REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA

ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL COMPLEJO DE FRACCIONAMIENTO DE

GLP ULÉ. PDVSA

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA

PRESENTADO:

GARCÍA G, RUBÉN J. CI. 14801574

GRIMÁN L, EILLEEN MARÍA.

CI. 14181772

ASESORADO POR:

TUTOR INDUSTRIAL Ing. Osvaldo Romero

TUTOR ACADÉMICO TUTOR METODOLÓGICO Ing. Johanna Ferrer Prof. Beatriz Isamberg

MARACAIBO, FEBRERO DEL 2002

ii

ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL COMPLEJO DE FRACCIONAMIENTO DE

GLP ULÉ

iv

DEDICATORIA

Cuando los tropiezos son grandes en la vida, el truco está en saberse

levantar rápido y seguir hacia delante abriéndose camino. En el camino me

conseguí con muchas piedras pero supe llegar al final y conseguir la meta.

Por ello dedico mi éxito a:

La memoria del ING. Osvaldo Romero quien en vida fuera mi tutor

industrial y amigo; y que a pesar de su pérdida física siempre estuvo

conmigo.

A mis padres que supieron apoyarme y comprenderme en todo

momento, a demás de darme todo en la vida para lograr mis propósitos.

Rubén García

v

DEDICATORIA

A la memoria del Sr. Ingeniero Osvaldo Romero

con quien tuve la oportunidad de compartir sus grandes

conocimientos, su prematura ausencia me privó de ese

manantial de sabiduría que le caracterizaba.

A mis padres quienes son símbolo de amor y

orgullo y que serán siempre mi ejemplo a seguir.

Para ellos un homenaje póstumo, el tributo

merecido de mi tesis de grado.

Eilleen Grimán

vi

AGRADECIMIENTOS

A Dios por sobre todas las cosas.

A mi familia por todo su apoyo en los momentos más necesitados

además de su comprensión.

A mi compañera ya amiga Eilleen Grimán que estuvo allí en todo

momento cuando las cosas se nos ponían difíciles.

A todo el personal que labora en la planta GLP-ULÉ por todo el apoyo

brindado durante la investigación.

A la Ingeniera Johanna Ferrer y la Profesora Beatriz Isamberg.

Al Ingeniero Osvaldo Romero e Ingeniero Elvis Villalobos, por su apoyo

técnico brindado.

A todos en general que de una y otra forma colaboraron en el desarrollo

de la presente investigación.

A todos muchas gracias.

Rubén García

vii

AGRADECIMIENTO

Al Dios Omnipotente que me concedió la vida, entendimiento, capacidad

e inteligencia; que me regaló unos padres extraordinarios que me enseñaron

que no hay barreras que no podamos derribar, ni obstáculos que no

podamos vencer cuando se desea con anhelo triunfar.

A mi compañero de tesis y gran amigo Rubén García con quien

compartí y logré superar momentos muy difíciles a lo largo de la realización

de esta investigación.

A mis amigos y familia, en especial a mis hermanos quienes

representan siempre mis ganas de seguir adelante.

Al personal que labora en la Empresa PDVSA GAS Occidente por

haberme dado todo el apoyo necesario para que esta investigación culminare

con éxito.

Al Ingeniero Elvis Villalobos por su valiosa ayuda.

A la Ingeniera Johanna Ferrer y la Profesora Beatriz Isamberg quienes

compartieron sus conocimientos en la realización de esta investigación.

A los Ingenieros Angel Rojas, Alejandro Ledesma y Gilberto López por

su gran apoyo.

A todos aquellos que siempre estuvieron presente de una u otra forma

muchas gracias.

