Unidad 1 Las Plantas Satélite y el GNL

Especificaciones técnicas de SEDIGAS para las
actividades de Técnico de Plantas Satélite de GNL.
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Las Plantas Satélite
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M. Lombarte
Responsable de Calidad
Fecha: 2/08/2012
C. Villalonga
Director de Certificación
Fecha: 2/08/2012
M. Margarit
Secretaria General
Fecha: 25/09/2012
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Objetivo
En primer lugar, dar una visión inicial al Técnico de Plantas Satélite de las funciones y
características generales de las mismas, que le permita disponer de un conocimiento
complementario al de detalle de su funcionamiento, manipulación y mantenimiento que
es su objetivo principal. Así como el de conocer cuáles son sus orígenes y la posición de
las Plantas en la Cadena de GNL y en el campo de la distribución del gas natural de forma no convencional, es decir, no canalizado.
Y en segundo lugar, proporcionar los conocimientos básicos sobre las características del
GNL y de su comportamiento en el interior de los depósitos que lo contienen, temas clave en la comprensión por parte del Operador del funcionamiento de las Plantas Satélite
y en el de su seguridad
Marco general
Esta primera Unidad se compone de dos partes claramente diferenciadas.
En la primera se presentan el origen y los objetivos y funciones genéricos de la Plantas
Satélite, acotando sus características más representativas y los elementos que siempre
las caracterizan. Se resume también de un modo sucinto qué se entiende como Cadena
del GNL, de la cual las Plantas Satélite son una de sus instalaciones terminales.
En la segunda parte se describe el comportamiento físico del GNL y del GN criogénico
que lo acompaña, en el interior de los depósitos de las terminales portuarias de recepción (1), en el interior de las cisternas de abastecimiento (2), y en el interior de los depósitos de almacenamiento de las propias Plantas Satélite (3).
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Sumario
1.1. Definición y origen de las Plantas Satélite ........................................................ 4
1.2. Aplicaciones y analogía con los GLP ................................................................ 7
1.3. Bases de su empleo y expansión .................................................................... 8
1.4. Elementos constituyentes .............................................................................. 9
1.5. Clasificación .............................................................................................. 10
1.6. Resumen de la Cadena de GNL..................................................................... 11
1.7. Características del GNL ............................................................................... 16
1.7.1. Composición y relaciones Presión Temperatura ..................................... 16
1.7.2. Aspecto........................................................................................... 20
1.7.3. Olor ................................................................................................ 20
1.7.4. Toxicidad y capacidad asfixiante ......................................................... 21
1.8. Comportamiento del GNL no confinado .......................................................... 21
1.8.1. Derrames de GNL ............................................................................. 21
1.8.2. Expansión y dispersión de nubes ........................................................ 21
1.9. Comportamiento del GNL confinado: Procesos de calentamiento del GNL en
sus depósitos ............................................................................................ 22
1.9.1. GNL y ebullición ............................................................................... 23
1.9.2. GNL en un depósito de una Terminal de Regasificación .......................... 25
1.9.3. GNL en un depósito de una Planta Satélite ........................................... 27
1.9.4. GNL en una cisterna de abastecimiento ............................................... 28
1.9.5. Llenado máximo de las cisternas y depósitos de Plantas Satélite ............. 29
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1.1. Definición y origen de las Plantas Satélite
• Reciben el nombre de Plantas Satélite de GNL el conjunto de instalaciones de
almacenamiento, regasificación y regulación destinadas a suministrar gas natural a
consumos locales situados en zonas no abastecidas por redes de gas natural canalizado, y en las que el abastecimiento se efectúa mediante la descarga de cisternas
que por vía terrestre transportan el GNL desde una planta de almacenamiento de
mayor entidad.
• Las plantas origen de su abastecimiento, son generalmente terminales portuarias
de recepción de GNL mediante buques metaneros, como es el caso de España a
través de sus plantas de Barcelona, Sagunto, Cartagena, Huelva, Ferrol-Murgados,
y Bilbao.
• Dependen pues de un almacenamiento de GNL de mucha mayor capacidad, y de
los cuales se abastecen. De ahí su denominación de Satélites, nombre dado originalmente a las primeras plantas construidas en USA hacia los años 60 a partir de la
plantas de “peak shaving”, o de recorte de puntas (Ver apartado 3.1) construidas
en aquella época.
• Con el auge del comercio internacional del GNL entre países productores-
exportadores y países consumidores-importadores (Ver apartado 1.4 Resumen de
la cadena de GNL) y la consiguiente proliferación a escala mundial de terminales
marítimas de GNL, se constata que una buena parte de ellas dispone de cargaderos
de cisternas para abastecer plantas satélites, sobre todo en aquellos países en fase
de desarrollo y con una infraestructura de redes de gas natural canalizado todavía
poco extendida.
