Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP

2010
Diseño de Control Predictivo en Columna de
Destilación de GLP – Planta de
Fraccionamiento Ulé
El control básico de la torre despropanizadora de GLP-2, D8504, es realizado por medio de controladores por
retroalimentación o Feed-Back, con la finalidad de mantener
estables algunas variables tales como temperatura, presión y
caudal de reflujo que son fundamentales para lograr una
especificación determinada del producto. Este sistema de control
funciona de manera adecuada sólo cuando se alcanza el estado
estacionario, pero es poco eficaz para responder ante
perturbaciones o variaciones que ocurren de manera inesperada
produciendo oscilaciones que inestabilizan el proceso.
Los parámetros de operación deseados se obtuvieron
considerando diferentes condiciones operacionales, obtenidas
con la ayuda del programa de simulación de proceso Aspen
HYSYS 2006, mientras que para la identificación de los modelos
en estado no estacionario se determinaron realizando
perturbaciones tipo escalón sobre las variables de entrada de
flujo y reflujo a la torre utilizando los simuladores comerciales
LAB VIEW® y MATLAB®.
Se diseñó un Control por Adelanto, que actúa sobre el valor
deseado del controlador de temperatura del tope de la torre, de
acuerdo al caudal de la corriente de alimentación y del reflujo de
la misma.
Autor: Ing. Danny Montilla
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2 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
RESUMEN
El control básico de la torre despropanizadora de GLP-2, D8-504, es
realizado por medio de controladores por retroalimentación o Feed-Back, con la
finalidad de mantener estables algunas variables tales como temperatura, presión
y caudal de reflujo que son fundamentales para lograr una especificación
determinada del producto. Actualmente; este sistema de control funciona de
manera adecuada sólo cuando se alcanza el estado estacionario, pero es poco
eficaz para responder ante perturbaciones o variaciones que ocurren de manera
inesperada produciendo oscilaciones que inestabilizan el proceso. Es por esto que
se propone utilizar una estrategia de control avanzado para el control de la torre
despropanizadora (D8-504) de la Planta de Fraccionamiento Ulé.
Los parámetros de operaciones deseados se obtuvieron considerando
diferentes condiciones operacionales, obtenidas con la ayuda del programa de
simulación de proceso Aspen HYSYS 2006, mientras que los modelos en estado
no estacionario se determinaron realizando perturbaciones tipo escalón sobre las
variables de entrada de flujo y reflujo a la torre. Para esto se tomaron datos reales
de las variables del proceso y se utilizaron los simuladores comerciales LAB
VIEW® y MATLAB®.
Se diseñó un Control por Adelanto, que actúa sobre el valor deseado del
controlador de temperatura del tope de la torre, de acuerdo al caudal de la
corriente de alimentación y del reflujo de la misma. De esta forma se asegura que
los productos cumplan con el plan de calidad, garantizar ahorros económicos y de
energía e incremento de la confiabilidad del sistema y se disminuye de esta
manera los errores humanos asociados a la manipulación de los parámetros
operacionales dentro del sistema de control distribuido.
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3 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
INTRODUCCION
PDVSA Gas cuenta con instalaciones en diversos campos del país, dedicadas
a la extracción y fraccionamiento de líquidos del gas natural (LGN), que buscan la
explotación rentable de las reservas de hidrocarburos.
En Occidente, se encuentran ubicadas dos plantas de fraccionamiento ULE y Bajo
Grande.
La Planta de Fraccionamiento Ulé se encuentra conformada por las plantas
de fraccionamiento GLP-1, 2 y 3 y la planta de Extracción GLP-5, actualmente se
encuentra operando la Planta GLP-2 con una alimentación promedio de 16 MBPD
de LGN, y la cual posee una capacidad de procesamiento por diseño de 46.0
MBPD de LGN provenientes de las plantas Tía Juana 2 y 3, produciendo: propano,
mezcla de butanos y gasolina natural. La Planta GLP-2 está compuesta por una
torre despropanizadora (D8-504 ó T5-B), una torre desbutanizadora (D8-506 ó T6B), condensadores de propano (D6-501), condensadores de butano (D6-502), dos
tambores de alimentación (D8-501 A/B), dos tambores de reflujo (D8-505 y D8507) y dos rehervidores (D2-504 y D2-506).
