Control antisurge-en-compresor

MONTAJE DE LABORATORIO DE ENTRENAMIENTO A INSTRUMENTISTAS
EN CONTROL ANTI-SURGE REALIZADO POR C.C.C. PARA LA FACILIDAD
DE CPF CUSIANA
VICTOR MANUEL MOYA TORRES
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2010

MONTAJE DE LABORATORIO DE ENTRENAMIENTO A INSTRUMENTISTAS
EN CONTROL ANTI-SURGE REALIZADO POR C.C.C. PARA LA FACILIDAD
DE CPF CUSIANA
VICTOR MANUEL MOYA TORRES
Documento presentado como requisito para obtener el título de Ingeniero
Mecatrónico
Ing. Alcy Blanco
Asesor de Tesis
Patricia Carreño
Asesora Metodológica
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2010

Nota de Aceptación:
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Firma Presidente de Jurado
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Firma Jurado
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Firma Jurado
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Firma Jurado
Bogotá D.C., 14 de mayo de 2010

DEDICATORIA
A Dios, por ser el forjador de todos y cada uno de los muchos momentos de
felicidad, alegría y tristeza. Pues sin su ayuda y su obra en mi vida jamás se
hubiese consolidado este trabajo.
A mis padres, quienes con su apoyo, esperanza, consejos y dedicación creyeron
en mí sin medir todos sus esfuerzos y sacrificios, con el único fin de brindarme
mejores oportunidades en la vida.
A mi familia, constantes en cada una de mis etapas de crecimiento profesional,
forjadores de valores y enseñanzas.

AGRADECIMIENTOS
A Wood Group Colombia S.A., quienes me brindaron la oportunidad de acercarme
al mundo profesional y me permitieron una mejor comprensión del ámbito laboral.
A los Ingenieros de control de Wood Group Colombia S.A., Carlos Ovalle, Yelfer
Chaparro y Oscar Pérez. Quienes dedicaron su tiempo y conocimiento con el
ánimo de formar en mi un ingeniero capacitado, de criterio y análisis como lo son
ellos, mis sinceros agradecimientos.
A todos aquellos docentes de la Universidad de San Buenaventura, quienes en
algún momento participaron en mi proceso de formación como Ingeniero
Mecatrónico.

CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 16
1.1 ANTECEDENTES ...................................................................................... 16
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA............................... 16
1.3 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................ 17
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN....................................................... 18
1.4.1 Objetivo general ...................................................................................... 18
1.4.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 18
2. MARCO DE REFERENCIA.......................................................................... 19
2.1 MARCO LEGAL O NORMATIVO ............................................................... 19
2.2 MARCO TEÓRICO - CONCEPTUAL ......................................................... 20
2.3 ALCANCES Y LIMITACIONES .................................................................. 23
3. DESARROLLO INGENIERIL........................................................................ 25
3.1 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS: HARDWARE ........................................ 25
3.1.1 Compresor............................................................................................... 25
3.1.1.1 Mapa de operación............................................................................... 26
3.1.1.2 Punto operativo .................................................................................... 26
3.1.1.3 Curvas de desempeño ......................................................................... 27
3.1.1.4 Límites de desempeño ......................................................................... 28
3.1.1.5 SURGE................................................................................................. 28
3.1.2 Instrumentos de medición ....................................................................... 31
3.1.2.1 Dispositivos de medición de flujo ......................................................... 31
3.1.3 Válvula ANTI-SURGE.............................................................................. 45
3.1.3.1 Tiempo de accionamiento .................................................................... 45
3.1.3.2 Localización.......................................................................................... 45
3.1.3.3 Características ..................................................................................... 45
3.1.3.4 Actuador, posicionador y transductores electro-neumáticos ................ 45
3.1.3.5 Tamaño ................................................................................................ 45
3.1.4 controlador ANTI-SURGE ....................................................................... 55
3.1.4.1 Línea limite de SURGE ........................................................................ 59
3.1.4.2 Estrategia 1: Línea de control de SURGE............................................ 61
3.1.4.3 Estrategia 2: El algoritmo “Recycle Trip” .............................................. 62
3.1.4.4 Estrategia 3: La respuesta “Safety On” ................................................ 64
3.1.5 PLC ......................................................................................................... 67
3.1.5.1 Chasis .................................................................................................. 67
3.1.5.2 Fuente .................................................................................................. 68
3.1.5.3 Procesador........................................................................................... 68
3.1.5.4 Análoga de entrada .............................................................................. 69

3.1.5.5 Análoga de salida................................................................................. 69
3.1.5.6 Digital de entrada ................................................................................. 70
3.1.5.7 Digital de salida .................................................................................... 70
3.1.5.8 Tarjeta de comunicaciones................................................................... 70
3.1.6 Estación HMI........................................................................................... 71
3.1.7 SWITCH .................................................................................................. 71
3.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES: SOFTWARE .................................. 73
3.2.1 Instalación de programas ........................................................................ 73
3.2.1.1 Instalación RSLinx Classic 2.50.00.20 ................................................. 73
3.2.1.2 Instalación RSLogix 5000..................................................................... 74
3.2.1.3 Instalación RSView Supervisory Edition............................................... 74
3.2.1.4 Instalación RSLinx Enterprise .............................................................. 74
3.2.2 Activación del software instalado ............................................................ 74
3.2.3 Entablando comunicación ....................................................................... 74
3.2.3.1 Comunicación PC con PLC sobre RS232 ............................................ 75
3.2.3.2 Comunicación PC con PLC sobre Ethernet.......................................... 78
3.2.4 Agregando módulos I/O........................................................................... 80
3.2.4.1 Módulo análogo de salida..................................................................... 80
3.2.4.2 Módulo análogo de entrada.................................................................. 80
3.2.4.3 Módulo digital de salida........................................................................ 81
3.2.4.4 Módulo digital de entrada ..................................................................... 81
3.2.5 RSView: Construcción HMI ..................................................................... 81
3.2.6 Código LADDER ..................................................................................... 88
3.2.6.1 MainRutine ........................................................................................... 91
3.2.6.2 Rutina: POZOS_INYEC........................................................................ 92
3.2.6.3 Rutina: POZOS_PRODUC................................................................... 93
3.2.6.4 Rutina: SD............................................................................................ 94
3.2.6.5 Rutina: SURGE .................................................................................... 94
3.2.6.6 Rutina: IO ............................................................................................. 96
3.2.6.7 Rutina: VARIABLES ............................................................................. 98
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS...................................................................... 99
4.1 PRUEBA 1: LÍNEA DE CONTROL DE SURGE ......................................... 99
4.2 PRUEBA 2: LÍNEA DE RECYCLE TRIP ................................................... 106
4.3 PRUEBA 3: LÍNEA DE SAFETY ON ......................................................... 114
5.CONCLUSIONES......................................................................................... 123
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 126
ANEXOS ......................................................................................................... 130

LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Configuración del Cabezal MP ........................................................... 25
Tabla 2. Resumen de mapas de Operación del compresor. ............................ 33
Tabla 3. Resumen Cálculos para la medición de flujo...................................... 44
Tabla 4. Resumen de mapas de Operación del compresor. ............................ 48
Tabla 5. Resumen Cálculos para la selección de la FV-2600 .......................... 54
Tabla 6. Tag de Instrumentos y Controlador AS .............................................. 67
Tabla 7. Características Chasis 1756............................................................... 68
Tabla 8. Características Fuente 1756 .............................................................. 68
Tabla 9. Características Control Logix 5555 .................................................... 68
Tabla 10. Características Módulo análogo de Entrada 1756-IF6I .................... 69
Tabla 11. Características Módulo análogo de salida 1756-OF6CI ................... 69
Tabla 12. Características Módulo Digital de Entrada 1756-IB16I..................... 70
Tabla 13. Características Módulo Digital de Salida 1756-OB16I...................... 70
Tabla 14. Características Módulo de Comunicaciones 1756-ENBT................. 70
Tabla 15. Requerimientos estación HMI .......................................................... 71
Tabla 16. Código de Colores............................................................................ 82
Tabla 17. Listado de TAG ................................................................................ 89
Tabla 18. Parámetros de inicio de simulación.................................................. 99
Tabla 19. Datos reportados de simulación de Control de Surge ..................... 100
Tabla 20. Datos reportados de simulación de Recycle Trip ............................ 107
Tabla 21. Datos reportados de simulación de Safety On ................................ 115

LISTA DE IMÁGENES
Pág.
Imagen 1. Modelo matemático de un yacimiento sometido a invasión............. 20
Imagen 2. Empuje por inyección de gas. ......................................................... 21
Imagen 3. Ciclo de producción CPF Cusiana................................................... 22
Imagen 4. Distribución de trenes de inyección CPF Cusiana........................... 23
Imagen 5. Compresor de un solo cuerpo ......................................................... 26
Imagen 6. Impulsor Centrifugo ......................................................................... 26
Imagen 7. Mapa de Operación......................................................................... 27
Imagen 8. Curvas de Desempeño.................................................................... 27
Imagen 9. Límites de desempeño .................................................................... 28
Imagen 10. Variaciones de flujo ....................................................................... 29
Imagen 11. Variaciones de presión.................................................................. 29
Imagen 12. Aumento de temperatura interna del compresor ........................... 29
Imagen 13. Estado de impulsor después de un SURGE................................. 30
Imagen 14. Esquema de distribución de instrumentos para detección de SURGE
. ....................................................................................................................... 30
Imagen 15. Controlador ANTI-SURGE Series 3.............................................. 55
Imagen 16. Panel Frontal del Controlador ANTI-SURGE Series 3................... 56
Imagen 17. Panel de Ingeniería del Controlador ANTI-SURGE Series 3........ 57
Imagen 18. Puertos traseros del Controlador ANTI-SURGE Series 3............. 58
Imagen 19. Línea límite de SURGE. ................................................................ 59
Imagen 20. Línea de Control de SURGE ......................................................... 62
Imagen 21. Línea de Recycle Trip.................................................................... 63
Imagen 22. Respuesta Recycle Trip ................................................................ 64
Imagen 23. Línea Safety On............................................................................. 65
Imagen 24. Bloque de funciones del controlador C.C.C................................... 66
Imagen 25. Switch D-Link ................................................................................ 72
Imagen 26. Esquema final del laboratorio ........................................................ 73
Imagen 27. Iniciar RSLinx Classic.................................................................... 75
Imagen 28. Icono RSLinx Classic..................................................................... 75
Imagen 29. Principal RSLinx Classic................................................................ 76
Imagen 30. RSLinx Classic: Configurar módulo RS232 paso 1 ....................... 76
Imagen 35. RSLogix 5000: módulo Ethernet Paso 1........................................ 79

