METODO DE SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE PROCESOS APLICADO A UNA PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO, GNL RESUMEN

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1 METODO DE SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE PROCESOS APLICADO A UNA PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO, GNL Edgar Alfonso / Inelectra Venezuela, S.A. Caracas, República Bolivariana de Venezuela. XIX Convención Internacional de Gas Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo, 2010 RESUMEN El Gas Natural Licuado, GNL es un producto usado como combustible que se obtiene de la licuefacción del Gas Natural que se extrae de los campos petrolíferos y gasíferos que se encuentran en el sub suelo de la corteza terrestre y abunda en Venezuela en una gran parte de nuestro territorio. El GNL es la forma más económica de transportar el Gas Natural a los consumidores que se encuentran distantes de los centros productores de Gas Natural, cuando este no puede ser enviado de la manera convencional, que es a través de gasoductos, y requiere ser transportado a través de camiones o tanqueros refrigerados. El Gas Natural, que principalmente está conformado por gas metano y otros compuestos hidrocarburos livianos como etano, propano y butano; y en una menor proporción pentano, hexano y más pesados, contiene compuestos contaminantes como CO 2, H 2 S, mercaptanos, agua y mercurio, que le deben ser removidos para su purificación, previo a la licuefacción y convertirlo en GNL. Las tecnologías que normalmente se aplican en las plantas de licuefacción son generalmente procesos licenciados por empresas altamente especializadas, y entre estas se encuentran las relacionadas con los procesos de Endulzamiento, Deshidratación, Desmercurización, Fraccionamiento, Licuefacción, Almacenamiento y Transporte de GNL. Normalmente, para la selección de las tecnologías de procesos que se aplican en una planta de GNL, se definen una serie de criterios generales y/o específicos que sirven de base para la evaluación y comparación entre las distintas tecnologías que existen en el mercado para que, mediante la aplicación de un método multicriterio de toma de decisiones, seleccionar la tecnología de proceso más acertada. En este trabajo se describe la aplicación del Método de Jerarquización Analítica AHP para el cual se ha desarrollado un programa de cálculo para la resolución de las matrices de evaluación resultantes, se muestra como mediante este método se hace la selección de las tecnologías de procesos que forman parte de la Planta de Licuefacción del Proyecto Gran Mariscal de Ayacucho, CIGMA y se compara con las tecnologías de procesos que fueron seleccionadas en la empresa gran nacional PDVSA para el referido Proyecto Gasífero en desarrollo. Página 1

2 METODO DE SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE PROCESOS APLICADO A UNA PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO, GNL Edgar Alfonso / Inelectra Venezuela, S.A. Caracas, República Bolivariana de Venezuela. XIX Convención Internacional de Gas Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo, 2010 INTRODUCCIÓN El presente trabajo fue desarrollado durante su pasantía en la empresa por el Ingeniero Juan Carlos de la Vega como parte del convenio interinstitucional que mantiene Inelectra con las distintas universidades del país. El mismo consistió en la elaboración de una guía de trabajo para la realización de una matriz de selección de tecnologías de procesos, cuyo objetivo es simplificar el proceso de selección para el ingeniero seleccionador o los ingenieros seleccionadores encargados de tomar la decisión en los procesos de selección de tecnologías y sirve además para la escogencia o toma de decisiones entre múltiples alternativas para la solución de problemas ingenieriles. Basado en la investigación bibliográfica que se hizo en los diferentes centros técnicos tanto de la empresa, como en las universidades e institutos tecnológicos, se encontró que existen distintos métodos multicriterios de selección que han sido desarrollados y muy bien pueden ser aplicados para la selección de tecnologías en plantas de procesos, escogiéndose para este estudio la Técnica de Selección de Tecnología o Proceso de Jerarquización Analítico (Analytic Hierarchy Process), AHP. La selección del método multicriterio o proceso de jerarquización analítico AHP se hizo utilizando la técnica convencional de matrices de selección y resultó básico para la escogencia de este método que, a diferencia del método convencionalmente aplicado, no puede ser condicionado por la subjetividad de los juicios que emite un seleccionador ya que el mismo utiliza una tabla de ponderación para la asignación de Página 2

