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Simulador hidráulico
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Congreso Mexicano del Petróleo Página 1 de 11 Cancún-Riviera Maya, 2013
Reducción de Riesgo Operativo Mediante el Desarrollo y Uso de un Simulador Hidráulico para el Entrenamiento de Operadores de la
Plataforma de Rebombeo Moisés León Dorantes y Marco Antonio Muñoz Prior PEMEX Exploración y Producción Augusto Garcia Hernández y Hector Delgado Garibay, Southwest Research Institute®
Resumen
Actualmente, los simuladores son ampliamente utilizados en la industria aeronáutica,
biomédica, manufacturera, fabricación de equipos, líneas de ensambles de automóviles,
procesos químicos, y en la industria petrolera. Estas herramientas son comúnmente
empleadas en el entrenamiento y evaluación de personal, evaluación de condiciones
críticas del proceso, evaluación de riesgo, optimización de procesos, determinación de
las capacidades del sistema, y la interacción del operador con la interface. El continuo
desarrollo tecnológico de estas herramientas representa un gran beneficio a nivel
técnico, así como económico y aún más importante de seguridad. Lo anterior debido a
que el continuo adiestramiento de personal reduce significativamente el riesgo de
accidentes y aumenta la confiabilidad del sistema.
La Coordinación de Transporte y Distribución de Hidrocarburos, adscrita a la Gerencia
de Transporte y Distribución de Hidrocarburos de la Región Marina Noreste de PEMEX
Exploración y Producción ha decidido utilizar un simulador de procesos para adiestrar a
los operadores de la plataforma de Rebombeo en el manejo de un nuevo y más
complejo sistema de bombeo el cual va ha ser utilizado para el transporte de crudo
pesado. Este sistema incluye cuatro nuevos trenes de bombeo los cuales son
accionados con turbinas de gas acopladas a una caja reductora la cual se conecta a un
convertidor de torque que es usado para regular la velocidad de bombas de
desplazamiento positivo de doble tornillo. Adicionalmente, existen seis bombas
centrifugas que son usadas para el transporte de crudo mediano-ligero y están siendo
incluidas en el desarrollo del simulador. El simulador será validado y ajustado con
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condiciones actuales del sistema incluyendo todas las lógicas de control así como las
alarmas.
El objetivo de la implementación del simulador es entrenar operadores en el manejo de
la instalación y evaluar el desempeño de los mismos. Capacitar técnicamente al
personal que operará los trenes de bombeo de la plataforma Rebombeo ayudará a
mejorar los procedimientos para la operación de la instalación, así como reducir el
riesgo operativo. Adicionalmente, la capacidad predictiva de la herramienta optimiza el
proceso de decisión y logística de la operación ya que pueden ser evaluadas
situaciones críticas antes de tomar decisiones. El objetivo del presente trabajo es
demostrar la aplicación directa del simulador así como evaluar los beneficios
intrínsecos en la parte operativa, de seguridad y económica. Resultados de la
aplicación del simulador así como detalles técnicos del mismo son presentados como
parte de este estudio.
Introducción
Nuevos equipos de bombeo en una de las más importantes instalaciones costa afuera
de PEMEX Exploración y Producción están siendo instalados en la Plataforma de
Rebombeo debido a nuevos requerimientos en el transporte de crudo más pesado. La
figura 1, muestra una fotografía de los equipos de bombeo de la plataforma Rebombeo.
Esta instalación transporta emulsiones de crudo estabilizado desde diversas
plataformas de producción desde aproximadamente 80 km costa afuera. El crudo es
bombeado a través de tres diferentes líneas submarinas las cuales recorren
aproximadamente 80 km hasta la Terminal Marítima Dos Bocas. El sistema actual
maneja crudo en el rango de 19-21 ºAPI; sin embargo, se espera que la producción de
crudo pesado de 16 ºAPI incremente significativamente en los próximos años. Esto
impondría una limitante para las bombas centrifugas existentes las cuales pueden
manejar una máxima viscosidad de 700 cP y el crudo pesado superaría esos valores, lo
que podría causar un embotellamiento de la producción en la plataforma.
