AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE TEA BAJO SIMULACIÓN …

AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE TEA BAJO SIMULACIÓN

CON ASPEN HYSYS Y RSLOGIX 5000

DANIEL FERNANDO CADENA SALAMANCA

SERGIO ALEJANDRO RUIZ TORRES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CLADAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA EN CONTROL

BOGOTÁ

2016

AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE TEAS BAJO SIMULACIÓN CON ASPEN

HYSYS Y RSLOGIX 5000

“TRABAJO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERI EN CONTROL”

DANIEL FERNANDO CADENA SALAMANCA

Cód.: 20091283007

SERGIO ALEJANDRO RUIZ TORRES

Cód.: 20092283040

Director:

Ing. ANDRÉS ESCOBAR DÍAZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CLADAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA EN CONTROL

BOGOTÁ

2016

AGRADECIMIENTOS

En el culmen de un trabajo arduo, lleno de logros y dificultades, diferentes personas participaron con su

acompañamiento, correcciones, consejos y dedicación; que siempre estuvieron dándonos ánimo en los

momentos de crisis, y así poder crecer y construir bases sólidas para llegar a la meta con gran

satisfacción.

Queremos agradecer a Dios, por su constante presencia en nuestras vidas, por la salud y el tiempo que nos

da para realizar cada una de nuestras actividades, en especial el desarrollo de nuestra carrera y del

presente trabajo, en donde se ve reflejado su infinito amor y misericordia, a Él la gloria y el honor por

siempre.

A nuestros padres y hermanos, por su esfuerzo y apoyo en todo momento, por su confianza y amor que

incondicionalmente estuvieron acompañándonos en la realización de este sueño anhelado.

A todos nuestros compañeros, que nos bridaron su amistad y ayuda, clase tras clase, semestre tras

semestre y que, en los momentos claves, siempre fueron un gran apoyo, Dios les bendiga.

Agradecemos al profesor Iván Darío, del programa de Ingeniería Química, de la Universidad Nacional,

por guiarnos en el manejo y desarrollo de la simulación del sistema de tea, utilizando el software, Aspen

Hysys ®.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por darnos la oportunidad de estudiar y formarnos

como profesionales, en ella a todos los docentes y en especial a nuestro tutor, el ingeniero, Andrés

Escobar Díaz, por su paciencia, su visión crítica, por sus consejos, su acompañamiento y guía, en todo

este proceso.

Para todos ustedes muchas gracias y que Dios los bendiga.

i

TABLA DE CONTENIDO

1 RESUMEN ............................................................................................................................ 10

2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 11

3 GENERALIDADES .............................................................................................................. 12

3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................. 12

3.2 JUSTIFICACIÓN........................................................................................................... 13

3.3 OBJETIVOS................................................................................................................... 14

3.3.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 14

3.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 14

4 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 15

4.1 DESCRIPCIÓN Y EJEMPLOS DE SISTEMAS DE TEA ........................................... 15

4.1.1 SISTEMA DE TEA ................................................................................................ 15

4.1.1.1 Esquema general del sistema de TEA ............................................................. 16

4.1.1.2 TEA (Fuste) ..................................................................................................... 18

4.1.1.3 Sistemas de encendido ..................................................................................... 20

4.1.1.4 Sistemas de control .......................................................................................... 23

4.1.1.5 Sistema de automatización .............................................................................. 26

4.1.2 SISTEMAS DE SEGURIDAD ............................................................................... 28

4.1.2.1 Quemadores ..................................................................................................... 29

4.1.2.2 Válvulas ........................................................................................................... 30

4.1.2.3 Disco de ruptura............................................................................................... 32

4.1.2.4 Gas de purga. ................................................................................................... 33

4.1.2.5 Tanque de sello líquido.................................................................................... 35

4.1.2.6 Tanque separador o KO Drum ......................................................................... 38

4.1.3 AGUAS ACEITOSAS ............................................................................................ 40

4.1.4 EJEMPOLS DE SISTEMAS DE TEA ................................................................... 41

4.2 QUEMA DE GAS .......................................................................................................... 47

4.2.1 TENDENCIAS REGIONALES DE QUEMA DE GAS ........................................ 47

4.3 RECUPERACIÓN DE GAS .......................................................................................... 48

5 METODOLOGÍA .................................................................................................................. 53

5.1 SIMUACIÓN EN ASPEN HYSYS ............................................................................... 53

ii

5.1.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TEA A SIMULAR ..................................... 57

5.1.2 SIMULACIÓN EN ESTADO ESTABLE .............................................................. 65

5.1.3 SIMULACIÓN EN ESTADO DINÁMICO ........................................................... 83

5.1.3.1 Retirar la Especificación de Flujo a las Corrientes .......................................... 83

5.1.3.2 Definir Válvulas y Equipos ............................................................................. 84

5.1.3.3 Instalación y configuración de los Lazos de Control ...................................... 86

5.1.4 ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN EN ASPEN HYSYS® .................................. 97

5.2 METODOLOGIA DE INTEGRACION EN LA COMUNICACIÓN ENTRE ASPEN

HYSYS Y RSLOGIX 5000 PARA UN SISTEMA DE TEA ................................................. 101

5.2.1 SISTEMA DE TEA SIMULADO EN ASPEN HYSYS ..................................... 101

5.2.2 Metodología de comunicación .............................................................................. 103

5.2.3 Identificar las variables del proceso ...................................................................... 105

5.2.4 Configuración del Controlador Virtual ................................................................. 106

5.2.4.1 Configuracion RSLinx Classic ...................................................................... 106

5.2.4.2 Configuración del SoftLogix Chassis Monitor .............................................. 108

5.2.4.3 Configuración RSLogix 5000 ........................................................................ 110

5.2.4.4 Ingreso de Tags en RSLogix 5000 ................................................................ 114

5.2.5 Sintaxis para la comunicación DDE en Aspen Hysys. ......................................... 119

5.2.6 Visualización de las variables en RSLogix 5000 .................................................. 126

5.3 Metodología para la Automatización del Sistema de Tea ............................................ 126

5.3.1 Identificar las variables del proceso ...................................................................... 127

5.3.2 Implementación de bloques PID ........................................................................... 128

5.3.3 Sincronizando Aspen Hysys con RSLogix 5000 .................................................. 132

5.3.4 Implementar Trends en RSLogix 5000 ................................................................. 132

5.3.4.1 Análisis de la simulación en Rslogix 5000 .................................................... 135

5.3.5 Comunicación RSLogix 5000 con IFIX ............................................................... 139

5.3.6 Implementación del HMI en Proficy IFIX ............................................................ 141

5.3.6.1 Desarrollo del HMI en Proficy IFIX ............................................................. 144

6. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 147

7. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 149

iii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Quema de gas por compañía en Nigeria, contra billones de metros cúbicos por año.

Fuente: NNPC ............................................................................................................................... 47

Tabla 2. Composición molar del gas a quemar de la planta petroquímica CPF (Casanare,

Colombia) ..................................................................................................................................... 58

Tabla 3.Condiciones para cada una de las entradas. ..................................................................... 58

Tabla 4. Condiciones de los segmentos para las líneas de la tubería del sistema ......................... 59

Tabla 5. Condiciones de operación para el separador ................................................................... 61

Tabla 6. Condiciones de operación para el reactor ....................................................................... 63

Tabla 7. Condiciones para especificar la corriente de aire ........................................................... 63

Tabla 8. Parámetros para configurar las válvulas del proceso ...................................................... 64

Tabla 9. Parámetros para configurar los controladores empleados. ............................................. 65

Tabla 10. Resultado del porcentaje de conversión de metano, propano y etano en Aspen

HYSYS® .................................................................................................................................... 100

Tabla 11. Listado de las variables utilizadas para la comunicación con RSlogix5000.

Fuente: Autores ......................................................................................................................... 105

Tabla 12. Listado de las variables utilizadas para la automatización con RSlogix5000. Fuente:

Autores ........................................................................................................................................ 128

Tabla 13. Valores de los parámetros a configurar en los controladores PID del proceso. ......... 129

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama real de un sistema de tea. .............................................................................. 16

Figura 2. P&ID general del Sistema de Teas (Pressure-relieving and Depressuring Systems,

January 2007). ............................................................................................................................... 17

Figura 3. Sistema de tea. Fuente: autores..................................................................................... 18

Figura 4. Detalle transmisor de flujo. ........................................................................................... 19

Figura 5. Esquema del piloto (Bader & Bellovich, 2012). ........................................................... 20

Figura 6. Tubo de tea típico (Crawford, Flare systems, 1988). .................................................... 21

Figura 7. Tubo de tea básico (Crawford, Flare systems, 1988). ................................................... 22

Figura 8. Piloto de monitoreo acústico (Bader & Bellovich, 2012). ............................................ 24

Figura 9. Ilustración de la llama (luminiscencia), mezclando tubo (línea blanca) y la zona de

recirculación (blanco, línea de trazos) para diferentes condiciones de operación: (a) llama estable

de bajo nivel remolino, (b) de la llama después de flashback (similar para retroceso causada por

CIVB y un retorno de llama causada por TBVA) y (c) llama estable de alto nivel de turbulencia

(G. Blesinger & R. Koch, 2010). .................................................................................................. 25

Figura 10. Captura de pantalla del panel frontal RSView32 de proceso en cascada (Sangeetha,

Naveenkumar, & Ganesh, 2012). .................................................................................................. 27

Figura 11 Unidad de interfaz gráfica de usuario, de proceso de destilación, cuando está en el

modo de paro (Morsi & El-Din, 2014). ........................................................................................ 28

Figura 12. Quemador de llama, de tipo cono de estabilizador (Chung, Londerville, Claxton, &

Jonhson, 2012). ............................................................................................................................. 29

Figura 13. válvula de alivio de presión (Nolan, 2011). ................................................................ 30

Figura 14 . Válvula de alivio (Parisher & Rhea, Valves, 2012). .................................................. 32

Figura 15. Montaje de válvula de control y disco de ruptura (Schwartz, White, & Bussman,

2012). ............................................................................................................................................ 33

Figura 16. Ubicación del sello molecular, en la tea (Cheremisinoff P. , Flare gas control,

1992). ........................................................................................................................................... 34

Figura 17. Sello molecular (Schwartz, White, & Bussman, 2012). .............................................. 34

Figura 18. Tanque de sello líquido (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January

2007). ............................................................................................................................................ 35

Figura 19. Detalle lazos de control sello líquido. ...................................................................... 36

Figura 20. Tanque horizontal de sellado (Pressure-relieving and Depressuring Systems,

January 2007). ............................................................................................................................... 37

Figura 21. Tanque separador de gas y líquido (KO drum) (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007). ............................................................................................................... 38

Figura 22. Instrumentos de medición en Tanque K.O. (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007). ............................................................................................................... 39

Figura 23. Detalle control de nivel, KO Drum. ....................................................................... 39

Figura 24. Detalle tanque KO. ................................................................................................... 40

Figura 25. Plano sistema TEA Sucre ............................................................................................ 41

Figura 26. Sistema Tea Sucre: a) Separadores horizontales. b) KO drum c) medidor de flujo. d)

TEA. .............................................................................................................................................. 43

v

Figura 27. Sistemas teas en Refinería: a) TEA. b) conexión tanque sello líquido con tablero de

instrumentos. c) Tanque K.O. drum.............................................................................................. 45

Figura 28. Estación Rebombeo Santander: Sistema de TEA. b) Sello líquido. c) medidores de

flujo. .............................................................................................................................................. 46

Figura 29. Esquema general de proceso de recuperación de gas de tea (Peterson, E. Baukal, &

Cooper, 2014). .............................................................................................................................. 49

Figura 30. Sistema de recuperación de gas típico en TEA (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007) ................................................................................................................ 50

Figura 31. Detalle interruptor de nivel alto de los tanques de almacenamiento. .......................... 51

Figura 32. Método alternativo cuando no se puede usar tanque de sello líquido (Pressure-

relieving and Depressuring Systems, January 2007). ................................................................... 52

Figura 33. Metodología. Fuente: Autores ..................................................................................... 53

Figura 34. Etapas para desarrollar la simulación es Aspen Hysys®. (Rolando Porras & Martines

Trillos, 2015)................................................................................................................................. 55

Figura 35. Diagrama P&ID del proceso planteado. Fuente: autores. .......................................... 57

Figura 36. Red de tuberías que transporta hidrocarburos al sistema de Tea. Fuente: Adaptado

Aspen Hysys. ................................................................................................................................ 60

Figura 37. Diagrama P&ID Tanque K.O Drum. Fuente: Autores. ............................................... 61

Figura 38. Diagrama P&ID Sello Hidráulico. Fuente: Autores. ................................................... 62

Figura 39. Reactor de conversión a implementar en la simulación. Fuente: Autores. ................. 63

Figura 40. Diagrama P&ID de la Tea. Fuente: Autores. .............................................................. 64

Figura 41. Etapas para desarrollar la simulación del sistema de Tea en Estado Estable. Fuente:

Autores .......................................................................................................................................... 66

Figura 42. Ventana Simulation Basis Manager. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®. ............ 67

Figura 43. Ventana de selección de componentes en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de

Aspen HYSYS® ........................................................................................................................... 67

Figura 44. Ventana de selección del modelo termodinámico. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS® ...................................................................................................................................... 68

Figura 45. Ventana de ingreso de reacciones. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® ................. 68

Figura 46. Izquierda: ventana de definición de la estequiometria de una reacción de conversión

en Aspen HYSYS®. Derecha: definición de la base de una reacción de conversión en Aspen

HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ....................................................................... 69

Figura 47. Ventana de especificaciones de sets de reacciones en Aspen HYSYS®. Fuente:

adaptado de Aspen HYSYS® ....................................................................................................... 69

Figura 48. Ventana de selección del paquete termodinámico para el set de reacciones en Aspen

HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® ........................................................................ 70

Figura 49. Ventana izquierda: composición de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®.

Ventana derecha: Condiciones de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®. ........................... 70

Figura 50. Ventana izquierda: Ventana de la válvula V-1 en Aspen HYSYS®. Ventana Derecha:

Especificación de caída de presión para la Válvula V-1. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® 71

Figura 51. Conectividad para el módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS®. .......................................................................................................................... 72

vi

Figura 52. Izquierda: Pestaña Rating del módulo de tuberías en Aspen HYSYS®. Derecha:

Selección del diámetro nominal de la sección de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado

de Aspen HYSYS® ...................................................................................................................... 72

Figura 53. Especificaciones de la trasferencia de calor para la línea 1 en Aspen HYSYS®.

Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® .......................................................................................... 73

Figura 54. Ventana del módulo del mezclador MIX-100 en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado

de Aspen HYSYS® ...................................................................................................................... 74

Figura 55. Línea del proceso especificada. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® ..................... 74

Figura 56. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS® ........................................................................................................................... 75

Figura 57. Representación del Tanque K.O Drum. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® ......... 76

Figura 58. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS® ........................................................................................................................... 77

Figura 59. Ventana del intercambiador de calor en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen

HYSYS® ...................................................................................................................................... 78

Figura 60. Especificación en el intercambiador de calor E-100 en Aspen HYSYS®. Fuente:

Adaptado de Aspen HYSYS® ...................................................................................................... 78

Figura 61. Representación del sello hidráulico. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® .............. 79

Figura 62. Ventana del módulo de tubo de gas en Aspen HYSYS® Fuente: Adaptado de Aspen

HYSYS® ...................................................................................................................................... 79

Figura 63. Pestaña Rating del módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS® ...................................................................................................................................... 80

Figura 64. Conectividad para el reactor de conversión Aspen HYSYS® Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS® ........................................................................................................................... 80

Figura 65. Pestaña Reactions del módulo del reactor de conversión en Aspen HYSYS® Fuente:

adaptado de Aspen HYSYS®. ...................................................................................................... 81

Figura 66. Representación de la Tea. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® .............................. 81

Figura 67. Ventana desplegada del proceso en el entorno de la simulación estacionario en Aspen

HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ....................................................................... 82

Figura 68. Etapas para desarrollar la simulación del sistema de Tea en Estado Dinámico. Fuente:

Autores .......................................................................................................................................... 83

Figura 69. Ventana de especificación de flujo en una corriente para una simulación dinámica.

Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ......................................................................................... 84

Figura 70. Especificación y cálculo de la válvula V-1 del proceso Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS® ...................................................................................................................................... 84

Figura 71. Definición de los parámetros de dinámica para el separador de fases (llamado Knock-

out drum) Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ........................................................................ 85

Figura 72. Definición de los parámetros de dinámica para el reactor de conversión (llamado

Quemador) Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ...................................................................... 86

Figura 73. Etapas para implementar los lazos de control en el sistema de Tea. Fuente: Autores 87

Figura 74. Ventana de configuración del lazo de control. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

....................................................................................................................................................... 88

vii

Figura 75. Configuración de las variables del controlador. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

....................................................................................................................................................... 89

Figura 76. Configuración de los parámetros del controlador de nivel para el separador V-101.


Figura 77. Visualización del face Plate y la gráfica de tendencia para observar las variaciones en

el tiempo, para la entrada 1. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. ........................................... 91

Figura 78. Ventana de configuración del controlador de relación. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS®. ..................................................................................................................................... 92

Figura 79. Ventana de configuración de los parámetros para el controlador de relación Fuente:


Figura 80. Resultados del análisis del asistente dinámico en Aspen HYSYS Dynamics® Fuente:


Figura 81. Ventana desplegada del proceso en el entorno de la simulación en Aspen HYSYS®.


Figura 82.Respuesta del lazo de control de nivel para el separador S-101.Fuente Adaptado

Aspen Hysys® .............................................................................................................................. 97

Figura 83. Respuesta del lazo de control de nivel para el separador S-101.Fuente Adaptado

Aspen Hysys® .............................................................................................................................. 98

Figura 84. Efecto del cambio de set point del controlador de nivel del separador S-100

Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®...................................................................................... 99

Figura 85. Efecto del cambio de los parámetros del controlador de nivel del separador S-

100 Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®............................................................................... 99

Figura 86. Respuesta del lazo de control de temperatura para el separador S-101 Fuente:

Adaptado de Aspen HYSYS® .................................................................................................. 100

Figura 87. PFD del sistema de tea simulado. Fuente: Adaptado de Aspen Hysys®. .......... 103

Figura 88. Etapas para desarrollar la Comunicación. Fuente. Autores .............................. 104

Figura 89. Ventana de RSLinx Classic. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic. .......................... 106

Figura 90. Ventana de configuración de Drivers. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic. ........... 107

Figura 91. Drivers en estado RUNNING. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic. ....................... 107

Figura 92. Ventana SoftLogix Chassis Monitor. Fuente: Adaptado de Softlogix. ..................... 108

Figura 93. Ventana Select Module. Fuente: Adaptado de Softlogix. ......................................... 108

Figura 94. Selección del módulo Input/output. Fuente: Adaptado de Softlogix. ....................... 109

Figura 95. Selección del módulo EtherNet. Fuente: Adaptado de Softlogix. ............................. 109

Figura 96. Ventana SoftLogix Chassis Monitor. Fuente: Adaptado de Softlogix. ..................... 110

Figura 97. Ventana New Controller. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ............................... 111

Figura 98. Adición de un nuevo Módulo. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ....................... 111

Figura 99. Ventana Select Module. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ................................. 112

Figura 100. Ventana New Module. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ................................. 112

Figura 101. Selección Modulo Ethernet. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.......................... 113

Figura 102. Configuración modulo EtherNet. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.................. 114

Figura 103. Tabla para insertar Tags. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000............................... 115

Figura 104. Insertar un Tag. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ............................................ 115

Figura 105. Tabla Edit Tags. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. .......................................... 116

viii

Figura 106. Ventana Who Active. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.................................... 116

Figura 107. Modo Run RSLogix 5000. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ............................ 117

Figura 108. Modula a configurar el Tópico DDE. Fuente: Adaptado de RSLinx. ..................... 117

Figura 109. Ventana DDE/OPC Topic Configuration. Fuente: Adaptado de RSLinx. .............. 118

Figura 110. Ventana OPC Test Client. Fuente: adaptado OPC Test Client. .............................. 119

Figura 111. Editor de Macros de Macros. Fuente: Adaptado Aspen Hysys. .............................. 125

Figura 112. Tags con el valor Actual. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000. ............................. 126

Figura 113. Diagrama de bloques para implementar la automatización del sistema de TEA.

Fuente: Autores ........................................................................................................................... 127

Figura 114. Adicionar módulo PID al programa. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 ................. 128

Figura 115. Configuración del módulo PID. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 ........................ 129

Figura 116. Ventana de sintonización del módulo PID_V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

..................................................................................................................................................... 130

Figura 117. Ventana de configuración del funcionamiento del módulo PID_V100. Fuente:

Adaptado RSLogix 5000............................................................................................................. 131

Figura 118. Ventana de ajuste de las alarmas del módulo PID_V100. Fuente: Adaptado RSLogix

5000............................................................................................................................................. 132

Figura 119. Configuración del integrador para sincronización con RsLogix5000. Fuente:

Adaptado Aspen Hysys. .............................................................................................................. 132

Figura 120. Creación de un nuevo Trend. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 ............................. 133

Figura 121. Ventana para agregar Tags. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 ............................... 134

Figura 122. Ajuste del espacio de tiempo a graficar. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 ............ 134

Figura 123. Respuesta controlador del nivel V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000 .............. 135

Figura 124. Respuesta lazo de control de nivel LIC-100 con sintonización óptima. Fuente:

Adaptado RSLogix 5000............................................................................................................. 136

Figura 125. Respuesta frente a cambios en el setpoint, del lazo de control de nivel LIC-101.