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Figura 1.1 Vista de Planta Satélite de Cía. Distribuidora
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Figuras 1.2 y 1.3 Vistas de Planta Satélite industrial
Figura 1.4 Vista de Planta Satélite de abastecimiento de vehículos
de transporte funcionando con GNL
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1.2. Aplicaciones y analogía con los GLP
Las Plantas Satélite se han impuesto por ello como un medio eficaz y seguro para abastecer:
a) Industrias
• Que por su distancia a las redes de suministro no puedan disponer de gas natural,
lo que les permite competir con otras industrias de su misma actividad que sí se
hallen conectadas, o bien disponer de él en aquellos casos en las que el gas natural
represente una opción tecnológica o económica ventajosa para su proceso productivo.
b) Nuevas distribuciones de gas natural
• Lo cual permite avanzar la gasificación de núcleos urbanos o polígonos alejados de
las redes de gas, y promover así la creación de infraestructuras gasistas iniciales
con unos costes de inversión más reducidos que mediante una conexión por canalización, que queda así retrasada hasta no disponer de un mercado ya desarrollado
que justifique su conexión directa.
c) Otras necesidades o empleos
• Como puedan ser por ejemplo:
• Abastecimientos temporales de zonas de distribución o de gasoductos por averías o
incidencias que impidan la llegada de gas, etc.
• Estaciones de servicio de GNL directo para flotas de vehículos.
• Estaciones de llenado de botellas de GNC para automoción.
• Etc.
Figura 1.5 Vista de Cisterna de GNL
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Figura 1.6 Vista de Cisterna de GLP
Las Plantas Satélite representan en definitiva otra forma de distribuir gas natural distinta de la del gas natural canalizado, de un modo equivalente a los habituales suministros
de GLP a granel mediante camiones cisterna a puntos de consumo geográficamente dispersos.
Las diferencias básicas entre ambos tipos de suministro es que deben emplear tecnologías distintas ya que:
• Los GLP (Gases Licuados del Petróleo, básicamente constituidos por propano y bu-
tano) se pueden transportar y distribuir a temperatura ambiente mediante depósitos y recipientes de acero al carbono, en cuyo interior coexisten las fases gas y liquido de los GLP a presiones relativamente moderadas. Ambas fases, gas y líquido,
se hallan aproximadamente a la temperatura ambiente ya que existe transmisión
de calor entre el interior del depósito y el ambiente exterior.
• Mientras que el gas natural, para poder ser transportado a presiones relativamente
moderadas en estado líquido, precisa ser licuado a muy bajas temperaturas, lo que
hace necesario que los depósitos sean de aceros especiales y se hallen además
muy bien aislados del medio ambiente exterior para mantener el gas en estado líquido (GNL).
1.3. Bases de su empleo y expansión
• La técnica constructiva de las Plantas Satélite no es compleja y está plenamente
experimentada.
• Ello permite disponer de gas natural a media presión de un modo relativamente fácil, conunos costes de explotación y mantenimiento reducidos
• Y con unos niveles de seguridad plenamente aceptables de acuerdo con la experiencia delos últimos 40 años a partir de la disponibilidad de GNL en España
(1970).
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• Los circuitos de GNL y de gas natural de que consta una Planta Satélite son simples
y lineales.
• El GNL y el gas natural fluyen ambos exclusivamente por acción de las diferencias
de presiónque se generan en sus circuitos, ya sea de forma natural o artificialmente provocada.
• Las técnicas son simples y seguras, y son las habituales en la manipulación y comercio delos denominados gases técnicos criogénicos (Por ejemplo oxigeno líquido
para hospitales,nitrógeno para industrias, etc.)
Figura 1.7 Vista de Planta Satélite de oxigeno en un Hospital
1.4. Elementos constituyentes
En las Plantas Satélite, se distinguen claramente 5 grupos funcionales de instalaciones
principales:
• La instalación de Almacenamiento del GNL, constituida por uno o varios depósitos
criogénicos preparados para contener GNL
• Los elementos destinados a la Descarga de Cisternas mediante regasificadores, flexibles criogénicos y válvulas de maniobra
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• Los elementos destinados a la Regasificación del GNL a gas natural mediante aporte de calor
• Los elementos finales de Seguridad, Regulación y Odorización del gas antes de su
salida de planta
• Los elementos de Control y de registro de los parámetros de funcionamiento de la
planta.
A los que cabe añadir las instalaciones complementarias de:
• Defensa contraincendios
• Obra Obra civil (cubeto, vallado, viales de acceso, etc.)
• Instalación eléctrica
• Otras relacionadas con la seguridad
1.5. Clasificación
• Normativamente se clasifican por Categorías según sea su Capacidad de almacenamiento total expresado en m3 geométricos (Ver apartado 2.3 punto 5.3)
• A lo que habitualmente se añade el dato de su Capacidad de regasificación expresada en
• Nm3/h de gas natural, que define su segunda característica más relevante.
• Aunque no se trate de una clasificación propiamente dicha, indicar que las plantas
destinadas a actuar como plantas de suministro de redes propiedad de Compañías
Distribuidoras, de las que dependen un gran número de clientes (domésticos, comerciales, industriales), son en general algo más sofisticadas que las que simplemente abastecen una única industria.
• Las diferencias no lo son por descontado en su calidad tecnológica o en su seguridad física, sino en una mayor proporción de elementos de seguridad, tanto de integridad de la planta como de su seguridad de suministro a los clientes abastecidos.