3 puntajes entre las distintas alternativas, desarrollada por su autor (tabla de Saaty) y tiene como ventajas de mayor peso su simplicidad de uso y facilidad de programación de las operaciones matemáticas de matrices que se desarrollan con esta técnica. Siendo este el método recomendado por el Departamento de Estudios de la empresa. La técnica AHP fue aplicado para la escogencia de las tecnologías de proceso que forman parte de una Planta de Gas Natural Licuado, GNL ya que la misma cuenta con múltiples secciones de proceso en la que se aplican distintas tecnologías de variadas procedencias. Escogiéndose para la validación y aplicación del método AHP la Planta de Licuefacción de Gas Natural que se desarrolla para PDVSA en el Proyecto Complejo Industrial Gran Mariscal de Ayacucho (CIGMA) y así poder comparar las tecnologías seleccionadas con la aplicación de este método con las previamente seleccionadas por PDVSA para este referido proyecto. Los resultados de la aplicación de la técnica AHP arrojaron que las tecnologías de proceso que fueron seleccionadas por este método para cada unas de las unidades de proceso de la Planta de GNL del CIGMA resultaron las mismas que fueron escogidas por PDVSA para su proyecto, encontrándose que solo una de estas tecnologías, específicamente la de la tecnología de licuefacción, fue distinta, justificándose en este trabajo su no coincidencia. METODOS MULTICRITERIOS DE SELECCIÓN y TOMA DE DECICIONES Los Métodos Multicriterios de Selección y Toma de Decisiones (MMSTD), son métodos o modelos matemáticos que se aplican en la solución de problemas donde existen múltiples alternativas de resolución y en donde múltiples criterios influyen en la decisión final de la selección de la alternativa. Siendo este el caso de la selección de tecnologías de proceso, en donde las alternativas son las distintas tecnologías mediante las cuales se puede realizar el proceso y en donde los múltiples criterios Página 3

4 (económicos, ambientales, operacionales, seguridad, etc.) influyen en la selección de la tecnología. En la tabla mostrada a continuación se identifican los diferentes MMSTD que han sido considerados y entre los cuales la técnica o proceso de jerarquización analítica AHP ha sido seleccionado: Método Nombre Autor Fecha MC PG SMART AHP GRA PROMETHEE ELECTRE Método convencional Promedio Generalizado Simple multiattribute rating technique (Método simple de tasa multiatributo) Analytical Hierarchy Process (proceso jerárquico analítico) Grey Relational Analysis (análisis relacional grey) Preference Ranking and Organisation Method for Enrichment Evaluation (método de ranking de preferencia y organización para una evaluación enriquecedora) ELimination Et Choix Traduisant la Realité (eliminación y selección expresando la realidad) Sin referencia Sin referencia Sin referencia Saaty 1980 Deng 1982 Brans Vincke y Roy 1991 PROCESO DE JERARQUIZACIÓN ANALITICO AHP El método o proceso de jerarquización analítico AHP (Analytical Hierarchy Process) fue desarrollado por Saaty en 1980, siendo su idea fundamental convertir las evaluaciones subjetivas de importancia relativa a un conjunto de puntajes, mediante Página 4

5 comparaciones apareadas de las que se determina la importancia de un criterio con respecto a otro y la significancia de cada tecnología con respecto a cada criterio. El AHP es un método que ha sido utilizado para resolver problemas de selección de tecnologías en la industria. Una de las ventajas de este método es que permite realizar evaluaciones en las que existen criterios de orden cualitativo que pueden ser expresados en funciones matemáticas de forma matricial de acuerdo a su significancia con respecto a las tecnologías disponible y que, con la ayuda de un computador pueden ser resueltas rápidamente para decidir o seleccionar la tecnología que mejor represente a este conjunto de criterios. Así mismo, el método considera un valor denominado relación de consistencia (RC), que permite evaluar la calidad de los juicios o puntajes asignados por el seleccionador. Los puntajes de los criterios (y de las tecnologías) se estiman por medio de comparaciones apareadas entre ellos. La comparación se realiza en una escala, donde los valores de los puntajes se asignan usando la Tabla de Saaty, según se muestra a continuación: Valor del puntaje Tabla No. 2: Escala de valores de comparación o Tabla de Saaty Significado 9 Extremadamente significativo 7 Fuertemente significativo 5 Moderadamente más significativo 3 Un poco más significativo 1 Igualmente significativo 1/3 Moderadamente significativo Página 5