Fuente: Adaptado RSLogix 5000................................................................................................ 137

Figura 126. Comparación de la respuesta del lazo de control LIC101. Fuente Adaptado RSLogix

5000............................................................................................................................................. 137

Figura 127. Respuesta lazo de control TIC100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000. ................... 138

Figura 128. Respuesta lazo de control TIC100, con sintonización óptima. Fuente: Adaptado

RSLogix 5000. ............................................................................................................................ 138

Figura 129. Respuesta del control de relación, ajustando ganancias. Fuente: Adaptado RSLogix

5000............................................................................................................................................. 139

Figura 130. Ventana para la configuración de comunicación de variables. Fuente: Adaptado

RSLogix 5000. ............................................................................................................................ 140

Figura 131. Ventana DDE/OPC Topic configuration. Fuente: Adaptado RSLogix 5000. ......... 141

Figura 132. Ventana Database Manager. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX ............................ 142

Figura 133. Adición de servidor, grupo e Item. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ................. 142

Figura 134. Items Agregados. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ............................................ 143

Figura 135. Ventana Database Manager. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ........................... 143

Figura 136. HMI Tanque KO Drum. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ................................. 144

Figura 137. Ajustes del testigo lumínico LAL. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. .................. 145

ix

Figura 138. Insertar un Datalink. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ....................................... 145

Figura 139. HMI Tanque Sello Líquido. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ............................ 146

Figura 140. HMI TEA. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. ....................................................... 147

Figura 141. HMI general del sistema de Tea. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX. .................... 147

10

1 RESUMEN

A lo largo de este documento, se muestra la automatización, bajo simulación, que recrea los procesos

químicos y la automatización que se implementa en un sistema de TEAS (proceso real del sector Oil &

Gas), documentando el proceso de simulación, automatización y procedimientos de diseño logrando

una base de conocimiento útil para futuros ingenieros que desarrollen actividades académicas en esta

área. Al principio se hace la definición del sistema, se muestra en general cada uno de sus subsistemas

y luego, en un P&ID con cierto detalle, se describen los subsistemas, como son: la tea, el tanque

separador (KO drum), el sello hidráulico y lo sistemas auxiliares. También, se muestran tres ejemplos

reales, que representan la vigencia e importancia de este tipo de sistema.

Posteriormente, se presenta la metodología para la automatización, bajo simulación de un sistema de

tea, apoyados con los softwares de simulación ASPEN HYSYS ®, y ROCKWELL AUTOMATION ®.

Por un lado, está el software encargado de simular el proceso de quema de hidrocarburos; por otro lado,

está el software encargado de automatizar el proceso simulado.

Para lograr la integración entre ASPEN HYSYS ® y ROCKWELL AUTOMATION ®, se utiliza el

protocolo de intercambio de dinámico de datos (DDE, sigla en inglés), por medio de macros que

soportan la comunicación entre ASPEN HYSYS ® y ROCKWELL AUTOMATION, que a su vez

permitirá conocer en tiempo real el estado de las variables involucradas en el proceso.

Con el fin mostrar estos datos de una manera visible, por medio de un HMI, y conocer el estado de la

instrumentación relacionada, se recurre al software Proficy HMI/SCADA – iFIX ®.

11

2 INTRODUCCIÓN

En la industria petrolera hay un porcentaje significativo de hidrocarburos gaseosos. Cuando estos

gases, no se pueden convertir en energía útil, es necesario eliminarlos de forma segura tanto en

operaciones habituales como de emergencia, teniendo en cuenta la normatividad ambiental, y para

evitar problemas de sobrepresión en los equipos y tuberías de la planta.

La eliminación de dichos hidrocarburos gaseosos, se realiza en un sistema de tea, con unos

requerimientos de seguridad, para los operarios y equipos, y estrictas medidas ambientales. Para lograr,

lo anterior, se han implementado diversas tecnologías en el diseño de los sistemas de tea, que permitan

obtener un procesamiento adecuado, y eficiente, de los hidrocarburos gaseosos.

Con el fin de encontrar un camino, que lleve a la optimización del proceso de quema de hidrocarburos,

se optó, en primera instancia, por conocer a fondo, el sistema de tea (con el análisis de la normar API

521), que es el encargado de eliminar los gases residuales de forma segura en un proceso, que ya no

poseen valor agregado en una planta petrolera y/o de gas natural; y de esta manera, con ayuda de

estrategias de control, mejorar la calidad, tiempo y diseño del proceso.

Como segunda medida, luego de haber identificado los elementos (subsistemas) más importantes,

presentes en un sistema de tea, este se llevó a simulación, con ayuda del software de simulación

ASPEN HYSYS ®. Esto complementa, en gran medida, el proceso de asimilar el funcionamiento de

un sistema de tea, ya que permite ver, en su estado dinámico, el valor de cada variable, presente en el

sistema.

Por medio del protocolo de comunicación DDE, se logra la integración entre ASPEN HYSYS ® y

ROCKWELL AUTOMATION ®, este último encargado de facilitar las tareas de automatización del

sistema de tea, tomando en tiempo real, el estado de las variables más importantes para la

implementación de los lazos de control.

Por último, con el fin exponer estos datos de una manera visible, por medio de un HMI, además de

conocer el estado de la instrumentación relacionada, se recurre al software Proficy HMI/SCADA –

iFIX ®.

12

3 GENERALIDADES

3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Dada la naturaleza de los diferentes procesos industriales y la necesidad de estudiarlos por parte de la

comunidad académica, que se ve relacionada con los mismos, ha surgido la idea de diseñar (generar)

plataformas de simulación y automatización de procesos reales, que faciliten su análisis y creen un

entorno de entrenamiento para ejercer un control sobre ellos.

Mejorar la productividad de los procesos y por consiguiente lograr un aumento en la competitividad, se

ha convertido en un objetivo primario en la industria; para esto se busca estudiar la eficiencia de dichos

procesos y encontrar sus puntos débiles. La predicción del comportamiento del proceso, cuando es

sometido a perturbaciones frecuentes, puede llegar a ser un gran inconveniente, al momento de buscar

una solución que lleve a mejorar la productividad (Rodriguez, 2012).

Teniendo en cuenta la gran cantidad de procesos presentes en la industria, y considerando que en

muchos de ellos existen variables en común, como temperatura, presión, nivel etc., además de existir

pocas plataformas de entrenamiento de procesos industriales, con sistemas de automatización, se

adoptó como punto de partida analizar un sistema de teas.

En los últimos años los sistemas de control para los procesos representan una alternativa de solución

para tener procesos más estables al ser sometidos a perturbaciones propias de la operación de la planta,

por tanto, los nuevos diseños de platas deben garantizar mediante estrategias de control la protección de

los equipos, seguridad del proceso, calidad de productos y cumplir con las restricciones ambientales.

Desde el punto de vista teórico, la industria petroquímica debe buscar mecanismos que le permita

cumplir con los requerimientos mencionados anteriormente debido a que el mercado es tan

competitivo, la economía es un factor que está en constante cambio y las restricciones ambientales más

completas, motivo por el cual el control de procesos es un factor importante a tener en cuenta en la

industria para ser más eficientes y competitivos.

13

3.2 JUSTIFICACIÓN

Los sistemas de TEA están directamente relacionados con los procesos de quema de gas asociado y no

asociado en una refinería o gasoducto, como resultado de la extracción de petróleo crudo, utilizándose

para eliminar con seguridad los gases residuales en una planta.

Dada la naturaleza de estos procesos industriales, se busca que la comunidad educativa tenga un

acercamiento, por medio de procesos simulados con software industrial, los que servirán como

plataformas de entrenamiento y así lograr un estudio de las diferentes estrategias de control que se

podrán implementar para adecuar, mejorar, potenciar, los sistemas involucrados.

Los estudiantes de ingeniería en control y carreras afines, adquirirán destrezas y conocimientos con el

aprovechamiento al máximo de todos los recursos que ofrecen los software de simulación, de la

plataforma, identificando los procesos de automatización y control que se llevarían a cabo en un

ambiente real, en este caso un sistema de TEAS, consolidando bases sólidas mediante el desarrollo de

estrategias de control y manejo de software de simulación empleado a nivel industrial en su etapa

formativa, como lo es ASPEN HYSYS ® y Rslogix 5000, logrando mayor competitividad en el campo

laboral.

Dado que es un proyecto que involucra procesos químicos, automatización y control la base de

conocimiento desarrollada es de gran utilidad para docentes y estudiantes de ingeniería en Control y

carreras afines tanto de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, como de otras instituciones,

de educación superior que pretendan conocer, implementar o mejorar estrategias de control y

automatización en un sistema de TEAS, o similar del sector Oil & Gas, mediante una plataforma de

simulación.

14

3.3 OBJETIVOS

3.3.1 OBJETIVO GENERAL

Automatizar bajo simulación un sistema de TEAS utilizando ASPEN HYSYS ® y RSLOGIX

5000.

3.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Generar la ingeniería conceptual de la automatización de un sistema de TEAS aplicando la

normatividad nacional o internacional que rige sobre los equipos de instrumentación y

automatización presentes en el sistema.

● Documentar el proceso de simulación, automatización y procedimientos de diseño.

15

4 MARCO TEÓRICO

Para eliminar, con seguridad los gases residuales (hidrocarburos) en una planta, en los procesos de

quema de gas asociado y no asociado, los sistemas de TEA son utilizados, en una refinería o gasoducto;

siendo un sistema crítico que puede evitar, que una interrupción en la planta, acabe convirtiéndose en

un desastre. A continuación, presenta una descripción, con la disposición de los elementos principales

presentes en un sistema de TEA, valiéndose del análisis de la norma API 521.

Una planta de regasificación o refinería, está provista de sistemas de tea, para tener una segura y

eficiente gestión de los gases o líquidos liberados. El sistema que se analiza en este documento,

corresponde al esquema general que se encuentra comúnmente en las refinerías de petróleo, plantas

petroquímicas-químicas, vertederos, pozos de petróleo y gas, cerca de las plantas de gas natural y

terminales de carga (J. Crawford, 1981) (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

4.1 DESCRIPCIÓN Y EJEMPLOS DE SISTEMAS DE TEA

Una planta de regasificación o refinería, está provista de sistemas de TEA para tener una segura y

eficiente gestión de los gases o líquidos liberados. El sistema que se analiza en este documento,

corresponde al esquema general que se encuentra comúnmente en las refinerías de petróleo, plantas

petroquímicas/químicas, vertederos, pozos de petróleo y gas, cerca de las plantas de gas natural y

terminales de carga (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007) (Crawford, Flare

systems, 1981).

4.1.1 SISTEMA DE TEA

Los sistemas de TEA, se utilizan para eliminar con seguridad, los gases residuales en una planta de

procesamiento de petróleo y gas. Es fundamental en la vida de una planta tener en cuenta un sistema de

TEA, ante una situación de emergencia como un incendio o un fallo energético.

Por tanto, un sistema de TEA, hace parte de todo sistema de tratamiento de petróleo y gas, como

refinerías, estaciones de re-bombeo de gas, etc. Los sistemas de TEA se utilizan para eliminar con

seguridad, los gases residuales, que pueden generar sobrepresión, en una planta de procesamiento de

petróleo y gas. Su funcionamiento, está dirigido, al tratamiento de vapores inflamables, tóxicos o

corrosivos, para obtener ya sea, emisiones no tóxicas o concentraciones aceptables, por medio de la

combustión. Todos los sistemas de TEA, tienen un objetivo fundamental común: la eliminación segura

y efectiva de gases y partículas, teniendo en cuenta, que el diseño y operación de sistema de tea, no

deben comprometer el objetivo principal (Schwartz, White, & Bussman, 2012).

16

Es fundamental, en la vida de una planta de procesamiento de petróleo y gas, tener en cuenta un

sistema de tea, ante una situación de emergencia, como una sobrepresión o un fallo energético. En

principio, toda tea está pensada para funcionar las 24 horas del día, y dar un servicio durante varios

años sin tener la necesidad de hacer una parada y estará siempre disponible para quemar los gases de

alivio de una planta, aunque haya una parada o interrupción de la misma durante su funcionamiento

(Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

Cualquier sistema de tea debe ser diseñado para conseguir desempeñar las siguientes funciones:

Reducir a nivel de suelo las concentraciones de sustancias peligrosas (Sistema de Inertización

de Gases).

Proporcionar seguridad en la gestión y el transporte de sustancias inflamables (Sistema de

seguridad).

Reducir los compuestos volátiles orgánicos, así como las emisiones de hidrocarburos (Medida

medioambiental).

Figura 1. Diagrama real de un sistema de tea.

4.1.1.1 Esquema general del sistema de TEA

La Figura 2, representa una disposición del sistema operativo y sus componentes. La configuración del

sistema, varía con el rendimiento requerido. La selección de los tipos y cantidades de componentes,

como sus aplicaciones, debe coincidir con las necesidades particulares de la planta y sus

especificaciones (Crawford, Flare systems, 1981) (M.S. Lawal, M. Fairweather, & Gogolek, 2013).

17

Figura 2. P&ID general del Sistema de Teas (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

1. Alcantarillado agua aceitosa. 2. Tanque separador de gas y liquido.

3. Bomba accionada por vapor y

electricamente.

4. Sello molecular.

5. Gas de purga. 6. Elemento de medición de flujo.

7. Tea. 8. Linea de encendido.

9. Generador frontal de llama. 10. Desde el K.O. drum.

11. Hacia la tea. 12. Agua.

13. Vapor. 14. Desde válvula de alivio de la plana.

15. Venteo. 16. Para las instalaciones de recuperación de

aceite o al vertedero.

17. Panel de supresion de humos. 18. Control de Flujo.

19. Vapor a la boquilla para la quema sin

humo.

20. Fuente de alimentacion para encendido por

chispa.

21. Fuente de aire. 22. Combustible para pilotos y encendido.

23. Vapor para la quema sin humo. 24. Inclinación hacia el colector.

25. Metodo alternativo de sellado (sello

liquido).

LAH - Alarma de nivel alto.

LC - Control de nivel. LG - visualizador de nivel.

LV - Válvula de nivel. LSH - Interruptor de nivel alto.

PAL- Alarma de presión baja. PC - Control de presión.

PI - Indicador de presión. PSL - Interruptor de presión baja.

TI - Indicador de temperatura. TIC - Indicador y controlador de temperatura.

TV - válvula de temperatura.

18

Un sistema de TEA, se compone generalmente de los siguientes subsistemas: tanque separador de gas y

líquido (2), tanque de sello líquido (25), TEA (7), sistema de encendido (22), control de calidad de

llama (21-22), purga y manejo de aguas aceitosas (1-16) (Cheremisinoff P. , Flare gas control, 1992),

como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Sistema de tea. Fuente: autores.

4.1.1.2 TEA (Fuste)

Es un dispositivo para el quemado de los gases de desecho originados en refinerías, plantas químicas,

terminales de almacenamiento, en tuberías y facilidades de producción durante la operación normal o

en emergencias.

Desde la fuente de alimentación para encendido por chispa (20), se nutre el generador de llama frontal

(9), contando con un indicador de presión (PI). Ver Figura 4. Para el combustible de pilotos y

encendido, se inyecta combustible (22) y aire (21) para regular la cantidad de llama generada, con sus

respectivos sistemas de fuga, con válvulas de alivio de presión (negro) y válvulas de servicio. Se tienen

indicadores de presión (PI), interruptor de presión mínima (PSL) y su respectiva alarma (PAL), ambas

entradas dispuestas para funcionar junto con el generador frontal de llama (9). Un sistema de encendido

generador frontal llama (FFG), es el método más común de encendido de los pilotos del sistema de tea.

Un FFG combina la ignición del combustible y aire comprimido y esta mezcla, fluye a través de una

línea de contacto a la punta del piloto (Bader & Bellovich, 2012).

19

Figura 4. Detalle transmisor de flujo.

Por otro lado, la línea de entrada del vapor (18) para la quema sin humo, está controlado por una

válvula de que regula el flujo del mismo (FV), tomando como referencia lo proveniente del tanque de

separación (6). Los trasmisores de flujo (FT), así como la válvula de flujo, se comunican mediante

señales neumáticas al Controlador Registrador de Flujo (FRC). En la entrada de vapor para la quema

sin humo (23), cuenta con una válvula de control adaptable a cualquier variable (XCV).

Un estudio realizado en la planta de procesamiento de gas de South Pars (Mehdi Davoudi. Abbas

Aleghafori, 2014), revela la importancia de la clasificación de la zona de fuego, para definir la carga

máxima de la quema, así como el consumo de combustible de gas, el cálculo hidráulico del cabezal de

la TEA y la radiación de la misma.

En cuanto al diseño, se tiene en cuenta el aislamiento eléctrico (Electrical Installations in Petroleum

Processing Plants, April 1999), la altura de la llamarada, su ubicación, la quema de materiales tóxicos

(Cheremisinoff P. , Flare gas control, 1992), la estabilidad de la llama (M. Riese & Kelso, 2007)

(Ronquillo-Lomeli, Romero, & Yao, 2015), el uso de dispositivos de reducción de purga (Shore, 1996),

entre otros.

20

4.1.1.3 Sistemas de encendido

La automatización se ha convertido en un aspecto cada vez más importante de procesamiento de gas y

petróleo, mejorado la eficiencia del proceso, además proporciona los medios para utilizar plenamente

las capacidades mecánicas de los equipos en todo momento y para ejecutar el proceso en sus puntos

más eficientes de una manera estable y fiable.

Para la mayoría de las operaciones del sistema de tea, una liberación de gases residuales puede suceder

en cualquier momento y con poco aviso. Como resultado de estos eventos liberación repentina, se

requiere un sistema de encendido integrado que inmediatamente y de forma fiable puede encender la

tea. En principio, todas las teas deben tener una llama piloto continua para asegurar una combustión

fiable. Esto es especialmente cierto de las refinerías, petroquímicas, y teas de campo de producción, ya

que son por lo general un dispositivo de seguridad necesario para el funcionamiento en todo momento.

(Bader & Bellovich, 2012).

Figura 5. Esquema del piloto (Bader & Bellovich, 2012).

El sistema de encendido sistema debe prender de una manera fiable el piloto o los pilotos. La aparición

de la llama se discute en términos de los campos de temperatura instantánea y media. Algunos puntos

de referencia sobre las propiedades del material inflamable incluyen la temperatura punto de

inflamación (R.W.Gustafson & V.L.Nealy, 1953) (FPT), temperatura de ignición (TI), la temperatura

de auto-ignición (AIT), la energía mínima de ignición (MIE), el límite inferior de inflamabilidad (LFL)

y el límite superior de inflamabilidad (UFL) (M.S. Lawal, M. Fairweather, & Gogolek, 2013) (ZHU

21

Changlong & JIANG Juncheng, 2012). Hay cuatro tipos comunes de sistemas de encendido empleados

para prender los pilotos de una TEA:

Encendido por chispas en el quemador del piloto (electrodo)

Encendido por chispa de una porción de la mezcla aire/combustible del piloto previo al quemador

del mismo.

Generador de frente de llama de aire comprimido.

Generador de frente de llama auto aspirante.

Uno de los métodos de ignición, es utilizando la descarga de chispa, con el fin de proporcionar

condiciones iniciales en el área local. La combustión comprende tres pasos temporales, a saber: 1) de

encendido; 2) estabilización de la llama; y 3) la terminación de la reacción; dichos pasos se ejecutan en

el fondo de resplandor de descarga, es decir, en la etapa temporal cuando la corriente de chispa cesa y

sólo descargar fenómenos residuales (onda de choque, descarga de plasma residual, gas calentado,

etc.).

Figura 6. Tubo de tea típico (Crawford, Flare systems, 1988).

Cuando un tubo de tea, se va a utilizar para la ventilación repentina de grandes cantidades de gas, el

encendido del piloto debe ser totalmente fiable. Esto requiere, una cuidadosa colocación de los pilotos,

22

y supone la consideración del diámetro de la llamarada, el tipo de flama y el rango de flujo sobre el que

va a ser usado. La posición óptima para los pilotos, da por tanto, máxima seguridad de encendido y

aumenta la vida de la punta del piloto, esto puede variar de una tea a otra. (Crawford, Flare systems,

1988). La Figura 6 y la Figura 7, muestran arreglos típicos de tubos de tea.

Figura 7. Tubo de tea básico (Crawford, Flare systems, 1988).

El papel de la descarga, en la etapa de encendido, es para calentar el gas a alta temperatura y generar

radicales químicamente activos (𝑂, 𝐻, 𝑂𝐻, etc.), que se relacionan con la oxidación del combustible

(Yury D. Korolev & Matveev, 2006). Esto significa, que la descarga de chispa, se utiliza para el

encendido solamente, y no para la estabilización de la llama, ni el proceso de combustión.

Una combustión fiable de un piloto, comienza con el sistema de encendido. Como una consideración

de seguridad, el encendido del piloto se inicia generalmente desde una posición alejada de la boquilla

de la tea, a menudo en la base del fuste o a una distancia determinada distancia, basada en la liberación

de calor esperado, en un acontecimiento quema (Bader & Bellovich, 2012).