Estos productos son utilizados en el mercado nacional en aquellas
localidades donde no existe suministro de gas por tuberías, mediante el despacho
de propano y butano derivado de los procesos de fraccionamiento que ocurren
dentro de la planta de Fraccionamiento ULE.
Esta planta suministra propano al mercado nacional y su producción es
importante para abastecer a la población de occidente. Para el mercado regional,
igualmente se abastece de producto de propano y butano, en conjunto con la
planta de fraccionamiento GLP Bajo Grande. Así mismo, el 20% restante satisface
la demanda de las Plantas de Conservación TJ-2 y TJ-3, para su proceso de
refrigeración y hacia el mercado de exportación.
En la Planta GLP-2 ULE, la mayoría de los procesos se encuentran
automatizados; sin embargo, en el proceso de destilación de GLP es en donde se
centraliza el planteamiento del problema.
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4 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Este trabajo de investigación se basa en la implementación de un control
predictivo en una Columna de destilación de GLP; para poder desarrollar este
trabajo de investigación basado en un modelo matemático obtenido a través de
los software: MATLAB® y LABVIEW®), se desarrollaron los criterios y leyes de
control para la depuración y simplificación de las ecuaciones de estado obtenidas,
y tener un modelo que se asemeje mucho más a la realidad y comportamiento
esperado para la estabilidad y controlabilidad de las variables de proceso que
interactúan entre sí, en el proceso de destilación de GLP.
La metodología
empleada se basa la propuesta por Lewis y Yang (1999) utilizada para diseñar
sistemas de control. Dicha metodología consta de 4 fases: Fase I Modelado o
identificación de sistema, Fase II Desarrollo de la estrategia de control, Fase III
Evaluación del comportamiento, Fase IV Construcción y comprobación. Cada una
de estas fases fueron desarrolladas satisfactoriamente hasta obtener el resultado
esperado, un sistema de control predictivo tipo feed-foward cuya función es
adelantarse a las perturbaciones que ocurren en el proceso donde participan
múltiples variables de forma independiente existiendo una competencia entre
lazos de control que operan en la columna. De esta manera se obtiene un modelo
dinámico de proceso
que describe el comportamiento de la columna de
destilación de GLP, lo que permitiría ajustar de manera automática todas estás
interacciones y perturbaciones que ocurren en el proceso.
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5 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Planta de Fraccionamiento de GLP-ULE. PDVSA GAS, situada en el
municipio Simón Bolívar, sector la Vaca, Tía Juana, Estado –Zulia, se encarga de
Fraccionamiento los líquidos de gas natural (LGN) proveniente de dos plantas de
extracción que se encuentra situada en el Lago de Maracaibo, Planta
Compresoras de Gas Tía Juana 2 (PCTJ-2) y Planta Compresora de Gas Tía
Juana 3 (PCTJ-3).
El control básico a la torre despropanizadora de GLP-2, es realizado por
medio de controladores con retroalimentación o feed-back,
este tipo de
controlador trata de mantener siempre constantes algunas variables, tales como
temperatura, presión y caudal de reflujo, que al diseñar la columna son
fundamentales para lograr una especificación determinada. El sistema funciona de
manera adecuada cuando se alcanza el estado estacionario, pero es poco eficaz
para absorber las lógicas variaciones que se producen en cualquier proceso, por
ejemplo los cambios en la composición o en el caudal de alimentación de la
columna.
Generalmente se suele colocar un control de temperatura en la zona de
agotamiento o stripping para ajustar el caudal de reflujo calefactor al rehervidor y
por tanto la composición del producto de fondo. La calidad del producto del tope
se suele obtener en función del caudal de reflujo, bien directamente o modificado
por otras variables. Es evidente que cuando se produzca una variación en la
calidad o cantidad de alimentación a la columna, existirá una variación en las
composiciones de los productos del tope y fondo hasta que se reajuste los
caudales de reflujo y fluido calefactor respectivamente.
Esta operación se suele hacer manual ajustando los set-point de los
controladores involucrados según criterio del operador al visualizar las variables
involucradas en el proceso, traduciéndose en un proceso susceptible a errores, lo
cual
conlleva
a
problemas
operativos.