6 1/5 Muy poco significativo 1/9 Nada significativo 1/8,1/7,1/6,1/4,1/2, 2, 4, 6,8 Valores intermedios de comparación PASOS A SEGUIR PARA LA APLICACIÓN DE LA TECNICA AHP Los pasos a seguir para la aplicación de la técnica AHP para la selección de tecnologías es el siguiente: 1. Visualizar el proyecto al cual se realizará la selección de tecnología de procesos. 2. Definir los criterios de selección generales y específicos relevantes en el proceso. 3. Jerarquizar los criterios de selección. 4. Elaborar la matriz de comparaciones apareadas de los criterios. 5. Determinar el valor de la razón de consistencia (RC) de los criterios. 6. Calcular los puntajes de los criterios de selección. 7. Identificar las tecnologías del proceso en estudio. 8. Asignar los puntajes a las tecnologías con respecto a cada criterio. 9. Elaborar la matriz de comparaciones apareadas de las tecnologías. 10. Determinar el valor de la razón de consistencia (RC) de las tecnologías 11. Calcular los puntajes de las tecnologías con respecto a cada criterio 12. Calcular el puntaje global de cada tecnología 13. Seleccionar la tecnología. Para la visualización del proyecto, se deben tener bien claros los objetivos de la planta que se proyecta, haber definido las bases y criterios de diseño que aplican y conocer como mínimo lo siguiente: Ubicación de la planta Página 6

7 Área disponible para la planta o unidad de proceso Especificación de las materias primas y de los productos Limitaciones en cuanto a los sub-productos que pudieran ser generados en el proceso Requerimientos de la unidad de negocios (comerciales y técnicos) Esquema de procesamiento sugerido, por ejemplo diagrama de bloques Limitaciones financieras, ambientales y leyes regulatorias Niveles de seguridad Estrategias de operación Estándares de ingeniería Cualquier otro objetivo y prioridades que puedan influir en la selección de la tecnología. Para fijar los criterios generales y/o específicos, se debe tener en cuenta todas aquellas consideraciones que abarcan o tienen incidencia sobre los aspectos económicos, ambientales, de seguridad, técnicos, operacionales y de mantenimiento que guardan relación con la tecnología y el proceso a seleccionar. gunos de los criterios generales que deben ser considerados para la selección son los siguientes: Madurez tecnológica Complejidad de la tecnología Consumo de energía Requerimientos de mantenimiento Espacio requerido Riesgos operacionales y seguridad de la planta Generación de emisiones atmosféricas, efluentes y desechos Disposición de los desechos y su impacto al medio ambiente Inversión necesaria Costos de operación y mantenimiento Página 7

8 Así mismo, debido a la particularidad de los procesos industriales, en algunos casos es necesario establecer criterios específicos de selección que no estén considerados dentro de los criterios generales mencionados anteriormente y son de gran relevancia en la selección de la tecnología. Como un ejemplo se puede citar la selección de tecnología para el proceso de alquilación, donde el tipo del catalizador a utilizar juega un papel importante en la selección de la tecnología. Otro ejemplo es la selección de la tecnología para el proceso de reformación catalítica, donde la forma de regenerar el catalizador es un factor influyente para definir la selección. Una vez que se tiene un amplio conocimiento del proyecto y se han establecidos los criterios generales y específicos a evaluar se procede a determinar los puntajes de estos criterios utilizando la tabla de Saaty según establece la técnica AHP. Es decir, primero se jerarquizan los criterios por orden de importancia y luego se genera la matriz de comparaciones apareadas comparando cada uno de estos criterios entre sí según su nivel de significancia, se calcula la relación de consistencia y luego se resuelve la matriz para obtener los puntajes. Para jerarquizar los criterios de selección, se analizan los objetivos del proyecto, del proceso y del cliente; y de acuerdo a eso se establece cual de los criterios generales y específicos es el más importante en la selección de la tecnología de un determinado proceso, cual es el segundo más importante y así sucesivamente. Las comparaciones apareadas son una forma de asignar puntajes a los criterios de manera que los puntajes expresen el nivel de relevancia que un criterio tiene con respecto a otro. Para efectuar las comparaciones apareadas se procede como sigue: a. Se seleccionan dos criterios (por ejemplo, se seleccionan el criterio i y el criterio j). b. Se le asigna un puntaje al criterio i con respecto al criterio j de acuerdo a la tabla de Saaty Página 8