23

4.1.1.4 Sistemas de control

Controlar y optimizar la combustión, ayuda a mejorar el funcionamiento, garantiza la estabilización de

la llama, y reduce la emisión de contaminantes. Varios estudios se ha realizado teniendo cuenta algunos

gases presentes en la operación, como el metano, con el fin de analizar el fenómeno de “flashback”,

teniendo en cuenta datos, como velocidad tangencial de entrada al quemador y la turbulencia generada

(Boushaki, Saute, & Labegorre, 2009), además que la infiltración de aire en un sistema de tea, puede

conducir al quemado en retroceso de llama, que a su vez podría iniciar una detonación destructivo en el

sistema. Por ejemplo, el control de combustión avanzada (CAC) fue desarrollado como un controlador

de combustión de última generación para las calderas de carbón pulverizado (Havlena & Findejs,

2005).

Una tea, se espera que funcione correctamente, durante condiciones irregulares y en mal

funcionamiento de los sistemas de control, que tienen impacto en toda la planta, incluyendo falla de

energía y la falta de aire de instrumentos. Por lo tanto, los controles de sistemas de quemadores, se

deben utilizar con discreción, para asegurar que la tea, continué operando de forma segura, incluso si

sus controles fallan. Dichos controles, pueden ayudar a proporcionar un rendimiento eficaz sin humo,

funcionamiento silencioso, y otras características deseables durante el funcionamiento normal del día a

día (Schwartz, White, & Bussman, 2012).

Por naturaleza, se asocia inmediatamente la llama con el calor. El calor puede ser medido en el extremo

de la punta del piloto con un termopar, que es el método de detección más común. El termopar está

conectado a un interruptor de temperatura o un sistema de control que indica la temperatura del piloto.

Un fallo en la llama, se indica si la temperatura desciende por debajo de un punto determinado. Los

puntos de ajuste de falla piloto típicos, oscilan entre 300 ° F-600 ° F (150 ° C-320 ° C) (Bader &

Bellovich, 2012).

Un sistema de control, confirma que los pilotos están encendidos, esto es a menudo confundido con la

simple confirmación de que la llama está presente. Si los pilotos están encendidos y se libera un

volumen de gases inertes, la llama de la tea se extinguirá sólo mientras el gas inerte esté siendo

descargado. Si los pilotos no están prendidos porque han fallado, la tea puede permanecer apagada

durante un extenso período de tiempo. Por consiguiente, es importante confirmar la presencia de ambas

llamas: llama principal y piloto(s) (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

Cuando una llama piloto está ardiendo, tanto la luz visible como energía infrarroja se emiten. Una

cámara de infrarrojos, diseñada especialmente montado a nivel del suelo se puede utilizar para control

de la llama. La mayoría de los combustibles piloto producen una llama de baja luminosidad, debido a la

mezcla de gas en la punta piloto, que contiene cerca de 100% del aire requerido por el combustible.

Como resultado, puede ser muy difícil ver una llama piloto durante el día con el ojo humano o sistema

óptico (cámara) estándar. La visualización de la noche es generalmente más exitosa. Si el piloto se

enciende utilizando un generador frontal de llama (FFG) convencional, la apertura de la válvula de

combustible de la FFG puede mejorar avistamiento visual, de día o de noche (Bader & Bellovich,

2012).

La energía liberada en la quema además de generar calor y radiación de luz, también genera ruido. Por

tanto, el sonido también se puede utilizar como un método de monitorización. Estos tipos de sistemas

utilizan una línea de encendido como una guía de ondas para llevar el sonido desde el piloto, al grado

24

que se ha instalado un sensor especial para detectar una firma acústica específica producida por el

piloto cuando se quema.

Figura 8. Piloto de monitoreo acústico (Bader & Bellovich, 2012).

Los datos acústicos se transportan desde el sensor a un procesador de señal, a través del cual se

analizan los datos acústicos e indican el estado de la llama en el piloto (Bader & Bellovich, 2012).

Sistema de antirretorno de llama. 4.1.1.4.1

Es un sistema de prevención del retorno de llama, hacia el interior del quemador, funciona mediante la

inyección de una corriente de vapor hacia el interior del mismo, que desplaza así la llama hacia el

exterior del cuerpo de dicho quemador. La detección del retroceso de llama, puede lograrse alojando un

sensor de temperatura adecuado en el interior del quemador (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007) (Shore, 1996).

Varios estudios como, el de la eficacia de usar medidores ultrasónicos en el monitoreo de un gas de tea,

gracias a su alto rango de medida y rápida respuesta se han realizado teniendo cuenta algunos gases

presentes en la operación, como el metano, con el fin de analizar el fenómeno de “flashback”

(Mylvaganam, 1989), teniendo en cuenta datos como velocidad tangencial de entrada al quemador y la

turbulencia generada, además de la geometría propia del quemador y la el gas de purga (Syred, Giles, J.

Lewis, & Abdulsada, 2014).

Se han precisado dos tipos de antirretorno. En el primer tipo de retroceso de la llama, se propaga aguas

arriba dentro de una ya, presente zona de recirculación axial. Este retroceso es causado por la quema

turbulenta a lo largo del eje del vórtice (TBVA - Turbulent Burning along the Vortex Axis) y es

controlado por extinción de la llama dentro de la zona de recirculación. El segundo tipo de retroceso es

causado por la combustión inducida de vórtice de ruptura (CIVB - Combustion Induced Vortex

Breakdown). Este tipo de retroceso se caracteriza por la influencia aerodinámica de la liberación de

25

calor de combustión que conduce a la propagación de la zona de recirculación axial y la llama en la

dirección aguas arriba (G. Blesinger & R. Koch, 2010).

Figura 9. Ilustración de la llama (luminiscencia), mezclando tubo (línea blanca) y la zona de recirculación (blanco, línea de trazos)

para diferentes condiciones de operación: (a) llama estable de bajo nivel remolino, (b) de la llama después de flashback (similar

para retroceso causada por CIVB y un retorno de llama causada por TBVA) y (c) llama estable de alto nivel de turbulencia (G.

Blesinger & R. Koch, 2010).

Sistema de supresión de humos. 4.1.1.4.2

Es el sistema que inyecta aire (en ubicaciones como desiertos) o vapor (donde haya disponibilidad de

agua y vapor en planta) en el quemador, con el fin de inhibir la producción de humo por parte de la

combustión de la llama (Srinivasarao & Krishna, 2014).

Hay situaciones en las que se requiere que las llamas sean sin humo, es decir, se espera que en el día a

día, en el proceso de liberación de gases por parte del sistema, no se liberen humos, normalmente esto

sucede como máximo para el 20% del total de los gases liberados, pero en algunas zonas

medioambientalmente sensibles, se requiere una supresión de humos del 100%, o incluso una sistema

de TEA, de llama oculta (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007) (Cheremisinoff

P. , Flare gas control, 1992).

Varios estudios, como los realizados en el delta del Níger, evidencian la cantidad de carbono que se

libera a la atmósfera a causa de la combustión incompleta de combustibles fósiles, (Giwa, Adama, &

Akinyemi, 2014) (Hassan & Kouhy, 2013) (Al-Salem, 2015) lo que hace necesario la implementación

de estos sistemas de supresión de humo, pasando también por políticas que ayuden a controlar las

emisiones de dióxido de carbono (Evans & Roshchanka, 2014) (Loe & Ladehaug, 2012) (Johnson &

Coderre, 2012).

Todo lo relacionado con los instrumentos que hacen parte de los sistemas de seguridad, en cuanto a su

ubicación, consideraciones, condiciones de operación, podrán ser revisados a detalle en la API 14.10

sección 10 (Standars, july 2007).

26

4.1.1.5 Sistema de automatización

Las primeras plantas de procesamiento de gas fueron típicamente controladas manualmente para

satisfacer sus requisitos operativos. Con el tiempo sistemas de control neumáticos se adoptaron

rápidamente, permitiendo el uso de controladores proporcional, integral y derivativo (PID) para enviar

salidas analógicas para el control de válvulas y así poder cambiar su apertura (Poe & Speigh, Gas

processing plant controls and automation, 2006).

Con el desarrollo de controladores electrónicos (Anisi, Persson, & Heyer, 2011), se fueron mejorando

los procesos hasta el punto de convertirse en norma, debido a su mayor fiabilidad, a que incluyen

menos piezas para el mantenimiento en movimiento; el uso de alambre (en lugar de tubo neumático)

con electrónica para neumática (I/P de corriente a presión), transductores añadidos en las válvulas de

control, pudiendo añadir sensores de proceso, tales como temperatura, presión, nivel, e indicadores de

flujo (Parisher & Rhea, Piping Systems, 2012).

La conciencia del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero se ha traducido en el

desarrollo de nuevas tecnologías con bajas emisiones y tecnologías que pueden acomodar la captura y

retención de dióxido de carbono. La evolución de los sistemas de control ha seguido un patrón general

de paso a paso, cambio de manual a control automático de la siguiente manera: (i) La mecanización en

la que la energía humana es reemplazada por una fuerza mecánica y (ii) La centralización en el que la

potencia mecánica es controlado a distancia desde un punto central de control, (iii) la integración en la

que el elemento humano se elimina completamente y los instrumentos y sensores, ayudan a regular y

ajustar la potencia mecánica, para adaptarse a la condición requerida de operación (J. Flack & Bennett,

AUTOMATIC CONTROL OF OIL-FIRED MARINE BOILERS, 1969).

La capacidad de recoger y almacenar una gran cantidad de datos, en un disco es una ventaja clave, de

las plataformas de automatización basadas en microprocesadores. Aun así, varios fabricantes se han

especializado en el desarrollo de historiadores, para almacenar y analizar datos de manera más eficiente

y efectiva. Estas soluciones incluyen los siguientes (Poe & Speigh, Gas processing plant controls and

automation, 2006).

Gestión de mantenimiento computarizado.

Generación de órdenes de trabajo.

Mantenimiento predictivo.

El rendimiento del circuito de regulación y puesta a punto.

El equipo de vigilancia de la salud en línea.

Supervisión del rendimiento del proceso.

Con el tiempo sistemas de control neumáticos se adoptaron rápidamente, permitiendo el uso de

controladores proporcional, integral y derivativo (PID), para enviar salidas analógicas para el control

de válvulas y así poder cambiar su apertura. Esto contribuyó al desarrollo de controladores lógicos

programables (PLC’s), teniendo gran aceptación, con una funcionalidad más amplia, ya que involucran

señales de entrada y de salida, que facilitan el control dentro del proceso. Una interfaz hombre-máquina

(HMI) es muy recomendable para monitorear las actividades del PLC (Poe & Speigh, Gas processing

plant controls and automation, 2006).

27

Figura 10. Captura de pantalla del panel frontal RSView32 de proceso en cascada (Sangeetha, Naveenkumar, & Ganesh, 2012).

Si el sistema está realizando el seguimiento y control de un proceso o una instalación, se conoce como

un control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) ofreciendo una representación gráfica de los

parámetros del proceso por medio de una interfaz GUI, por ejemplo (Sangeetha, Naveenkumar, &

Ganesh, 2012). Con el fin de automatizar una refinería de petróleo y minimizar la intervención humana,

existe una necesidad de desarrollar un sistema SCADA que controla la planta y ayuda a reducir los

errores causados por los seres humanos (Morsi & El-Din, 2014).

Mientras que el SCADA supervisa el sistema, PLC se utiliza para el almacenamiento interno de

instrucciones, para implementar funciones tales como la lógica, la secuenciación, temporización,

recuento y aritmética, para controlar varios tipos de procesos de la máquina a través de los módulos de

entrada digital y analógico/salida.

28

Figura 11 Unidad de interfaz gráfica de usuario, de proceso de destilación, cuando está en el modo de paro (Morsi & El-Din,

2014).

La Figura 11, muestra la interfaz gráfica de usuario, cuando la unidad de destilación (P-04) está en el

modo de ejecución (P-04). El estado vaporizado del petróleo crudo es evidente dentro de (T-01). (FV-

03) muestra la indicación de que está abierto en un 75%. (TT-01) mide la temperatura de la producción

de petróleo crudo a partir de (E-01), que es 300 ° C. (TT-02) mide la temperatura de la producción de

petróleo crudo a partir de (H-01), que es 700 ° C. (TT-03) mide la temperatura del gas de salida de (T-

01), que es 30 ° C. (TT-04) mide la temperatura de la salida de nafta a partir de (T-01), que es 40 ° C.

(TT-05) mide la temperatura de la producción de gasolina a partir de (T-01), que es 70 ° C. (TT-06)

mide la temperatura de salida de queroseno a partir de (T-01), que es 120 ° C. (TT-07) mide la

temperatura de la salida de Diesel (T-01), que es 200 ° C (Morsi & El-Din, 2014).

4.1.2 SISTEMAS DE SEGURIDAD

Los sistemas de seguridad en una TEA, tienen por función evitar el ingreso de oxígeno, hacia el interior

de la misma y aguas arriba, e impedir así fenómenos de retroceso de llama (flashback), riesgos de

explosión por presencia de dos de los elementos del triángulo de fuego, combustible y comburente

(Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007). En cuanto al alivio de presión, aunque

los discos de ruptura no vuelven a su estado inicial, como lo pueden hacer las válvulas, para controlar

la presíon (Parisher & Rhea, Valves, 2012) (Ram K. Goyal & Essa G. Al-Ansari, 2009), se pueden

instalar junto con estas últimas, ya que están diseñados para aliviar a 1.5 veces la presión de trabajo,

bajo estrictas condiciones de temperatura y corrosión (Cheremisinoff & Rosenfeld, The petroleum

industry, 2010).

29

4.1.2.1 Quemadores

La combustión eficiente de un combustible líquido, a granel, no es posible. Una mezcla íntima del

combustible y el aire, o fuente de oxígeno de combustión, se requiere. Para lograr esta mezcla, requiere

atomizar el líquido en cantidad de gotas pequeñas para aumentar el área de superficie para la

vaporización y la mezcla con aire. La estabilización de la llama de aceite es una consideración

primordial a la hora de diseñar un quemador de aceite. En quemadores de la zona de operaciones de

caída de presión baja, se utiliza un estabilizador mecánico. (Chung, Londerville, Claxton, & Jonhson,

2012).

Figura 12. Quemador de llama, de tipo cono de estabilizador (Chung, Londerville, Claxton, & Jonhson, 2012).

La función de un estabilizador mecánico, es de servir como un cuerpo de obstrucción en el flujo de aire

de combustión, creando zonas de recirculación. Esta circulación se renueva continuamente, mantiene la

quema continua y da como resultado una llama estable (Chung, Londerville, Claxton, & Jonhson,

2012).

Hay muchos tipos de quemadores disponibles para la operación continua; variable en amplios rangos

de carga y estos, se agrupan generalmente de acuerdo con el método de atomización de la siguiente

manera:

Chorro de presión.

Rotario.

De vapor o aire.

Debido a que en las plantas de procesamiento de hidrocarburos y en las plataformas de petróleo y gas,

los sistemas de quemadores se utilizan como parte del sistema de seguridad y que en caso de una

situación de emergencia, todo el gas almacenado en la planta (o plataforma) podría ser descargado al

sistema de tea (Bjørge & Bratseth, 1996), la selección del quemador más adecuado, se basa

30

generalmente en el servicio y el coste implicado; pero en muchos casos es más difícil de pronosticar las

ventajas de un mismo tipo sobre otro, en cuyo caso se convierte en gran medida una cuestión de

elección individual o preferencia (J. Flack & Bennett, WIDE-RANGE BURNERS, 1969).

Algunos temas, como la selección de la altura y ubicación de las teas elevadas; la quema de materiales

tóxicos o nocivos; estabilidad de la llama como la influencia de la composición del gas y los

procedimientos operativos, son críticos respecto a su impacto en la seguridad. (Shore, 1996), Estudios

sobre el flujo de la llamarada, identificando su inestabilidad, por vibración al interior de conducto como

componente crítico de la combustión, ayudan de igual manera a controlar y mejorar los procesos de

quema desde el punto de vista mecánico natural del propio sistema (M. Riese & Kelso, 2007). Así

mismo, la quema de materiales inestables o peligrosos; purga y el uso de dispositivos de reducción de

purga, han de ser tenidos en cuenta.

Las mediciones de flujo de calor de radiación en las llamas de las teas, son entonces un indicador

determinante para optimizar la combustión de la llama. En las plantas de procesamiento de

hidrocarburos y en las plataformas de petróleo y gas, sistemas de quemadores se utilizan como parte

del sistema de seguridad. En caso de una situación de emergencia todo el gas almacenado en la planta

(plataforma), podría ser vertido al sistema de tea (Bjørge & Bratseth, 1996).

4.1.2.2 Válvulas

La mayoría de los sistemas de teas se componen de múltiples válvulas de alivio, que desembocan en un

colector de tea o de cabecera, del sistema común. Un elemento clave que influye en el diseño del

sistema de la tea, es la contrapresión de una válvula de alivio permisible (Schwartz, White, & Bussman,

2012). Las válvulas de seguridad, están diseñadas para liberar la presión excesiva que se acumula en

los equipos y sistemas de tubos. Para evitar mayores daños a los equipos, y lo más importante, lesiones

a los trabajadores, las válvulas de alivio pueden liberar presiones elevadas antes de que lleguen al

extremo de la tea (Parisher & Rhea, Valves, 2012).

Los tanques de proceso típicos, están previstos de una válvula de alivio de presión (PSV), para aliviar

la presión interna del tanque que se crea por encima de su presión de trabajo de diseño.

Figura 13. válvula de alivio de presión (Nolan, 2011).

31

Esto con el fin de proteger el tanque de las sobrepresiones generadas, por las condiciones del proceso.

Las válvulas de seguridad de presión (PSV), son típicamente dimensionados para activarse al 121% de

la presión de trabajo, para las condiciones extremas, y 110% de la presión de trabajo para, condiciones

no extremas, y sólo para evitar sobrepresiones, no para aliviar las presiones de operación (Figura 13).

En la mayoría de las operaciones de las instalaciones de proceso, el gas y el vapor, tienen que ser

eliminados de forma segura, rápida y sin impacto ambiental. Cuando el gas o vapor, no pueden ser

convertidos a energía útil, se dirigen a un punto remoto, para la incineración segura, llamada: quema

(Nolan, 2011).

El control de vapor fiable, es una parte importante de la estrategia de supresión de humo para teas

asistidas por vapor. El sistema de control de vapor más simple consiste en una válvula manual que un

operador utiliza para ajustar el flujo de vapor a la boquilla de la tea. Durante la operación de muchas

plantas de la industria de hidrocarburos, existe la necesidad de controlar las condiciones del proceso,

por los gases y/o líquidos de ventilación. En circunstancias de emergencia, válvulas de seguridad

actúan automáticamente para limitar los equipos de sobrepresión (Schwartz, White, & Bussman, 2012).

En una refinería moderna, la quema de hidrocarburos a la atmosfera, involucra en su recorrido una

unidad de tubo colector, el cual se dirige a un encabezado de alivio, que se encuentra conectado al

sistema de tea, ya que solamente a través de válvulas de alivio de presión (PVR, siglas en inglés), no

está permitida la descarga, por los lineamientos ambientales (Ram K. Goyal & Essa G. Al-Ansari,

2009).

Los parámetros de caudal y presión, son determinantes al momento de calcular, el sistema de alivio que

colabora con el sistema de tea, para la quema.

El caudal, nivel, presión y temperatura de todos los productos que se procesan deben ser monitoreados,

ajustados, y regulados, para mantener una instalación segura, eficiente y rentable. Las presiones y

temperaturas que se les permite elevar sin control a niveles extremos pueden llegar a ser mortales.

Las válvulas, pueden controlar no sólo el flujo, sino también la tasa, el volumen, la presión y la

dirección de un fluido dentro de un tubo. En la selección de las válvulas de alivio individuales que

protegen los equipos, proceso o sistema, es una práctica común, no tener conocimiento de ninguna

acción inmediata del operador, o la acción de los dispositivos de mitigación. Para manejar las descargas

PVR, de una unidad o en la totalidad de la refinería, teniendo en cuenta, los estándares API RP – 520

(sobre el dimensionamiento, selección e instalación de los dispositivos de alivio de presión) y RP 521

(de alivio de presión y sistemas de despresurización) (Pressure-relieving and Depressuring Systems,

January 2007). La Figura 14, muestra las partes de una válvula de alivio.

32

Figura 14 . Válvula de alivio (Parisher & Rhea, Valves, 2012).

Un correcto dimensionamiento de las válvulas de alivio, ayuda a proteger el equipo, proceso o sistema

al cual estén relacionadas. Una presión excesiva puede ser causada cuando se altera un proceso, un mal

funcionamiento del instrumento o equipo falla. El punto de ajuste, para la descarga del dispositivo de

alivio de emergencia, está determinado por criterios de la ASME, Código de Calderas y Recipientes a

Presión, Sección VIII. ANSI/ASME Código B31.3.

Los varios factores que deben ser considerados en el diseño de un sistema de alivio de presión son:

el código de gobierno, tales como, la de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos

(ASME);

las características de los dispositivos de descompresión;

la presión de diseño del equipo protegido por los dispositivos de descompresión;

tamaños y longitudes de línea;

las propiedades físicas del material a ser aliviado al sistema (Cheremisinoff & Rosenfeld, The

petroleum industry, 2010).

