Simulación Dinámica para la Regulación de Emisiones

Abhilash Nair, Ion Willetts y Alan Wode, Control Engineering.
InTech México Automatización,
Edición  Abril –  Junio  2010.


Valorando el impacto de los sistemas instrumentados de seguridad en las cargas de relevo de columnas durante actualizaciones o expansiones de plantas.


Algunas veces, la capacidad de sistemas de alivio y desfogue existentes es desafiada al llevar a cabo actualizaciones y expansiones de algunas unidades, adiciones de nuevas unidades de proceso, o el enrutamiento de venteos atmosféricos al sistema de desfogue existente. Las metodologías tradicionales para la estimación de cargas de desfogue son conservadoras y pueden llevar al sobre diseño de los sistemas de desfogue o a la determinación de que la actualización de la planta requiere de una expansión de la capacidad de desfogue.

Para resolver estas situaciones, la simulación dinámica se ha convertido en una metodología aceptada para determinar las cargas de relevo con mayor exactitud cuando las metodologías tradicionales conservadoras indican que dichas cargas alcanzan o sobrepasan la capacidad del sistema existente. A pesar de que existen reportes de reducciones significativas en las cargas máximas de relevo utilizando la simulación dinámica en vez de métodos tradicionales, las reducciones provenientes de la simulación dinámica algunas veces no son suficientes para contrarrestar los requerimientos de incremento en la capacidad de desfogue debido a la actualización de una planta.

Las normas API521 y AMSE Sección VII Code Case 2211-1 proveen una alternativa para los dispositivos de relevo de presión en donde un sistema instrumentado de seguridad (SIS) puede ser utilizado para proteger contra la sobrepresión. Los dispositivos tradicionales de relevo logran proteger contra la presión a través dela remoción controlada de los contenidos que causan la sobre presión, mientras que el Sistema Instrumentado de Seguridad se enfoca en la remoción de la causa  de la sobre presión por sí misma.

Dado que el SIS en este tipo de aplicación involucra un riesgo sustancial en el caso de una falla, éste debe ser de alta integridad y por lo tanto, frecuentemente es un Sistema de Protección de Alta Integridad(HIPS, por su nombre en inglés” High Integrity Protection System”). La instalación de un sistema HIPS puede llevar a grandes ahorros de capital al eliminar la necesidad de actualizaciones costosas del sistema de relevo/desfogue existente incluso cuando el modelo de simulación dinámica indica que se requiere capacidad adicional de sistema de desfogue.

Este modelo fue desarrollado utilizando un simulador de procesos dinámico riguroso. Los dispositivos de relevo en las dos torres descargan a un cabezal de desfogue común.

Para ilustrar el beneficio de un sistema HIPS, este artículo describe un proyecto desarrollado para evaluar el flujo de relevo máximo de dos torres integradas: una torre de-isobutanizadora y una torre de-butanizadora, considerando:

  • La Simulación Dinámica Rigurosa respetando las prácticas recomendadas por la norma API 521; y
  • La Simulación Dinámica Rigurosa considerando un sistema HIPS en el rehervidor de vapor.

Este tipo de análisis muestra cómo estos dos diferentes enfoques se complementan uno al otro y cómo el modelo puede ser utilizado para determinar el set-point apropiado del sistema HIPS para evitar molestas alarmas de la planta, mientras se asegura una reducción significante en la carga de relevo.

Esta información puede ser utilizada para comparar el costo de instalación y mantenimiento de un sistema HIPS versus la expansión del sistema de desfogue. Tal decisión también debe tomar en cuenta los crecientes requerimientos de las autoridades públicas y regulatorias para reducir los desfogues debido a la preocupación existente sobre la calidad del aire y el calentamiento global.

SIMULACIÓN DINÁMICA

Durante la década pasada la simulación dinámica se convirtió en un método maduro y recomendado para la validación del diseño de procesos químicos.Sus beneficios han sido citados en literatura reciente en relación al diseño de sistemas de desfogue para columnas de destilación complejas y la evaluación de compresores y otros sistemas de control. Los beneficios que proporciona la simulación dinámica incluyen:

  • Mayor exactitud en el cálculo de los flujos de relevo de las columnas;
  • Validación de los controles para el desempeño óptimo de la planta;
  • Optimización de los procedimientos de arranque y paro normales antes del comisionamiento de la planta; y
  • Validación de las estrategias de operación bajo condiciones anormales tales como un paro por emergencia o un disparo.

La simulación dinámica puede ser aplicada también para establecer la efectividad del sistema HIPS para proteger el equipo y reducir el riesgo de que un proceso exceda sus límites de diseño. Como el sistema HIPS opera cerca del límite crítico de un proceso y su integridades vital para la operación segura de la planta,probarlo en la planta puede involucrar un gran riesgo.

Un estudio de simulación dinámica puede ser utilizado efectivamente para ayudar a validar la efectividad del sistema HIPS mediante la simulación de su comportamiento,de manera segura, en una computadora.