9 c. Como consecuencia, el puntaje respectivo del criterio j con respecto al criterio i será el inverso del asignado en el paso b. d. Se repite el paso b hasta el paso c comparando el criterio i con todos los criterios de selección. e. Se realiza el paso a hasta el paso d con todos los criterios de selección. Luego de que se han comparado todos los criterios, se obtendrá la matriz C siguiente: Donde C: Matriz de comparaciones apareadas de los criterios de selección. n: Número de criterios de selección c ij : Puntaje del criterio i con respecto al criterio j Teniéndose además que para todo criterio i, j se cumple que c ji = 1/ c ij Para determinar si los juicios del seleccionador al asignar los puntajes a los criterios al momento de completar la matriz C han sido correctos, se calcula el RC (razón de consistencia), que se expresa como el cociente entre el índice de consistencia (IC) de la matriz C y el índice de consistencia aleatorio (IA), según la ecuación siguiente: RC = IC/IA Página 9

10 Se considera que un RC < 0,1 es aceptable y quiere decir que el seleccionador realizó los juicios correctamente. En caso de que RC sea mayor a 0,1, se debe realizar la matriz de comparaciones apareadas de los criterios de selección nuevamente. El IC se obtiene de la siguiente ecuación: Donde ג MAX = Máximo autovalor de C El IA, representa un índice de consistencia aleatorio estimado del promedio del IC de 500 matrices de comparaciones apareadas generadas de manera aleatoria y puede ser calculado mediante la siguiente ecuación: Una vez que se obtiene un valor RC aceptable, se calculan los puntajes de los criterios siguiendo los pasos indicados a continuación: a) Se suman todos los valores en cada columna de la matriz C Página 10

11 b) Se genera la matriz auxiliar c barra ( c ) en donde cada elemento es el resultado de dividir cada uno de los c ij de la matriz C entre el correspondiente valor C j calculado en el paso a) anterior. c) Se suman todos los elementos de cada fila de la matriz auxiliar d) El c i asi obtenido se divide entre el número de criterios (n) para obtener el puntaje de cada uno de los criterios según se indica a continuación: Página 11

12 Donde (pc i ) son los puntajes de los criterios de selección. Seguidamente se procede a identificar cada una de las tecnologías que aplican para el proceso en cuestión. Cabe destacar que la identificación de las tecnologías se hace en una etapa posterior a la que se asignan los puntajes a los criterios ya que de esta manera se evita el condicionamiento de los resultados por parte del seleccionador, es decir, que este pueda asignar puntajes a los criterios de manera que alguna tecnología en especifico resulte favorecida. Una vez han sido identificadas las tecnologías, se procede de forma similar a como se hizo para obtener el puntaje de los criterios, es decir: se asignan los puntajes de las tecnologías con respecto a cada criterio, se construye la matriz de las comparaciones apareadas de cada tecnología, se calcula y verifica la relación de consistencia, se construye la matriz auxiliar de las tecnologías y se calculan los puntajes de cada tecnología con respecto a cada criterio. Seguidamente, se procede a la asignación de los puntajes globales a cada tecnología según se indica a continuación: Por cada una de las matrices de comparaciones apareadas de las tecnologías se genera un vector de puntajes. Por ejemplo, para el criterio k, se obtiene la siguiente Página 12