Adicionalmente, un impacto significativo en el rendimiento de las turbo-bombas es
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esperado debido al efecto de la viscosidad. Todo esto originó al desarrollo de un
proyecto de optimización de los equipos de bombeos de la plataforma.
Esta optimización consiste en la ingeniería, procura, adquisición, e instalación de
cuatro nuevos trenes de bombas de doble tornillo de una capacidad de 160,000 BPD
cada una. La configuración de los trenes consiste en una turbina de gas acoplada a una
caja reductora que transmite a un convertidor de torque que le regula la velocidad a la
bomba de doble tornillo.
Figura 1. Plataforma de Rebombeo
Actualmente, dos de los nuevos paquetes de bombeo están siendo comisionados y los
otros dos serán instalados en los próximos meses. La configuración final de la
plataforma de Rebombeo incluirá seis bombas centrifugas dedicadas al crudo ligero
(Línea 1) y cuatro bombas de doble tornillo para el crudo pesado el cual será
transportado por la Línea 2 con flexibilidad operativa para manejar múltiples
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configuraciones del sistema de bombeo en plataforma. Esta nueva configuración
involucra un comportamiento hidráulico del sistema un poco diferente a lo que se ha
venido manejando en la plataforma en los últimos 25 años, ya que las bombas de doble
tornillo son consideradas de desplazamiento positivo mientras las bombas centrifugas
son categorizadas como rotodinámicas volumétricas.
Esto ha motivado a que se realicen análisis hidráulicos del sistema y que se desarrolle
una herramienta que permita a los operadores, ingenieros, y cualquier otro personal
técnico a familiarizarse con la operación de la nueva configuración de la plataforma de
una manera más segura y eficiente. Figura 2 muestra un esquema del sistema de
producción de PEMEX.
Figura 2. Esquema del Sistema de Producción de PEP Costa Afuera pasando por
Rebombeo hasta TMDB
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Desarrollo del simulador
Basándose en estudios hidráulicos realizados previamente para la plataforma de
Rebombeo, PEP y Southwest Research Institute se encuentran en el desarrollo de un
simulador hidráulico del sistema el cual incluirá la nueva configuración. La idea principal
de este simulador es tener la capacidad de representar el proceso real de una manera
tangible y eficaz para realizar el entrenamiento de operadores, así como su posible
evaluación. El simulador está enfocado en la parte hidráulica del sistema, el mismo
estará conformado con un motor de cálculos hidráulicos y una interface humana.
El motor de cálculo incluirá los detalles físicos y de control del sistema considerando
elementos como válvulas de seguridad, aislamiento y de no-retorno, actuadores, líneas
de bypass, equipos de bombeo con su curvas de funcionamiento y tuberías. Alarmas y
lógicas de control serán también incorporadas en el simulador como en el sistema real;
por ejemplo: alta presión, baja presión de descarga, entre otros. Esta parte del
simulador estará realizando todos los cálculos hidráulicos del sistema tales como:
caídas de presión, flujos, presiones, temperaturas y puntos de operación de las
bombas, correcciones por viscosidad; así como cálculos operáticos (nivel hidráulico) de
los diferentes equipos.
La interface humana será desarrollada con un programa gráfico que se comunicará con
el motor de cálculo de tal manera que cualquier cambio o instrucción desde la interface
humana se vera reflejado en el motor de cálculo. A su vez el motor de cálculo
retroalimentara la interface humana con los diferentes parámetros que el sistema real
monitorea a través de las diferentes pantallas y tendencias. Por lo cual, una continua
comunicación entre la interface humana y en motor de cálculo proporcionará la
capacidad de simular operaciones normales, eventos críticos, transitorios y estados
estacionarios de una manera rápida y segura. La figura 3 muestra un esquema del
simulador.
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Figura 3. Motor de Calculo e Interface Humana Diagrama de Conexión
Diferentes pantallas serán desarrolladas en el simulador. Dichas pantallas serán una
réplica de las pantallas originales del sistema de control de tal manera que el operador
estará observando los mismos parámetros y siguiendo las mismas secuencias que
existen en el sistema real.
Algunas de las pantallas a desarrollar incluyen: esquema general del sistema de
bombeo, resumen de operación de las unidades, control de proceso de las unidades,
válvulas de patio de las unidades, así como tendencias operativas de flujo y presión.
