dos niveles, el flujo bien puede ser laminar turbulento. El nmero

de Reynolds se expresa como:

ReD

(2)

Donde:

Re = Nmero de Reynolds, [adimensional].

= Velocidad media del fluido, [m/s].

= Densidad del lquido, [kg/m].

D = Dimetro e interno de la tubera, [m]

= Viscosidad dinmica del lquido, [Pa s]

En velocidades bajas viscosidades altas, el nmero de Reynolds es bajo, y el lquido fluye en

capas uniformes con la mayor velocidad al centro de la tubera y velocidades bajas en la pared de la


Captulo I 15 de 145

tubera donde las fuerzas de viscosidad lo detienen; este tipo de fluido se denomina laminar, donde

los valores de Reynolds estn por debajo de 2000. Una caracterstica del flujo laminar es la forma

parablica de su perfil de velocidad, como se muestra en la figura 1.10.

Sin embargo, la gran mayora de las aplicaciones involucran flujos turbulentos, con valores de

Reynolds superiores a los 4000. ste flujo turbulento ocurre a velocidades altas viscosidades

bajas. ste flujo se transforma en pequeos arremolinamientos que fluyen a travs de la tubera con

la misma velocidad promedio.

Hoy en da existe una gran variedad de medidores de flujo para sistemas de tuberas cerradas. En

general, estos instrumentos pueden ser clasificados en: instrumentos de presin diferencial, de

desplazamiento positivo, de velocidad y msicos. Los dispositivos de presin diferencial como se

muestran en la figura 1.11, incluyen placas de orificio, tubos venturi, toberas, tubos pitot, medidores

de codo con anillos. Los medidores de desplazamiento positivo incluyen: medidores de tipo pistn,

medidores de paletas deslizantes y medidores de engranes. Los medidores de velocidad consisten

en: tipo turbina, vortex, electromagnticos y snicos. Los medidores msicos incluyen el tipo coriolis

y el termal trmico.

A continuacin se explican brevemente los principios de funcionamiento de los instrumentos

mencionados.

1.4.1.1 Medidores de Presin Diferencial

Se estima que actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos

de presin diferencial, siendo el ms popular la placa de orificio. Se sabe que cualquier restriccin de

fluido produce una cada de presin despus de sta, lo cual crea una diferencia de presin antes y

despus de la restriccin. sta diferencia de presin tiene relacin con la velocidad del fluido y se

puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, donde al saber la velocidad del fluido y el rea

por donde est pasando es posible determinar el caudal.

El principio bsico de operacin de ste tipo de medidores est basado en que la prdida de presin

en el medidor es proporcional al cuadrado del caudal. Por lo tanto, el caudal es obtenido al medir la

presin diferencial y extrayndole la raz cuadrada.


Captulo I 16 de 145

Estos dispositivos, como la mayora de los medidores de flujo, constan de un elemento primario y un

elemento secundario. El elemento primario crea un cambio en la energa cintica y con ello se crea

un diferencial de presin en la tubera. El instrumento debe ser acoplado adecuadamente al tamao

de la tubera, las condiciones del flujo y a las propiedades del fluido. De la misma forma, la exactitud

requerida se debe satisfacer el rango solicitado. El elemento secundario tiene la funcin de medir la

presin diferencial y proveer la seal lectura del valor actual del flujo.

D D/2

TOMAS D Y D/2

TOMAS EN BRIDA

PLACA DE ORIFICIO

DE CUARTO DE CRCULO

21 15d

D

D

D d

FLUJO

CONEXIN

DE PRESIN

ESTTICA

PRESIN

ESTTICA

CONEXIN

DE PRESIN DE

IMPACTO

PRESIN DE

IMPACTO

TOMA A 45

TOMA A 22.5

R

D

D D/2

TOMAS D Y D/2

TOMAS EN BRIDA

PLACA DE ORIFICIO

DE CUARTO DE CRCULO

21 15d

D

D

D d

FLUJO

CONEXIN

DE PRESIN

ESTTICA

PRESIN

ESTTICA

CONEXIN

DE PRESIN DE

IMPACTO

PRESIN DE

IMPACTO

TOMA A 45

TOMA A 22.5

R

D

D D/2

TOMAS D Y D/2

TOMAS EN BRIDA

PLACA DE ORIFICIO

DE CUARTO DE CRCULO

21 15d

D

D

D d

FLUJO

CONEXIN

DE PRESIN

ESTTICA

PRESIN

ESTTICA

CONEXIN

DE PRESIN DE

IMPACTO

PRESIN DE

IMPACTO

TOMA A 45

TOMA A 22.5

R

D

Figura 1.11. Medidores de Flujo por Presin Diferencial. (A) Placas de Orificio (B) Tubo Venturi (C) Tobera (D) Tubo Pitot (E) Medidor de Codo.