• Ello se traduce en una mayor proporción de dobles circuitos de reserva, incorpora-
ción de grupos electrógenos, instalación de sistemas de seguridad perimetral al ser
generalmente plantas desatendidas situadas en zonas aisladas.
• Y en la disponibilidad de centros de control de distribución (CCD) bien dotados y
con supervisión continua por parte de las Cías. Distribuidoras. (Ver apartado 4.7)
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1.6. Resumen de la Cadena de GNL
Las Plantas Satélite forman parte de las instalaciones terminales de la denominada Cadena del GNL, que a continuación se resume a modo de conocimiento general:
• Cuando el comercio y transporte de gas natural entre las zonas productoras y las
zonas consumidoras no puede establecerse mediante la construcción de gasoductos terrestres directos, el abastecimiento debe efectuarse mediante trasporte marítimo de GNL, en el cual el gas natural se transporta licuado a bajas temperaturas,
del orden de los – 162º C.
• El transporte marítimo de GNL se justifica técnicamente debido a su reducida masa
específica (densidad), que es de aproximadamente 0,45 toneladas por cada m3 de
GNL, lo que equivale a la mitad de la del petróleo
• Y al hecho que, de cada m3 de GNL transportado puedan obtenerse, una vez regasificado en destino, aproximadamente 580-600 Nm3 de gas natural.
• El comercio generado por el GNL se establece entre Compañías de países exportadores e importadores a través de contratos a largo plazo destinados a asegurar la
continuidad de los abastecimientos, a través de la denominada Cadena del GNL.
• La cadena se inicia en los pozos de producción, desde donde el gas natural es
transportado por medios convencionales mediante gasoductos hasta las terminales
marítimas de licuefacción del país productor-exportador.
• En ellas, el gas es depurado y licuado en las correspondientes instalaciones de licuefacción, y almacenado bajo forma de GNL en depósitos criogénicos de elevada
capacidad, trabajando a presiones bajas, próximas a la presión atmosférica.
• El GNL es posteriormente transferido a buques acondicionados para el transporte
marítimo criogénico (Metaneros).
• Los metaneros transportan el GNL hasta las terminales portuarias de recepción de
los países consumidores-importadores, denominadas Plantas de Regasificación, en
donde el GNL es descargado mediante bombas criogénicas y brazos articulados, y
almacenado en depósitos criogénicos asimismo de elevada capacidad, de hasta
250.000 m3 de GNL, trabajando también a presiones próximas a la atmosférica.
• El GNL es posteriormente bombeado a alta presión hacia las instalaciones de rega-
sificación, desde donde el gas natural, una vez regulada su presión y efectuada su
medición y odorización, es conducido a los gasoductos de transporte que de la
planta parten.
• El fluido más utilizado para regasificar el GNL en las terminales suele ser agua de
mar en circuito abierto a contracorriente, dada su disponibilidad local en las mismas y los bajos costes de operación resultantes.
• El transporte marítimo de GNL se inició comercialmente en 1964 entre la terminal
de Arzew (Argelia), y las terminales de Canvey Island (Gran Bretaña) y Le Havre
(Francia), mediante los metaneros Methan Progress y Methan Princess de 27.400
m3 de capacidad, y el Jules Verne de 25.500 m3.
• Los metaneros en servicio a principios de 2010 era ya del orden de los 360, alcanzando algunos de ellos capacidades de hasta 266.000 m3 de GNL
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• En 2009, el número de países exportadores era de 17:
PAÍS
Exportaciones Bcm(1)
%
Año inicio actividad desde
Qatar
49,44
20,40
1997
Malasia
29,53
12,20
1983
Indonesia
26,00
10,74
1977
Australia
24,24
10,02
1989
Argelia
20,90
8,64
1964
Trinidad y Tobago
19,74
8,16
1999
Nigeria
15,99
6,61
1999
Egipto
12,82
5,3
2004
Omán
11,54
4,77
2000
Brunei
8,81
3,64
1972
UAE (Abu-Dhabi)
7,01
2,9
1977
Rusia
6,61
2,73
2009
Guinea Ecuatorial
4,72
1,95
2007
Noruega
3,17
13,1
2007
EEUU
0,86
0,36
1969
Libia
0,72
0,30
1970
Yemen
0,42
0,17
2009
TOTAL
242 Bcm
100 %
(1)
1 Bcm = 1.000 millones de Nm3 (109 Nm3 )
Con aproximadamente un total de 30 plantas de licuefacción
• En 2009, el número de países importadores era de 22:
PAÍS
Exportaciones Bcm
%
Año inicio actividad desde
Japón
85,90
35,55
1969
Corea del Sur
34,33
14,19
1986
España
27,01
11,16
1969
Francia
13,07
5,40
1964
EEUU
12,80
5,29
1971
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PAÍS
Exportaciones Bcm
%
Año inicio actividad desde
India
12,62
5,21
2004
Taiwán
11,79
4,87
1990
Reino Unido
10,24
4,23
1964
China
7,63
2006
Portugal
2,82
2003
Bélgica
6,53
1987
Turquía
5,71
1992
México
3,55
2006
Italia
2,90
1971
Canadá
0,98
2009
Argentina
0,96
2008
Kuwait
0,89
2009
Puerto Rico
0,76
2000
Grecia
0,74
2000
Chile
0,65
2009
Rep. Dominicana
0,56
2003
Brasil
0,35
2009
TOTAL
242 Bcm
Con aproximadamente un total de 75 plantas de regasificación
• Además de los depósitos de las Plantas de Regasificación, pueden actuar asimismo
como abastecimientos de GNL a las Plantas Satélite los depósitos de las plantas de
Peak Shaving, no existentes en España, pero que fueron el origen de las plantas
satélite.
