Proyecto de Automatización

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1 FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TETIL 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 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

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 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

3 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. 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 3

4 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 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 4

5 VALVULA DE COMPUERTA V-2 VALVULA DE GLOBO V-3 VALVULA DE RETENCION VALVULA DE V-4 CONTROL CON ACTUADOR V-6 VALVULA BRIDADA VALVULA DE V-10 MARIPOSA VALVULA DE SEGURIDAD V-7 V-8 VALVULA DE TRES VIAS V-9 VALVULA MOTORIZADA 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. 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 5

6 II. DESCRIIÓN 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. 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 6

7 III. DIAGRAMA OPERACIONAL DE LA PLANTA DE GAS NATURAL 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 7

8 IV. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO SIN AUTOMATIZAR (ETANO y componentes más volatiles) GAS RESIDUAL DE BAJA 100 F 88 F GAS RESIDUAL DE ALTA 100 F -31 F GAS DE ENTRADA 75 PSI 80 F Compresor 650 PSI PROPANO 42 F -35 F 172 PSI GLICOL GLICOL SEPARADOR TRIFASICO 150 F GLICOL para refrigeración 650 PSI -35 F TORRE DE ETANIZADO 135 F 213 PSI 136 F 170 F 136 F ACEITE CALIENTE GLP TORRE DEBUTANIZADORA ACEITE CALIENTE 355 F 180 F C5 + E-16 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. 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 8

9 Al separador trifásico se conectan tres controladores con sus respectivos transmisores. El controlador de presión () 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. 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 9

10 VI. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO AUTOMATIZADO GAS RESIDUAL DE BAJA (ETANO y componentes más volatiles) 100 F TC 88 F GAS RESIDUAL DE ALTA 100 F -31 F GAS DE ENTRADA 75 PSI 80 F Compresor 650 PSI TC 42 F PROPANO -35 F 172 PSI GLICOL SEPARADOR TRIFASICO LC LCV 150 F LC GLICOL para refrigeración 650 PSI -35 F 172 PSI - 76 F TORRE DE ETANIZADO 213 PSI 135 F LC 136 F 170 F LGV 136 F GLP LC TORRE DEBUTANIZADORA ACEITE CALIENTE LC ACEITE CALIENTE 355 F 180 F C 5 + E-16 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 ) 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 10