Revisión del sistema de Seguridad y Alivio de los Desaladores de la
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica. Revisión del sistema de seguridad y alivio de los Desaladores de la unidad de tratamiento de crudo. Por Javier Krentzien De Sola Sartenejas, febrero del 2006 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Revisión del sistema de seguridad y alivio de los Desaladores de la unidad de tratamiento de crudo. Por Javier Krentzien De Sola Realizado con la Asesoría de Tutor Industrial: Ing. Mario De Innocentis R. Tutor Académico: Prof. Miguel Strefezza INFORME FINAL CURSOS EN COOPERACIÓN Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, febrero del 2006 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Revisión del sistema de seguridad y alivio de los Desaladores de la unidad de tratamiento de crudo. INFORME FINAL CURSOS EN COOPERACIÓN presentado por Javier Krentzien De Sola. REALIZADO CON LA ASESORIA DE Tutor Industrial: Ing. Mario De Innocentis R. Tutor Académico: Prof. Miguel Strefezza RESUMEN Uno de los procesos por el cual el crudo debe pasar dentro de las plantas de tratamiento antes de ser almacenado o distribuido es el desalado, el cual consiste en la separación de las últimas impurezas sólidas y liquidas que de no ser eliminadas la calidad del crudo y por tanto sus productos se ven perjudicados. Estas unidades desaladoras tienen un conjunto de sistemas de seguridad que garantizan la integridad tanto del proceso como de la misma planta. El principal elemento de seguridad son las válvulas de alivio de presión, que cumplen con la tarea de regular el funcionamiento del proceso. El sistema de alivio implicado en este proceso está conformado por una válvula, operada por piloto con línea sensora remota, que presenta una purga continúa de gas en dicha línea, por las condiciones especiales del proceso (presión y temperatura) y las características particulares del fluido en alivio que es de carácter bifásico (liquido-gas) de alta viscosidad. Teniendo estas condiciones se realizó el estudio completo para determinar si el sistema de alivio utilizado era el mejor. Al finalizar este estudio y por medio de simulaciones, se pudo concluir que además del sistema implementado antes expuesto, también es posible utilizar una válvula de alivio balanceada con condiciones especiales como elemento de seguridad y regulación del proceso de desalado, para un proceso con estas condiciones o similares. Finalmente, al comparar ambas opciones de alivio, la basada en la válvula balanceada especial es la más recomendable a utilizar desde el punto de vista técnico, por ser más sencilla y por tanto segura, abarcar los rangos de presión y temperatura requeridos, no presentar problemas por la alta viscosidad del fluido y desde el punto de vista económico, es de menor costo inicial y de mantenimiento que el sistema de alivio operado por piloto. PALABRAS CLAVES (NO MENOS DE TRES) Unidad Desaladora, Válvula de alivio operada por piloto, Válvula de alivio balanceada, Viscosidad, Presión, Temperatura, Fluido Bifásico, Simulación. Aprobado con mención: Postulado para el premio: Sartenejas, febrero del 2006 AGRADECIMIENTOS: A la Universidad Simón Bolívar, por permitirme formar parte de su comunidad y darme los estamentos básicos no solo para ser un profesional, sino además un individuo integral capaz de desenvolverse eficientemente dentro de la vida. A la Coordinación y Departamento de Ingeniería Electrónica, junto con todos sus profesores, por haberme preparado como ingeniero capaz de resolver problemas y generar nuevas vertientes dentro del área de la electrónica. A INELECTRA C. A. por haberme abierto las puertas del mundo laboral permitiéndome así culminar con mi preparación como ingeniero electrónico, al desarrollar este proyecto de estudio y formar parte del personal de la empresa durante su desarrollo. Al departamento de Instrumentación y Control de INELECTRA, por el apoyo y compresión presentado a lo largo de la pasantía. Víctor Almenara. Mario De Innocentis. Ángela Boidi. Francis Sánchez. Rafael Motamayor. Nayarit Landaez. A mi tutor Industrial el Ingeniero Mario De Innocentis por el apoyo, ayuda y compresión prestado ante las dudas, problemas y consultas técnicas que surgieron dentro de la realización de este trabajo. A mi tutor Académico el Profesor Miguel Strefezza, por su guía y apoyo que me permitió realizar este trabajo de forma organizada y eficiente. A la Ingeniera Ana Lorena Marrero, del departamento de Procesos de INELECTRA, por todas las consultas y dudas que me aclaró, así como todas el apoyo que siempre me brindó en los momentos de buscar información específica para los sistemas de alivio. A el Ingeniero Roberto Núñez de la empresa RIESE, por las facilidades presentadas en el momento de revisar la biblioteca de la empresa y el apoyo en la consultas realizadas. Finalmente gracias a todas las personas que directa o indirectamente me prestaron apoyo a lo largo de mi periodo de formación y especialmente a las que estuvieron involucradas con la realización de este trabajo. i INDICE GENERAL: Índice de tablas y figuras ………………….……………………………………………….. ii Lista de abreviaturas ………………….……………………………………………….. iv Glosario ………………….……………………………………………….. vi Introducción ………………….……………………………………………….. 1 Capítulo 1: Inelectra …………………………………………………………………… 3 Capítulo 2: Marco teórico …………………………….…………………………………….. 7 ………………….……………………………………..………………….. 9 Desaladores Válvulas de control y alivio ………..……………………………………………….. 11 Las válvulas de control ………………………………………………. 11 Sistemas de alivio de presión ………………………………………………… Válvulas de alivio de presión ……………………………………………….. 13 Válvulas de alivio Convencionales …....……………………………………… 14 Válvulas de alivio balanceadas 18 .…...……………………………………… Válvulas de alivio operadas por piloto 12 ……………………………………… 19 …………………………………….……….. 23 API ………………….……………………………………………….. 23 ASME ………………….……………………………………………….. 27 DIERS ………………….……………………………………………….. 29 ………………….……………………………………………….. 31 Normativas y organizaciones legales Capítulo 3: Desarrollo Desarrollo del sistema de alivio para la planta de tratamiento de crudo …………… 31 Condiciones, características y propiedades del nuevo sistema ...…………………. 31 Soluciones posibles 36 ………………………………………………………………….. Válvula de alivio operada por piloto ………………………………………. Válvula de alivio balanceada (Especiales) …………………………………. Cálculos de dimensión de la válvula ……………………………………………….. Análisis específico de la válvula operada por piloto ……..……………………… 36 38 39 46 Análisis especifico válvula de alivio balanceada ……….……………………………… 56 Simulaciones 64 ………………………………………………………………….. Capítulo 4: Comparación y elección ………..……………………………………………….. 86 Técnicas ………………….……………………………………………….. 86 Económicas ………………….……………………………………………….. 87 Capítulo 5: conclusiones ……….………………………………………………………….. 89 Bibliografía ………………….……………………………………………….. 90 Anexos ………………….……………………………………………….. 93 ii INDICE DE TABLAS Y FIGURAS: Figuras: Figura 1. Evolución de la empresa……………………………………………………………………………… 3 Figura 2. Estructura de la empresa Inelectra………………………………………………………………….. 4 Figura 3. Esquema de proceso (simplificado) de tratamiento dentro de la industria petrolera…………… 8 Figura 4. Esquema simple de un desalador……………………………………………………………………. 9 Figura 5. Principio de carga de las partículas expuestas un campo eléctrico........................................... 10 Figura 6. Actuador de una válvula de control……………………………………………………….………….. 12 Figura 7-a. Disco de ruptura………………………………………………………………………………………… 13 Figura 7-b. Disco de ruptura una vez activado o utilizado………………………………………………………. 13 Figura 8. Vista de varias válvulas de alivio de presión (Crosby)................................................................ 14 Figura 9. Esquema de operación de una válvula de alivio convencional…………………………………… 15 Figura 10. Relación típica de movimiento del disco contra valores de presión dentro del sistema de alivio 16 Figura 11-a. Momento inicial de levantamiento. Bajo operación de fluido en líquidos………………………… 18 Figura 11-b. Momento de levantamiento total. Válvula en servicio liquido……………………………………… 18 Figura 12. Efectos de un Válvula de alivio balanceada-Bellow para control de la presión de acción…….. 19 Figura 13-a. Levantamiento del pistón debido al aumento de presión, en válvulas pop-action……………… 21 Figura 13-b. Levantamiento del pistón en relación a la presión, válvulas moduladas………………………. 21 Figura 14. Vista de una válvula Operada por piloto con fuente de gas fuerte (Crosby)............................... 22 Figura 15. Esquema de propuesta para válvula de alivio operada por piloto............................................. 38 Figura 16. Correlación entre los factores de presión saturación y crítico según la región del fluido……… 42 Figura 17. Grafica de valores de Kb en función de ΔPa-o…………………………………………………….. 44 Figura 18. Descripción de puntos de válvula operada por piloto……………………………………………. 48 Figura 19. Grafica de selección de válvula serie 1900 tipo R, según presión y temperatura de alivio… 61 Figura 20. Ventana de datos del proyecto de Cálculos Hidráulicos......................................................... 65 Figura 21. Ventana de selección del número de circuitos........................................................................ 66 Figura 22. Ventana de características especificas del circuito 1 del sistema de purga............................ 67 Figura 23. Ventana de características del circuito 2 del sistema de purga………………………………… 68 Figura 24. Ventana de características especificas de la tubería del tramo 1 circuito 1.……................... 69 Figura 25. Ventana de accesorios generales del circuito 1. Tramo 1...................................................... 70 Figura 26. Ventana de accesorios válvulas del circuito 1 tramo 1........................................................... 71 Figura 27. Ventana de propiedades del fluido del circuito 1 tramo 1....................................................... 72 Figura 28. Ventana de criterios de diseño............................................................................................... 73 Figura 29. Ventana de especificación de tuberías del circuito 2 tramo 1................................................ 74 Figura 30. Ventana de caracterización de los accesorios del circuito 2 tramo 1.................................... 75 Figura 31. Ventana de especificación del fluido dentro del circuito 2 tramo 1......................................... 76 Figura 32. Ventana de ejecución de resultados del sistema de purga…………………………………….. 77 Figura 33. Ventana de resultados circuito 1 Tramo 1………………………………………………………… 78 Figura 34. Ventana de resultados circuito 2 Tramo 1………………………………………………………… 78 Figura 35. Ventana de resultados circuito 2. Tramo 1 a Psalida 182psig………………………………….. 82 Figura 36. Ventana de resultados circuito 2. Tramo 1 a Psalida 211psig………………………………….. 84 iii Tablas: Tabla 1. Propiedades y características de los equipos desaladores …………….………………………… 34 Tabla 2. Propiedades y parámetros para la condición de alivio……………………………………………. 35 Tabla 3. Propiedades del fluido………………………………………………………………………………… 36 Tabla 4. Estándar para el área efectiva del orificio y su designación según letras………………………. 46 Tabla 5. Tipos de válvula según servicio en el que operan, materiales y dimensiones generales…….. 47 Tabla 6. Características del gas a purgar (Fuel Gas)……………………………………………………….. 47 Tabla 7. Características de las tuberías………………………………………………………………………. 52 Tabla 8. Puntos clave dentro de la figura 18…………………………………………………………………. 53 Tabla 9. Rasgos del sistema para la búsqueda en alivio con válvula balanceada………………………. 57 Tabla 10. Equivalencias entre fabricantes……………………………………………………………………… 57 Tabla 11. Rangos de presión y temperatura generales………………………………………………………. 58 Tabla 12. Serie1900, tipo en relación con su tamaño de orificio. Parte A………………………………….. 59 Tabla 13. Serie1900, tipo en relación con su tamaño de orificio. Parte B................................................. 59 Tabla 14. Características especificas para serie1900, tipo de orificio R................................................... 60 Tabla15. Comparación de costos de las posibles aplicaciones…………………………………………….. 88 iv Lista de Símbolos y Abreviaturas: A = área. AoP= Sobre presión permitida, en % de la presión acción. API = Instituto Americano de petróleo. aprox. = Aproximadamente. ASME = Sociedad Americana de ingenieros mecánicos. Bs. = Bolívares. Cº = grados centígrados. cuft o ft3 = pies cúbicos. Cp = centipodes. Cv = factor de compresibilidad. D = diámetro. DIERS = Instituto de diseño para sistema de alivio de emergencia. F = Fuerza. Fº = Grados Fahrenheit. ft = pies. ft2 = Pies cuadrados. G = gravedad especifica. gal = galones. gr = gramos. Hr = horas. in o ” = pulgadas. inches2 = pulgadas cuadradas K = Rango de calor especifico. Kb = Factor de corrección debido a los efectos de la presión de contra flujo. Kc = factor de corrección para la instalación de sistemas combinados. Kd = coeficiente de descarga. Kg = Kilogramos. Lb = Libras. m = Metros. M = masa. MAWP = máxima sobre presión de trabajo permitida min = minutos. mm = milímetros. mol = moles. Mw = Peso molecular. P = Presión. v Pb = Presión de contra flujo. Pa = Pascal. Pi o Pset = Presión de acción. Pc = Presión crítica. PO = Presión en la entrada. Ps = Presión de saturación. psia = libras por pulgadas cuadradas referidas a la presión atmosférica. psig = libras por pulgada cuadrada. PSV = Válvula de alivio operada por piloto. Ρ9 = Densidad evaluada al 90% de presión del punto de burbuja a la temperatura de alivio. Qm = flujo másico. R o d = radio. seg. = segundos. T = temperatura. t = tiempo. Tc = Temperatura critica. To = Temperatura de alivio. v = Velocidad. W = Cantidad de flujo de masa de alivio requerido. Z = Factor de compresibilidad. β = Relación entre diámetros internos entre la tubería y el orificio ΔPa-o = porcentaje de la diferencia de presión de contra flujo Δp = Diferencia de presión aguas arriba y aguas abajo ηc = Factor de presión crítica. ηs = Factor de presión de saturación. ηst = Rango de transición de la presión de saturación. ρ o ρf = densidad. ρlo = Densidad del líquido en la entrada a la presión de alivio. μ = Viscosidad. π = constante Pi (3,1416). ωs = Parámetro de saturación. vi GLOSARIO: Acumulación: Es el incremento por encima del MAWP, que esta permitido que un envase tenga cuando se esta aliviando o liberando presión a través del equipo de alivio, este se expresa normalmente como porcentaje del MAWP. [13] Aguas Abajo (downstream) y Aguas Arriba (upstream): Estos términos se utilizan para identificar lo que ocurre en una tubería, cuando con respecto a un punto cualquiera de referencia, los términos se indican respecto a la dirección que tenga el flujo, es decir, se usa aguas abajo cuando se habla del fluido una vez que a pasado el punto de referencia, y aguas arriba cuando se habla del mismo pero antes de pasar por el punto de referencia. [22] Normalmente el punto de referencia viene dado por algún elemento u objeto que pueda hacer cambiar las condiciones (temperatura, presión, velocidad u otro) del fluido, ejemplo: placa reductora, válvula entre otros. [22] Área real de Descarga: Es la mínima área conjunta por la cual se determina el flujo que pasa a través de la válvula. [22] Área de Descarga efectiva: Es el área nominal, calculada mediante el uso de un coeficiente de descarga, basado en las ecuaciones recomendadas por los reglamentos internacionales para el dimensionamiento de la capacidad de alivio de las válvulas u otros equipos. [22] Asiento (seat): Es el último elemento de contención de la presión el cual se encuentra justo en la unión entre la parte móvil el disco y el conducto (Nozzle). [22] Blowdown: Es la diferencia entre la presión de activación (set pressure) y la presión de cierre, ésta suele estar expresada como porcentaje de la presión de activación. [13] Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura para una cantidad de sustancia de una unidad de masa. Numéricamente se expresa como la cantidad de calorías necesarias para aumentar en 1° C la temperatura de 1gr de sustancia. [10] Cámara de huddling (Huddling chamber): Es una pequeña cámara que se encuentra en la parte interna de válvula unido al conjunto disco o superficie de cierre que cumple la función de asistir al levantamiento del disco en el momento de su apertura. [13] vii Canal de descarga: es el conducto o espacio dentro de la válvula por el que pasa el fluido para salir del sistema o ser aliviado. Este conecta a la válvula con el exterior (outlet). [13, 22] Coeficiente de de descarga: Es la rata de flujo de masa que pasa a través de la boquilla (Nozzle) válvula en condiciones ideales. [13, 22] Condiciones de alivio. Es el término utilizado para indicar la presión y temperatura de un dispositivo de alivio de presión (válvula) durante un estado de sobre-presión del envase o tanque que está protegiendo. [13] Constante del resorte: Es el parámetro por medio del cual se indica la elasticidad del resorte, este factor es muy importante y depende directamente del material con el que esta hecho el resorte. [13] Densidad: Es la relación de la masas versus el volumen que ésta ocupa, muchas veces se expresa en función de la gravedad especifica, sino en unidades de gr./cm3 o gr./cc. [10] Diafragma: Elemento flexible, de material, metálico, plástico u otro, el cual forma parte del sistema de cierre y apertura de la válvula. [3] Disco: es el elemento móvil del sistema el cual se contiene la presión del sistema y se mueve cuando la presión aumenta más de lo debido. [22] Efecto Parpadeo (Flashing o Flashes liquid): Es cuando un líquido al estar expuesto a un cambio de condiciones (presión y temperatura) en un corto periodo de tiempo, parte de el tiende a pasar de fase a gas o sino forma burbujas, que producen turbulencias irregulares dentro del flujo del líquido. Ya sea que este fluyendo dentro de una tubería o este siendo expulsado a un tanque, medio ambiente o simplemente otro equipo. [13] Factor de compresibilidad: Es un Constante de proporcionalidad que determina el comportamiento de una sustancia, según la capacidad de las moléculas que la conforman de expandirse y comprimirse, es un valor numérico que se utiliza dentro de las formulas que se aplican para el estudio y determinación de comportamiento de una sustancia dentro de un sistema. [10, 49] Fluido bifásico: Fluido que se encuentra en dos fases diferentes, éstas pueden ser mezclas de GasSólido, Liquido-Gas, Liquido-Sólido, en cualquier relación de porcentaje de cada una de las fases sobre el total del fluido. [1,10] viii Fluido trifásico: Es lo mismo que un fluido bifásico pero en este caso los componentes se encuentran en las tres fases mezcladas Gas-Sólido-Liquido. [1, 10] Flujo crítico: Es la rata con que fluye un fluido cuando la velocidad de la línea o tubería en el orificio o punto de salida es igual que la velocidad del sonido en dicho fluido, bajo estas condiciones la rata de flujo puede incrementar si se aumenta la presión antes de la salida (aguas arriba “upstream”), y no se ve afectada por los decrementos de presión a la salida (aguas abajo). [13] Fuelle (Bellow): Es el elemento de las válvulas de alivio balanceadas, que posee la propiedad de reducir los efectos de la presión súper-impuesta de contra flujo (súper-imposed back pressure), debido a su comportamiento flexible ante los cambios de presión, también se utiliza para prevenir la corrosión entre el mecanismo de unión del disco y la guía por la cual éste se desplaza. Este tiene una forma de acordeón, que rodea al vástago o eje guía del levantamiento del disco, en la mayoría de los casos está hecho de acero inoxidable o Inconel (aleación metálica de mayor resistencia). [13] Gravedad específica: Para sólidos y líquidos es la relación de la densidad del material a condiciones estándar de presión y temperatura, entre la densidad de agua pura a las mismas condiciones normales. En el caso de los gases la relación es igual a condiciones estándar pero es entre el gas y el aire. [10] Levantamiento (lift): Es la distancia real que se desplaza el disco entre las posiciones de cerrado y la de alivio (apertura). [13] Máxima Presión de operación: Es la máxima presión que se espera durante el funcionamiento normal del sistema. [13, 22] Máxima Presión de trabajo permitida (MAWP): Es la máxima presión permitida en la parte más alta de cualquier recipiente o envase que se encuentre operando bajo condiciones normales, a la temperatura de diseño especifica para ese valor de presión. Es el parámetro de diseño que se utiliza para determinar el grosor de las paredes de los equipos, también se utiliza en las estimaciones de los efectos corrosivos en los caso aplique. Este valor es una de las bases que se utiliza para la determinación de la presión de alivio del equipo; Normalmente el MAWP es mayor o igual que la presión de diseño. [13, 22] Peso Molecular: Es la suma de las masas atómicas de todos los elementos químicos que forman un compuesto, o mejor dicho una molécula de un compuesto. [1] ix Piloto (pilot): Es el componente sensor de la presión en una válvula operada por piloto o pistón (pilotoperated valve), éste controla la válvula de apertura y cierre que acciona a la válvula principal. [13] Pistón: es el elemento móvil de la válvula principal de una válvula operada por piloto. [13] Presión de Acción o activación (Set pressure): Es el valor en la presión interna de la válvula a la cual se ajusto el equipo de alivio (válvula) para que éste se abra y alivie el exceso de presión, bajo condiciones de trabajo. [13, 22] Presión de Apertura (Opening pressure): Es el valor al cual se tiene que incrementar la presión estática interna en la cual hay un levantamiento perceptible del disco en el cual el flujo de descarga es continuo. [13, 22] Presión de blowdown: Es el decremento en la presión interna de la válvula, cuando deja de existir una descarga de presión por la salida de la válvula la que ocurre cuando se ha estado expuesto a una presión igual o mayor que la presión de popping. [13, 22] Presión de cierre (Closing pressure): Es el valor al que debe llegar la presión estática interna de la válvula para que el disco vuelve a estar en contacto con el asiento, también dice que es cuando el levantamiento es cero. [13, 22] Presión de Contra flujo (Back pressure): Es la presión estática que existe en la parte externa de alivio (outlet) de la válvula debido a la presión de descarga del sistema. Es la suma de la presión súper impuesta (superimposed pressure) y la de construcción (built-up back pressure). [13, 22] Presión de Construcción (Built-up back pressure): Es el incremento de la presión existente en la parte externa de la válvula de alivio (outlet), producto al flujo de descarga del sistema una vez que está aliviando. [13, 22] Presión de Diseño: Es el valor que se utiliza para la determinación del tamaño y grosor de la válvula, y en general todas las características físicas del equipo; ésta suele ser menor a la MAWP, pero en ciertos caso puede ser igual al MAWP. [13, 22] Presión de Fuga (leak pressure): Es el valor de presión estática interna en la cual se produce una fuga o escape no deseada de presión de la válvula a través del asiento (seat), éste valor se determina mediante pruebas realizadas por los fabricantes.