Figura 4 y 5 muestran ejemplos de las pantallas típicas a ser incluidas en el simulador.
Figura 4. Ejemplo de la Pantalla de Válvulas de la Unidad a Desarrollar
Software de Tuberías
MOTOR DE CÁLCULO
Pantallas de Control
(HMI)
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Figura 5. Ejemplo de una de las Pantallas a Desarrollar
Aplicación y Beneficios
Comisionar una nueva estación de bombeo puede ser una tarea ardua y con muchos
retos. Debido a que existen muchos nuevos detalles a los cuales hay que prestar
atención en equipos desconocidos; así como problemas desconocidos, inesperados y
operaciones impredecibles que pueden presentarse. Operadores, ingenieros y demás
personal técnico comúnmente hacen un esfuerzo para solventar cualquier problema con
mucho sentido común, aplicación de conocimiento técnico y experiencia; sin embargo
podrían existir situaciones en las que se generen pruebas de ensayo y error. Sin
embargo, este camino no es el más óptimo y apropiado para lograr una operación
segura, eficiente y confiable. Por lo tanto, contar con una herramienta computacional
que permita la evaluación del sistema en situaciones críticas y para predecir futuras
condiciones representa un gran beneficio para todo el personal técnico envuelto en la
operación y optimización del sistema.
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Prevención de paradas de maquina innecesarias, operación eficiente y segura de las
maquinas, optima configuración de operación y distribución de carga en el sistema son
situaciones típicas que pueden ser evaluadas por el operador con la ayuda del
simulador; por lo tanto pueden ser tomadas decisiones mas acertadas y apropiadas
durante la operación normal del sistema. Adicionalmente, el simulador va ha ser usado
como una herramienta de ingeniería para determinar la capacidad máxima del sistema
para condiciones especificas de la producción y tipo de fluido, realizar predicciones
operativas, evaluar posibles perturbaciones en el proceso y su efecto en la maquinaria y
en el sistema en general; así como determinar situaciones críticas en el sistema tales
como baja presión de succión o alta presión de descarga.
Análisis paramétricos y de situación (“What If”) son muy comunes y eficientes en la
evaluación y gerencia de riesgo de muchos procesos.
Lo anterior debido a que diferentes situaciones criticas, inesperadas, o anormales
pueden ser evaluadas para proporcionar soluciones y acciones a problemas que no son
triviales. Por lo tanto, esto ayuda a reducir el componente de incertidumbre en la
operación mientras provee más confiabilidad al sistema. El desarrollo del simulador
proporciona la capacidad de realizar este tipo de análisis, así como estudios de
sensibilidad de diversas variables tales como presiones, flujo, temperaturas, potencia
del accionador (efecto de las condiciones ambientales), tipo de fluidos (crudo pesado
vs. crudo ligero), velocidad de las bombas, y presiones en los ductos. Por ejemplo, una
aplicación es determinar el cambio de tipo de fluido manejado a través de un ducto ya
que esto afecta las caídas de presión, requerimientos de potencia en las maquinas, así
como la posible configuración a ser usada.
Otros escenarios o aplicaciones que van a poder ser evaluadas con el simulador
incluyen: 1) diversas condiciones estacionarias de operación para determinar la curva
del sistema y configuración de maquinas; 2) condiciones transitorias criticas tales como
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arranque de máquina, parada de emergencia, parada normal, limites operativos, y golpe
de ariete; 3) reparto de carga automático y otros modos de operación; 4) optimización
del sistema; y 5) evaluación de las lógicas de control y optimización de secuencias
operativas.
Aun más PEMEX ha estado enfocando recursos a mejorar la seguridad operativa y
confiabilidad de los sistemas a través de implementación de planes de entrenamiento y
certificación de operadores. Estos planes siguen lineamientos internacionales como los
establecidos en el API 1120 (Training and Qualification of Liquid Pipeline Maintenance
Personnel); ASME B31Q (Pipeline Personnel Qualification); RP 1161 (Recommended
Practice for Pipeline Operator Qualification); RP T-2 (Qualification Programs for
Offshore Production Personnel). La idea principal es establecer el uso del simulador
como una herramienta que sirva para adiestrar y evaluar el personal mientras se siguen
con los lineamientos establecidos en los estándares y regulaciones mexicanas.