Imagen 38. HMI Compresor ON....................................................................... 83
Imagen 39. HMI Compresor OFF..................................................................... 84
Imagen 40. HMI Pozos Productores................................................................. 85
Imagen 41. HMI Pozos Inyectores ................................................................... 85
Imagen 42. HMI SURGE .................................................................................. 86
Imagen 43. HMI Clamp .................................................................................... 86
Imagen 44. HMI Punto Operativo..................................................................... 87
Imagen 45. HMI Graficas ................................................................................. 87
Imagen 46. HMI................................................................................................ 88
Imagen 47. Porcentaje vs Tiempo.................................................................... 95
Imagen 48. Linealización de Señales............................................................... 98
Imagen 49. Datos de prueba de LCS............................................................... 99
Imagen 50. Variación del porcentaje de incremento para LCS ....................... 101
Imagen 51. Variación de presión en la descarga para LCS ............................ 101
Imagen 52. Variación de temperatura en la descarga para LCS..................... 102
Imagen 53. Variación de flujo en a través del compresor en LCS................... 103
Imagen 54. Apertura de la válvula de reciclo en LCS...................................... 103
Imagen 55. Movimiento de la válvula de reciclo para LCS.............................. 104
Imagen 56. Variación de presión en la succión para LCS............................... 105
Imagen 57. Movimiento del P.O. para la LCS ................................................. 105
Imagen 58. Datos de prueba de LRT .............................................................. 106
Imagen 59. Variación del porcentaje de incremento para LRT ....................... 108
Imagen 60. Variación de presión en la descarga para LRT ............................ 109
Imagen 61. Variación de temperatura en la descarga para LRT..................... 110
Imagen 62. Variación de flujo en a través del compresor en LRT................... 110
Imagen 63. Apertura de la válvula de reciclo en LRT...................................... 111
Imagen 64. Movimiento de la válvula de reciclo para LRT .............................. 112
Imagen 65. Variación de presión en la succión para LRT............................... 113
Imagen 66. Movimiento del P.O. para la LRT.................................................. 114
Imagen 67. Datos de prueba de LSO.............................................................. 115
Imagen 68. Variación del porcentaje de incremento para LSO ....................... 117
Imagen 69. Variación de presión en la descarga para LSO ............................ 117
Imagen 70. Variación de temperatura en la descarga para LSO .................... 118
Imagen 71. Errores de control, en válvula de reciclo....................................... 119
Imagen 72. Variación de flujo en a través del compresor en LSO................... 119
Imagen 73. Movimiento de la válvula de reciclo para LSO.............................. 120
Imagen 74. Variación de presión en la succión para LSO............................... 121
Imagen 75. Movimiento del P.O. para la LSO ................................................. 122

LISTA DE DIAGRAMAS DE FLUJO
pág.
Diagrama de Flujo 1. Main Rutine.................................................................... 92
Diagrama de Flujo 2. POZOS_INY................................................................... 93
Diagrama de Flujo 3.POZOS_PRODUC .......................................................... 93
Diagrama de Flujo 4. SD .................................................................................. 94
Diagrama de Flujo 5. SURGE .......................................................................... 96

LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Análisis del gas................................................................................ 130
Anexo B. Especificaciones compresor NOUVO PIGNONE............................ 131
Anexo C. Montaje compresor NOUVO PIGNONE ......................................... 132
Anexo D. Mapa de Operación temperatura ambiente 95 ºF........................... 133
Anexo E. Mapa de Operación temperatura ambiente 70 ºF, punto A............. 136
Anexo F. Mapa de Operación temperatura ambiente 95 ºF, punto B............. 139
Anexo G. Mapa de Operación mínimo M.W., punto C ................................... 142
Anexo H. Mapa de Operación temperatura ambiente 54 ºF, punto D ............ 145
Anexo I. Datasheet plato de orificio................................................................ 148
Anexo J. Datasheet válvula ANTI-SURGE..................................................... 149
Anexo K. Curva característica válvula ANTI-SURGE..................................... 150
Anexo L. Esquema válvula ANTI-SURGE....................................................... 151
Anexo M. Diagrama de lazos de conexión entre PLC y controlador ANTI-SURGE
C.C.C. ............................................................................................................. 152
Anexo N. Diagrama de lazos de conexión entre módulo 2 análogo de salida del
PLC y controlador ANTI-SURGE C.C.C.......................................................... 153
Anexo O. Diagrama de lazos de conexión entre módulo 8 análogo de salida del
Anexo P. Diagrama de lazos de conexión entre módulo 1 análogo de entrada del
Anexo Q. Diagrama de lazos de conexión entre módulo 4 digital de salida del PLC
y controlador ANTI-SURGE C.C.C.................................................................. 156
Anexo R. Diagrama de comunicación entre COMMAND y controlador ANTI-
SURGE ........................................................................................................... 157
Anexo S. Diagrama de lazo de comunicación entre HMI y PLC Logix5555 ... 158
Anexo T. Diagrama de conexionado eléctrico de los dispositivos.................. 159
Anexo U. Diagrama de flujo VARIABLES........................................................ 160
Anexo V. Ladder Mainrutine............................................................................ 161
Anexo W. Ladder POZOS_INYEC .................................................................. 163
Anexo X. Ladder POZOS_PRODUC............................................................... 166
Anexo Y. Ladder SD........................................................................................ 169
Anexo Z. Ladder SURGE ................................................................................ 170
Anexo AA. Ladder IO ...................................................................................... 172
Anexo BB. Ladder VARIABLES ...................................................................... 176

GLOSARIO
C.C.C. Sigla de Compressor Controls Corporation.
SURGE1
Se define como las auto-oscilaciones de la presión y el flujo, que
frecuentemente incluyen una reversión de flujo.
VÁLVULA DE RECICLO2
Cuando se abre disminuye la resistencia sentida por el
compresor al momento de ocurrir un SURGE.
COMPRESOR3
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para
aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal
como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de
energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor
es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo,
aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
CPF continuos production facilities (instalación de producción continua)
HSE sigla de health - safety - environment (salud – seguridad - medio ambiente)
LP low pressure (baja presión)
MP medium pressure (media presión)
HP high pressure (alta presión)
ACFM actual cubic feet per minute (pies cúbicos reales por minuto)
SCFM standar cubic feet per minute (Pies cúbicos estándar por minuto)
MMSCFD Siglas de million standard cubic feet per day (millones de pies cúbicos
estándar por día)
AS siglas de ANTI-SURGE
1
COMPRESSOR CONTROL CORPORATION. Manual de entrenamiento Serie 3 Plus Controlador Antisurge. Operaciones.
Módulo 1, 1999. P. 8.
2
Ibid., p. 12.
3
Ibid., p. 2.

CONDENSADOS4
Hidrocarburo que se mantiene en estado gaseoso en las
condiciones de su depósito natural pero por las altas presiones se licua en las
condiciones superficiales normales. En otros países se lo conoce como líquido del
gas natural.
INMISCIBLE5
Dícese de las sustancias que no pueden mezclarse entre sí, como
el aceite y el vinagre.
VIRTUALIZACIÓN6
En informática, virtualización se refiere a la abstracción de los
recursos de una computadora, llamada Hypervisor o VMM (Virtual Machine
Monitor) que crea una capa de abstracción entre el hardware de la máquina física
(host) y el sistema operativo de la máquina virtual (virtual machine, guest), siendo
un medio para crear una versión virtual de un dispositivo o recurso, como un
servidor, un dispositivo de almacenamiento, una red o incluso un sistema
operativo, donde se divide el recurso en uno o más entornos de ejecución.
DCS7
Siglas de Distributed Control System (Sistema de control distributivo)
COMMAND Es UN SOFTWARE, que integra una colección de sistema de
monitoreo y visualización de información de compresores conectados a un
controlador ANTI-SURGE.
OPC8
Sigla de Open Connectivity (Conectividad Abierta), es un estándar de la
industria, que permite la conexión entre diferentes equipos.
RECIRCULACION9
Es la acción de forzar el reingreso del fluido, inmediatamente
de la descarga del aparato a la succión del mismo.
4
Definición tomada de: http://www.elchenque.com.ar/eco/petro/glosdefi.htm
5
Definición tomada de: http://www.acanomas.com/Diccionario-Espanol/97840/INMISCIBLE.htm
6
Definición tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/Virtualizaci%C3%B3n
7
Definición tomada de: http://es.wikipedia.org/wiki/DCS
8
Definición tomada de: http://www.opcfoundation.org/Default.aspx/01_about/01_whatis.asp?MID=AboutOPC
9
Definición tomada de: http://www.mailxmail.com/curso-ciclones/recirculacion-gas

15
0. INTRODUCCIÓN
La necesidad de formar personal instrumentista para laborar en las facilidades del
CPF de Cusiana en el mantenimiento y reparación del control de los trenes de
reinyección de gas para la extracción de crudo, hace posible la implementación,
desarrollo y montaje de un laboratorio de simulación de condiciones y prueba de
componentes eléctricos y electrónicos propios de la operación. Así como también
la simulación de situaciones de operación normal y/o críticas que conlleva inyectar
gas a altas presiones a un pozo petrolero a cientos de metros bajo la superficie.
Las facilidades del CPF de Cusiana son propiedad de PB Colombia, y se
encuentran ubicadas en el departamento de Casanare, municipio de Tauramena a
un costado del rio Cusiana. Estas facilidades llevan extrayendo crudo desde el
interior de la tierra por más de 10 años, permitiendo el avance del progreso de la
región del Casanare, del país y sobretodo de la comunidad.
Los métodos de extracción de petróleo han venido mejorando día tras día, y la
experiencia de otros ha permitido obtener procesos y procedimientos muy seguros
de explotación, tanto para el medio ambiente así como para las personas. Son
más de 10 años produciendo petróleo y gas en cantidades considerables, tiempo
suficiente para garantizar y demostrar que el control realizado sobre los equipos
de inyección de gas es el adecuado y que su mantenimiento debe ser exigente en
todos los aspectos.
El personal instrumentista de Wood Group Colombia S.A. es el encargado de
realizar el mantenimiento al control ANTI-SURGE C.C.C. de los trenes de
inyección de gas, sobra decir que las competencias del personal deben ser de las
mejores, y que el continuo entrenamiento hace que sus labores sean seguras al
igual que la operación.
La seguridad, término común usado en la industria petrolera, hace necesaria la
implementación de un laboratorio de simulación del control que se lleva a cabo en
los trenes de inyección del CPF de Cusiana, donde todos los operarios,
instrumentistas y personal interesado, pueda tener la oportunidad de conocer más
a fondo el funcionamiento del control ANTI-SURGE C.C.C.