El
operador
no
puede
atender
razonablemente a todas las variables que tiene que supervisar y reajustarla cada
minuto. El resultado es que el proceso tendrá su punto de operación a una cierta
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6 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
distancia de las restricciones naturales del proceso de destilación, al objeto de
darle tiempo al operador para reconocer y responder a las perturbaciones de
entrada al proceso, esta situación puede tomar tiempo, lo que causa perdida de
energía, producto fuera de especificación y dificultades al operador al tratar de
obtener los valores deseado de temperatura, presión y reflujo en la columna de
destilación de GLP.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar el Control Predictivo para la Columna de Destilación de GLP en la Planta
GLP-2 instalada en la Planta de Fraccionamiento Ulé, con el propósito de mejorar
la calidad de los productos fraccionado y disminuir el gasto innecesario de energía
durante el proceso de fraccionamiento de propano.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
¾ Diagnosticar el funcionamiento actual de la planta de fraccionamiento Ulé.
¾ Obtener las ecuaciones de estado de la columna despropanizadora de la
Planta GLP-2
¾ Establecer el diseño del controlador predictivo.
¾ Evaluar a través de la simulación el correcto funcionamiento del
diseño
planteado para la columna despropanizadora.
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BASES Y PREMISAS
Las bases y premisas utilizadas para el desarrollo del estudio son las siguientes:
•
Las composiciones de entrada del producto (LGN) hacia la Columna de
Destilación D8-504 promedio de Octubre 2008 son las siguientes:
•
Para la obtención de los parámetros físicos – químicos de las corrientes del
proceso se utilizó el simulador de procesos Aspen Hysys 2006. son los
siguientes:
•
La obtención de la ecuaciones de estado del la Columna de Destilación
D8-504 se realizó con el programa MATLAB®. Versión 7.6.0 (R2008a)
•
Los datos de proceso en estado dinámico de la Columna D8-504 se
obtuvieron del sistema de Control Distribuido (TDC-3000).
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8 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
•
La data de proceso fue transferida vía OPC al programa Process BooK para
la obtención de histórico de las variables involucrada.
•
El tiempo de muestreo de las señales de proceso obtenidas fue de un
segundo.
•
Para la obtención de la data de proceso de la columna de destilación D8504, se realizó en acción manual (lazo abierto).
•
La señal empleada fue tipo escalón unitario en la válvula de control de
entrada del flujo de alimentación a la columna.
METODOLOGIA
La metodología seleccionada para el
diseño de la investigación
corresponde a la propuesta por Lewis y Yang (1999) utilizada para diseñar
sistemas de control, dicha metodología consta de 4 fases
Fase I: Modelado o identificación de sistema
•
Analizar
el
proceso
de
destilación
de
propano
en
la
columna
despropanizadora (D8-504) de la planta fraccionadora de GLP-ULE a través
del estudio de: diagrama de flujo de procesos, planos instrumentación y
control, datos almacenados en el sistema de bases de datos históricos del
Sistema de Control Distribuido (TDC-3000), en el cual se visualizaron los
parámetros de operaciones puntos de ajuste y las distintas alteraciones
generadas por las perturbaciones que ingresan al proceso, así mismo se
tomaron en cuenta las opiniones de los operadores de planta para escuchar
sus sugerencias y problemas en cuanto al funcionamiento de los lazos de
control de la columna de destilación.
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Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
9 •
Identificar las fallas existentes que intervienen en los diferentes esquemas
de control para establecer el por qué de las mismas y su efecto en el
proceso de destilación.
Fase II: Desarrollo de la estrategia de control
Por medio del estudio de los datos arrojados por el sistema de control
distribuido y la evaluación del modelado de la columna de destilación de la planta
se seleccionara la estrategia de control predictivo más acertada para el
funcionamiento de la planta y la cual se puede implementar en el Sistema de
Control Distribuido.
Fase III: Evaluación del comportamiento
En esta fase se comprenderá el uso del simulador como herramienta para el
modelo matemático de la planta, así mismo se espera conseguir una ecuación de
estado precisa y acorde con el proceso en estudio para así elaborar un
controlador efectivo el cual funcione perfectamente en el simulador y al momento
de su aplicación real en el proceso de destilación.
Fase IV: Construcción y comprobación
Se emplearon los programas MATLAB® para conseguir la ecuación de
estado y el programa LABVIEW® y ASPEN HYSYS® para simular el proceso de
destilación de GLP, adicionalmente se construye un esquema gráfico de la plata,
su funcionamiento y la aplicación del controlador.
En base a la simulación de nueva propuesta de estrategia de control y
actualización del modelo de la planta, se entonan los esquemas de control.