Su esquema de funcionamiento es el siguiente:
• Situadas junto a los gasoductos de llegada del gas en las zonas de consumo, y en
periodos de baja demanda (verano), el gas sobrante es licuado y almacenado en
depósitos criogénicos de mediana capacidad.
• Llegado el periodo de demanda alta (invierno), el GNL es de nuevo regasificado y
reintroducido en la red.
• En la actualidad han sido ya prácticamente substituidas por almacenamientos subterráneos, que permiten una capacidad de almacenamiento mucho mayor con unos
menores costes unitarios de operación.
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Figura 1.8a Vista de terminal portuaria de regasificación (BCN)
Figura 1.8b Vista de terminal portuaria de regasificación
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Figura 1.9 a y 1.9 b Vista de metanero
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Figura 1.10 Esquema visual de la Cadena de GNL
1.7. Características del GNL
1.7.1. Composición y relaciones Presión Temperatura
• El Gas Natural Licuado (GNL), es gas natural en estado líquido.
• En su proceso de licuefacción todos los gases más pesados que el metano y el
etano, o con propiedades no aptas para ser licuados (CO2, hidrocarburos pesados,
SH2, etc.) quedan eliminados y la composición varía, según se observa en las Tablas 1.1 y 1.2.
Tabla 1.1 Composición en % molar, de gases naturales a salida de pozo
ORIGEN
C1
C2
C3
C4
C5 +
N2
CO2
SH2
PCSMJ/kg
Hassi R’Mel
Argelia
83,5
7
2
0,8
0,4
6,1
0,2
–
45,18
Mar del Norte
94,7
3
0,5
0,2
0,2
1,3
0,1
–
38,49
Groningen
Holanda
81,8
2,8
0,4
0,1
0,1
14
0,8
–
35,14
Lacq
Francia
69,3
3,1
1,1
0,6
0,7
0,4
9,6
15,2
33,05
Zelten
Libia
66,2
19,8
10,6
2,3
0,2
0,9
–
v
46,86
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Tabla 1.2 Composición en % molar, de gases naturales procedentes de GNL
PLANTAS
DE ORIGEN
C1
C2
C3
C4
Arzew GL1Z
Argelia
87,89
8,542
0,299
0,367
Arzew GL2Z
Argelia
91,241
7,372
0,001
Arzew GL4Z
Argelia
87,66
8,876
0,264
0,359
Skikda GLK
Argelia
91,581
6,676
0,143
0,049
Marsa el Brega
Libia
83,212
11,781
0,254
Das Island
Abu Dhabi
85,2
13,19
Qatargas
Qatar
90,11
6,31
C5 +
N2
Bubble
Point
PCS
MJ/kg
0,946
464,2
-161,6
43,91
0,881
447,25
-160,4
42,116
0,585
464,62
-160,93
44,358
–
1,037
450,29
-162,75
41,989
0,34
–
0,863
479,29
-161,73
45,819
0,078
0,116
–
0,374
463,64
-158,84
44,576
0,39
0,57
–
0,31
-159,4
43,85
–
0,005
d líquido kg/m3
–
0,052
457
• Para mantener líquido el gas natural, a presiones relativamente bajas, su temperatura debe ser del orden de los -160º C a -140º C bajo cero, en función de:
—La mezcla de gases de que se componga (metano, etano, N2, etc.)
—Y de su presión de servicio.
• Si fuese metano (CH4) puro (Ver Tabla 1.3):
—Su temperatura sería de -161,5º C a la presión atmosférica de 760 mm Hg
(1,0132 bar absolutos)
—Y de -134º C, si su presión fuera de 5 bar ef.
A – 82,595º C y 45,95 bar abs se alcanza el punto crítico del metano.
A partir de él, es decir a mayor temperatura, por ejemplo -80º C, etc., por más presión
que ejerzamos, el metano no podrá ya existir bajo forma líquida.