[13, 22] x Presión marcada o nominal (Marked pressure): Es la presión marcada en la válvula de alivio de presión en la etiqueta la cual es impuesta por el fabricante. [13, 22] Presión de Popping (Popping pressure): Es el aumento que debe sufrir la presión interna para que el disco se mueva en dirección de apertura a la máxima velocidad, comparado con la velocidad o movimiento que esta presenta a mayores y menores presiones dentro del rango de presiones entre activación y sobre-presión. [13, 22] Presión súper impuesta de contra flujo (Súper-imposed back pressure): Es la presión estática existente en la parte externa (outlet) del mecanismo para el momento en que este va a cumplir su función de alivio. Es el resultado de la presión de descarga de otras fuentes, que se encuentran conectadas en la salida. Este valor puede ser constante o variable. [13, 22] Rata de Capacidad de alivio (Rated relieving capacity): Es la porción de la capacidad de alivio medida permitidas según los estándar y códigos en los cuales se esta basando el trabajo. [22] Rango de presión de operación: Es el rango de valores de presión que existe entre la presión máxima de operación normal y al presión de activación (set pressure). [13, 22] Región de Subenfriado (Subcooling regions): Se refiere al momento o lugar donde se produce el efecto de parpadeo (flashing) en uno fluido bifásico, es una propiedad o característica del sistema que identifica y diferencia a un fluido bifásico de otro, en cuanto a su condición y funcionamiento del sistema. Las regiones pueden ser dos: baja (low) donde el efecto de parpadeo ocurre en la parte alta de del orificio o garganta de entrada a la válvula, es decir, dentro de la válvula como tal, justo ente el espacio de entrada y el espacio de alivio de la válvula; y alta (high) que es cuando el efecto de flashing ocurre justo en la entrada a la válvula, es decir, en la garganta de entrada de la válvula, en la juntura entre la válvula y envase o tubería a la cual la misma esta conectada. [13] Rotametro: Elemento o equipo que sirve para medir el flujo que circula por una tubería a través de la presión que este ejercer sobre parte de sus piezas internas, este instrumento es de gran precisión y confiabilidad. [22] Simmer: es el escape del fluido comprimido entre el asiento y el disco, que ocurre justo antes de que la presión estática interna llegue a la presión de acción (set pressure), ésta normalmente se nota por el sonido que este efecto causa. Cuando este efecto ocurre se comienzan a llenar las cámaras de huddling. [13, 22] xi Sobre-presión (Overpressure): Es el aumento de la presión por sobre la presión de activación (set pressure) en una válvula permitida que hace llegar a la rata de flujo de alivio del sistema, éste suele ser un porcentaje de la misma. [13, 22] Tamaño externo (Outlet size): Es el tamaño nominal de tubería, de la válvula en la conexión de la con la etapa de salida o descarga. [22] Tamaño interno (Inlet size): Es el tamaño nominal de tubería, que contienen la parte interna de la válvula. [22] Tobera (Nozzle): Es el elemento que contiene la presión, el cual esta formado por el conducto interno por el que pasa el fluido y la unión con el sello de cierre (seat). [22] Traceado eléctrico: es una técnica para aumentar un poco la temperatura de una tubería u objeto, en esta se rodea al elemento con cables y se hace pasar corriente a través de ellos, para que generen calor. Vástago: Es el elemento eje de la parte móvil dentro de la válvula de control, suele tener por un extremo el diafragma y por el otro en el interior de la válvula el elemento que regula el movimiento de la válvula para su acción de control. [22] Viscosidad: Es la resistencia de los fluidos a fluir, causado por la fricción debido a la interacción molecular interna de los fluidos. Esta propiedad indica que mientras más viscoso sea el fluido, su desplazamiento será más lento y mayor será su valor de viscosidad. [10, 49] 1 INTRODUCCIÓN: Para la elaboración de los productos finales que se obtienen de una extracción petrolera, el crudo debe pasar a través de una serie de procesos que deben ser realizados bajo un estricto sistema de control y seguridad. La seguridad es el pilar de este tipo de procesos industriales debido a que una falla menor podrían causar perdidas o daños, tanto humanos como al medio ambiente en el cual se encuentran ubicadas las plantas de procesamiento. Por tal razón, no debe escatimarse ningún esfuerzo en conseguir las mejores condiciones dentro de cada uno de los procesos de la planta. Uno de los procesos que el crudo es expuesto una vez extraído está la desalación. Éste es uno de los pasos finales de su limpieza donde se eliminan tanto impurezas sólidas (sales) como los pequeños residuos de agua que dentro de él se encuentran en forma de burbujas. Este proceso es realizado por un equipo que hace uso de la aplicación de campos eléctricos para separar estas últimas impurezas del crudo. Dependiendo de las características del crudo que se esté manejando se varía las condiciones de operación de la unidad desaladora y, por tanto, los sistemas de control y seguridad a los cuales éste se verá expuesto. En cualquiera de los casos, la principal variable que regula y mantiene segura la acción del desalador es la presión. Para el caso particular de este trabajo, debido a un aumento en la producción las condiciones de operación del desalador son de altas temperaturas (por encima de los 200º F) y altas presiones (entre 180psig y 220psig), debido a que el crudo es muy viscoso 33cp aproximadamente. Por tal razón, el sistema de desalado consta de dos desaladores en serie, para de esta manera asegurar un crudo libre de impurezas. Por tal razón se tiene que el sistema de alivio de presión, debe ser rediseñado o sustituido por uno nuevo que debe cumplir con una serie de requisitos que surgen de la combinación de las condiciones de operación del sistema y de las características del crudo. Dentro de ellas hay que destacar que cuando la condición de alivio de presión ocurre el fluido a aliviar es bifásico. Tomando en cuenta ésto, se realizará un estudio del sistema de alivio de presión de las unidades desaladoras planteado dentro del proyecto de remodelación de la planta de tratamiento, el cual está formado por una válvula de alivio operada por piloto, con un sistema de purga continúa de gas sobre la línea sensora remota de la válvula. Por otro lado se desea buscar soluciones distintas a la planteada dentro de la diversidad de los sistemas de alivio que puedan implementarse a las condiciones de trabajo, que puedan ser más seguras y eficientes y, de ser posible, de menor costo. Para lograr estos objetivos primero se realizó una amplia revisión teórica, las normativas y leyes de seguridad dentro de los cuales las diferentes compañías productoras de equipos de seguridad se manejan. Además se tomo en cuenta los requisitos mínimos impuestos por los 2 organismos internacionales en materia de seguridad en plantas industriales. Una vez establecidos estos conceptos y parámetros, se realizó el cálculo de todas las variables del sistema de alivio operado por piloto, usando como apoyo las normativas internacionales y programas de simulación con los cuales se realizaron los cálculos específicos del sistema de purga continua que dicha válvula requería, gracias a estas simulaciones se pudo recrear el funcionamiento de dicha etapa del sistema de alivio piloteado, la cual es la clave para cumplir con la función de control y seguridad de los equipos. Conjuntamente, se buscó y desarrolló un estudio de las otras opciones posibles que pudieran aplicarse para que finalmente, una vez culminado el estudio de todas las opciones, realizar una comparación técnico-económica entre las mismas para determinar la mejor opción y realizar las observaciones pertinentes dependiendo del caso. 3 CAPÍTULO 1: INELECTRA: Inelectra es una empresa de capital venezolano dedicada a la ingeniería y construcción para las industrias: petrolera, petroquímica, acero, aluminio, electricidad, telecomunicaciones y transporte masivo; que ejecuta proyectos de gran envergadura en Venezuela y el exterior; siendo la mayor empresa de Hispanoamérica en su género. Teniendo como uno de sus principales compromisos el desarrollo industrial del país, desde el punto de vista de inversiones, participación en los proyectos nacionales –no solo en el área de ingeniería-, así como también la incorporación de equipos y material nacional en los proyectos que se ejecutan. [50] Inelectra es fundada en 1968 como una empresa especializada en servicios de ingeniería que incorpora posteriormente las áreas de procura, gerencia de construcción y construcción directa, así como la de operación y mantenimiento. La integración de actividades se logra progresivamente mediante la capacitación de personal, desarrollo y adquisición de tecnologías, participación en sociedad con firmas extranjeras. [50] En sus 35 años de historia Inelectra ha realizado muchos de los proyectos más relevantes desarrollados en el país, los cuales representan más de 28 millones de horas-hombre de servicios profesionales y 80 millones de horas-hombre de construcción. [50] Como parte de la filosofía integradora de la empresa, desde su fundación, Inelectra tiene como política incorporar a sus empleados como accionistas, haciéndolos partícipes de sus ganancias e identificándolos con sus objetivos corporativos. Hoy día es una empresa de capital 100% venezolano, compuesta por 1.130 accionistas, de los cuales 530 son empleados. [50] Figura 1: Evolución de la empresa. Pasando a la estructura de la empresa, la misma está conformada por un conjunto de unidades que actúan como centros de costo-beneficio, con responsabilidad sobre sus resultados, integrándose desde el punto de vista organizativo bajo dos unidades operativas principales: Operaciones e Inepetrol, con unidades corporativas de Finanzas, Telecomunicaciones, Planificación, Recursos Humanos, Legal y Relaciones Institucionales. [50] 4 Figura 2: Estructura de la empresa Inelectra. El éxito de Inelectra está íntimamente vinculado a su capital humano, su activo más importante. Sus recursos humanos cuentan con iniciativa propia, visión empresarial, capacidad de trabajo en equipo, y claros principios éticos. El desarrollo de la organización se sustenta en la capacidad de mantener y conseguir el mejor recurso humano y desarrollarlo a su máximo potencial. Hoy en día Inelectra mantiene una nómina que cuenta con más de 1.700 empleados, lo cual representa una capacidad de trabajo facturable mayor a 2 millones de horas-hombre anuales. La capacidad de la gerencia de la empresa permite administrar adecuadamente estos recursos así como organizar y asumir nuevas responsabilidades, y manejar las relaciones contractuales más diversas, de acuerdo a las exigencias actuales del negocio. [50] Para Inelectra es vital satisfacer la necesidad de formación de su personal, su mejoramiento individual y su crecimiento integral. Por esta razón se propician programas semestrales de formación que añaden valor al empleado y a la organización, incrementando la experticia y contribuyendo al aprendizaje organizacional. Seleccionar el mejor talento joven es un objetivo importante y, en ese sentido, se mantiene una estrecha relación con todas las universidades nacionales. De igual manera la empresa apoya los programas de pasantías industriales de diversas instituciones educativas, y otorga premios a los estudiantes con las mejores tesis de grado de las universidades venezolanas tanto públicas como privadas. [50] Pasando a la estructura del corazón de la empresa en el plano de ingeniería y construcción tenemos que se ofrece un rango completo de servicios en una amplia gama de 5 segmentos de mercado. La experiencia acumulada por Inelectra en la realización de más de 2.000 proyectos y el perfil actualizado de sus especialistas, conforma un acervo tecnológico que permite que la empresa este en la capacidad de competir tanto en ámbito nacional como internacional como se ha mencionado anteriormente; esto gracias a la división en departamentos según la especialidad, donde destacan: [50] • Departamento de estudios. • Departamento de mecánica. • Departamento de computación. • Departamento de procesos. • Departamento de electricidad. • Departamento de automatización y control. El trabajo conjunto del personal integrante de estos departamentos en los proyectos es lo que hace de Inelectra una de las mejores empresas de ingeniería del país. [50] El Departamento de Automatización y Control, tiene la capacidad de suministrar los servicios y recursos necesarios para el desarrollo de proyectos de Automatización en las fases de Ingeniería Conceptual, Básica, Detalle, Asistencia a la Procura, Construcción, Puesta en Marcha y Mantenimiento. Él mismo cuenta con más de 60 personas con un promedio de experiencia mayor a 9 años, de los cuales el 75% corresponde a ingenieros, además de técnicos, proyectistas y operadores de CAD, especialistas en el área de automatización. Estas cifras los coloca como la compañía de ingeniería con mayor capacidad de ejecución en Automatización en Venezuela con aproximadamente 130.000 horas hombre anuales. Inelectra posee personal de Automatización en todas sus oficinas, con una estrecha coordinación entre sí, para asegurar la homogeneidad de los procesos de diseño y ejecución de los proyectos, el intercambio constante de experiencias, apoyo en áreas especializadas y la normalización de los productos de los productos que ofrece a sus clientes. [50] Este departamento se encarga de cumplir con las necesidades actuales del mercado en cuanto a la calidad y productividad de los servicios y bienes, ha obligado a sus clientes a optimizar sus procesos, ya sea a través del mejoramiento de las instalaciones existentes o realizando inversiones en instalaciones tecnológicamente más avanzadas y de alto desempeño. Por estas razones, en los últimos años existe una tendencia hacia la automatización de las plantas industriales a través de sistemas electrónicos, centralizando las operaciones y la supervisión, utilizando de forma intensiva los recursos de las nuevas tecnologías de información industrial, que puedan ser integradas para adaptarse a las necesidades específicas de cada cliente. Esto trae como beneficio una mayor producción y calidad del producto, mejor respuesta a los cambios del mercado; permite la integración al nivel de gerencia de información, con unos procesos optimizables mediante el uso de control avanzado, integridad con redes de información y por lo tanto operaciones más seguras. [50][ 6 Estos procesos normalmente traen consigo cambios radicales en el tipo de instrumentación a ser utilizada, derivando en la necesidad del uso de instrumentos del tipo electrónico inteligente, inclusive en los últimos tiempos se está tendiendo a la utilización de tecnología “fieldbus”, que tiene incontables ventajas desde el punto de vista de instalación, configuración, operación y mantenimiento. Es necesario también, la definición, diseño e implantación de la arquitectura de supervisión y control idónea, que se adapte a los requerimientos de operación de los diferentes centros operativos y a las estrategias de negocio de la compañía, que en casi todos los casos requiere de una amplia experiencia en la integración de sistemas de diferentes proveedores, asegurando un flujo de información confiable. En todos los casos se requiere de un soporte tecnológico especializado para acometer estos trabajos, se trate de un proyecto nuevo o de remodelación de plantas. [50] En el área de sistemas de control e integración, Inelectra es líder reconocido como una firma de ingeniería que puede diseñar e implementar soluciones integrales de control en las áreas de procesos de producción / transformación / servicio y de información inherente al negocio. Inelectra ha ejecutado proyectos de integración que van desde los niveles de sensores y actuadores en campo, pasando por los niveles de dispositivos de control sistemas supervisados, hasta los sistemas de información gerencial de operaciones y de administración corporativa. Inelectra no posee vínculos comerciales con fabricantes, por lo que la integración se hace orientada a consultoría en lugar de ser orientada a producto, lo cual permite soluciones a conveniencia del cliente, permitiendo considerar más variables, opciones y proveedores. [50] Finalmente él grupo cuenta con los equipos y herramientas de la más alta tecnología, que cuentan con certificaciones vigentes de organismos reconocidos y con personal altamente calificado, factores que permiten ofrecer una amplia gama de servicios. Estos servicios se ofrecen para ser ejecutados en plantas nuevas, remodelaciones, operaciones de mantenimiento, paradas de plantas programadas y asistencia en el arranque de plantas. [50] 7 CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO La industria petrolera ha sido, uno de los principales centros de desarrollo, tecnológico y humano de muchos campos del conocimiento, principalmente en las áreas de la ingeniería y la química. El trabajo conjunto de las diferentes disciplinas ha traído como resultado el establecimiento de las conocidas plantas de tratamiento de crudo, comúnmente llamadas plantas petroleras, que tienen como finalidad el mejorar la eficiencia desde todo punto de vista- del proceso de extracción, procesamiento y preparación del crudo, para que éste luego sea tratado en las refinerías para la obtención de productos finales tales como: gasolina, diesel, orimulsion, asfalto y otros derivados. Las plantas de tratamiento de crudo (Ver figura 3) permiten limpiar o eliminar las impurezas que trae el petróleo cuando éste es extraído del yacimiento o pozo. En ellas se busca, principalmente, eliminar restos de tierra, arena, agua, gas y sal de manera de proceder con los procesos de transporte y refinación. [46] La forma como se construye y establece la planta de tratamiento depende principalmente de las condiciones del crudo en extracción (ligero o pesado), de la disponibilidad de “Gas” y de de otras fuentes como agua y electricidad. [28] Lo primero que debe realizarse es separar el agua que sale junto con el crudo del pozo, lo cual se comienza por la acción del separador por viscosidad (slug catcher), el cual está formado por un conjunto de tuberías inclinadas de menor diámetro. Debido a la diferencia de densidad entre el crudo y el agua, esta última queda desplazada a la parte inferior de la tubería, la cual tiene una salida a la unidad de tratamiento de aguas. Por otra parte, el crudo es extraído por medio de una corriente intermedia que pasa a través de un intercambiador de calor (el cual suele elevar ligeramente la temperatura), para luego pasar a un separador trifásico. Este dispositivo actúa bajo el principio de diferencia de densidad y termina siendo un gran depósito horizontal donde el gas queda en la parte superior y es pasado por otro conjunto de procesos. Así mismo, el agua que sale de la unidad de tratamiento de aguas y crudo, ahora libre de las grandes bolsas y gotas de agua pasa al Desalador, el cual se encarga de eliminar la porción de agua más difícil, que son las millones de góticas que se encuentran suspendidas en el crudo y que por gravedad no pueden ser separadas. Es importante mencionar que estas gotas tienen gran cantidad de sales disueltas que, de no ser eliminadas, causarían un importante daño corrosivo en el proceso de transporte. [9, 28, 46} 8 Un esquema simplificado de este proceso de tratamiento es el siguiente: (Es importante destacar que este no es un sistema estándar para todas las plantas, dado que las características especificas de cada yacimiento y proceso de extracción requieren de la implementación de distintos procesos ajustado a las diferentes condiciones particulares.) Figura 3. Esquema de proceso (simplificado) de tratamiento dentro de la industria petrolera El desalador hace uso del efecto coalescente de los campos electroestáticos, debido a que está formado por un conjunto de recipientes que en su interior tienen dos electrodos en forma de placas. Las gotas al pasar entre las placas se cargan electrostáticamente, según las sales que estén disueltas en ellas (unas positivamente y otras negativamente), y una vez cargadas se desplazan y chocan con otras gotas aumentando así su tamaño. De esta manera, al igual que en los casos anteriores, el agua es llevada a la unidad de tratamiento de aguas y el crudo pasa a la etapa final en el Estabilizador, en el cual se busca que el crudo alcance la presión y temperatura óptima para su almacenamiento y posterior transporte a las refinerías. Para este fin suele utilizarse 9 una Torre de Destilación cuyo principio de funcionamiento es la disminución de la presión de los productos por medio de la inyección de gas donde por la parte superior salen los hidrocarburos ligeros y por la parte baja sale el crudo estabilizado, el cual ahora está listo para ser almacenado.[ 25, 26, 27, 28] De esta manera se divide el sistema de una planta de tratamiento de crudo, donde cada uno de los elementos del proceso debe cumplir con su tarea eficientemente y para esto cada paso en particular es sometido a un riguroso sistema de control y seguridad; así como también deben cumplir con las normativas mínimas legales y de ingeniería que son dictadas por diferentes organismos internacionales, por la misma industria y empresa en particular. [28] DESALADOR: El proceso de desalación es muy conocido y utilizado desde la antigüedad. Se sabe que en los años 400 A.C. Aristóteles ya utilizaba evaporadores para la obtención de agua dulce para los navegantes griegos. Aunque estos procesos eran de muy poca eficiencia, utilizaban al sol como fuente de energía y estaban principalmente dirigidos a la eliminación de la sal del agua para obtener agua dulce potable para el consumo humano. También se conoce que para el año 1869 fue registrada la primera patente para desalar agua en Gran Bretaña, y ese mismo año fue establecida la primera planta que cumplía con las características de obtención de agua dulce a gran escala. [6, 9, 24, 38, 45] En la actualidad, con el uso de la tecnología moderna, ya no solamente se usa para obtención de agua dulce sino para limpiar de sales otros productos, como lo es el caso de la industria petrolera. Este proceso de desalación es muy diferente al utilizado en la antigüedad y en él se hace uso de otras fuentes de energía para lograr la separación; por tanto, la estructura de las maquinarias y fundamentos físicos y químicos son diferentes. [6, 9, 24, 38, 45] Figura 4: Esquema simple de un desalador. 10 Los desaladores industriales utilizados en las plantas petroleras, usan las propiedades eléctricas que presentan las sales disueltas en el agua que están mezcladas con el crudo (en su mayoría en forma de gotas suspendidas en él). Dentro del desalador la mezcla de crudo y agua pasa a través de unas tuberías que están rodeadas por un par de electrodos en formas de placas, las cuales están sujetas al paso de un gran potencial eléctrico que induce a un gran campo eléctrico entre las placas. De esta manera, según la característica eléctrica de las sales presentes, éstas serán cargadas electrostáticamente, algunas de forma positiva y otras con carga negativa, y tenderán a desplazarse, lo que hará que vayan chocando con otras gotas y así van aumentado su tamaño, densidad y por tanto viscosidad, y de esta forma la sustancia salina cae al fondo del desalador quedando por debajo del crudo. [6, 9, 24, 38, 45] Figura 5: Principio de dispersión de las partículas expuestas a un campo eléctrico. Normalmente, en la mayoría de las aplicaciones industriales, se somete al crudo antes de entrar a la unidad de desalación a un intercambiador de calor para aumentar la temperatura del mismo y así disminuir la viscosidad, para facilitar y aumentar la eficiencia de separación del proceso. Otro de los pasos que también se hace en muchos procesos es el utilizar dos desaladoras en serie, para asegurar la eliminación de las sales del crudo debido a los grandes daños que la corrosión de las mismas pueden causar en el proceso de transporte y las posibles reacciones químicas que éstas puedan inducir durante la refinación que podría perjudicar al producto final. Antes de entrar al segundo desalador se agrega una cantidad de agua dulce nuevamente al crudo y esta mezcla es la que entra al segundo desalador. De esta forma se disuelven mejor las sales y se pueden eliminar con más facilidad. [6, 9, 24, 38, 45] Este proceso de desalación es crítico dentro del proceso de tratamiento de todas las plantas, por tal razón su sistema de control y seguridad es igualmente crítico que funcione impecablemente. Es decir, que las condiciones de operación (presión, temperatura, flujo) del desalador deben mantenerse dentro de los valores de control para evitar una posible catástrofe. [6, 9, 24, 45] Las características principales a ser consideradas dentro del proceso de control son: • Capacidad del desalador. • Temperatura de operación de la unidad. • Presión de operación de la unidad 11 • Flujo de entrada y salida de la unidad desaladora. o Entrada de mezcla crudo con agua y sales. o Salida de crudo. o Salida de agua y sales. o Salida de vapores y gases. Es dentro de este sistema de control donde entran en acción las válvulas de alivio de presión que deben ser cuidadosamente calculadas para proteger al desalador y el medio ambiente alrededor de la planta. [6, 24, 45] VÁLVULAS DE CONTROL Y ALIVIO: Las válvulas son elementos de naturaleza mecánica que pueden ser utilizados para iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Éstas son instaladas en tanques o tuberías en la mayoría de los casos. Las válvulas se pueden dividir en dos tipos según su función dentro del tipo de operación que vayan a cumplir; pueden ser de control o de alivio. • Válvulas de control: Generalmente constituyen el último elemento en un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comportan como un orificio cuya sección de paso varía continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. [4, 8,11] Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo. [4, 8,11] ¾ Actuador: El actuador, también llamado motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico; pero los más utilizados son los dos primeros por ser los más sencillos y rápidos. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte, tal como se muestra en la figura 6. Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que a cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Para cumplir con esto se selecciona el área del diafragma y constante del resorte, para que conjuntamente con el rango de presión de funcionamiento, se cumpla que por cada razón de cambio en la presión se produzca un desplazamiento del vástago de un cierto porcentaje del total de la carrera. [4, 8, 11] 12 Figura 6: Actuador de una válvula de control. ¾ Cuerpo de la válvula: Es la parte que une a la válvula con la tubería que rodea y protege al actuador. Está formado por un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o enroscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Éste está unido por medio de un vástago al actuador. [4, 8,11] Estas válvulas son las del control de flujo dentro de los circuitos industriales. Es decir, que sus aplicaciones abarcan tanto el flujo de líquidos como el de gases y no son las utilizadas para el control de los sistemas de alivio, en nuestro caso particular las de presión. [4, 8,11] • Sistemas de alivio de presión: Un sistema de alivio de presión es el sistema diseñado para prevenir daños que puedan producirse por la elevación de la presión interna, o propia de un proceso, que supere a la máxima establecida para realizar el trabajo. En estas circunstancias los equipos de alivio utilizados actúan para regresar a las condiciones de trabajo normal y eliminar la situación de peligro o emergencia. [2, 8, 12, 13, 22] 13 Los sistemas de alivio de presión protegen a los equipos y personal de las plantas, mediante la abertura automática de los actuadores cuando estos llegan a una presión determinada. El funcionamiento de estos equipos es normalmente regulado mediante el control de la presión estática interna existente en ellos. Estos equipos pueden ser de dos tipos: los de alivio con característica de abertura o cierre. Las válvulas de alivio en sus diferentes modalidades y los dispositivos de alivio de características de solo abertura, en donde entran los discos de ruptura, se muestran a continuación (ver figura 5-a y 5-b). [2, 8, 12, 13, 22] Figura 7-a: disco de ruptura Figura 7-b: disco de ruptura una vez activado o utilizado Estos últimos suelen ser utilizados en combinación con los de abertura y cierre Sin embargo, debido a que una vez que se activan tienen que ser reemplazados, lo que en aplicaciones industriales no es algo que se aplica frecuentemente debido a la perdida que significa el detener un proceso, o en algunos casos los daños al medio ambiente que puede causar la fuga del fluido (como en le caso de la industria petrolera), por esta razón se usan en combinación con los otros, y cumplen una función de segundo sistema de emergencia en caso de alguna falla en el sistema principal de protección. [2, 8, 12, 13, 22] • Válvulas de alivio de presión: Es el principal dispositivo de alivio de presión que está diseñado para abrirse y aliviar los excesos de presión y luego cerrarse para prevenir el flujo de fluido una vez ha sido restituido las condiciones de trabajo normales. Una válvula de alivio de presión se abre cuando la presión interna estática llega a la presión de apertura (opening pressure) y una vez que esto ocurre se permite que el flujo del fluido pase a la etapa o sector de alivio; puede ser directamente al medio ambiente o en la mayoría de los caso industriales (en especial los petroleros) a un sistema de tratamiento o quema de dicho flujo hasta que la presión del flujo caiga a la presión de cierre (closing pressure). Una vez que retornan las condiciones normales de operación se previene que el fluido siga saliendo a través de la etapa de alivio. [2, 3, 8, 12, 13, 39] Las Válvulas de alivio de presión pueden dividirse en diferentes tipos, donde están las válvulas de alivio convencionales, las balanceadas y las operadas por piloto. Éstas mismas son implementadas en los lazos de seguridad o alivio dentro de los sistemas dependiendo de las 14 características y propiedades tanto de operación del circuito, como las del fluido que circula por el sistema. [2, 3, 8, 12, 13, 39] Figura 8: vista de varias válvulas de alivio de presión (Crosby). o Válvulas de alivio convencionales: Este tipo de válvula tiene como principio de funcionamiento el balance de fuerzas sobre un mismo elemento, que cumple la función de separar dos cámaras o espacios; es decir, es como una tapa. A esta tapa se le llama disco y sobre ésta se ejercen dos fuerzas de diferente naturaleza: por un lado está la que ejerce el mecanismo de la válvula que viene dada por un resorte, mientras que la otra fuente de fuerza es la que ejerce la presión que se encuentra en el envase o tanque al cual esta conectado la válvula y entra en contacto con el disco a través de la cámara de entrada, también conocida como nozzle. Un ejemplo de este tipo se muestra en el ANEXO 2. [13, 22, 39] De esta manera, siguiendo los principios físicos de fuerzas opuestas sobre un mismo objeto, tenemos que en situaciones normales de operación (ausencia de sobrepresión) la fuerza del resorte es ajustada a un cierto valor dependiendo del caso; el valor de esta fuerza del resorte es proporcional a la ejercida por una presión estática en este lado del disco que se conoce como presión de acción (Set pressure). Mientras esta presión sea mayor a la que ejerce la presión del sistema la válvula se encuentra cerrada (figura 9.A). [13, 22] De igual manera cuando la presión del sistema se acerca a la presión de acción, que ocurre el efecto de “simmer”, se comienza abrir la válvula y entran en acción las cámaras de “huddling” para ayudar al levantamiento del disco debido a que en este momento el área sobre la 15 cual la presión del sistema actúa aumenta un poco, y por tal razón se requiere de una mayor fuerza para culminar con la apertura de la válvula (figura 9.B). [3,13, 22] Figura 9: Esquema de operación de una válvula de alivio convencional. Una vez que la presión del sistema es mayor a la de acción (figura 9.C), el disco se encuadra totalmente separado del asiento y a través del espacio que existe entre ellos se alivia la presión. De esta forma opera el mecanismo de la válvula y este funcionamiento es muy similar al de cualquier tipo de válvula con ciertas sutilezas y consideraciones. Una vez que la presión del sistema disminuye a un valor menor equivalente a la fuerza ejercida por el resorte, la válvula se cierra; es decir, el disco regresa a su posición original entrando en contacto con el asiento y separando el ducto de salida de la tobera. [13, 22] 16 Dentro de este proceso de acción hay que considerar que mientras la válvula se encuentra aliviando, es decir abierta, en el espacio o cámara de alivio ocurre un efecto que obstruye o entorpece la simple acción del mecanismo móvil, dado al aumento de la presión en este lugar por el flujo que viene saliendo del tanque. Esta presión se le conoce como presión de contra flujo (Back pressure). Es aquí donde se encuentra la principal debilidad de las válvulas de alivio convencionales dado que los valores de presión de acción (set pressure), apertura (opening pressure) y cierre (closing pressure) se ven modificados de los originalmente calculados o de diseño. Por tal razón, la aplicaciones principales de estas válvulas se ven restringidas a los casos donde el alivio es directamente al medio ambiente, o donde la siguiente etapa del proceso no se encuentra separada por una tubería muy extensa, o que la presión en la que trabaja el equipo al que se le esta aliviando el fluido es considerable (Súper-imposed back pressure). [2, 13, 22] En la siguiente figura 10 podemos observar un esquema que muestra el movimiento del disco dentro del proceso en relación con el porcentaje de alivio que dicha apertura representa. En el esquema el disco abre en la presión de acción, llegando a su punto máximo de alivio durante el punto de sobre-presión permitido y, por último, regresa a la posición de cierre a través del proceso de blowdown. [2, 13, 22] Figura 10: Relación típica de movimiento del disco contra valores de presión dentro del sistema de alivio. Normalmente, este tipo de válvulas son utilizadas en las refinerías y en la industria química, en los proceso que manejan fluidos tóxicos, inflamables o muy calientes, donde se alivia primordialmente gases, y en los que las condiciones de presión de contra flujo (back pressure) son muy bajas y los cambios en la temperatura del sistema no son rápidos ni extremos dado a que estos factores afectan la presión de acción (set pressure). Este tipo de válvulas son las más 17 baratas dentro del grupo de equipos que abarca a las válvulas de alivio de presión, dado que gran parte del precio de los equipos viene dado por el tamaño de la tubería a la cual debe ser instalada y el tipo de material de que estén hechas. En relación a este último punto, el tipo de material está íntimamente relacionado con el tipo de fluido con que se va a trabajar; aunque las dos propiedades por las que se rigen los procesos son la presión y la temperatura, y por tal razón los rangos normales dentro del mercado en los que se encuentran válvulas están sujetas a un rango de temperatura de -450° F (-267° C) mínimo y de 1500° F (815° C) máximo. Este rango, claro está, depende directamente del material del cual están construidas las válvulas y de la aplicación en la cual se estén utilizando, mientras que la presión está sujeta a un rango de entre 5psig y 8000psig de presión de acción (set pressure). Cabe destacar que aun cuando para determinar estos rangos de presión, además del material, las dimensiones de la válvula juegan un papel importante. [3, 13, 22] Dado a que el principal factor limitante que rige el uso de estas válvulas es la presión de contra flujo, y dentro de ésta la presión de construcción de contra flujo (built-up back pressure), cuando ella supera el valor de sobre-presión permitido (allowable overpressure), o cuando los valores de presión de contra flujo son variables, y la varianza no puede ser reducida utilizando algún medio de acondicionamiento para minimizar sus efectos. [8, 13, 22] Las aplicaciones abarcan tanto los fluidos en estado líquido como gaseoso. Aunque el sistema funciona de igual manera, los principios por los que ocurren los procesos de levantamiento y cierre de la válvula son diferentes, dado a que los líquidos no poseen la propiedad expansiva de los gases. Mientras la válvula está cerrada el principio de balances de fuerza sobre ambas caras del disco se mantiene, pero una vez que se llega al punto de balance y se va a romper el mismo para iniciar el proceso de levantamiento, la relación que cumplen las fuerzas actuantes es diferente. Para este momento, la pequeña proporción de líquido que está siendo expulsada forma una pequeña película en los extremos del asiento y en los bordes donde reposa el disco, y esta película busca colarse entre las espacios de contacto de estas superficies produciendo un levantamiento ligero del disco debido a la expansión que causa dicho proceso, donde el líquido busca colarse hacia abajo produciendo una fuerza reactiva hacia arriba que obliga al disco a levantarse (ver figura 11.A). Esto suele ocurrir entre el 2% y 4% de sobre-presión a diferencia del caso de gases donde la primera etapa de levantamiento ocurre al llegar a la presión de acción. Luego, mientras aumenta el flujo que desea ser aliviado, entrando a la tobera la velocidad del líquido que está empujando el disco, también aumenta en relación con dicho flujo. De esta manera la fuerza combinada entre este flujo sobre el disco y la que se encuentra los extremos produciendo la fuerza reactiva entre la superficies completa la apertura de la válvula haciendo que el disco se levante y el líquido sea descargado (ver figura 11.B). Este efecto combinado hace que el levantamiento se de bajo la relación de 50% al 100% de apertura para una sobre-presión de 2% al 6%. Para la mayoría de los diseños se espera que para llegar a la máxima capacidad de alivio se requiera de un valor de sobre-presión menor o igual al 10%. [8, 13, 22] 18 Figura 11.A: Momento inicial de levantamiento bajo operación de fluido en líquidos. o Figura 11.B: Momento de levantamiento total. De la válvula en servicio líquido. Válvulas de alivio balanceadas: Esta válvulas son iguales a las válvulas de alivio convencionales, que funcionan con resorte, pero su principal diferencia está en que incorporan un sistema o mecanismo que disminuye los efectos de la presión de contra flujo sobre el mecanismo móvil de las válvulas. Este sistema, para evitar dichos efectos, suele realizarlo a través de una pieza dentada llamada fuelle “Bellow” que rodea a la guía de movimiento del disco. De igual manera, la parte móvil se encuentra dentada, y por tal razón el movimiento está sujeto a un movimiento de sus partes más controlado o menos libre. Ver ANEXO 3. [12, 13, 22, 32, 39] La forma como actúa este sistema balanceado es: la presión súper-impuesta de contra flujo (superimposed backpressure) a la que está sujeta el sistema de resorte desde de la cámara de alivio, es sumada a la fuerza que el resorte aplica sobre el disco. Esta fuerza externa que afecta a los sistema no balanceados hace que la válvula se abra a presiones diferentes a la de acción y se cierre, de igual manera, a diferentes valores de presión y como en la mayoría de los casos estas presiones de contra flujo son variantes, no se pueden corregir estos errores mediante una simple recalibración del equipo o realizando un ajuste en la presión de acción (set pressure), lo que pudiese ser catastrófico o peligroso dependiendo de la aplicación. En el caso petrolero, las consecuencias de un derrame debido a fallas del equipo son de importancia, tanto para las personas que trabajan en la planta como para el medio ambiente que lo rodea. Por tal razón en las válvulas de alivio balanceadas (con fuelle), la pieza dentada es colocada a la guía del disco con una proporción entre ella (AB) y la del área que es tapa sobre el asiento (AN), como se ve en la B figura 12. [12, 13, 22, 32] 19 Figura 12: efectos de un Válvula de alivio balanceada-Bellow para control de la presión de acción. Al agregar el fuelle, manteniendo la relación de igualdad entre las áreas del disco con la del asiento, hace que la presión de acción se mantenga fija aunque existan variaciones en las condiciones debido a los efectos de la presión de contra flujo. [12, 13, 22, 32, 39] Es importante notar que este espacio vacío en la parte interna del “Bellow” debe estar ventilado o sujeto a la presión atmosférica (14,7 psig o 1atmosfera) para que cumpla con su función correctamente. Esto se hace a través del “Bellow vent” como se observa en la figura 12, y esta entra en contacto con el exterior para conseguir la presión requerida a través del “valve bonnet”, tal como se ve tanto en la figura 12 como en el ANEXO 3. En caso de que las condiciones externas debido a la ubicación de la válvula estén sujetas a una atmósfera con perturbaciones, se debe llevar este orificio de ventilación a un lugar libre de estos efectos. [12, 13, 22, 32, 39] Al igual que las válvulas convencionales, se utilizan en la aplicaciones de refinerías y petroquímica, para el manejo de fluidos calientes, tóxicos e inflamables (tanto en estado liquido como gaseoso), pero donde por las condiciones del sistema exista un mayor efecto de presión de contra flujo en el proceso de descarga o alivio. Esto normalmente ocurre cuando el alivio no se realiza directamente al medio ambiente sino a un sistema de colección o tratamiento de dicho flujo para ser utilizado en otra etapa o proceso de la planta. [12, 13, 22, 32] o Válvulas de Alivio operadas por piloto: Este tipo de válvula está formada por una válvula mayor o principal de alivio que actúa mediante la acción de un pistón, el cual es controlado por una segunda válvula piloto (ver ANEXO 5, 6, 7). El pistón está diseñado para que su parte superior tenga una mayor área que su parte inferior. Así pues, mientras 20 la presión del sistema no llegue a la presión calibrada ambas partes están sujetas a la misma presión interna de operación, pero debido a la diferencia entre las áreas del pistón donde la mayor está en la parte superior, éste mantiene cerrada la tobera de forma muy ajustada y segura; esto hace que mientras mayor sea la presión de operación más cerrada y segura se mantendrá la válvula. Debido a esta propiedad es que la mayoría de las válvulas operadas por piloto son utilizadas en rangos mayores a los porcentajes de presión de operación recomendados por los organismos internacionales. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Una vez que se llega a la presión calibrada el piloto ventila la presión de la parte superior del pistón, quedando esta con un valor menor al de su parte inferior y por tanto causando el levantamiento (lift) del pistón y, por tanto, permitiendo que el sistema alivie la presión a través del escape del flujo que pasa a la etapa de alivio por la cámara de salida de la válvula. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Una vez que la sobre presión ha sido controlada, el piloto deja de ventilar o de permitir el escape de la presión que se ejerce en la parte superior del pistón, y al restablecerse esta presión por efectos de la diferencia de áreas entre ambas caras el pistón cierra la válvula. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Dada la forma en que operan estas válvulas, a diferencia de las válvulas convencionales y balanceadas de resorte, el sistema es casi inmune a los efectos de la presión de contra flujo, por lo que su rango o incursión en procesos o aplicaciones industriales es muchos mayor. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Como se ve en los ANEXOS 5 y 6, la ventilación del piloto está siendo realizada directamente a la atmósfera a través del “pilot exhaust”; pero también puede realizarse a la cámara de salida o alivio de la válvula como se observa en el ANEXO 7. Esta elección suele estar sujeta a decisiones de diseño o requisitos del usuario de las válvulas. En este último caso, de ventilación dentro del mismo sistema, son los que la presión de contra flujo puede causar algún efecto en el funcionamiento del sistema dependiendo del valor de la presión con la cual se esté trabajando, mientras mayor sea peor. Pero, en estos casos el tipo de válvula operado por piloto suele tener incorporado otros implementos que impiden estos posibles problemas. A estas válvulas se les conoce como pilotos balanceadas. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Otro elemento de protección que suele colocarse en las válvulas es un protector de contra flujo “backflow preventer” como se ve en el ANEXO 6. Esto se coloca cuando la presión de descarga puede llegar a ser mayor que la presión interna en la válvula, lo que causaría que dicha fuerza sea lo suficientemente grande como para que el pistón se abra y el flujo se revierta; este protector ayuda a prevenir de este efecto. [3, 12, 13, 22, 32, 40] 21 Las válvulas operadas por piloto también pueden tener dos formas de levantamiento o movimiento del pistón, las de levantamiento modulado (ANEXO 7), o las no moduladas (ANEXO 5 y 6) que se les conoce como de “pop-action”. La diferencia entre estas dos modalidades las podemos ver en la figura 13.A y 13.B. Básicamente, la de “pop-action” tiene un comportamiento de tipo digital mientras la presión esté por debajo de la presión de acción (set pressure) y la válvula está totalmente cerrada y, una vez que se supera este valor, el pistón se levanta quedando la válvula abierta totalmente. Por su parte, en las moduladas se cumple con abrir o levantar el pistón solo lo necesario para satisfacer el alivio del exceso de presión; es decir, la abertura de la válvula es proporcional al valor de la sobre presión. Cada una de estas tiene sus fortalezas y debilidades, por lo que a la hora de su elección deben ser conocidas; por tanto, las de “pop-action” tienen un mayor rapidez de reacción y pueden aliviar mas rápidamente los excesos de presión, pero al mismo tiempo ellas están sujetas a mayores problemas de que se vean afectados por los efectos de flujo inverso “backflow” y presión en contra flujo “backpressure”; por su parte las moduladas son mas lentas en el alivio de la presión, pero se ven menos afectadas por los efectos antes mencionados. [3, 12, 13, 22, 32] Figura 13-a: Levantamiento del pistón debido aumento de presión, en válvulas pop-action. Figura 13-b: Levantamiento del pistón en relación a la presión, válvulas moduladas. Todas estas características hacen que las válvulas de alivio operadas por piloto, tengan el mayor rango de aplicaciones dentro de la industria, pero al mismo tiempo éstas son las más costosas debido a que el sistema de levantamiento es más complejo que las de resorte, y desde el punto de vista de los materiales con que están construidas tiene restricciones muy similares a las de cualquier otra válvula. La principal limitación que presentan las válvulas piloto es en el grado de suciedad que posee el fluido con que se trabaje, debido a que puede tapar o obstruir el ducto del piloto; otra es la viscosidad del fluido con el que se trabaje o en caso de vapores que pueden polimerizarse dentro de la válvula donde de nuevo puedan obstruir el piloto o la misma válvula. En general, el sistema con piloto es muy susceptible a que se vea dañado u obstruido por los residuos 22 que queden dentro de la válvula durante el proceso de alivio, a diferencia de las balanceadas o convencionales de resorte que son prácticamente inmunes a estos efectos dado a que ellas no tienen que utilizar ningún sensor o piloto para alimentar el sistema. Además, que el caso de las válvulas de resorte la presión de calibración es determinada por la relación resorte disco y ya; mientras que en las piloto ellas normalmente son alimentadas por el mismo sistema al que están aliviando; es decir, la presión que mantiene cerrado el pistón es la fuerza que se ejerce por la cara superior y es tomada del mismo lugar que la presión de la cara inferior. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Para evitar este problema se han realizado diseños de válvulas operadas por piloto donde la alimentación de la presión a la que está sujeta la cara superior está tomada de una fuente externa de gas limpio, como se ve en la figura 14. [3, 12, 13, 22, 32, 40] Figura 14: Vista de una válvula Operada por piloto con fuente de gas fuerte (crosby). Siguiendo con este principio de tomar la fuente de alimentación de presión para el piloto de la válvula desde otra fuente distinta a la de operación al cual se está buscando controlar o proteger, en muchas plantas donde existen fuentes de gas limpio, debido a que es necesario para muchas etapas del proceso o debido a que este es extraído del mismo lugar como en muchos caso de la industria petrolera se usan estas misma líneas de tuberías con las que se manipula el gas para alimentar la válvula y así evitar el único defecto que trae el uso de bombas o envase de gas limpio, que es que éstas se gastan y tienen que ser remplazadas, debido a que no pueden ser colocadas grandes reservorios o tanques de gas para que alimenten a la válvula únicamente (por cuestiones de espacio, costo y de seguridad por sobre todo). Normalmente resultan antieconómicas, por lo costoso que es el sistema de seguridad para la manipulación de gas, pero 23 en las plantas donde ya se manipula el gas y por tal razón se dispone de los medios de seguridad, el colocar un pequeño sistema alterno para esto es muy rentable (dado a que probablemente conste de unos cuantos metros de tubería, una bomba o válvula de control y algún otro elemento, según sea el caso). [3, 12, 13, 22, 32, 40] NORMATIVAS DE ORGANIZACIONES LEGALES: A nivel mundial existen diferentes organismos internacionales que se han dado a la tarea de realizar los estudios y experimentos necesarios para conformar un conjunto de reglas, parámetros y recomendaciones para el ejercicio de las actividades y procesos que intervienen dentro de lo que son los desarrollos industriales, con el fin de regular a las industrias y establecer parámetros de control para proteger a la industria y a sus trabajadores, así como también, al medio ambiente en el cual se desarrolla. [2, 36, 42, 43, 45, 48] Conjuntamente a estas organizaciones, hay otras que realizan las pruebas de control de calidad sobre los equipos y dispositivos directamente. Estas pruebas buscan verificar las propiedades y requisitos mínimos de seguridad de los productos de los diferentes proveedores industriales. Las pruebas suelen realizarse bajo los parámetros y recomendaciones que son dados por los entes y organizaciones internacionales; es decir, su trabajo se lleva a cabo de manera conjunta. Por un lado unas verifican que los materiales estén cumpliendo con las reglas mientras que, el otro le hace saber a los usuarios y constructores la forma como deberían hacer uso de estas piezas para que la planta funcione de una forma mas segura y mejor. [2, 36, 42, 43, 45, 48] De esta manera cada una de las organizaciones juega un papel fundamental dentro del proceso de desarrollo de un proyecto o plan de ingeniería a ser aplicado por cualquier persona, ente o empresa. Lo importante para estos últimos es tener claras las funciones y aplicaciones de los argumentos de cada una de las organizaciones; por tal razón, a continuación se dará una breve reseña de cada una de ellas además de indicar cuales son los artículos y fragmentos que son importantes a considerar para este trabajo. [2, 36, 42, 43, 45, 48] API. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE: API es una organización que nace durante la primera guerra mundial, cuando tanto la industria doméstica como la gubernamental se unieron para ayudar a la causa de la guerra debido a las resoluciones del congreso de estandarización de todos los medios de producción y alimentación de gasolina nacional. Para ese momento, ninguna de las industrias independientes había trabajado junto con ninguna de las otras y mucho menos con las instituciones del estado. Por tal razón, se formó un comité con el nombre de comité nacional petrolero para servicio de la guerra (“The National Petroleum War Service Committee”). Terminada la guerra, este organismo no fue disuelto sino que pasó a regular los medios en el escenario de la post-guerra debido al gran 24 impacto que tuvo su accionar a lo largo de ella. Finalmente, el 20 de marzo de 1919 en New York se establece la oficina central del Instituto Americano del Petróleo (API) con la finalidad de: [36, 42, 48] ¾ Asegurar los lazos de cooperación con el gobierno ante todas las situaciones de conflicto que tengan un carácter nacional. ¾ Fomentar el intercambio entre los productores domésticos y extranjeros de los productos petroleros norteamericanos. ¾ Promover en todas las industrias petroleras el interés hacia el establecimiento de los parámetros que ellos fomentaban en todos los campos en general. ¾ Promover el desarrollo mutuo de todos sus miembros mediante el estudio de las ciencias y artes conectadas con el área de producción de gas natural y combustibles (derivados del petróleo). A objeto de lograr estos planteamientos, lo primero que se realizó fue una recolección estadística de datos de todas las industrias de petróleo, gubernamentales o privadas, en primer plano que luego se extendió a todos sus derivados y otros combustibles como gas de sus integrantes para llevar un mejor control. Es importante destacar que en la actualidad la API es una de las fuentes más confiables de datos usada a nivel mundial. [36, 42, 48] A partir de ese momento se pasó a estandarizar todos los equipos con los que se trabajaba en las petroleras y al mismo tiempo se comenzaron a realizar todos los estudios técnicos para también estandarizar todos los procesos. De esta manera es como nacen las recomendaciones o reglas API para la industria petrolera. En la actualidad existen más de 500 recomendaciones y estándares que son utilizados y consultados a nivel mundial. Este conjunto de normas se encuentran sujetas anualmente a revisiones y mejoras dado a que, dentro de la organización, existe un departamento de estudio encargado especialmente a esta tarea. [36, 42, 48] De esta manera se estableció esta poderosa organización que actualmente, además de cumplir con su misión por lo que inicialmente fue creada, sus intereses se han expandido para abarcar un mayor campo de manera que: [36, 42, 48] ¾ Tiene un papel importante en la legislación nacional y federal de los Estados Unidos en el campo energético, donde también juega un papel de centro de investigación científica, cooperación técnica, legal y de análisis económico. 25 ¾ Busca, por medio de la cooperación con todas las industrias petroleras y de gas a nivel mundial, el mejorar la eficiencia de los procesos industriales y al mismo tiempo el desarrollo de nuevos estándares. ¾ Finalmente, uno de los principales papeles en la actualidad es el relacionado con el cuidado ambiental y el de que las industrias se avoquen a la perspectiva de la sustentabilidad industrial desde el punto de vista de conservación del medio ambiente. Dado a esta última función de carácter ambiental, en la organización existe un grupo importante que vigila que se sigan y cumplan los principios de protección ambiental en la industria entre los que se encuentran: [36, 42, 48] 1. Reconocer y responder a la comunidad preocupada por el los efectos causados por la materia prima utilizada, los procesos y finalmente los productos obtenidos de la actividad industrial. 2. Reducir los efectos contaminantes y de desperdicios producto de la actividad industrial. 3. Establecer recomendaciones y leyes estrictas con respecto a las operaciones de la industria propensas a recaer en cualquier tipo de desastre ambiental por deficiencia en las medidas de seguridad tomadas en las plantas e instalaciones industriales. 4. Participar y envolver a las comunidades industriales en los planes y acciones de cuidado y protección ambiental realizadas a nivel gubernamental, tanto en USA como para los demás miembros extranjeros, con sus respectivos gobiernos. 5. Búsqueda de desarrollos económicamente confiables que permitan producir fuentes naturales alternas de energía, para de esta manera conservar las fuentes petroleras primarias para casos críticos, mediante un uso eficiente de la energía. Finalmente, dado al carácter supervisor que tiene este organismo a nivel internacional, para la realización de este trabajo se usaron algunos de los artículos y documentos del área específica de seguridad, donde se encuentran los apartados que tratan sobre las válvulas de alivio de presión 1 . Éstos son: [36, 42, 48] 1 De los cuales se tomaron las últimas ediciones y que actualmente se encuentran activas, con sus respectivas erratas. 26 o API RP 520: Diseño selección e instalación de equipos de alivio de presión en refinerías parte I Y II. Documentos donde se definen los equipos, sus usos y se presentan las recomendaciones y factores a considerar dentro de los distintos rangos para las condiciones de operación y la mejor elección dentro de ellos. Por último, las fórmulas recomendadas para realizar los cálculos para el dimensionamiento correcto de los equipos a utilizar; y reglas de seguridad a considerar y establecer. [13] o API RP 521: Guía para alivio de presión y despresurización de sistemas. Este documento presenta información que es utilizable para sistemas de alivio o despresurización de gas. Principalmente, es de interés los apartes donde se mencionan las ayudas relacionadas con el diseño, mantenimiento y calibración de los equipos bajo una amplia gama de casos; fundamentalmente aquellas para condiciones de alivio de gases y también bajo condiciones de varias fases donde esta presente el gas. [14] o API RP 526: Válvulas de alivio de presión en acero maleable. Documento que muestra, según las condiciones de operación y aplicaciones, el mejor material a utilizar y el grosor o tamaño que deben ser construidas las válvulas, así como también los diferentes procesos o pruebas que deben realizarse para el control de calidad. [15] o API RP 598: Inspección y prueba de válvulas. Donde se explican los procedimientos que deben de seguirse para el mantenimiento de las condiciones de seguridad que proporcionan los equipos, tanto antes de ser instalados como una vez han llevado uso de una manera extensa, a fin de conocer las condiciones de los equipos para saber si requieren algún cambio o ajuste. [16] o API RP 576: Inspección de equipos de alivio de presión. Donde se toca específicamente el tema de detectar los efectos corrosivos y de deterioro de los materiales de los equipos y tuberías, presentes dentro de los sistemas de alivio de presión. [17] o API SPEC 12J: Especificaciones para separadores de petróleo y gas. Documento que define a estos equipos y operación, además de presentar las recomendaciones para su implementación dentro de las plantas, así como los factores a considerar para la determinación del tamaño y material del equipo. [18] 27 ASME. AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Este organismo, conformado por ingenieros de todas las áreas, aún cuando primordialmente son mecánicos, tiene como principal función el realizar estudios rigurosos sobre todos los sistemas mecánicos para la creación y establecimiento de leyes y estándares para los equipos y objetos mecánicos existentes. Así mismo, tiene como objetivo la creación de nuevos equipos, sistemas y elementos, y el desarrollo de mejoras en los ya existentes. [2, 37, 43, 44, 47] Para la realización de esta importante función los ingenieros se apoyan en los principios y leyes que rigen el comportamiento físico de los elementos, dentro las que están la dinámica de fluidos, transferencia de calor; resistencia de los materiales, conservación de la masa y energía; teorías de control, estructura molecular y teorías relativistas para los casos de pequeñas escalas (micro e inferiores dimensiones), así como los fundamentos hidráulicos, neumáticos, mecánicos, eléctricos, cinéticos y finalmente leyes de la termodinámica. Todos estos, tanto en el campo estático como en el dinámico de los sistemas. [2, 37, 43, 44, 47] Esta organización fue fundada en 1880 por los ingenieros Henry Rossiter Worthington, John Edison Sweet y Matthias N. Forney; y en la actualidad dentro de ellas cumplen funciones activas más de 1000 ingenieros, todos con un altísimo grado de reconocimiento dentro del campo especifico en el que se desenvuelven. Además de la función principal antes expuesta, otros cánones de la sociedad son los siguientes: [2, 37, 43, 44, 47] ¾ Hacer uso de los conocimientos y habilidades del ingeniero para la continua mejora de las condiciones de vida de la sociedad. ¾ Prestar un servicio al público (los clientes o empleadores) de una forma imparcial, honesta y buscar por sobre todo el aumento del prestigio y competencia que existe con los profesionales de la ingeniería. ¾ También vigilan porque los trabajos de los ingenieros cumplan con las normas de seguridad humanas y ambientales expuestas por las organizaciones internacionales respectivas de cada campo. ¾ ASME, tiene un papel importante como organización para mantener informadas, tanto a las industrias como demás organismos y entidades gubernamentales involucradas en el campo, de todas los nuevos desarrollos, trabajos y estrategias que están en desarrollo o han sido terminadas dado a que ASME tiene además, un papel de gestor o ente supervisor en el campo de la mecánica. 28 La Sociedad ASME se divide en varios departamentos o divisiones, entre las que se encuentran la de contenedores de presión y tuberías, creada en 1914, que es de la cual este trabajo toma apoyo o busca referencias. Al igual que ASME tiene como organismo una cierta misión, cada división tiene sus propias funciones específicas para que esta visión principal se cumpla. Las principales funciones del departamento que nos concierne son: [2, 37, 43, 44, 47] 1. Promover la publicación de material técnico especializado del área con un alto grado de calidad. 2. Proveer a la sociedad de los reglamentos y estándares del campo que forman parte de la legislación ASME. 3. Incrementar la interacción de la sociedad en los desarrollos técnicos, y expandir el mercado de contenedores y tuberías de sistemas de presión de la más alta tecnología a la comunidad internacional. 4. Organizar conferencias, charlas y otros eventos para mantener al mundo al tanto de los nuevos desarrollos realizados en el área de equipos y tuberías de sistemas de presión. 5. Realizar una revisión periódica de las leyes, reglamentos y recomendaciones que ASME estándar presenta. Dentro de los documentos que esta división presenta, los que fueron tomados para realizar este trabajo son 2 : o ASME B16.10: Dimensiones de válvulas cara a cara y final a final. En el documento se presentan una serie de reglas y recomendaciones que deben tomarse en cuenta, o deberían en el peor de los casos, para realizar el dimensionamiento de las válvulas y tuberías a las del sistema de presión. El principal punto de desarrollo de este artículo es tanto en cuanto al tamaño interno como externo de los elementos, y en los puntos de conexión haciendo énfasis en el aspecto de expansión y compresión que sufren los materiales debido a las condiciones operación del sistema. [19] o ASME B16.34a: Válvulas, codos, líneas y elementos de cierre final. En este documento se presentan principalmente una serie de tablas de datos donde se muestran las recomendaciones en cuanto a las propiedades de los equipos, bajo distintas condiciones de operación y tipos de fluido, así como también contiene una serie de 2 De los cuales se tomaron las últimas ediciones que actualmente se encuentran activas, con sus respectivas erratas. 29 correcciones en las fórmulas y reglas que son propuestas en otros documentos ASME para casos específicos estudiados por la división, o los que fueron presentados a éste, por fuentes exteriores y ellos después de la comprobación de los mismo los incluyen. [20] o ASME B31.4: Sistemas de transporte para hidrocarburos líquidos y otros líquidos. Este documento, que es la última revisión que se realizó en el año 2002, del original de 1998, trata principalmente de las características y propiedades de los materiales de los equipos y tuberías utilizados en la industria, donde el transporte y almacenamiento de líquidos (con propiedades distintas al agua) están presentes. En éste se encuentran ampliamente explicadas las consideraciones de diseño, pruebas de resistencia y técnicas de mantenimiento que deben aplicarse para estos casos. [21] o ASME PTC 25: Equipos de alivio de presión. Este documento, cuya última actualización fue realizada en el año 2005, define y explica el funcionamiento, factores y partes de los equipos de alivio de presión. También contiene una amplia variedad de fórmulas para el dimensionamiento y realización de pruebas de resistencia para los equipos cuando son utilizados en sistemas donde el fluido es líquido, gaseoso o multifásico. [22] o ASME MFC-14. Medición del flujo de fluidos usando pequeños orificios de precisión de medida. Este documento, cuya última revisión fue en el año 2003, establece los estándares que deben ser utilizados - o que como mínimo debieran ser considerados- cuando se manejan flujos por sistemas de tuberías de pequeña dimensión (diámetro interno menor a 1 ½”). Por tal razón abarca los casos donde se hace uso de tubos de Venturi y placas de orificio u orificios de restricción estableciendo las fórmulas para su uso y dimensionamiento. [23] DIERS. DESIGN INSTITUTE FOR EMERGENCY RELIEF SYSTEM. Este instituto fue formado en 1976, por un consorcio inicialmente entre 20 compañías y que en la actualidad ya son más de 210 compañías, con la finalidad de desarrollar nuevos métodos y sistemas de seguridad para las operaciones de alivio que intervienen en procesos que suelen o pueden salirse de control, y que por tanto pueden causar -a diferentes escalas- pérdidas humanas y económicas. A partir de 1985 el instituto abrió sus puertas al mundo para ampliar su volumen de integrantes, información y por tanto investigaciones que se desarrollan en las distintas áreas. Por ello es que se dice que desde ese año DIERS pasó a ser un instituto de agrupaciones de usuarios. Desde ese momento el instituto realiza anualmente dos reuniones en las que se 30 presentan los últimos avances y estudios que se están realizando, con el fin de mantener al mundo interesado bien informado. [41, 48] Uno de los principales temas de estudio y desarrollo dentro del instituto es el manejo de sistemas de trabajo bajo servicio bifásico líquido/gas o vapor, donde se busca predecir la forma ventilar o aliviar estos sistemas mediante el uso y diseño de los equipos más adecuados. De esta manera el instituto ha desarrollado varios métodos de dimensionamiento para el diseño de los equipos de alivio, bajo la condición de fluidos bifásicos, los cuales en la actualidad son los más precisos y exactos; y por tal razón API los ha incluido dentro de sus recomendaciones estándar. [41, 48] De hecho este trabajo basa parte de sus cálculos, para el dimensionamiento de los las válvulas, en las fórmulas y recomendaciones que API presenta dentro de sus documentos, los cuales fueron desarrollados por el Instituto DIERS dentro de sus investigaciones para el alivio de fluidos bifásicos. [41, 48] 31 CAPÍTULO 3: Desarrollo. DESARROLLO DEL SISTEMA DE ALIVIO PARA LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE CRUDO. Actualmente el sistema de desalación está regulado o controlado por un sistema de alivio que consta de una válvula de alivio balanceada, pero debido a un aumento de la producción al que será sometida la planta, para satisfacer con las necesidades del comercio en general y de la empresa la cual la manipula, las condiciones de operación del sistema variaron a valores que por desgracia el sistema implementado de una válvula de alivio balanceada, no pueden satisfacer de ninguna manera, ni a nivel de flujos, ni tampoco dentro de los rangos de presión y temperatura, a los cuales la misma opera de forma eficiente. Por tal razón, surge la necesidad de remodelar o rediseñar dicho sistema de alivio, para mantener la seguridad dentro de la planta. De esta manera se plantea implementar un diseño de alivio que consta de una válvula operada por piloto del tipo modulada, donde la alimentación viene dada por medio de bombeo continuo de gas limpio debido a que la planta hace uso del gas en muchos de sus procesos y presenta un sistema de tratamiento de gas para que éste sea reutilizado. Otro aspecto importante del nuevo sistema de alivio es que la válvula realiza su muestreo, medición o chequeo de la presión mediante un sensor remoto. Este sistema remoto ésta sujeto a una purga continua de gas debido a que a las condiciones del fluido (alta viscosidad), si este llegara a entrar al ducto sensor, lo taparía impidiendo realizar la medición correcta. La purga continua es dispensada por el mismo sistema de bombeo de gas que alimenta a la válvula, pero para regular la cantidad de fluido que por éste fluye se utiliza un disco de orificio de reducción, dichas modificaciones pueden observarse en el ANEXO 8, señaladas dentro de la región resaltada con una nube. [30, 31] Pero dicho sistema pueden presentar problemas si la purga que se está realizando para contener el ingreso del fluido al piloto a través del ducto sensor fallara o es insuficiente; y que por esta razón se bloquee u obstruya su mecanismo de funcionamiento. Por está razón también surge la necesidad de buscar y estudiar otras opciones de alivio que puedan ser aplicadas al sistema dentro la familia de válvulas balanceadas, dado a que posiblemente sea la opción más segura a implementar debido a la alta viscosidad del fluido, pero al mismo tiempo dicha válvula posiblemente tendrá que tener características especiales para que pueda cumplir con las condiciones de operación del sistema. [30, 31] CONDICIONES, CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DEL NUEVO SISTEMA: Dentro de los procesos por los que el crudo pasa para estar listo, para su salida de la planta de procesamiento hacia las refinerías, tanques u otros, uno de los últimos pasos y en el 32 cual es de vital importancia que no existan fallas, es el proceso de desalación. Este último, como ya se explicó, debe ser realizado con mucho cuidado y precisión. Por tal razón, la actividad de los equipos de desalación debe ser regulada y controlada para que se mantenga dentro de los rangos óptimos de operación. Estos sistemas pueden salirse de estos límites de operación principalmente debido a un problema con la presión interna que existe en los envases o tanques de desalación. Por esta razón es de suma importancia que el sistema de alivio de presión funcione de manera correcta ante cualquier eventualidad y que produzca una variación adecuada en las condiciones normales de funcionamiento del sistema. (30, 31) El sistema de desalación del crudo está conformado por dos bloques, cada uno de los cuales está formado por dos equipos desaladores conectados en serie a través de una válvula de control. El crudo es alimentado al primer desalador luego de salir de un separador -donde se eliminan las grandes bolsas de agua y gas presentes en el sistema- por medio de una bomba que se encuentra autorregulada por una válvula de control, para que ésta mantenga fija la fuerza del tren de crudo que fluye por el sistema. Este motor o bomba mantiene la fuerza fija a 575 caballos de fuerza. Por ella, cada uno de los desaladores por separado están sujetos a una presión de entrada de 300Lb y a la salida de 150Lb, lo cual cumple con uno de los estándar regulados por ASME. [30, 31] Otra de las razones por lo que el sistema de desalación está planteado bajo el esquema de dos equipos en serie, es para que nunca se detengan los procesos por razones de mantenimiento o fallas que puedan presentarse dentro de otros contextos que afecten a uno de los dos equipos. Gracias a este esquema, si por alguna razón uno de los equipos está fuera de servicio, se puede cerrar el paso hacia este y hacer que todo el flujo pase al otro y de éste a la siguiente etapa del proceso (Torre estabilizadora). [30, 31] Bajo condiciones de operación normales, con ambos equipos desaladores operando, una vez que entra al sistema el fluido éste pasa por el primer desalador a unas condiciones de operación de 222° F (105,55° C) y 170 psig. De manera similar, el segundo desalador trabaja a una temperatura de 240° F (115,55° C) y a una presión de 130 psig. La diferencia en las condiciones de operación entre ambos equipos es debido a que aunque el proceso que ocurre en ambos desaladores es igual, al trabajar a diferentes condiciones se asegura la eliminación de los residuos no deseados y, además, las condiciones del fluido que entra al segundo desalador desde el punto de vista de contenido salino y de agua son diferentes a las del crudo que entra al primer desalador. Por otra parte, en el caso que la operación se lleve a cabo por solo una de las unidades de desalación las condiciones de operación -como es de suponerse- varían de las antes explicadas, ubicándose entre 200° F y 220° F de temperatura y 180psig a 190psig de presión como valores normales. [30, 31] 33 El sistema de alivio que regula el funcionamiento del proceso esta formado por una válvula de alivio de presión en cada uno de los desaladores, que aunque las condiciones de operación del proceso sean diferentes, los límites de operación de los equipos desaladores son los mismos; es decir, las condiciones de alivio de ambos equipos son las mismas. [30, 31] Una vez que el crudo sale de esta etapa de desalación pasa la unidad estabilizadora que viene a ser la etapa final del proceso, tal como se expuso al inicio del trabajo. Por otro lado, los fluidos que son aliviados por el sistema de alivio de ambos desaladores son llevados a través de una tubería de 16” hasta el equipo de quema de restos que sirve para calentar las calderas y otros elementos dentro de la planta o, en parte son elementos que son quemados y expulsados al ambiente para así reducir su impacto ambiental. [30, 31] Es importante entender que debido a las propiedades del crudo, éste será tratado como un fluido de crudo diluido que se encuentra a baja temperatura y es muy viscoso. Por tal razón, los elementos a ser aliviados por el sistema son del tipo de fluido bifásico, con una presencia primordialmente de líquido y una pequeña porción de gas. Al mismo tiempo este fluido bifásico tiende a solidificarse cuando la temperatura baja de un valor aproximado de 100° F. [30, 31] Por todas estas razones el sistema de alivio a ser aplicado debe cumplir con las condiciones de aliviar una gran cantidad de líquido y al mismo tiempo manejar fluido del tipo bifásico. De esta manera quedan determinadas las condiciones que deben conocerse para el diseño del sistema de alivio donde es importante resaltar que: [30, 31] I. Las condiciones de operación de ambas unidades desaladoras, rangos mínimos y máximos de operación normal y los valores para las condiciones de alivio. II. Posibles causas que puedan ocasionar que alguna de las unidades desaladoras llegue a condiciones de alivio. III. Condiciones del fluido que está siendo tratado y lo que ello implica. Cada uno de estos puntos será tratado en detalle y apoyándose tanto en las recomendaciones de diseño e implementación de los organismos internacionales como, por supuesto, los requisitos expuestos y acordados con los dueños de la planta, para poder realizar los cálculos necesarios para la determinación de los parámetros de diseño necesarios para pasar a la elección del sistema de alivio óptimo a ser aplicado. [30, 31] 34 I. Condiciones de los Desaladores: El sistema en cuestión está formado por dos desaladores conectados en serie, cada uno de los cuales operan entre rangos diferentes de presión y temperatura debido a que, aunque su punto máximo permitido de presión es el mismo (presión de alivio), los mínimos son diferentes (como se ve en la tabla 1). La razón para ello es que de esta manera, colocando un sistema con recurrencia con pequeñas variaciones en sus condiciones, se puede obtener un crudo mas limpio de impurezas. El sistema de protección al que está sujeto cada desalador está formado por un arreglo simple de válvula de seguridad de alivio; es decir, una sola válvula de alivio para cada recipiente o desalador. [30, 31] Tabla 1: Propiedades y características de los equipos desaladores: Características MAWP P. operación min. P. operación TEMP operación P. acción (alivio) Tubería de entrada Tubería de salida Largo Ancho (circunferencia) Alto (circulo+torre) DESALADOR 1 211psig 150 psig 182 psig 222° F (105,55° C) 204 psig 10” 10” 31ft (9.45m) 13.5ft (4.12m) diámetro 20.5ft (6.25m) DESALADOR 2 211psig 120 psig 138 psig 240° F (115,55° C) 204 psig 10” 12” 31ft (9.45m) 13.5ft (4.12m) diámetro 13.5ft (4.12m) diámetro El tamaño de las tuberías de entrada y salida están referidos al crudo y no a los demás líquidos (agua, gas) que intervienen dentro del proceso. [30, 31] II. Circunstancias en los que el sistema pueda llegar a condiciones de alivio: El sistema de seguridad de alivio de presión debe actuar cuando las condiciones de la unidad desaladora se salgan del rango normal de operación. Esto puede ser causado por diferentes circunstancias, que lógicamente afectan de manera particular cada una de ellas a las condiciones operación. Por tal razón es importante realizar el diseño de alivio para que satisfaga a todos los casos lo cual se hace realizando una comparación de los efectos perjudiciales que cada uno de estos casos produce. Una vez realizado esto, se realiza el diseño en base al caso más crítico de ello; es decir, el diseño se hace en base al caso que satisfaciendo a este todos los demás queden cubiertos. [30, 31] Casos que fueron tomados en consideración: 1. Bloqueo en la salida: a. Causado por vapor: En este caso no hay flujo de gas por el envase o equipo. b. Causado por el flujo del líquido. 