4.1.2.3 Disco de ruptura

Por su parte, un disco de ruptura, es un dispositivo de ayuda de emergencia que consiste en un

diafragma de metal fino cuidadosamente diseñado para romperse a una presión predeterminada

(Parisher & Rhea, Valves, 2012) (Ram K. Goyal & Essa G. Al-Ansari, 2009). La diferencia obvia,

entre un alivio o válvula de seguridad y un disco de ruptura es, que la válvula vuelve a su estado inicial

33

mientras que el disco, no lo hace. Los discos de ruptura se pueden instalar en paralelo o en serie con

una válvula de alivio (Figura 15). Un disco de ruptura es generalmente diseñado para aliviar a 1,5 veces

la presión de trabajo. bajo estrictas condiciones de temperatura y corrosión (Cheremisinoff &

Rosenfeld, The petroleum industry, 2010). Al determinar el tamaño de un disco, tres efectos

importantes que deben ser evaluados son de baja presión de rotura, las temperaturas elevadas, y la

corrosión (Cheremisinoff & Rosenfeld, The petroleum industry, 2010).

Figura 15. Montaje de válvula de control y disco de ruptura (Schwartz, White, & Bussman, 2012).

4.1.2.4 Gas de purga.

El gas de purga a menudo se inyecta en el sistema de tea, para evitar el ingreso de aire a través de la

salida del fuste. Todos los sistemas de TEA, son susceptibles de sufrir fenómenos de retroceso de llama

(flashback), si no están apropiadamente purgados, generando la infiltración de aire (oxígeno), aguas

arriba de la TEA, a través del quemador.

34

Figura 16. Ubicación del sello molecular, en la tea (Cheremisinoff P. , Flare gas control, 1992).

Para evitar esto último, el sistema, en su operación normal, debe estar continuamente purgado. Un sello

molecular, se puede instalar dentro, o inmediatamente debajo del quemador (Figura 16), como

dispositivo de conservación de la purga, con el fin de reducir la cantidad de consumo de gas de purga

(Schwartz, White, & Bussman, 2012).

Figura 17. Sello molecular (Schwartz, White, & Bussman, 2012).

El sello molecular (ver Figura 17), gracias a su vaso invertido incorporado, provoca a través de 2

cambios de sentido de flujo del gas de purga, un sello que impide el paso de aire. Dicho sello es el

35

tapón creado con el gas de purga, más ligero o más pesado que el aire, de tal manera que el mismo no

pueda ser desplazado por el aire (Nolan, 2011).

Como el gas fluye hacia arriba a través del tubo ascendente, que se dirige a través de dos giros en

retorno 180 °, formando así, espacios en los que son atrapados, gases más ligeros o más pesados que el

aire, con un peso molecular de 28 o menos (por ejemplo, 𝑁2 o 𝐶𝐻4). La diferencia de densidad entre el

gas de purga de aire atrapado, forma una barrera al movimiento del aire (Schwartz, White, & Bussman,

2012), y debido a la flotabilidad del gas de purga, se crea una zona que tiene una presión superior a la

atmosférica.

El aire ambiente, no puede entrar en tubo ascendente debido a esta alta presión (Cheremisinoff P. ,

Flare gas control, 1992). La velocidad de purga, recomendada a través del sello molecular, es de

aproximadamente 3 𝑐𝑚 / 𝑠. (Shore, 1996) (Syred, Giles, J. Lewis, & Abdulsada, 2014).

4.1.2.5 Tanque de sello líquido.

Aunque la cuestión de fondo es la prevención de flash-back, los 'sellos' no son supresores de llama y no

deben ser considerados como equivalentes. Un supresor de llama funciona de forma pasiva mientras

que un 'sello' debe ser purgado adecuadamente para tener algún efecto. Como los dispositivos de sello,

agregan caída de presión en el sistema global, el dimensionamiento y la selección del equipo se

convierte en una parte integral del sistema de dimensionamiento (Shore, 1996).

Figura 18. Tanque de sello líquido (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

Un sello líquido, es una contra-columna de agua, situada en la parte inferior de la TEA (después del

KO-drum si lo hubiera, y antes de la entrada a la TEA), que evita la entrada de aire, aguas arriba de

dicho sistema de TEA (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007) (Crawford,

Oil/water separators, 1981).

36

La Figura 18, muestra la instrumentación que lleva un tanque de sello líquido, Cuenta con una

indicador de presión (PI); un visualizador de nivel (LG); una válvula de control adaptable a cualquier

variable (XCV); dos lazos de control, claramente definidos, uno de nivel (LC), son su válvula de

control de nivel (LV), que ayuda a mantener el nivel educado; y otro de temperatura, representado con

un control indicador de temperatura (TIC), con su válvula de control (TV), para garantizar que el

líquido, no se evapore fácilmente y mantenga en funcionamiento el sello. Además, se aprecia el drenaje

con conexión rápida en la parte inferior del tanque indicado con el número 1 y la salida hacia la tea,

identificada con el número 11. La entrada del producto, proveniente de los tanques separadores de agua

y líquido, se aprecia en el número 10 (Figura 18).

El visualizador de nivel (LG), consiste en un tubo de vidrio con su extremo inferior conectado al tanque

generalmente mediante tres válvulas (dos de cierre de seguridad en sus extremos, para impedir el

escape de líquido en caso de la rotura del cristal y una de purga). El nivel de vidrio permite, sólo una

indicación local. Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido

pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel.

Para evitar la entrada de aire, es necesario que la altura referente a la elevación del colector de gases a

tea, la densidad, así como la cantidad de líquido de sellado dentro del tanque, sean suficientes para

evitar que el sello se rompa como resultado del vacío formado en la cabecera de tea. Si es necesario

tener el sello de entrada de líquido, a cierta altura por encima de la elevación colector de tea, entonces

el cabezal de la tea tendrá una pendiente para evitar puntos bajos (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007).

La válvula LV, varía el flujo de agua, numero 12 (Figura 19), de acuerdo a lo dictaminado por el

controlador de nivel (LC), ubicado en la parte superior del diagrama. También cuenta con válvulas

normalmente abiertas, a la entrada y salida de la misma, al mismo tiempo viene acompañada de

válvulas de compuerta cerradas, para generar vías de escape, dada alguna eventualidad, tanto de la

misma válvula LV como del sistema; todo esto para facilitar labores de mantenimiento.

Figura 19. Detalle lazos de control sello líquido.

37

En la misma disposición, La válvula TV varía el flujo de vapor de acuerdo a lo dictaminado por el

controlador de temperatura (TIC), ubicado en la parte inferior del diagrama, que además muestra la

temperatura en determinado instante.

Las finalidades del tanque del sello líquido, en un sistema de TEA son las siguientes:

Operar como un mecanismo de retención, para evitar la comunicación del colector de llama y la

atmósfera durante el modo stand-by.

Operar como una válvula de seguridad de presión, evitando el flujo de gas desde la entrada a la

TEA a la descarga en sello hidráulico, hasta alcanzar cierta presión aguas arriba,

frecuentemente predeterminada, evitando así flujos pulsa-torios.

Otro ejemplo de tanque de sello, se muestra en la Figura 20. Actúa como un tanque K.O. final o

secundario y, como tal, debe ser diseñado basado los mismos principios que un tanque de decantación

vertical.

Un dispositivo de desnatado de aceite debe incluirse también en el diseño, lo que permite la

eliminación de cualquier hidrocarburo líquido que se condensa a medida que pasa a través del sello

líquido. El dispositivo de desnatado se puede conectar a un drenaje de libre flujo.

Figura 20. Tanque horizontal de sellado (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

1. Para la TEA

2. Colector de gases.

3. Válvulas para monitorear hidrocarburos.

4. Venteo.

5. Hacia el vertedero.

6. Suministro de agua.

7. Vertedero sumergido al final de la línea del colector.

8. Nivel de agua.

38

9. Deflector.

10. Drenaje

a El sello del alcantarillado debe ser diseñado como mínimo para un 175% de la presión

máxima de funcionamiento del tanque.

La entrada marcada con el número 6, viene apoyada con un indicador de flujo, para conocer la cantidad

de agua que ingresa al tanque, en medio de un par de válvulas normalmente abiertas, en paralelo con

una válvula d servicio, normalmente cerrada. Por 2, ingresan los gases provenientes del KO drum.

Internamente incluye deflectores (9) contra-chapoteo, que actúan para amortiguar las fluctuaciones de

presión creada por el movimiento del líquido en el tanque, acompañado del método de drenaje (10).

4.1.2.6 Tanque separador o KO Drum

Los separadores se pueden clasificar de varias maneras, dependiendo de las fases que separan, de la

forma, de la posición, de la utilización o condiciones de trabajo, entre otros. En cuanto a las fases

que separan pueden ser bifásicos o trifásicos; serán bifásicos si solamente separan gas y líquido, y

trifásicos si separan gas, petróleo y agua (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007)

(Nolan, 2011).

Figura 21. Tanque separador de gas y líquido (KO drum) (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

La Figura 21, muestra las partes básicas de un tanque separador de gas y líquido. (1) es la entrada de lo

que proviene de la planta; (2) representa un instrumento de nivel para indicar el volumen de líquido

presente en el tanque; (3) representa el mínimo espacio de vapor, para la descarga; (4) simboliza la

retención de líquido en la válvula de seguridad y otras descargas de emergencia; (5) caracteriza la

inclinación para el drenaje de líquido; (6) es la salida para los gases dirigidos a la tea.

Normalmente se utilizan para eliminar los líquidos de corrientes de gas, que fluyen hacia la tea. No

sólo deben estar diseñados para recoger los líquidos que corren a lo largo de la parte inferior de la

tubería, sino también para desacoplar las gotas de líquido arrastradas en la corriente de gas. En la API

RP 521 (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007), se proporciona una guía para la

39

recolección de partículas de líquido, que debe ser eliminado antes de enviar gas a la boquilla de la TEA

para quemar (Nolan, 2011).

En la Figura 22, se muestra los instrumentos que debe tener un Tanque K.O. Cuenta con un indicador

de presión (PI), un indicador de temperatura (TI), visualizador de nivel (LG), un controlador de nivel

(LC), además cuenta con un interruptor de nivel alto (LSH), una alarma de nivel alto (LAH) y una

válvula de control (XCV).

Figura 22. Instrumentos de medición en Tanque K.O. (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

Con el control de nivel se regula el flujo del vapor para la quema sin humo neumáticamente, como

suministro, para la bomba (3), que se acciona eléctricamente, Figura 23.

Figura 23. Detalle control de nivel, KO Drum.

Existen dos conexiones rápidas, que dan la posibilidad de integrar válvulas de control. Con un drenaje,

se distribuye el aceite resultante a las instalaciones de recuperación (16) o a un vertedero, Figura 23.

Al tanque ingresa lo proveniente de la válvula de alivio del cabezal (14), con inclinación a la entrada.

También ingresa vapor (13). Posee una alarma de nivel alto, junto al vidrio de nivel. Cuenta también

40

con un respiradero (15) y de un indicador de presión, así como de un indicador de temperatura (Nolan,

2011), Figura 24.

Figura 24. Detalle tanque KO.

4.1.3 AGUAS ACEITOSAS

A menudo son pasados por alto, los sistemas de agua juegan un papel importante en la operación

exitosa de un sistema de tea. Los sistemas de agua pueden incluir agua de refrigeración, agua de

calderas y agua del sistema de tea.

Las alcantarillas de aguas aceitosas, recogen residuos de petróleo y los residuos de compresores,

bombas y otros equipos, como el tanque de sello líquido. Cada producto y requiere un tratamiento

especial y por lo tanto debe ser enviada a las diferentes instalaciones de tratamiento. Debido a que son

de flujo por gravedad, estos sistemas se fabrican generalmente, utilizando tubos con un diámetro no

más pequeño que 4". Muchas líneas, no relacionados con los sistemas de alcantarillado, se encaminan,

ya sea total o parcialmente, por debajo de la tierra. A pesar de que ambos se colocan debajo del nivel,

hay una diferencia entre los sistemas de alcantarillado y tuberías subterráneas. La diferencia principal

es que los sistemas de alcantarillado son de flujo por gravedad y tienen un origen que está abierto a la

atmósfera, mientras que los sistemas de tuberías subterráneos son sistemas operativos, que tienen una

presión constante y definida cerrados (Parisher & Rhea, Piping Systems, 2012).

41

4.1.4 EJEMPOLS DE SISTEMAS DE TEA

A continuación, se presentan diferentes sistemas de TEA en diferentes zonas de Colombia.

a)

b)

Figura 25. Plano sistema TEA Sucre

La Figura 25-a, muestra el plano de la planta del sistema de tea en Corozal, mientras que la Figura 25-

b, se muestra el detalle del KO drum; se relacionan, algunos elementos presentes en la descripción del

42

sistema de TEA, como son el tanque separador de gas y líquido (2), tubería que va hacia la TEA (11),

la tea (7), elementos de medición de flujo y su ubicación (6).

a)

b)

43

c)

d)

Figura 26. Sistema Tea Sucre: a) Separadores horizontales. b) KO drum c) medidor de flujo. d) TEA.

La Figura 26, se muestra en físico las partes más importantes descritas en el diagrama general del

sistema de TEA presentes en la refinería de Corozal, como lo son los tanques separadores y sello

líquido Figura 26-a y Figura 26-b, así como la tubería que va hacia la TEA, los medidores de flujo en la

Figura 26-c y la TEA en la Figura 26-d. En este ejemplo se aprecia que lo llega de la planta, ingresa al

tanque separador de gas y líquido (KO drum), y sale directamente hacia la tea, haciendo, de esta

manera, el (los) KO Drum, las vecs de tanque de sello líquido.

44

a)

b)

c)

45

Figura 27. Sistemas teas en Refinería: a) TEA. b) conexión tanque sello líquido con tablero de instrumentos. c) Tanque K.O.

drum

Como se observa en la Figura 27, en una refinería, es posible identificar algunos elementos descritos en

la Figura 2, como son la TEA (7) y línea de encendido (8) junto con la línea hacia la TEA ()11, Figura

27-a, el panel de instrumentación donde se encuentran los medidores de flujo (6) y tanque de sello

líquido (25) Figura 27-b y el KO drum (2), Figura 27-c.

a)

46

b)

c)

Figura 28. Estación Rebombeo Santander: Sistema de TEA. b) Sello líquido. c) medidores de flujo.

La Figura 28, muestra otro sistema de TEA y algunas de sus partes presentes en la estación Rebombeo

Santander, como, la tea (7) y la línea de encendido (8) Figura 28-a; en la Figura 28-b, un acercamiento

al tanque de sello líquido (25,) la línea hacia la tea (11) y los controles de flujo (6), el detalle de los

medidores de flujo, se ve en la Figura 28-c.

47

4.2 QUEMA DE GAS

La quema es un proceso de oxidación, de alta temperatura, utilizado para quemar los gases residuales

de las operaciones industriales; residuos de humo en la combustión, dependen de los componentes del

gas de desecho, cantidad y distribución de aire de combustión.

Los grandes cambios en la tecnología, como la reducción en el consumo de combustible de los pilotos,

la aplicación de dispositivos de reducción de purga, el uso de vapor de una manera más eficiente, para

lograr la combustión sin humo y la instalación de unidades de recuperación de gas de TEA, han

mejorado significativamente el rendimiento de la quema, siendo las teas, sistemas seguros para

eliminar gases residuales en una planta (Baukal, 2012).

4.2.1 TENDENCIAS REGIONALES DE QUEMA DE GAS

En Rusia los esfuerzos de la compañía para reducir la quema se han intensificado después, que el

primer ministro, Vladimir Putin, reafirmó el compromiso del gobierno con la utilización de gas

asociado 95% en 2012. Reuters, citó a Putin, diciendo: "Las empresas petroleras que no cumplan con

este requisito va a pagar enormes multas". Más recientemente, el gobierno ha permitido el acceso

preferente a la red eléctrica, para la energía generada a partir de proyectos de teas. Otra área de interés,

ha sido el desarrollo de energía a gas, para desplazar el uso de combustible diésel, en el sitio o fuentes

de energía costosas en la red. En los campos de maduración de Siberia Occidental, la escala de la

quema es tal que la generación de energía local, sólo puede absorber una parte del gas quemado (F.

Farina, 2011).

Si bien aún queda mucho por hacer, el gobierno de Nigeria y productores internacionales han tenido

éxito en la reducción de la quema de un 28%, desde los niveles del año 2000. El aumento de la

estabilidad del gobierno, la supervisión reguladora adicional, la presión de las organizaciones no

gubernamentales, y la atención internacional sobre las prácticas de sostenibilidad de las empresas

petroleras regiones, han impulsado la inversión para reducir la quema, sin embargo, aun cuando el

camino hacia la reducción ha sido muy lento, como se observa en la Tabla 1 (F. Farina, 2011).

Empresa 2000-2003 2003-2005 2006 2007 2008 2009

Grand Total 24.8 25.7 23.0 19.0 17.8 14.9

Shell (SPDC) 7.9 7.1 4.6 2.7 2.8 2.1

ExxonMobil 3.6 5.1 5.7 5.3 3.8 4.1

Chevron 5.1 4.0 5.6 4.7 4.6 3.4

Total 1.2 2.5 1.8 1.0 1.0 1.0

ENI 5.5 5.7 3.1 3.1 2.7 2.1

Addax-Sinopec 0.8 0.9 1.3 1.7 2.1 1.6

Otras 0.7 1.4 0.8 0.6 0.8 0.5

Tabla 1. Quema de gas por compañía en Nigeria, contra billones de metros cúbicos por año. Fuente: NNPC

La quema ha ido en aumento en América Latina en particular, México ha mostrado un gran aumento de

la quema en los últimos años a pesar de la caída de producción de crudo, esto dada la incapacidad de

48

procesar y para manejar gas rico en nitrógeno asociado del programa de reinyección Cantarell. El

regulador brasileño ANP ha estado imponiendo reglas sobre los productores, principalmente Petrobras,

para abordar el problema y una serie de conceptos de gas asociado. Los Estados Unidos y Canadá no se

escapan del enfoque regulatorio, donde la quema se ha incrementado drásticamente (F. Farina, 2011).

4.3 RECUPERACIÓN DE GAS

Un Sistema de recuperación de gas de tea, está diseñado para capturar los gases de desecho que

normalmente pasarían al sistema de tea y se encuentra aguas arriba, del mismo. Para capturar todos, o

algunos de los gases de escape, antes de ser llevados a quema. Se hace funcionar normalmente a una

ligera presión positiva, para impedir alguna infiltración de aire en el sistema, que podría crear una

mezcla inflamable (Peterson, E. Baukal, & Cooper, 2014).

Existe una variedad de estrategias para minimizar la quema y se pueden agrupar en dos grandes

categorías: el aprovechamiento de plantas y los equipos nuevos. El aprovechamiento de plantas,

implica el control de los procesos, que producen gases residuales, utilizando el equipo existente en la

planta. Un ejemplo podría ser, mejorando la comprensión de los gases residuales que se producen bajo

un conjunto dado de condiciones, que podrían ser evitadas. Cuando se habla de equipos nuevos, se

refiere a la adición de equipos que, reduzcan la cantidad de gases residuales que van a la tea. Un

ejemplo podría ser, el rediseño de procesos de la planta para minimizar la producción de residuos

gaseosos. Esto podría significar, el reciclaje de gases de escape o el uso de tecnologías alternativas que

producen menos residuos (Peterson, E. Baukal, & Cooper, 2014), como los sistemas de recuperación de

gas de tea (FGRSs, siglas en ingés).

La Figura 29, muestra el esquema básico de un sistema de recuperación de gas (FGRS), se aprecia que

está ubicado en el cabezal de la tea. La presión del gas de escape es baja; Por lo tanto, es necesario un

compresor para ayudar el transporte de los gases.

49

Figura 29. Esquema general de proceso de recuperación de gas de tea (Peterson, E. Baukal, & Cooper, 2014).

Por tanto, los procesos básicos empleados en la recuperación de gas, son la compresión y la separación

física. El funcionamiento básico de un proceso de recuperación de gas de tea es:

Los gases de proceso de ventilación, se recuperan del cabezal de la tea.

Compresores de gas aumentan la presión de este gas.

El gas recuperado se descarga a un separador de líquido de servicio (ver Figura 29).

El gas separado puede pasar a través de un separador, donde los componentes fácilmente

condensados pueden ser devueltos como materia prima líquida, mientras que los componentes

que no condensan, fácilmente se devuelven para su uso como gas de combustible después de

lavado para la eliminación de contaminantes, tales como 𝐻2𝑆.

Teniendo esto en cuenta, las consideraciones ambientales y económicas, han dado lugar al uso de

sistemas de recuperación de gases de TEA, para capturar y comprimir gases de TEA, y destinarlos para

otros usos. Muchas veces el gas quemado recuperado, se trata y se dirige un sistema de combustible a

gas (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007). Dado que los gases quemados

pueden tener diferentes composiciones, estos pueden ser valorados a través de diferentes sistemas de

recuperación (Poe & Speigh, Environmental aspects of gas processing and use, 2006), los cuales son

estudiados por varios autores y algunos, no involucran directamente un sistema de gas de tea, si no que

advierten procedimientos aplicados directamente en los yacimientos de crudo o gas, haciendo

referencia a la recuperación mejorada de petróleo (EOR) y al recuperación mejorada de gas (EGR)

(Sheng, 2015) (Ping & Shasha, 2014).

De manera alternativa, un sistema de recuperación de gas de tea, puede usarse durante los arranques

parciales de plantas, así como en parada y cuando sea necesario, dada la composición de los gases

quemados (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007) (O. & Hausing, 2015).

