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FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL
2014
Proyecto de
Automatización Estrategia de control de una planta de gas
natural – Unidad de refrigeración simple
Autores:
- Gonzales Pajuelo, Matt
- Malca Leandro, Iván
- Ramos Figueroa, Denisse
- Roque Padilla, Claudia
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L D E I N G E N I E R Í A
Proyecto de Automatización 2014
U n i v e r s i d a d N a c i o n a l d e I n g e n i e r í a
Página 2
ÍNDICE
I. Fundamento teórico…………………………………………………………………………… Página 03
II. Descripción del proceso ……………………………………………………………………… Página 06
III. Diagrama operacional (DOP) de la Planta de gas natural……………………… Página 07
IV. Diagrama de flujo del proceso sin automatizar …………………………………….. Página 08
V. Planteamiento de la solución……………………………………………………………….. Página 08
VI. Diagrama de flujo del proceso automatizado………………………………………… Página 10
VII. Conclusiones…………………………………………………………………………………………Página 10
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I. FUNDAMENTO TEÓRICO
Definición de automatización
Es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o
procesos industriales sustituyendo a operadores humanos.
Automatización industrial
En el enfoque de la industria, automatización es el paso más allá de la mecanización en donde los procesos
industriales son asistidos por maquinas o sistemas mecánicos que reemplazan las funciones que antes eran
realizada por personas y/o animales. Mientras en la mecanización los operadores son asistidos con
maquinaria a través de su propia fuerza y de su intervención, en la automatización se reduce de gran
manera la necesidad mental y sensorial del operador. De esta forma presenta grandes ventajas en cuanto a
producción más eficiente y disminución de riesgos al operador.
Las principales ventajas de aplicar automatización a un proceso:
- Remplazo de operadores humanos en tareas repetitivas o de alto riesgo.
- Reemplazo de operador humano en tareas que están fuera del alcance de sus capacidades como
levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes extremos o tareas que necesiten manejo de una alta
precisión.
- Incremento de la producción. Al mantener la línea de producción automatizada, las demoras del
proceso son mínimas, no hay agotamiento, las demoras son mínimas, no hay agotamiento o
desconcentración en las tareas repetitivas, el tiempo de ejecución se disminuye considerablemente
según el proceso.
Herramientas de automatización
Con la implementación de métodos numéricos en dispositivos de automatización el resultado es una gama
de aplicaciones de rápida expansión y de enfoque especializado en la industria. La tecnología asistida por
computadora (CAx) ahora sirve de base para las herramientas matemáticas y de organización utilizada
para crear sistemas complejos.
Ejemplos de CAx:
CAD : diseño asistido por computadora
CAM : Fabricación asistida por computadora
Control de proceso
El objeto de todo proceso industrial será la obtención de un producto final, de unas características
determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado,
cada día más restrictivos. Esta constancia en las propiedades del producto sólo será posible gracias a un
control exhaustivo de las condiciones de operación, ya que tanto la alimentación al proceso como las
condiciones del entorno son variables en el tiempo. La misión del sistema de control de proceso será
corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que
se consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido.
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El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencilla, al encargarse de
obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en
ellas respecto a los valores de ajuste.
Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán:
1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.
2. Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua.
3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.
4. Manejar las restricciones del equipo y proceso de forma precisa.
La implantación de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las necesidades de nuestro
sistema, significará una sensible mejora de la operación.
Principalmente los beneficios obtenidos serán:
- Incremento de la productividad
- Mejora de los rendimientos
- Mejora de la calidad
- Ahorro energético
- Control medioambiental
- Seguridad operativa
- Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo
- Fácil acceso a los datos del proceso
Características del proceso
El control del proceso consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su
procesamiento y comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección
en caso de que se haya producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro
de proceso.
El bucle de control típico estará formado por los siguientes elementos, a los que habrá que añadir el
propio proceso:
- Elementos de medida (Sensores) Generan una señal indicativa de las condiciones de proceso.
- Elementos de control lógico (Controladores): Leen la señal de medida, comparan la variable
medida con la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema
realizando el ajuste necesario para reducir o eliminar el error.