Tabla 1.3 Masa específica del CH4 a bajas temperaturas y presiones de saturación
Tª ( K )
T ª (º C)
Ps (bar abs)
d ( kg/litro liquido)
680
-182,47
0,11719
0,45123
92
-181
0,1385
0,44952
94
-179
0,1767
0,44691
96
-177
0,2231
0,44426
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Tª ( K )
T ª (º C)
Ps (bar abs)
d ( kg/litro liquido)
98
-175
0,2787
0,44159
100
-173
0,3448
0,43901
102
-171
0.4229
0,43615
104
-169
0,5143
0,43338
106
-167
0,6206
0,43059
108
-165
0,7432
0,42776
110
-163
0,8839
0,42489
111,631
-161,52
1,0132
0,42253
112
-161
1,0444
0,42200
114
-159
1,2263
0,41906
116
-157
1,4316
0,41610
118
-155
1,6619
0,41310
120
-153
1,9193
0,41004
122
-151
2,2057
0,40697
124
-149
2,5230
0,40385
126
-147
2,8732
0,40068
128
-145
3,2583
0,39748
130
-143
3,6804
0,39423
132
-141
4,1416
0,39093
134
-139
4,6439
0,38757
136
-137
5,1895
0,38416
138
-135
5,7805
0,38069
140
-133
6,4191
0,37715
142
-131
7,1075
0,37354
144
-129
7,8478
0,36985
146
-127
8,6423
0,36609
148
-125
9,4933
0,36222
150
-123
10,403
0,35826
152
-121
11,374
0,35420
154
-119
12,408
0,35001
156
-117
13,508
0,34569
158
-115
14,677
0,34123
160
-113
15,916
0,33661
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Tª ( K )
T ª (º C)
Ps (bar abs)
d ( kg/litro liquido)
162
-111
17,446
0,33182
164
-109
18,618
0,32683
166
-107
20,085
0,32163
168
-195
21,635
0,31619
90,170
-103
23,269
0,31047
172
-101
24,99
0,30444
174
-99
26,803
0,29806
176
-97
28,711
0,29126
178
-95
30,717
0,28395
180
-93
32,827
0,27600
182
-91
35,044
0,26722
184
-89
37,374
0,25726
186
-87
39,827
0,24542
188
-85
42,412
0,22993
190
-83
45,135
0,20152
190,555 (Tcr)
-82,595 (Tcr)
45,950 (Pcrit)
0,16219
• La relación volumétrica del GN respecto del GNL es de 580 a 600 aprox. (Ver Tabla
1.4)
• Es decir, de la regasificación de cada m3 de GNL, se obtienen aproximadamente
580-600 Nm3 de gas natural.
• El calor de vaporización del Metano a -161,5º C es de 122 kcal / kg
• A -134º C, a aproximadamente 5 bar ef de presión, que es la máxima presión de
trabajo de la mayoría de las Plantas Satélite, su calor de vaporización es de 106
kcal / kg (Ver apartado 4.3.4 )
Tabla 1.4 Ejemplos de GNL y sus Propiedades en el punto de ebullición
a la presión normal de 1,01325 bar abs. (760 mmHg)
GNL
Ejemplo 1
GNL
Ejemplo 2
GNL
Ejemplo 3
GNL
Ejemplo 4
Metano - CH4
97,5 %
93,9 %
87,2 %
100 %
Etano - C2H6
1,8
3,26
8,61
–
Propano - C3H8
0,2
0,69
2,74
–
Composición molar (%)
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GNL
Ejemplo 1
GNL
Ejemplo 2
GNL
Ejemplo 3
GNL
Ejemplo 4
Iso-Butano - IC4H10
–
0,12
0.42
–
Normal-Butano nC4H10
–
0,15
0,65
–
Pentano - C5H12
–
0,09
0,02
–
0,5
1,79 %
0,36 %
–
Tª de ebullición (ºC)
-162,6
-165,3
-161,3
-161,5
Densidad ( kg/m3)
431,6
448,8
468,7
422,4
Volumen de Nm3 disponibles por m3 de GNL
590
590
568
596
Volumen de Nm3 disponibles por tonelada de GNL
1.367
1.314
1.211
1396
Nitrógeno - N2
Calor de vaporización a
- 161,5ºC y 1,1325 bar
en kJ/kg
510
en kcal/kg
122
1.7.2. Aspecto
• Líquido transparente, de densidad aproximadamente la mitad del agua, que por su
baja temperatura absorbe calor de la atmósfera, regasificandose por su superficie
en contacto con la atmósfera
• En su ascenso va solidificando el vapor de agua de la atmósfera que pasa a ser
hielo, formando un nube blanca que puede seguirse visualmente hasta que la temperatura de la mezcla gas natural-aire sea superior a los 0ª C.
Otras características a tener en consideración en relación con las propiedades del GNL
son las siguientes:
1.7.3. Olor
• Los vapores de GNL, es decir el gas natural de él resultante, son inodoros al serlo
sus componentes (metano, etano, nitrógeno, etc.), ya que los posibles componentes con olor (SH2, otros compuestos con azufre, hidrocarburos pesados, etc.) han
sido ya eliminados en el proceso de licuefacción del gas natural en origen.
• Toda Planta satélite debe pues incorporar un equipo de odorización (Ver apartados
4.6, y 7.10)
• Dado que a las bajas temperaturas del GNL cualquier odorizante solidificaría, la
mezcla del odorizante no puede efectuarse en fase líquida como es el caso de los
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GLP, sino en fase gas (no criogénico), después de su regasificación y siempre antes
de su salida de planta, según normativa.
1.7.4. Toxicidad y capacidad asfixiante
• Los vapores de GNL y el gas natural resultante no son tóxicos.