50

Normalmente estos sistemas constan de uno o varios compresores reciprocantes de pistón (Poe &

Speigh, Gas processing plant controls and automation, 2006) (ver Figura 30), cuya aspiración está

conectada directamente a la cabecera de la TEA, tomando volúmenes sucesivos de gas para confinarlos

en un espacio de menor volumen, logrando con este efecto, el incremento de la presión, hasta alcanzar

la presión de descarga.

Los sistemas de recolección de gas se controlan, normalmente, a través de controles de presión. La

mayoría de los sistemas de recolección alternativo, emplean principalmente compresores (Compresores

reciprocantes - empleando un pistón o tornillo) [1] (Poe & Speigh, Gas processing plant controls and

automation, 2006).

Figura 30. Sistema de recuperación de gas típico en TEA (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007)

1 Controladores de carga de los compresores.

2 Tratamiento del gas quemado.

3 Desde los tanques K.O. del proceso.

4 Cabecera de la unidad.

5 Tanque separador.

6 Sello líquido.

7 Tea

a Compresor apagado.

La presión de succión, es mantenida por el control de presión (PC - que ayuda a regular las presiones,

del proceso, ver Figura 30), de una válvula de recirculación, con carga y descarga de los compresores

adicional, cuando se alcanzan los límites de la apertura de la válvula, de presión de cierre, o de succión.

Por lo general, los controles están configurados secuencialmente para la carga y descarga de los

compresores.

51

A la salida de cada compresor se ubica una válvula de retención, limitando el flujo, en una sola

dirección, hacia un proceso de tratamiento de gas quemado (Pressure-relieving and Depressuring

Systems, January 2007).

Los tanques de almacenamiento poseen un interruptor de nivel alto (LSH), conectado directamente a la

parada del compresor (al igual que un interruptor de presión bajo, monitoreando la presión total), para

poder regular el flujo de gas por el sistema, Figura 31.

Figura 31. Detalle interruptor de nivel alto de los tanques de almacenamiento.

En caso de usar un tanque separador, será necesaria al menos la inclusión de un sello líquido (6), con el

fin de evitar el paso de líquidos directamente a la TEA (Pressure-relieving and Depressuring Systems,

January 2007) (Poe & Speigh, Gas processing plant controls and automation, 2006).

Si los requisitos del proceso son tales, que los rangos de operación estrechos, proporcionados por sellos

de agua (sistema preferido, literal a Figura 32), no pueden ser aceptados, un método alternativo es usar

una válvula de control no-abierta (numeral 8 de la Figura 32), para regular la presión de succión del

sistema de recuperación, como se aprecia en los literales b y c, de la Figura 32.

52

Figura 32. Método alternativo cuando no se puede usar tanque de sello líquido (Pressure-relieving and Depressuring Systems,

January 2007).

1 Desde el proceso o planta.

2 Sistema de recuperación de gas.

3 Tanque K.O.

4 Recipiente se sellado.

5 A la Tea.

6 Gas de purga.

7 Válvula de alivio pilotada.

8 Válvula abierta de alta presión.

9 Disco de ruptura u otro dispositivo de descompresión.

10 Tanque separador

En ambas variaciones (b y c) se observa, una válvula (abierta) de control en la línea del quemador (5),

para regular la presión de succión del sistema recuperación o compresor, acompañadas una válvula de

alivio pilotada (7) con gas de purga (6); o un disco de ruptura (9), como reemplazo de los sellos

líquidos, cumpliendo funciones similares. Estas instalaciones deben ser revisadas cuidadosamente para

asegurar que los dispositivos funcionan, cuando así lo requiere, a la menor presión posible, y que no

causan contrapresión inaceptable. Todo eso, con el fin de evitar un contraflujo desde la tea a los

sistemas de recuperación (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January 2007).

Para un mayor detalle consultar las referencias (Pressure-relieving and Depressuring Systems, January

2007) (Escobar Díaz, Cadena Salamanca, & Ruiz Torres, 2016).

53

5 METODOLOGÍA

La Figura 33, muestra de manera resumida los pasos principales que se desarrollaron para, lograr la

automatización bajo simulación de un sistema de tea.

Figura 33. Metodología. Fuente: Autores

5.1 SIMUACIÓN EN ASPEN HYSYS

La simulación consiste en construir modelos informáticos que permitan describir el comportamiento

esencial de un sistema real o hipotético, así como diseñar y llevar a cabo experiencias con él, con la

finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias, para apoyar al

usuario en la toma de decisiones. (Universidad TecMilenio, 2013)

Aspen HYSYS es un software de simulación de procesos de flujo de trabajo orientado a la

optimización del diseño conceptual y operaciones. Con una amplia gama de características y

funcionalidades, Aspen HYSYS puede ser utilizado para hacer frente a los retos de ingeniería en el

modelado de flujo multifásico, procesamiento de gas, refinación y GNL, lo que es la solución más

versátil (Aspen Technology, Inc., 1994-2016).

Este software contiene simulaciones en estado estacionario y en estado dinámico o transitorio. La gran

cantidad de componentes que comprende la librería de Aspen HYSYS® proveen un enfoque

extremadamente poderoso del modelado en estado estacionario. Sus operaciones y propiedades

permiten modelar una extensa gama de procesos con confianza. (Luque Rodriguez & Vega Granda,

2005)

El modelado en software de simulación se ha utilizado durante mucho tiempo para el diseño y para un

mejor funcionamiento de las instalaciones de procesamiento y transporte de gas. El uso de modelos de

estado estacionario, es universalmente aceptado en todas las etapas del diseño y operación de las

plantas de procesamiento de gas. Los modelos dinámicos tienen varias aplicaciones en el diseño de

plantas. Muy a menudo es difícil cuantificar los beneficios asociados a la simulación dinámica. Un

modelo dinámico arrojará más luz sobre los problemas que se pueden generar, y permite a los

ingenieros de control, crear las estrategias de control adaptativo de los dispositivos, para mitigar o

Simulación en ASPEN HYSYS

Metodología de integración

Metodología de automatización

54

eliminar los problemas de controlabilidad. Algunos modelos dinámicos son una práctica habitual para

cualquier diseño, pero es sorprendente que en otras áreas el uso de modelos dinámicos es todavía

limitada (Poe & Speigh, Dynamic simulation of gas processing plants, 2006).

A continuación, se describen los pasos a seguir para desarrollar una simulación por medio del software

de modelado de procesos Aspen Hysys®. En este diagrama (Figura 34), cabe destacar la importancia

de la selección del modelo termodinámico, tal vez esta sea la decisión más importante que cada usuario

debe tomar al momento de desarrollar una simulación, dado que los errores al seleccionar de forma

incorrecta un modelo termodinámico solo se verán reflejados al obtener los resultados. Por lo tanto, es

de suma importancia desarrollar criterios que ayuden a adoptar el modelo adecuado a un problema

específico. (Rolando Porras & Martines Trillos, 2015).

55

Figura 34. Etapas para desarrollar la simulación es Aspen Hysys®. (Rolando Porras & Martines Trillos, 2015)

.

1. Se define los componentes que conforman el gas de entrada al sistema de Tea en la ventana

Simulation Basis Manager.

Inicio

1. Seleccionar los componentes

2. Seleccionar el paquete Termodinámico

3. ¿Paquete termodinámico

Valido?

4. Arboles de selección

paquete de Fluido

5. Diseño del Proceso

6. Ingreso de Datos especificaciones de equipos

7. Cálculos del proceso (simulación)

9. Validar el resultado ¿Resultados apropiados?

Fin

SI

Si

NO

NO

8. Obtención de resultados

56

2. Se selecciona el modelo termodinámico que permite realizar el cálculo en las diferentes

corrientes y equipos del proceso, para la simulación del sistema de Tea se usa la ecuación de

estado de Peng Robinson.

3. Aspen Hysys provee información detallada para bastantes modelos termodinámicos, e inclusive

avisa al usuario cuando se escogen componentes que no pueden ser satisfactoriamente

modelados mediante el sistema termodinámico seleccionado. Además, si se desea cambiar el

modelo termodinámico para ciertos equipos o secciones de la simulación, se da la posibilidad

de elegir diversos paquetes termodinámicos y asociarlos a diferentes listados de componentes.

4. Elegir en el árbol de paquetes de fluidos el modelo termodinámico adecuado.

5. Una vez se selecciona el modelo asociado con el sistema real, lo siguiente es crear el Diagrama

de Flujo del Proceso (PFD), tal como si se usara un plano, asignando nombres a equipos y

corrientes de proceso.

6. Asignar los datos de condiciones de operación y especificaciones de equipos en las respectivas

casillas que Aspen Hysys presenta para tal fin.

7. Una vez definidas todas las corrientes del proceso y caracterizadas todas las condiciones y

variables de los diferentes equipos que toman parte en el sistema de Tea, Aspen Hysys arroja

los resultados de la simulación, por medio de modelos que contemplan balance de materia y

energía de un proceso en estado estacionario o dinámico.

8. Se puede observar directamente los resultados de la simulación del sistema del Tea en tablas

y/o gráficas para el correspondiente análisis.

9. En esta etapa se comprueba la exactitud del modelo desarrollado. Esto se lleva a cabo

comparando las predicciones del modelo con mediciones realizadas en el sistema real, datos

históricos o datos de sistemas similares. Como resultado de esta etapa puede surgir la necesidad

de modificar el modelo o recolectar datos adicionales.

57

5.1.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TEA A SIMULAR

.

Figura 35. Diagrama P&ID del proceso planteado. Fuente: autores.

En la Figura 35 se muestra el diagrama P&ID del sistema de Tea simulado en Aspen Hysys, con los

subsistemas más importantes a tener en cuenta para la simulación, como lo son, el tanque separador de

gas y líquido, V-100, con su respectivo lazo de control de nivel, LIC-100. También se observa el

tanque de sello líquido, V-101, con dos lazos de control, LIC-101, para el control de nivel de agua en el

tanque, y el TIC-100, para controlar la temperatura interna del tanque. La tiene, viene representada por

el reactor de conversión, R-100, junto con un control de relación, que regula el flujo de aire conforme

la cantidad de gas de tea (hidrocarburo), en una relación de 2 a 1.

58

Las plantas petroquímicas, desde sus diferentes áreas de proceso están constantemente eliminando

hidrocarburos gaseosos, motivo por el cual se emplean teas que permiten quemar dichos gases para

evitar cualquier efecto de sobre presión en lo equipos o algún desastre en la planta (ZEECO, 2014). En

la Tabla 2 se muestran algunos valores promedio de la composición que se utilizaron en este trabajo.

Las condiciones de cada una de las entradas al proceso se definen en la Tabla 3.

COMPONENTE FORMULA Fracción molar

Nitrógeno 𝑵𝟐 0,0050

Dióxido de carbono 𝑪𝑶𝟐 0,0542

Metano 𝑪𝑯𝟒 0,7242

Etano 𝑪𝟐𝑯𝟔 0,1239

Propano 𝑪𝟑𝑯𝟖 0,0580

I-Butano 𝑪𝟒𝑯𝟏𝟎 0,0120

N-Butano 𝑪𝟒𝑯𝟏𝟎 0,0143

I-Pentano 𝑪𝟓𝑯𝟏𝟐 0,0038

N-Pentano 𝑪𝟓𝑯𝟏𝟐 0,0024

Agua 𝑯𝟐𝑶 0,0022

TOTAL 1

Tabla 2. Composición molar del gas a quemar de la planta petroquímica CPF (Casanare, Colombia)

El transporte de los hidrocarburos gaseoso hacia el separador (tanque de separación es conocido como

Knock-out drum, en este se separan los condensados por la parte inferior y por la parte superior salen

los hidrocarburos gaseosos que van hacer quemados en la TEA), se realiza mediante una red de

tuberías que se distribuyen desde diferentes puntos del proceso hasta el separador (Radin, Tripoli, & Di

Giulio, 2008).

La red de tuberías que se implementará en la simulación consta de cinco entradas o corrientes de

hidrocarburos, provenientes de diferentes puntos de una planta de refinería de petróleo, que son

enviados al sistema de Tea para su eliminación.

Las condiciones de cada una de las entradas al proceso se definen en la Tabla 3.

Entrada 1 Entrada 2 Entrada 3 Entrada 4 Entrada 5

N 35 37 35.7 34.5 36

Presión (bar) 75.84 76.17 76.51 76.57 76.86

Flujo (MMSCD) 8 6 6 8 7

Tabla 3.Condiciones para cada una de las entradas.

59

Las líneas son segmentos de tuberías, en donde circulan los hidrocarburos gaseosos y líquidos hacia el

sistema de Tea, la red está conformada por nueve líneas, cada una se encuentra especificada en la

Tabla 4. Todas las tuberías son de acero y cedula 40, se encuentran sin aislamiento térmico y están

sobre la superficie del suelo (Gil, Guevera, & Leguizamón, 2011)

Nombre Línea

1

Línea

2

Línea

3

Línea

4

Línea

5

Línea

6

Línea

7

Línea

8

Línea

9

Línea

10

Stack

Corriente de

entrada

F-01 F-03 F-06 F-010 F-014 F-05 F-09 F-013 F-017 F-020 F-024

Corriente de

salida

F-02 F-04 F-07 F-011 F-015 F-08 F-012 F-016 F-018 F-021 F-025

Corriente de

energía

Q-01 Q-02 Q-03 Q-04 Q-05 Q-06 Q-07 Q-08 Q-09 Q-010 Q-

011

Segmento 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Longitud (m) 65 40 70 80 94 60 83 44 110 40 68

Cambio de

elevación

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 68

Diámetro

nominal(mm)

254 203,2 203,2 203,2 203,2 304,8 304,8 304,8 304,8 304,8 304,8

Tabla 4. Condiciones de los segmentos para las líneas de la tubería del sistema

Las líneas 1 y 2, se unen por medio del Mezclador M-100, para conformar la línea 6. El mezclador M-

101 tiene como entradas las líneas 3 y 6, la salida es la línea 7 que a su vez es una de las entradas del

mezclador M-102, la otra entrada del mezclador M-102 es la línea 4 y la salida es por medio de la línea

8. Finalmente la línea nueve, que llega al tanque K.O Drum, en la salida del mezclador M-103 que

toma como entradas las líneas 5 y 8.

Cada una de las entradas de hidrocarburos primero pasan a través de su respectiva válvula, esto se

realiza debido a que las refinería y plantas petroquímicas no siempre están eliminando hidrocarburos

gaseosos, si no que las válvulas de alivio se activan cuando se alcanza una presión establecida por el

sistema.

La Figura 36 muestra la red de tuberías que se desea construir para llevar los hidrocarburos que serán

eliminados, por medio de la quema, al sistema de Tea.

60

Figura 36. Red de tuberías que transporta hidrocarburos al sistema de Tea. Fuente: Adaptado Aspen Hysys.

61

Los diferentes módulos de tubería se encuentran a unas condiciones de operación de altas

presiones lo que hace que se formen condensados durante su transcurso por la línea de la tubería

(AERON, 2012) (Varmer, septiembre 12), esto se puede observar por que la fracción de vapor

difiere de 1,0 en cada una de las corrientes. Para evitar que la corriente de gas que se va eliminar

tenga una fracción liquida se instala un separador S-100 (industrialmente conocido como Knock-

out drum), la Figura 37, muestra el Tanque KO Drum a implementar en la simulación.

Figura 37. Diagrama P&ID Tanque K.O Drum. Fuente: Autores.

Nombre Condiciones del separador

S-100

Condiciones del separador

S-101

Corriente de entrada F-018 F-021(Hidrocarburo gaseoso),

F-022(Agua)

Corriente de salida F-019(Condensados), F-

020(Gases)

F-024, Agua aceitosa

Volumen m3 8,0 1,2

Tabla 5. Condiciones de operación para el separador

Posteriormente se hace pasar los hidrocarburos gaseosos por el sello hidráulico (PetroWiki,

2013), la Tea y el sello molecular, que está incluido con la Tea, cada uno cumple una función

diferente en el proceso. Para el caso del sello hidráulico se representa como un separador V-101,

las condiciones de operación del separador y el sello hidráulico se muestran en la Tabla 5.

Debido a que el sello hidráulico debe mantener una cierta cantidad de agua en su interior, para no

permitir el retroceso de los hidrocarburos gaseosos que están circulando hacia el quemador

(Perez, 2005), se debe conectar al separador S-101 una corriente de agua esta debe tener una

62

presión superior a los gases que pasan por el interior del sello hidráulico, las condiciones para la

corriente de agua son: 2 MMSCFD, 70 bar, y 27 º𝐶.

También es necesario tener en cuenta la corriente de agua caliente que pasa por el

intercambiador de calor E-100, que es el que sede el flujo de energía para mantener la

temperatura del separador S-101 entre 30-40ºC. Las condiciones para especificar en el simulador

Aspen HYSYS® de esta corriente son: Fracción de vapor 0, Presión 3,4𝑏𝑎𝑟 y 0,2𝑀𝑀𝑆𝐶𝐹𝐷.

Figura 38. Diagrama P&ID Sello Hidráulico. Fuente: Autores.

Se tiene que el propósito de una TEA, es quemar los hidrocarburos gaseosos, pero para ello se

emplea un quemador (Fernandez & Villa Briongos, julio 2010) que es el que permite que se

eliminen en gran proporción algunos compuestos que contribuyen con el efecto invernadero y la

contaminación atmosférica (Nicholas P. Cheremisinoff, 2015). El quemador de la tea, en Aspen

HYSYS® se modela con un reactor de conversión, que permite que los componentes en gran

proporción como metano, etano y propano que contribuyen con el 16% del efecto invernadero, se

conviertan en gran medida en agua y dióxido de carbono, para ello se emplea aire que en el

reactor de conversión con las especificaciones de la Tabla 6, en el reactor de conversión ocurren

las tres reacciones de conversión que se muestran a continuación.

𝑪𝑯𝟒 + 𝟐𝑶𝟐 → 𝟐𝑯𝟐𝑶 + 𝑪𝑶𝟐 (𝑹𝒙𝒏 𝟏)

𝟐𝑪𝟐𝑯𝟔 + 𝟕𝑶𝟐 → 𝟔𝑯𝟐𝑶 + 𝟒𝑪𝑶𝟐 (𝑹𝒙𝒏 𝟐)

𝑪𝟑𝑯𝟖 + 𝟓𝑶𝟐 → 𝟒𝑯𝟐𝑶 + 𝟑𝑪𝑶𝟐 (𝑹𝒙𝒏 𝟑)

63

Nombre Condiciones del proceso

Corriente de entrada F-025(Hidrocarburo gaseoso),

F-026(Aire)

Corriente de salida F-027(Quema), F-028(Quema)

Volumen m3 12,5

Tabla 6. Condiciones de operación para el reactor

La Figura 39, muestra el reactor de conversión a implementar en la simulación.

Figura 39. Reactor de conversión a implementar en la simulación. Fuente: Autores.

Las teas pueden ser asistidas con aire, vapor o alta presión, en este trabajo se hace uso de aire

para lograr la conversión adecuada del metano, etano y propano (Vatavuk, 2000). Las

condiciones para especificar la entrada de aire al reactor se muestran en la Tabla 7.

Condiciones Valor

Flujo (MMSCFD) 40

Presión (bar) 35

Temperatura (ºC) 32

Fracción molar

Oxigeno 0,2090

Nitrógeno 0,7810

Agua 0,0100

Tabla 7. Condiciones para especificar la corriente de aire

64

La Figura 40 muestra la manera de implementar la simulación de quema de hidrocarburos de una

Tea asistida con aire.

Figura 40. Diagrama P&ID de la Tea. Fuente: Autores.

De esta forma, quedan especificados todos los equipos en estado estable, cuando se configura las

válvulas, en esta parte también se incluyen la caída de presión de cada una de las válvulas y la

característica de operación de la válvula, Tabla 8.

Válvula Caída de

presión (bar)

característica de

operación de la válvula

V-1 3,37 Apertura rápida





V-6 7,1 Lineal

V-7 1,3 Lineal

V-8 7,8 Lineal

V-9 4,79 Apertura Rápida



Tabla 8. Parámetros para configurar las válvulas del proceso

Otro aspecto a tener en cuenta es la configuración de los cuatro controladores (Kearns,

Armstrong, Shirvill, G, & Simon, 2000) que se emplean en el proceso, para esto se presentan

algunas características de cada uno de los controladores en la Tabla 9.

65

Nomenclatura Nombre Variable

Entrada

Variable

Salida

Acción Limites Valor

LC-100 Controlador

de nivel

Porcentaje de

nivel de liquido

V-6 Directa Mínimo

Máximo

0%

100%

LC-101 Controlador

de nivel

Porcentaje de

nivel de liquido

V-8 Inversa Mínimo

Máximo

0%

100%

TC-100 Controlador

de

Temperatur

a

Temperatura

del sello

hidráulico

V-7 Inversa Mínimo

Máximo

30ºC

40ºC

RC-100 Controlador

de relación

Flujo molar

corrientes F-025,

F-026

V-9 Directa Mínimo

Máximo

1MMSC

FD

100MM

SCFD

Tabla 9. Parámetros para configurar los controladores empleados.

5.1.2 SIMULACIÓN EN ESTADO ESTABLE

La Figura 41 muestra un diagrama de bloques con los pasos para desarrollar la simulación del

sistema de Tea en estado estacionario en Aspen Hysys.