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10 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
DESARROLLO
Filosofía de Control
La alimentación de LGN proveniente de las plantas Compresora del lago Tía
Juana 2 y 3, es almacenada en los tambores de compensación D8-501A y D8501B (conectados en paralelo), como se muestra en la figura 1.
Figura 1: Alimentación y Precalentado GLP-2
Fuente: PDVSA GAS 2009.
Las bombas de descarga D3-501 A/B/C (una en operación y dos en reserva)
succionan de los tambores D8-501 A/B y descargan mediante el control de flujo
FIC7G2 hacia los precalentadores D2-507 y D2-505 conectados en serie. El
precalentamiento primario se realiza en el intercambiador D2-505, donde el LGN
es calentado a 144°F por la gasolina del fondo de la columna de fraccionamiento
de butanos (D8-506).
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11 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Seguidamente
se
efectúa
un
precalentamiento
secundario
en
el
intercambiador D2-505, donde es calentado mediante un intercambiador de aceite
caliente (gasoil LV-40); acá el condensado estabilizado alcanza la temperatura
adecuada de 212°F, la cual es controlada por el flujo de aceite caliente a la salida
del intercambiador mediante un control de temperatura (TIC3G2) de tipo PID el
cual ejerce una acción de control sobre la válvula.
Precalentada la alimentación se lleva a la columna despropanizadora D8504, donde es fraccionada en propano (producto de tope) y una mezcla de
butanos y componentes mas pesados (producto de fondo), como se observa en la
figura 2.
Figura 2 Proceso Torre D8-504 GLP-2
Fuente: PDVSA GAS (2009)
Los vapores de tope (propano) son enviados hacia los condensadores D6501 y D6-503, conectados en paralelo. En ellos, la temperatura de condensación y
consiguiente producción de líquido es regulada, con el arranque y parada de sus
correspondientes ventiladores, los cuales son accionados manualmente, dando la
señal de parada desde el DCS y arrancándolos el operador en campo.
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12 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
El condensando de ambos enfriadores es descargado al tambor de reflujo
D8-505. La presión de operación en el tambor de reflujo D8-505 es mantenida por
una válvula de control de presión, mediante el desvió de gas caliente de vapores
de tope de la torre a dicho tambor, la válvula es accionada por el controlador tipo
PID PIC2G2.
Los vapores no condensados en el tambor de reflujo se descargan hacia la
estación de flujo TJ-16 o al venteo mediante el controlador PIC-18G2 que acciona
las respectivas válvulas de control de presión que trabajan bajo un esquema de
control de gama partida.
Las bombas de reflujo D3-503 A/B (una en operación y otra en reserva)
succionan del tambor D8-505, retornando una parte de la corriente mediante
control de flujo (FIC6G2) hacia la columna despropanizadora (D8-504) como
reflujo, esta acción realizada por un controlador PID que permite regular la
temperatura interna en la columna de destilación y el arrastre de butanos y mas
pesados (C4+) hacia el fondo nuevamente, donde el diferencial de puntos de
ebullición entre los distintos compuestos de la mezcla permite que los mas livianos
se dirijan hacia la zona de enriquecimiento (parte alta de la torre) y los mas
pesados a la zona de empobrecimiento (parte baja) y optimizando así el proceso
de extracción de propano.
La otra parte del propano es controlada por el control de nivel (LIC2B) el
cual ejerce una acción sobre una válvula de control de nivel la cual permite el flujo
del propano remanente en el D8-505 hacia almacenamiento, para luego ser
distribuido al llenadero de camiones o a la Planta Refrigeradora La Salina.
El líquido de fondo de la columna D8-504 es enviado hacia el rehervidor D2504, donde es calentado mediante un intercambiador calor con aceite, dicha
temperatura es controlada mediante un lazo PID cascada, donde el control
maestro de temperatura TIC10AG2, actúa sobre el controlador secundario de flujo
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13 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
FIC10G2, el cual regula el paso de aceite caliente al rehervidor, según los
requerimientos de temperatura fijados por el operador, en el controlador primario.
Los vapores producidos en el intercambiador de calor son retornados a la
columna despropanizadora D8-504 y la fracción líquida efluente del rehervidor es
enviada como alimentación a la columna desbutanizadora D8-506, mediante el
control de nivel LIC5G2, de tipo PID que ejerce control sobre la válvula LV5G2.