Captulo I 17 de 145

1.4.1.1.1 Placas de Orificio

La placa de orificio es el dispositivo para medicin de flujo ms usado en los sistemas de bombeo de

lquidos. Consiste bsicamente en una placa perforada que se instala en la tubera, el orificio que

posee es una abertura cilndrica prismtica a travs de la cual fluye el fluido. El orificio es

normalizado, la caracterstica de ste borde es que el chorro que ste genera no toca en su salida

de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presin.

Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan sta presin diferencial

(figura 1.12).

Figura 1.12. Placa de Orificio en una Tubera.

El teorema que describe el funcionamiento de la placa de orificio es el teorema de Bernoulli, donde

se relaciona la energa potencial, la energa cintica y las prdidas por friccin del fluido con la

tubera.

Existen tres tipos de placas de orificio:

- Placa de Orificio Concntrica

Como su nombre lo explica son placas con un orificio en el centro las cuales pueden estar fabricadas

de acero inoxidable clase 300 y 400, su espesor vara proporcionalmente con el dimetro de la

tubera, sta va montada entre bridas en una tubera de acuerdo procedimientos estandarizados

mencionados en normas especficas.


Captulo I 18 de 145

- Placa de Orificio Excntrica

sta placa tiene un orificio perforado lejos del centro, el cual se localiza cerca de la superficie

superior de la tubera cuando el fluido es un gas, y tangente a la superficie interior cuando es un

lquido. Las especificaciones del espesor, biselado, cuadratura y partes lisas, sern las mismas que

aplican para orificios concntricos.

- Placa de Orificio Segmentada

En ste caso el rea del orificio (medio crculo) es equivalente al rea del orificio concntrico. El

dimetro de la abertura mide generalmente el 98% del dimetro de la tubera, la seccin circular de

la abertura debe ser concntrica con la tubera. ste tipo de placa de orificio debe estar

perfectamente centrada respecto a la tubera, de tal manera que el orificio de la placa no quede

cubierto por las irregularidades que pueda tener la tubera. La placa de orificio segmentada tendr

las mismas especificaciones que la placa concntrica de orificio en lo que se refiere a espesor,

biselado, cuadratura y partes planas.

1.4.1.1.2 Tubo Venturi

El tubo venturi es una tubera corta recta como se muestra en la figura 1.13, garganta, entre dos

tramos cnicos, que origina una cada de presin al pasar un fluido por l.

Figura 1.13. Tubo Venturi.

La entrada convergente tiene un ngulo incluido de alrededor de 21, y el cono divergente de 7 a 8;

la finalidad del cono divergente es reducir la prdida global de presin en el medidor. La presin


Captulo I 19 de 145

vara en la proximidad de la seccin estrecha, as, al colocar un manmetro instrumento registrador

de presin en la garganta se puede medir la cada de presin y calcular el caudal instantneo.

La presin que precede al cono de entrada se transmite a travs de mltiples aberturas a una

abertura anular llamada anillo piezomtrico. De modo anlogo, la presin en la garganta se transmite

a otro anillo piezomtrico.

Una sola lnea de presin sale de cada anillo y se conecta con un manmetro registrador de

presin. En algunos diseos los anillos piezomtricos se sustituyen por uniones sencillas de presin

que conducen a la tubera de entrada y a la garganta.

La principal ventaja del Venturi radica en que slo pierde de un 10 a un 20% de la diferencia de

presin entre la entrada y la garganta, esto se consigue en el cono divergente que desacelera el

flujo. Es importante la relacin que existe entre los distintos dimetros que tiene el tubo, ya que

dependiendo de sta se obtiene la presin deseada a la entrada y a la salida del mismo, de tal forma

que pueda cumplir la funcin para la cual est construido. sta relacin de dimetros es la base para

realizar los clculos para la construccin de un tubo venturi y con los conocimientos del caudal que

se desee pasar por l.

1.4.1.1.3 Toberas

La boquilla tobera de flujo es una contraccin gradual de la corriente de flujo seguida de una

seccin cilndrica recta y corta. Debido a la contraccin pareja y gradual, existe una prdida muy

pequea. La tobera de flujo, es un instrumento de medicin que permite medir la diferencia de

presiones cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las prdidas empiezan a hacerse notorias.