16
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
La Compañía C.C.C. (Compressor Controls Corporation) y su producto Serie 3
Plus, herramienta usada para el control operativo de compresores de inyección de
gas, control de ANTI-SURGE, control de rendimiento entre otros, ha venido
desarrollando complementos y sistemas que han demostrado ser uno de los
mejores del mercado, por su excelente desempeño operativo, estabilidad y
robustez. La Serie 3 Plus, usada en muchos generadores, compresores de
inyección es un sistema de recirculación de flujo que evita el rompimiento de las
partes como impulsores o hasta evitar el rompimiento del mismo motor.
Para efectuar la recirculación, es necesaria la toma de datos de diferentes
dispositivos (sensores de temperatura, sensores de flujo, sensores de presión)
ubicados antes de la entrada al compresor, así como al momento de la descarga
del compresor; los datos son procesados por un computador central el cual analiza
el punto de operación actual del compresor, compara con valores de vibración y
por medio de un algoritmo matemático determina el control a realizar en la válvula
de reciclo, desviando así en flujo inverso hacia un acumulador que luego descarga
su contenido en el compresor para ser re-inyectado nuevamente al proceso.
KMO TURBO, compañía alemana especializada en el control ANTI-SURGE,
propone integrar varios sistemas de diferentes compañías mundiales con el
objetivo de realizar un mejor control del SURGE de los compresores; plantean
integrar sistemas de control de SIEMENS con un supervisorio propio de KMO
TURBO, el cual permite un mejor manejo de la información recolectada de los
instrumentos de medición distribuidos alrededor del proceso, calcular en qué
momento se produce un SURGE y efectuar así el control en una válvula que ellos
llaman, blow-off valve10
. Lo nuevo de este sistema es que puede ser aplicable para
el trabajo con fluidos no contaminantes ya que el SURGE es desviado del
compresor y expulsado al ambiente.
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La industria petrolera maneja estándares de calidad y confiabilidad en todos sus
procesos ya sean de producción o mantenimiento de los equipos. El
mantenimiento preventivo o correctivo de los equipo presentes en el CPF de
Cusiana, involucra habilidades de los distintos frentes de trabajo, habilidades que
permitan garantizar el buen funcionamiento de las herramientas de extracción y
procesamiento de hidrocarburos, de eso depende que muchas de las posible fallas
se eviten, como las más comunes, errores humanos, mantenimientos deficientes o
10
Anti-Surge Control and Surge Protector [online]. Catalogo. Germany, Friedrichshafen. http://www.kmo-
turbo.de/downloads/05_en_antisurge_e_03_A4.pdf

17
mal documentados, procedimientos desactualizados o inexistentes y sobretodo
personal no calificado y/o inexperto.
El manejo en la predicción y prevención de los accidentes es un factor que se
monitorea, día a día por el personal de HSE de Cusiana y la industria en general.
Los accidentes registrados hasta el momento en el mantenimiento a los trenes de
reinyección de gas van desde paradas de emergencia por los deficientes
procedimientos existentes, hasta heridas en brazos y manos de instrumentistas en
el accionamiento de válvulas que se creían habían sido aisladas con seguridad,
muchas veces por el desconocimiento del sistema en el que trabajan.
La estrategia utilizada hasta el momento del “Pare, piense y actúe” ha mejorado
las estadísticas en la prevención de accidentes, sin embargo las continuas
mejoras que se llevan a cabo en la modernización de los equipos o estrategias de
control en Fase II, reinyección de gas. Hacen que la mayoría de los conocimientos
adquiridos por los instrumentistas, ingenieros y supervisores de compresores,
flaquee en momentos críticos y se dé cabida a muchos de los errores o accidentes
antes mencionados.
Analizando cada una de las deficiencias mencionadas y obedeciendo a la
necesidad de preservar la calidad de vida y de mejorar el nivel de competitividad
del personal técnico de Wood Group Colombia S.A., surge la pregunta ¿Cuáles
deberían ser los requisitos técnicos y funcionales de un laboratorio de simulación y
control, donde se puedan evaluar los diferentes procedimientos de mantenimiento
y capacitar a los instrumentistas en sus labores cotidianas en el CPF de Cusiana?
1.3 JUSTIFICACIÓN
La importancia de la presente propuesta radica en el valor ingenieril que tiene para
los interesados a quienes se les desarrollará el laboratorio, Wood Group Colombia
S.A. es la empresa encargada de ejecutar el mantenimiento a los equipos de
extracción, control, reinyección y monitoreo en los campos petroleros de BP
Colombia en Cusiana Casanare. Un buen mantenimiento se da cuando los
equipos intervenidos funcionan continuamente en el tiempo, bajo los parámetros
normales de operación; ello depende de que el personal que realiza el
mantenimiento tenga las capacidades y conocimiento sobre el tema y que maneje
la lógica del proceso, por ende se requiere en la facilidad de un espacio y
elementos que estén fuera de la línea de proceso que “simulen” los
comportamientos del control C.C.C. sobre las válvulas ANTI-SURGE en las líneas
de reinyección.
El óptimo estado de las partes almacenas en bodegas garantiza que en momentos
de crisis o paradas de emergencia del proceso, estas sirvan sin ningún problema y
que puedan ser cambiadas si es que alguna falla. En la actualidad no se cuenta
con ningún tipo de módulo ni de banco de pruebas para el chequeo del hardware

18
lo que genera incertidumbre en momentos críticos; de acuerdo a lo anterior
SURGE la necesidad de instalar un sistema o sistemas donde puedan ser
probados con detalle los componentes eléctricos necesarios para el
funcionamiento del control C.C.C.
1.4OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo General Planear, Desarrollar y Montar un laboratorio de
simulación del proceso de control de ANTI-SURGE que sirva de entrenamiento a
instrumentistas y para la prueba de componentes electrónicos de los controladores
C.C.C. en los trenes de reinyección de gas del CPF de Cusiana.
1.4.2 Objetivos Específicos
Identificar los componentes involucrados en el control ANTI-SURGE.
Comunicar un PC con un PLC para simular las temperaturas, presiones y flujos
propios de la turbina MP1.
Elegir e implementar la estructura de cableado según los estándares de C.C.C. y
Allen Bradley.
Programar rutinas de operación de reinyección de gas en el PLC.
Programar el controlador ANTI-SURGE seleccionado, con la configuración de
protección del compresor MP1.
Desarrollar siete rutinas LADDER correspondientes a: VARIABLES, IO, MAIN
RUTINE, POZOS INYECTORES, POZOS PRODUCTORES, SD (Shut Down) y
SURGE. Para ser programados en el PLC.
Programar en el PLC una rutina que asemeje las características de SURGE.
Desarrollar los diferentes display de la HMI basado en los estándares industriales
ANSI – ISA.

19
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO LEGAL O NORMATIVO
La legislación colombiana y en representación el Ministerio de Ambiente en su
facultad de ente regulador y en el decreto 2811 de 18 de diciembre de 1974
dispone en el Artículo 111
, “El ambiente es patrimonio común. El Estado y los
particulares deben participar en su preservación y manejo, que son de utilidad
pública e interés social.” Así mismo en el artículo 8, Se consideran factores que
deterioran el ambiente entre otros: La contaminación del aire, de las aguas, del
suelo y de los demás recursos naturales renovables.
En los asuntos involucrados con la explotación minera contempla en la ley 6 de
1979 en los artículos 41 al 4912
, donde se habla de las emisiones de gases a la
atmosfera, producto de la explotación minera o de los residuos de procesos,
deben estar regulados por el estado y deben cumplir ciertos parámetros de normal
operación para su continuo funcionamiento, no solo por el riesgo que residuos
emanamos a la atmosfera sean perjudiciales para la fauna y flora de la región sino
para la vida misma de las personas deteriorando así la calidad de vida.
En las políticas de comportamiento ético de Wood Group Colombia S.A.13
el
manejo de la información que cita el documento interno B-RH1-GE-001, dice: La
información confidencial o privilegiada incluye toda la información que es de
importancia para el manejo de los negocios, es de naturaleza sensitiva o tiene
valor inherente, o cuya revelación o mal uso puede causar daño a la Compañía, a
sus accionistas, empleados, clientes o a otras personas con las cuales WOOD
GROUP COLOMBIA S.A. tenga relaciones. Los empleados reconocen que parte
esencial de los documentos y los datos que se mantienen y se procesan dentro de
la Compañía están dentro de esta categoría. Es importante que se disponga de un
ambiente de seguridad para toda esta información confidencial.
WOOD GROUP COLOMBIA S.A. tiene la propiedad intelectual de dicha
información y esta no debe ser divulgada o puesta a disposición en ninguna forma
y/o para ningún fin sin la autorización expresa de la Gerencia. Además, ninguna
otra información que los empleados tengan en su poder debe ser divulgada en
forma verbal o escrita a nadie fuera sin la autorización debida. Cualquier intento
por personas no autorizadas para obtener información confidencial debe ser
reportado con prontitud.
11
REPUBLICA DE COLOMBIA, Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente.
Bogotá, 18 de diciembre de 1974. http://web.minambiente.gov.co/biogeo/menu/legislacion/legisnacional/d2811_74.htm
12
REPUBLICA DE COLOMBIA, Medidas Sanitarias para la protección del Medio Ambiente. Bogotá., 24 de enero de 1979.
Documento LY000979.rtf, http://www.minambiente.gov.co/descarga/descarga.aspx
13
WOOD GROUP COLOMBIA S.A., Políticas de Comportamiento Ético de Wood Group Colombia S.A. Bogotá, 13 de Junio
de 2007.
https://www.woodgroup.com.co/Isolucion/FramesetArticulo.asp?Pagina=bancoconocimiento%2FP%2FPOLITICADECOMPO
RTAMIENTOETICOWG%5Fv1%2FPOLITICADECOMPORTAMIENTOETICOWG%5Fv1%2Easp&IdArticulo=53862

20
2.2 MARCO TEÓRICO - CONCEPTUAL
La inyección de gas en yacimientos petrolíferos ha sido una técnica empleada
desde finales del siglo XIX con propósitos de recuperación secundaria. La idea de
usar gas para mejorar la producción de petróleo fue propuesta por Dinsmoor en
1864, quien más tarde, en 1891 inyectó gas proveniente de una región cercana y
así duplicar la tasa de producción en un pozo petrolero.
El objetivo principal de la inyección de gas es mantener la presión a cierto valor o
suplementar la energía natural del yacimiento. El primer caso se conoce como
mantenimiento total de presión y el segundo, como mantenimiento parcial. Ambos
dan lugar a un incremento de recobro de petróleo, a una mejora en los procesos
de producción y a la conservación del gas.
La inyección de gas en un yacimiento de petróleo se realiza bien sea dentro de
una capa de gas existente, o directamente, dentro de la zona de petróleo. Cuando
existe una capa de gas originalmente en el yacimiento o se ha ido formando una
por segregación durante la etapa de producción primaria, el gas inyectado ayuda a
mantener la presión y hace que el gas de la capa entre en la zona de petróleo y lo
empuje hacia los pozos productores.
El gas inyectado es generalmente, un hidrocarburo. Se ha intentado inyectar aire,
pero tiene varias desventajas: Corrosión en los pozos y gasoductos, oxidación del
petróleo y riesgos de explosión, entre otros.
La aproximación de un sistema lineal a la teoría de avance frontal, provee un
modelo exacto para el caso de inyección en la capa de gas. Este modelo es
aplicable a un proceso inmiscible donde el desplazamiento está ocurriendo en un
sistema homogéneo lineal de espesor neto constante semejante al de la figura.
Imagen 1. Modelo matemático de un yacimiento sometido a invasión.
Fuente: PARIS, Magdalena. Inyección de agua y gas en yacimientos petrolíferos.
Pág. 169.

21
La selección del método de inyección depende de distintos factores, los cuales
varían dependiendo el terreno del yacimiento, la composición del suelo, la
distribución de los elementos presentes en el yacimiento y la geometría misma, al
igual que la ubicación física de los pozos productores e inyectores.
El principio básico de la extracción de petróleo usando gas, obedece a la
diferencia de presión que se logra comprimiendo el fluido, e inyectándolo por
abertura que conduzca a la capa de gas del yacimiento, y que por otra abertura
este diferencial de presión movilice la masa de petróleo al exterior, como se
aprecia en la imagen.
Imagen 2. Empuje por inyección de gas.
Fuente: Ibíd.
La extracción de petróleo en el CPF de Cusiana se realiza inyectando gas natural
con una composición de elementos que se detalla en el Anexo A “GAS
ANALYSIS” y consta de la elevación de presión en tres etapas; la Primera es la
etapa de “Baja Presión LP” que la componen 3 compresores los cuales elevan
sustancialmente la presión de gas proveniente de los pozos productores. La
segunda etapa de “Media Presión MP”, incrementa aun más la presión que
entrega la etapa LP para luego ser inyectada en un cabezal común del cual la
tercera etapa “Alta Presión HP” toma el gas y eleva la presión nuevamente para
ser transportado por las líneas de tuberías a los distintos pozos productores de
petróleo.