La corriente (compuesta por butanos y productos más pesados) del fondo
del rehervidor (D2-504), proveniente de la columna despropanizadora (D8-504)
fluye como alimentación a la columna desbutanizadora (D8-506).
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Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
14 RESULTADOS
Análisis de los resultados obtenidos a lazo abierto en el Sistema de Control
Distribuido.
Al realizar las perturbaciones en la torre con los controladores a lazo abierto, se
logro observar mediante los datos obtenidos, que la temperatura en el fondo de la
columna fue disminuyendo paulatinamente, esto debido a que la temperatura
obtenida en el intercambiador (Rehervidor) no estaba siendo ajustada al flujo de
entrada del proceso, como era de esperarse para mantener los parámetros
deseados es necesario que el controlador temperatura verifique el flujo de
alimentación que entra y este ajustar automáticamente la temperatura que se
debe mantener en el fondo de la torre, para el volumen de entrada manejado. En
las siguientes figuras se puede observar la explicación con los datos obtenido del
proceso.
Flujo de entrada a la torre
Temperatura de fondo de la torre
22
274
273
21
272
20
271
270
19
269
268
18
267
17
266
16
265
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Figura 3 Datos reales obtenido del proceso
3.a) Flujo de entrada
3.b) Temperatura de fondo
Adicionalmente se logro evidenciar una disminución de la temperatura de tope
ya que a mayor cantidad de líquido que es suministrado a la torre, menor cantidad
de este se evaporara, produciendo así una pequeña disminución de la
temperatura de tope. Este proceso es sumamente sensible a las variaciones de
temperatura sin importar cuán pequeñas estas sean, ya que esta variable es la
que determina la calidad final del producto.
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15 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Por otra parte esta pequeña variación de temperatura no se eleva de manera
drástica gracias a que existe un tambor de reflujo que permite introducir de nuevo
en el tope de la torre el gas condensado, y enfriar así el tope de la torre para
normalizar
la temperatura de salida de esta. Paralelo a todos estos
acontecimientos, en el tambor de reflujo estaba aumentando la presión, esto es
debido a que ya que aumenta la temperatura de tope de la torre, por haber más
flujo de líquido por esta, los intercambiadores de calor no tenían la capacidad de
condensar el gas (debido a que estos no están automatizados, hay que
encenderlos o apagarlos manualmente), por ende entraba líquido condensado a
mayor temperatura incrementado la presión en el tanque de reflujo.
Por otra parte, disminuyendo ahora el flujo de alimentación a la torre en lazo
abierto se puede observar, que la temperatura de fondo de la torre aumentaba,
debido a que ahora el rehervidor tenía menos producto que calentar.
Consecuentemente se observo un ligero aumento de la temperatura de tope de la
torre, como consecuencia de las pruebas realizadas anteriormente, porque se noto
que había una tendencia a disminuir pero no se pudo observar el proceso de
cambio completamente debido a que las temperaturas de tope de la torre sufren
leves variaciones en un largo periodo de tiempo, agregando también que una vez
calentado el tope, el proceso de enfriamiento dura mucho más que el de
calentamiento.
Otras de las observaciones fue que la presión en el tambor de reflujo seguía
aumentando debido al aumento de la temperatura de fondo, por consecuencia se
tuvo que encender varios ventiladores para bajar las temperaturas de los gases
del tope de la torre y así reducir la presión en el tanque, por factores de seguridad
y diseño del tambor, variando de esta manera los resultados obtenidos, pero
demostrando que la presión hubiese bajado a la larga si no se hubiese tomado
ninguna acción.
Para las perturbaciones realizadas se provocaron dieciséis escalones, ocho
para incrementar y los otros ocho para disminuir, cada uno con un tiempo de
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16 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
muestreo de 2 minutos, que era el tiempo necesario para la estabilización de las
variables.
Obtención de ecuaciones de estado del proceso y selección del controlador
Con los datos experimentales obtenidos al hacer las perturbaciones explicadas
anteriormente, utilizando el Matlab® como herramienta de calculo, se determino
un modelo matemático proporcionado por el toolbox de identificación de sistema
que se encuentra integrado en Matlab®. Al realizar las pruebas con los distintos
tipos de algoritmos se determino que el ARMAX era el más apropiado para
nuestro propósito, ya que con este modelo se obtuvieron las funciones de
transferencias deseadas para armar el sistema de control predictivo deseado.
Estas funciones fueron:
1.