2. Caso de incendio o fuego: 35 3. Falla en CV: Las condiciones que se presentan en este caso son iguales al caso 1.b (bloqueo a la salida por líquido). 4. Falla en algún instrumento dependiente del flujo de aire (falla neumática): Las condiciones que se presentan en este caso son iguales al caso 1.b (bloqueo a la salida por líquido). Caso 1.b bloqueó de salida por causa de líquido: Ésta situación debe ser considerada como la más crítica debido a que es la que presenta peores condiciones y es la que al mismo tiempo puede ocurrir con mayor frecuencia. Por tal razón, es ésta con la cual se basaran todos los datos para determinar la capacidad de alivio necesaria de la válvula que se colocará en el desalador. [30, 31] Esta situación puede ocurrir bajo las siguientes circunstancias: • Cerrado manual de la válvula de bloqueo. • Conexión del mezclador estático en la entrada del segundo desalador. • Fallas en alguna de las dos válvulas de control, para el flujo de aire en posición de cierre (modo normal de fallo) debido a una falla en instrumento neumático. • Fallas de alguna de las válvulas de control de flujo saliente de un desalador a otro desalador o equipo, en posición de cierre (contrario al modo normal de fallo). Tabla 2: Propiedades y parámetros para la condición de alivio. Condiciones del fluido bifásico Rango normal del punto de Evaporación (Boiling) PO = Presión en la entrada del PSV ρlo = Densidad del liquido en la entrada a la presión del PSV To = Temperatura de alivio Ps = Presión de saturación Ρ9 = Densidad evaluada al 90% de presión del punto de burbuja a la temperatura de alivio en el PRV Pb = Pi = AoP= W= Presión de contra flujo, Backpressure Presión de acción (set pressure) Sobre presión permitida, en % de la presión acción Cantidad de flujo de masa de alivio requerido. Subcooled Liquid > 150° F (65,55° C) 224,5 psig 56,06 lb / cuft 222° F (105,55° C) 82,7 psig 52,89 lb / cuft 48,76 psig 204 psig 10% 1,819*106 lb/hr Además, en estas condiciones es importante resaltar que el fluido bifásico presentará un comportamiento del tipo “flashing” en la garganta u orificio de alivio de la válvula. Caso 2, incendio o fuego: Para este caso hay que tener en cuenta que el Desalador es un envase lleno con líquido, y según las Normativas internacionales de API RP 520 PT 1 en las circunstancias de un envase lleno con líquido sujeto a fuego, éste puede ser tratado según los procedimientos de líquido en expansión siempre que el esté en estado de subenfriamiento (subcooled) y en la región subcrítica. [30, 31] 36 Dado a que ambas condiciones se cumplen dentro del sistema de desalado y siguiendo las recomendaciones de API, en las que se tiene que las paredes del envase del desalador son de acero carbonado inoxidable que tiene una temperatura de fatiga del material que está por encima de los 1100° F, se realizó el estudio teórico y práctico tomando estas consideraciones y se obtuvo que la temperatura de evaporación del líquido a la presión de alivio es: (30, 31) Temperatura de evaporación (Boiling) => Presión de alivio => 1503 ° F (817, 22 ° C) 268,8 psig Tomando estos datos se determinó que los valores de presión y temperatura críticos del desalador son: Pc = Tc = Presión critica del DCO Temperatura critica del DCO 1377° F (747,22° C) 617,6 psig Debido a esto, el caso de presencia de fuego dentro del desalador presenta unas condiciones de alivio muy superiores a las del caso 1.b (bloqueo de salida por liquido), y por esta razón no se profundizó en su estudio para la determinación de la capacidad de alivio de la válvula. (30, 31) III. Propiedades particulares del fluido: El fluido a ser aliviado es del tipo bifásico (mezcla de crudo desalado con gas), el cual tiene las propiedades que se muestran en la tabla 3 al momento de su alivio. Tabla 3: Propiedades del fluido. Símbolo ρ G Mw K Z μ Nombre Densidad Gravedad especifica Peso molecular Rango de calor especifico (K) Factor de compresibilidad Viscosidad de alivio Valor 56,06 lb/ft3 0,89 33,58 gr /mol 1,158 0,9817 33,1 Cp SOLUCIONES POSIBLES: Válvula de alivio operada por piloto: En esta propuesta lo que se busca es verificar el correcto funcionamiento del sistema propuesto para el proyecto en cuestión, y en caso de que esté presente algún defecto realizar los ajustes necesarios. Dado que, como se ha mencionado antes, éste es un diseño de gran utilidad y es sumamente importante comprobar su eficiencia. 37 Además, de ser necesario realizar algún ajuste o cambio al mismo es preciso realizarlo lo más rápido posible dado a que si la planta entra en operación podría ocasionarse una falla en el sistema de alivio de seguridad debido al mal funcionamiento de la válvula. En la figura 15, se muestra un esquema prelimar del proyecto. Como el principal problema es el que se obstruya el piloto de la válvula, debido a que parte del fluido llegue a el a través del ducto sensor a pesar de la purga continua de gas, se consideró conveniente revisar el cálculo del tamaño del orificio de la placa de restricción que es la que regula el flujo de gas limpio que está purgando al sistema. Para poder realizar esto hay que considerar que, al purgar gas, el orificio no puede tener una tamaño muy grande -lo que significaría un flujo o caudal de gas grande- para evitar el ingreso de fluido(crudo) al ducto sensor ya que este gas se está inyectando continuamente al desalador y, este último, de cualquier manera verá afectado sus condiciones de operación debido a la presencia de este nuevo elemento que afecta tanto la capacidad y la presión del desalador. Por tal razón se debe considerar la cantidad de gas (limpio) que es introducido al proceso por el desalador y la capacidad de las tuberías de salida del mismo para que el gas sea expulsado junto con el crudo. Así, se debe llegar a una condición de equilibrio donde no se vea afectada la función del desalador ya que no sirve de nada que el sistema de seguridad o protección de un equipo funcione bien mientras que el equipo no lo hace. También, se tiene que recalcular la presión con que se está realizando la purga, la que se encuentra reducida controlada por el regulador reductor de presión y el rotámetro debido a que, como se explicó en un principio, el sistema de purga de gas limpio es suministrado por una válvula autorregulada de control que limita el flujo de gas. Se propone que el sistema de alimentación de presión del piloto de la válvula venga dado por la presión de la misma línea de gas limpio que suple la purga, pero para esto tiene que tenerse mucho cuidado con que el sistema de purga continua a ser revisado funcione de forma correcta. También, se anexará un sistema de prevención del efecto de contra flujo, como el que se propone en el anexo 5, para evitar el ingreso de fluido al piloto cuando éste se active y libere la presión que retiene al pistón. La razón para ello es que esta liberación de presión se realiza a la misma tubería, por la cual se está aliviando la presión del sistema y aunque esta boca de liberación está unida a la tubería de alivio a una distancia prudencial (la recomendada por las normativas internacionales), ésta podría ser un factor que cause problemas. Por supuesto, antes de realizar cualquiera de estos ajustes se realizarán todos los cálculos teóricos necesarios para el dimensionamiento del sistema de alivio necesario para este caso particular del sistema desalador; tomando como base de apoyo todas las 38 normativas y recomendaciones de las organizaciones internacionales para compararlas con las planteadas en el proyecto de remodelación que ejecutara la empresa. Figura 15: Esquema de propuesta para válvula de alivio operada por piloto. Válvula especial de alivio de presión balanceada: Esta propuesta se plantea debido a que las condiciones del sistema -rangos de presión y temperaturas de operación- antes de realizar una revisión a fondo, se encuentran alrededor de los valores de aplicación que tanto los proveedores como organismos internacionales sugieren para 39 su uso. Además, la presencia de fluido bifásico dentro del proceso de alivio le da mayor fuerza a su uso debido a la inmunidad que estas presentan a la acumulación de residuos que puedan quedar luego de un alivio debido a la condición bifásica de los fluidos y, en este caso particular, hay que agregarle la gran viscosidad del fluido lo que se traduce en una mayor probabilidad de quedar como residuo y de luego solidificarse y formar un tapón o irregularidad. Por tanto, esta propuesta trata del uso de válvulas especiales 3 dado que dentro de la variedad de válvulas balanceadas que los distintos proveedores presentan, los límites de presión de contra flujo (back pressure) que manejan son de 20% respecto a la presión de acción (set pressure), que es lo estandarizado por los organismos internacionales (API y ASME). Sin embargo algunos proveedores, por diferentes razones, presentan configuraciones del sistema de resorte y otros elementos para reducir el impacto de la presión de contra flujo y así aumentar el rango de aplicación. Además, en muchos de estos casos estas válvulas presentan un mejor rendimiento que los de otro tipo similar por lo que pueden competir por su diferencia en la arquitectura y el uso de otros materiales. Aunque estas válvulas especiales son más costosas que las normales por razones de materiales y diseño, siguen siendo en algunos casos más económicas que las opciones similares de válvulas piloteadas que puedan aplicarse. Al igual que en el caso de las válvulas operadas por piloto, lo primero que hay que realizar son los cálculos para saber el tamaño y demás parámetros que requiere la válvula que utiliza el sistema, para luego proceder a la búsqueda de la válvula dentro de las posibilidades de los proveedores. Finalmente, hay que considerar los beneficios que presenta esta opción frente a las otras, recordando que el uso de la válvula balanceada es que estas, a diferencia de las operadas por piloto, son inmunes a los problemas por presencia de residuos que queden dentro del sistema de la válvula luego del proceso de alivio; es decir, que en un principio se eliminaría todo el sistema de purga de gas planteado y necesario para la válvula operada por piloto y la facilidad que estas presentan para el mantenimiento cuando uno se refiere a la periodicidad del mismo. CALCULOS DE DIMENSION DE VALVULA: Metodología: Una vez realizado un estudio teórico y técnico de los sistemas de alivio, las condiciones de operación y el tipo de fluido que se manipulará dentro del proceso, se realizo los 3 Lo especial de esta válvula es el material con el que está construida: el fuelle en particular es de Iconel X-825, que es una aleación aún mejor (en cuanto a la flexibilidad y resistencia) a la normalmente utilizada Inconel X-750 40 cálculos para la determinación del tamaño del orificio de la válvula que cumplía con el requisito de capacidad de alivio en el momento necesario. Esto se realizó apoyándose en el método DIERS (Design Institute for Emergency Relief System) propuesto en el documento API RP 520, en el apéndice D, que trata del dimensionamiento para válvulas en aplicaciones de fluidos bifásicos. [13] Cálculos: Tomando los datos del sistema expuesto se procedió. 1. Dentro del apéndice D, donde se presentan las fórmulas de dimensionamiento para el caso de fluidos bifásicos, se analizaron 4 escenarios diferentes para el alivio, cada uno de los cuales conlleva a resultados diferentes, por tal razón la importancia de ubicarse en el correcto. [13] Dadas las propiedades del fluido, el caso que más se ajusta al problema es el de un líquido subenfriado que al entrar a la válvula sufre el efecto de parpadeo, o en el que dentro de su contenido bifásico presenta gas o vapor no condensable. [13] 2. Lo primero que hay que determinar, una vez ubicado e el escenario del sistema, es el parámetro de saturación que luego será utilizado para saber la región en la que el líquido subenfriado (subcooled) se encuentra. [13] Datos: Líquido sub-enfriado (subcooled) con punto normal de evaporación mayor a 150° F (65,55° C). Ρ9 = 52,89 lb/ft3 ρlo = 56,06 lb/ft3 Como el punto de evaporación es mayor a 150° F la fórmula a utilizar es: ωs = 9*(ρlo / Ρ9) – 9. (1) Resultado: ωs = 9*(56,06 / 52,89) – 9. => ωs = 0,539 = 0,54. 3. una vez calculado el parámetro de saturación pasamos a determinar si el fluido se encuentra en la región alta o baja de subenfriado (high subcooling o low subcooling). [13]. Datos: ωs = 0,54. PO = 224,5 psig. Usando las siguientes relaciones determinamos: Ps= 82,7 psig. 41 Ps > ηst * PO Î región low subcooling (donde el efecto debido al parpadeo (flashing) ocurre a la en la garganta de salida de la válvula). Ps < ηst * PO Î región high subcooling (donde el efecto debido al parpadeo (flashing) ocurre a la en la garganta de entrada de la válvula). Donde ηst representa el rango de transición de la presión de saturación, y es igual a: ηst = 2*ωs / (1+ 2*ωs) (2) ηst = 2*0,54 / (1+ 2*0,54) => ηst = 0,5189 = 0,52. Resultado: ηst * PO = 0,52 * 224,5psia = 116,74 psig. Ps comparado con ηst * PO Ps < ηst * PO 82,7 psig < 116,74 psig. Î Región alta de liquido sub-enfriado (high subcooling). 4. Una vez determinada la región en la que se encuentra el fluido, pasamos a determinar su tipo o estado. Es decir, lo crítico que es el flujo de dicho sistema dentro del proceso para saber que tan sensible a los cambios producto a las turbulencias que van a causarse en el momento de alivio debido al efecto de parpadeo. Ello debido a que esto afecta la capacidad de alivio de la válvula ya que influye en la forma como fluye el líquido. [13] Datos: Pb = 48,76psig. PO = 224,5 psig. Ps= 82,7 psig. Usando las siguientes relaciones determinamos: Pc > Pb Î flujo del tipo crítico. Pc < Pb Î flujo del tipo subcrítico. Donde Pc representa la presión crítica, que es igual a: Pc= ηc*PO. (3) 42 Donde ηc es el factor de presión crítica, que para el caso de líquido high subcooled es igual a ηs , factor de presión de saturación como lo vemos en la figura16: Figura 16: Correlación entre los factores de presión saturación y crítico según la región del fluido. De esta manera se determina que: ηc = ηs = Ps / PO. (4) Ps / PO = 82,7 psig / 224,5 psig => ηc = 0,368 = 0,37. Finalmente la presión crítica será: Pc= ηc*PO = 0,37*224,5psig => 82,7 psig. Resultado: Pc comparado con Pb Pc > Pb. 82,7 psig > 48,76 psig. Î Flujo del tipo crítico. 5. Una vez que se tiene caracterizado el fluido, como bifásico high subcooled del tipo crítico, se pasa a calcular la masa del flujo del sistema que se va aliviar. Por las características antes expuestas a la hora de aplicar la fórmula (para fluidos high subcooled) se realizan los siguientes ajustes, P = Ps. [13] Datos: 43 ρlo = 56,06 lb/ft3. PO = 224,5 psig. Ps= 82,7 psig. Resultados: Masa de flujo (Mass flux), que se simboliza con G, será: G = 96,3 *(ρlo*(PO - Ps))1/2 (5) G = 96,3 *(56,06lb/ ft3*(224,5psia – 82,7psig))1/2 => G = 8586,0012 = 8586 lb/seg*ft2. 6. Por último se pasa a calcular el área que debe tener el orificio de alivio de la válvula, para así finalmente proceder al paso final del proceso que es la elección de la válvula más adecuada para el alivio de este sistema. [13] Datos: G = 8586 lb/seg*ft2. ρlo = 56,06 lb/ft3. W = 1,819*106 lb/hr. La fórmula para calcular el área del orificio de la válvula es: A = 0,3208 *Q* ρlo / (Kd*Kc*Kb*G) (6) Donde Q, es la rata de flujo volumétrico del sistema medido en (gal / min.). Q = 7,48*W / (60*ρlo). Q = 7,48*1,819*106 lb/hr / (60*56,06 lb/ft3) => Q = 4047,2722 gal / min. Todos los factores “K” son, parámetros de corrección o ajuste del sistema, y vienen determinados de la siguiente manera: Kd = coeficiente de descarga, cuyo valor es 0,65 para líquidos sub-enfriados y 0,85 para líquidos saturados. Este valor debería ser pedido directamente al fabricante de la válvula, dado a que cada válvula de cada proveedor tiene sus características particulares. Pero como este estudio esta orientado en determinar el tipo de válvula y en base a esto se pasar a los proveedores, se tomará el valor de 0,65, que de todas maneras es el valor que manejan la mayoría de los proveedores y éste a su vez es el más utilizado por API para realizar cálculos previos bajo estas condiciones. [13] Kd = 0,65. 44 Kc = factor de corrección para la instalación de sistemas combinados. Estos sistemas combinados son aquellos en los cuales se utiliza más de un equipo de alivio en un mismo punto, por ejemplo usar un válvula de alivio conjuntamente con un disco de ruptura. [13] Kc = 1,0 cuando no hay instalado disco de ruptura. Kc = 0,9 cuando se utiliza disco de ruptura en combinación con la válvula. Para nuestro caso el valor de este factor de corrección será: Kc= 1,0. Kb = este coeficiente representa el factor de corrección debido a los efectos de la presión de contra flujo a la cual está expuesta el sistema en alivio(al igual que Kd debe ser pedido al proveedor de la válvula a utilizar). Este factor solo se utiliza cuando se va a calcular una válvula de alivio balanceada. Para determinar su valor se calcula la relación que existe entre la presión de contra flujo y la presión de acción (set pressure), y este valor se expresa en porcentaje. La relación viene dada por: [13] ΔPa-o = (Pb / PO)*100. (7) Una vez obtenida la relación se busca el valor del Kb, en una gráfica que representa el valor de Kb en función de la relación en porcentaje entre presión de contra flujo y acción. Ver figura 17. [13] Figura 17: Gráfica de valores de Kb en función de ΔPa-o. 45 En este caso, determinamos ΔPa-o, usando (7): ΔPa-o = (48,76 psig / 224,5 psig)*100. => ΔPa-o = 21,719 = 21,72 %. AL cruzar este valor en la grafica (figura 14) con la línea se tiene: Kb = 0,96 para el caso de válvula balanceada, para cualquier otra válvula de usa Kb= 1,0 . Resultados: Una vez que ya son conocidos los valores de todos los factores, usamos (6) y se obtiene: A) Para válvulas balanceadas. A = 0,3208*4047,2722 gal/min*56,06 lb/ft3 0,65 * 1,0 * 0,96 * 8586 lb/seg*ft2 A = 13,585 = 13,58 pulgadas 2 B) Para válvulas no balanceadas. A = 0,3208*4047,2722 gal/min*56,06 lb/ft3 0,65 * 1,0 * 1,0 * 8586 lb/seg*ft2 A = 13,042 = 13,04 pulgadas2 De esta manera se concluye con los cálculos necesarios para realizar el dimensionamiento de la válvula. Dado el estándar de producción de las válvulas respecto a las dimensiones de los orificios y las tuberías (ver tabla 4), se tiene que, respecto al área efectiva calculada de 13 pulgadas2, el orificio indicado para esta aplicación es de 16 pulgadas2, conocido como del tipo “R” para ambos casos. Como el orificio necesario es de 13 pulgadas2 y el elegido es de 16 pulgadas2, se tiene una mayor capacidad de alivio por la diferencia de área entre el orificio necesario y el real (existente dentro de los productos). Dado que a las condiciones de fluido bifásico y las propiedades de presión y temperatura dentro de las que se maneja el sistema, esta diferencia de área de aproximadamente 3 pulgadas2 no resulta perjudicial para el correcto funcionamiento del sistema de alivio en cuestión, por lo que no hay que tomar ninguna previsión extra para asegurar el correcto funcionamiento del mismo. Esto es debido a que tenemos que la capacidad de alivio necesaria del sistema es de 1.819.000 Lb/Hr y la capacidad real es de 2.217.000 Lb/Hr, lo que da una diferencia de 398.000 Lb/Hr que representa 21% de la capacidad necesaria. Esto, visto desde el punto de vista de seguridad y apoyándose en las normativas API y ASME (para la mayoría de 46 los caso cualquier exceso en el dimensionamiento menor al 40% no es perjudicial), entra dentro de las previsiones para el sistema y es una consideración que da un margen de colchón o seguridad mayor; es decir, para todo sistema de alivio el sobre-dimensionamiento puede ser un factor casi tan peligroso como el diseño exacto o en caso peor el quedarse corto (por la aplicación de malos procedimientos o cálculos de diseño), debido a que este exceso (cuando es demasiado grande) afecta las condiciones de operación y alivio perjudicando su correcto funcionamiento, además de que los costos al aumentar el tamaño también aumentan. Tabla 4: Estándar para el área efectiva del orificio y su designación según letras. ANALISIS ESPECÍFICO DE LA VALVULA OPERADA POR PILOTO. Lo primero que se determinó es que la válvula piloto que mejor se ajusta a los requisitos de capacidad es la de tamaño de orificio tipo R y, debido a que para estos casos los valores de presión de contra flujo no influyen en el funcionamiento del piloto, solo hay que basar la búsqueda en el tipo de servicio para el cual se está utilizando, alivio de fluido bifásico (líquido/gas) y el tamaño de orificio. Por tal razón, basado primero en la tabla 5 para elegir la válvula según el servicio donde la mejor opción es la que se encuentra en recuadro rojo Válvula operada por piloto serie 3900 (de la proveedora consolidated), y se usarán las de operación de alivio modulada. Una vez establecido esto, se busca dentro de las opciones de esta serie 3900, para el tamaño de orificio tipo R y se determina que por costos el mejor tamaño es la de 6” entrada (inlet) y 8”salida (outlet). 