Al instalar un medidor de ste tipo se logran mediciones mucho ms exactas. Adems ste tipo de

medidor es til para fluidos con muchas partculas en suspensin sedimentos, su forma

hidrodinmica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.

1.4.1.1.4 Medidores de rea Variable (Rotmetro)

El rotmetro es un medidor de rea variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un

medidor de flotador (ms pesado que el lquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo

ascendente de un fluido en la tubera. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el


Captulo I 20 de 145

caudal. Las ranuras en el flotador hacen que rote y, por consiguiente, que mantenga su posicin central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que asume el flotador.

Dado que el caudal puede ser ledo directamente en la escala montada en el costado del tubo, no son necesarios dispositivos secundarios de lectura de flujo, sin embargo, si es deseado, existen dispositivos de lectura automticos que pueden ser utilizados para sensar el nivel del flotador y transmitir una seal de flujo. Los rotmetros son manufacturados de vidrio, metal plstico. Sus dimetros varan desde hasta mayores de 6 pulgadas.

1.4.1.2 Medidores de Velocidad

Estos instrumentos operan linealmente con respecto a la razn de flujo volumtrico. Puesto que no existe una relacin de raz cuadrada (como pasa en los dispositivos de presin diferencial), su capacidad de rango es mayor. Estos medidores tienen una mnima sensibilidad a los cambios de viscosidad cuando se utilizan con nmeros de Reynolds superiores a 10,000. La mayora de ste tipo de medidores est equipada con bridas que les permiten ser conectados directamente a la tubera.

1.4.1.2.1 Medidores Tipo Turbina

ste tipo de medidores tienen un extenso uso en aplicaciones exactas de medicin tanto de lquidos como de gases. ste dispositivo consiste en un rotor de mltiples hojas montado en un tubo, perpendicular al flujo del lquido (figura 1.14). El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a travs de una bobina magntica, se genera un pulso de tensin elctrica que puede alimentar a un medidor de frecuencia, un contador electrnico u otro dispositivo similar cuyas lecturas puedan traducirse en la velocidad del flujo. El rango de velocidades que pueden medirse con ste tipo de medidores de flujo de tipo turbina se encuentra desde 0.02 l/min (3.33e-6 m3/s) hasta algunos miles de l/min. ste tipo de medidores se pueden utilizar para altas presiones y se pueden encontrar desde D.N. hasta 24 D.N., tienen una respuesta rpida y las prdidas de presin que genera son menores a las generadas por los medidores de desplazamiento positivo. Sin embargo, son sensibles a los cambios viscosidad y densidad, tienen limitaciones en altas viscosidades, requieren de calibraciones


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peridicas y de un acondicionamiento del flujo ya que el flujo tipo swirling (remolino en sentido del

flujo) puede provocar resultados errneos.

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Conexin Coil Pick Up

Rotor

Bridas

Aspas

Eje de Aspas

Eje del Rotor

Anillo Retenedor

Cuerpo

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Conexin Coil Pick Up

Rotor

Bridas

Aspas

Eje de Aspas

Eje del Rotor

Anillo Retenedor

Cuerpo

Figura 1.14. Medidor de Flujo Tipo Turbina.

1.4.1.2.2 Medidores Tipo Vortex

Estos medidores cuentan con una obstruccin de cara plana como la mostrada en la figura 1.15, que

se coloca en la corriente del flujo provocando la creacin de vrtices a una frecuencia que es

proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el medidor de flujo detecta los vrtices y genera

una indicacin en la lectura del dispositivo medidor.

Figura 1.15. Fenmeno de Generacin de Vrtices.


Captulo I 22 de 145

El cuerpo de cara plana tambin llamado elemento generador de vrtices, puede variar de fabricante

a fabricante. Conforme el flujo se aproxima a la cara frontal del elemento generador de vrtices, ste

se divide en dos corrientes, el fluido cerca del cuerpo tiene una velocidad baja en relacin con la

correspondiente en las lneas de corrientes principales.

La diferencia en velocidad provoca que se generen capas de corte, las cuales eventualmente se

rompen en vrtices de forma alternada sobre los dos lados del elemento generador de vrtices. La

frecuencia de los vrtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Figura 1.16. Medidor de Flujo Tipo Vortex.