TE 1
- 0.0006387s - 2.901e - 006
= 2
FT 1 s + 0.0008003 s + 0.0002001
2.
TE 2
- 0.0001845
= 2
FT 2 s + 2.848 s + 11.898
3.
TE 2
0.0899 s + 0.5837
= 2
FT 1 s + 4.858 s + 15.77
Donde TE1 es la temperatura de fondo de la torre despropanizadora y FT 1 es el
flujo de entrada de la torre, así mismo TE 2 es la temperatura de tope de la torre y
FT 2 el reflujo que entra por el tope.
Una vez obtenidas las funciones de transferencia se procedió a hacer los
análisis respectivos para cada una de las funciones de transferencias (lugar de las
raíces, diagrama de bode), que nos permitiría determinar cuáles son las
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17 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
características que necesita satisfacer el controlador a diseñar en cuanto a
estabilidad y controlabilidad. Al hacer los análisis de cada función de transferencia
se obtuvieron estas gráficas hallando lugar de las raíces para determinar si en que
región el sistema es estable.
Root Locus
0.015
0.01
Imaginary Axis
0.005
0
-0.005
-0.01
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Real Axis
Figura 4 Lugar de las raíces de la Ecuación 1 Fuente: Autor
Root Locus
4
3
2
Imaginary Axis
1
0
-1
-2
-3
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
Real Axis
Figura 5 Lugar de las raíces de la Ecuación 2
Fuente: Autor
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18 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Root Locus
6
4
Imaginary Axis
2
0
-2
-4
-6
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
Real Axis
Figura 6 Lugar de las raíces de la Ecuación 3
Fuente: Autor
Por otra parte se obtuvieron gráficas utilizando diagrama de bode para hallar
las frecuencias de corte en el dominio del tiempo para cada función de
transferencia:
Bode Diagram
0
Magnitude (dB)
-10
-20
-30
-40
-50
270
Phase (deg)
225
180
135
90
45
-4
10
-3
-2
10
10
-1
10
Frequency (rad/sec)
Figura 7 Diagrama de bode Ecuación 1
Fuente: Autor
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19 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Bode Diagram
-60
Magnitude (dB)
-80
-100
-120
-140
180
Phase (deg)
135
90
45
0
-1
10
0
1
10
10
2
10
Frequency (rad/sec)
Figura 8 Diagrama de bode Ecuación 2
Fuente: Autor
Bode Diagram
-20
Magnitude (dB)
-30
-40
-50
-60
Phase (deg)
-70
0
-45
-90
-135
-1
10
0
1
10
10
2
10
Frequency (rad/sec)
Figura 9 Diagrama de bode Ecuación 3
Fuente: Autor
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20 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Una vez recolectada toda esta información y comprendiendo cuales eran los
requerimientos presentados por el comportamiento de la torre de fraccionamiento,
se determino como opción el uso de un controlador Feed-Forward; esta se
construye mediante la siguiente expresión:
Gff =
G(s)
C(s).P(s)
Donde:
Gff es la ganancia del Feed-Forward
G(s) es la ganancia de la perturbación
C(s) es el controlador PID del proceso
P(s) es el proceso.
DEPURACIÓN DEL CONTROLADOR
Para depurar los controladores se diseñaron dos controladores PID para cada
uno de los lazos de temperatura del proceso y se utilizo una ganancia negativa
para el segundo lazo y obtener así una respuesta positiva y estable. Utilizando la
herramienta de Matlab “sisotool” se logra ubicar los polos a lazo cerrado en la
posición deseada en función de las necesidades del proceso para entonar el PID,
y conseguir los valores de Kp, Ki y Kd que logren estabilizar el sistema en los
tiempos más bajos posibles; para el primer lazo de control los valores obtenidos
fueron Kp=-930, Ki=-15 y Kd=0 y para el segundo lazo Kp=0.5, Ki=1 y Kd=0. La
aplicación de la utilidad de “sisotool” se muestra a continuación, donde los polos y
los ceros arrojados por las ecuaciones fueron movidos y recalculados para hallar
las sensibilidades y controlabilidades del sistema y mediante esto seleccionar los
valores más adecuados.
Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente
21 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
.
Figura 10 Aplicación de SISOTOOL para encontrar los parámetros del PID del
primer lazo
Fuente: Autor
Figura 11 Aplicación de SISOTOOL para encontrar los parámetros del PID del
segundo lazo.