Eilleen Grimán

viii

INDICE GENERAL Pág VEREDICTO ii

DEDICATORIA iii

AGRADECIMIENTO

v

INDICE GENERAL

vii

INDICE DE FIGURAS

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

xiii

RESUMEN

xvi

ABSTRACT

xvii

INTRODUCCIÓN

1

CAPITULO I EL PROBLEMA

A.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4

1.- FORMULACIÓN 8

B.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

8

1.- OBJETIVO GENERAL 8

2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8

C.- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

9

CAPITULO II MARCO TEORICO

A.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

12

ix

B.- BASES TEORICAS

14

1.- SISTEMA DE CONTROL

15

2.- TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL

15

2.1.- SISTEMA DE CONTROL A LAZO ABIERTO

16

2.2.- SISTEMA DE CONTROL A LAZO CERRADO

17

3.- CONTROL AUTOMATICO DE PROCESOS

19

3.1.- VARIABLES DEL PROCESO

20

4.- TIPOS DE CONTROLADORES

22

4.1.- CONTROL PROPORCIONAL

22

4.2.- CONTROL INTEGRAL

24

4.3.- CONTROL DERIVATIVO

25

4.4.- CONTROL PROPORCIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVO

26

4.5.- CONTROL EN CASCADA

27

4.6.- CONTROL AVANZADO FEED-FORWARD

28

4.6.1. SISTEMAS PARA UN NIVEL DE LÍQUIDO Y PRESIÓN

31

4.6.2. CONTROL DE TEMPERATURA Y COMPOSICIÓN 35

4.6.3. APLICACIÓN A UN INTERCAMBIADOR DE CALOR.

36

4.7.- COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO

41

5.- GAS NATURAL

43

5.1.- PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL 44 6.- GAS LICUADO DE PETROLEO

45

6.1.- PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DE GLP

46

6.2.- PARÁMETROS CLAVES DE LA TORRE 48

x

6.3.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO

DENTRO DE LA TORRE

49

6.4.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DE

LA PLANTA GLP-2

51

6.4.1.- SECCION DESPROPANIZADORA 51

6.4.2.- SECCION DESBUTANIZADORA 56

7.- SISTEMA TDC-3000

59

8.- SIMULACIÓN DE PROCESOS 61

8.1.- HYSYS DINAMICO 65

C.- DEFINICIÓN DE TERMINOS BÁSICOS 66

D.- SISTEMA DE VARIABLES

72

CAPITULO III MARCO METODOLOGICO

A.- TIPO DE INVESTIGACIÓN 75

B.- METODOLOGÍA APLICADA 76

C.- EQUIPOS Y HERRAMIENTAS UTILIZADAS

78

CAPITULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

A. FUNCIONAMIENTO OPERACIONAL DE LOS ESQUEMAS DE

CONTROL EXISTENTES EN LA PLANTA.

