ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar ISSN: 0138-6204 revista@icidca.edu.cu Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Cuba Sabadí, Raúl; Rostgaard, Leopoldo; Pavón, Juan A. Analisis de riesgos y operabilidad como soporte de la programación de operaciones en la casa de calderas del ingenio azucarero ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, vol. XLIII, núm. 3, septiembre-diciembre, 2009, pp. 33-39 Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar Ciudad de La Habana, Cuba Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223120660006 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
Raúl Sabadí 1, Leopoldo Rostgaard 2, Juan A. Pavón 1 1. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar 2. Empresa liquidadora Camilo Cienfuegos, Sta. Cruz del Norte, Habana e.mail: raul.sabadi@icidca.edu.cu RESUMEN Se presentan las primeras ideas para el desarrollo de un análisis de riesgos y operabilidad (HAZOP) en la casa de calderas de un ingenio azucarero, como un apoyo a la conducción del proceso. Este estudio se realiza para preparar a los técnicos y operadores del área para enfrentar las perturbaciones que afectan la programación de operaciones definidas durante la operación. El análisis se ha efectuado a nivel de nodos generales en la casa de calderas, lo que resulta útil para la toma de decisiones por el jefe del área. Los nodos definidos son el tanque de meladura, los tachos y las centrífugas y las desviaciones analizadas son aquellas que pueden provocar retrasos en las operaciones del proceso. Se analizan las causas y consecuencias de estas desviaciones, recomendándose acciones para solucionarlas. Palabras clave: azúcar, casa de calderas, tachos, programación de operaciones, HAZOP, riesgo. ABSTRACT In this paper, the first ideas for the development of a hazard and operability analysis (HAZOP) in the boiling house of a sugar mill, as support for process management, are presented. This study is done to prepare technical staff and operators to face perturbations that affect the defined operation schedule during operation. The analysis have been done over general nodes in the area, being useful for supporting decision making by the process manager. The defined nodes are syrup vessel, vacuum pans and centrifuges; and the analyzed deviations are those which can produce delays in process operations schedule. Causes and consequences of these deviations are analyzed and actions for solving them are recommended. Key words: sugar, boiling house, vacuum pans, operations scheduling, HAZOP, hazard. ICIDCA No. 3, 2009 33
INTRODUCCIÓN En el ingenio azucarero el jefe de producción dedica especial atención al área de cocción y cristalización, donde puede establecer diferentes estrategias de trabajo debido al modo de operación discontinuo de los tachos y a la necesidad de realizar descargas de varios tipos de productos intermedios entre ellos, para alcanzar los tamaños requeridos en los cristales de azúcar. También debe mantener la acumulación de estos productos, algunos de los cuales se reciclan en el proceso, en cantidades adecuadas para mantener estables la operación y la demanda de vapor. Todo esto genera diversas alternativas en la programación de las operaciones en esta área, por lo que se han estudiado y propuesto diferentes modelos para la síntesis de procesos en la misma (1). Sin embargo, los procesos tecnológicos que transcurren en la casa de calderas del ingenio azucarero están sometidos a múltiples cambios y perturbaciones que hacen la operación de los mismos una tarea compleja y dificultan el cumplimiento de la programación de operaciones. La rapidez con que el operador detecte que se ha producido una situación anormal en la operación, el tiempo que demore en diagnosticar las causas que la han producido y tomar las acciones necesarias para restablecer la operación normal, serán elementos decisivos en la cantidad y la calidad del azúcar y otras corrientes intermedias de interés, así como en el mantenimiento del estado técnico de los equipos. Asumiendo que se cuenta con el equipamiento y los medios técnicos necesarios para la operación, que éstos estén en buenas condiciones y organizados de forma eficiente, también es necesario que los operadores tengan los conocimientos, experiencia y adiestramiento requeridos sobre el proceso, los medios técnicos y la operación. Si este segundo elemento no está totalmente garantizado, entonces la realización de un análisis de riesgos y operabilidad (HAZOP) en el área resulta un apoyo muy útil para la toma de decisiones y es un elemento importante para el adiestramiento de los operadores. Creada por ingenieros de ICI Chemicals, esta técnica ha sido usada y desarrollada durante las últimas cuatro décadas, con el propósito de identificar riesgos potenciales 34 y problemas operacionales producidos por desviaciones en el funcionamiento de los procesos con relación a sus intenciones de diseño, tanto en plantas productivas nuevas como