Fuente: Autor
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22 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Posteriormente después de obtener todos estos datos se procedió a realizar el
controlador Feed-Forward, obteniendo la siguiente ecuación:
FF =
1.1.
- 9.378e - 006 s 4 - 8.76e - 005 s 3 - 0.000285 s 2 - 0.0007245 s
0.0002 s 4 + 0.0018 s 3 + 0.009 s 2 + 0.0229 s + 0.0284
Construcción del prototipo definitivo y simulación final
Para la simulación en Labview se procedió a realizar un modelo grafico de la
planta, se genero una librería de archivos gráficos animados; esto se realizo
tomando imágenes estandarizadas por las normas ISO, extraídas del programa
Symbol factory. Una vez realizado el entorno grafico de la planta, incluyendo sus
actuadores, indicadores, niveles y set-point, se procedió a la animación del
proceso, en el cual se logro visualizar las tuberías con los distintos fluidos o gases
que fluyen por ellas, utilizando azul claro para el LGN en estado liquido, Beige
para el LGN en estado gaseoso y Azul puro para las tuberías con aceite caliente.
El entorno desarrollado se muestra a continuación.
Figura 12 Entorno grafico desarrollado para la simulación del proceso.
Fuente: Autor
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Para la simulación se utilizo la lógica del diagrama de bloques del proceso, en la
cual el flujo de entrada y su temperatura se consideran como una perturbación; el
primer proceso esta descrito por la temperatura de fondo sobre el flujo de entrada
y el segundo proceso esta descrito por temperatura de tope sobre el reflujo como
se muestra en la grafica a continuación:
Figura 13 Diagrama de bloques del proceso de estudio
Fuente: Autor
Para la simulación de la temperatura de fondo se considera que el flujo de
aceite caliente incrementa gradualmente la temperatura del fondo de la torre, en el
intercambiador (D2-504), la misma temperatura de fondo se ve afectado por la
perturbación ejercida por el flujo de entrada a la torre y la temperatura de este
LGN que está entrando al sistema, de igual manera la temperatura de fondo se ve
afectada por el reflujo en el tope de la torre integrando así todo el sistema como
uno solo y no como varios sub-procesos separados. A continuación se muestra la
imagen del proceso animado y el programa. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente
24 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Figura 14 Entorno grafico del proceso del intercambiador de calor de fondo.
Fuente: Autor
Figura 15 Programa de control de la temperatura de fondo y flujo de aceite
caliente
Fuente: Autor
Para la temperatura de tope ocurre una operación similar al encontrado en el
fondo, la misma se ve afectada por el flujo entrante en la torre despropanizadora
(D8-504) y el calor en el fondo de la torre, un incremento simultaneo en estos
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25 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
parámetros generan incrementos graduales en la temperatura del tope de la torre;
para contrarrestar este efecto se aumenta el reflujo de propano líquido a una
temperatura de 120 grados Fahrenheit, esto genera una disminución de la
temperatura proporcional al reflujo de entrada a la torre. A continuación se
muestra el entorno grafico desarrollado y el proceso aplicado para la simulación y
control del mismo.
Figura 16 Entorno grafico del proceso de control de temperatura de tope y reflujo
Fuente: Autor
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26 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Figura 17 Programa de control de la válvula de reflujo y temperatura de tope
Fuente: Autor
Por otra parte, los niveles tanto en el tambor de reflujo (D8-505) como en el
intercambiador de calor (D2-504) deben ser del 50%; en el de reflujo se considera
que la entrada del mismo está dada por el líquido que sale del condensador (D6505) proveniente del tope de la torre en estado gaseoso, al superar su nivel preestablecido de 50% se envía el exceso al almacenaje por medio del control de
nivel (LIC2B), y otra se utilizada como reflujo hacia la torre para controlar la
temperatura de tope y optimizar la extracción de propanos con la calidad deseada.
El flujo de vapores generado en intercambiador de calor (D2-504) es retornado
a la columna despropanizadora, el liquido acumulado en la carcaza de D2-504 es
enviado a la torre desbutanizadora por medio del control de nivel (LIC5 A);
también se toma en cuenta el fluido calentado que se devuelve a la torre lo cual le
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27 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
resta nivel al mismo intercambiador. A continuación el programa de ambos
controles de nivel
Figura 18 Programa de control de nivel del tambor de reflujo (D8-505) y del
intercambiador (D2-504).