22
Imagen 3. Ciclo de producción CPF Cusiana
Fuente: Proyecto Cusiana 1999.
El proceso se realiza cíclicamente, del cual se obtiene como resultado barro,
petróleo, agua y gas. Este último es procesado con el fin de extraer diferentes
compuestos llamados condensados y garantizar condiciones químicas del gas
acordes con los parámetros de operación de los compresores, para nuevamente
ser inyectado a los 24 posos ubicados a 17 Km a la redonda de las instalaciones
del CPF y el proceso comienza una vez más.

23
Imagen 4. Distribución de trenes de inyección CPF Cusiana
Fuente: Facilities piping & instrument diagram MP reinjection gas compressors –
series 100. 1994.
En la etapa de media presión MP, operan en paralelo 3 compresores o trenes y se
localizan en las facilidades de explotación de BP en Cusiana Colombia en la
ampliación llamada “Phase II” (Fase II). Cada compresor es operado por una
turbina individual de velocidad variable14
, un controlador ANTI-SURGE y un
controlador común de desempeño.
Este control ha hecho que los procesos de reinyección en la facilidad de Cusiana
hayan arrojado buenos resultados ya que se ha garantizado la operación continua
por más de 10 años, los buenos resultados se ven reflejados por la estabilidad
operativa de las turbinas, la eliminación casi por completo de las paradas criticas o
de emergencia, la inyección constante de gas a los pozos productores de petróleo.
2.3 ALCANCES Y LIMITACIONES
Alcances:
El presente proyecto pretende hacer entrega a la empresa Wood Group Colombia
S.A., de un laboratorio de simulación del control ANTI-SURGE realizado en los
trenes de reinyección de gas de fase 2. Control que en la actualidad efectúan los
equipos fabricados por Compressor Controls Corporation y su producto SERIE 3
PLUS (S3+).
14
COMPRESSOR CONTROL SYSTEM DESCRIPTION. CCC Project #64914. Paper. March 1996. P. 1.

24
El laboratorio comprende la selección, instalación, cableado y programación de la
secuencia de arranque del compresor MP1 y de los diferentes transmisores en un
PLC manufacturado por Allen Bradley de la familia Logix5000.
La interfaz HMI contará con display que se asemejen a los usados en cuarto de
control del CPF Cusiana: display para pozos productores e inyectores, pantalla
con la ubicación de los diferentes elementos relevantes en el control en la
operación, graficas de tendencias y mapa de operación del compresor.
Las actuales condiciones de operación y funcionamiento del laboratorio, son
susceptibles al mejoramiento y crecimiento constante y se sujetan a los
requerimientos y políticas de Wood Group Colombia S.A.
El laboratorio de simulación, podrá ser utilizado por cualquier tipo de persona que
labore en el departamento técnico de Wood Group Colombia S.A. sin importar su
perfil profesional.
Limitaciones:
La programación de la secuencia de arranque y comportamiento de los diferentes
transmisores del compresor fue desarrollada y programada en el PLC en lenguaje
LADDER, las restricciones de la licencia del software así lo ameritaban.
El uso del software supervisorio RSView y no de otra plataforma de control,
obedeció a la sugerencia hecha por los ingenieros de control de Wood Group
Colombia S.A. quienes manifestaron que esta elección posibilitaba el
mejoramiento del laboratorio en un futuro cercano.
La criticidad y confidencialidad de los equipos utilizados en el CPF Cusiana, hace
que no sea posible el traslado de los mismos, a cualquier otro lugar.
El suministro de un controlador ANTI-SURGE con parámetros de protección del
compresor MP1, por parte de los ingenieros de control de Wood Group Colombia
S.A. hace que la programación en el PLC se ajuste a las características de
operación de este compresor y que por ende la simulación solo aplique al tren de
inyección MP1.
La carencia de un histórico donde se registre el comportamiento del compresor
cuando este es sometido a SURGE, evidencio la relación estrecha del simulador
con las referencias teóricas suministradas por el fabricante y no poder contrastar
los resultados obtenidos con una base real.

25
3. DESARROLLO INGENIERIL
Consideraciones y parámetros iníciales del proyecto
El sistema de control anti SURGE que ha venido funcionando en el CPF de
Cusiana cuenta con parámetros establecidos de operación los cuales son base en
el desarrollo de este trabajo de grado, parámetros como:
• Configuración de Cableado de transmisores en el controlador ANTI-SURGE
de C.C.C.
• Configuración de parámetros de ganancia en el PID cargado en el
controlador ANTI-SURGE de C.C.C.
• Valores de flujo, temperatura y presión en el cabezal de succión y
descarga del tren MP. Ver tabla 1.
Tabla 1. Configuración del Cabezal MP
MP
Flujo (MMSCFD) 350
Presión (PSI)
Succión 460
Descarga 1650
Temperatura (°F)
Succión 80
Descarga 280
Fuente: Set-Point consultados en cuarto de control CPF Cusiana
Todo lo mencionado anteriormente servirá de base en el desarrollo del programa
de simulación, visualización y en el posterior montaje del laboratorio.
3.1 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS: HARDWARE
3.1.1 Compresor Los compresores utilizados en la etapa MP son
manufacturados por Nuovo Pignone de modelo BCL 506/A cuyas características
se detallan en el anexo 2 y se ubica delante de la caja diferencial, el anexo B
especifica con más claridad de manera informativa la ubicación del compresor.
El modelo BCL 506/A es un compresor centrifugo, este tipo de compresores es
usado en aplicaciones que requieren una alta relación de compresión en
combinación con una menor cantidad de flujo. Como características particulares
de este tipo de compresores se tiene:
• Su uso es muy difundido y tiene muchas aplicaciones
• El gas es acelerado hacia afuera por el impulsor

26
• Se construyen para operar a presiones tan bajas como 5 PSI y tan altas
como 8000 PSI
• Su potencia varía desde los 300 HP hasta los 50000 HP
Imagen 5. Compresor de un solo cuerpo
Fuente: Manual de entrenamiento del controlador ANTI-SURGE -
S3OP_AS_Intro1
Imagen 6. Impulsor Centrifugo
Fuente: Ibíd.
3.1.1.1 Mapa de operación Los mapas de operación son suministrados por
los fabricantes de los compresores y contienen información referente al los rangos
de operación del compresor a las condiciones del fluido seleccionado, temperatura
de operación entre otros. (Ver imagen 7).
3.1.1.2 Punto operativo Es la relación que se genera a partir de las
variaciones de operación del compresor, por lo general relaciona la presión de
descarga contra el flujo que maneja el compresor. El punto operativo se ubica en

27
el mapa de operación. Toda variación que exista en el proceso se ve reflejada con
el cambio del punto operativo del compresor. (Ver imagen 7).
3.1.1.3 Curvas de desempeño Cuando un compresor opera a velocidad
variable (tiene álabes guía de entrada o estrangulación de succión), el Mapa del
Compresor contiene varias Curvas de Desempeño. Cuando se varía la velocidad o
la abertura de la válvula, el Punto Operativo se moverá de una Curva de
Desempeño a otra, creando un grado más de libertad en el Mapa del Compresor.
El movimiento del Punto operativo de una Curva de Desempeño a otra está en
relación con la resistencia experimentada por el compresor; resultando así una
Curva de Resistencia. (Ver imagen 8).
Imagen 7. Mapa de Operación
Fuente: Manual de entrenamiento del controlador Antisurge - S3OP_AS_Intro1
Imagen 8. Curvas de Desempeño
Fuente: Ibíd.

28
3.1.1.4 Límites de desempeño Los límites de desempeño son restricciones
que se tienen en el compresor debido a factores como límites del proceso o
velocidad mínima.
Imagen 9. Límites de desempeño
Como factores límites se tienen:
• Límite mínimo de velocidad o de apertura del estrangulador o álabe guía.
• Límite máximo de velocidad o de apertura del estrangulador o álabe guía.
• Límite máximo de proceso o de presión de descarga (tubería).
• Límite máximo de carga (potencia/corriente del motor, presión del vapor).
• Límite de obturación (stonewall).
• Límite de SURGE.
3.1.1.5 SURGE El SURGE es una condición de operación a la que están
expuestos la mayoría de compresores y consiste en “auto oscilaciones de la
presión y el flujo, que frecuentemente incluyen una reversión de flujo”, el SURGE
se caracteriza por:
• El flujo invierte su dirección en 20 a 50 milisegundos. (Ver imagen 6).
• Los ciclos de SURGE se producen a razón de 0.3 a 3 segundos por ciclo.
• El compresor vibra.
• Incrementos bruscos de presión. (Ver imagen 7).
• La temperatura aumenta. (Ver imagen 8).
• Se producen ruidos molestosos en el compresor.

29
• Pueden ocurrir disparos del compresor.
Imagen 10. Variaciones de flujo
Imagen 11. Variaciones de presión
Fuente: Ibíd.
Imagen 12. Aumento de temperatura interna del compresor
Fuente: Ibíd.
Como consecuencia se tienen:
• Flujo y presión inestables
• Deterioro continuo, con severidad creciente en los sellos, cojinetes,
impulsores (Ver imagen 9), eje, etc.
• Aumento de la tolerancia en los sellos, ocasionando fugas.
• Disminuye la eficiencia en el consumo de energía.
• Reduce la vida útil del compresor.