47 Tabla 5. Tipos de válvula según servicio en el que operan, materiales y dimensiones generales. Así queda definida la base de este sistema de alivio, donde se elige una válvula de alivio operada por piloto de alivio modulada, orificio tipo R y tamaño 6x8. Su clase es ASME 300-150 (ASME flanged Rating). Como se mencionó anteriormente, para la aplicación de la válvula operada por piloto, existen una serie de elementos extra que deben ser agregados al sistema para su correcto funcionamiento, los que serán descritos y explicados individualmente a continuación. Tomando como referencias el esquema de la figura 18: Sistema de purga continúa: Este sistema es la clave para el correcto funcionamiento de la válvula, dado a que es el que mantiene el fluido fuera del piloto y ducto sensor. Los factores a calcular o determinar son: el tamaño del orificio de restricción para delimitar el flujo de gas que se está purgando y la regulación del elemento reductor de presión y rotámetro (“Rotameter” en la figura 18). Tabla 6. Características del gas a purgar (Fuel Gas) Densidad Viscosidad Peso molecular 0,96 Lb/ft3 0,01 Cp 23,33 Lb/MOL Factor de Calor especifico Factor de compresibilidad Temperatura 1,29 0,95 110° F (43,3° C) - Elemento reductor de presión: el gas limpio que es presurizado desde la planta viene con una presión de 270psig. El reductor de presión tiene como función reducir este valor hasta el necesario 48 para que la presión para cumplir con los requisitos mínimos que requiere la válvula en todo momento y al mismo tiempo el sistema de purga. - Rotámetro: Se coloca para asegurar el flujo de purga dado a que este censa la cantidad de flujo promedio de las diferencias de presión. - Orificio de restricción: Está para limitar el flujo de gas hasta el valor necesario que circule por la tubería del ducto sensor y la alimentación del piloto de la válvula, dado a que lo importante de esta purga es mantener gas en todo momento por esta tubería. Figura 18: Descripción de puntos de válvula operada por piloto. La función de esta purga es mantener libre el piloto del contacto del fluido (crudo) a aliviar en todo momento, tanto bajo condiciones de operaciones normales como cuando el sistema entra en el caso de sobre presión y por tanto se requiera el alivio. De esta manera quedan definidos los dos caso problemas que deben satisfacerse para que el sistema pueda actuar efectivamente a lo largo del tiempo y cuando le sea necesario. Como se ve en la figura 18, hay que considerar que el piloto (sensor) se encuentra a una distancia de 5,82 metros del tanque desalador; por lo tanto, la presión que existe entre este punto 49 y el fluido dentro del tanque son diferentes, siendo la del tanque mayor al valor de la presión de acción. Al mismo tiempo, la presión de acción (Pset en la figura 16) que es de 204psig es el valor límite al cual la presión en el ducto de purga en el punto de P2 (5,82m de altura) puede llegar, dado que al alcanzar este valor el sistema de alivio se acciona. [5, 30, 31, 33] Otro de los problemas a considerar es el del flujo de gas, que es un agente externo al proceso y por tanto puede influir en las condiciones de operación del sistema de desalado y, por tanto, producir un efecto de sobre presión en casos ajenos a los antes mencionados, como lo son condición de bloqueo de una de las salidas y caso de fuego entre otros. Para realizar este estudio hay que tomar en consideración la cantidad de gas que entra al sistema -tanto bajo condición de alivio como de operación normal- y la capacidad de la tubería de salida del crudo del desalador, que es el medio por el cual este exceso de gas dentro del sistema saldrá la mayor parte del tiempo dado que otro medio de salida es mediante el mismo sistema de alivio, cuando este se active. Sin embargo, lo ideal es que éste nunca tenga que actuar y, por tal razón, esta opción de salida es descartada debido a que no es crítica sino más bien al darse el gas tendrá otra puerta de salida. [5, 30, 31, 33] El primer elemento que hay que definir es el elemento reductor de presión, que no es más que una válvula autorregulada que disminuye la presión del sistema de bombeo de gas. Para definir esta presión se debe tomar en cuenta que el piloto de la válvula de alivio debe tener una presión mayor al 5% de la presión de alivio (presión de acción + sobre presión), para que cuando este se dispare pueda regresar a su estado de cierre evitando la posibilidad de que el fluido en alivio obstruya la acción. Al mismo tiempo existe el sistema de purga, que por ser el elemento clave, debe asegurarse su correcta acción. Por tal razón, dado a que la presión de alivio es de 220,4 (Pset +10% sobre presión) la presión que el reductor debe establecer podría ser el 10% de este valor que es de 242,4psig. De esta manera debería de estarse cumpliendo con los requisitos antes expuestos, pero por facilidad se establecerá el valor de 245psig, el cual asegura el cumplimiento de las limitantes antes expuesta, y al mismo tiempo no es un valor demasiado grande lo que podría causar que el flujo de gas sea excesivo y por tanto perjudicial. De esta manera se tiene que, como se observa en al figura 18, la tubería que va desde el orificio de restricción hasta el desalador es de 2” (nominal); pero al mismo tiempo tenemos que el orificio de restricción que tiene la función de limitar el flujo de gas está diseñada para que este ducto sensor en realidad tenga un flujo equivalente al que el orificio de una dimensión de 0,12” (3mm aprox.) de ancho (este valor será demostrado por medio de cálculos que se obtendrán en un proceso de simulación). Tomando en cuenta esto y que la presión con que se realiza la purga en el punto P2 debe ser menor al 204psig todo el tiempo, si tomamos a este punto (P2) como referencia, y que estamos realizando el estudio con el caso crítico que es bajo operación normal la mayor parte del tiempo, tenemos que la presión aguas abajo (hacia el desalador) en él es menor a 204psig (P2>P1) y que bajo el mismo contexto la presión aguas arriba P3>P2=204psig, decimos 50 que la presión con la que se realiza la purga de gas es de 245psig prefijado por la válvula de reducción, y el cual es censado por el rotámetro (“Rotameter” en la figura 18) para asegurar dicho valor a la entrada del orificio de restricción; es decir, el trabajo del rotámetro y el reductor de presión aseguran que la presión de purga en P2 sea menor a 204psig y que P1 sea igual a la presión interna del desalador bombeando un valor fijo a través del orificio de restricción. Siguiendo con estas pautas, podemos pasar a calcular que cantidad de gas que entra al desalador por medio del sistema de purga, por tanto: [5, 30, 31, 33] Diámetro = 0,12inches => 0,003048m => D/2=R => R = 0,001652m Área = π*R2 = 8,5737*10-6m2. => Área =0,0133inches2. => 9,2286*10-5 ft2. Si además usamos como valor de presión de bombeo 245psig, que debe existir sobre el orificio de restricción valor que existirá para el peor caso de operación del desalador, cuando su presión interna es del orden de los 130psig y por tanto hay una mayor acción de la presión proveniente de la fuente de la purga. Por tanto, si hacemos uso de este valor en conjunto con el siguiente grupo de ecuaciones: Presión (P) = Fuerza (F) (8) Fuerza = masa (M) * velocidad (v) Área (A) (9) Tiempo (t) Flujo másico (mass Flow Rate) = M = v*A*ρ (densidad del gas) (10) t De estas ecuaciones conocemos: ρ = 0,96 Lb/ft3 P = 245 psig A = 9,2286*10-5 ft2. 245psig = 245 Lb/inches2 => Transformado a Lb/ft2 => 35280 Lb/ft2. Sustituyendo 9 en 8. => P = F => M * v A A*t => sustituyendo 10 tenemos => P = v *A *ρ *v A De donde la velocidad será: v = (P / ρ)1/2. (11) => (35280 Lb/ft2 / 0,96 Lb/ft3)1/2 => (36750)1/2 => 191,702 ft/seg. Calculando la fuerza de la ecuación 8 tenemos: F = P * A = 35280 Lb/ft2 * 9,2286*10-5 ft2 = 3,2558 Lb* ft / seg2. Finalmente, el flujo másico lo despejamos de la ecuación 9 para obtener: 51 M / t = F / v => 3,2558 Lb* ft / seg2 => 1,6983*10-2 Lb / seg. 191,702 ft/seg. 1,6983*10-2 lb / seg => transformado a Lb / Horas. 1Hora (Hr) => 3600seg. Tenemos como resultado: 1,6809*10-2 Lb / seg * 3600seg / Hr = 61,141 Lb / Hr. Ahora que se ha determinado cual es la cantidad de gas que entra al sistema desalador por medio de la purga, se debe ver cual es el espacio que éste tiene para ser expulsado del sistema; es decir, se debe de manera similar saber cual es la capacidad de la tubería de salida que posee el desalador. Es necesario destacar que de esta capacidad gran parte está siendo ocupada por el crudo desalado que se dirige o al siguiente desalador o a la torre estabilizadora. Para esto recuerde que la tubería de salida del desalador es de10” (nominal), y que al revisar en la tabla 7 dentro del recuadro violeta se tiene que el diámetro real interno de estas tuberías es 10, 136”. Además, sabemos que el rango de presión de operación del desalador está entre 211psig a 150psig, siendo la presión de operación normal de 182psig. Tomando estos valores y realizando un cálculo similar al anterior tenemos: Diámetro = 10,136inches => 0.257454m => D/2=R => R = 0,128727m Área = π*R2 = 5,2589*10-2m2. => Área = 80.6904inches2. => 0.5645 ft2. P = 182 psig ρ = 56,06 lb/ft3 A = 0,5645ft2. 182psig = 182 Lb/inches2 => Transformado Lb/ft2 => 26208 Lb/ft2. De igual manera usando las ecuaciones (8, 9 , 10 y 11) se obtiene: Que velocidad es: v = (P/ρ)1/2. => (26208 Lb/ft2/ 56,06 Lb/ft3)1/2 => (467,99)1/2 aprox. (468)1/2 = 21, 63 ft/seg. Que la fuerza es: F = P * A = 26208 Lb/ft2 * 0,5645ft2 = 14794,89 Lb* ft / seg2. 52 Finalmente el flujo másico lo despejamos para obtener: M / t = F / v => 14794,89 Lb* ft / seg2 => 683,999 aprox. = 684Lb / seg 21,63 ft/seg. Tabla 7: Características de las tuberías. 684 Lb / seg => transformado a Lb / Horas. 1Hora (Hr) => 3600seg. Tenemos como resultado: 684 Lb / seg * 3600seg / Hr = 2.462.400 Lb / Hr. 53 Ahora que se tiene ambos valores, capacidad flujo de crudo de la tubería de salida de 10”, que es de 2462400Lb / Hr. y flujo de entrada de gas de purga de 61,141 Lb / Hr, lo que representa un 0,002458% de la capacidad total de la tubería de salida, lo que significa que es realmente muy pequeña, si además de esto se observa la diferencia en las densidades, dado a que ambos cálculos de flujo fueron realizados para diferentes elementos, aunque la densidad del gas 0,96 Lb/ft3 es mucho menor al valor de la densidad del crudo 56,06 Lb / ft3, dado al valor de menos del 0,05% de la capacidad que esta representa, se puede decir que esta cantidad de gas podrá salir sin ningún problema del desalador junto con el resto del crudo saliente. Además, se puede asegurar que debido a la pequeña cantidad que esta representa para las dimensiones del desalador, el aporte de este gas a la presión del recipiente será mínimo -recordando los principios de a mayor espacio que el gas tenga para difuminarse menor presión tendrá- y recordando que éste está pasando de un espacio limitado de la tubería al amplio espacio que representa el tanque del desalador. De esta manera queda demostrado que bajo las peores condiciones, es decir, si el sistema de alivio no se activa, el flujo de gas de la purga continua es lo suficientemente pequeño para no afectar de manera resaltante (en menos de 3psig de presión) las condiciones de operación del desalador. [5, 33] Ahora que se sabe que el flujo de gas de la purga no afecta en gran medida las condiciones del desalador tenemos que analizar como es el funcionamiento de dicho sistema de purga bajo los dos casos posibles en los cuales se puede operar: 1. Operación normal fuera de condiciones de alivio. 2. Bajo situación de Alivio. De manera que tenemos: Tabla 8: Puntos clave dentro de la figura 18. P1 P2 P3 Pset ¾ Presión dentro del desalador Presión en piloto censada a través del sensor Presión justo después del orificio restricción Presión de acción de válvula (set pressure) F1 F2 F3 F4 Flujo dentro del desalador Flujo en el piloto Flujo por la vía de purga (Gas) Flujo en la vía de vaciado del piloto CASO 1:No se requiere operación de la válvula. Esto es la mayor parte del tiempo, dado que es cuando las condiciones de operación del sistema están dentro de los rangos normales, lo cual está dado por la operación de la planta la mayor parte del tiempo; 54 Para esta situación: P3 > P1 presión del gas en purga mayor a la presión dentro del desalador. Hay que aclarar que esta condición implica que el gas de la purga tiene la misma presión que el tanque internamente en el punto P1. Por tanto P3 > P2, P2 < Pset (porque no se requiere de alivio). Gracias a esto se está asegurando que por el ducto sensor que llega al piloto no podrá entrar nunca el fluido (crudo), pudiendo de esta manera producir algún tapón y por tanto problema en el sistema de alivio. F1 = F3 El flujo de gas que se está purgando debe ser igual (aproximadamente), al flujo que se está desalojando a través de las tuberías en el desalador. Es decir, por la tubería de salida del desalador sale una cantidad de crudo junto con una cantidad de aire, en este caso gas que será eliminado posteriormente en la torre esterilizadora: Como el flujo de gas purgado está restringido no afecta la presión interna del desalador. F4 = F2 = 0 Dado a que no debe estar entrando nada al piloto, porque la presión es P2 es menor a la Pset, y por tanto éste no requiere abrir el pistón -lo que significaría que a través del conducto por el que esta F4 -existe un flujo en dirección C-D. ¾ CASO 2: Situación de Alivio. Cuando es disparado el mecanismo debido a que se requiere de un alivio de presión para proteger el desalador y por tanto el proceso completo. Esta situación alcanza su caso crítico en el caso de que se produzca el bloqueo de la salida, como se explicó antes, P1 = Pset P3 > P2 = P1 (situación de alivio). Lo que significa que debido a la presencia del flujo de purga que debe mantener el fluido (crudo) fuera del ducto sensor, la presión de la purga en el punto P1 será igual a Pset, debido a que de lo contrario podría subir fluido a través de la tubería en dirección B – A. 55 En pocas palabras, el sistema efectivamente comenzará su alivio cuando la presión sea 204psig. Dado a que ahora el sistema de purga de gas y la presión interna del desalador forma en este ducto un solo sistema, solo que las fuentes de presión de las mismas vengan de diferentes puntos, dado a que por un lado tenemos la corriente interna del desalador, y como por otro lado tenemos el agregando por el sistema de purga. De esta manera se tiene un solo sistema, que tendrán una sola presión, que al llegar al punto de 204psig en P2, activará la válvula y el pistón se levantará abriendo el ducto de alivio. Lo que se está haciendo con la purga es mantener por el ducto sensor solo con la presencia de del gas, de esta manera el fluido no podrá entrar al mismo y bloquearlo debido a su alta viscosidad y a la posibilidad que tiene a solidificarse. F3 = F2 + F1 En este caso, una parte del flujo de purga entra al pistón dado a que este se abre para liberar la presión que mantenía cerrado el pistón, para permitir el alivio; mientras que la otra parte del flujo va al desalador (bajo las misma condiciones del caso anterior, pero en menor cantidad, pero siempre lo suficiente como para mantener el ducto libre de crudo) para prevenir que el fluido (bifásico) suba en dirección B–A, lo que se asegura debido a que P3 > P1. F2 = F4 Como se está en una situación de alivio, la válvula liberará la Distinto de “0” presión interna que mantenía cerrado el pistón a través del conducto por el que fluye F4 en dirección C–D (debido a la presencia del preventor de contra flujo (backflow preventer) y se protege la válvula bajo la condición de alivio; para que parte del fluido que se está aliviando no entre a la misma debido a que la presión con que se alivia éste es mayor la que la del gas que está siendo liberado por el conducto C–D y, por tanto, podría existir un flujo en dirección D–C que seria perjudicial para el sistema. Ducto sensor de presión remoto: Éste no es más que una pequeña tubería, que como se ve en la figura 18, comunica al piloto con la unidad desaladora. Ello es debido a la arquitectura de la planta la cual no permite que el sistema de alivio se encuentre directamente unido al desalador (por circunstancias de espacio físico), sino que está colocado a una distancia de aproximadamente 5 a 6 metros de distancia (por encima del desalador). Específicamente, la boca de entrada a la válvula esté a 5,3 metros mientras que la conexión con el piloto se da a una altura de 5,8 metros (como se ve en la figura 18). Además, este ducto tiene una dimensión nominal de 2” lo que traduce en un diámetro interno de 2,067” como se ve en la tabla 7 marcado en el recuadro amarillo, pero al mismo tiempo hay que recordar que esta tubería solo permite que circule un flujo equivalente al que viene determinado por el orificio de restricción que es de 0,12inches. 56 Esta distancia que existe entre el desalador y el piloto, podría pensarse que afecta en gran manera la presión entre un punto y otro, pero como se explico antes, el ducto de purga y el desalador, al estar conectados forman un solo sistema (el cual tendrá prácticamente las misma presión). Lo que una vez mas es importante resaltar es que por dicho ducto no existirá la presencia de fluido crudo (bifásico) dado la presencia de el gas (limpio) que se está purgando. Este factor está regulado por la presencia del sistema formado por: el orificio de restricción, el rotametro y el reductor de presión. Lo que si es importante aclarar es que lógicamente la presión en el punto P2 será menor a la presión de P1, pero esta presión en P1 nunca será mayor a la máxima presión de operación permitida que es de 211psig (este valor en realidad puede ser un 10% mayor según lo establecido por ASME), dado a que la presión de acción (Set Pressure, Pset) se determinó de forma que ésta posibilidad nunca pase dado a que el calculo de Pset vino de restar la MAWP de la presión equivalente producto de la columna de presión que representa la distancia de 5,8m entre el piloto y el desalador. De esta manera queda totalmente descrito el funcionamiento del sistema de alivio con válvula operada con piloto, el cual cumple con todas las posibles restricciones y casos en los que puede incurrir, y los cuales podrían perjudicar o perturbar el funcionamiento del mismo. Lo que hay que destacar es que debido a la variedad de elementos que están involucrados dentro del sistema para su correcto funcionamiento (en las condiciones establecidas, se considera a esto como debilidad primordial debido a que éste es el medio de seguridad primordial de los equipos y como tal debe ser infalible; condición que puede fallar debido a esta razón. Por tanto lo que se recomienda es que las medidas de revisión y mantenimiento para este caso sean muy estrictas y con una mayor periodicidad de lo acostumbrado de lo que se tiene estipulado dentro de las medidas de la medidas de la empresa. (Bajo las propias recomendaciones de los organismos internacionales API y ASME). ANALISIS ESPECÍFICO DE LA VALVULA DE ALIVIO BALANCEADA Al igual que en caso de la válvula operada por piloto el tamaño del orificio necesario que se requiere para cumplir con la capacidad de alivio es el de tipo R (16inches2) , dado a que el resultado calculado fue de 13,58 inches2 como se puede ver en la figura 16. Pero a diferencia del caso de la válvula piloteada, este caso no requiere de la realización de mayor análisis dado a que de existir en el mercado una opción que satisfaga con las necesidades que presenta el sistema, éste queda definido; por tanto, dadas las características de autorregulación de las válvulas de alivio balanceadas y convencionales, donde nada mas se establece la presión de acción (set pressure) y por supuesto los materiales y dimensiones de la válvula; es decir, en esta aplicación no existe la posibilidad diseños adicionales como el sistema de purga continua que fue antes presentado (caso de válvula operada por piloto); dado a que no lo necesita. La principal restricción 57 que hay que considerar, como se ha mencionado anteriormente, al usar una válvula balanceada es la del porcentaje que representa la presión de contra flujo. Por tal razón las características a considerar dentro de la búsqueda de las opciones que presenten los proveedores son: Tabla 9: Rasgos del sistema para la búsqueda en alivio con válvula balanceada. Tamaño de Orificio de alivio Clase ASME (ASME Flanged Rating) Temperatura de alivio Presión de acción Presión de entrada (set + overpressure) Presión de contra flujo % de presión de contra flujo/ entrada Tipo de fluido 16inches2 (tipo R) Inlet: 300 Outlet: 150 222° F (105,55° C) 204 psig 224,5 psig 48,76 psig 21,7 % Bifásico (liquido / vapor) Tomando en cuenta estas características, se procedió a revisar las opciones de los diferentes proveedores de válvulas de alivio del mercado: a. Dressler (Consolidated). b. TeledyneFarris. c. Crosby. d. Lonergan. e. Kunkle. Una vez revisado los catálogos de todas se encontró que dentro del rango que al problema respecta, todas las opciones de los diferentes proveedores presentan las mismas características (o muy similares en el peor de los casos), por lo que solo se presentará las tablas de una de ellas (Consolidated). Lo único que cambia de una compañía a otra es el nombre o código con que se identifican a las válvulas. Como se ve a continuación, Tabla 10: Equivalencias entre fabricantes 4 . DRESSER 1906RT 1910RT TeledyneFarris 26RA11 26RA22 Crosby JOS-26 JOS-36 Lonergan D-22R D-32R Kunkle 5026R 5036R Para realizar la elección lo primero que se debe tomar en cuenta es el elemento con el que se va a trabajar (fluido), en este caso es Bifásico (liquido/Gas), luego debe buscarse que dentro del equipo elegido el mismo se produzca con el tamaño de orificio requerido y por último verificar que dentro del ASME Class Flanged Ranting en el cual se opera, ninguno de los parámetros de presión y temperatura sobrepase las especificaciones del equipo. [32] 4 L a tabla original de donde fueron obtenidos estos datos se encuentra en el anexo 12. 58 Siguiendo este esquema se tiene que, dentro de los equipos de Consolidated (Dressler), la serie 1900 es la que más se ajusta a éste caso como se puede ver en las siguientes tablas 5 (recuadro azul) y 11. [32] Tabla 11: Rangos de presión y temperatura generales. Una vez que se ha realizado la preselección basada en los datos antes mencionados, como se ve en las tablas 7 y 11 donde se esta eligiendo la opción de la serie 1900 la cual está marcada con un recuadro con borde azul. Sobre los demás tipos (convencionales, balanceadas y operadas por piloto) ver anexo 10 y 11 donde se muestran las distintas series que se presentaron anteriormente, se realiza la revisión específica de las característica de dicha válvula para identificar si la misma cumple con el tamaño de orificio requerido. [32] Como se ve en la tabla 11, éste se encuentra marcado con un recuadro con bordes azul. De esta manera nos acercamos al paso final es dirigirse directamente a la tabla de características específicas, la cual se puede identificar fácilmente gracias a que dentro de la serie 1900, las opciones que están dentro de ASME flanged rating son las de código 1906 y 1910 tal como se ve en la tabla 13 marcada con la sobre posición de los recuadros azul y rojos. [32] 59 Tabla 12: Serie1900, tipo en relación con su tamaño de orificio. Parte A Tabla 13: Serie1900, tipo en relación con su tamaño de orificio. Parte B Finalmente en la tabla 14 se muestra las características específicas de las válvulas de la serie 1900, cuyo tamaño de orificio corresponde al “R”. En ésta se observa, como la primera diferenciación que hay es entre las válvulas convencionales y las balanceadas, a las cuales como se observa en la tabla 14 se les agrega un 30 al código a las que traen fuelle (bellows), que son las balanceadas. Después en la tabla 14 se observan una serie de características que serán detalladamente explicadas a continuación: 60 Tabla 14: Características especificas para serie1900, tipo de orificio R. ¾ En la tercera columna se encuentra indicado el tamaño de la entrada y la salida de la válvula; es decir, los tamaños (nominales) de las tuberías a las que se conectarán sus junturas. Tenemos dos opciones: las de la 1906-30Rc que es de 6x8 y la de la 1910-30Rc que es 6x10, de la cual se elige la que se encuentra encerrada en el recuadro negro, la de 1910-30Rc. [32] ¾ En la parte central de la tabla 14, entre las columnas 6 y 12, se observa una relación para determinar los límites del valor de presión con que el fluido entra a la válvula respecto a la temperatura con que este mismo está siendo aliviado. Como la temperatura de alivio es de 222° F hay que ubicarse en la columna que está marcada con el cuadro rojo, que es la que indica que la temperatura tope es de 450° F, y al éste cruzarse con el cuadro azul, se tiene que el valor de presión de entrada permitido es de 230psig, que al comparar con la presión de entrada con la que la válvula va a trabajar que es de 224,5psig, se observa que se está justo en el límite. [32] ¾ Por último hay que observar la columna 14 de la tabla 14, que indica el valor de presión en contra flujo máximo en que la válvula, funciona normalmente sin ningún tipo de derrames o problemas. Para esto se realiza una prueba que es regida por los organismos internacionales (API y ASME) , que es la que establece la temperatura indicada en la figura 23 de 100° F como se ve dentro del cuadro verde, el valor referido es de 100psig a una temperatura de 100° F mientras que para este caso el valor de presión de contra flujo (back pressure) es de 48,76psig a la temperatura de alivio. [32] 61 Par finalizar se puede comprobar la elección por medio de la figura 19, la cual muestra como para el sistema en cuestión se entra dentro del área del la válvula 1910Rc.indicada de color azul, que es la intercepción de las dos líneas rojas una que vienen dada por la temperatura de alivio (222° F) y la otra por la presión de 224,5psig en la figura. Figura 19: Grafica de selección de válvula serie 1900 tipo R, según presión y temperatura de alivio. De esta manera se puede determinar el tipo de válvula con la que se podría satisfacer las necesidades de este sistema. Pero al profundizar en el análisis de ella tenemos que, se está trabajando con una válvula que funcionará muy cercana al límite de lo recomendado por los proveedores, dado a que el valor de presión de entrada que ellos establecen y que se observa en la figura 23 es de 230psig, y la presión de entrada del fluido en alivio es de 224,5psig, lo que da un rango 2,4% de error, valor que dada la condición del fluido en alivio -que es de características 62 bifásico y de alta viscosidad- es considerablemente pequeño. Por tanto, aunque la serie 1900 está diseñada para aliviar líquidos, vapores y gases como se ve en la figura 19, ninguna de las especificaciones presentadas dentro de los catálogos están orientadas para el uso de un alivio bajo la condición de bifásico sino simple, y por tanto al entrar en este campo hay que apoyarse en los recomendaciones de API para estos casos y dentro de estas el trabajar con un margen tan pequeño y cercano al límite donde probablemente la válvula pueda presentar fallas no es algo muy recomendado. Otra razón importante es que dado a que el valor máximo de alivio es de 230psig y la máxima presión de contra flujo es de 100psig, como se ve en la tabla 14, se traduce en que su máximo porcentaje de presión de contra flujo sea de 43,4% para una temperatura de 100° F (este porcentaje tienden a disminuir con el aumento de la temperatura). 