Autor: Ing. Juan Carlos Salas Chávez Compañía: Pemex Gas y Petroquímica Básica

1. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Monterrey, N.L • 11 -13 Noviembre 2009 Autor: Ing. Juan Carlos Salas Chávez Compañía: Pemex Gas y Petroquímica Básica

2. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Pantalla SCADA Pantalla Modelo Objetivo: Presentar y describir el Sistema de Modelamiento y Simulación del SCADA de Pemex Gas, mostrando sus diferentes módulos, cómo a evolucionado a partir de su implantación y cuáles son los beneficios obtenidos con este tipo de sistemas.

3. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Salida Entrada GQ, P2,T2, Q2 GQ, P1,T1, Q1 Comportamiento operativo del ducto Resumen: Pemex Gas y Petroquímica Básica cuenta con un Sistema de Modelamiento y Simulación ubicado en los Centros de Control Principal (CCP) y Alternativo (CCA) del Sistema SCADA dependiente de la Subdirección de Ductos. El Sistema de Modelamiento y Simulación es una herramienta operativa adicional al SCADA, la cual consta de hardware y software, que nos permite conocer las condiciones operativas en tiempo real y a futuro (presión, flujo, temperatura, elevación, densidad, entre otros) de cualquier punto de la Red de Ductos de transporte de Gas Natural y Gas LP, partiendo de los datos en tiempo real proporcionados por el SCADA.

4. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB 2004 2006 Año 2000 2008 2009 • Introducción: • Pemex Gas cuenta con aproximadamente 9,016mil kilómetros de ductos de gas natural con diámetros desde 4 a 48 pulgadas y 1,835 kilómetros de ductos de gas LP. • A Principios del Año 2000 inició operaciones el sistema SCADA de Pemex Gas y Petroquímica Básica. • Durante el año 2000 a 2004 el Sistema de Modelamiento y Simulación estuvo en periodo de estabilización y sintonización. • Diciembre 2004 a diciembre 2006, se llevó a cabo la Actualización y Ampliación del sistema SCADA. • Año 2008 la Actualización y Ampliación del sistema de Modelamiento y Simulación, que actualmente se encuentran operando.

5. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Nomenclatura: • SCADA: Sistema de Control Supervisorio y Adquisición de Datos. • SMS: Sistema de Modelamiento y Simulación. • DAIO: Datos de entrada y Salida (Data Input – Output). • DPP: Pre-procesamiento de Datos • P: Presión,Q: Flujo, T: Temperatura • GUI: GraphicalUser Interface. Interfaz gráfica para usuarios del Sistema de Modelamiento y Simulación. • XOS: Extended Operator Interface, Interfaz gráfica para usuarios del sistema SCADA. • RTU: “Remote Terminal Unit”. Unidad terminal remota • Modelo de Tiempo real: Datos calculados en tiempo real de las condiciones operativas de las redes de gas natural y LPG a partir de los datos proporcionados por el SCADA. • Modelo predictivo: Datos simulados a futuro a partir de las condiciones operativas de las Redes de Gas Natural y LPG y simulando cambios operativos como presión/flujo, apertura/cierre de válvulas, paro/arranque de estaciones de compresión o bombeo y obtener los resultados.

6. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Definiciones: El Sistema de Modelamiento y Simulación (SMS) puede definirse por dos conceptos fundamentales: • Modelamiento: Cálculos matemáticos para la representación gráfica y numérica del Sistema de Transporte por Ducto de Gas Natural y LPG compuesto por ductos, válvulas, compresores, estaciones y regulación y medición, partiendo de la información obtenida de campo mediante el SCADA. • Simulación: Representación funcional operativa del Sistema de Transporte por ducto de Gas Natural y LPG a futuro, basada en ecuaciones matemáticas y gráficos.

7. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Pantalla SCADA Pantalla SMS • Definiciones: Con estas definiciones obtenemos el concepto de “Sistema de Modelamiento y Simulación”: Es una herramienta operativa adicional al SCADA, la cual consta de hardware y software, que nos permite conocer las condiciones operativas en tiempo real y a futuro (presión, flujo, temperatura, elevación, densidad, entre otros) de cualquier punto de la Red de Ductos de transporte de Gas Natural y Gas LP, partiendo de los datos en tiempo real proporcionados por el SCADA.

8. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Módulos que comprenden el SMS: • Interfaz de datos entre el sistema SCADA y el Sistema de Modelamiento y Simulación (SMS). • Modelamiento en tiempo real de las redes de ductos. • Detección y localización de fugas en las redes de ductos de LPG. • Simulación de proyección a futuro (“look ahead”). • Simulación predictiva “qué pasa si”. • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos.

9. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Equipos que comprenden el Sistema de Modelamiento y Simulación:

10. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB RTU Enlace CCP • Origen de los Datos: • Medidores de Flujo • Composición química del producto • Actuadores de válvulas • Transmisores M M ó ó dulo DAIO dulo DAIO (Data Input/output) (Data Input/output) Q, P, T, posici Q, P, T, posici ó ó n n v v á á lvulas (Tiempo Real) lvulas (Tiempo Real) CCPRTS1 CCPRTS2 , , , CCPSMSBGN1 Y LPPQ1 MODELO MODELO SCADA SCADA MODELO MODELO SCADA SCADA Procesamiento Procesamiento y C y C á á lculo lculo de Datos de Datos • Interfaz de datos entre el SCADA y el SMS: • Interfaz unidireccional, en la que se obtiene la información operativa de los Ductos vía SCADA hacia el SMS.

11. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Datos calculados por el SMS en tiempo real. Datos de referencia (condiciones de borde) proporcionados por SCADA. • Modelamiento en tiempo real de las redes de ductos: • El modelamiento en tiempo real refiere a los datos proporcionados por el SMS, los cuales son valores de presión, flujo, empaque y composición química del producto a lo largo del ducto, así como posiciones de válvulas.

12. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Kilometraje y valor de presión en ese punto Perfil de Presión de un tramo de ducto Perfil 3 dimensiones • Modelamiento en tiempo real de las redes de ductos: • Perfiles Hidráulicos, estas pantallas muestran los valores de presión, flujo, temperatura y elevación/cabeza de cualquier Ducto.

13. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Tiempo y valor de la variable Pantalla de tendencia de una variable • Modelamiento en tiempo real de las redes de ductos: • Tendenciasya sea de presión, flujo, temperatura o cambio de empaque de cualquier punto de inyección o extracción del sistema. Una tendencia se define con el comportamiento de una variable con relación al tiempo.

14. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento en tiempo real de las redes de ductos: • Finalmente, el modelo de tiempo real tiene un panel de alarmas y eventos, que muestra la siguiente información: • Alarmas por alta o baja presión. • Cambio de posición de una válvula de seccionamiento, trampa de diablos o válvula troncal. • Fuga de producto (caso de LPG). • Cambio de presión o flujo en un punto de inyección o extracción modificado en una simulación.

15. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Detección y localización de fugas en las redes de ductos de LPG : • Permite detectar oportunamente fugas de producto en cualquier punto de la línea, éste módulo opera de la siguiente forma. • Los ductos se dividen en segmentos, de acuerdo con la telemetría con la que cuenta SCADA. • Metodología de balance compensado de volumen. El balance de volumen es el flujo neto en la sección menos el cambio en inventario o empaque. • La referencia o condiciones de borde son los datos de presión y flujo. • Validación de datos de SCADA fuera de rango, sin actualizar o con mala calidad (dato no actualizado) para minimizar falsas alarmas de fuga.

16. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Cuando el valor del balance de volumen (verde), sobrepasa el umbral total (roja), el sistema indica que hay fuga. • El balance de volumen (verde) es la diferencia que existe entre el balance de flujo (azul) y la razón de cambio de empaque (amarillo). • En condiciones normales, el cambio de empaque (amarillo) sigue el balance de flujo (azul). • Detección y localización de fugas en las redes de ductos de LPG : • La pantalla muestra el balance de flujo (color azul), balance de volumen (color verde), razón de cambio de empaque (amarillo) y el umbral total (color rojo).

17. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • La línea morada indica el kilometraje donde se está presentando la fuga. • Detección y localización de fugas en las redes de ductos de LPG : • El SMS también determina la ubicación donde se está presentando la fuga, considera el tramo con desbalance y determina la ubicación de acuerdo a la longitud del ducto.

18. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Duración de la simulación hacia el futuro Intervalo de tiempo de inicio de la simulación • Simulación de proyección a futuro (“look ahead”). • El SMS tiene la posibilidad de crear escenarios “que pasa si”, los cuales se refieren a la funcionalidad del sistema para obtener datos simulados a futuro, a partir de las condiciones operativas actuales (tiempo real) de las redes de gas natural y LPG: • La simulación de proyección funciona de manera automática, los parámetros de entrada para este módulo son la frecuencia y la duración de la simulación. • Puede utilizarse para verificar el estado operativo de los ductos al momento de realizar un cambio de turno.

19. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Duración de la simulación hacia el futuro Tiempo de Simulación Controles para arrancar, pausar o detener la simulación • Simulación predictiva “qué pasa si”. • Simulación a futuro de las condiciones operativas del sistema de transporte, considerando cambios operativos (cierre de válvulas, cambios en flujo en inyecciones o extracciones, paro de estaciones). La simulación se puede realizar de 3 formas: • Modo en tiempo real, manual y re-arranque (re-start).

20. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Cambio de estado de una válvula para simular un cierre • Cambio de volumen en una extracción de gas • Simulación predictiva “qué pasa si”. • La simulación en modo manual permite al operador realizar cambios operativos en la línea, como por ejemplo un cierre de válvula:

21. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Diferencia de presión aguas arriba y aguas debajo de la válvula. • Flujo en cero en el punto donde se encuentra la válvula. • Simulación predictiva “qué pasa si”. • Pantalla de perfiles hidráulicos indicando el efecto en presión y flujo debido al cierre de la válvula:

22. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB Pantalla para el instructor Pantalla SCADA para el operador • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Mismas funcionalidades que el modelo predictivo y cuenta una interfaz GUI SCADA-Modelo para desplegar los datos en pantallas SCADA. • El operador podrá entrenarse en el mismo ambiente del sistema real, es decir, cuenta con “un simulador de operación de ductos”. • Permite interacción operativa entre un instructor y el operador en una misma simulación.

23. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • Escenario 1: El operador envía un comando de cierre desde su pantalla SCADA.

24. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • El SMS recibe el comando y simula el cierre como si realmente en “campo” la válvula estuviera cerrada.

25. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • En la pantalla GUI de SCADA, el operador ve cerrada la válvula. • También observa cómo los valores de presión de los “instrumentos de campo” cambian debido al cierre.

26. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • Escenario 2: El instructor envía un comando de cierre desde su pantalla del SMS.

27. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • SCADA el cambio de estado de la válvula y notifica al operador mediante una alarma, el cambio de estado no ordenado de la válvula.

28. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • El operador debiera realizar las acciones operativas necesarias para mantener el sistema estable.

29. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelo de entrenamiento para operación de ductos. • Simulación de envío de comando de cierre de válvula. • Pantalla del SMS mostrando el perfil de presión y flujo del ducto, reflejando el efecto del cierre de la válvula.

30. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • El SMS también puede utilizarse para realizar simulaciones considerando cambios físicos en la línea (únicamente para simulaciones fuera de línea “off-line”) para propósitos de planeación y análisis costo – beneficio. • Evaluar el costo – beneficio de automatizar una válvula, ya sea de seccionamiento, troncal o trampa de diablos. • Se realiza una simulación predictiva simulando una fuga en el ducto. • Datos iniciales: Tramo: Ducto de 48” de diámetro y longitud de 65+340 kms., presión y flujo de entrada: 61.5 kg/cm2 y 801 MMPCD, empaque total: 169.592 MMPC, Simulación de fuga: perforación de 4” de diámetro.

31. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • Pantalla de inicio mostrando los datos operativos.

32. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • Resultados obtenidos: • Después de 1 día y 19 horas, el ducto se encuentra completamente vacío. • La cantidad de gas emitido a la atmósfera fue de 169 MMPC

33. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • Resultados obtenidos, simulando ahora el cierre de una válvula intermedia (ya que ahora es una válvula automatizada). • Después de 22 horas, el ducto se encuentra completamente vacío. • La cantidad de gas emitido a la atmósfera fue de 86 MMPC.

34. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • Comparativa: • Al tener automatizada una válvula intermedia nos generó un ahorro en tiempo de 21 horas, tiempo que puede traducirse en que las pérdidas por interrupción del servicio de transporte se reducirían a la mitad. • La cantidad de gas enviando a la atmósfera también se redujo a la mitad. • Conclusión: • Como el negocio principal de la Subdirección de Ductos de Pemex Gas es el transporte, con esta herramienta podemos evaluar si es conveniente o no, la automatización de una válvula en específico.

35. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Modelamiento y Simulación para automatización de válvulas y corridas de diablos. • Finalmente, el SMS también permite realizar la simulación de corridas de diablos en estado completamente transitorio, se calculan las presiones y flujos en el ducto y la velocidad del diablo. • Es posible cambiar las condiciones operativas del ducto durante la simulación.

36. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Conclusiones. • Ventajas de contar el Sistema de Modelamiento y Simulación en PGPB. • Permite conocer en tiempo real las condiciones operativas en cualquier punto de los Ductos de Transporte tanto de Gas Natural como de LPG, tomando como referencia los datos proporcionados por el SCADA. • La detección y localización de fugas para los ductos de gas LP nos permite detectar más oportunamente cualquier fuga que ocurra y tomar acciones inmediatas para controlar y solucionar la contingencia, previniendo así, consecuencias que involucren un mayor riesgo. • Conocer a futuro cuáles son las condiciones operativas de los ductos, esto significa el poder explotar al máximo la infraestructura de Ductos con que cuenta Pemex Gas dentro de los márgenes de seguridad establecidos, lo que se traduce en una mayor eficiencia y mayor utilidad para la empresa. • Con la Simulación predictiva, se pueden llevar a cabo estrategias operativas para la elaboración de procedimientos de seguridad y emergencia, ya que con la simulación de sistemas es posible representar situaciones operativas críticas que pongan en riesgo la integridad de las instalaciones y de esta manera desarrollar planes de emergencia actualizados. • Simulación de Entrenamiento, crear escenarios operativos para la capacitación y evaluación del personal de turno y decidir si la persona evaluada es apta para operar las redes de Ductos.

37. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Conclusiones. • Ventajas de contar el Sistema de Modelamiento y Simulación en PGPB. • Apoyo en la toma de decisiones al momento que automatizar válvulas, ya que es posible “simular” escenarios de operaciones críticas, tales como libranzas y fugas de producto, para determinar las válvulas críticas que deban automatizarse. • Análisis de sobrevivencia de línea, el cual nos permite conocer el tiempo en que un ducto es capaz de sostener la demanda de gas sin afectar las entregas (libranzas por mantenimientos). • Análisis de corridas de diablos, para conocer el tiempo estimado de llegada del diablo en cada una de las estaciones superficiales del ducto.

38. SISTEMA DE MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL DEL SCADA DE PGPB • Agradecimientos. • A todo el personal técnico y administrativo de la Gerencia de Sistemas de Control y Monitoreo Automatizados y de la Gerencia de Operación, pertenecientes a la Subdirección de Ductos de Pemex Gas y Petroquímica Básica que aportaron y validaron la información contenida en el SMS, incluyendo a los que participaron y lo siguen haciendo en las diferentes fases de implantación de este sistema como proveedores, programadores y administradores. • Referencias. • Especificación Funcional del Sistema de Modelamiento y Simulación. • Manuales de operación del Sistema de Modelamiento y Simulación Gas Natural y LPG. • Procedimientos de operación y navegación del sistema SCADA. • Referencia API 1130 y 1149 para detección de fugas.