- Elementos de actuación (Válvulas y otros elementos finales de control): Reciben la señal del
controlador y actúan sobre el elemento final de control, de acuerdo a la señal recibida.
Válvulas
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Esta serie de operaciones de medida, comparación, calculo y corrección, constituyen una cadena cerrada
constituyen ciclo cerrado. El conjunto de elementos que hacen posible este control reciben el nombre de
bucle de control (control loop).
Bucle de control
En el problema que presentaremos a continuación, debemos tener presente ciertos conceptos previos y
simbologías
ACCIÓN DE CONTROL: Sentido en cual se moverá la variable manipulada a fin de corregir
cualquier cualquier error en la controlada
CONTROLADOR : Dispositivo en el cual se calcula en el cual se calcula una acción de
control en función de un algoritmo y la señal de error.
TRANSMISOR : Dispositivo que traslada una señal de una forma a otra,
estandarizándola según una escala común.
V-2
V-3
V-4
V-6
V-7
V-8
V-9
V-10
VALVULA DE COMPUERTA VALVULA DE GLOBO VALVULA DE RETENCION
VALVULA DE CONTROL
CON ACTUADORVALVULA BRIDADA
VALVULA DE MARIPOSA
VALVULA DE SEGURIDAD VALVULA DE TRES VIASVALVULA MOTORIZADA
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II. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
La planta de Petrobras utiliza el proceso de refrigeración simple. El gas disponible a 80°F y 75 psig es
comprimido hasta 650 psig y 120°F. Luego este gas es enfriado sucesivamente, primero con el propio gas
residual de las unidades y, después, con propano refrigerante, llegando así a -35°F. En estos puntos se
inyecta glicol para evitar la formación de hidratos durante el transcurso del enfriamiento. La corriente fría
ingresa a un separador trifásico donde son separados el gas residual, los hidrocarburos condensados y el
glicol inyectado anteriormente. El gas residual intercambia calor con el gas de entrada, conforme se
mencionó anteriormente, elevando su temperatura hasta 100°F; el glicol es enviado para su regeneración y
posterior reutilización, y el líquido (condensado) del separador trifásico es expandido en una válvula hasta
172 psig, logrando así enfriarse hasta -76°F.
Luego de la expansión, el líquido pasa a una torre deetanizadora donde el etano y los componentes más
livianos son separados por el tope y el LGN por el fondo. El gas del tope es llamado gas residual de baja, a
diferencia del gas residual de alta, que es liberado en el separador trifásico. Este gas residual de baja
presión se utiliza en la condensación del propano refrigerante en la etapa de comprensión del ciclo
propano, calentándose a 100°F.
El LGN es bombeado del fondo de la deetanizadora a la torre debutanizadora donde es separado el GLP y
C5+. Antes de entrar en la torre, el LGN es calentado por la corriente de C5+ que es el producto de fondo
de la propia torre. El producto de tope, GLP, es condensado a 215 psig, siendo una torre de este líquido
rebombeado a la torre para servir de reflujo y el resto enfriado para su almacenamiento.
El fondo de cada una de las torres posee un rehervidor cuya función es proporcionar calor y ayudar así a
liberar los productos más livianos por el tope. Estos rehervidores utilizan aceite como fluido de
transmisión de calor.
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III. DIAGRAMA OPERACIONAL DE LA PLANTA DE GAS NATURAL
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IV. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO SIN AUTOMATIZAR
Compresor
PROPANO
TORRE DE ETANIZADO
SEPARADORTRIFASICO
136 °F170 °F
150 °FGLICOL
para refrigeración
213 PSI
TORRE
DEBUTANIZADORA
355 °F
E-16
180 °F
(ETANO y componentes más volatiles)GAS RESIDUAL
DE BAJA 100°F
GAS RESIDUAL
DE ALTA
650 PSI
120 °F
GAS DE
ENTRADA
75 PSI
80°F
GLICOL
100°F
42 °F -35 °F
650 PSI
-35 °F
-31 °F
172 PSI
120 °F
136 °F
88 °F
ACEITE CALIENTE
135 °F
120 °F
GLP
ACEITE
CALIENTE
C5+
120 °F
GLICOL
V. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN
Se coloca la siguiente válvula a la salida del
compresor, dado que en un compresor lo que se
busca es controlar la presion, entonces a la salida del
compresor la presión debe ser 650 psi sino cumple
con ello, inmediatamente manda una señal al
controlador para regular el flujo en dicha válvula y
con esto regular la presion.