CONCLUSIONES
El desarrollo de un simulador para la plataforma de Rebombeo proveerá muchos
beneficios. Se espera que la aplicación del mismo mejore la seguridad y confiabilidad
operativa y que sirva para ser utilizado como una herramienta ingenieril que permita la
optimización y mejora del proceso de Rebombeo. El conocimiento adquirido por los
operadores podrá ser evaluado y calificado de una manera más objetiva y precisa, así
como segura. La reducción del riesgo operativo será una consecuencia inherente de un
mejor adiestramiento del personal.
La planeación estratégica y gerencia de la producción puede ser avalada y reforzada
con los resultados del simulador como se ha hecho anteriormente con estudios
hidráulicos. Así mismo el cumplimiento de los lineamientos y estándares establecidos
en la adiestramiento de personal será complementado con esta herramienta.
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Referencias
1. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., INNOVACIÓN
TECNOLÓGICA EN SISTEMAS DE BOMBEO PARA CRUDO PESADO DE ALTA
VISCOSIDAD EN INSTALACIONES COSTA AFUERA. Congreso Mexicano del
Petróleo, Ciudad de México, 2012.
2. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., García Hernández A., Delgado
Garibay H., HYDRAULIC EVALUATION OF AN OFF-SHORE PUMPING STATION.
41st Turbomachinery Synposium, Turbomachinery Laboratory Texas A&M University,
2012.
3. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., Toledo Velázquez M.
ANÁLISIS DE DINÁMICA DE TURBOMAQUINARIA EN UN TREN DE BOMBEO
PARA INSTALACIONES COSTA AFUERA. XIII Congreso y Exposición
Latinoamericana de Turmomaquinaria, 2012.
4. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., García Hernández A., Delgado
Garibay H., Flavia Viana. HYDRAULIC MODELING OF AN OFF-SHORE CRUDE
OIL EMULSION PUMPING SYSTEM. Pipeline Simulation Interest Group, PSIG 2012.
5. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., Mueller Alfres. VARIABLE
SPEED OF TWIN SCREW PUMP DRIVEN BY TORQUE CONVERTERS. Multiphase
Pump User Roundtable, MPUR 2012.
6. Elias Rayón E., León Dorantes M., Muñoz Prior M. A., García Hernández A., Delgado
Garibay H., OFF-SHORE CRUDE OIL SYSTEM CAPACITY EVALUATION AND
HYDRAULIC ANALYSIS CASE STUDY. Conference & Exposition Rio Pipeline 2011.
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RESUMEN CURRICULAR.
Autor: Moisés León Dorantes.
(938) 38 11200 extensión 52526
Ingeniero Mecánico egresado del Instituto Politécnico Nacional, ingresó a Petróleos
Mexicanos en 1982, habiendo ocupado puestos en el área de Construcción y
Mantenimiento Mecánico. Actualmente con 30 años de experiencia, se desempeña
como Superintendente en la Coordinación de Transporte y Distribución de Aceite,
donde tiene a su cargo el desarrollo de proyectos estratégicos y la optimización de
infraestructura para la exportación y transporte de petróleo crudo en la Región Marina
Noreste del Golfo de México. Ha sido parte del equipo de liderazgo del Sistema de
Administración de Mantenimiento e Investigación de Incidentes.
Autor: Marco Antonio Muñoz Prior.
(938) 38 11200 extensión 52438
Ingeniero Mecánico Electricista con más de 13 años de experiencia como especialista
técnico en el área de Diseño, Optimización y pruebas de Infraestructura de Aceite
Crudo, tiene a cargo el apoyo técnico en aplicaciones de transporte de crudo pesado.
En el 2000 ingresó a Petróleos Mexicanos, habiendo ocupado puestos como Ingeniero
de Campo en instalaciones costa afuera, incluyendo el área de Supervisión, Operación,
Mantenimiento y Control de Calidad. Graduado de la Universidad Veracruzana y
Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica Opción Energética por el Instituto
Politécnico Nacional.