• Sí que son asfixiantes si se penetra en una nube o atmósfera de ellos en función de
la concentración de oxigeno remanente (Ver apartado 10.11)
Ver información adicional en la propia norma UNE-EN 1160 Instalaciones y equipos para
GNL – Características generales del GNL
1.8. Comportamiento del GNL no confinado
1.8.1. Derrames de GNL
• Cuando se derrama GNL en el suelo por causas accidentales, hay un periodo inicial
de ebullición intensa en que absorbe calor del suelo, tras el cual la velocidad de
evaporación disminuye rápidamente hasta un valor constante determinado por las
características térmicas del suelo y el calor absorbido del aire circundante
Tabla 1.5 Velocidad de evaporación del GNL en distintos suelos
Material del suelo
kg de GNL evaporados después de 60 segundos del derrame,
por m2 de superficie mojada y hora kg/(m2·h)
Aridos
48
Arena húmeda
24
Arena seca
19
Agua
19
Hormigón normal
13
Hormigón coloidal ligero
65
1.8.2. Expansión y dispersión de nubes
• Inicialmente el gas producido por evaporación está aproximadamente a la misma
temperatura que el GNL y es más denso que el aire ambiente. Este gas fluirá inicialmente en forma de capa sobre el suelo eventualmente ayudado por el viento
existente en aquel momento, hasta que se caliente absorbiendo calor de la atmósfera y mezclándose con el aire ambiente.
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• Cuando la temperatura se haya elevado hasta unos -113º C, para el metano puro o
hasta unos -80º C para el GNL, dependiendo de su composición, el gas será ya
menos denso que el aire ambiente y ascenderá.
• El fenómeno será visible por la niebla blanca que se formará al helarse el vapor de
agua contenido en el aire ambiente, lo cual es útil para poder saber la situación y
desplazamiento de la nube. (Ver apartado 10.6)
• Para mayores detalles consultar directamente la norma EN 1160 características generales del gas natural licuado
Figura 1.11 Derrame de GNL y nube formada
1.9. Comportamiento del GNL confinado: Procesos de
calentamiento del GNL en sus depósitos
Se efectúan a continuación una serie de consideraciones que relacionan el comportamiento de las temperaturas y las presiones del GNL cuando este se halla contenido en:
• Los depósitos de las plantas de regasificación
• Las cisternas de transporte
• Los depósitos de las Plantas Satélite
para familiarizarse con los procesos que tienen lugar en ellos y que son útiles para comprender el funcionamiento y particularidades de las Plantas Satélite.
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1.9.1. GNL y ebullición
Se compara el comportamiento del GNL con el comportamiento del Agua al calentar
ambos fluidos estando inicialmente ambos en estado líquido.
Se supone para simplificar que el GNL es del 100% de Metano (CH4) y que es válida la
Tabla 1.3 de Presiones y Temperaturas.
• Si calentamos agua en un recipiente abierto situado a nivel de mar y suponemos
que la presión es la normal de 760 mm de columna de mercurio (1,0132 bar absolutos), por definición hemos convenido que el agua alcanza su punto de ebullición a
los 100º C.
• Y sabemos que mientras vayamos calentando y suministrando energía calorífica al
agua, todo el calor aportado se emplea en vaporizar el agua.
• El vapor que escapa de su superficie lo hace a 100º C y mientras dura el proceso y
queda agua, la temperatura del agua no aumenta y permanece constante asimismo a 100º C.
• Con GNL (supuesto que se trata de metano líquido) esta situación se produce a 161,52º C
• Mientras vayamos aportando calor al GNL el gas natural vaporizado escapará de su
superficie a -161,52º C, y el líquido permanecerá constante a esta misma temperatura
• La condición de que ello ocurra en ambos casos es que la presión en la superficie
de ambos líquidos no aumente. Es decir que el vapor de agua o el gas natural vaporizados se vayan evacuando o retirando.
• Es lo que prácticamente ocurre en los grandes depósitos de GNL de las terminales
marítimas de recepción de GNL que trabajan a presiones muy próximas a la atmosférica y el GNL vaporizado (boil-off) es retirado mediante compresores.
• Por el contrario si el calentamiento lo efectuamos no en un recipiente abierto sino
en un recipiente cerrado, el vapor de agua o el gas natural vaporizados harán incrementar la presión en el recipiente cerrado y en la superficie del líquido, y cada
vez precisaremos suministrar energía térmica a mayor temperatura para que el líquido hierva.
• Es lo que prácticamente ocurre en una olla a presión con el agua o en un depósito
de GNL de una cisterna de transporte o de una Planta Satélite.