80

B. FALLAS QUE INTERVIENEN DIRECTAMENTE CON LOS

ESQUEMAS DE CONTROL

91

xi

C. ALTERNATIVA QUE SOLVENTA LA PROBLEMÁTICA

EXISTENTE EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN

93

D. SIMULACION DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA

DISEÑADO

95

E. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS 98

CONCLUSIONES

104

RECOMENDACIONES

105

REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA

106

ANEXOS 108

xii

INDICE DE FIGURAS FIGURAS Pág

1. ELEMENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO

ABIERTO

16

2. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE CONTROL

DE VELOCIDAD EN RALETÍN EN LAZO CERRADO

18

3. RESPUESTA DEL CONTROLADOR PROPORCIONAL

INTEGRAL

25

4. SISTEMA DE CONTROL EN CASCADA 28

5. SISTEMA DE CONTROL FEED-FORWARD 29

6. FLUJO DE ALIMENTACIÓN DE LÍQUIDO FIJADO IGUAL AL

FLUJO DE VAPOR DE UNA CALDERA

33

7. EL SISTEMA DE CONTROL FEED-FORWARD CALCULA EL

FLUJO DE VAPOR CORRECTO PARA CORRESPONDER LA

CARGA DE CALOR ACTUAL

38

8. LOS CÁLCULOS REALIZAN EL BALANCE DE ENERGÍA EN

ESTADO ESTACIONARIO

38

9. GRÁFICAS DE TEMPERATURA VS FLUJO 41

10. COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO BASADO EN EL

MODELO

43

11. COMPENSACIÓN DE TIEMPO MUERTO COMPLETA 43

12. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN A GLP-2 52

xiii

13. TORRE DESPROPANIZADORA 53

14. TORRE DESBUTANIZADORA 58

15. SECCION DESPROPANIZADORA 82

16. SECCION DESBUTANIZADORA 88

17. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL FEED-FORWARD 94

18. TIEMPO DE ESTABILIZACIÓN DE LA TEMPERATURA DE

FONDO DE LA TORRE DESPROPANIZADORA

99

19. CONTROL FEED-FORWARD EN LA TORRE D8-504 100

20. CONTROL FEED-FORWARD EN LA TORRE D8-506 101

xiv

LISTA DE SIMBOLOS

c Variable Controlada

cp Valor Pico de c

Cp Capacidad Calorífica

d Diferencial

e Desviación

E Flujo de Error Integrado

f Flujo Controlado

fi Entrada de flujo Fraccional

fΤ Salida de Flujo Fraccional

F Retroalimentación para un controlador de nivel

Gm Retroalimentación para un controlador de temperatura

gp Flujo Total

gq Vector Ganancia Dinámica para m

Hs Vector de ganancia Dinámica para procesos

I Vector Ganancia Dinámica para q

I1 Calor Latente de Vapor

I2 Tiempo Integral

IE Primer tiempo Integral

IAE Segundo Tiempo Integral

xv

K Constante

Km Ganancia de estado estacionario hasta m

kp Ganancia de proceso en estado estacionario

kq Ganancia de estado estacionario hasta q

m Variable manipulada

ml Salida del controlador de nivel

mΤ Salida del controlador de temperatura

N Número de elementos en el arreglo

P Banda proporcional

PL Banda proporcional del controlador de nivel

Q Carga

Q Razón de transferencia de calor

R Punto de ajuste (set point)

R Radio

T Tiempo

tc Tiempo de cruce

tp Tiempo Pico

Τ Número de elemento en arreglo

Τ1 Temperatura de Entrada

Τ2 Temperatura de salida

Τ2 Punto de Ajuste de Temperatura de salida.

V Volumen

*

xvi

WF Alimentación

WF Punto de Ajuste en la Alimentación

WP Flujo de fluido de procesos

WS Flujo de Proceso

WS Punto de Ajuste de Flujo de Vapor

x Entrada para Compensador Dinámico

y Salida de la función de tiempo muerto o retraso

z Salida de la función de adelanto – retraso

∆ Diferencia

∆t Intervalo de muestra

τ Constante de Tiempo

τd Tiempo muerto

τdm Tiempo muerto para m

τdq Tiempo muerto para q

τf Filtro de tiempo constante

τm Tiempo de retraso para m

τq Tiempo de retraso para q

τv Tiempo constante del recipiente

τ1 Constante de tiempo de adelanto

τ2 Constante de tiempo de retraso

xvii

RESUMEN

García G., Rubén J y Grimán L., Eilleen M. “ESTRATEGIAS DE CONTROL EN LAS TORRES DE SEPARACIÓN DEL COMPLEJO DE FRACCIONAMIENTO GLP ULE”. Universidad Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Trabajo Especial de Grado. 2001.

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo fundamental crear nuevas estrategias de control en las torres de separación de la planta GLP-2 basadas en la técnica de control avanzado Feed-Forward (acción precalculada) con la finalidad de minimizar las variaciones de la cantidad y calidad de los productos terminados para generar valor agregado al complejo GLP-ULÉ. Esta investigación es de tipo Descriptiva y Aplicada, apoyada además en una investigación de campo; utilizando la metodología de Shinskey para fundamentar las bases teóricas adaptando algunas de sus etapas o fases a esta investigación. Para cumplir a cabalidad con los objetivos planteados para esta investigación y buscar la propuesta más adecuada que pueda solucionar el problema planteado por PDVSA GAS se hace necesario el uso del simulador Hysys Plant, el cual permitió evaluar y comparar fuera de línea los nuevos esquemas de control obteniendo como resultado un mejoramiento en el proceso de fraccionamiento ya que se logró mantener la composición de los productos de tope y fondo de las Torre Despropanizadora y la Torre Desbutanizadora dentro de las especificaciones especificaciones requeridas. Se ha logrado un esquema de control avanzado que permita la continuidad del proceso a pesar de las perturbaciones del flujo de alimentación y el flujo de reflujo, mejorando la rapidez de respuesta y estabilidad del sistema; además de que se logró aumentar el grado de automatización de la planta lo que permite minimizar los venteos de productos ocasionados por acciones no adecuadas de operaciones de control. Palabras Claves: Estrategia, Control, Valor Agregado, Automatización, Fraccionamiento.