Esta gráfica muestra la variación no lineal de lacarga máxima de relevo cambiando el set point del sistema HIPS. En este caso particular, el modelo de simulación dinámica fue configurado para correr los escenarios repetidamente cambiando los set points para encontrar un valor óptimo del set point.

CÁLCULOS DE LA CARGA MÁXIMA DE RELEVO

El uso de la simulación dinámica para el análisis del sistema HIPS puede ser extendido posteriormente paraevaluar el sistema HIPS en re-hervidores de calentadores de fuego y hornos donde el impacto de la capacitancia calórica residual en estos equipos puede ser modelada para estudiar su impacto en las cargas de relevo. También puede ser usado para entender el comportamiento de reactores extremadamente exotérmicos donde los transientes tan rápidos de la presión y la temperatura se vuelven críticos y donde los dispositivos de relevo tradicionales podrían no trabajar apropiadamente.

La aplicación detallada en este artículo involucra el uso de un estudio de simulación dinámica para predecir la carga de relevo de una torre deisobutanizadora y una torre de butanizadora integradas en la unidad de alquilación de una refinería sin ninguna instrumentación de seguridad y con un sistema HIPS que corta el suministro de vapor a los re-hervidores de la columna cuando la presión en las columnas alcanza un set point predeterminado.

Las torres de-isobutanizadora y debutanizadora,cada una produce un producto destilado y de fondos.El vapor de domos de cada torre pasa a travésde un sistema con un recipiente simple y cada torre tiene un re-hervidor termosifón de vapor calentado.La carga térmica de condensación en cada torre es suministrada por agua de enfriamiento. La alimentación de líquido a la de-isobutanizadora consiste principalmente de i-butano, butano, y pesados, mientras quela alimentación de vapor es una mezcla de butanoe isobutano. La alimentación a la debutanizadora es la corriente de fondos de la de-isobutanizadora. Este flujo es movido por presión debido a que la de-isobutanizadora opera a una presión y elevación más altas.

Se probaron dos escenarios en el modelo de simulación dinámica para estimar el flujo máximo de Ias cargas de relevo:

  1. Falla total de energía: Causa que la alimentación dispare, que las bombas movidas eléctricamente se disparen y la pérdida de calor de condensación. Sin embargo, el suministro de vapor a los re-hervidores se asume como continuo.
  2. Pérdida de agua de enfriamiento: Causa la pérdida de calor de condensación mientras se mantiene la alimentación a las torres y el vapor a los re-hervidores.

En base a las recomendaciones de la norma API 521, el modelo de simulación se corrió por 30 minutos después del inicio de la falla. Como se muestra en la gráfica de “Resultados del estudio de simulación dinámica”, el flujo total máximo de relevo determinado por la simulación dinámica rigurosa fue 20% menor que los valores estimados utilizando los cálculos convencionales de imbalance de carga calorífica. Los resultados también muestran que el sistema HIPS reduce sustancialmente las cargas máximas de relevo para estas columnas e incluso elimina la carga de relevo de la de-isobutanizadora.

La determinación del set point del sistema HIPS también fue una parte importante de la solución de este estudio. Ajustarlo en un valor muy alto pudo haber conducido a que no hubiera una reducción significativa en la carga de relevo; ajustarlo en un valor muy bajo pudo haber llevado al incremento de disparos de los re-hervidores cuando hay disturbios normales al proceso. La respuesta del flujo de relevo combinado de ambas torres y el cambio en los puntos de ajuste del sistema HIPS no es un problema lineal con una fácil solución.

RESULTADOS

Este trabajo fue crítico para ayudar a la gerencia de la planta a eliminar la necesidad de un re-diseño costoso de la red de tuberías de desfogue para esta unidad. La simulación dinámica también puede ser utilizada para modelar unidades de proceso más complejas e integradas para determinar la configuración óptima de múltiples sistemas HIPS para sistemas de seguridad de paro para la reducción de las cargas de relevo como se implementó aquí.

Los modelos de simulación dinámica también fueron utilizados efectivamente para identificar el set point en esta unidad. Para unidades de procesamiento más complejas integradas donde los equipos y unidades interactúan una con la otra, la determinación de los set points óptimos del sistema HIPS puede ser un reto difícil. En tales casos, se pueden utilizar el modelado dinámico del proceso y un análisis de sensibilidad cuidadoso para llevar a cabo esta determinación.

Es importante hacer notar que la decisión de proceder con el uso de un sistema instrumentado de seguridad requiere de un examen cuidadoso de las regulaciones y estándares aplicables. Esto puede incluir regulaciones locales y requerimientos de las compañías aseguradoras.

 

ACERCA DE LOS AUTORES:


  • Abhilash Nair es Consultor Principal de Invensys Operotions Management
  • Ion Willetts es Director de Modelador de Procesos y Simulación de Invensys Opero Hans Management, Plano, TX.
  • Alan Wade, es miembro facultado del Departamento de Ciencias en Ingeniería de lo Universidad de Oxford en Inglaterra.

 

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