30
Imagen 13. Estado de impulsor después de un SURGE
Los estándares en la industria han determinado que para una correcta detección
de SURGE, basta con el monitoreo de las condiciones del fluido en la succión y en
la descarga (temperatura, presión, flujo) del compresor así como también la
velocidad de este, las vibraciones y el sonido producido15
.
Imagen 14. Esquema de distribución de instrumentos para detección de SURGE
Fuente: Ibíd.
15
Compressors Handbook. Paul C. Hanlon. McGRAW-HILL. 2001. Pag. 4.44

31
3.1.2 Instrumentos de medición El buen control ANTI-SURGE se puede lograr
si los instrumentos ofrecen exactitud en la medición, los tiempos de respuesta son
acordes a los requerimientos de operación y sobretodo que el acondicionamiento
de las señales de salida sea el mejor.
El correcto cálculo de los dispositivos de medición se debe realizar para los
valores máximos de operación del compresor, además se debe tener en cuenta
que el valor de la señal de los transmisores para un mínimo operativo del
compresor no debe ser inferior al 10% del rango de señal del transmisor.
3.1.2.1 Dispositivo de medición de flujo La ecuación para determinar el
flujo a través del plato de orificios viene dada por el autor R.W. Miller en su libro
Flow Measurement Engineering Handbook, el valor resultante será el que se
tomara en cuenta para ser enviado al controlador ANTI-SURGE para determinar el
flujo que maneja el compresor:
∆ . . .
Donde:
∆P = Diferencial de presión a través del plato de orificio.
Q = Es la tasa de flujo volumétrico de gas medida en ACFM
N = 5.982114 que es el factor de flujo volumétrico de gas
La ecuación Densidad del flujo la determinan:
MW = Peso molecular
Ro = 10.73151
°
que es la constante universal de los gases
Z = Factor de compresibilidad del gas
P = Presión [psia]
T = Temperatura [°R]
a = Factor de Seguridad
Fa = 1.008 equivalente al factor de expansión térmico definido gráficamente (Flow
Measurement Engineering Handbook de R.W. Miller. Pag. 2-8, Formula 2.5)
D = Es el diámetro externo del plato de medición [in]
d = Es el diámetro del agujero del plato de medición [in]
β = d/D es la relación de diámetros
Como constante equivalente al factor de velocidad se tiene:

32
. .
Donde Y equivale al factor de expansión del gas
k = Es el calor especifico del gas
X = Es la relación de presiones dependiendo de la posición del dispositivo de
medición
∆
. ∆
El factor equivalente al diferencial de presión es:
∆ –
El coeficiente de descarga16
:
∞
Donde C∞ que es el coeficiente de descarga para el número infinito de Reynolds.
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
b = es el termino de corrección del numero de Reynolds
n = es el exponente del numero de Reynolds
RD = es el numero de Reynolds de la tubería
9171 .
0.75
2266.97
µ = Viscosidad absoluta [cP]
Según las curvas entregadas por el fabricante, se escogen los datos para las
siguientes condiciones de operación:
• Anexo D para Temperatura ambiente igual a 95 °F
• Anexo E para Temperatura ambiente igual a 70 °F en punto operativo “A”
16
CREUS ANTONIO. Instrumentación Industrial. 6ta Ed. Pag. 114. Barcelona España 1997.

33
• Anexo F para Temperatura ambiente igual a 95 °F en punto operativo “B”
• Anexo G para un mínimo peso molecular del gas en punto operativo “C”
• Anexo H para Temperatura ambiente igual a 54 °F en punto operativo “D”
Resumiendo los datos de los anexos:
Tabla 2. Resumen de mapas de Operación del compresor.
Parámetro Tamb = 95 °F Tamb = 70 °F Tamb = 95 °F Min MW Tamb = 54 °F
Ps = P2
[psia]
489 489 464 439 489
ts [°F] 114.4 96.35 109.3 100 82
Ts [°R] 574.07 556.02 568.97 559.67 541.67
Zs 0.918 0.908 0.924 0.938 0.9
k 1.266 1.274 1.272 1.293 1.28
MW 21.86 21.75 21.29 19.43 21.64
a 1.3 1.16 1.3 1.25 1.11
Qs[acfm]
(diseño)
6950 7750 7150 7250 8050
Qs,max[acfm] 9035 8990 9295 9063 8936
Pd = P1
[psia]
2500 2600 2280 1820 2700
Qs,max = Qs * a
Fuente: Mapas de operación del compresor, anexos D - H
Aplicando las diferentes fórmulas y relaciones enunciadas anteriormente utilizando
como datos los de la tabla número 2 se tiene:
Para Tamb = 95°F
De la hoja de datos del plato de agujero entregada por el fabricante encontrada en
el anexo I:
Diámetro interno del plato D = 21.562 in
Diámetro del orificio d = 14.7105 in
Relación de diámetros β = d/D = 0.68224
Factor de expansión térmico Fa = 1.0008
Viscosidad absoluta µ = 0.013 cP
Calculando entonces la densidad del gas a esas condiciones de operación:
21.86 489
0.918 10.73151 574.07
Teniendo como resultado:
.

34
Se procede entonces a calcular el coeficiente de descarga para el número infinito
de Reynolds:
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
∞ 0.5959 0.0312 0.68224 .
0.184 0.68224 0.09
0.68224
14.7105 1 0.68224
0.0337
0.68224
14.7105
Se tienen entonces:
∞ .
9171 .
9171 0.68224 .
.
Conocidos los demás datos se emplea la fórmula para calcular el número de
Reynolds así:
2266.97
2266.97
9035 1.8901
0.013 21.562 5.982114
Lo que arroja como resultado que el número de Reynolds para esas condiciones
del gas es:
.
Luego se calcula el coeficiente de descarga:
∞
0.6018
35.2581
23087541.47 .
.
Seguido se encuentra el diferencial de presión a través del compresor:
∆ 1 – 2
∆ 2500 – 489

35
∆
Se emplea este último dato en el cálculo de la relación de presiones:
∆
27.73 2 ∆
2011
27.73 489 2011
.
Luego se calcula el factor de expansión del gas:
1 0.41 0.35
1 0.41 0.35 0.68224
0.1291
1.266
.
Se calcula entonces el factor de velocidad a través del plato, así:
1
1
1
√1 0.68224
.
Recopilando todos los datos, aplicarlos en la fórmula para hacer el cálculo de la
diferencia de presión a través del dispositivo de medición:
∆ . . .
∆
9035 1.8901
5.982114 1.0008 0.6020 0.9504 1.1298 0.68224 21.562
. . .
∆ . . . .
Para Tamb = 70°F

36
21.75 489
0.908 10.73151 556.02
.
de Reynolds:
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
∞ 0.5959 0.0312 0.68224 .
0.184 0.68224 0.09
0.68224
14.7105 1 0.68224
0.0337
0.68224
14.7105
Se tienen entonces:
∞ .
9171 .
9171 0.68224 .
.
Reynolds así:
2266.97
2266.97
8990 1.9630
0.013 21.562 5.982114
del gas es:
.
∞
0.6018
35.2581
23858855.02 .

37
.
∆ 1 – 2
∆ 2600 – 489
∆
∆
27.73 2 ∆
2111
27.73 489 2111
.
1 0.41 0.35
1 0.41 0.35 0.68224
0.1347
1.274
.
1
1
1
√1 0.68224
.
∆ . . .
∆
8990 1.9630
5.982114 1.0008 0.6020 0.9486 1.1298 0.68224 21.562
. . .
∆ . . . .

38
Para Tamb = 95°F
21.29 464
0.924 10.73151 568.97
.
de Reynolds:
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
∞ 0.5959 0.0312 0.68224 .
0.184 0.68224 0.09
0.68224
14.7105 1 0.68224
0.0337
0.68224
14.7105
Se tienen entonces:
∞ .
9171 .
9171 0.68224 .
.
Reynolds así:
2266.97
2266.97
9295 1.7509
0.013 21.562 5.982114
del gas es:
.
∞

39
0.6018
35.2584
22002890.88 .
.
∆ 1 – 2
∆ 2280 – 464
∆
∆
27.73 2 ∆
1816
27.73 464 1864
.
1 0.41 0.35
1 0.41 0.35 0.68224
0.1236
1.272
.
1
1
1
√1 0.68224
.
∆ . . .
∆
9295 1.7509
5.982114 1.0008 0.6020 0.9527 1.1298 0.68224 21.562
. . .

40
∆ . . . .
Para mínimo peso molecular MW
19.43 439
0.938 10.73151 559.67
.
de Reynolds:
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
∞ 0.5959 0.0312 0.68224 .
0.184 0.68224 0.09
0.68224
14.7105 1 0.68224
0.0337
0.68224
14.7105
Se tienen entonces:
∞ .
9171 .
9171 0.68224 .
.
Reynolds así:
2266.97
2266.97
9062.5 1.5140
0.013 21.562 5.982114
del gas es:
.

41
∞
0.6018
35.2584
18550196.83 .
.
∆ 1 – 2
∆ 1820 – 439
∆
∆
27.73 2 ∆
1381
27.73 439 1381
.
1 0.41 0.35
1 0.41 0.35 0.68224
0.1018
1.293
.
1
1
1
√1 0.68224
.
∆ . . .

42
∆
9062.5 1.5140
5.982114 1.0008 0.6020 0.9617 1.1298 0.68224 21.562
. . .
∆ . . . .
Para Tamb = 54°F
21.64 489
0.9 10.73151 541.67
.
de Reynolds:
∞ 0.5959 0.0312 .
0.184 0.09
1
0.0337
∞ 0.5959 0.0312 0.68224 .
0.184 0.68224 0.09
0.68224
14.7105 1 0.68224
0.0337
0.68224
14.7105
Se tienen entonces:
∞ .
9171 .
9171 0.68224 .
.
Reynolds así:
2266.97
2266.97
8935.5 2.0226
0.013 21.562 5.982114

43
del gas es:
.
∞
0.6018
35.2584
24434627.92 .
.
∆ 1 – 2
∆ 2700 – 489
∆
∆
27.73 2 ∆
2211
27.73 489 2211
.
1 0.41 0.35
1 0.41 0.35 0.68224
0.1401
1.28
.
1
1
1
√1 0.68224
.

44
∆ . . .
∆
8935.5 2.0226
5.982114 1.0008 0.6020 0.9467 1.1298 0.68224 21.562
. . .
∆ . . . .
Como resumen de todos los valores calculados anteriormente se tiene la tabla 3
que los detalla:
Tabla 3. Resumen Cálculos para la medición de flujo
Tamb = 95°F Tamb = 70°F Tamb = 95°F Min MW Tamb = 54°F
a 1.30 1.16 1.3 1.25 1.11
Qmax [acfm] 9035 8990 9295 9062.5 8935.5
ρ [lbm/ft³] 1.8901 1.9630 1.7509 1.5140 1.0226
E 1.1298 1.1298 1.1298 1.1298 1.1298
b 35.2584 35.2584 35.2584 35.2584 35.2584
n 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
µ 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013
Fa 1.0008 1.0008 1.0008 1.0008 1.0008
RD 23087541.47 23858855.02 22002890.88 18550196.83 24434627.92
C∞ 0.6018 0.6018 0.6018 0.6018 0.6018
C 0.6020 0.6020 0.6020 0.6020 0.6020
X 0.1291 0.1347 0.1236 0.1018 0.1401
Y 0.9504 0.9486 0.9527 0.9617 0.9467
ΔPo [in.W.C.] 219.9594 227.0405 214.6054 173.1245 232.0114
Fuente: Resumen de cálculos plato de orificio
La última fila de la tabla antes enunciada, refleja los diferentes valores de flujo que
se pueden llegar a tener a través del compresor y por supuesto del trasmisor de
flujo. Este cálculo permite hacer un estimativo de las diferentes variaciones que se
pueden llegar a tener cuando se genere un SURGE. La simulación del efecto de
un SURGE, tiene que referirse a las auto oscilaciones de flujo que el transmisor
detectará.
El código que se diseñe, debe hacer algún tipo de comparación con una variable
de proceso ejemplo: presión en la descarga. Hecha la comparación, se debe
implementar una rutina que disminuya o incremente el flujo cuando la
comparación sea correcta o falsa.