xviii

ABSTRACT

García G., Rubén J and Grimán L., Eilleen M. ESTRATEGIAS OF CONTROL IN THE TOWERS OF SEPARATION OF THE COMPLEX OF DIVISION OF GLP ULE.. University Rafael Belloso Chacín. Faculty of Engineering. School of Electronics. Special work of Degree. 2001.

The present investigation work has as fundamental objective to create new control strategies in the plant GLP-2 based on the Feed-Forward advanced control with the purpose of minimizing the variations of the quantity and quality of the products finished to generate value added the complex GLP-ULÉ. This investigation is of Descriptive and Applied type, also supported in a field investigation; using the methodology of Shinskey to base the theoretical bases adapting some of their stages or phases to this investigation. To fulfill to cabalidad the objectives outlined for this investigation and look for the most adequate proporsal allowing the solution to the problem stated in PDVSA GAS it becomes necessary the use of the Dynamic Hysys Simulator, which allowed to evaluate and to compare outside of line the new control outlines obtaining an improvement as a result since in the division process was achieved that the product of top and bottom of the Depropanizer Tower and Debutanizer Tower is qualitatively and quantitativelly. An advanced control has been achieved that allows the continuity of the process in spite of the feed rate and reflujo rate interferences improving the answer speed, it has been achieved the plant automatization grade for decrease the bunghole provoking for no actions adequate of the control perations. Key Words: Strategies, Control, Value Added, Automatization,

Fraction.

1

INTRODUCCION.

En la actualidad, el desarrollo tecnológico de la Industria se ha

orientado hacia la automatización de los Procesos, desde los más complejos

hasta los más sencillos y cotidianos, debido a que los procesos

automatizados brindan una mayor economía, la cual viene dada por la

reducción de la intervención humana, mayor precisión y el funcionamiento

óptimo y versátil de los equipos que conforman el proceso aumentando así

su eficiencia.

El Gas, juega un papel fundamental en la Industria Petrolera Nacional,

siendo utilizado en la División de Occidente para el Levantamiento Artificial,

Obtención de GLP (Gas Licuado del Petróleo), Inyección a pozos, y

Consumo Doméstico e Industrial.

El propósito de esta investigación consiste en proponer nuevas

estrategias de control en las torres de separación de GLP-2 en el complejo

GLP-ULÉ. Hoy en día existen varias estrategias de control que

normalmente se encuentran a lazo abierto o con una marcada inestabilidad

debido a problemas de entonamiento o poca robusticidad de las mismas, por

tal razón se observan pérdida de oportunidad en la producción por exceso o

déficit en la calidad de los productos.

2

En esta investigación se plantean una serie de alternativas capaces de

minimizar las variaciones de la cantidad de los productos terminados a través

de un control avanzado feedforward.

Con la finalidad de cumplir con uno de los requisitos del programa

regular de Ingeniería Electrónica de la Universidad Rafael Belloso Chacín se

presenta la siguiente investigación la cual está estructurada en cuatro

capítulos:

CAPITULO I, El Problema donde se formulan justifica y delimita el

problema, y como se plantean los objetivos generales y específicos de la

investigación.

CAPITULO II, Marco Teórico en donde se describen las bases teóricas

en las cuales se sustenta el estudio investigativo.

CAPITULO III, Marco Metodológico en el cual se presentan el tipo de

investigación, la metodología aplicada y equipos o herramientas utilizadas.

CAPITULO IV, Resultados de la Investigación que consiste en aplicar la

metodología de la investigación a la información obtenida, y realizar un

análisis que de origen a la propuesta sugerida.

Y para culminar, basándonos en los capítulos desarrollado en esta

investigación se presentan las conclusiones y recomendaciones.