13 matriz de comparaciones apareadas (esto, según fue explicado anteriormente para los criterios, por lo que se obtiene una matriz T similar a la matriz C anterior). Se construye el vector de puntajes P k asociados a la matriz T k de la manera siguiente: De la misma manera se obtienen los n vectores P k y se concatenan en una sola matriz P en la que se representan los puntajes de las tecnologías con respecto a cada uno de los criterios de selección: Luego, a partir de esta matriz P, se procede a generar una segunda matriz auxiliar en donde cada elemento es el resultado de multiplicar los puntajes de cada tecnología Pt kj, por el puntaje del criterio respectivo (pci) obtenido con anterioridad: Página 13

14 Seguidamente se suman los P ij de cada columna de la matriz P para obtener así el puntaje global de cada tecnología: Siendo la tecnología que resulte con mayor puntaje PG i la tecnología a seleccionar. PROGRAMA DE CALCULO Con el objetivo de simplificar los cálculos matemáticos se desarrolló un programa en el formato.m de MATLAB que permite llevar a cabo de manera ordenada y simplificada los cálculos requeridos al aplicar el método de selección de tecnologías empleando la técnica AHP. MATLAB es un software, que facilita la realización de cálculos complejos de ingeniería, ya que puede trabajar con operaciones matriciales, integrales, derivadas y otras operaciones de matemáticas avanzadas que en muchos casos son necesarios para resolver problemas ingenieriles. Página 14

15 El programa de cálculo desarrollado fue validado comparando sus resultados con los obtenidos en otros trabajos y estudios anteriores de manera satisfactoria y funciona de la forma siguiente: En la ventana inicial de MATLAB, el usuario llama la función AHP, luego de lo cual inmediatamente el programa le solicita al usuario que introduzca la matriz de comparaciones apareadas de los criterios. Una vez se le introduce la matriz de comparaciones apareadas de los criterios, el programa calcula el RC correspondiente, los puntajes pc i de cada criterio y seguidamente muestra el valor del puntaje de los criterios de selección como un vector columna, con un número de filas igual al número de criterios de selección considerados y en el orden como se ingresan desde la matriz. Luego, el programa solicita que se introduzca el número de tecnologías a comparar y seguidamente solicita la introducción de cada una de las matrices de comparaciones apareadas de las tecnologías con respecto a cada criterio. Para ello, las matrices deben estar organizadas de igual manera, si la primera fila de la matriz de comparaciones apareadas del primer criterio corresponde a la tecnología A, la primera fila de todas las matrices de comparaciones apareadas de las tecnologías del resto de los criterios deben corresponder a la tecnología A. Esto se aplica también con las columnas de las matrices de comparaciones apareadas de las tecnologías. Una vez introducidas las matrices el programa calcula el respectivo RC e indica el puntaje final de cada tecnología en el mismo orden que fueron introducidas las matrices de comparaciones apareadas de las tecnologías, es decir si la primera fila correspondía a la tecnología A, entonces el primer puntaje que mostrará el programa es el correspondiente a la tecnología A. Página 15

16 En caso de que el RC de alguna de las matrices que se introduzca da mayor a 0, el programa le indica al usuario el siguiente mensaje: la relación de consistencia es mayor que 0,1, realizar valoraciones o juicios nuevamente. Luego de lo cual, el programa espera a que el usuario vuelva a introducir la nueva matriz para seguir realizando los cálculos. Esta nueva matriz debe respetar el orden de las tecnologías, si la primera fila de la matriz anterior correspondía a la tecnología A, en esta nueva matriz la primera fila también deberá corresponder a la tecnología A. ALGORITMO DEL PROGRAMA DE CALCULO EN MATLAB A continuacion se presenta el algoritmo del programa de calculo en MATLAB: Página 16

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20 APLICACIÓN DEL METODO AHP EN LA SELECCIÓN DE TECNOLOGIAS PARA UNA PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO (GNL) En el esquema de proceso que se muestra a continuacion se presentan las secciones o unidades de proceso que conforman una Planta de Gas Natural Licuado (GNL). Página 20