existentes. Debido a la ocurrencia frecuente de accidentes en las fábricas, se ha utilizado, muy a menudo, esta técnica en la identificación de riesgos, menospreciándola cuando se analizan las posibles dificultades durante la operación. Sin embargo, actualmente se considera que es en esta última área donde se obtienen los mayores beneficios de un estudio HAZOP (2, 3), afirmándose que más del 80% de las recomendaciones de un análisis de este tipo, están asociadas a problemas de operabilidad. Aunque la identificación de riesgos sea el tema principal, las posibles perturbaciones durante la operación se deben examinar, ya que tienen el potencial de producir riesgos en los procesos, que podrían provocar violaciones tecnológicas y/o ambientales o tener un impacto negativo en la productividad. HAZOP es la técnica más ampliamente usada y reconocida como el enfoque preferido para esta tarea en la industria química. Sin embargo, ha sido poco utilizada en la industria azucarera (4) y, en particular, en la casa de calderas del ingenio. Recientemente se ha utilizado en el análisis de procesos en destilerías (5). En este trabajo se presentan las primeras ideas para el desarrollo de un análisis de este tipo en la casa de calderas de un ingenio azucarero, como apoyo a la programación de sus operaciones. MATERIALES Y MÉTODOS El análisis de riesgos y operabilidad (Hazard and Operability Analysis, HAZOP), conocido también como análisis funcional de operabilidad (AFO) o análisis operativo (AO), es una técnica deductiva para la identificación, evaluación cualitativa y prevención del riesgo potencial y de los problemas de operación derivados del funcionamiento incorrecto de un sistema técnico (2). La Chemical Industry Association (6) lo define como "la aplicación de un examen crítico, formal y sistemático a un proceso o proyecto de ingeniería de nueva instalación, para evaluar el riesgo potencial de la operación o funcionamiento incorrecto de los compo- ICIDCA No.3, 2009
nentes individuales de los equipos, y los consiguientes efectos sobre la instalación como conjunto." El análisis que se hace empleando esta metodología va encaminado a detectar la situación que tiene cada área tecnológica para enfrentar los problemas que surgen durante la operación y de ser necesario recomendar aquellas acciones que disminuyan sus efectos. Previamente se deben definir el objetivo y el alcance del estudio, considerando los límites físicos de la instalación o el proceso de interés e identificando la información disponible. El análisis se realiza de forma multidisciplinaria, en sesiones de trabajo, por un equipo en el que participan personas que conocen a profundidad aspectos diferentes del proceso. A continuación se mencionan cada uno de los pasos de la metodología, considerando que ya ha sido definida el área tecnológica en que se trabajará: 1.- División del área tecnológica en subsistemas o nodos. Como el objetivo es analizar la operación, cada área tecnológica se divide en nodos que agrupen todos los elementos que realizan determinada función dentro del proceso y tengan cierta independencia operacional. 2.- Elaboración de los diagramas de tuberías e instrumentación (PID) para cada nodo. Se confeccionan los diagramas de tuberías e instrumentación de cada nodo, considerando en cada uno de ellos todos los equipos existentes, los instrumentos de medición y control automático así como las válvulas que intervienen en la operación. La adecuada elaboración de los diagramas PID juega un papel muy importante en los resultados del análisis, ya que permite considerar los elementos con que se cuenta para detectar y controlar las perturbaciones. 3.- Determinación de las variables de operación y sus posibles desviaciones. Para cada nodo se determinan las variables que controlan el comportamiento del proceso y que deben mantener un valor prefijado de acuerdo con las condiciones establecidas para la operación. La identificación de estas desviaciones se realiza mediante una metodología rigurosa y sistemática por parte del equipo multidisciplinario conocedor del área tecnológica. Después se utilizan las llamadas palabras guías para calificar las desviaciones. Un caso particular es el estudio de procesos discontinuos, como los de la casa de calderas, donde se toman las operaciones propiamente (carga, cocción, descarga, etc.) como parámetros sobre los cuales aplicar las palabras guía. 4.