45
3.1.3 Válvula ANTI-SURGE
3.1.3.1 Tiempo de accionamiento Típicamente la duración de un ciclo de
SURGE es de un segundo, las válvulas de reciclo tienen que responder a estos
cambios de manera rápida para evitar los daños al compresor. Es así como los
tiempos de respuesta de las válvulas a la inversión de flujo está alrededor de 2
segundos y en algunos casos menos.
La velocidad de la válvula es determinante para controlar el volumen y las
presiones a las que se puede someter el compresor en caso de un SURGE, por
ende el actuador que ésta use debe ser de gran velocidad y estabilidad para
condiciones de apertura y de cierre. Para ello son usados actuadores de tipo
Fisher 2625, accionados por la salida del controlador ANTI-SURGE.
3.1.3.2 Localización La mejor localización de la válvula ANTI-SURGE es
tan cerca de la descarga como sea posible. Con ello el volumen a la descarga del
compresor, la válvula check y la válvula ANTI-SURGE puede ser minimizado.
3.1.3.3 Características Las características de la válvula se reflejan por las
diferentes restricciones que ofrecen los elementos del control del flujo, por ende se
recomienda el uso de elementos de tipo lineal a los de tipo proporcional.
3.1.3.4 Actuador, posicionador y transductores electro-neumáticos.
Los actuadores pueden ser de tipo pistón o de diafragma neumáticos, estos
proporcionan la energía necesaria para operar la válvula.
El posicionador es requerido para determinar el porcentaje exacto de apertura de
la válvula. El posicionador debe ajustarse al movimiento de la válvula.
El transductor electro-neumático es el encargado de convertir una señal eléctrica
enviada por el controlador en una señal neumática proporcional recibida por el
posicionador, la mejor localización del transductor es en la válvula.
3.1.3.5 Tamaño En la selección del tamaño de la válvula puede ser
determinado de dos tipos: una válvula que lleve el compresor a la derecha de la
línea de SURGE y una válvula sobredimensionada.
Par el primer caso, el compresor puede sufrir averías en caso que se den SURGE
repetidos y con esta válvula no se puede controlar el volumen constante de gas.
La segunda alternativa, puede generar daños ya que la sintonización del control
de la válvula no es del todo confiable o un elevado flujo de reciclo puede generar
inestabilidad al control de desempeño.

46
Una válvula de bajas dimensiones es incapaz de proteger al compresor de
SURGE repetidos o alguna perturbación podría llevar al compresor a SURGE
control line. El dimensionamiento inadecuado de la válvula de reciclo es peligroso
en el caso que se estén operando varios compresores ya sea en serie o en
paralelo.
La experiencia de C.C.C. les ha permitido crear un método eficiente para calcular
las dimensiones de la válvula de reciclo:
• Usando las curvas de desempeño del compresor, se define la intersección
entre la línea de SURGE y la curva de máximo desempeño del compresor.
• Calcular el coeficiente de flujo Cv para este punto
• Multiplicar el Cv por 1.8 para encontrar el valor mínimo del coeficiente de
flujo Cv,min
• Multiplicar el Cv por 2.2 para encontrar el valor máximo del coeficiente de
flujo Cv,max
• Comparar el coeficiente de la válvula que se pretende instalar con los
valores anteriormente calculados, la válvula debe satisfacer los
requerimientos de Cv,max ≥ Cv,v ≥ Cv,min.
El Coeficiente de flujo Cv, es la capacidad en galones por minuto que tiene una
válvula que permite el paso de un fluido cuyas pérdidas de presión son de una
pulgada cuadrada17
.
Se procede entonces a:
• Del mapa del compresor determinar el flujo volumétrico del gas [acfm] y la
presión de descarga [psia], para el punto de intersección entre la línea
límite de SURGE y la curva de máximo desempeño.
• Obtener del mapa de compresor, la presión de succión Ps [psia],
temperatura de succión ts [°F] o Ts [°R], compresibilidad en la succión Zs,
la relación de calor especifico ks y el peso molecular del gas MW.
• Calcular el flujo de gas a condiciones estándar:
60
Donde Zst = 1.0, Pst = 14.7 psia y Tst = 60 °F o 520 °R, equivalentes a
compresibilidad, presión y temperatura a condiciones estándar.
• Asuma Pd como P1 y Ps como P2 para manejo de las fórmulas.
• Calcular la caída de presión ∆P = P1 – P2 [psia]
17
VALVE SELECTIONHAND BOOK. PETER SMITH, R. W. ZAPPE. Editorial Elsevier. Pag. 33. 2004.

47
• Como el gas que se reinyecta al cabezal de succión proviene de una etapa
de enfriamiento en los cooler, este sale a una temperatura aproximada de
114 °F que se asume como Ts.
• Para el cálculo del coeficiente de la válvula se utiliza la ecuación estándar
para el dimensionamiento de válvulas de control ISA-S75.01-1985
,
Donde:
N9 = 7320 equivalente al factor del flujo volumétrico
1
3
Expandiendo el factor X se tiene:
∆
Relación de presión a la entrada de la válvula.
.
Que es la relación de calor específico del gas con el calor específico
del aire.
Es el factor de relación de caída de presión dada por el fabricante de la
válvula.
Es el factor geométrico de la tubería que se asume como 1.
Desarrollo de las ecuaciones para la válvula FV-2600
Según características del fabricante de la válvula para protección de SURGE FV-
2600 que se detallan en el anexo 20, y con la cual todo el sistema fue configurado,
la FV-2600 funciona como apertura a la falla y tiene un factor Cv,v = 260 y XT =
0.75.
La verificación de la selección hecha con la válvula FV-2600, se realiza tomando
como referencia las curvas de operación del compresor a diferentes condiciones
de temperatura ambiente en las cuales el gas es inyectado.
Según las curvas entregadas por el fabricante, se escogen los datos para las
siguientes condiciones de operación:
• Anexo D para Temperatura ambiente igual a 95 °F
• Anexo E para Temperatura ambiente igual a 70 °F en punto operativo “A”
• Anexo F para Temperatura ambiente igual a 95 °F en punto operativo “B”
• Anexo G para un mínimo peso molecular del gas en punto operativo “C”

48
• Anexo H para Temperatura ambiente igual a 54 °F en punto operativo “D”
Resumidamente los datos son:
Tabla 4. Resumen de mapas de Operación del compresor.
Parámetro Tamb = 95 °F Tamb = 70 °F Tamb = 95 °F Min MW Tamb = 54 °F
Ps [psia] 489 489 464 439 489
ts [°F] 114.4 96.35 109.3 100 82
Ts [°R] 574.07 556.02 568.97 559.67 541.67
Zs 0.918 0.908 0.924 0.938 0.9
Zd 0.775 0.721 0.788 0.832 0.727
k 1.266 1.274 1.272 1.293 1.28
MW 21.86 21.75 21.29 19.43 21.64
Qs[acfm]
(SURGE)
6700 6800 6500 5750 6950
Pd[psia]
(SURGE)
2500 2600 2280 1820 2700
Fuente: Mapas de operación del compresor, anexo D - H
Aplicando las diferentes fórmulas y relaciones enunciadas anteriormente utilizando
como datos los de la tabla número 4 se tiene:
Para Tamb = 95°F
Flujo a condiciones estándar:
60
6700
489 520° 1
14.7 574.07° 0.918
60
. . ,
La relación de presión:
∆
2500 489
2500
.
La relación de los calores específicos:

49
1.4
1.266
1.4
.
El factor de caída de presión de la válvula dada por el fabricante:
.
0.9042 0.75 .
Relación entre caídas de presión y calores específicos:
1
3
1
3
1
1
3
0.6782
21.86 574.07 1
.
Sustituyendo en la ecuación del cálculo del coeficiente de flujo:
,
13.195.121,331
7320 1 2500 2/3 0.00735
. /
, 1.8 147.1 1.8 . /
, 2.2 147.1 2.2 . /
Para Tamb = 70°F
60
6700
489 520° 1
14.7 556.02° 0.908
60
. . ,

50
∆
2600 489
2600
.
1.4
1.274
1.4
.
.
0.91 0.75 .
1
3
1
3
1
1
3
0.6825
21.75 556.02 1
.
,
13.979.085,758
7320 1 2600 2/3 0.00751
. /

51
, 1.8 146.6 1.8 . /
, 2.2 146.6 2.2 . /
Para Tamb = 95°F con baja presión de succión
60
6500
464 520° 1
14.7 568.97° 0.924
60
. . ,
∆
2280 464
2280
.
1.4
1.272
1.4
.
.
0.9085 0.75 .
1
3
1
3
1
1
3
0.6814
21.29 568.97 1
.

52
,
12.176.073,393
7320 1 2280 2/3 0.0075
. /
, 1.8 145.9 1.8 . /
, 2.2 145.9 2.2 /
Para el mínimo peso molecular MW
60
5750
439 520° 1
14.7 559.67° 0.938
60
. . ,
∆
1820 439
1820
.
1.4
1.293
1.4
.
.
0.9235 0.75 .

53
1
3
1
3
1
1
3
0.6926
19.43 559.67 1
.
,
10.205.511,062
7320 1 1820 2/3 0.00798
. /
, 1.8 143.9 1.8 . /
, 2.2 143.9 2.2 . /
Para Tamb = 54°F
60
6950
489 520° 1
14.7 541.67° 0.9
60
. . ,
∆
2700 489
2700
.
1.4
1.28
1.4
.

54
.
0.9142 0.75 .
1
3
1
3
1
1
3
0.6856
21.64 541.67 1
.
,
14.796.317,109
7320 1 2700 2/3 0.00764
. /
, 1.8 146.8 1.8 . /
, 2.2 146.8 2.2 . /
La siguiente tabla resume lo calculado anteriormente:
Tabla 5. Resumen Cálculos para la selección de la FV-2600
Tamb = 95°F Tamb = 70°F Tamb = 95°F Min MW Tamb = 54°F
Qst
[scfh]
13.195.121,331 13.979.085,758 12.176.073,393 10.205.511,062 14.796.317,109
P1 = Pd
[PSI]
2500 2600 2280 1820 2700
P2 = Ps
[PSI]
489 489 464 439 489
∆P [PSI] 2011 2111 1816 1381 2211
Cv 147.1 146.6 145.9 143.9 146.8
Cv,min 264.8 263.9 262.6 259.1 264.24
Cv,max 323.6 322.6 321 316.7 322.96
Fuente: Cálculos dimensionamiento válvula ANTI-SURGE, anexos J – L.

