Aplicación de la Tecnología Wireless Hart como Capa de Protección Independiente No SIS en una Plataforma Marina

Ing. Erick Oswaldo Martínez Aguirre (Comité Seguridad ISA México / IMP), Norberto Torres (ESPARTEC, S.A. de C.V.).
erick.martinez@isamex.org, norbertotorres@espartec.com.mx

Resumen

En abril del 2017, el Comité de desarrollo de estándares de ISA84 publicó el reporte técnico ISA-TR84.00.08-2017 “Guidance for Aplication of Wireless Sensor Technology to Non-SIS Independent protection Layers”, en el cual se documenta el uso de la tecnología de comunicación Wireless en aplicaciones de monitoreo en la industria. Este reporte técnico fue sin duda desarrollado para documentar la aplicación de la tecnología Wireless como una Capa de Protección Independiente (La cual puede lograr una reducción de riesgo en un orden de 10) utilizando el monitoreo de la instrumentación de proceso, como un Sistema de Alarmas que permitan al operario / usuario tomar una reacción ante una situación anormal.

Mucho se ha hablado que las soluciones inalámbricas ofrecen muchas ventajas no tan solo por el ahorro de los costes de cables e instalación de los instrumentos, sino de las ventajas que existen en la puesta en marcha, mayor flexibilidad, disponibilidad y seguridad.

Es por lo cual, el presente artículo pretende documentar y analizar como la aplicación de la tecnología Wireless llevada a una instalación industrial de una plataforma marina, puede ser una solución totalmente funcional y confiable dadas las circunstancias que se presentan en este tipo de instalaciones, debido principalmente a las condiciones ambientales y al problema de mantener un sistema de generación eléctrico autónomo sin fallos inherentes y/o implicaciones debidas a un arduo mantenimiento.

Palabras clave: Alarma, Capa de Protección, Tablero de Control de Pozos, WirelessHART.

INTRODUCCIÓN

Desde hace más de 18 años, en las plataforma de pozos de producción de aceite en el Golfo de México, se han implementado como capas de protección Sistemas Digitales de Control: Sistema Digital de Monitoreo y Control de Proceso (SCBP, BPCS o SDMC), Sistema de Paro por Emergencia (SPPE o ESD) y Sistema de Gas y Fuego (SG&F), además del Tablero Hidroneumático de Control y Seguridad de Pozos (WCP).

Sin embargo, por cuestiones operativas de las propias plataforma de pozos de producción, las condiciones de mantener la cantidad de gas requerida para generar energía eléctrica (por medio de Sistemas de Microturbinas de gas) y/o el dimensionamiento excesivo de paneles solares para el suministro de energía en una plataforma de pozos, ha complicado el mantener alimentados eléctricamente todos los Sistemas Digitales de Control (SDMC, SPPE y SDG&F); y esto, ha dirigido toda la responsabilidad del monitoreo, control y seguridad de la plataforma al Tablero Hidroneumático de Control y Seguridad de Pozos (WCP).

Desde el año 2013, el IMP (Instituto Mexicano del Petróleo) y ESPARTEC han trabajado en conjunto con fabricantes de instrumentación inalámbrica WirelessHART para desarrollar una solución de monitoreo para el Tablero Hidroneumático de Control y Seguridad de Pozos (WCP) de las plataforma de pozos de producción, con el objeto de permitir al operario eficientar sus funciones y conocer todos los parámetros de alarmas, desempeño y modos de falla del Tablero Hidroneumático de Control y Seguridad de Pozos (WCP), antes de realizar un paro de emergencia real y/o espurio.

Figura 1. Tablero de Control de Pozos (WCP) y Tablero de Interfase (IP) (Cortesía ESPARTEC).

El Tablero de Control de Pozos (WCP) como comúnmente se le conoce, es un Tablero Local Hidroneumático, para el Control y Seguridad de los Pozos, cuya función principal ante un escenario riesgo en el área de pozos, es cerrar las válvulas de corte de los pozos (Válvulas de Ala, Superficial y Subsuperficial), mediante un control secuencial de acuerdo a los límites de alta y baja presión en las bajante de cada pozo y/o ante un evento de fuego en el área de pozos, por medio de una red de tapón fusible, realizando una secuencia de cierre total de los pozos (Paro por Emergencia).