66

Figura 41. Etapas para desarrollar la simulación del sistema de Tea en Estado Estable. Fuente: Autores

1) Para realizar la simulación del proceso, el primer paso es abrir el simulador Aspen

HYSYS®, y se selecciona la siguiente ruta File>New>Case.

2) Automáticamente se abre una ventana con el nombre de Simulation Basis Manager (ver

Figura 42), en esta ventana que se abre se puede especificar los componentes, el modelo

termodinámico y las reacciones químicas.

67

Figura 42. Ventana Simulation Basis Manager. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®.

Para definir los componentes con los cuales se va a trabajar se hace clic en la pestaña

components y en el botón Add, posteriormente aparece una lista con todos los componentes

disponibles en la base de datos del simulador, de esta manera se seleccionan los componentes

que aparecen en la Figura 43

Figura 43. Ventana de selección de componentes en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

A continuación, se selecciona el modelo termodinámico que permite realizar el cálculo en las

diferentes corrientes y en los equipos del proceso. Para ello, la ventana donde se especificó los

componentes se cierra y se hace clic en la pestaña inferior Fluid Pkgs y en el botón Add, donde

permite agregar el paquete de propiedades, se despliega una lista de diferentes modelos

68

termodinámicos, para este proceso se usa la ecuación de estado de Peng Robinson como se

muestra en la Figura 44.

Figura 44. Ventana de selección del modelo termodinámico. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Para ingresar las tres reacciones químicas anteriormente mencionadas se cierra la ventana Fluid

Package y se dirige a la pestaña Reactions, estando en esta ventana se da clic en el botón Add

Rxn que permite seleccionar el tipo de reacción (Ver Figura 44). Se despliega una lista de

diferentes tipos de reacciones, ahí se selecciona la opción conversion y se hace clic en el botón

Add Reaction donde se procede a ingresar los datos requeridos en las pestañas Stoichiometry y

Basis.

Figura 45. Ventana de ingreso de reacciones. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

En la ventana Stoichiometry se introducen los coeficientes estequiométricos de la reacción,

siendo negativo para los reactivos y positivo para los productos, posteriormente se pasa a la

pestaña Base en esta se especifica la fase reaccionante y la conversión con respecto a uno de los

69

reactivos en este caso el reactivo limitante (ver Figura 46). Finalmente se cierra esta ventana y de

esta manera se definió completamente la reacción. De la misma manera se especifican las otras

dos reacciones para la conversión de etano y propano.

Figura 46. Izquierda: ventana de definición de la estequiometria de una reacción de conversión en Aspen HYSYS®.

Derecha: definición de la base de una reacción de conversión en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Ya teniendo especificadas las tres reacciones es necesario configurar el conjunto de reacciones,

que en este caso está constituido por tres reacciones (conversión de Metano, Etano y Propano) y

se le asigna a este conjunto el paquete de propiedades termodinámicas. Para esto se ha clic en la

pestaña Reactions Set que nos permite crear un nuevo set que es el que agrupa las reacciones que

se configuraron. En la sub-ventana de la parte derecha de la Figura 47, se puede observar cuál de

las reacciones están activas. Posteriormente se cierra la sub-ventana.

Figura 47. Ventana de especificaciones de sets de reacciones en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Para asociar el set de reacciones con el paquete termodinámico, se selecciona el conjunto de

reacciones y dando clic en el botón Add to FP, ahí aparece una sub-ventana (ver Figura 48)

donde se selecciona el paquete de propiedades dando clic en Add Set to Fluid Package, esto con

el fin de que el simulador encuentre las herramientas suficientes para poder realizar los cálculos

correspondientes. Finalmente se cierran las ventanas y se hace clic en Ruturn to Simulation

Envionment.

70

Figura 48. Ventana de selección del paquete termodinámico para el set de reacciones en Aspen HYSYS®. Fuente:

adaptado de Aspen HYSYS®

3) Para instalar una corriente, se selecciona de la paleta de equipos el componente Material

Stream, para definir la composición de cada componente es necesario dar doble click al

componente e ir a la pestaña Worksheet y hacer clic en la pestaña composition, en la parte

inferior hacer clic en el botón Edit en la ventana que se despliega se selecciona la opción Mole

Fractions y se ingresan los valores reportados en la Tabla 2 (ver Figura 49), ya definidas las

composiciones y las condiciones de operación de la corriente de entrada al proceso, la parte

inferior de la ventana se pone de color azul oscuro, esto quiere decir que la corriente está

completamente especificada. Las otras entradas (cuatro entradas de hidrocarburos, entradas de

aire, entrada de vapor, entrada de agua al sello hidráulico) que hacen parte del proceso se

especifican de la misma manera que se especificó la entrada 1.

Figura 49. Ventana izquierda: composición de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®. Ventana derecha: Condiciones

de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®.

71

4) Luego de definir la entrada 1 al proceso, se toma una válvula de la paleta de equipos

(llamada valve), y se conecta la corriente entrada 1 a la entrada de la válvula (para conectar la

corriente se hace doble clic en el equipo y se ingresa a la pestaña Desing > Connections donde

en la casilla Inlet de despliega las corrientes que están disponibles para entrar a la válvula, aquí

se selecciona la entrada 1), luego se especifica la corriente de salida de la válvula esto se hace en

la casilla Outlet, esta corriente por defecto, se llama, F-01. Posteriormente en la pestaña

Parameters se especifica la caída de presión en la válvula (ver Figura 50). Los valores de caída de

presión para cada una de las válvulas del proceso se presentan en la Tabla 8. El resto de válvulas

se configuran de la misma forma como se configuro la válvula V-1.

Figura 50. Ventana izquierda: Ventana de la válvula V-1 en Aspen HYSYS®. Ventana Derecha: Especificación de caída

de presión para la Válvula V-1. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Especificadas todas las entradas y su correspondiente válvula se puede introducir las diferentes

líneas de tubería que albergan los hidrocarburos gaseosos de diferentes áreas del proceso que van

a ser quemados en la Tea, la primera línea por especificar es la línea 1. Para ello desde la paleta

de equipos se toma un módulo de tubería (llamado pipe segment), al módulo seleccionado se le

hace doble clic y en la pestaña Design>Connections se denomina línea 1 (en la casilla Name), y

también se define la corriente de entrada que será la correspondiente F-01 que sale de la válvula

V-1, su corriente de salida es F-02 y su corriente de energía es Q-01 (ver Figura 51). Ahora se

pasa a la página Parameters donde se puede ver las diferentes correlaciones con las que cuenta

Aspen HYSYS® para calcular la tubería y los accesorios. Para este caso se usa la correlación de

Beggs y Brill.

72

Figura 51. Conectividad para el módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Posteriormente se ingresan las condiciones de la tubería correspondiente a la línea 1. Para esto se

debe ir a la pestaña Rating y a la página Sizing. Ahora se procede a agregar el segmento (para

agregar el segmento se hace clic en el botón Append Segment) de acuerdo a las especificaciones

del proceso, (ver Tabla 4) para la línea 1. Para especificar el diámetro mediante la cedula, se hace

doble clic en la casilla de diámetro y aparece una ventana Pipe Info, en esta ventana se especifica

la cedula, el diámetro nominal y el material del tubo tal como se muestra en la Figura 52. Para

configurar las demás líneas del proceso, se sigue el mismo procedimiento que se hizo para la

línea 1.

Figura 52. Izquierda: Pestaña Rating del módulo de tuberías en Aspen HYSYS®. Derecha: Selección del diámetro

nominal de la sección de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

73

Especificada correctamente la línea 1, se procede a especificar la trasferencia de calor de la línea

1, para ello se hace clic en la página Heat Transfer, y teniendo en cuenta que los tubos no tienen

aislamiento y se encuentran sobre la superficie del suelo se especifica cada una de estas

condiciones en la opción Estimate HTC, se asume heurísticamente una temperatura ambiente de

30ºC y que sea un cálculo global. La Figura 53. muestra cómo debe quedar especificada esta

pestaña.

Figura 53. Especificaciones de la trasferencia de calor para la línea 1 en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS®

Luego se toma un mezclador de la paleta de equipos (llamado Mixer) y se conecta la corriente F-

02 a la entrada del mezclador (para ello se hace doble clic en el mezclador y en la pestaña

Desing, en la página Connetions y en la casilla de Inlets se selecciona la corriente F-02).

Posteriormente, se especifica la corriente de salida del mezclador en la casilla Outlet. Esta

corriente se nombra F-05. Como se muestra en la Figura 54, el mezclador queda calculado con su

correspondiente corriente de entrada y salida.

74

Figura 54. Ventana del módulo del mezclador MIX-100 en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Hasta este punto queda especificada la entrada 1, válvula V-1, Línea 1 y mezclador M-100 como

se muestra en la Figura 55, lo siguiente es especificar las cuatro entradas restantes, la válvula V-2,

V-3, V-4, V-5, la Línea 2, Línea 3, Línea 4, Línea 5. La corriente de salida de las Líneas 2, 3, 4 y

5, no se especifican como corriente de entrada en los mezcladores que hacen parte del proceso en

estado estable, Dichas entradas se especifican para el mezclador cuando la simulación este en

estado dinámico.

Figura 55. Línea del proceso especificada. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Una vez se tiene especificado lo anterior y los equipos configurados se procede a especificar la

Línea 6, que entra la corriente F-05 y la corriente que sale por defecto se llama F-08, esta

corriente es la que entra al mezclador M-101, y de esta manera se sigue configurando cada uno

de los equipos, para ello ver la Figura 36 que muestra la red de tuberías del proceso planteado.

5) Lo siguiente es instalar el Knock-out drum que es el equipo que permite separar los

hidrocarburos gaseosos de los condensados que se generan en las entradas y líneas del proceso

75

para luego ser llevados al quemador donde son eliminados. Este equipo se representa en este

trabajo como un separador (V-100).

La corriente F-018 que sale del ultimo módulo de tubería se conecta a un separador de fases (en

la paleta de quipos se llama Separator), del mismo modo también se toman dos salidas, una por

la parte inferior (salida de condensados, corriente liquida) y otra por la parte superior (salida del

gas, corriente de vapor). Esto se hace dando doble clic en el separador y se ingresa a la pestaña

Desing y en la página Connetions como se muestra en la Figura 56 . Allí se especifican las

condiciones de operación del separador (ver Tabla 5), inicialmente se especifica la temperatura de

alguna de las corrientes de salida y una caída de presión, ese valor se digita en la pestaña

Worksheet.

Figura 56. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Luego a la corriente de salida (Corriente F-020) de la parte superior del separador (ver Figura 57)

es necesario agregarle un módulo de tubería, esto con el fin de transportar los hidrocarburos

gaseosos que van hacer eliminados hasta el sello hidráulico, esta línea se especifica siguiendo los

mismos pasos para la especificación de la línea 1, pero con los datos de la Tabla 3. De esta

forma, se tiene que el sistema está calculado hasta este punto.

76

Figura 57. Representación del Tanque K.O Drum. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

6) La paleta de equipos de Aspen HYSYS no tiene un equipo de sello hidráulico, este

equipo en el sistema, es el que tiene la función de que no haya retroceso de hidrocarburos

gaseosos que salen del separador y que luego son eliminados en el quemador. Está ubicado antes

de la tea, después de la línea 10. Para representar este equipo en la simulación del proceso se

hace uso de un separador, las consideraciones a tener en cuenta para este equipo es que debe

mantener un 80% de volumen líquido y la temperatura debe estar entre 30º𝐶 y 40º𝐶, esto con el

fin de evitar que el agua que está en el interior del separador V-101(Sello Hidráulico) sea

arrastrada con la corriente de hidrocarburos gaseosos que entran en la corriente F-021.

Otro aspecto a tener en cuenta para este mismo caso, es que la presión de la corriente de agua

que está ingresando al separador, V-101, debe ser superior a la corriente F-021. Para la

instalación del separador V-101 (Sello hidráulico) se selecciona el separador (llamado Separator)

de la paleta de equipos, se hace doble clic y se especifican las entradas; corrientes F-021 y F-022,

y las corrientes de salida; F-024 y corriente de despojo de agua. De esta manera queda

especificado este equipo (Ver Figura 58).

77

Figura 58. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Como se debe mantener una temperatura en el separador V-101 se hace uso de un servicio

externo que permita mantener la temperatura entre el intervalo mencionado, para ello se

implementa el servicio para el sello hidráulico, se elige desde la paleta de equipos un

intercambiador de calor (llamado Cooler), se da doble clic sobre el equipo y se configura la

corriente F-023 a la entrada y la corriente agua fría a la salida y la corriente de calor cedido por

el servicio como se muestra en la Figura 59. Una vez se hayan conectado las corrientes, Se

procede a especificar la caída de presión que es 0,3 bar, para esto se da click en la pestaña

Worksheet, ver Figura 59. Una Vez especificado el intercambiador de calor, se dirige al

separador V-101, se da doble clic sobre el equipo, en la pestaña Design y casilla Energy se elige

la opción Q-013 que es la energía que necesita el separador para mantener la temperatura en el

intervalo 30-40ºC.

78

Figura 59. Ventana del intercambiador de calor en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

Figura 60. Especificación en el intercambiador de calor E-100 en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

La Figura 61 muestra la representación de la instalación del Sello Hidráulico en Aspen Hysys.

79

Figura 61. Representación del sello hidráulico. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

7) A continuación, se especifica el tubo por donde ascienden los gases para ser eliminados

en el quemador, para ello se toma de la paleta de equipos un segmento de tubo (llamado Pipe

segment), para definir las condiciones de operación se hace doble clic sobre el equipo y en la

pestaña Design>Connetions, se selecciona la corriente F-024 en la casilla Inlet, en la casilla

Outlet se establece la corriente F-025 y en la casilla Name, se asigna el monbre Stack como se

muestra en la Figura 62 .

Figura 62. Ventana del módulo de tubo de gas en Aspen HYSYS® Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

80

Posteriormente se ingresan las condiciones de operación del segmento de tubo, dichas

condiciones de operación están en la Tabla 4. Para ello haga clic en la pestaña Rating y en la

página Sizing, allí se puede agregar la longitud, el cambio de elevación, tipo de material,

diámetro externo y diámetro interno (ver Figura 63). Especificadas correctamente las

condiciones de operación, se procede a especificar la trasferencia de calor para ello

heurísticamente se asume una temperatura ambiente de 30ºC.

Figura 63. Pestaña Rating del módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Para la configuración del reactor de conversión (equipo que representa el quemador de la Tea),

se toma desde la paleta de equipo un reactor de conversión (llamado Conversion Reactor), se

hace doble click sobre el equipo y en la pestaña Design y en la página Connections se configuran

las corrientes de entrada, salida y una corriente de energía tal como se muestra en la Figura 64.

Figura 64. Conectividad para el reactor de conversión Aspen HYSYS® Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

81

Posteriormente se relaciona el set de reacciones con el equipo, se selecciona la pestaña

Reactions y asignando el conjunto de reacciones (casilla Reaction Set) en la parte superior. El

conjunto de raciones configurado debe ser aquel que contiene las tres reacciones de conversión.

Sin embargo, también es posible modificar la conversión fraccional definida en el ambiente base,

esto se hace dando clic en el botón Conversion %( ver Figura 65). Para que quede especificado

completamente el reactor se dirige a la pestaña Worksheet y en una de las corrientes de salida se

digita la temperatura de la Tabla 7.

Figura 65. Pestaña Reactions del módulo del reactor de conversión en Aspen HYSYS® Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS®.

La Figura 66 muestra la representación de la instalación de la Tea en Aspen Hysys.

Figura 66. Representación de la Tea. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

De esta manera han quedado especificados todos los equipos del proceso en estado estable y el

entorno de la simulación del proceso se muestra en la Figura 67.

82

Figura 67. Ventana desplegada del proceso en el entorno de la simulación estacionario en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

83

5.1.3 SIMULACIÓN EN ESTADO DINÁMICO

La simulación del sistema de Tea en estado estacionario representa el punto de partida para el diseño y

la optimización del proceso, sin embargo en el entorno real, los procesos están sujetos a perturbaciones

que, si no son controladas, pueden provocar que el sistema no opere en el estado deseado. El sistema de

Tea, es un sistema dinámico, porque hay entradas y salidas definidas, acumulación y transformación de

energía, por lo tanto, con la simulación dinámica se tiene una visión más realista del proceso.

La Figura 68 muestra un diagrama de bloques con los pasos para desarrollar la simulación del sistema

de Tea en estado Dinámico en Aspen Hysys.

Figura 68. Etapas para desarrollar la simulación del sistema de Tea en Estado Dinámico. Fuente: Autores

5.1.3.1 Retirar la Especificación de Flujo a las Corrientes

Para configurar la simulación en estado dinámico es necesario hacer algunos ajustes en estado

estacionario, esto para que garantice que las relaciones, flujo-presión, se cumplan en diferentes puntos

del proceso. Es necesario retirar la especificación de flujo de cada una de las corrientes de entrada al

proceso, debido a que el flujo ya no es fijo si no que está determinado por la caída de presión de cada

una de las válvulas que están instaladas después de cada corriente de entrada. Para retirar la

especificación de flujo se hace doble clic sobre la corriente y se sigue la siguiente ruta

Dynamics>Specs>Flow Specification y en la casilla Active se desactiva dicha opción tal como se


84

Figura 69. Ventana de especificación de flujo en una corriente para una simulación dinámica. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS®.

5.1.3.2 Definir Válvulas y Equipos

Por lo explicado anteriormente es necesario instalar válvulas que permitan la regulación del flujo y que

generen una caída de presión, por ese motivo se instalaron las válvulas V-1, V-2, V-3, V-4 y V-5.

Luego se procede a hacer el dimensionamiento y la selección de la válvula de control que se va utilizar

en cada una de las corrientes. Dentro de la base de datos de Aspen HYSYS Dynamics® se encuentran

algunos de los fabricantes de válvulas y sus respectivas curvas características y ecuaciones para el

cálculo del coeficiente de flujo. Esto se puede observar en la ventana de configuración de la válvula

siguiendo la ruta Rating>Sizing (dynamics), como se muestra en la Figura 70.

Figura 70. Especificación y cálculo de la válvula V-1 del proceso Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

85

La característica de operación de las válvulas, se presenta en la Tabla 8, La primer opción que se

considera es lineal, es decir, que el flujo es directamente proporcional al porcentaje de apertura de la

válvula y la segunda opción es de apertura rápida es decir el flujo aumenta mucho al principio de la

apertura llegando rápidamente al máximo. En la opción Valve Manufacturers se elige Universal Gas

Sizing entre la posibilidad de varios fabricantes y tipo de válvulas. El porcentaje de apertura se fija

como el 50% y se hace clic en el botón Size Valve para que se ejecute el cálculo del coeficiente de flujo

Cv o Cg

Luego se procede a definir el volumen del separador de fases (Knock-out drum), este paso es

importante debido a que, con la información del volumen del separador, es posible establecer el

dimensionamiento del equipo y la constante de tiempo, que afecta la velocidad de respuesta del

sistema. Para definir el volumen del separador de fases se hace doble clic sobre el equipo y se sigue la

siguiente ruta Dynamics>Specs> y en la opción Vessel Volume se digita el volumen como se observa

en la Figura 71. En el momento de definir el volumen, el separador de fases, asume unas dimensiones

de relación longitud/diámetro. Para este separador se elige la opción Initialize From Products, que

permite establecer el valor de nivel de líquido en la casilla Liq Volume Percent.

Figura 71. Definición de los parámetros de dinámica para el separador de fases (llamado Knock-out drum) Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS®.

Ahora se procede a definir el reactor de conversión, que para el proceso funciona como el quemador,

los ajustes que se deben hacer son similares a los del separador de fases, para ello se hace doble clic en

el reactor de conversión y se sigue la ruta Dynamics>Specs> y en la opción Vessel Volume se digita el

volumen del equipo, y se elige la opción Dry Startup que permite establecer el porcentaje de volumen

de líquido como cero, tal como se muestra en Figura 72.

86

.

Figura 72. Definición de los parámetros de dinámica para el reactor de conversión (llamado Quemador) Fuente: adaptado de

Aspen HYSYS®.

5.1.3.3 Instalación y configuración de los Lazos de Control

Los controladores a instalar son: un controlador de nivel para el separador V-100, controlador de

temperatura y nivel para el separador V-101 y controlador de relación de hidrocarburos gas/aire.

La Figura 73 muestra un diagrama de bloques con las etapas para implementar los lazos de control del

sistema de Tea en Aspen Hysys.

87

Figura 73. Etapas para implementar los lazos de control en el sistema de Tea. Fuente: Autores

Teniendo la simulación en estado estable completa se procede a instalar los lazos de control para el

proceso. En este proceso los lazos de control a considerar son; lazo de control de flujo para la entrada

de aire, lazo de control de relación, en el lazo de control de relación de aire se especifica en relación

con los gases que están ingresando al reactor de conversión (llamado Quemador) teniendo en cuenta la

cantidad de aire necesaria para alcanzar la mayor conversión de los hidrocarburos gaseosos como;

metano, etano y propano, y se incluye un lazo de control de nivel, para el separador (llamado Knock-

out drum). Los lazos de control de flujo se instalan con las válvulas que están después de las entradas,

siendo la válvula la variable manipulada y la entrada la variable controlada.