Unos sensores colocados dentro del medidor detectan las variaciones de presin alrededor de los

vrtices y generan una seal de tensin elctrica que vara a la misma frecuencia que la de

derramamiento del vrtice. La seal de salida es una cadena de pulsos de tensin elctrica y una

seal analgica de corriente directa. ste medidor est diseado para ser instalado directamente en

la tubera, sin la necesidad de herramientas especiales procedimientos complicados de instalacin

como se muestra en la figura 1.16.

1.4.1.2.3 Medidores Electromagnticos

Estos medidores pueden manejar la mayora de los lquidos, previendo que el material sujeto a

medicin sea elctricamente conductivo, ya que su principio de medida est basado en la Ley de

Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a travs de un campo magntico, se

produce una fuerza electromagntica (fem) y sta fem es directamente proporcional a la velocidad


Captulo I 23 de 145

del fluido, de donde se puede deducir tambin el caudal. ste medidor est formado por un tubo

revestido interiormente con material aislante el cual es montado directamente en la tubera como se

muestra en la figura 1.17, y sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se

colocan dos electrodos metlicos, entre los cuales se genera la seal elctrica de medida. Los

electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que el voltaje generado es directamente

proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su

salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad especfica

turbulencia. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magntico, y todo

se recubre de una proteccin externa, con diversos grados de seguridad. La prdida de presin a lo

largo del sensor es la misma que la de una seccin de tubera, puesto que no hay partes mviles u

obstrucciones del flujo.

Figura 1.17. Medidor de Flujo Electromagntico.

1.4.1.2.4 Medidores de Flujo por Ultrasonidos

El medidor de flujo por ultrasonidos consta de unas sondas que trabajan por pares, como emisor y

receptor (ver figura 18). La placa piezo-cermica de una de las sondas es excitada por un impulso

de tensin voltaje, generndose un impulso ultrasnico que se propaga a travs del medio lquido

a medir, sta seal es recibida en el lado opuesto de la conduccin por la segunda sonda que lo

transforma en una seal elctrica.


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Figura 1.18. Medidor de Flujo por Ultrasonidos.

El convertidor de medida determina los tiempos de propagacin del sonido en sentido y

contrasentido del flujo en un medio lquido y calcula su velocidad de circulacin a partir de ambos

tiempos y a partir de la velocidad se determina el caudal.

Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:

DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del lquido. Se colocan

dos sensores, cada uno a un lado del flujo a medir y se enva una seal de frecuencia

conocida a travs del lquido. Slidos, burbujas y discontinuidades en el lquido harn que el

pulso enviado se refleje, pero como el lquido que causa la reflexin se est moviendo, la

frecuencia del pulso que retorna tambin cambia y ese cambio de frecuencia ser

proporcional a la velocidad del lquido.

TRANSITORIOS: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuracin

es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinacin de 45

respecto a la direccin de flujo del lquido. La velocidad de la seal que viaja entre los

transductores aumenta disminuye con la direccin de transmisin y con la velocidad del

lquido que est siendo medido. Se tienen dos seales que viajan por el mismo elemento,

una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las seales no llegan al mismo

tiempo a los dos receptores. Se puede hallar una relacin diferencial del flujo con el tiempo

transmitiendo la seal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza

determinando el tiempo que tardan las seales en viajar por el flujo.


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1.4.1.3 Medidores de Flujo Msico

La continua necesidad de mediciones de flujo ms exactas en procesos donde se relaciona la masa

(reacciones qumicas, transferencia de calor, etc.) ha resultado en el desarrollo de medidores de flujo

msico. Existen muchos diseos disponibles, pero uno de los ms usados en aplicaciones de flujo

de lquidos es el medidor tipo Coriolis, el cual basa su operacin en el fenmeno natural llamado

fuerza de Coriolis.

1.4.1.3.1 Medidores de Flujo Msico Tipo Coriolis

Los medidores Tipo Coriolis miden el flujo msico de un fluido directamente. Puesto que la masa no

cambia, el medidor es lineal sin tener que ser ajustado por variaciones en las propiedades del

lquido. Tambin elimina la necesidad de compensar por cambios de condiciones de temperatura y

presin. ste tipo de medidores son sumamente convenientes para medir lquidos cuya viscosidad

vara con la velocidad a determinada presin y temperatura.

Los medidores Coriolis estn disponibles en varios diseos, el diseo ms popular consiste en un

tubo en forma de U (figura 1.19) albergado en un sensor conectado a una unidad electrnica. La

unidad electrnica puede estar situada hasta 500 pies del sensor.

Figura 1.19. Vibracin, el Tubo en Forma de U es el Corazn del Medidor Coriolis.