- Análisis de las posibles situaciones de riesgo. Conociendo las variables que determinan la operación de cada nodo y sus posibles desviaciones se analiza cada uno de los factores (causas) que pueden provocar estas desviaciones y la forma de detectarlas. Se indican las medidas que puedan mitigar los efectos de la perturbación y las que resuelvan definitivamente la situación anormal que se ha analizado, si esto es posible, o se propone cualquier otra decisión sobre la operación. En fin, se determinan las acciones que debe efectuar el personal técnico del área cuando se ha detectado la ocurrencia de una desviación. Toda la información generada es ordenada en forma de tabla, lo que facilita la evaluación cualitativa de las medidas de control y seguridad y de ser necesario, la elaboración de propuestas para mejorarlas. Se consideran medidas correctoras de tres tipos: prevención, mitigación y eliminación. Estas medidas se dan en forma de cambios físicos en las instalaciones, modificaciones de protocolos de operación y mantenimiento o recomendaciones de estudios posteriores para evaluar con más detalle los problemas identificados o la conveniencia de las modificaciones propuestas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el caso de estudio que nos ocupa, el área tecnológica analizada es la casa de calderas de un ingenio azucarero. En ella se han definido los siguientes nodos: 1. Tanques de 2. Tachos de masas cocidas comerciales. 3. Tachos de masas cocidas de agotamiento. 4.- Centrífugas comerciales. 5.- Centrífugas de agotamiento. Estos nodos se han definido de acuerdo al alcance que se propone el estudio y las características del área. Por supuesto que ICIDCA No. 3, 2009 35
existen otros nodos en otras áreas del ingenio azucarero que también tienen influencia en la operación de la casa de calderas. Por ejemplo, un mal trabajo de clarificación puede provocar una mala calidad del jugo, lo que incrementaría las incrustaciones en los evaporadores. Un evaporador muy incrustado (sucio) puede provocar un brix bajo en la meladura y por tanto, que los tanques de este material se llenen más rápidamente. Esta situación provocaría retrasos en la operación de la casa de calderas. De igual forma, las recomendaciones del análisis en esta área pueden implicar la realización del análisis HAZOP sobre desviaciones de otras variables en otras áreas del resto del proceso. Como ejemplo podemos mencionar la afectación en la duración de las operaciones en los tachos que puede tener como causa las altas viscosidades en las En este caso se recomienda revisar la calidad de la caña molida, así como la operación y las medidas de higiene industrial en áreas precedentes como los molinos. A continuación se describe el estudio HAZOP para algunos de estos nodos, considerando sólo las desviaciones en variables que afecten directamente la programación de las operaciones en esta área. En los nodos de tachos se ha incluido además la posible afectación producida por roturas en cristalizadores. Nodo: Tanques de Desviación: Nivel muy alto (tanques llenos). Molida excesiva. Paralización de la molida. Normalizar molida. Exceso de agua de imbibición en molinos. Evaporador sucio. Evaporador roto. Deficiente operación del evaporador. Normalizar agua de imbibición y revisar lazo de control. Limpiar el evaporador. Revisar manual de procedimientos. Reparar la falla. Revisar programa de Revisar operación y trabajo de los operadores. Nodo: Tachos de masas cocidas comerciales. Desviación: Duración de la operación muy larga. Revisar operación en el área de evaporación. miel A. Revisar lazo de control de densidad de la miel. Baja presión de vapor en el área. Revisar generación de vapor y sistema de distribución. Solucionar el problema. Roturas y/o deficiencias en Revisar plan de tachos. Bajo vacío en el sistema. Revisar flujo y temperatura del agua de inyección. Bajo vacío en el sistema. Revisar bombas de vacío. Altas viscosidades en las Empeoramiento de la Revisar calidad de caña molida, así como asepsia y operación en nodos de áreas precedentes. 36 ICIDCA No. 3, 2009
Templas reproducidas y cristales deformados o no uniformes. Semilla de baja calidad. Rotura del cristalizador. p Revisar operación de los tachos y calidad de productos utilizados. Revisar la calidad de la cristalización y la operación de purgas y mezclado. Solucionar el problema. Revisar plan de Desviación: Tiempo de descarga muy largo. Brix muy alto en las Revisar operación y normas de calidad. Revisar calidad de caña molida, así como asepsia y Empeoramiento de la operación en nodos de áreas precedentes. Altas viscosidades en las Demora en la operación de centrífugas. Revisar operación de centrífugas. Nodo: Tachos de masas cocidas de agotamiento. Desviación: Duración de la operación muy larga. Revisar operaciones y miel B. parámetros en el área de centrífugas y preparación de mieles. Baja presión de vapor en el área. Roturas y/o deficiencias en tachos. Bajo vacío en el sistema. Bajo vacío en el sistema. Altas viscosidades en productos procesados. Templas reproducidas y cristales deformados o no uniformes. Templas reproducidas y cristales deformados o no uniformes. Rotura del cristalizador. Empeoramiento de la Empeoramiento de la Revisar generación de vapor y sistema de distribución. Solucionar el problema. Revisar plan de Revisar flujo y temperatura del agua de inyección. Revisar bombas de vacío. Revisar calidad de caña molida, así como asepsia y operación en nodos de áreas precedentes. Revisar operación de los tachos y calidad de los productos utilizados. Revisar operación de los tachos y calidad de la cristalización. Solucionar el problema. Revisar plan de ICIDCA No. 3, 2009 37