• Las presiones y temperaturas de equilibrio del agua y el metano liquido con su fase
vapor (saturado) son las siguientes:
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Tabla 1.6 Temperaturas de ebullición del CH4 líquido a diversas presiones de saturación
(Tabla extraída de la Tabla 1.3)
(*)
T ª (º C)
P (bar abs)
P (bar relativas)(*)
-161,52
1,0132
0,0
-161
1,0444
0,0312
-159
1,2263
0,2131
-157
1,4316
0,4184
-155
1,6619
0,6487
-153
1,9193
0,9061
-151
2,2057
1,1925
-149
2,5230
1,5098
-147
2,8732
1,86
-145
3,2583
2,2451
-143
3,6804
2,6672
-141
4,1416
3,1284
-139
4,6439
3,6307
-137
5,1895
4,1763
-135
5,7805
4,7673
-133
6,4191
5,4059
-131
7,1075
6,0943
-129
7,8478
6,8346
-127
8,6423
7,6291
-125
9,4933
8,48
Leídas en el manómetro del depósito que contiene el GNL
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Tabla 1. 7 Temperaturas de ebullición del agua a diversas presiones de saturación
(**)
T ª (º C)
P (bar abs)
P (bar relativas)(**)
100,0
1,0132
0,0
105
1,208
0,195
110
1,433
0,42
115
1,691
0,678
120
1,985
0,972
125
2,321
1,31
130
2,701
1,688
135
3,131
2,118
140
3,614
2,60
145
4,155
3,142
150
4,76
5,773
175
8,925
7,91
Leídas por ejemplo en el manómetro de una caldera de vapor saturado
1.9.2. GNL en un depósito de una Terminal de Regasificación
Figura 1.12 Esquema de depósito de terminal de regasificación
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• La presión de servicio habitual del depósito de una Terminal de regasificación suele
ser del orden de entre 50 y 250 mbar (0,05 y 0,25 bar)
• Suponemos que en nuestro caso trabajamos a 0,21 bar.
• De la Tabla 1.6, la temperatura del GNL deberá ser aprox. de -159º C:
• Los intercambios térmicos entre el GNL interior del depósito y el medio ambiente
son mínimos y muy lentos gracias al buen aislamiento de las paredes del depósito
• Los constructores del depósito dan una garantía del orden del 0,05% máximo de
GNL regasificado del depósito en 24 horas por causa de las entradas de calor a través del aislante y los soportes del depósito.
Para un depósito de 100.000 m3, el boil-off diario sería de:
100.000 x 0,05 / 100 x 580 = 29.000 m3 de gas natural
• Solamente podremos mantener constante la presión de la fase gas del depósito retirando este boil-off producido por estas inevitables entradas de calor, mediante un
compresor que lo aspire y lo envíe al sistema de relicuación de la Planta.
• Mientras ello ocurra el GNL del depósito, en fase de lenta ebullición, permanecerá a
-159º C
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1.9.3. GNL en un depósito de una Planta Satélite
Figura 1.13 Esquema de depósito de Planta satélite
• La presión de servicio habitual de un depósito en una Planta satélite suele ser del
orden de entre 3 y 5 bar
• Los intercambios térmicos entre el GNL interior del depósito y el medio ambiente
son mínimos y muy lentos gracias a la doble pared del depósito con vacío intermedio + perlita.
• Los constructores del depósito dan una garantía aproximadamente del orden del
0,12% máximo de GNL regasificado del depósito en 24 horas por evaporación debida a las entradas de calor a través del aislante y los soportes
Para un depósito de 100 m3 el boil-off diario sería de:
100 x 0,12 / 100 x 580 = 70 m3 de gas natural
• Si suponemos que no hay consumo y por ello no baja el nivel del GNL, en el recinto
de gas sobre la superficie del GNL se irá incrementando la presión por el boil off
generado.
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• Cuando se alcance la presión de tarado de sus válvulas de seguridad (5 bar, ver
apartados 4.2.3 y 4.2.12), descargará la sobrepresión a la atmósfera.
• Si por el contrario existe mucho consumo, el nivel de GNL bajará, el recinto de gas
sobre la superficie se incrementará y la presión disminuirá proporcionalmente.
• Para restituir este descenso de presión, el GNL debería regasificar una pequeña
parte del mismo para lo cual precisa energía térmica. Dado que el depósito está
muy bien aislado, no puede captar calor a través de las paredes (como ocurre con
el caso de los GLP) y la presión va disminuyendo.
• En el apartado 4.2 – Esquema C, se describe como se resuelve el problema del
descenso de presión en los depósitos criogénicos.
• Lo contrario ocurre cuando introducimos GNL en un depósito, por ejemplo durante
la operación de descarga de la cisterna de abastecimiento. El GNL en su ascenso
comprime el recinto de gas superior y la presión va aumentando.
• En el apartado 4.2 – Esquema B, se describe como se resuelve el problema de este
aumento de presión en los depósitos criogénicos.
1.9.4. GNL en una cisterna de abastecimiento
• Desde el mismo momento que se efectúa una carga de GNL procedente del depósi-
to de la Planta de Regasificación citada en el apartado anterior hacia la cisterna,
utilizando la correspondiente bomba criogénica, el GNL permanecerá confinado y
no tendremos ya la posibilidad de retirar el gas regasificado a causa del calentamiento sufrido por el GNL a su paso por la bomba o a su entrada en la cisterna, la
cual estará a una temperatura superior a la del GNL que entra.
• Por lo tanto, a partir de este momento, el GNL entrará en un proceso de calentamiento irreversible ya que no podremos retirar el boil off a la atmósfera y no dispondremos evidentemente de una máquina de producción de frío y de relicuación o
similar.
• La experiencia indica que la presión en el interior de la cisterna cargada en el mo-
mento de su salida de cargadero es del orden de los 0,3 – 0,4 bar, es decir se habrá calentado hasta aproximadamente unos -158 / -157º C. ( Ver Tabla 1.6).