El monitoreo remoto de las funciones que desarrolla el Tablero de Control de Pozos (WCP), es realizado a través de un Tablero de Interface (IP: Interface Panel), ver figura 1, que por medio de interruptores de presión alambrados al Sistema Digital de Monitoreo y Control de Proceso (SDMC) permite conocer de manera discreta el estado que guarda cada pozo, además por medio de una válvula solenoide se puede desencadenar el cierre de emergencia de toda el área de pozos. Sin embargo, si en la plataforma de pozos de producción no existe energía eléctrica, lo anterior no puede ser posible.

IMPLEMENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN INALÁMBRICA WIRELESSHART Y UN SISTEMA DE ADMINISTRACIÓN DE ALARMAS

El diseño de una plataforma de pozos de producción, cuenta con las áreas y equipos de proceso y servicios mínimos necesarios para su operación y producción, la operación del proceso involucrado consta básicamente de la siguiente infraestructura, ver figura 2:

  • Área de pozos.
  • Separador de Prueba o Medidor de Flujo Multifásico.
  • Separación de Producción Remota (Opcional)
  • Depurador de Gas de Servicios.
  • Paquetes de Químicos (Inhibidor de corrosión y antiespumante).
  • Quemador tipo Boom (Opcional).
  • Área de trampas de diablo (Olegasoducto y/o Gasoducto (gas de B.N. en una etapa futura para ayudar a la recuperación secundaria de aceite).
  • Caseta de Operación.
  • Cuarto de Control Eléctrico (Opcional).
  • Helipuerto (Opcional).
Figura 2. Plataforma de Producción Típica de Pozos (Cortesía IMP).

Como parte del monitoreo y control de una plataforma de pozos de producción típica, se consideran los siguientes sistemas:

  • Sistema Digital de Monitoreo y Control de Procesos (SDMC).
  • Sistema de Paro por Emergencia (SPPE).
  • Sistema de gas y fuego (SG&F).
  • Tablero de Control de Pozos y Tablero de Interfase (WCP e IP).

Lo sistemas anteriores, son las capas de protección que deben existir en cualquier planta de proceso con el objeto de reducir el riesgo de un evento peligroso a un nivel tolerable de riesgo, ver figura 3.

El nivel tolerable de riesgo, dependerá mucho de la política y consciencia de seguridad de cada empresa, además de la experiencia operativa adquirida a través del tiempo en este tipo de instalaciones.

Figura 3. Capas de Protección en un Proceso (Cortesía Comité de Seguridad ISA).

PROBLEMAS DE CONSUMO ELÉCTRICO

Sin embargo, para el caso de una plataforma de pozos de producción la tendencia en el monitoreo y control se basa solamente en el funcionamiento, confiabilidad y disponibilidad del Tablero de Control de Pozos; es decir, eliminando todos los Sistemas Digitales de Control (SDMC, SPPE y SDG&F), lo cual no parece congruente; sin embargo, no resulta nada fácil el mantener estos sistemas en operación y un correcto funcionamiento, pues la generación eléctrica y el mantenimiento predictivo y preventivo no resulta fácil llevarlo a cabo en instalaciones marinas.

El consumo eléctrico de los tres Sistemas Digitales de Control (SDMC, SPPE y SDG&F) asciende a un valor aproximado de 8 a 9 kW, el cual ha tratado de cubrirse de distintas formas, utilizando sistemas de generación eléctrica (Microtubinas de gas) y sistemas fotovoltaicos (Celdas solares), los cuales, ha resultado muy problemático mantener en operación, debido a las cuestiones operativas tan variables que tiene una plataforma marina (Por ejemplo: por deficiencia de gas) y/o las condiciones ambientales marinas (Desgaste prematuro de las celdas fotovoltaicas).

En el caso del Tablero de Control de Pozos y el Tablero de Interfase (WCP e IP), el consumo eléctrico consiste en 5 W, el cual corresponde solo a la alimentación eléctrica de una válvula solenoide que realiza de manera remota el paro por emergencia proveniente de desenergizar una señal de salida digital del Sistema de Paro por Emergencia (SPPE).