Desviación: Tiempo de descarga muy largo. Brix muy alto en las Revisar operación y normas de calidad. Revisar calidad de caña molida, así como asepsia y Empeoramiento de la operación en nodos de áreas precedentes. Altas viscosidades en las Purga demorada en centrífugas contin uas de tercera. Deficiencias en el área de cristalizadores de tercera. Templas frías al purgar en centrífugas de tercera. Baja productividad en la purga de masa cocida de tercera y mala calidad del azúcar obtenido. Revisar oper ación de centrífugas de tercera. Revisar mantenimiento en el área de cristalizadores. Revisar flujo y temperatura del agua de calentamiento de cristalizadores y mezcladores. Nodos: Centrífugas comerciales / Centrífugas de agotamiento. Desviación: Purga muy demorada. Reparar el mezclador y Disminuye capacidad de purga revisar el plan de y calidad de azúcar y miel. Roturas en el mezclador alimentador. Rotura o deficiencia en alguna centrífuga. Alta viscosidad en la masa que se purga y/o templa reproducida. Disminuye capacidad de purga y calidad de azúcar y miel. Disminuye capacidad de purga y calidad de azúcar y miel. Reparar centrífugas y revisar el plan de Revisar el trabajo de los tachos y calidad de la materia prima, así como la higiene industrial. Adicionalmente pueden considerarse otros dos momentos del análisis, que son la definición de modelos operacionales y del diagrama causa-efecto. Partiendo de la información obtenida se elaboran los modelos operacionales, que son diagramas de bloques que recogen la secuencia de acciones a realizar por el operador ante cada desviación de una variable de operación. En ellos se resumen las diferentes formas de detectar las desviaciones y qué hacer para resolver la situación creada. Estos modelos resultan básicos en la confección de programas de asesoramiento a operadores en la toma de decisiones ante las desviaciones. A partir de este análisis, se pueden derivar reglas como soporte a la toma de decisiones. Wennersten (7) ha propuesto la extensión del método HAZOP para su aplicación en el diagnóstico de fallas, concluyendo que éste proporciona un enfoque más práctico y útil en el desarrollo de sistemas de apoyo al trabajo de los operadores de plantas. Para ello se trata de desarrollar reglas simples con el fin de evitar los problemas de los sistemas basados en el conocimiento con reglas grandes, que pueden introducir contradicciones, grandes cantidades de información irrelevante y complejas estructuras de análisis (8). CONCLUSIONES La metodología HAZOP es fácil de aprender y de aplicar a disímiles procesos, no requiriendo un nivel especial de calificación académica, aunque sí experiencia en el proceso objeto de estudio. Sin dudas, es una herramienta útil para prepararse y actuar 38 ICIDCA No. 3, 2009
ante condiciones anormales de operación, por lo que resulta un apoyo para tratar de mantener la casa de calderas trabajando según la programación de operaciones que se haya previsto. En este trabajo el análisis de riesgos y operabilidad se ha efectuado a nivel de nodos generales en la casa de calderas, lo que resulta útil para el jefe del área. Para que sea útil para los operadores, se requiere que el mismo se realice a nivel de diagramas de tubería e instrumentación (PID) para cada nodo y considerando cada equipo, lo cual será abordado en un próximo trabajo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Sabadí, R. Síntesis de esquemas de cocción en fábricas de azúcar usando Microsoft Project. Parte I: programación de operaciones. ICIDCA sobre los derivados de la caña de azúcar (La Habana), 43(2):p.51-59, 2009. 2. Casal, J.; Montiel, H.; Planas, E.; Vílchez, J.A. Análisis del riesgo en instalaciones industriales. España: Ediciones UPC, p. 53-64. 1999 3. Lihou, Mike. Hazard & operability studies.[en línea] Inglaterra: Lihou Technical & Software Services. <http://www.lihoutech.com/hazop.htm> (Consulta: 28 de agosto de 2009). 4. Ruiz, D.; Nougués, J. M.; Puigjaner, L. Neural computation for abnormal situation management in a cane sugar refinery. Proceedings AIChe.1999 Annual Meeting. Estados Unidos: AIChe, 1999. p. 1-7. 5. Pavón, J.A.; Garrido, N.; Martínez, A.; Pérez, J.C. Análisis de la operación de una destilería de alcohol basada en el método HAZOP. [CD] En: Memorias Diversificación 2008, La Habana: Editora ICIDCA, 2008. p. 471-483. 6. Chemical Industry Association. A guide to hazard and operability analysis. Inglaterra: Chemical Industry Association, 1985. 7. Wennersten, R.; Narfeldt, R.; Granfors, A.; Sjokvist, S. Process modelling in fault diagnosis. Comput. Chem. Eng. (Inglaterra), 20S: p. 665-675, 1996. 8. Ruiz, D.; Benqlilou, C.; Nougués, J. M.; Puigjaner, L. Proposal to speed up the implementation of an abnormal situation management in the chemical process industry. Ind. Eng. Chem. Res. (Estados Unidos), 41: p. 817-824, 2000. ICIDCA No. 3, 2009 39