El lazo de control de nivel de líquido en el separador (llamado Knock-out drum) se hace con la válvula

V-6 como variable manipulada y el porcentaje de nivel de líquido como variable controlada. El

porcentaje de nivel de líquido en el separador (llamado Knock-out drum) es una variable importante

para controlar en el proceso debido que si los condensados no se controlan los hidrocarburos quemados

van hacer una mezcla liquido-gas, generando problemas en el funcionamiento del sistema e inseguridad

en el proceso.

El controlador de nivel tiene una acción directa, y el valor del set point, que establece el simulador

corresponde al valor de estado estable que se ha fijado en cada una de las variables que se van a

controlar. Los límites mínimo y máximo de la variable de proceso los define el usuario teniendo en

88

cuenta entre que valores puede variar la variable controlada para este trabajo los límites para cada

controlador se presentan en la Tabla 9.

Para la instalación de los lazos de control se tiene en cuenta el siguiente procedimiento, lo primero es

seleccionar adecuadamente el modelo de control que se quiere implementar, para esto se dirige a la

zona inferior de la barra de herramientas del simulador y en el botón identificado como control Ops se

hace clic, hay aparece una nueva casilla con cinco modelos de control disponibles en Aspen HYSYS®:

Split Range de rango predictivo, Ratio de relación, PID control PID, MPC control predictivo

multivariable, y DMCplus control por matriz dinámica. Se elige la opción de control PID y se instala

sobre el diagrama de flujo. De la misma manera se establece el controlador de nivel y el controlador de

flujo.

Teniendo el controlador instalado sobre el diagrama de flujo, se hace doble clic sobre el icono instalado

y aparece la ventana de configuración del controlador como se muestra en la Figura 22 En la primera

pestaña Connections se ingresa la información correspondiente a la variable De proceso PV (Process

Variable Source) y la señal de salida del controlador OP (Output Target Object).

Figura 74. Ventana de configuración del lazo de control. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Para el caso de la instalación de del lazo de control de nivel en el sello hidráulico en el proceso se hace

clic en el botón Select PV y se sigue la ruta Case>V-101>Liquid Percent Level y luego se hace clic en

el botón OK, de esta forma queda definida la variable controlada. Luego se define la variable

manipulada para esto se hace clic en el botón Select OP y se sigue la ruta Case>V-8>Actuator Desired

Position y se hace clic en el botón OK, tal y como se muestra en la Figura 75.

89

Figura 75. Configuración de las variables del controlador. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Teniendo definida cada una de las variables para el controlador se procede hacer clic en la pestaña

Parameters, en esta se cargan la acción del controlador (Direct o Reverse), el modo de operación (Man

o Auto), el valor mínimo y máximo que puede tomar la variable de proceso, los valores de la ganancia

proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, como se muestra en la Figura 76. De la misma

manera se configura cada uno de los otros lazos de control que se instalan en el proceso.

90

Figura 76. Configuración de los parámetros del controlador de nivel para el separador V-101. Fuente: adaptado de Aspen

HYSYS®.

Estando cada uno de los lazos de control configurados, se hace clic en el botón Face Plate para cada

controlador, ahí aparece una pantalla que permite visualizar de manera simultánea el valor de la

variable de proceso PV, el set point SP del controlador y la salida del controlador OP de la válvula.

Para configurar la gráfica de tendencia en la que se puede observar el cambio en el tiempo, se hace clic

en la pestaña Stripchart de la ventana de configuración del controlador y de la lista de opciones que

aparecen al desplegar la casilla Variable Set se elige la opción SP, PV, OP Only y se hace clic en el

botón Create Stripchart, tal y como se muestra en la Figura 77.

De esta manera queda configurado el controlador de nivel para el separador V-101, paso siguiente es

instalar el resto de controladores teniendo en cuenta el mismo procedimiento que se explicó

anteriormente.

91

Figura 77. Visualización del face Plate y la gráfica de tendencia para observar las variaciones en el tiempo, para la entrada 1.

Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

En la eliminación de hidrocarburos gaseosos es necesario tener presente aire o vapor de agua, que este

ingresando constantemente al quemador a medida que se están eliminando los hidrocarburos gaseosos,

y así, se de la conversión a unas condiciones de operación específicas. Para esto se tiene que la relación

hidrocarburos gaseosos/Aire es, 1:2.

Debido a que la simulación está en estado dinámico se instala un controlador de relación que varié el

flujo de aire en función de la corriente F-029 que es la corriente que entra al reactor de conversión

(llamado quemador). Para la instalación de lazos de control de relación, se tiene en cuenta el siguiente

procedimiento, lo primero es seleccionar adecuadamente el modelo de control que se quiere

implementar, para esto se dirige a la zona inferior de la barra de herramientas del simulador y en el

botón identificado como control Ops se hace clic, hay hay aparece una nueva casilla con cinco modelos

de control disponibles en Aspen HYSYS®, se elige la opción Ratio Controller y se instala sobre el

diagrama de flujo.

Teniendo el controlador de relación instalado sobre el diagrama de flujo, se hace doble clic sobre el

icono instalado y aparece la ventana de configuración del controlador de relación como se muestra en

la Figura 78. En la primera pestaña, Connections, se ingresa la información correspondiente a la

variable de proceso PV (esta variable es la del flujo es la corriente F-029 y F-030) y la señal de salida

del controlador de relación OP es la válvula V-9.

92

Figura 78. Ventana de configuración del controlador de relación. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Teniendo definida la variable de entrada y salida del controlador de reflujo, se procede a configurar

dicho controlador para esto se dirige a la pestaña, Parameters, y en la página configuration se

establecen los límites de PV, SP y OP, tal como se muestra en la Figura 79. Estando establecido los

límites de las variables anteriormente mencionadas se dirige a la página Operation, aquí se fija la

acción del controlador (En este caso la acción es directa) y la relación de cuánto debe ir variando el set

point y la variable de salida a medida que se va modificando el flujo de la corriente F-029, este valor se

fija haciendo clic en la casilla Enable Ratio Control y se digita en la opción Ratio para que la relación

sea el doble en la casilla Ratio se pone 0,5. En este caso se pone 0,6.

93

Figura 79. Ventana de configuración de los parámetros para el controlador de relación Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

Habiendo realizado los ajustes anteriormente mencionado a los equipos del proceso e instalado todos

los lazos de control, se procede a ejecutar el botón Dynamics Assistant. Esto para verificar que todas

las especificaciones requeridas para la ejecución de la simulación en estado dinámico se cumplan. El

resultado obtenido se muestra en la Figura 80, en donde se puede observar cuales son los cambios que

hacen falta realizar y propone ejecutarlos de forma automática. Los cambios sugeridos facilitan el

cálculo de las presiones en la simulación dinámica a través de las ecuaciones que relacionan el flujo

con la presión. En la pantalla que muestra los resultados del análisis del asistente dinámico se hace clic

en el botón Make Changes, posteriormente se da de nuevo clic en al botón de modo dinámico de la

barra de herramientas.

Figura 80. Resultados del análisis del asistente dinámico en Aspen HYSYS Dynamics® Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

94

De esta manera han quedado especificados todos los equipos del proceso en estado dinámico y el

entorno de la simulación del proceso se muestra en la Figura 81.

96

Figura 81. Ventana desplegada del proceso en el entorno de la simulación en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

97

5.1.4 ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN EN ASPEN HYSYS®

En primer lugar, se procede hacer perturbaciones en el set point del lazo de control de nivel del

separador S-101 (Este equipo representa el sello hidráulico), se desea observar la respuesta en el

tiempo y el efecto que tiene los parámetros de sintonía sobre este controlador. El set point fijado

en primer lugar es de 80%, con unos parámetros de sintonías: ganancia proporcional =0,5,

tiempo integral=5, la perturbación que se le hizo a este controlador fue bajar el set point a 70%,

tal como se muestra en la Figura 82, se observa que la respuesta es oscilatoria (sub-amortiguada).

Figura 82.Respuesta del lazo de control de nivel para el separador S-101.Fuente Adaptado Aspen Hysys®

Lo que pretende con este lazo de control es mantener el 80%-70% del volumen líquido en el

Separador S-101, para que de esta manera impedir el retroceso de los hidrocarburos gaseosos que

se están eliminando en el quemador. Debido a que la respuesta del controlador debe ser rápida

para cuando se esté desocupando el separador S-101, por dos razones (Balboa) el agua puede ser

arrastrada por los hidrocarburos que se están eliminando y la salida lenta del agua aceitosa que

está en este tanque (Jimenez Garcia & Masaggues Vidal, junio 2007).

Por lo tanto, se procede a cambiar los paramentos, para esto detenga un momento el integrador y

la modifique la ganancia proporcional =1.1, tiempo integral =5, el set point 80%, de nuevo inicie

el integrador e introduzca el cambio en el set point 70%, la respuesta del controlador de nivel se

muestra en la Figura 83, en donde se puede observar que la respuesta es sobre-amortiguada,

desapareciendo la oscilación y se logra una estabilidad del lazo más rápida. Para cuando se varía

la acción integral del controlador de nivel también se aprecia una respuesta sub-amortiguada,

para el caso cuando se tienen valores de tiempo integral inferior a 5 min.

De esta forma queda sintonizado el lazo de control de flujo del separador S-101, en el caso

cuando hay variaciones en la presión de las entradas del proceso este lazo no se ve afectado

significantemente, debido a que el sistema compensa el flujo en las otras entradas para de esta

manera la TEA no tenga cambios bruscos en sus condiciones de operación.

98

Figura 83. Respuesta del lazo de control de nivel para el separador S-101.Fuente Adaptado Aspen Hysys®

El siguiente controlador a analizar es el controlador de nivel del separador S-100 (representa el

Knonk-out drum), para este controlador de nivel se tiene las siguientes consideraciones: debido a

que la fracción másica de cada una de las corrientes tiene un porcentaje de 0,0022 de agua, y el

separador está a unas condiciones de operación de 68,3 bar, la cantidad de condensados que se

obtiene es poco alrededor de 1.4E-2 MMSCFD, lo que limita a tener un set point superior a 10%,

porque el tanque nunca se llena debido a que el flujo no se está aumentando en la entrada al

separador. La cantidad máxima que alcanza de condesados este equipo es un 9,8 % de nivel de

líquido.

La válvula V-6 que es la que tiene la función de desocupar el Separador S-100 cuando este

alcance un 100 % del nivel de condensados, para evitar problemas en el quemador y en

cuestiones de seguridad para los operario y restricciones ambientales. Por lo tanto, esta válvula

V-6 tiene una alta caída de presión. Lo siguiente es sintonizar el controlador de nivel del

separador S-100, para esto se fija un 𝑠𝑒𝑡 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 3%, 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 = 0,7 y

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙 = 8 𝑚𝑖𝑛.

Posteriormente se detiene un momento el integrador y se modifica el 𝑠𝑒𝑡 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 4% la respuesta

del controlador de nivel se muestra en la Figura 84. Aquí se puede observar que la válvula se

empieza a cerrar de tal forma que se alcance un nivel de condensados en el separado de 4%. Otro

caso es cuando se hacen variaciones en los parámetros de la 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎 = 2,

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙 = 6 y variación del 𝑠𝑒𝑡 𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 5%, la respuesta a estos cambios, se muestran

en la Figura 85, donde se observa que la respuesta de la variación del porcentaje de apertura no

modifica significativamente la cantidad de flujo de condenados para alcanzar el set point de 5%

99

Figura 84. Efecto del cambio de set point del controlador de nivel del separador S-100 Fuente: Adaptado de

Aspen HYSYS®

Figura 85. Efecto del cambio de los parámetros del controlador de nivel del separador S-100 Fuente: Adaptado de Aspen

HYSYS®

El siguiente controlador a sintonizar para el proceso es el controlador de temperatura para el

separador S-101, este controlador de temperatura lo que permite es mantener la temperatura entre

30 − 40º𝐶 para de esta manera lograr que el agua que está en el interior del separador S-101 no

se evapore y se arrastrada con la corriente de gases de hidrocarburos que se están eliminando. La

acción de este controlador es inversa debido a que, por ejemplo, si el separador alcanza una

temperatura alta el actuador de la válvula V-7 debe empezar a cerrarse, debido a que el servicio

es agua caliente a mayor flujo de agua caliente ahí más flujo de calor para transmitir en el

intercambiador de calor, que es el equipo que aporta la energía para mantener el separador S-100

a unas condiciones de temperatura establecida. Los parámetros para el controlador de

temperatura y lograr una respuesta más rápida del sistema son: 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 = 0,2,

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑟 = 12. Figura 86.

100

Figura 86. Respuesta del lazo de control de temperatura para el separador S-101 Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

Otros aspectos a considerar que se observaron a medida que se hacen perturbaciones en el

sistema son: la respuesta del controlador de relación es inmediata cuando se incrementa en un

porcentaje mínimo la corriente de hidrocarburos gaseosos y líquidos que ingresan al sistema,

modificando la corriente de aire para que de esta forma se queme en mayor proporción el

metano, etano y propano, y poder obtener en mayor medida productos como agua y CO2, cuando

la relación de dichas corrientes es 1:2 (corriente gas: corriente aire) se obtienen conversiones

hasta del 20% como se muestra en la Tabla 10, se pueden alcanzar conversiones más altas pero la

cantidad de oxígeno a implementar en el proceso sería muy alta por ese motivo se emplea una

proporción 1:2.

Conversión

Compuesto 10% aire 20% aire 30% aire 40% aire 50% aire

metano 10,98 12,34 14,1 16,45 20,3

etano 9,59 10,76 12,34 14,39 18,27

propano 10,96 12,34 14,1 16,45 20,3

Tabla 10. Resultado del porcentaje de conversión de metano, propano y etano en Aspen HYSYS®

A medida que se va aumentando la cantidad de aire en el proceso se puede apreciar que la

conversión de los hidrocarburos gaseosos va aumentando, pero no en gran proporción, la

relación que se emplea es 1:2 debido a que si son mayores las dimensiones del quemador seria

fuera de lo normal. Por otro lado, Se tiene que si se aumenta la presión de la corriente de aire se

logra una mayor conversión con la misma cantidad de aire.

También se puede apreciar que cuando se hacen modificaciones en la temperatura de la corriente

de agua que ingresa al sello hidráulico, se presentan modificaciones en las condiciones de

operación del mismo y por consiguiente se afecta el controlador.

101

5.2 METODOLOGIA DE INTEGRACION EN LA COMUNICACIÓN ENTRE ASPEN

HYSYS Y RSLOGIX 5000 PARA UN SISTEMA DE TEA

El protocolo de intercambio dinámico de datos DDE (Dynamic Data Exchange) es uno de los

métodos de comunicación entre procesos que permite intercambiar datos entre aplicaciones de

Windows. El protocolo DDE está basado en el sistema de mensajería construido por Windows y

en particular permite que una aplicación abra una sesión con otra, enviar comandos al servidor de

aplicaciones y recibir respuestas (Luis, 2012) (Fundación Wikimedia, Inc., 2016).

Las aplicaciones DDE están clasificadas en cuatro categorías: cliente, servidor, cliente/servidor y

monitor. Una comunicación DDE siempre tiene lugar entre una aplicación cliente, que la inicia,

y un servidor. La aplicación cliente solicita datos o servicios a un servidor y ésta responde,

positiva o negativamente, a la petición. En una aplicación cliente/servidor coexisten ambas

cualidades, es decir solicita y suministra información. Una aplicación monitor es capaz de

interceptar mensajes dirigidos a otras aplicaciones, aunque no puede acceder a ellos. Este tipo es

particularmente útil en tareas de depuración (Escuela Tecnica Superior de Quito).

Para desarrollar estrategias de control externo, sobre los sistemas del proceso que está dentro del

ambiente de simulación en Aspen Hysys, se utiliza un controlador que funciona bajo simulación

como lo es Softlogix 5800, que se programa a través de RSLogix 5000, ya que está diseñado

para programar controladores de la familia Logix 5000 y para la plataforma logix de Rockwell

Automation. Utiliza varias tipos de lenguaje de programación como Escalera (Ladder), Bloques

de funciones (Functions blocks), texto estructurado (structured text) y esquemas de funciones

secuenciales (Sequential Function Chart) (Rocatek S.A.S).

5.2.1 SISTEMA DE TEA SIMULADO EN ASPEN HYSYS

En la Figura 87 se muestra el Diagrama de Flujo del Proceso (PFD), del sistema de Tea

simulado en Aspen Hysys, en donde se puede apreciar la entrada de hidrocarburos al sistema por

F-018 al tanque KO Drum (V-100) para la separación de los líquidos o condensados presentes en

el gas, el tanque KO Drum cuenta con una válvula proporcional V-6, que hace parte del lazo de

control de nivel LIC-100.

Una vez los hidrocarburos salen del Tanque KO Drum, ingresan al Tanque de Sello Liquido o

Sello Hidráulico (V-101) por F-021, en donde se asegura que el gas no tenga ninguna partícula

de agua y esté listo para la quema saliendo por F-024. El Sello Hidráulico cuenta con dos lazos

de control, uno de nivel LIC-101 que cuenta con una válvula proporcional V-8, y otro de

temperatura TIC-100, que por medio de la válvula proporcional V-7 controla el flujo de agua que

102

ingresa al intercambiador de calor E-100, de esta manera variando el flujo de energía Q-013 que

ingresa al sello hidráulico se controla la temperatura.

Cuando el gas está listo para ser quemado pasa por la Tea (Stack) y allí es donde se mezcla con

el aire, para que por medio de un piloto, la mezcla Gas-Aire haga combustión, el proceso

anteriormente mencionado es simulado con un reactor de conversión, llamado QUEMADOR.

Esta parte del sistema cuenta con un lazo de control de Relación RATO-100, que por medio de la

válvula proporcional V-9, regula el flujo de aire dependiendo de la cantidad de gas que está

destinado para ser quemado. El propósito de este lazo de control es mantener una relación de

aire-gas 2:1, para que todos los hidrocarburos que componen el gas se conviertan en su gran

mayoría en agua y dióxido de carbono.

Para información detallada acerca de la simulación del sistema de Tea consulte el artículo:

Simulación de un Sistema de Tea en Aspen Hysys (Cadena , Ruiz , & Escobar Diaz, Simulacion

de un Sistema de Tea en Aspen Hysys, 2016).

103

Figura 87. PFD del sistema de tea simulado. Fuente: Adaptado de Aspen Hysys®.

5.2.2 Metodología de comunicación

La metodología para desarrollar la comunicación entre el software de simulación de procesos

químicos Aspen Hysys y el software RSlogix 5000 se presenta en la Figura 88.

104

Figura 88. Etapas para desarrollar la Comunicación. Fuente. Autores

105

5.2.3 Identificar las variables del proceso

Se deben identificar las variables más importantes del proceso simulado en Aspen Hysys (ver

Tabla 11) para asociarlas con el respectivo tag que será creado en RSLogix 5000. Teniendo

claro el Tag, que es creado según la zona del proceso simulado e identificación típica de

etiquetas (Tags) (Instrumentation Symbols and Identification, 2009), será asociado con la

respectiva variable creada en editor de macros de Aspen Hysys, dicha variable contendrá el

valor de una unidad de operación o corriente del proceso.

Variables

Zona TAG

(RSLogix)

Tipo Variable Asociada en HYSYS 7.3

Entrada

hidrocarburos

F18-FIT-01 IN F_entrada, Flujo corriente (MMSCFD)

F18-PIT-01 IN P_entrada, Presión corriente (Psig)

F18-TIT-01 IN T_entrada, Temperatura corriente (C)

KO DRUM KO-PI-01 IN P_vessel_100, Presión separador v-100 (Psig)

KO-TI-01 IN T_vessel_100, Temperatura separador v-100 (C)

KO-LIC-

03VP

IN N_vessel_100, Nivel separador v-100 (%)

KO-LIC-

05VC

OUT VC_LIC100, Apertura válvula V-6 (%)

Sello liquido SL-PI-01 IN P_vessel_101, Presión separador v-101 (Psig)

SL-FI-01 IN F_vessel_101, Flujo separador v-101 (MMSCFD)

SL-TI-01 IN T_vessel_101, Temperatura separador v-101 (C)

SL-LIC-03VP IN N_vessel_101, Nivel separador v-101 (%)

SL-LIC-05VC OUT VC_LIC101, Apertura válvula V-8 (%)

SL-TIC-03VP IN T_vessel_101, Temperatura separador v-101 (C)

SL-TIC-05VC OUT VC_TIC100, Apertura válvula V-7 (%)

STACK S-PI-01 IN P_Stack, Presión Stack (Psig)

S-TI-01 IN T_Stack, Temperatura Stack (C)

S-FI-01 IN F_Stack, Flujo Stack (MMSCFD)

S-RC-01VP IN F_Aire, Flujo corriente F-026 (MMSCFD)

S-RC-02VC OUT VC_FRC100, Apertura válvula V-9 (%)

S-RC-03SP IN F_Stack, Flujo Stack (MMSCFD)

Quemador F026-TI-01 IN T_Aire , Temperatura corriente (C)

F026-PI-01 IN P_Aire Presión corriente (Psig)

F026-FI-01 IN F_Aire, Flujo corriente (MMSCFD)

F028_TI_01 IN T_Llama , Temperatura corriente (C)

F028_PI_01 IN P_Llama Presión corriente (Psig)

F028_FI_01 IN F_Llama, Flujo corriente (MMSCFD) Tabla 11. Listado de las variables utilizadas para la comunicación con RSlogix5000. Fuente: Autores

106

5.2.4 Configuración del Controlador Virtual

5.2.4.1 Configuracion RSLinx Classic

RSLinx Classic es el software de comunicación más ampliamente instalada en la automatización

de hoy. Todas las ediciones de RSLinx Classic ofrecen la posibilidad de navegar por la red de

autómatas, configurar y diagnosticar los dispositivos de red (Rockwell Automation, Inc., 2016).