Debido a lo anterior, a través del tiempo en México, el Tablero de Control de Pozos (WCP) ha ido adquiriendo más responsabilidad, en la seguridad y control de las plataforma de pozos de producción, pues al no existir alguna fuente de energía eléctrica que alimente sistemas de control, ahora se han incluido en su lógica de control, el cierre adicional de las válvulas de corte de emergencia (SDV´s) en los ductos de entrada y/o salida de la plataforma y, se ha extendido la cobertura del tapón fusible a otras áreas (Por ejemplo: al depurador de gas de servicios y trampas de diablo), para detectar un evento de fuego y actuar sin dudar al cierre de la producción de la plataforma para evitar un riesgo potencial sin control.

FILOSOFÍA DEL TABLERO DE CONTROL DE POZOS (WCP)

De manera inherente, el diseño del Tablero de control de Pozos (WCP), ver figura 4, nació totalmente con el objeto de encargarse de la seguridad en el área de pozos, ante un evento de alta / baja presión en las bajantes de los pozos y/o un evento de fuego localizado, procurando llevar a un estado seguro a la plataforma de pozos de producción, por tal razón el Tablero de control de Pozos (WCP) es reconocido como un Sistema de Seguridad de Paro Neumático.

En la actualidad, sabemos que cualquier Sistema de Seguridad depende en gran medida de la redundancia de su hardware y más de los diagnósticos del mismo hardware y elementos sensores y/o elementos finales de actuación, además de la supervisión de los lazos de control de seguridad, que permite tener una alta disponibilidad y confiabilidad en el momento de actuación ante un evento de riesgo.

Figura 4. Funciones de un Tablero de Control de Pozos (Cortesía IMP).

Aplicando la tecnología de la instrumentación WirelessHART al proceso de una plataforma de pozos de producción, se puede diagnosticar, predecir y alarmar tanto la operación de la plataforma, como conocer, porque el Tablero de Control de Pozos (WCP) se accionó; o conocer simplemente, cual fue la razón de la activación del Tablero de Control de Pozos (WCP), además de que con esta información se pueda conocer el estado y/o salud que guarda el tablero y así, evitar paros en falso y diferimientos de la producción.

Integrar la tecnología de la instrumentación inalámbrica WirelessHART, al proceso de una plataforma de pozos de producción, permite hoy inferir por medio de graficas de tendencia el comportamiento de la producción de los pozos, e identificar además posibles fallas, fugas y activaciones puntuales que se pueden presentar en un Tablero de Control de Pozos (WCP).

Figura 5. Distribución de Instrumentación Inalámbrica WirelessHART en Plataforma de Pozos de Producción (Cortesía IMP/EMERSON).

IMPLEMENTACIÓN DE INSTRUMENTACIÓN INALÁMBRICA WIRELESSHART Y SISTEMA DE ALARMAS

El uso de la instrumentación inalámbrica WirelessHART y la implementación de un Sistema de Alarmas, ver figura 6, resuelven los siguientes problemas en las plataformas de pozos de producción:

  • El Operario no perderá en ningún momento el monitoreo del proceso, ni tampoco el desempeño del Tablero de Control de Pozos (Aun sin contar con Sistemas Digitales de Control), con lo cual se conocerá en todo momento las condiciones de proceso y el nivel de seguridad con el que cuenta la plataforma de producción pozos de manera remota.
  • Con la implementación de un Sistema de Alarmas se podrá evaluar, desde cualquier complejo o instalación en tierra, como el operario forma parte importante de la cadena reducción de riesgo en una instalación marina.
  • Por medio de la instrumentación inalámbrica WirelessHART y la Administración de Alarmas, se podrá parametrizar en las plataformas de pozos de producción, el estado que guarda el Tablero de Control de Pozos (WCP) antes y/o después de un Paro por Emergencia de la plataforma. Esta situación dará a conocer la verdadera confiabilidad y disponibilidad del Tablero de Control de Pozos (WCP), ya que nunca ha sido comprobable el verdadero desempeño que el Tablero alcanza en las plataformas marinas en México.
Figura 6. Monitoreo de Alarmas en un Tablero de Control de Pozos (WCP) (Cortesía IMP/ESPARTEC).

La información generada de todo el proceso en un Sistema de Administración de Alarmas, servirá para realizar una base de datos de alarmas, que permitirá diseñar una Filosofía de Alarmas con la cual el operario, podrá ser considerado una Capa de Protección Independiente en las plataformas de pozos de producción. Además, se incrementara la disponibilidad y confiabilidad del Tablero de Control de Pozos (WCP) como Sistema de Control y de Seguridad, pues será posible mantener la visualización y la integridad del área de pozos, equipos de proceso y el monitoreo puntual del estado de fuego y paro por emergencia en las plataformas marinas.