100 / 230 = 0,434. Este valor por 100% da la relación de 43,4%. Por esta razón es que se realiza la búsqueda de estas válvulas balanceadas especiales, las cuales presentan un mejor desempeño y mayores márgenes de acción debido a su diseño. Pero, al realizar la búsqueda y consulta con los distribuidores, los resultados que se consiguieron fueron los siguientes: 9 Al revisar los manuales del distribuidor de consolidated (RIESE) se encontró que para la gran mayoría de sus productos, tanto convencionales como balanceados (en válvulas de alivio), los rangos de presión de entrada del fluido bajo condición de alivio según la temperatura de alivio, pueden ser mayores a los mostrados en la tabla 14 (se refiere a los valores de las columnas 6 a 12), debido a un cambio en la estructura o sistema del resorte. Y debido a que los límites impuestos por API son los más conservadores (los menores) son estos los que se muestran dentro de los catálogos. Pero al usar como limitantes de diseño las propuestas por ASME por ejemplo, estos valores restrictivos son mucho mayores, como se muestra en el anexo 13, donde se encuentran expuestas las diferencias entre los valores de ambas normativas. Como se observa en el anexo 13, señalado dentro del recuadro azul, la diferencia para este caso es bastante amplia, entre ambos casos, como sabemos el limite API es de 230psig a la temperatura de alivio, mientras que para otras normativas de diseño (ASME), este límite aumenta a 450psig, lo que da un aumento en el rango de 220psig, valor bastante representativo dado a que de igual manera el resto de los valores (por ejemplo presión de contra flujo) aumentan en relaciones muy similares. De esta manera efectivamente se encontró una válvula balanceada que pudiera cumplir con las condiciones necesarias para esta aplicación, pero debido a que dichos aumentos en los valores de Presión vs. Temperatura, debidas no solo a los cambios estructurales sino también al 63 cambio en los estándares o normativas con los cuales se establecen los principios de diseño con los cuales se evaluara y determinara los rangos de seguridad de los equipos. Por tanto, a la hora de tomar una decisión, aunque la mayoría de las compañías productoras y diseñadoras se basan en los estándares dictados por ASME (los cuales como se ve en el anexo 12, son más amplios), hay que limitarse a lo establecido por los clientes (empresas) que en la mayoría de los casos son los API, que son mas conservadores y por tanto los rangos son menores. Aun así, siempre se puede realizar el planteamiento al cliente, realizando las acotaciones pertinentes a los casos y usando como respaldo las garantías de los proveedores y compañías fabricantes. Pero como trabajar bajo este esquema es difícil y podría perjudicar al proyecto, es preferible ajustarse a los planteamientos del cliente que en el caso petrolero sus fundamentos son los API. Por esta razón es que surge la necesidad de buscar las válvulas balanceadas especiales que cumplan tanto con las condiciones necesarias de operación del proceso y al mismo tiempo tengan la aprobación de las recomendaciones API. Dentro de esta búsqueda se consiguió: 9 Un documento de producción de válvulas de alivio balanceadas (Catálogo), donde se tienen datos de válvulas de la serie 1900 balanceadas (especiales) con mayores rangos del mismo proveedor Dresser. Como se ve en la Anexo 14, se consigue para la opción 1910 orificio tipo R, que el valor de presión de acción (set pressure) es mayor, por lo tanto el valor de entrada (inlet pressure) también lo será. El valor que alcanza es 275psig, recuadro azul, además el máximo valor de presión de contra flujo (Max allowed back pressure) también es mayor con un valor de 145psig. Tomando en cuenta estos valores podemos ver como la relación entre la presión de acción y la presión de contra flujo es de 52, 727%. Como se ve a continuación:[34] 145 / 275 = 0,52727 que al multiplicar por 100. Se tiene 52,727%. Valor que es mayor al de la otra opción que era 43,4% que antes se tenia, aunque en ambos casos dichos valores fueron obtenidos para una prueba a 100° F y ésta de igual manera tenderá a disminuir. Sin embargo, debido a la confección de esta válvula especial que abarca mayores rangos y es aprobada por API, esta disminución será menor y por tanto servirá para este caso donde la presión de acción es de 204psig y la presión de contra flujo es de 48,76psig lo que da una relación de 23,9% a la temperatura de alivio 222° F. Considerando estos valores y comparando los con las condiciones de proceso en las cuales el sistema esta funcionando, se tiene que esta opción de válvula especial balanceada, donde como se ve en el anexo 13 la especificaciones con respecto al los materiales y partes son mucho mas detalladas, puede ser la mejor elección para el sistema de alivio. 64 SIMULACIONES: Con la finalidad de concretar el análisis del sistema de alivio basado en la válvula de alivio operada por piloto, para el cual debido a las condiciones del sistema y características del fluido en alivio, se requiere de la acción continua de una purga de gas limpio a través del ducto sensor (el cual comunica al equipo desalador con el piloto) para mantener este canal libre de fluido (bifásico) que podría bloquear y dañar a la válvula dado a su alta viscosidad (aprox. 33cp); y por tal razón este sistema de purga de gas limpio es la clave para el correcto funcionamiento del equipo de alivio como se explicó en los puntos anteriores. De esta forma se tiene que, debido a que por dicho ducto sensor se debe mantener siempre con un Flujo de Gas limpio, el cual impide que el crudo entre al mismo, tenemos que asegurar que los efectos de dicho flujo no afecten la función desaladora del proceso, el cual está sometido a cambios de presión y temperatura dentro de los rangos normales de operación de forma periódica y, por esta razón, surge la necesidad de comprobar que sin importar cuales sea estos cambios en las condiciones de operación, las características de diseño antes especificadas (dimensión del orificio de restricción, presión de purga), sean las más adecuadas. Es por esta razón, que la mejor herramienta para comprobación y prueba es el uso de simulaciones del proceso mediante un programa especializado. Para realizar esta comprobación se usó un programa de simulaciones de sistemas hidráulicos del Departamento de Procesos de la Empresa llamado “Cálculos Hidráulicos”. Mediante el uso de este programa se busca comprobar que tanto la presión de purga (la cual en el sistema es controlada por el elemento reductor de presión), como el tamaño del orificio de restricción (el cual regula el caudal o flujo de gas limpio que entra al sistema) es el correcto, tomando en cuenta tanto las condiciones de operación antes expuestas como las dimensiones y arquitectura real del sistema (longitud y estructura de las tuberías) que se ven en los anexo 15 y 16 (diagramas Isométricos de tuberías). Este programa es una herramienta enfocada a los cálculos de las dimensiones de válvulas de control, tuberías y bombas; además, tiene la versatilidad de generar reportes completos de los sistemas en cuestión, incluyendo propiedades del fluido (trabaja con fluidos compresibles e incompresibles), balance general de presiones, parámetros de comportamiento hidráulico (características, accesorios y arreglo de tuberías), cálculos de bombas, válvulas y elementos de flujo (orificios de restricción). Por tal razón, es la herramienta ideal para el estudio del sistema de alivio. [35] Para lograr esto se usará el software para calcular la presión en ambos extremos del orificio (aguas arriba y aguas abajo del mismo), para finalmente mediante el uso de una fórmula de dimensionamiento de orificios calcular el tamaño y comprobar las afirmaciones antes establecidas. 65 Para el uso del programa de Cálculos Hidráulicos lo primero que hay que hacer es conocer las funciones e iconos que este presenta, que se muestra en el ANEXO 18, como se ve, las herramientas son bastante explícitas y simples. [35] Una vez conocidas las herramientas lo primero que hay que hacer es definir el nombre y datos del proyecto a estudiar, tal como se muestra en la figura 20. A continuación: Figura 20: Ventana de datos del proyecto de Cálculos Hidráulicos. Seguidamente se deben definir el número de circuitos o etapas en que se dividirá al sistema para realizar su estudio. En este caso se definirán 2 circuitos, el primero de la válvula de regulación para el paso del gas limpio al orificio de restricción (representado por el diagrama de tuberías del anexo 15), y el segundo desde el orificio de restricción hasta el equipo desalador (representado por el diagrama de tuberías del anexo 16). Esto se ve en la figura 21. [35] 66 Figura 21: Ventana de selección del numero de circuitos. Después de esto se deben especificar las características generales de cada circuito, donde se indica el número, nombre y caso de estudio (puede ser diseño de bomba, diseño de válvula, presión de salida desconocida, flujo máximo, presión de salida conocida), número de tramos en los que se divide el circuito de ser necesario (esto normalmente se divide de existir cambios en las dimensiones de las tuberías), y por último algún parámetro clave para la realización del cálculo que es determinado según el caso seleccionado. Como se ve en la figuras 22 y 23, en el estudio del sistema de purga se caracterizaron cada circuito de la siguiente manera. 67 Figura 22: Ventana de características específicas del circuito 1 del sistema de purga. Como se observa para el circuito 1, se definió un tramo que abarca desde la válvula de paso de gas hasta el orificio de restricción (que es el circuito completo como se ve en el anexo 15, dado a que la tubería no varía su dimensión a lo largo del mismo), el caso de estudio es Presión de entrada conocida donde se usa el valor previamente establecido de 245psig (presión de acción+ sobre presión + 10%). [35] 68 Figura 23: Ventana de características del circuito 2 del sistema de purga. Por otro lado el circuito 2, se estableció también un solo tramo desde el orificio hasta el desalador, el caso de estudio es presión de salida conocida donde se coloca 132psig (dado a que este es el caso más crítico, donde existirá un mayor flujo de gas entrando al sistema debido a la purga). Luego se realizarán otras corridas donde este valor que representa la presión de operación del Desalador se modificará, para ver los cambios que estos representan dentro del sistema. [35] Una vez que se han determinado los rasgos generales de cada circuito, se procede a establecer las características especificas de cada tramo del circuito (en este caso solo hay un tramo por circuito). Dentro de estas características específicas están la longitud de tubería que comprende el tramo, el diámetro interno del mismo, la diferencia de altura entre el punto inicial y final de la tubería, un valor aproximado de las pérdidas por equipos y estructura del sistema, el material de la tubería. Además, en casos de sistema más complejos donde existan estructuras iguales por las que fluyan distintos fluidos o gases, el programa permite establecer estas 69 similitudes usando la opción “tramo común” donde se indica que otro circuito y su respectivo tramo presentan las mismas condiciones. [35] Como se observa en la figura 24, la longitud de este tramo es de 6,4m (20,997ft), de tubería con diámetro interno de 2,067” (que representan la tubería de 2” nominal como se ve en la tabla 7); finalmente, la diferencia de elevación es de 0,31m (1,01ft) que se determinó al igual que el resto de las longitudes de este tramo de los datos obtenidos del anexo 15. De esta manera se pueden introducir los accesorios (codos 90°, codos 45°, junturas en T, válvulas de control y otros) que están presentes en los diagramas de tuberías. Colocando la opción de Accesorios dentro de la ventana como se observa en la figura 24. De esta manera se culmina de caracterizar de una forma amplia y precisa la estructura de las tuberías de cada tramo, en las figuras 25 y 26 se muestran los accesorios y factores de perdida que estos representan dentro del sistema. [35] Figura 24: Ventana de características especificas de la tubería del tramo 1 circuito 1. 70 Figura 25: Ventana de accesorios generales del circuito 1. Tramo 1. Como se ven la figura 25, se coloca 5 codos de 90°, como accesorios únicos de este circuito, pero el programa abarca la posibilidad de casos más complejos donde puedan existir otros elementos además de los mostrados en la figura 25. como se ve en la figura 26, está la posibilidad de presencia de válvulas (con su respectivo factor de perdida asociado), y además se pueden agregar otros accesorios especiales donde la relación de pérdida debe ser colocada por el usuario (en la pestaña de otros) y también la posibilidad de colocar expansiones o reducción si el tramo lo requiere. [35] 71 Figura 26: Ventana de accesorios válvulas del circuito 1 tramo 1. Una vez culminada la caracterización de la estructura física se pasa a la pestaña de propiedades del fluido, para colocar sus propiedades dentro del sistema. Para este caso se usó el fluido como gas común (limpio) y como se ve en la figura 27, el programa requiere de la especificación del mismo para realizar sus cálculos. [35] 72 Figura 27: Ventana de propiedades del fluido del circuito 1 tramo 1. Como observamos en la figura 27 hay que especificar estado físico de la materia, flujo, temperatura, masa molecular, viscosidad entre otros. Es importante destacar que todas estas propiedades deben ser colocadas para que los cálculos sean lo más parecidos a la realidad. Pero en el caso de desconocimiento de la viscosidad o relación Cp/Cv o factor de compresibilidad, el programa dentro de su base de datos, de introducir dos de ellos puede estimar el tercero, usando la opción de estimar propiedades (esta estimación es bastante cercana al valor real para muchos de los casos). [35] Finalmente, de existir equipos especiales dentro de algún ramo del sistema (bombas o filtros), estos pueden ser caracterizados por separado; para su consideración dentro del tramo del circuito (aunque la recomendación es que no ser totalmente necesario, implementar estos equipos 73 especiales como puntos de separación entre tramos, y usar un estudio por separado apoyándose en los casos de estudio que el programa presenta). Por último, en la pestaña de criterios de diseño como se ve en la figura 28, se presenta la opción de elegir la velocidad erosional del fluido, que para nuestro caso es el de flujo continuo, lo que se traduce en una constante de C=100ft/seg. [35] Figura 28: Ventana de criterios de diseño. De igual manera se caracterizó de forma específica el único tramo por el que está formado el circuito 2, que abarca desde el orifico de restricción hasta la unidad desalador, como se ve en las figuras 29, 30 y 31. 74 Figura 29: Ventana de especificación de tuberías del circuito 2 tramo 1. Como se observa en esta figura 29, se colocó la longitud de la tubería 6,8m (22,3097ft), el diámetro interno del la tubería, la diferencia de elevación entre ambos extremos del tramo de 6,2m (20,3412ft). De igual manera luego se agregaron los accesorios presentes en este tramo que al igual que en el caso anterior solo existen accesorios de tubería (codos primordialmente) como se ve en la figura 30. 75 Figura 30: Ventana de caracterización de los accesorios del circuito 2 tramo 1. Luego de esto se caracteriza el fluido a servir mediante este circuito, que debido a que es el mismo gas común (limpio), sus propiedades son iguales a las del circuito 1 como se observa en la figura 31. 76 Figura 31: Ventana de especificación del fluido dentro del circuito 2 tramo 1. De igual manera que en el circuito 1 el criterio de diseño respecto a la constante C se mantiene en su valor preestablecido de 100ft/seg., que representa la condición de flujo continuo. De esta forma se completa el proceso de caracterización de ambos circuitos del sistema y se puede pasar a ejecutar los cálculos. Esto lo se hace usando el botón o icono de calcular (icono de simulación) como se puede ver en el anexo 18. Al usar esta función el programa ejecuta los cálculos y muestra mediante una ventana, como se ve en la figura 32, si los mismos han sido realizados exitosamente o no. De existir algún problema en el proceso el programa en esta ventana se mostrará en donde. También el programa puede que realice comentarios aunque los cálculos se realicen exitosamente como, por ejemplo, si 77 los resultados obtenidos tienen un margen de error mayor al 10% según las aproximaciones sucesivas que este mismo genera, surgirá el comentario y posible recomendación para obtener un resultado mas cercano a los reales. Figura 32: Ventana de ejecución de resultados del sistema de purga. Como se observa en la figura 32 en este caso ambos resultados fueron alcanzados de forma exitosa. Ahora al aceptar el programa pasa directamente a la ventana de reporte de resultados de forma compacta. Para este caso estos resultados se pueden ver en la figuras 33 y 34. 78 Figura 33: Ventana de resultados circuito 1 Tramo 1. Figura 34: Ventana de resultados circuito 2 Tramo 1. En las figuras 33 y 34 se presenta un resumen de los resultados obtenidos para cada cálculo, y dentro de estas ventanas del programa se presenta en la esquina superior izquierda dos vínculos con símbolo de EXCEL (uno con la palabra español y el otro con la palabra ingles), que permiten obtener un reporte total de los resultados en formato Excel, los cuales se pueden observar en los anexos 19 (para el circuito 1) y 20 (para el circuito 2). Pero como lo necesario para el cálculo de la dimensión del orificio de restricción es el valor de la diferencia de presión aguas abajo y aguas arriba del elemento, con los datos de presión obtenidos en el circuito 1 (aguas arriba) de 228 psig y el resultado del circuito 2 (aguas arriba) de 149.19 psig. 79 Tomando estos valores y utilizando en la fórmula de cálculo de coeficiente de descarga para un flujo que pasa a través de una placa de orificios (orificio de restricción), que ASME maneja para sistemas bajo el servicio de gas se puede realizar un despeje para obtener el valor deseado. Fórmulas: En unidades SI. (12) C = coeficiente de descarga. (Adimensional) = 1. Qm = Flujo másico (Kg/ seg). Q= 1.6983*10-2 lb/seg =>Transformando Qm = 7.7033*10-3 Kg / seg. π = 3.1416. Δp = Diferencia de presión aguas arriba y aguas abajo (Pa). P1= 228psig P2= 149.19psig P1 – P2 = 78.81 psig => Transformando Δp = 543376 Pa. ρf = Densidad del gas (Kg/ m3) ρ = 0,96 Lb/ft3 => Transformando ρf = 15.3777 Kg/ m3 β = Relación entre diámetros internos entre la tubería y el orificio. Donde Β = d / D. d = radio interno del orificio (m) D = diámetro interno de la tubería (m)= 2,067inch => Transformado D= 0.0525m. De esta manera se tiene que al elevar al cuadrado la (12): d4*C2 = 16* Qm 1 . 4 2* Δp* ρf / 1 – β d4*C2 = 1 - β4 16* Qm 2* Δp* ρf . d4*C2 *2* Δp* ρf = 16* Qm -16* Qm *d4 / D4 Al resolver doble C en lado derecho. Se realiza la multiplicación de los denominadores a ambos lados Se multiplica todo por D4 80 d4*C2 *2* Δp* ρf* D4 = 16* Qm*D4 -16* Qm *d4 d4 = 16* Qm*D4 . (13) C2 *2* Δp* ρf* D4 + 16* Qm Finalmente realizó el despeje de d4 Al aplicar raíz cuarta a ambas lados y sustituir los valores se llega al resultado deseado. Resultado: Con los datos planteados se tiene que d (radio del orificio) será: d = 1,5524*10-3m lo que se traduce a 1,55mm. que representa un diámetro de 3,1048mm o 0,1222” que es el valor antes propuesto. De esta manera queda finalmente descrito y justificado en su totalidad cada uno de las partes del sistema de alivio operado por piloto y para este caso particular con crudo (bajo condición bifásica en el alivio) de alta viscosidad, el sistema de purga de gas continuo al ducto sensor, para mantener al piloto libre de presencia del fluido, que podría bloquear y por tanto perjudicar el funcionamiento de la válvula. Aún cuando la simulación se realizó bajo la peor condición de operación en la que las unidades desaladoras pueden estar operando a una presión de 132psig, debido a que la purga de gas y el tanque desalador forman parte de un mismo conjunto, y el flujo de gas que entrará a la unidad desaladora dependerá de igual manera de la resistencia (fuerza opositora) que el sistema desalador ejerza, porque como la presión aguas arriba del orificio es fija 245psig, la cantidad de gas (flujo masico) que entra al sistema será inversamente proporcional a esta resistencia que el tanque le ponga; es decir a menor resistencia (presión), mayor será el flujo de gas que entre al sistema por el orificio de restricción, y viceversa. Pero aún cuando bajo la peor condición se conoce que el sistema mantendrá un comportamiento óptimo, es importante señalar cual será su comportamiento cuando esta resistencia (presión de operación del equipo desalador) se maneje en otros valores claves. Siguiendo con el mismo procedimiento con el que se realizo el cálculo del orificio usando el programa de “Cálculos Hidráulicos” y luego la formula propuesta por ASME para la determinación del coeficiente de descarga una placa de orificio. Se realizaron dos simulaciones modificando el valor de la presión en la que la unidad desaladora opera. De esta manera, en el circuito 2, el caso de estudio presión de salida conocida, que abarca el tramo del orificio de restricción a la unidad desaladora, se modificó el valor de la presión de salida a los valores de: a) 182psig y b) 211psig. El caso “A” 182psig, que es la presión de operación normal a la que las unidades desaladoras trabajan, se obtuvo el resultado mostrado en la figura 35. Este caso es muy 81 importante dado que bajo esta condición es a la que el sistema pasará la mayor parte del tiempo operando y, por tal razón, es a la que el flujo de gas proveniente de la purga podría producir un mayor problema, ya sea por exceso debido a un orificio de mayor tamaño del necesario y por tal razón el gas no pueda ser expulsado del sistema y perjudique a la desalación; O por lo contrario exista un defecto de gas en el ducto sensor y por tanto este pueda ser bloqueada por algún residuo de crudo que quede en la misma (este último caso no aplica para este caso de 182psig debido a que el alivio se inicia es a 204 psig). Por otro lado el caso “B” 211psig, fue realizado porque es la presión máxima de operación del equipo y de darse el caso de esta condición el sistema se encuentra en alivio, y por tanto es necesario conocer si el ducto sensor se encuentra bajo el suficiente flujo de gas para mantenerla libre de crudo (Bifásico). De esta manera tenemos que si aplicamos la fórmula para el cálculo del coeficiente de descarga para orificios de restricción, y despejamos “d”, para saber la dimensión que debería tener el orifico para este caso donde la presión aguas abajo del orificio es de 199.09psig manteniendo el resto de los valores iguales. Δp = Diferencia de presión aguas arriba y aguas abajo (Pa). P1= 228psig P2= 199.09psig P1 – P2 = 28.91 psig => Transformando Δp = 199327 Pa. Utilizando (13) se tiene: d4 = 16* Qm*D4 2* . 4 C 2* Δp* ρf* D + 16* Qm Al aplicar raíz cuarta a ambas lados y sustituir los valores obtenemos d= 1,99*10-3m => 1,99mm de radio para el orificio lo que se traduce en un diámetro de 3,98mm. Bajo estas condiciones de presión de purga de 245psig y presión del desalador de 182psig, el tamaño del orificio debería de ser mayor, en vez de 3,1048mm (real) deberá ser de 3,98mm, lo que significa que el flujo gas aumentaría y esto no es lo deseado porque dicho exceso de gas dentro del desalador podría causar problemas en su funcionamiento si no se elimina o libera dicho gas del equipo, pero de utilizar este tamaño, la diferencia entre ambos flujos no es resaltante respecto a la capacidad de salida del la tubería del desalador da a que al calcular el flujo para un orificio de 3,98mm tenemos: 82 Figura 35: Ventana de resultados circuito 2. Tramo 1 a Psalida 182psig. El área del orificio será: 0.0192837inches2 => transformando 1,33914*10-4 ft2 P = 245 psig = 35280 Lb/ft2. ρ = 0,96 Lb/ft3 A = 1,33914*10-4 ft2 Siguiendo el mismo procedimiento usando las ecuaciones (8, 9 , 10 y 11) se obtiene: 83 Que velocidad y la fuerza serán: v = (P / ρ)1/2. => (35280 Lb/ft2 / 0,96 Lb/ft3)1/2 => (36750)1/2 => 191,702 ft/seg. F = P * A = 35280 Lb/ft2 * 1,33914*10-4 ft2 = 4,7244 Lb* ft / seg2. Finalmente el flujo másico: M / t = F / v => 4,7244 Lb* ft / seg2 => 2,4644*10-2 Lb / seg. 191,702 ft/seg. 2,4644*10-2 lb / seg => transformado a Lb / Horas. => 88,7202 Lb/ Horas De esta manera, si se compara el flujo cuando el orificio es de 4mm (aprox. 3,98mm) de 88,7 Lb / Hr. con el de 3mm (aprox. 