• Durante su desplazamiento por carretera hasta la Planta satélite, el GNL seguirá
calentándose a través del aislamiento de poliuretano de la cisterna y, de acuerdo
con la experiencia, llegará a la Planta Satélite por ejemplo a 0,8 bar si el trayecto
no ha sido muy largo, o bien a 1,6 bar por ejemplo, si el trayecto a sido más largo.
• Es decir el GNL se habrá calentado hasta aproximadamente unos -154/ -149,5º C
cuando llegue a su Planta Satélite de destino.
• Si la cisterna sufriese una avería y tuviese que parar y aparcar, la presión iría as-
cendiendo y cuando alcanzase, al cabo de unos días, la presión de tarado de sus
válvulas de seguridad que es de 7 bar ef, empezaría a descargar la sobrepresión a
la atmósfera (Ver apartado 11.6).
• Esto ocurrirá a una temperatura de aproximadamente -128,5º C (Ver Tabla 1.6)
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1.9.5. Llenado máximo de las cisternas y depósitos de Plantas
Satélite
Llenado máximo de una cisterna de transporte de GNL (85%)
• Obsérvese en la Tabla 1.3 que al ir aumentando la temperatura del GNL de la cisterna, la masa específica (densidad) del GNL va disminuyendo de valor lo que indica que aumenta de volumen.
• Ello es así porque, como cualquier otro líquido, el GNL se dilata con la temperatura,
aumentando pues su volumen y disminuyendo en consecuencia su densidad.
• El nivel de GNL en la cisterna irá pues aumentando y reduciendo en consecuencia
el recinto superior de gas.
• Si en algún momento llegase a ocupar todo el recinto y dejase de existir la fase
gas, cualquier nuevo incremento de temperatura haría dilatar líquido directamente
sobre toda la superficie de la cisterna.
• Dado que los líquidos son prácticamente incompresibles, la cisterna no resistiría la
presión y se abriría en estrías y rompería.
• Para que esto no ocurra la legislación establece (ADR) que cualquier cisterna de
GNL debe llenarse en origen hasta un nivel máximo de modo que cuando actúe su
válvula de seguridad, su % de llenado no supere el 95% de su capacidad volumétrica total.
• Ello se logra limitando que el llenado no supere el 85% del volumen geométrico interior de la cisterna
• Siendo la presión de la cisterna a su salida de planta de llenado del orden de los
0.9 bar ef. y siendo 7 bar ef la de disparo de la mayoría de cisternas de GNL, el incremento de volumen del GNL habrá sido de:
A 1, 013 + 0,9 = 1,91 bar abs de salida de planta. La densidad es de 0,41 kg/m3
A 1,013 + 7 = 8,013 bar abs de disparo de la seguridad. La densidad es de
0,368 kg/m3
Incremento de volumen: 0,41 / 0,368 = 1,115
85 % x 1,115 = 94,77 %, inferior al 95%, correcto.
Llenado máximo de un depósito de Planta Satélite (95%)
• En el caso de los depósitos de Plantas Satélite, la legislación (ITC-MIE-AP15, ver
apartado 2.4.2), indica que se instale un sistema de rebose al 95% de su capacidad para control de su grado máximo de llenado, lo cual es una condición menos
restrictiva que en el caso de las cisternas.
Ejemplo:
• Suponemos que el depósito está trabajando a una presión de 3,63 bar.
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Certificación
de personas
Especificaciones técnicas de SEDIGAS para las
actividades de Técnico de Plantas Satélite de GNL.
Unidad 1 – Las Plantas Satélite y el GNL
Revisión 0
Septiembre 2012
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• Ello indica que el GNL (siempre supuesto metano) se halla a una temperatura de 139º C, ver Tabla 1.6.
• Suponemos que la cisterna ha llegado a la Planta a 1,4 bar, a -149,5º C (Ver apartado anterior)
• El GNL de la cisterna está pues más frío que el GNL del depósito, ya que hace más
tiempo que está en él que no el GNL de la cisterna.
• Una vez descargada la cisterna, (Ver apartado 4.1.3), el GNL resultante quedará a
una temperatura intermedia entre ambas, según sean la cantidad de GNL que había en depósito y la cantidad de GNL descargado desde la cisterna.
• Supongamos que la temperatura de la mezcla de GNL queda a -145º C.
• Ello hará que la presión en el depósito se estabilice a 2,24 bar ef, que es la presión
de equilibrio a -145º C, presión que es inferior a la que generalmente quedan los
depósitos después de una descarga.
• Si no hay consumo y el depósito alcanza los 5 bar y dispara su válvula de seguridad, el incremento de volumen del GNL habrá sido de:
Densidad a 2,24 + 1,013 = 3,253 bar abs. La densidad es de 0,3975 kg/m3
Densidad a 5 + 1,013 = 6,013 bar abs. La densidad es de 0,3789 kg/m3
Incremento de volumen: 0,3975 / 0,3789 = 1,049
95% x 1,049 = 99,6 % < 100%, correcto
NOTA FINAL:
Forman parte del contenido didáctico de la presente Unidad 1, las definiciones dadas en el apartado 3.1 – Definiciones de términos genéricos
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