La siguiente válvula se coloca al flujo de salida del
intercambiador del gas residual para que controle el
flujo de éste gas residual para que así se dé el
intercambio de calor y el gas de entrada pueda llegar
a la temperatura de -35ºF en el siguiente
intercambiador.
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Al separador trifásico se conectan tres controladores con sus respectivos transmisores. El
controlador de presión (PC) actuará si la presión
fijada en el separador aumenta o disminuye, si
aumenta se accionará la válvula y así el vapor
pasará por el intercambiador de calor y así continúe
el proceso, y si disminuye se controlara el flujo de
salida del gas. Los controladores de nivel (LC)
siempre son necesarios, ya que en los separadores
es necesario conocer el nivel del líquido que se
encuentran dentro de él; por la parte inferior del
separador sale el glicol (es el menos denso) aquí
también se coloca un controlador de este tipo para
que así cuando el nivel aumente o disminuya
respecto al nivel fijado se accionen las válvulas (se cierren o se abran) de la línea de glicol
(destinado a refrigeración) y la de los hidrocarburos condensados.
Se coloca el controlador de presión, para controlar
este parámetro importante en la columna
deetanizadora, debido a que se requiere tener cierta
presión fija para que ocurra una buena separación a
las condiciones del problema. El controlador de
temperatura (TC) que se muestra con una válvula a
la entrada del intercambiador se requiere para que
pueda controlar el flujo de la corriente a 120ºF para
que se dé el intercambio de calor y así el gas que
sale por el tope de la columna a -31ºF aumente su
temperatura a 100ºF.
Se colocan 2 sensores que accionan una única
válvula, en este caso el sensor de flujo y el sensor de
nivel controlarán la válvula, se colocan juntos porque
se requiere una respuesta rápida de ambos parámetros.
Dicho controlador de temperatura a la entrada del
intercambiador que se observa se coloca ya que, si
quiero controlar la temperatura de 170ºF debo controlar
el flujo de 355ºF, para que así obtenga esa temperatura
en el intercambiador y en el caso de controlador de
presión a la salida de la bomba es para que se regule el
flujo de salida de la bomba conforme ingresa al
intercambiador.
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VI. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO AUTOMATIZADO
Compresor
TORRE DE
ETANIZADO
SEPARADOR
TRIFASICO
PC
170 °F
150 °FGLICOL
para refrigeración
213 PSI
LC
TORRE
DEBUTANIZADORA
355 °F
E-16
180 °F
(ETANO y componentes más volatiles)GAS RESIDUAL
DE BAJA
100°F
GAS RESIDUAL
DE ALTA
650 PSI
120 °F
GAS DE
ENTRADA
75 PSI
80°F
GLICOL
100°F
42 °F
-35 °F
650 PSI
-35 °F
-31 °F
172 PSI
120 °F
136 °F
TC
88 °F
PC
ACEITE
CALIENTE
135 °F
120 °F
GLP
ACEITE
CALIENTE
C5+
120 °F
TC
PC
LC
LC LCV
172 PSI
- 76 °F
LC
PC
LGV
136 °F
PC
PC LC
XX
X
X
X
XX
X
X
PROPANO
PC
X
VII. CONCLUSIONES
El uso de válvulas y controladores en el control del proceso permite un mayor rendimiento de
la producción y nos ofrece un producto de mayor calidad
Mediante la automatización pudimos controlar las variables controladas (P, T)
Estos instrumentos pueden a condiciones en donde el hombre no seria capaz de hacerlo ( a
temperaturas y presiones extremas )