55
Del anterior resumen se concluye que:
260 , 264.8
Los que demuestra que el dimensionamiento de la válvula FV-2600 instalada es la
adecuada y ofrece protección en caso de SURGE. Los anexos J, K, L detallan la
información referente a la válvula usada en el control ANTI-SURGE.
Esta información, además permite estimar cuales serán las pérdidas o
incrementos de presión, cuando la válvula ANTI-SURGE esté abriendo o cerrando.
Cuando la válvula empiece a cerrar, la presión en la descarga del compresor
tiende a incrementarse, mientras que la presión en la succión del compresor va a
disminuir. Si por el contrario, la válvula empieza a abrirse, el compresor empieza a
recircular y la presión del compresor en la descarga disminuye sustancialmente,
efecto contrario se nota en la succión del compresor, ya que la presión en la
succión del compresor se incrementa significativamente.
3.1.4 Controlador ANTI-SURGE El Controlador ANTI-SURGE (AS) es una
unidad de cálculo capaz de interpretar las señales provenientes de los diferentes
transmisores, almacenar estos valores dentro de un algoritmo previamente
configurado para interpretar el punto operativo exacto del compresor y ubicarlo
dentro del mapa de operación del compresor, con ello poder identificar la
posibilidad de SURGE.
Imagen 15. Controlador ANTI-SURGE Series 3
Fuente: Product Bulletins PB301_SP3_PLUS_Anti_Surge_Controller.
http://www.cccglobal.com/pdf/Bulletins/Series3P.zip

56
Los controladores ANTI-SURGE Serie 3+18
de Compressor Controls Corporation,
se componen de 5 elementos principales. Un panel frontal de usuario, un panel de
ingeniería, un chasis, una main board y una tarjeta análoga. El estado óptimo de
cada uno de estos elementos, permite asegurar la efectividad del controlador al
momento de realizar su trabajo.
El panel frontal cuenta con una serie de botones, los cuales el usuario puede
manipular para desplazarse dentro de una serie de menús de monitoreo de
variables y visualización de estados.
Imagen 16. Panel Frontal del Controlador ANTI-SURGE Series 3
Fuente: Series 3 Plus Antisurge Controller Operator Interfaz Description. Product
Revision: 756-004
El panel de ingeniería, se encuentra en la parte posterior del panel del usuario, y
permite hacer cambios a parámetros por ejemplo de ganancias del PI, hacer
prueba de los puertos de salida o entrada de las señales análogas y digitales, así
como también del puerto de comunicaciones. La manipulación de parámetros
desde este panel, se debe realizar con precaución, ya que una vez ingresados los
datos, el controlador los asume sin ningún tipo de advertencia o señal.
18
Información comercial: http://www.cccglobal.com/Products/Series3/Series3+/

57
Imagen 17. Panel de Ingeniería del Controlador ANTI-SURGE Series 3
Fuente: Ibíd.
La sencilla configuración de borneras del controlador ANTI-SURGE, permite hacer
la conexión directa de los trasmisores al controlador, sin necesidad de que estas
señales pasen por algún otro sistema, al contrario, es el controlador ANTI-SURGE
el que reporta los valores de los instrumentos al sistema DCS.
Este tipo de controlador tiene como característica física:
• 8 entradas análogas (4 – 20 mA)
• 2 salidas análogas (4 – 20 mA)
• 7 entradas digitales (24 V)
• 5 salidas digitales (24 V)
• 1 entrada de poder para 24 V
• 3 Puertos de comunicación

58
Imagen 18. Puertos traseros del Controlador ANTI-SURGE Series 3
Fuente: Series 3 Plus Hardware Reference. Publication IM300/H (6.2.0)
Los controladores Serie 3 de C.C.C. utilizan tres estrategias de control para evitar
el SURGE en los compresores. Estas estrategias son evaluadas previamente con
ayuda de los mapas de operación de cada uno de los compresores.
Cada una de las estrategias de control, se ve reflejada, en la acción que el
controlador ejecuta sobre la válvula de reciclo. Dependiendo el punto operativo del
compresor y de la posibilidad que este se acerque a SURGE, el controlador puede
abrir la válvula con el fin de alivianar la presión en la descarga. O si por el
contrario, la presión en la descarga hace que la relación de compresibilidad sea
muy baja, el controlador tiende a cerrar la válvula de reciclo y así incrementar aun
mas rápido la presión del compresor.
Sea cual sea la situación del compresor, la señal que el controlador ANTI-SURGE
envía a la válvula de reciclo, resulta de la sumatoria de las tres estrategias de
control. Esto hace, que las posibilidades de ocurrencia de SURGE se minimicen.
Como estrategias de control se tiene: Línea de control de SURGE, Línea de
Recycle Trip, Línea de Safety On.
Antes de iniciar con la explicaciones de cada una de las estrategias de control, es
necesario especificar en el controlador una línea de referencia sobre la cual este
ejecutara las acciones de control, esta referencia se conoce como Línea límite de
SURGE. Este límite obedece a la posición exacta en el mapa de operación, en
donde el compresor dependiendo de su velocidad, deja de comprimir el fluido y
experimenta un fenómeno llamado reversión de flujo o SURGE.

59
3.1.4.1 Línea límite de SURGE Para poder evitar que un compresor
experimente SURGE, se necesita conocer exactamente donde se encuentra
ubicada la “Línea Límite de SURGE”. Esta información debe cargarse al
controlador que interviene en la válvula de reciclo. Si este controlador sabe donde
se ubica la Línea Límite de SURGE y conoce la ubicación del Punto Operativo con
respecto a esa línea, entonces la válvula de reciclo puede abrirse oportunamente.
El límite no puede traspasarse sin peligros potenciales para el compresor además
de que este límite no es el valor máximo o mínimo de una sola señal física de
transmisor. En el caso del Límite de SURGE, el límite es una línea en el mapa del
compresor, que tiene a Hp en el eje vertical y a Qs² en el eje horizontal. El desafío
está ahora en encontrar la manera de describir la Línea Límite de SURGE, de tal
forma que se pueda ver este límite como cualquier otro límite del tipo de “una sola
variable”.
Para determinar la Línea Límite de SURGE (SLL), C.C.C. propone un método muy
confiable de laboratorio el cual consiste en someter el compresor a condiciones
próximas de SURGE, con el fin de determinar cuáles son los parámetros de
operación que lo originan (presión, temperatura, flujo, velocidad) y así poder trazar
un punto que prolongado al origen de las coordenadas HP y Qs
2
forme una recta
que determina la región de operación segura y región de SURGE.
Imagen 19. Línea límite de SURGE.
Si el ángulo se conoce, entonces se conoce también la tangente. En otras
palabras, se puede describir la Línea Límite de SURGE determinando el cociente
entre Qs² y Hp llamado K para un solo punto de la línea. Si se hace un cálculo
similar para el Punto Operativo, puede determinarse la distancia hacia el Límite de

60
SURGE. Observando minuciosamente las fórmulas para Qs² y Hp, se puede
determinar grandiosos resultados:
Valor de K:
Ecuación 1
Cabezal Politrópico:
Ecuación 2
Flujo Volumétrico:
∆
Ecuación 3
Exponencial del cabezal Politrópico:
Ecuación 4
Relación de compresión:
Ecuación 5
El valor de K no es una constante para todo tipo de compresor sino que cambia
dependiendo el diseño y las condiciones del gas, por ello los controladores C.C.C.
utilizan una variable adicional para procurar la universalidad, llamado el valor S:
|
. .
Ecuación 6
Este valor S es proporcional a la distancia angular entre el Punto Operativo y la
Línea Límite de SURGE. Este valor S siempre será igual a 1 (uno) cuando el
Punto Operativo se ubique sobre la Línea Límite de SURGE. Sustituyendo las
ecuaciones 2 y 3 en 6 se tiene:
∆
Ecuación 7
,
,
Ecuación 8
, Ecuación 9
, ∆
Ecuación 10

61
Las fórmulas 9 y 10 se denominan respectivamente, “Cabezal Politrópico
Reducido” y “Flujo de Succión Reducido”.
Luego de transformar las fórmulas del Cabezal Politrópico y del Flujo Volumétrico
de Succión, queda demostrado que para calcular la fórmula del “valor S”, solo se
necesita conocer los valores de cinco transmisores, estos son:
1: Presión diferencial a través de un dispositivo de medición de flujo ∆Po
2: Presión de descarga Pd
3: Presión de succión Ps
4: Temperatura de descarga Td
5: Temperatura de succión Ts
Caracterizador de velocidad En los compresores las líneas de límite de SURGE
no siempre se encuentran ubicadas en el mismo lugar, ello genera que los
parámetros de protección que ofrece el controlador AS no puedan brindar las
acciones necesarias en caso de un SURGE. Por ende el caracterizador de
SURGE, recoge datos de las pruebas de SURGE realizadas a los compresores y
los incluye en las ecuación de protección. Como resultado la ecuación 8 queda de
la forma:
,
,
Ecuación 11
Para calcular adecuadamente el valor de S, en necesario además de los 5
transmisores anteriormente expuestos, un transmisor de velocidad que se
interpretara como una ganancia en la ecuación 11.
3.1.4.2 Estrategia 1: Línea de control de SURGE La Línea de Control de
SURGE (LCS) define la mínima distancia deseada entre el Punto Operativo y la
Línea Límite de SURGE (LLS). La Línea de Control de SURGE (LCS) está
siempre a la derecha de la Línea Límite de SURGE (LLS) con una distancia
llamada margen de seguridad (b) que garantiza que en caso que el compresor
sobrepase la LCS la válvula de reciclo abra un porcentaje (previamente
establecido como b1) para evitar un posible SURGE.

62
Imagen 20. Línea de Control de SURGE
La ecuación 11 ahora cambia a la siguiente:
,
,
Ecuación 12
De donde b = b1 y Ss cambia al valor de S, ya que va tomar el valor de 1 cuando
esté sobre la LCS y no sobre LLS.
El margen de seguridad lo complementa un factor adicional llamado “ganancia
adaptativa” el cual consiste en dos valores previamente establecidos en el
controlador, multiplicados por la derivada de la función S. Cuando el punto
operativo se mueve rápidamente hacia la línea LLS, el cambio de S con respecto
al tiempo (dS/dt) es grande y cuando el punto operativo se mueve lentamente
hacia la línea LLS, el cambio de S con respecto al tiempo (dS/dt) es pequeño. El
parámetro b toma los siguientes valores:
1 b3 Td0
S
Ecuación 13
3.1.4.3 Estrategia 2: El algoritmo “Recycle Trip” La línea adicional se
llama Línea “Recycle Trip” (LRT). Cuando el Punto Operativo cruza esta línea, se
inicia una respuesta de Lazo Abierto. Este algoritmo de control de lazo abierto se
suma al control PI para incrementar la velocidad de respuesta del sistema de
control. El objetivo es prevenir el SURGE debido a grandes o rápidas
perturbaciones en el proceso. La distancia entre la Línea Recycle Trip y la Línea
de Control de SURGE es determinada por la constante RT.

63
Imagen 21. Línea de Recycle Trip
El algoritmo Recycle Trip abre la válvula de reciclo con un escalón o una serie de
escalones de una magnitud definida en la fórmula 14 y a un intervalo de tiempo
C2. La apertura de la válvula de reciclo en escalón continúa mientras que el Punto
Operativo permanezca en el lado izquierdo de la Línea Recycle Trip y su
movimiento es en dirección a la Línea Límite de SURGE (dS/dt positivo).
Luego, el algoritmo Recycle Trip cierra la válvula de reciclo en forma exponencial.
Este cierre se inicia cuando el Punto Operativo cruza nuevamente la Línea
Recycle Trip, pero esta vez alejándose de la Línea Límite de SURGE. La válvula
cerrará aproximadamente las 2/3 partes (o el 63 %) del recorrido, durante el primer
tiempo Tl (tiempo de retardo) y el resto, durante los próximos tres tiempos Tl,
haciendo un total de cuatro tiempos Tl, independientemente de sí se inicia con una
abertura del 100 ó 10 %. El tiempo Tl se mide en segundos, o sea que, si Tl está
ajustado a 60, tomaría cerca de cuatro minutos para que la válvula cierre.