3,10mm) de 61,14 Lb / Hr. que tienen una diferencia de 27,56 Lb / Hr. respecto a la capacidad de salida del desalador de 2.462.400 Lb / Hr. También, para este caso la relación entre ambos se mantiene menor a 0,005, por lo que posiblemente no se recaería en algún problema. Sin embargo, es mejor mantenerse con la elección de 3mm que es la necesaria, aun cuando bajo estas condiciones de 182psig el flujo que existirá por la línea o ducto sensor será menor debido a que la resistencia (presión) de la unidad desaladora es mayor. Aún así, no existe la posibilidad de bloqueo de la misma o de daños al piloto por el ingreso de crudo (bifásico) dado a que no se encuentra bajo condición de alivio. Pasando al caso donde la presión del desalador de es la máxima de operación de 211psig se tiene en la figura 36 que los resultados obtenidos son: 84 Figura 36: Ventana de resultados circuito 2. Tramo 1 a Psalida 211psig. Para este caso la presión aguas abajo obtenida es de 228.05psig, lo que es claramente imposible dado a que como se sabe la presión aguas arriba del orificio es de 228psig, aunque de esta manera el Δp será de 0,05. Pero por reglas ASME cuando esto pasa se debe utilizar como P2 = P1/2. Este resultado que se obtuvo en la simulación es debido a que la presión del desalador (salida) que se utilizó es mayor a la presión critica del gas dentro del sistema (para este caso Pc es 205psig a 210psig aproximadamente). Este valor es el máximo a lo que dicho gas puede circular dentro del sistema, y este valor viene determinado por la velocidad del sonido del gas dentro del sistema, dado a que a valores mayores a este el gas deja de comportarse de forma laminar pasando así a tener un comportamiento irregular. 85 Por tal razón para este caso el valor a utilizar como Δp será de 114psig para el cálculo de la dimensión del orificio. De esta manera tenemos que: Δp = Diferencia de presión aguas arriba y aguas abajo (Pa). Δp= 114psig => transformando Δp = 786002 Pa. Al utilizar la fórmula (13) para el cálculo del coeficiente de descarga con este valor dejando los otros parámetros iguales tenemos: d4 = 16* Qm*D4 2* . 4 C 2* Δp* ρf* D + 16*Qm d= 1,4123*10-3m => 1,4123mm Al aplicar raíz cuarta a ambas lados y sustituir los valores obtenemos de radio para el orificio lo que se traduce en un diámetro de 2,8246mm. De esta manera tenemos que el tamaño verdaderamente necesario para el orificio de restricción es de 2,82mm para que bajo condición de alivio presiones mayores a 204psig (caso en estudio es 211psig), y al comparar el tamaño con el del orificio propuesto de 3,10mm. Se tendra que el flujo de gas limpio necesario para mantener el ducto sensor y por tanto el piloto libre de la presencia de crudo (bifásico) a una presión de 211psig es menor al que realmente existirá dentro del ducto. Por tanto, dado que, como se comprobó anteriormente, a mayor tamaño de orificio mayor flujo; de esta manera se sigue cumpliendo con la prioridad de mantener al piloto lejos del contacto del fluido (bifásico). Pero al mismo tiempo se conoce el punto en el que comienza el proceso de alivio es a 204psig, y es a partir de este momento donde la condición de mantener el ducto sensor libre de crudo debe ser satisfecha. Sin embargo, debido a que el flujo de gas mantiene una relación inversamente proporcional con la presión del desalador, dado a que esta ejerce una fuerza contraria (resistencia), se tiene que como la a la máxima presión la condición se cumple y siguiendo los parámetros de resistencia de parte del desalador por la presión y de la dimensión del orificio de restricción, se tiene que la condición también queda satisfecha. De esta manera, se abarcan los casos críticos en los cuales la se ha podido producir problemas dentro del funcionamiento de los sistemas de alivio de las unidades desaladoras, y se establece como dimensión final del orificio de restricción 3mm, aunque esto anteriormente ya estaba determinado y comprobado. 86 CAPITULO 4: COMPARACIÓN Y ELECCIÓN: Debido a que para ambos sistemas de alivio se ha demostrado que son perfectamente aplicables al sistema de desalado, manteniendo las consideraciones y restricciones antes planteadas dependiendo del caso; es decir, si dentro de la aplicación se usa la válvula de alivio balanceado especial o el sistema de alivio donde la válvula está operada por piloto ambas opciones son válidas, es el momento de decidir cual es el que debe utilizarse. Para ello se establecerán un conjunto de fortalezas y debilidades que ambos presentan, además de una comparación de costos (solo de los equipos) antes de establecer de forma definitiva el equipo más adecuado para este caso. TÉCNICAS: 9 Desde este punto de vista, la elección debido a las propiedades del fluido en alivio (bifásico), vendría siendo la válvula de alivio balanceada, debido a la alta viscosidad de 33,1Cp, porque el máximo valor recomendado cuando se usan sistemas operados por piloto es de 28Cp. Este factor es primordial dado a que para la válvula operada por piloto, este ultimo, al estar en contacto con el fluido, tiene una alta probabilidad de obstruirse y por tanto mal funcionar en la siguiente situación de alivio. Por su parte la válvula balanceada es inmune a la alta viscosidad de los fluidos. (Por esta razón el sistema de purga continua es la clave para el óptimo funcionamiento para la válvula operada por piloto). 9 Debido a los altos valores de presión de contra flujo del sistema, es decir, a que la relación en porcentaje entre el valor de presión de alivio y la presión de contra flujo está por encima del límite -que es 20%-, y como el valor que se maneja es del 21,7%, desde este punto de vista la mejor opción es la válvula operada por piloto, que es prácticamente inmune a problemas debido a la presión de contra flujo. Pero como la válvula balanceada planteada para esta aplicación es de carácter especial, es decir, los rangos de presión de alivio de contra flujo, entre otros, son mayores a los normalmente establecidos, en este caso el porcentaje está por encima del 30%, por lo que no existe problema diferencia en la elección de alguna de las opciones (Aunque la inmunidad de los sistemas pilotos hace preferible su elección. 9 Otro factor que hay que considerar es que el levantamiento del disco cuando se da la condición de alivio. En el caso de la válvula operada por piloto del tipo modulada, es decir, dependiente de la cantidad de fluido saliente (específicamente de la presión con que se expulse) será el levantamiento del disco, lo que protege al sistema y lo hace más estable. En cambio si el sistema está regulado por la válvula balanceada el levantamiento 87 del disco no posee esta virtud. Por lo tanto es más vulnerable a problemas de índole de contra flujo (BackFlow). 9 Otro factor importante es la complejidad del sistema operado por piloto, donde existen un grupo de elementos los cuales deben funcionar de manera correcta para garantizar su funcionamiento, en este caso el conjunto Válvula reguladora para el gas (elemento reductor de presión), orificio de restricción, y línea remota sensora (ducto sensor), son la clave para que el sistema de alivio sea seguro y confiable. Por otro lado la opción de la válvula balanceada, es mucho más sencilla y confiable dado a que como sistema de alivio solo consta de un elemento que garantiza la seguridad de la unidad desaladora. 9 Desde el punto de vista de instalación, el sistema de alivio formado por la válvula balanceada es mejor que el sistema formado por parte de la válvula operada por piloto, por lo simple del primero y lo complejo del operado por piloto. ECONÓMICOS: 9 Desde el punto de vista de montaje en la planta de refinamiento, la tubería a implementar en la salida de la válvula de alivio balanceada es de 10” mientras que la implementar en al válvula operada por piloto es de 8”, pero al mismo tiempo la complejidad debido al resto de los elementos que conforman el sistema de alivio operado por piloto, aumentan el costo y dificultad al momento de establecer de la planta. 9 Desde el punto de vista de costos por mantenimiento se tiene que el sistema operado por piloto, según las recomendaciones API debe realizarse la inspección y reparación de los equipos cada año; para estos sistema el mantenimiento del piloto puede realizarse mientras el sistema se encuentre operando, lo que podría significar una gran ventaja sobre el otro sistema; pero en este caso particular la revisión debe realizarse de una forma más rigurosa por las condiciones del fluido. Además, para cualquier sistema de producirse alguna catástrofe o problema (incendio en el exterior o alrededores del equipo, bloques de los sistemas de bombeo u otros) la revisión debe realizarse lo antes posible una vez controlado el problema. Así mismo, bajo los parámetros de API estas inspecciones deben ser realizadas por el personal autorizado de la empresa proveedora y el respectivo representante de la organización. Bajo estos mismos estándares la revisión podría realizarse de forma más periódica si la empresa manufactura así lo indique, y para este caso el sistema operado por piloto, la recomendación obtenida es realizar la revisión es cada 9 meses por las condiciones del fluido (bifásico) que se maneja. Por su parte, el caso de Válvula de alivio Balanceada, la revisión debe realizarse según las recomendaciones API dentro del período de 1 a 2 años entre revisión y para ello lo que el 88 fabricante recomienda es cada 2 años. De esta manera se tiene que la opción de válvula balanceada es menos costosa que la opción piloteada. [15, 17] 9 Finalmente al comparar los costos de ambos sistemas de alivio, tomando en cuenta el precio de los equipos, el cual incluyen impuestos y transporte (dado a que deben ser importados), tenemos que: Tabla15: Comparación de costos de las posibles aplicaciones. COSTOS Válvula Otros Equipos Sistema de Alivio Balanceado 11.260 $ 0$ Sistema de Alivio piloteado 10.900 $ 2300 $ TOTAL ($) 11.260 13.200 TOTAL (Bs) 5 24.209.000,00 28.380.000,00 Estos Costos se tienen que realizar por cada uno de los equipos desaladores de la planta. De esta manera desde el punto de vista financiero, la propuesta de la válvula especial balanceada es definitivamente más económica que la propuesta del sistema operado por piloto con purga continua. De esta manera al analizar las razones técnicas y económicas se define como mejor opción la válvula balanceada especial de Dresser, de la serie 1900, específicamente la “191030Rc part. Number: 4681803” sobre la opción de Dresser de válvula operada por piloto serie 3900 6R8 modulada, con el sistema de purga continua en la línea sensora remota. Las razones para ello es que: cumple con los requisitos del sistema, es mucho más sencilla de operar y confiable, no posee problemas por la alta viscosidad del fluido, abarca los valores de presión de contra flujo del sistema, y los costos en mantenimiento y montaje son menores que los de la otra opción. 5 El cambio de dólares a Bolívares esta basado en el cambio oficial de 2.150Bs por dólar. 89 CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES: Mediante la realización de este trabajo se estableció que para poder solventar el problema que se produce al cambiar las condiciones de producción de la planta, aumentando en la misma, el sistema de seguridad en la etapa de desalación, debía ser cambiado o rediseñado para que se ajustara a las nuevas condiciones de operación. Dentro de las soluciones posibles se obtuvo que una sistema de alivio con una válvula operada por piloto del tipo modulada, con línea sensora remota sujeta a un purga de gas limpio continua, era una posibilidad; pero también podía implementarse un sistema de alivio basado en una válvula de alivio balanceada con condiciones especiales. La primera opción, presenta un gran fortaleza al ser inmune a los efectos de presiones de contra flujo, pero requiere la implementación de un sistema más complejo y de la realización de un mantenimiento más periódico, debido a las precauciones antes explicadas respecto a la línea de purga de gas limpio continua, sobre el ducto sensor. Por su parte la posibilidad del sistema de válvula balanceada, con las características especiales antes mencionadas, presenta una cantidad de virtudes que al compararla con la propuesta de la válvula piloteada, la sencillez y autonomía de la válvula balanceada se impone sobre la piloteada, gracias a su posibilidad de manejo de fluidos con viscosidades por encima de los 28cp y a que, debido a las características especiales del sistema, pudo alcanzar el valor de presión de contra flujo necesario para el caso, que es lo que en un principio hizo de la inmunidad de los sistemas piloteados la opción más indicada. Sin embargo, como se demostró anteriormente, la balanceada también podría perfectamente cumplir con los requisitos del sistema. Además desde el punto de vista de costos la opción de válvula balanceada ofrece un ahorro de casi 2000 dólares (exactamente 1940 dólares) por cada unidad respecto a la opción piloteada, que a simple vista no representa un gran ahorro pero, si el mismo se ve dentro de la estructura completa del sector de desalación, el cual costa de dos trenes cada un con dos equipos desaladores, el ahorro se traduce en casi 8000dolares, solo desde el punto de vista de instalación, si a esto le agregamos la posibilidad de que en otros sectores de la planta por condiciones de operación similares, el planteamiento era usar el sistema operado por piloto y lo sustituimos por el balanceador, el resultado mas favorable desde el punto de vista económico para el presupuesto del proyecto. Y además este beneficio será también desde el punto de vista técnico dado a que como se demostró anteriormente la mejor opción es la balanceada con características especiales, de esta manera resulta obvio el tomar dicho camino para solventar el problema. 90 BIBLIOGRAFIA: 1. - BENNETT, C.O. ; MYERS, J.E. “Momentum, Heat, and Mass Transfer. Chemical engineering series”. McGRAW-HILL. Second edition. 1974. 2. - CHUSE, Robert ; CARSON, Bryce E. “ The ASME code simplified Pressure Vessels”. McGRAW-HILL. Seventh Edition 1993. 3. - CROSBY VALVE INC. “Crosby pressure relief valve engineering Handbook” Crosby valve Inc. 1997. 4. - DRISKELL, Les. “Control Valve Selection and sizing”. Instrument Society of America. First edition. 1983. 5. - HOLLAND, F.A. ”Fluid Flow”. Edward Arnold. First edition. 1973. 6.- HOLZBOCK, W. G. “Instrumentación para medición y control”. Publicaciones C.E.C. s.a. 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ANGMC-0243-US.pdf -DSOPRV, series 60 and 80. ANGMC-0244-Us.pdf -Low Pressure POPRV, series 90 and 9000. -LCPRV, pilot operated safety valves. ANGMC-0251-US.pdf ANGMC-0254-US.pdf 30.- DOCUMENTO DEL PRYECTO. SISTEMA DE ALIVIO PARA EL DESALADOR. Ing. Ana Marrero. Departamento de Procesos. Inelectra, S.A.C.A.. Mayo 2005. 31.- DOCUMENTO DEL PROYECTO. SISTEMA DE ALIVIO PARA EL DESALADOR. Ing. Mario De Innocentis. Departamento de Automatización y control. Inelectra, S.A.C.A. 92 32. - SAFETY RELIEF VALVES. Catalog. Consolidated. 2005. 33. - TROUVAY & CAUVIN. “Piping equipment and matériel petróle”. TC 1998. pdf 34.- BELLOW SELECTION PRODUCER. Catalog Dresser. Engineering instruction EG114. 1998.pdf 35.- Manzanero Mildred M. Manejo del programa de cálculos hidráulicos. 2004. INELECTRA, Departamento de Porcesos.pdf 36.- http://api-ec.api.org/aboutapi/index.cfm 37.- http://divisions.asme.org/pvp/ 38.- http://en-fabinc.com/Spanish/SP-Desalters.htm 39.- http://www.andersongreenwood.com/direct_spring.asp 40.- http://www.andersongreenwood.com/pilot_operated.as 41.- http://www.aiche.org/diers/ 42.- http://www.api.org 43.- http://www.asme.org/codes/ 44.- http://www.asme.org/governance/strategicmanagement/ 45.-http://www.coopercameron.com/cgi-bin/petreco/products/productdetail.cfm? OID=20083&pageid=oiltreatment_s&thismenu=menu2 46.- http://www.energuia.com/plantas_petroleras.html 47. - http://www.msstate.edu/org/asme/ethics.html 48. - http://www.sourcewatch.org/index.php?title=American_Petroleum_Institute 49. - http://www.spwla.org/library_info/glossary/reference/glossm/glossm.htm 50.- http://www.inelectra.com 93 ANEXOS: ANEXO 1: desalador. ANEXO 2: Válvula de alivio de resorte convencional. ANEXO 3: válvula de alivio de presión balanceada. ANEXO 4: Diferencias entre válvulas de alivio balanceada y convencionales. VALVULA DE ALIVIO CONVENCIONAL VALVULA DE ALIVIO BALANCEADA - FUELLE ANEXO 5: válvulas de control operada por piloto de pop-acción. ANEXO 6: Válvula operada por piloto de pop acción con protector de contra flujo ANEXO 7: válvula operado por piloto modulada. ANEXO 8: Sistema de Alivio de una de las Unidades desaladoras, con el sistema Piloto. (Segunda unidad desaladora de la serie, la que esta en la salida antes de la próxima etapa)(Simplificado). ANEXO 9: Sistema de Alivio de una de las Unidades desaladoras, con el sistema Piloto. (unidad desaladora ubicada de primero en la serie.) ANEXO 10: Series de Válvulas de alivio de resorte que Consolidated presenta en su catalogo. ANEXO 11: Series de Válvulas de alivio operadas por piloto que Consolidated presenta en su catalogo. ANEXO 12: Tabla de comparación de identificadores de las diferentes compañías productoras de válvulas. Tipo de orificio R. ANEXO 13: Tabla comparativa de rangos de presión de alivio vs. Temperatura de alivio bajo normativas API y OTRAS. Los valores bajo la columna de Present son los referidos a las Normativas API, mientras que los valores bajo la columna de New son que no deben cumplir con la normativa API 526, por ejemplo ASME. ANEXO 14: Tabla de válvulas especiales Balanceadas. Dresser serie 1900, orificio tipo R. ANEXO 15: Esquema isométrico de tuberías, del sistema de purga de gas-aguas arriba (de la válvula reguladora del gas al orificio de restricción). ANEXO 16: Esquema isométrico de tuberías, del sistema de purga de gas-aguas abajo (del orificio de restricción al desalador). ANEXO 17: Tabla de dimensiones (mm) y el peso (Kg.) de Válvula de alivio de la serie 1900 ANEXO 18: SoftWare de Cálculos Hidráulicos. Herramientas. ANEXO 19: Reporte general de los resultados obtenidos para el circuito 1 tramo 1. Estudio de presión de entrada conocida Pin= 245pisg. Proyecto: Número: Cliente: Localización: Tramo No. Linea No. Recorrido 1 Linea de Purga de Gas PCV RO desde hasta 2 n/a n/a n/a BALANCE GENERAL Diámetro interno de la tubería Flujo másico Estado físico Densidad de entrada Densidad de salida Velocidad de Entrada Velocidad Erosional Constante "C" Velocidad de Salida Δp/100ft Presión de entrada Δp total Δp fricción Δp Expansor N°1 Δp Reductor N°1 Δp Expansor N°2 Δp Reductor N°2 Δp boquillas Δp estático Δp bomba Δp válvula de control Δp elemento de flujo Δp equipos varios Presión de salida CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA Longitud de tubería Elevación Longitud equivalente total Diámetro de boquilla Ent Diámetro de boquilla Sal Rugosidad absoluta Factor de fricción ACCESORIOS STD Elbow 90° (in) (lb/hr) (lb/ft3) (lb/ft3) (ft/s) (ft/s) (ft/s) (ft/s) (psi/ft) (psia) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psia) 2.067 1281.3 Vapor 0.98 0.92 15.52 100.79 100 16.67 0.29 245.00 17.00 0.14 0.00 0.00 0.00 0.00 0.06 0.00 0.00 0.00 0.00 16.80 228.00 (ft) (ft) (ft) (in) (in) (ft) - 21.00 -1.01 46.83 2.07 2.07 0.00015 0.0198 Cant. Sistema de Purga PSV PASANTIA --------- 5 Pág. 1 Del Reporte n/a n/a n/a Proyecto: Número: Cliente: Localización: Tramo No. Linea No. Recorrido desde hasta 1 Linea de Purga de Gas PCV RO 2 n/a n/a n/a BOMBA Cabezal de bomba Δp bomba Potencia hidráulica Presión de succión Factor Cinético NPSHA (sin Factor Segurid) φ boq succión Presión de shutoff VÁLVULA DE CONTROL Δp válvula de control Presión de entrada Cv calculado ELEMENTO DE FLUJO Δp elemento de flujo Presión de entrada Diámetro del orificio PROPIEDADES DEL FLUIDO Temperatura Número de Reynolds LÍQUIDO Flujo másico Caudal volumétrico Densidad Viscosidad Presión de vapor VAPOR Flujo másico Caudal volumétrico Densidad de entrada Densidad de salida Viscosidad Peso molecular Factor Z a la Entrada Factor Z a la Salida Relación Cp/Cv Velocidad Sónica No MACH de entrada No MACH de salida ρ∗v2, parámetro Entrada ρ∗v2, parámetro Salida (ft) (psi) (Hp) (psia) (ft) (ft) (in) (psia) --------------------------------- (psi) (psia) (gpm/psi) ------------- (psi) (psia) (in) ------------- (°F) (lb/hr) (gpm) (lb/ft3) (cP) (psia) (lb/hr) (MMSCFD) (lb/ft3) (lb/ft3) (cP) (lb/mol) (ft/s) (kg/m*s) (kg/m*s) Sistema de Purga PSV PASANTIA --------- 110.00 391146.73 --------------------1281.30 0.50 0.98 0.92 0.01 23.33 0.95 0.95 1.00 1122.20 0.01 0.01 352.70 379.00 Pág. 2 Del Reporte n/a n/a n/a Proyecto: Número: Sistema de Purga PSV PASANTIA Cliente: ----- Locaclización: ----- Planta: ----- Unidad: ----- Circuito: Circuito No: PCV- RO (aguas arriba) 1 GRÁFICA DE PERFIL DE PRESIONES Presión (psia) PUNTO Caso operacional 1.0000 PCV 245.0000 RO 227.9981 n/a Pág. 3 Del Reporte ANEXO 20: Reporte general de los resultados obtenidos para el circuito 2 tramo 1. Estudio de presión de salida conocida Pout= 132pisg. Proyecto: Número: Cliente: Localización: Tramo No. Linea No. Recorrido 1 Linea de Purga de Gas RO DESAL desde hasta 2 n/a n/a n/a BALANCE GENERAL Diámetro interno de la tubería Flujo másico Estado físico Densidad de entrada Densidad de salida Velocidad de Entrada Velocidad Erosional Constante "C" Velocidad de Salida Δp/100ft Presión de entrada Δp total Δp fricción Δp Expansor N°1 Δp Reductor N°1 Δp Expansor N°2 Δp Reductor N°2 Δp boquillas Δp estático Δp bomba Δp válvula de control Δp elemento de flujo Δp equipos varios Presión de salida CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA Longitud de tubería Elevación Longitud equivalente total Diámetro de boquilla Ent Diámetro de boquilla Sal Rugosidad absoluta Factor de fricción ACCESORIOS STD Elbow 90° Tee branch (in) (lb/hr) (lb/ft3) (lb/ft3) (ft/s) (ft/s) (ft/s) (ft/s) (psi/ft) (psia) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psi) (psia) 2.067 1281.3 Vapor 0.60 0.53 25.48 129.17 100 28.80 0.48 149.19 17.19 0.28 0.00 0.00 0.00 0.00 0.11 0.00 0.00 0.00 0.00 16.80 132.00 (ft) (ft) (ft) (in) (in) (ft) - 22.31 -20.34 58.48 2.07 2.07 0.00015 0.0198 Cant. Cant. Sistema de Purga PSV PASANTIA --------- 5 1 Pág. 1. Del Reporte n/a n/a n/a Proyecto: Número: Cliente: Localización: Tramo No. Linea No. Recorrido desde hasta 1 Linea de Purga de Gas RO DESAL 2 n/a n/a n/a BOMBA Cabezal de bomba Δp bomba Potencia hidráulica Presión de succión Factor Cinético NPSHA (sin Factor Segurid) φ boq succión Presión de shutoff VÁLVULA DE CONTROL Δp válvula de control Presión de entrada Cv calculado ELEMENTO DE FLUJO Δp elemento de flujo Presión de entrada Diámetro del orificio PROPIEDADES DEL FLUIDO Temperatura Número de Reynolds LÍQUIDO Flujo másico Caudal volumétrico Densidad Viscosidad Presión de vapor VAPOR Flujo másico Caudal volumétrico Densidad de entrada Densidad de salida Viscosidad Peso molecular Factor Z a la Entrada Factor Z a la Salida Relación Cp/Cv Velocidad Sónica No MACH de entrada No MACH de salida ρ∗v2, parámetro Entrada ρ∗v2, parámetro Salida (ft) (psi) (Hp) (psia) (ft) (ft) (in) (psia) --------------------------------- (psi) (psia) (gpm/psi) ------------- (psi) (psia) (in) ------------- (°F) (lb/hr) (gpm) (lb/ft3) (cP) (psia) (lb/hr) (MMSCFD) (lb/ft3) (lb/ft3) (cP) (lb/mol) (ft/s) (kg/m*s) (kg/m*s) Sistema de Purga PSV PASANTIA --------- 110.00 391158.12 --------------------1281.34 0.50 0.60 0.53 0.01 23.33 0.95 0.95 0.50 793.52 0.03 0.04 579.24 654.66 Pág. 2 Del Reporte n/a n/a n/a Proyecto: Número: Sistema de Purga PSV Planta: PASANTIA Cliente: ----- Locaclización: ----- Unidad: Circuito: --------RO-DESAL(aguas abajo) Circuito No: 2 GRÁFICA DE PERFIL DE PRESIONES Presión (psia) PUNTO Caso operacional 1.0000 RO 149.1900 DESAL 132.0021 n/a PERFIL DE PÉRDIDA DE PRESIÓN 160.0000 140.0000 P re s ió n ( p s ia ) 120.0000 100.0000 80.0000 60.0000 40.0000 20.0000 0.0000 RO DESAL n/a n/a Punto N° Pág. 3 Del Reporte n/a n/a n/a ANEXO 21: Consulta realizada a Dresser (U.S.A), por medio RIESE. Questions: Conditions: 1) In a high Viscosity two-phase (liquid/gas) relief application. 2) Temperature: 222° F. 6) Two phase: high subcooled liquid. 3) Set pressure: 204 psia. 7) The flow is critical. 4) Back pressure: 48,7 psia. 8) Required relief mass flow rate of 1,819 E+6lb/hr. 5) Saturation pressure: 82,7 psia. 9) Liquid density 56,06Lb/cuft 10) Density evaluated at 90% of bubble point: 52,89Lb/cuft A.-) What Type of valve do you recommend? B.-) We search your catalog and the valve 1910-30Rt appears to by the right one, but some of the parameters are right in the limit. Ej: Inlet pressure at + 450°F in catalog is 230psig, and our set pressure is 204psig+ 10% of overpressure (20,4). For a total of 224,4psig. Is there any special valve that could have better range or conditions? D.-) is possible to use a pilot operated valve with a remote sensor for this case? E.-) what kind of problems could appear, if in case of a relief, some of the fluid remains in the sensor pilot or piston? Is possible that this happened? Javier, Disculpa la tardanza, le envie tus comentarios a la fabrica pero entre una cosa y otra no habia podido enviarte las respuestas. Aqui van. I have reviewed customers comments however, the limits he has listed in section E) are API limits. The limits listed in the catalog are also API limits which is more conservative. If valve is sized for ASME in the design code, then the limits are much higher. When sizing valves, we normally use ASME design code unless customers advises otherwise. Pls see attached sheet where it reflects the limits for 1910-30R are 450 psig @ 450° F for ASME. D) 28 Cp is the limit for Pilot Valves E) Valve could become clogged and in-operable. According to Scott's comments, customer should stay with a spring loaded valve. Espero que te sean utiles estos comentarios. Saludos, Roberto
