OPERACIÓN ÓPTIMA DE BOMBAS CENTRÍFUGAS CON INTELIGENCIA ARTIFICIAL
El equipo Ing. Mecánico
Magister en Mejoramiento Continuo +12 años en confiabilidad y gestión de activos para el sector minero y energético
Ing. Electrónico
Profesional de Confiabilidad CMRP +13 años en confiabilidad y gestión de activos para el sector O&G
Ing. de Control M.Sc, Ph.D
Doctorado en Mercados Energéticos +12 años en construcción de modelos matemáticos para los sectores industrial, tecnológico y financiero
Ing. Mecánico M.Sc
Especialista en Producción de Hidrocarburos +9 años en gestión de activos y proyectos para el sector O&G
Contenido • Introducción • Definición del problema • Estrategia de modelamiento • Desempeño del modelo • Análisis y caso de uso • Conclusiones
Introducción
Bombas centrifugas multietapa • Ampliamente usadas en producción y transporte de líquidos. • Unidades principales por encima de 1.000 hp. • Instrumentación suficiente para medir la condición del equipo. • Historiador o repositorio de datos.
Tomado de Centrifugal Pump Handbook 3rd Ed
Vibración / Eficiencia / Cabeza
En teoría
Punto de mejor eficiencia
Caudal
Modificado de API STD 610 9th Ed
En práctica
Rango óptimo de operación
≈3550 rpm
Vibración Algunas fuentes de variación en el patrón de vibraciones son: • Dimensionamiento • Defectos de fabricación • Defectos de montaje • Ondas de presión • Cavitación • Otros equipos
Tomado de Centrifugal Pump Handbook 3rd Ed
Definición del problema
La condición cuesta Operar una bomba en rangos de velocidad inadecuados puede:* • Reducir la vida media de los componentes hasta un 80%. • Aumentar las tasas de falla anuales hasta 6 veces. • Incrementar los costos de mantenimiento hasta 500%. * Fuente: Triol, The Use of VFD for Pumping Units, 2021.
Tomado de Centrifugal Pump Handbook 3rd Ed
La pregunta de negocio De acuerdo con el contexto anterior…
¿Cuál es la velocidad de operación indicada para optimizar la vibración y la eficiencia de la bomba? …considerando los requerimientos operacionales.
Estrategia de modelamiento
Esquema de modelo Requerimiento operacional
Fluido Caudal
Variable de control
Velocidad
Variables objetivo
Gemelo analítico Modificado de Centrifugal Pump Handbook 3rd Ed
Vibración Eficiencia
Datos disponibles Entrenamiento: Validación:
171 días 73 días
Linea base de operación
Incremento inusual de vibración
Datos disponibles Variables disponibles
Unidad
Presión de succión
psi
Presión de descarga
psi
Flujo Temperatura de carcasa
bbl/hr °F
Velocidad angular
rpm
Potencia del motor
kW
Vibración horizontal lado libre
mils
Vibración vertical lado libre
mils
Vibración horizontal lado acople
mils
Vibración vertical lado libre
mils
Potencia de la bomba
kW
Densidad de fluido
s.g.
Viscosidad de fluido
cSt
Bombas activas
Lado acople vertical
Lado libre vertical Lado acople horizontal
Lado libre horizontal Tomado de Centrifugal Pump Handbook 3rd Ed
Inteligencia artificial La inteligencia artificial es un campo que combina la informática y los grupos de datos robustos, para permitir la solución de problemas. Aprendizaje automático Machine learning
|
Aprendizaje profundo Deep learning
Modificado de ibm.com/cloud/learn/what-is-artificial-intelligence
Inteligencia artificial La inteligencia artificial es un campo que combina la informática y los grupos de datos robustos, para permitir la solución de problemas. Aprendizaje automático Machine learning
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Aprendizaje profundo Deep learning
1. Su desempeño aumenta con la cantidad de datos suministrados. 2. Solución de principio a fin con múltiples salidas. Modificado de ibm.com/cloud/learn/what-is-artificial-intelligence
Inteligencia artificial
Inteligencia artificial
keep it simple & stupid
El modelo de predicción Capas ocultas Propiedades de fluido Vibración horizontal lado libre Estrategia de bombeo Vibración vertical lado libre Concentración diluyentes Vibración horizontal lado acople Caudal bombeado Vibración vertical lado libre Cabeza hidráulica Eficiencia hidráulica Velocidad de bombeo
Desempeño del modelo
Métricas de entrenamiento Criterios de entrenamiento: • División aleatoria de entrenamiento y prueba de 67%/33% (171 días en total). • Error mínimo cuadrado MSE como criterio de precisión. • Precisión de entrenamiento: 86% • Precisión de prueba: • Precisión de validación:
92% 85%
Variación no explicada por el modelo. Obedece a cambios físicos del equipo, no a variaciones normales de la operación.
Análisis y caso de uso
Simulación de vibraciones caudal = 2000
caudal = 3000
caudal = 4000
caudal = 5000
Modelo de optimización caudal = 2000
caudal = 2000
caudal = 2000
Máxima eficiencia Mínima vibración ¡Optimo!
Modelo de optimización caudal = 2000
caudal = 3000
Mantener velocidad baja en densidades bajas
caudal = 4000
caudal = 5000
Aumentar velocidad para densidades altas
Recomendador de velocidad
Reducir velocidad
Aumentar velocidad para mantener eficiencia
Reducción en aumento de vibraciones
Cuantificación de beneficios Vibración actual: 2,0 mils
Incremento de 3% Eficiencia actual: 60%
Eficiencia esperada: 63%
Reducción de 0,63 mils
-30% Vibración esperada: 1,37 mils
Conclusiones
Conclusiones • El punto de vibración mínima puede diferir del punto de mejor eficiencia de la bomba. • Un gemelo analítico de IA entrenado en intervalos de operación normal y estable permite simular el comportamiento ideal del equipo bajo diferentes condiciones operacionales. • Balancear la eficiencia y las vibraciones permite encontrar valores de velocidad óptimos para cada requerimiento operacional. • El gemelo analítico facilita la toma de decisiones a los operadores promoviendo el cuidado del activo.
Conclusiones • El incremento potencial de la eficiencia puede alcanzar valores de 2 - 3%. • La reducción de vibraciones puede alcanzar el 10 a 30%. • El gemelo analítico es escalable y replicable en la familia de bombas centrifugas para diferentes aplicaciones industriales. • La línea base establecida por el gemelo analítico permite detectar variaciones anómalas en los sistemas, habilitando el mantenimiento predictivo.
Contacto Oscar Hoyos oscar.h@uptimeanalytics.com 3182527551 Alejandro Celemín alejandro.c@uptimeanalytics.com 3005707926
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