Por lo tanto, la importancia de la implementación de la instrumentación inalámbrica WirelessHART y de un Sistema de Alarmas, documentara como la Administración de Alarmas aplicado en una plataforma de pozos de producción, sin tener Sistemas Digitales de Control (SDMC, SPPE y SDG&F) puede contribuir a la reducción de riesgo coadyuvando a una correcta toma de decisión del operario ante un escenario de riesgo.

CONCLUSIONES

Es importante mencionar, que de acuerdo a lo indicado en el reporte técnico ISA-TR84.00.08-2017 la aplicación de la tecnología Wireless es una capa de protección No SIS, ya que hasta el momento se encuentra en un nivel de reducción de riesgo por debajo de cualquier métrica de un SIS; sin embargo es muy claro el mensaje de la aplicación presentada en este artículo, pues sí es bien analizada su aplicación e implementación en un proceso, esta puede servir de punta de lanza junto con un Sistema de Alarmas para contribuir eficazmente como una capa de protección muy sólida y contundente, en la seguridad de las plataformas marinas y más aún, cuando los Sistemas Digitales de Control (SDMC, SPPE y SDG&F) parecen ser una solución muy cara debido a que las condiciones ambientales marinas, son muy difíciles de poder evitar y de la misma forma, los fallos y mantenimientos muy exhaustivos y complicados.

Como siempre, será importante mencionar y recomendar, que cualquier aplicación con el uso de la tecnología y/o el conocimiento correcto del funcionamiento de un equipo, conlleva a consultar a los especialistas y expertos que existen en la instrumentación inalámbrica, pero además como en este caso, la participación del fabricante con su conocimiento de funcionamiento, operación y fallos que pueden ocurrir en un Tablero de Control de Pozos (WCP), lo cual permitirá encontrar siempre la mejor solución en un proceso, en este caso en una plataforma de pozos de producción.

GLOSARIO

Capa de Protección: Cualquier mecanismo independiente que reduce el riesgo por control, prevención o mitigación y que pueden ser entre otros: equipo de proceso, sistema de control básico de proceso, procedimientos administrativos, y/o respuestas planeadas para protección contra un riesgo inminente.

Filosofía de Alarmas: Es el documento marco que establece, los criterios, definiciones, principios y responsabilidades para la implementación de las etapas del Ciclo de Vida de la Administración de Alarmas, incluyendo la especificación de los métodos para identificar, racionalizar, clasificar, priorizar, monitorear, modificar y/o auditar un Sistema de Alarmas.

Sistemas de Alarmas: Conjunto de hardware y software que detectan el estado de una alarma, comunicando la indicación del estado del proceso a un operador y donde se registran cambios en el estado de la alarma debida a una acción en un determinado tiempo.

Sistema de Control Básico de Proceso (SCBP, BPCS o SDMC): Sistema que responde a señales de entrada del proceso, sus equipos asociados, a otros sistemas programables y/o un operador y genera señales de salida causando que el proceso y sus equipos asociados operen en el modo deseado, pero que no desempeña ninguna función instrumentada de seguridad.

Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS): Es un sistema compuesto por sensores, procesadores lógicos y elementos finales de control que tiene el propósito de llevar al proceso a un estado seguro cuando se han violado condiciones predeterminadas.

Sistemas de Paro Neumático: Sistema de seguridad que opera con suministro de aire o gas y es aplicable en donde no está disponible la energía eléctrica.

Sistemas de Seguridad: Es todo aquél sistema que implanta las funciones de seguridad requeridas para mantener un estado seguro en el equipo bajo control.

Situación Anormal: Una perturbación o serie de perturbaciones en un proceso que hace que las operaciones de una planta se desvíen de su estado operativo normal.

Tablero de Control de Pozos (WCP): Tablero local hidroneumático, para control y seguridad de pozos, cuya función principal es la de permitir la operación de una manera segura la apertura de las válvulas (SSSV, SSV, WV) de los pozos y enviar a un estado seguro (cierre) de estas válvulas por una acción manual o automática.