Fuente: Autor
Una vez que fueron entonados los controladores PID y el Feed-Forward, se
procedió a realizar la simulación final de todo el proceso y cerciorarse que el
controlador estabilizara el proceso mediante condiciones normales y bajo
perturbaciones en el sistema. El proceso sin el flujo de entrada que se considera
como una perturbación seria como se muestra a continuación.
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28 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
Figura 19 Proceso en Matlab sin perturbación.
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Figura 20 Gráfica del sistema sin la perturbación.
Fuente: Autor
Posteriormente se da paso a la nueva estrategia de control basada en el modelo
con la aplicación del Feed-forward ya diseñado previamente.
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Figura 21 Proceso en Matlab con perturbación presente y el controlador Feedforward.
Fuente: Autor
Figura 22 Grafica del sistema con perturbaciones presentes y el controlador FeedFoward
Fuente: Autor
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30 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Al realizar la simulación en Matlab se pudo observar en la gráfica resultante del
proceso sin perturbación que los set-point establecidos se estabilizaron
normalmente. El primer lazo que relaciona la temperatura de fondo de la torre con
la entrada, se estabiliza en 10 segundos, y el segundo lazo que relaciona la
temperatura de tope con la entrada de reflujo se estabilizo en 5 segundos. Al
agregar la perturbación en el sistema se pudo observar que el primer lazo se
estabilizaba normalmente en 5 segundos. Pero el segundo lazo mostraba un gran
descenso en la amplitud de la señal y un retardo de estabilización de 15
segundos. Al agregar el controlador Feed-Forward se mostró en el grafico
resultante que la amplitud de la señal del segundo lazo había presentado un
decremento de un 45% y el tiempo de estabilización de la señal se redujo en un
75%, estabilizando el sistema en 5 segundos. De esta manera se obtiene un mejor
control de la columna de destilación con las perturbaciones que pudieran ocurrir
en la entrada en cuanto al caudal y el reflujo hacia el tope de la torre.
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31 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP
CONCLUSIONES
Se puede decir que el proceso de análisis presenta una respuesta bastante
particular ya que todas las variables se afectan entre si y depende una de la otra;
el sistema de control para este tipo de procesos debe ser rígido ya que son
procesos industriales con bastante interacción entre las variables a controlar, así
que no pueden estar sometidos a errores humanos que pudiesen alterar la calidad
del producto final y por ello la gran importancia de este trabajo; se logro con el
mismo plantear una nueva estrategia de control para la planta en estudio y así
satisfacer las necesidades de ver el proceso como uno solo y no como varios
procesos independientes ya que como se dijo anteriormente todas las variables
están involucradas, ya sea las temperaturas presentes en los distintos puntos de
la torre, los flujos de entradas y de salida de la misma y la presión; se observo
claramente que el flujo de entrada influían directamente sobre las temperaturas
permitiendo así generar una estrategia de control sobre las temperaturas del tope
y fondo de la columna, por medio del control de los flujos de aceite caliente y
reflujo de la torre, tomando como perturbación el flujo de entrada a la misma.
La simulación del proceso en Labview permitió observar con claridad el
funcionamiento de la planta y la relación que se guardan entre si los distintos
parámetros existentes en la misma, también permite ver las regulaciones que
realizan los PID en los procesos y como las perturbaciones del flujo de entrada
pueden afectar a los sub-procesos de la torre.
Luego del análisis de los datos para la obtención de los modelos matemáticos
se estableció la estrategia de control la cual permitió ver a todos los sub-procesos
como uno solo y realizar la regulación de la planta de manera más eficaz y
automatizada, diseñando un controlador Feed-forward eficiente y capaz de regular
el proceso para el cual él fue diseñado.
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RECOMENDACIONES
Se recomendación la implementación de un sistema de control avanzado
para el manejo en columna de destilación de GLP, ya que este proceso puede ser
susceptible a errores tanto humano como por falla o oscilaciones que se nos
presenta en los sistema de retroalimentación o feedback, intentar optimizar el
proceso mediante el uso de controladores de tipo avanzado como el Feed-forward,
aplicar estrategias de control para la entonación de los lazos PID ya existentes en
la planta y permitir así la estabilización del proceso en tiempos menores de
manera garantizar la Calidad y confiabilidad del producto despachado.
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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
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FRACTIONATION PLANT PROCESS DESIGN SPECIFICATIONS.
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