64
Imagen 22. Respuesta Recycle Trip
La magnitud del escalón está definida por la ecuación:
| | Ecuación 14
3.1.4.4 Estrategia 3: La respuesta “Safety On” Esta respuesta restringirá
el número de ciclos de SURGE que ocurran y la probabilidad de su repetición. El
algoritmo “Safety On” aumenta el margen de seguridad (inicialmente determinado
por el factor b1) cada vez que se detecte un SURGE. La seguridad adicional está
determinada por el factor b2. Después del primer ciclo de SURGE el margen de
seguridad es b1 + b2 y después de n ciclos de SURGE el margen de seguridad
crecerá a b1 + (n * b2).

65
Imagen 23. Línea Safety On
A la ecuación 13 se le agrega un último parámetro de control:
0 Ecuación 15
Donde b2 es un valor pre establecido y n es un contador de SURGE en caso de
que ocurra cuando se sobrepase la línea de límite de SURGE.
La configuración de los diferentes bloques de función del controlador se ilustra en
la siguiente imagen de donde se hace referencia a dos protecciones iníciales que
tiene el compresor, por baja presión de succión y por alta presión de descarga. La
baja presión se puede dar en la transición auto-man que se realiza en este tipo de
compresores y puede desencadenar que el flujo en el cabezal de descarga retorne
y rompa por completo el compresor. La protección por alta presión de descarga es
un parámetro que se establece después de las diferentes pruebas de SURGE a
las que se somete el compresor.

66
Imagen 24. Bloque de funciones del controlador C.C.C.
Fuente: Series 3 Plus Hardware Reference. Publication IM300/H (6.2.0)

67
La siguiente es la configuración del cableado con los diferentes transmisores al
controlador AS utilizada en el CPF y en la que se basó el cableado del laboratorio:
Tabla 6. Tag de Instrumentos y Controlador AS
INSTRUMENTO CONTROLADOR ANTI-SURGE
Tag Descripción Tipo Ubicación
FIT-2600 Transmisor de flujo en la succión Entrada Análoga Canal 1
PIT-2606 Transmisor de presión en la succión Entrada Análoga Canal 3
TIT-2601 Transmisor de temperatura en la succión Entrada Análoga Canal 6
TIT-2602 Transmisor de temperatura en la descarga Entrada Análoga Canal 5
PIT-2609 Transmisor de presión en la descarga Entrada Análoga Canal 2
SPEED Velocidad del compresor Entrada Análoga Canal 4
CLAMP Porcentaje de apertura de la FV-2600 desde
Cuarto de control
Entrada Análoga Canal 7
FV-2600 Retorno de la Válvula ANTI-SURGE Entrada Análoga Canal 8
FV-2600 Salida a la Válvula ANTI-SURGE Salida Análoga Salida 1
STOP Parada de emergencia desde Cuarto de control Entrada Digital Digital 2
Fuente: Diagrama de cableado de lazos para controlador series 3 plus controlador
UIC-2600, dibujo 649L04
Para mejor comprensión de la estructura de cableado, revisar los anexos M al T,
donde se detalla la forma que se utilizaron las señales de salida del PLC hacia el
controlador ANTI-SURGE.
3.1.5 PLC Por ser un estándar en Fase II del CPF de Cusiana, todos los PLC de
proceso son de la marca Allen Bradley, de la familia SLC, PLC 5, MicroLogix y
ControlLogix 5000. Para el montaje del laboratorio, se seleccionó un PLC
ControlLogix 5000 ya que permite un mayor margen de actualización, pues se
pueden agregar o quitar módulos haciendo más fácil su configuración o
mejoramiento. La disposición del PLC es la siguiente:
Fuente Procesador
Análoga de
entrada
Análoga
de
salida
Digital de
entrada
Digital de
salida
Tarjeta de
Comunicación
Análoga
de
salida
3.1.5.1 Chasis En el chasis es donde se podrán acoplar los diferentes
módulos de entrada, comunicación y batería misma.

68
Tabla 7. Características Chasis 1756
Temperatura de operación: 0 – 60 °C
Corriente con 1.2 V: 1.5 Amp
Corriente con 3.3 V: 4 Amp
Corriente con 5.1 V: 6 Amp
Corriente con 24 V: 2.8 Amp
Potencia disipada: 4 W
Dimensiones: 483 x 169 x 145 mm
Fuente: 1756 ControlLogix Chassis Specifications. Documento electrónico:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/td/1756-
td006_-en-e.pdf
3.1.5.2 Fuente La fuente se adhiere al chasis y energiza los diferentes
módulos para su funcionamiento:
Tabla 8. Características Fuente 1756
Temperatura de operación: 0 – 60 °C
Voltaje de entrada: 120 V
Potencia: 75 W
Corriente a Capacidad de 1.2V: 1.5 A
Corriente a Capacidad de 3.3V: 4 A
Corriente a Capacidad de 5.1V 10 A
Corriente a Capacidad de 24V: 2.8 A
Dimensiones: 140 x 112 x 145 mm
Fuente: 1756 ControlLogix Power Supplies Specifications. Documento electrónico:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/td/1756-
td005_-en-e.pdf
3.1.5.3 Procesador El procesador utilizado es un Control Logix 5555 con
las siguientes especificaciones:
Tabla 9. Características Control Logix 5555
CPU: 1756-L55
Memoria: M13
Capacidad Memoria: 1.5 MB
Memoria I/O: 208 KB
Comunicación: RS232
Módulo para batería: Si
Led indicadores de estado: Si

69
Llave seguridad: Si
Configuración: Software
Fuente: ControlLogix Controllers. Documento electrónico:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/um/1756-
um001_-en-p.pdf
3.1.5.4 Análoga de entrada Se requiere la lectura una señal análoga de
entrada respuesta del controlador AS.
Tabla 10. Características Módulo análogo de Entrada 1756-IF6I
Número de salidas: 6
Configuración: Corriente
Rango de entrada: 4 – 20 mA
Resolución: 16 bits
Potencia disipada: 4.3 W
Temperatura de Operación: 0 – 60 °C
Fuente: ControlLogix Isolated Analog Voltage/Current Input Module. Documento
electrónico:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/1756-
in034_-en-p.pdf
3.1.5.5 Análoga de salida Se requirieron dos módulos de salida análoga
configurados para corriente de referencia 1756-OFC6I:
Tabla 11. Características Módulo análogo de salida 1756-OF6CI
Configuración: Corriente
Rango de salida: 0 – 21 mA
Resolución: 13 bits
Fuente: ControlLogix Current Loop Output Module. Documento electrónico:
in036_-en-p.pdf

70
3.1.5.6 Digital de entrada El módulo digital de entrada se requiere para la
instalación de switch de control externos para ser utilizados por el usuario del
simulador.
Tabla 12. Características Módulo Digital de Entrada 1756-IB16I
Configuración: Voltaje (Contactos)
Rango de Entrada: 24 V
Máxima impedancia de entrada: 30 KΩ
Fuente: ControlLogix DC (10-30V) Isolated Input Module. Documento electrónico:
in511_-en-p.pdf
3.1.5.7 Digital de salida Algunos comandos digitales son requeridos por el
Controlador AS como el estatus de purga o el stop.
Tabla 13. Características Módulo Digital de Salida 1756-OB16I
Rango de Salida: 10 - 30 V
Fuente: ControlLogix DC (10-30V) Isolated Output Module. Documento
electrónico:
in512_-en-p.pdf
3.1.5.8 Tarjeta de comunicaciones El protocolo por excelencia en la
industria se maneja sobre Ethernet, ya que brinda mucha más facilidad de
instalación y posibilidades de expansión a futuro, por ende el módulo elegido para
dicho fin es la 1756-ENBT.
Tabla 14. Características Módulo de Comunicaciones 1756-ENBT
Conector Ethernet: RJ-45

71
Rango de Salida: 10 - 30 V
Fuente: ControlLogix EtherNet/IP Bridge Module. Documento electrónico:
in019_-en-p.pdf
3.1.6 Estación HMI Semejante a las estaciones HMI utilizadas en cuarto de
control para operar y supervisar las diferentes etapas del proceso, fue necesaria la
utilización de un computador que satisficiera los requerimientos que el software
tiene para su instalación, requerimientos tales como:
Tabla 15. Requerimientos estación HMI
S.O.: Windows XP
Memoria mínima: 512 MB
Espacio en D.D.: 4 GB
Procesador: 1.5 GHz o Superior
Ethernet: Si
Teclado: Si
Mouse: Si
Fuente: RSLinx Classic, GETTING RESULTS GUIDE. Documento electrónico:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/gr/linx-
gr001_-en-e.pdf
La HMI, será una estación de cómputo dedicada al laboratorio de simulación en
donde se guardarán todos los display diseñados en RSView y los diagramas
ladder desarrollados en RSLogix5000. Además la tarjeta de red Ethernet, será la
utilizada para entablar comunicación con el PLC a través del Switch.
3.1.7 SWITCH La conexión entre la estación HMI y el PLC Logix5555 se realiza
bajo protocolo Ethernet y para ello se utiliza un cable de 8 hilos ponchado en sus
extremos con conectores RJ-45 bajo la norma TIA/EIA T568A19
19
Fuente:
http://www.hackersinternet.com.mx/PUBLICIDAD/Como%20ponchar%20el%20cable%20de%20red%20RJ45%202.pdf

72
Imagen 25. Switch D-Link
Fuente:
http://www.microalcarria.com/global/php/imagen.php?camino=/uknaaxyhr/&nombre
=drtfbtzx/CBY-0755J.oif
Enunciados todos y cada uno de los componentes (hardware) que intervendrán en
el laboratorio, resta hacer un bosquejo del tipo de conexionado necesario para
poner el laboratorio en funcionamiento. La primera parte, inicia con la conexión del
PC con el PLC. Esto se lleva a cabo utilizando cale tipo UTP ponchado en sus
extremos con terminales RJ-45, bajo la norma TIA/EIA-568-A-5. Ver anexo S.
Una vez entablada la comunicación, entre el PC y el PLC, se procedió a conectar
las distintas señales de los transmisores y de la válvula utilizando cable calibre 14
cuidadosamente soldado en sus extremos y atornillado con seguridad en las
borneras tanto de las tarjetas del PLC como en el respaldo del controlador ANTI-
SURGE. Ver anexos M al Q.
Se finaliza con la conexión del controlador ANTI-SURGE y el supervisor
COMMAND. Para ello se requirió del uso de un conversor RS422 a RS232, con
este supervisor se trata de tener acceso a los diferentes cálculos que hace el
controlador además de poder visualizar el mapa de operación del compresor y el
punto operativo cuando este se desplaza. Ver anexo R.

73
Imagen 26. Esquema final del laboratorio
Fuente: Laboratorio de simulación ANTI-SURGE
3.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES: SOFTWARE
3.2.1 Instalación de programas La interacción entre la estación HMI y el PLC
requieren de ciertos paquetes de programas propiedad de Rockwell Software, los
cuales permitirán la configuración de la HMI, el diseño y monitoreo del algoritmo
simulador de la turbina. Existen ciertos requerimientos de hardware para un
correcto funcionamiento de las aplicaciones una vez sean instaladas y se
encuentren operando, requerimientos resumidos en la tabla número 15, expuesta
anteriormente.
3.2.1.1 Instalación RSLinx Classic 2.50.00.2020
RSLinx Classic es el
paquete de software que permite la conexión entre los diferentes dispositivos Allen
20
Fuente: http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/gr/linx-gr001_-en-e.pdf

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