Tablero de interfase: Tablero de interconexión física neumática/eléctrica que sirve de enlace entre el tablero de control de pozos y el sistema digital de monitoreo y control que recibe el estado de las válvulas y envía las acciones de cierre parciales de pozos así como la acción de cierre total de pozos desde señal proveniente del Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS).

Válvula de ala o lateral (WV): Válvula localizada sobre la bajante lateral del árbol de navidad, la cual puede ser operada normalmente por un actuador neumático, hidráulico o por uno manual y se utiliza para abrir o cerrar el flujo del pozo.

Válvula de seguridad sub-superficial (de tormenta) (SSSV): Válvula instalada dentro de un conductor con las funciones de prevenir un flujo no controlado mediante su cierre. Es operada a través de un actuador hidráulico. Esta válvula (SSSV) es aplicable solo a instalaciones marinas.

Válvula de seguridad superficial (maestra) (SSV): Válvula automática en la cabeza de pozo la cual cierra por pérdida de suministro de potencia. El actuador es normalmente neumático o hidráulico.

WirelessHART: Es un estándar industrial abierto, desarrollado para los requisitos especiales de la comunicación inalámbrica en el nivel de campo de la industria de procesos.

REFERENCIAS

[1] API RP 14C. “Analysis, design, installation, and testing of safety systems for offshore production facilities”, American Petroleum Institute, 2017.

[2] ANSI / ISA-18.2-2016, Management of Alarm Systems for the Process Industries.

[3] ISA-TR84.00.08-2017, “Guidance for Aplication of Wireless Sensor Technology to Non-SIS Independent protection Layers”

[4] IEC 61511-2016, Functional Safety – Safety instrumented systems for the process industry sector – Part 1: Framework, definitions, system, hardware and software requirements.

[5] AICHE – CCPS. Guidelines for Safe Automation of Chemical Processes, AIChE, 2017.

[6] Safety Integrity Level Selection, Systematic Methods Including Layer of Protection Analysis, Edward M. Marszal, P.E., CFSE, Dr. Eric W. Scharpf, MIPEZ, ISA 2002.

[7] Safety Instrumented Systems: Design, Analysis and Justification (2nd Edition), Gruhn & Cheddie, ISA, 2006.

[8] Using Alarms as a Layer of Protection, Todd Stauffer, P.E. EXIDA, Dr. Peter Clarke, CFSE EXIDA, 8th Global Congress on Process Safety, April 1-4, 2012, Houston, Tx.

[9] American Petroleum Institute (API), http://www.api.org/

[10] International Society of Automation (ISA), http://www.isa.org/

[11] International Electrotechnical Commission (IEC), http://www.iec.ch/

[12] Espartec, http://www.espartec.com.mx/

[13] Field Comm Group, https://fieldcommgroup.org/

AGRADECIMIENTOS

Los autores de este artículo, queremos reconocer y agradecer los consejos y asesoría del Ing. Yair Martínez Mendoza especialista en Fieldbus Foundation y WirelesssHart por sus grandes aportaciones en este proyecto y artículo, el cual valió la participación conjunta en el evento: “Emerson Global Users Exchange” en el año 2014 en Orlando, Florida.

ACERCA DE LOS AUTORES

Ing. Norberto de Jesús Torres García. Ingeniero Mecánico Electricista egresado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, cuenta con más de veinte años de experiencia en el Diseño y Fabricación de Tableros de Control de Pozos, Diseño y Fabricación de Tableros de Control para Protección de Motobombas y Compresores con controladores Murphy y ha participado en diversos proyectos Offshore y Onshore en la industria del Petróleo y Gas. Actualmente labora en ESPARTEC, S. A. de C. V., donde funge como Gerente de Proyectos.

M. I. Erick Oswaldo Martínez Aguirre. Ingeniero Químico egresado de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, cuenta con una Maestría en Ingeniería en Confiabilidad, Mantenibilidad y Riesgo en la Universidad de las Palmas en las Islas Canarias, España, tiene casi veinte años de experiencia en el área de Automatización, Análisis de Riesgos y Seguridad Funcional y ha participado en diversos proyectos Offshore, Onshore, Petroquímica y Gas y Refinación en la industria del Petróleo y Gas en México y USA. Actualmente labora en el Instituto Mexicano del Petróleo en el departamento de Análisis de Riesgo y Seguridad Funcional y es Miembro Senior de ISA USA, en ISA Central México funge como Director del Comité de Seguridad para el período 2017-2018.

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