Dentro del sensor, el tubo en forma de U vibra a su frecuencia natural mediante un dispositivo

magntico ubicado en la curvatura del tubo. La vibracin cubre menos de 0.1 pulg. y completa un

ciclo alrededor de 80 veces por segundo. Mientras el lquido fluye a travs del tubo, es forzado a

tomar el movimiento vertical del tubo (ver figura 1.19). Cuando el tubo tiene un movimiento hacia


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arriba durante la primera mitad de su ciclo, el lquido que fluye a travs del medidor se mantiene

forzado hacia arriba al presionar hacia abajo el tubo.

Siendo forzado hacia arriba, el lquido que fluye hacia fuera del medidor mantiene su movimiento

vertical disminuido al presionar hacia arriba el tubo, sta accin causa una torsin en el tubo.

Cuando el tubo se mueve hacia abajo en la segunda mitad del ciclo de vibracin, el fenmeno de

torsin se presenta en la direccin opuesta. La cantidad de torsiones es directamente proporcional a

la razn de flujo msico del lquido fluyendo a travs del tubo. Sensores magnticos ubicados en

cada lado del tubo de flujo miden la velocidad del tubo, que cambia conforme el tubo se tuerce. Los

sensores alimentan sta informacin a la unidad electrnica, donde es procesada y convertida en

una tensin elctrica proporcional al flujo msico.

1.4.1.3.2 Medidores de Flujo Msico Tipo Trmicos

ste tipo de medidores han sido utilizados tradicionalmente para mediciones de gas, sin embargo,

actualmente ya se han desarrollado para aplicaciones en flujos lquidos. ste tipo de medidores

tambin operan independientemente de la densidad, presin y viscosidad. Los medidores trmicos

(ver Figura 1.20) usan un elemento precalentado independiente aislado del fluido. La corriente del

flujo conduce calor del elemento sensor. El calor conducido es directamente proporcional a la razn

de flujo msico. El sensor nunca entra en contacto directo con el fluido. El paquete electrnico

incluye el analizador de flujo, el compensador de temperatura y el acondicionador de seal que

provee una salida lineal directamente proporcional al flujo msico.

Figura 1.20. Medidor de Flujo Msico Tipo Trmico.


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1.4.2 Medidores de Presin (Manmetros)

Los manmetros son instrumentos que se emplean para medicin de presin en fluidos,

generalmente determinando la diferencia entre la presin del fluido y la presin atmosfrica.

1.4.2.1 Manmetros de Diafragma

Estos dispositivos muestran un principio de funcionamiento basado en el movimiento de un

diafragma debido a la fuerza ejercida por la presin de un fluido, su configuracin es ms compleja

que el manmetro de tubo en U ya que muestra ms partes funcionales, como amortiguador,

aprisionador, tubo de entrada, etc. (ver figura 1.21).

Existen dos tipos de diafragma que diferencia a dos manmetros en su configuracin y principio,

estos son:

1. El diafragma metlico que utiliza su caracterstica de deflexin a la presin

2. El elemento de diafragma no metlico, opuesto por un resorte calibrado por un dispositivo

elstico similar.

AMORTIGUADOR

APRISIONADOR

SECTOR

DENTADO

PION

PUNTO DE APOYO

DEL PUNTERO

TUBO DE ENTRADA

FLEXORES

AGUJA INDICADORA

O PUNTERO

AJUSTE PARA

CALIBRACIN

PIVOTE

TOPE

CPSULA DE

DIAFRAGMA

AMORTIGUADOR

APRISIONADOR

SECTOR

DENTADO

PION

PUNTO DE APOYO

DEL PUNTERO

TUBO DE ENTRADA

FLEXORES

AGUJA INDICADORA

O PUNTERO

AJUSTE PARA

CALIBRACIN

PIVOTE

TOPE

CPSULA DE

DIAFRAGMA

Figura 1.21. Partes de un Manmetro de Diafragma.


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Estos tipos de elementos de diafragma se usan solamente como un medio de contener la presin y

ejercer una fuerza en el lado opuesto del diafragma y de sta forma comunicar las variaciones de la

presin sensada.

1.4.2.2 Manmetro de Tubo Bourdn

El tubo de Bourdn, mostrado en la figura 1.22, es parte de un instrumento mecnico de medicin de

presin que emplea como elemento sensible un tubo metlico curvado torcido, de seccin

transversal aplanada. Un extremo del tubo est cerrado, y la presin que se va a medir se aplica por

el otro extremo. A medida que la presin aumenta, el tubo tiende a adquirir una seccin circular y

enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado

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