21 La planta de GNL fue escogida para la aplicación y validación del método AHP antes descrito debido a que en ella se tiene un alto número de unidades de proceso: Endulzamiento, remoción de mercurio, deshidratación, licuefacción y almacenamiento de GNL en las que se utilizan tecnologías, que pueden ser tecnologías abiertas, o tecnologías que pueden ser suministradas por diferentes licenciantes y es necesario realizar una selección previa antes de decidir cuál será la tecnología a implementar en la planta, dependiendo de los requerimientos específicos de un determinado proyecto. El GNL en Venezuela es un producto de exportación que proviene del Gas Natural, que en la naturaleza pude encontrarse en distintas formas: Gas asociado, que como su nombre lo indica, viene asociado al petróleo cuando este se extrae de los yacimientos petrolíferos. Gas no asociado, que es el que se extrae directamente de los yacimientos de gas y está compuesto altamente por gas metano. Gas rico o Gas pobre, que es aquel gas natural con una alta o baja concentración de propano Página 21

22 (generalmente entre 13% y 9% respectivamente) y puede extraerse del mismo gran cantidad de hidrocarburos líquidos como propano, butanos y gasolina natural. Gas agrio, que es aquel gas que posee un alto contenido de sulfuro de hidrógeno (H2S) u otros compuestos derivados del azufre como los mercaptanos (RSH) y posee además un alto contenido de dióxido de carbono (CO2) y Gas dulce, que en el caso contrario del gas agrio, los contenidos de H2S, RSH y CO2 son muy bajos. Actualmente, en Venezuela está siendo desarrollado por Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA) el proyecto de instalación de un complejo industrial en el que entre otras plantas, se tiene previsto la instalación y puesta en servicio de una planta de licuefacción de gas natural, Proyecto Complejo Industrial Gran Mariscal de Ayacucho, conocido como Proyecto CIGMA y se ubica específicamente en la Península de Paria, según se muestra en la figura a continuación: Para esta planta de licuefacción del Proyecto CIGMA ya están definidas por PDVSA las tecnologías de proceso a utilizar en las distintas unidades que la conforman, por Página 22

23 lo que, a manera de investigación, se hizo un estudio de las distintas tecnologías que existen en el mercado, se realizó la selección de las tecnologías recomendadas para este tipo de plantas usando el método AHP y se compararon con las ya seleccionadas por PDVSA., primero, para ver cuán acertada fue su selección y segundo, para tener una idea de la confiabilidad en la aplicación de este método. Las tecnologías específicamente investigadas fueron las de tratamiento previo del gas para reducir el contenido de H2S y CO2 o tecnología de endulzamiento, la de remoción de mercurio o desmercurización, la de remoción de agua o deshidratación, la de licuefacción y la de almacenamiento de GNL, para las cuales se muestran gráficamente a continuación las diferentes tecnologías que existen en el mercado: 1. Tecnología de endulzamiento del Gas Natural Página 23

24 2. Tecnología de remoción de Mercurio 3. Tecnología de deshidratación Página 24

25 4. Tecnologiat de licuefaccion 5. Tecnologia de almacenamiento de Gas Natural Licuado Página 25

26 RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DEL METODO AHP EN LA SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE LA PALNTA GNL DEL PROYECTO CIGMA En la tabla mostrada a continuación se muestran los resultados con respecto a las tecniologías de proceso que fuerón seleccionadas para la Planta de GNL del Proyecto CIGMA. En la misma se puede observar que las tecnologías que resultarón favorecidas una vez aplicado el método AHP fueron las mismas que fueran seleccionada previamente por PDVSA, excepto para la unidad de licuefacción cuya tecnología seleccionada fue distinta. Sin embargo, de fuentes confiables de esta empresa, se pudo constatar que la tecnología de liquefacción seleccionada con la aplicación del método AHP, fue la misma que resultara seleccionada originalmente por PDVSA, pero que, por razones de negocios y arreglos con el contratista que le fuera otorgada la buena pro para la ejecución del proyecto, se llegó a un acuerdo de utilizar la tecnología de este contratista, que es la que garantiza una vez entre en funcioamiento la planta. Tabla resumen de la Selección de las tecnologías de la Planta de GNL del Proyecto CIGMA: Página 26