Para la configuración de RSLinx Classic se tiene en cuenta la configuración de los drivers para

el correcto funcionamiento del controlador virtual, para ello nos dirigimos a la barra de

herramientas del RSLinx Classic, seleccionamos: Communications/ Configure Drivers como se


Figura 89. Ventana de RSLinx Classic. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic.

De los tipos de drivers disponibles, escogemos Virtual Backplane y se da click en Add New

como se muestra en la Figura 90.

107

Figura 90. Ventana de configuración de Drivers. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic.

De la misma manera podemos Adicionar los drives necesarios para poder agregar más módulos

al Chasis Virtual Softlogix, en este caso se agregó el driver EtherNet/IP Driver con la dirección

IP 198.168.0.1, quedando la ventana de configuración de drivers como de mustra en la Figura 91.

Figura 91. Drivers en estado RUNNING. Fuente: Adaptado RSLinx® Classic.

108

5.2.4.2 Configuración del SoftLogix Chassis Monitor

El sistema SoftLogix es un sistema de control flexible que corre en el sistema operativo de

Windows. Este sistema funciona en un computador simulando los módulos reales del controlador

(Rockwell Automation).

Al instalar el controlador, el Chassis Monitor permite configurar características específicas. Para

ello se da click derecho en el Slot 1 del Chassis Monitor y seleccionamos Create, como se


Figura 92. Ventana SoftLogix Chassis Monitor. Fuente: Adaptado de Softlogix.

Seleccionamos el módulo 1789-L60 SoftLogix5860 como se muestra en la Figura 93.

Figura 93. Ventana Select Module. Fuente: Adaptado de Softlogix.

109

Los ajustes para este controlador en las ventanas General y NT System se dejan tal como están,

dando Finalizar en esta última.

Hacemos el mismo procedimiento para adicionar el módulo Input/Output, solo que esta vez se da

click derecho el Slot 2 y seleccionamos el modulo que se indica en la Figura 94.

Figura 94. Selección del módulo Input/output. Fuente: Adaptado de Softlogix.

Por Ultimo Adicionamos el modulo Ethernet en el Slot 3 (ver figura 4), y en la ventana Select

Device Seleccionamos la dirección IP previamente configurada en el driver que se adiciono en

RSLinx.

Figura 95. Selección del módulo EtherNet. Fuente: Adaptado de Softlogix.

110

Una vez terminado la Adición de módulos, el SoftLogix Chassis Monitor debe quedar como se

muestra en la Figura 96

Figura 96. Ventana SoftLogix Chassis Monitor. Fuente: Adaptado de Softlogix.

5.2.4.3 Configuración RSLogix 5000

Para crear un nuevo proyecto, en la pestaña File damos click en New y en el espacio Name le

damos el nombre al proyecto, que para este caso lo llamaremos así “proyecto”, y cambiamos el

número de Slot a 1. En la Figura 97 se muestra cómo deben quedar los ajustes.

111

Figura 97. Ventana New Controller. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Para agregar el módulo Input/Output alproyecto, le damos click derecho en Backplane y New

Module, ubicado en el panel de navegación, como se muestra en la Figura 98.

Figura 98. Adición de un nuevo Módulo. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Ahora seleccionamos el modulo que indica la Figura 99.

112

Figura 99. Ventana Select Module. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

En la Figura 100 se muestra los ajustes correspondientes del módulo, tener presente que el

número del Slot debe ser el 2, ya que así está en el chasis virtual de Softogix.

Figura 100. Ventana New Module. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

113

Ahora se adiciona el modulo EtherNet, realizando el mismo procedimiento mostrado en la Figura

98, pero esta vez se seleccionara el modulo EtherNet como se muestra en la Figura 101.

Figura 101. Selección Modulo Ethernet. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Cabe resaltar que el número del Slot debe corresponder al lugar donde se encuentra el modulo

EtherNet en el chasis virtual en Softlogix y la dirección IP es la que se configuro con

anterioridad en RSLinx, de esta manera en la Figura 102 se muestra los ajustes. Para mayor

información consultar el manual de usuario de Softlogix (Rockwell Automation).

114

Figura 102. Configuración modulo EtherNet. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

5.2.4.4 Ingreso de Tags en RSLogix 5000

En la Tabla 11 se muestra todos los Tags que deseamos que contengan información del proceso

simulado en Aspen Hysys, en el panel de navegación de RSLogix 5000 damos click en Program

Tags y en la pestaña Edit Tags aparece la tabla para ingresar el nombre del Tag, Tipo de Dato y

Estilo, como se muestra en la Figura 103.

115

Figura 103. Tabla para insertar Tags. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Para ingresar el Tag F18-FIT-01, se digitamos en la casilla Name, luego en la casilla Data Type

buscamos la opción REAL y en la Casilla Style seleccionamos la opción Float, como lo indica la

Figura 104.

Figura 104. Insertar un Tag. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

De esta manera podremos adicionar todos los Tags que queremos que contengan información del

proceso, quedando la tabla como se muestra en la Figura 105.

116

Figura 105. Tabla Edit Tags. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

En la barra de herramientas de RSLogix 5000, damos click en Communications y Who Active

para buscar nuestro controlador y descargar los Tags creados, en la se muestra la selección del

controlador y posterior a esto se da click en Download.

Figura 106. Ventana Who Active. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

117

Ahora se procede a poner RSLogix en modo Run para poder visualizar el valor de cada tag, para

ello damos click en el icono Remote Program que está debajo de la barra de herramientas, Como

lo indica la Figura 107.

Figura 107. Modo Run RSLogix 5000. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Luego de lo anterior nos dirigimos al RSLinx Classic, para configurar el Tópico DDE, para hacer

esto damos click en la pestaña Communications, ubicada en la barra de herramientas, y

seleccionamos RSWho. La Figura 108 muestra el modulo virtual seleccionado para ello.

Figura 108. Modula a configurar el Tópico DDE. Fuente: Adaptado de RSLinx.

118

En la ventana Topic Configuration, damos click en Apply y psterior a esto en SI como se muestra

en la Figura 109. De esta manera los Tags ya están listos para almacenar el valor de una variable

del proceso en Hysys.

Figura 109. Ventana DDE/OPC Topic Configuration. Fuente: Adaptado de RSLinx.

Con la herramienta OPC Test Client de puede verificar el estado de cada Tag y su valor actual

como lo muestra la Figura 110.

119

Figura 110. Ventana OPC Test Client. Fuente: adaptado OPC Test Client.

5.2.5 Sintaxis para la comunicación DDE en Aspen Hysys.

La sintaxis utilizada para realizar la comunicación DDE se puede realizar bajo el lenguaje de

programación Visual Basic (VBA). Aspen Hysys V7.3 posee un editor de macros en el cual

podemos entablar la comunicación y llamar las variables del proceso. La información requerida

para establecer esta comunicación se encuentra en la guía de personalización (Aspen HYSYS,

Customization Guide) publicada por AspenTech®.

Cabe resaltar que es necesario tener conocimientos básicos en programación con VBA para la

creación de una macro en la herramienta Languaje Macro Editor de Hysys. A continuación se

muestra algunos ejemplos de código fuente, importantes para establecer comunicación con

RSLogix5000.

Cargando el hysys case abierto dentro del objeto simCase

120

Sub-rutina encargada de establecer comunicación DDE.

Sintaxis para obtener el valor de una especificación (en este caso Temperatura) de

cualquier unidad de operación y cargarlo en una variable.

A continuación se muestra la sintaxis empleada para obtener las especificaciones de una unidad

de operación del sistema de Tea simulado, para este caso se cargan tres variables diferentes con

el valor de Nivel, Temperatura y Presión del Tanque KO Drum, teniendo presente la designación

de las variables que se muestran en la Tabla 11.

Sintaxis para obtener el valor de una especificación de una corriente (en este caso

Temperatura) y cargarlo en una variable.

Siguiendo los mismos pasos del anterior ejercicio, se pretende cargar las especificaciones de una

corriente del sistema de Tea simulado, ahora se cargaran los valores de Presión, Flujo y

temperatura de la corriente de entrada al sistema, según como se designaron las variables (ver

Tabla 11).

Dim simCase As Object

Set simCase = ActiveCase

If simCase Is Nothing Then

MsgBox ("No existe un ''HYSYS Case'' Abierto.")

End

End If

Private Function OpenRSLinx()

On Error Resume Next

'Iniciando conección DDE con RSLinx

OpenRSLinx = DDEInitiate("RSLINX", "Proyecto")' “Proyecto” es el nombre del tópico creado en RSLinx

'Verificando conexión

If Err.Number <> 0 Then

MsgBox "Error Connecting to topic", vbExclamation, "Error"

OpenRSLinx = 0 'Return false if there was an error

End If

End Function

Set Variable = simCase.Flowsheet.Operations.Item("unidad de operacion").VesselTemperature

’variables KO

Set vessel_100 = Simcase.Flowsheet.Operations.Item("V-100")

N_vessel_100=vessel_100.LiquidPercentLevel.GetValue("%")

T_vessel_100=vessel_100.VesselTemperature.GetValue("C")

P_vessel_100=vessel_100.VesselPressure.GetValue("psig")

Set Corriente = simCase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("Nombre Corriente")

Variable=Corriente.Temperature.GetValue("C")

121

Sintaxis para enviar el valor de una variable en un tag creado en RSLogix 5000

Ahora estas variables que contienen valores de Presión, Flujo, Temperatura y Nivel serán

enviadas al respectivo Tag que se creó con anterioridad en RSLogix 5000, como se muestra a

continuación.

Sintaxis para recepción del valor de un tag creado en RSLogix 5000 y asignarlo a una

variable en Aspen Hysys.

La sintaxis empleada para asignar el valor que contiene un Tag en RSLogix 5000 a una variable

del proceso simulado en Aspen Hysys es muy útil, ya que con esto se pretende manipular la

apertura de válvulas que hacen parte de los diferentes lazos de control del sistema de Tea

simulado. El siguiente código muestra cómo se puede lograr, tomando como ejemplo la válvula

V-6 que hace parte del lazo de control de nivel del tanque KO Drum.

' variables flujo entrada

Set entrada = Simcase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("F-018")

F_entrada=entrada.MolarFlow.GetValue("MMSCFD")

P_entrada=entrada.Pressure.GetValue("psig")

T_entrada= entrada.Temperature.GetValue("C")

rslinx = OpenRSLinx() 'Abrir conexión con RSlinx

DDEPoke rslinx, "Variable", Tag

DDETerminate rslinx 'Terminar conexión DDE

rslinx = OpenRSLinx() 'Abrir conexión con RSlinx

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_FIT_01", F_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_PIT_01", P_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_TIT_01", T_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_LIC_03VP", N_vessel_100

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_TI_01", T_vessel_100

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_PI_01", P_vessel_100

DDETerminate rslinx 'Terminar conexión DDE

rslinx = OpenRSLinx() 'Abrir conexion con RSlinx

Variable = DDERequest(rslinx,"Tag",1)

simCase.Flowsheet.Operations.Item("Nombre unidad").PercentOpenValue =Variable

DDETerminate rslinx 'Terminar conexion DDE

rslinx = OpenRSLinx() 'Abrir conexion con RSlinx

VC_LIC100=DDERequest(rslinx,"Program:MainProgram.KO_LIC_05VC",1)

Simcase.Flowsheet.Operations.Item("V-6").PercentOpenValue =VC_LIC100

122

De esta manera se puede comunicar las variables que queramos de cualquier proceso simulado

en Aspen Hysys a RSLogix 5000, solo hay que estar atentos a la designación de variables y

Tags, así como de la asociación entre las mismas, para que no haya errores en el momento de

realizar la comunicación.

A continuación se muestra la sintaxis completa que correrá en el editor de Macros de Aspen

Hysys.

123

Public hyApp As HYSYS.Application

Public Simcase As SimulationCase

Sub Main ()

Do

Dim Simcase As Object

Set Simcase=ActiveCase

If Simcase Is Nothing Then

MsgBox ("No existe un ''HYSYS Case'' Abierto.")

End

End If

' variables flujo entrada

Set entrada = Simcase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("F-018")

F_entrada=entrada.MolarFlow.GetValue("MMSCFD")

P_entrada=entrada.Pressure.GetValue("psig")

T_entrada= entrada.Temperature.GetValue("C")

'variables KO



T_vessel_100=vessel_100.VesselTemperature.GetValue("C")


'variables sello liquido



T_vessel_101=vessel_101.VesselTemperature.GetValue("F")


F_vessel_101= vessel_101.VapourMolarFlow.GetValue("MMSCFD")

'variables stack

Set Stack = Simcase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("F-025")

T_Stack= Stack.Temperature.GetValue("C")

P_Stack= Stack.Pressure.GetValue("psig")

F_Stack= Stack.MolarFlow.GetValue("MMSCFD")

'Variables entrada aire

Set Aire = Simcase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("F-026")

T_Aire=Aire.Temperature.GetValue("C")

P_Aire=Aire.Pressure.GetValue("psig")

F_Aire=Aire.MolarFlow.GetValue("MMSCFD")

' Variables llama

Set Llama = Simcase.Flowsheet.MaterialStreams.Item("F-028")

T_Llama = Llama.Temperature.GetValue("C")

P_Llama = Llama.Pressure.GetValue("psig")

F_Llama = Llama.MolarFlow.GetValue("MMSCFD")

124

Delay(10)

rslinx = OpenRsLinx()'Abrir conexion con RSlinx

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_FIT_01", F_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_PIT_01", P_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F18_TIT_01", T_entrada

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_LIC_03VP", N_vessel_100

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_TI_01", T_vessel_100

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.KO_PI_01", P_vessel_100

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.SL_LIC_03VP", N_vessel_101

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.SL_TIC_03VP", T_vessel_101

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.SL_TI_01", T_vessel_101

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.SL_PI_01", P_vessel_101

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.SL_FI_01", F_vessel_101

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.S_TI_01",T_Stack

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.S_PI_01", P_Stack

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.S_FI_01",F_Stack

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.S_RC_01VP", F_Aire

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.S_RC_03SP", F_Stack

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F026_TI_01", T_Aire

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F026_PI_01", P_Aire

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F026_FI_01", F_Aire

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F028_TI_01", T_Llama

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F028_PI_01", P_Llama

DDEPoke rslinx, "Program:MainProgram.F028_FI_01", F_Llama

VC_LIC100=DDERequest(rslinx,"Program:MainProgram.KO_LIC_05VC",1)


VC_LIC101=DDERequest(rslinx,"Program:MainProgram.SL_LIC_05VC",1)


VC_TIC100=DDERequest(rslinx,"Program:MainProgram.SL_TIC_05VC",1)

Simcase.Flowsheet.Operations.Item("TIC-100").OP.SetValue VC_TIC100

VC_FRC100=DDERequest(rslinx,"Program:MainProgram.S_RC_02VC",1)

Simcase.Flowsheet.Operations.Item("V-9").PercentOpenValue =VC_FRC100

DDETerminate rslinx 'Terminar conexion DDE

Loop While True

End Sub

125

Una vez la programación ha sido desarrollada en el editor de macros de Aspen Hysys, se da click

en el icono start, para que empiece la comunicación como se muestra en la Figura 111.

Figura 111. Editor de Macros de Macros. Fuente: Adaptado Aspen Hysys.

Sub Delay(ByVal Tiempo As Double)

Dim HoraActual As Double 'On Local Error Resume Next

HoraActual = Timer

Do Until Timer >= HoraActual + (Tiempo / 1000)

DoEvents

Loop

End Sub

Private Function OpenRsLinx()

On Error Resume Next

'Abrir el programa en en Rslinx

OpenRsLinx = DDEInitiate("rslinx", "Proyecto") 'Entre comillas app y topic

'Verifica si se realizó la conexión

If Err.Number <> 0 Then

MsgBox "Error Conecting to topic", vbExclamation, "Error"

OpenRsLinx = 0 'Devuelve FALSE si hubo un error

End If

End Function

126

5.2.6 Visualización de las variables en RSLogix 5000

Para visualizar el valor que contiene cada tag en RSLogix 5000, se da click en Program Tag

ubicado en el panel de navegación, y en la pestaña Monitor Tag aparece una tabla con el nombre

del tag y su valor actual como se muestra en la Figura 112.

Figura 112. Tags con el valor Actual. Fuente: Adaptado de RSLogix 5000.

Con lo anterior se culmina la comunicación de las variables de proceso simulado en Aspen

Hysys con RSLogix 5000, para verificar el funcionamiento de la comunicación basta con

modificar cualquier valor de una variable del sistema de Tea simulado y en la tabla Monitor Tags

aparecerá el valor actualizado del Tag de manera inmediata.

5.3 METODOLOGÍA PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE TEA

La metodología para desarrollar la Automatización con RSLogix 5000 del proceso simulado en

Aspen Hysys se muestra en la Figura 88.

127

Figura 113. Diagrama de bloques para implementar la automatización del sistema de TEA. Fuente: Autores

5.3.1 Identificar las variables del proceso

Se deben identificar las variables que están involucradas en los diferentes lazos de control del

proceso simulado en Aspen Hysys (ver Tabla 11) para elegir adecuadamente el tag al momento

de configurar los bloques PID que se implementaran en RSLogix 5000. Teniendo claro el Tag,

128

que es creado según la zona del proceso simulado e identificación típica de etiquetas (Tags)

(Instrumentation Symbols and Identification, 2009), y la asociación con la respectiva variable de

Aspen Hysys, se procede a implementar los bloques PID en los lazos de control.

Variables de los Lazos de Control del Sistema de Tea

Zona TAG

(RSLogix)

Tipo Variable Asociada en HYSYS 7.3

Tanque KO drum KO-LIC-03VP IN N_vessel_100, Nivel separador v-100 (%)

KO-LIC-05VC OUT VC_LIC100, Apertura válvula V-6 (%)

Sello liquido SL-LIC-03VP IN N_vessel_101, Nivel separador v-101 (%)

SL-LIC-05VC OUT VC_LIC101, Apertura válvula V-8 (%)

SL-TIC-03VP IN T_vessel_101, Temperatura separador v-101 (C)

SL-TIC-05VC OUT VC_TIC100, Apertura válvula V-7 (%)

STACK S-RC-01VP IN F_Aire, Flujo corriente F-026 (MMSCFD)

S-RC-02VC

OUT VC_FRC100, Apertura válvula V-9 (%)

S-RC-03SP IN F_Stack, Flujo Stack (MMSCFD)

Tabla 12. Listado de las variables utilizadas para la automatización con RSlogix5000. Fuente: Autores

5.3.2 Implementación de bloques PID

Para instalar los controladores, vamos a la rutina principal “MainRoutine”, que está ubicado en el

panel de navegación del proyecto, que por defecto se encuentra en lenguaje ladder e insertamos

un controlador PID (Rockwell Automation, 2014), para ello se busca la paleta “Special” y se da

clic en “PID” como se muestra en la Figura 114.

Figura 114. Adicionar módulo PID al programa. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

129

En la Tabla 13, se muestra los parámetros de configuración de los controladores PID a instalar.

Parámetro Lazo de control

LIC-100

Lazo de control

LIC-101

Lazo de control

TIC-100

Lazo de control

RC-100

PID PID-V100 PID-V101 PID-V101T PID-FRC

Process Variable KO-LIC-03VP SL-LIC-03VP SL-TIC-03VP S-RC-01VP

Control Variable KO-LIC-05VC SL-LIC-05VC SL-TIC-05VC S-RC-02VC

Setpoint 40 50 90 S-RC-03SP

Kp 8 8 8 1

Ki (1/s) 5 0.3 0.1 0.3

Kd(s) 0 0 0 0

Control Action PV-SP SP-PV SP-PV SP-PV

Loop Update Time

(s)

0.02 0.02 0.02 0.02

CV High Limit (%) 100 100 100 100

PV High 80 80 80 0

PV Low 20 20 110 0

Tabla 13. Valores de los parámetros a configurar en los controladores PID del proceso.

Para configurar el módulo PID del lazo de control del tanque KO-Drum (LIC-100), se da click

en el parámetro PID, allí ponemos el nombre PID-V100, luego se le da click derecho y se

selecciona New “PID-V100” , donde aparece la ventana New Tag y se da click en OK.

Luego de lo anterior configuramos los parámetros Process Variable y Control Variable con los

datos que se muestran en la Tabla 13. Para continuar con la configuración del módulo se le da

click en el icono que aparece en el controlador como se muestra en la Figura 115.

Figura 115. Configuración del módulo PID. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

130

Al hacer lo anterior aparecerá la ventana que se muestra en la Figura 116 y se ajustan los

parámetros como allí aparecen.

Figura 116. Ventana de sintonización del módulo PID_V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

En La pestaña Configuración, que se muestra en la Figura 117, se ajusta el tipo de control en el

parámetro Control Action, es decir si es inverso o directo, que para este caso es directo. En el

parámetro Loop Update Time se ajusta el tiempo de actualización de datos con el cual el módulo

PID trabajara y por último se ajusta el parámetro CV High Limit, en el cual la variable de control

llegara a su máximo, es decir al 100%.

131

Figura 117. Ventana de configuración del funcionamiento del módulo PID_V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

Es importante tener en cuenta el tiempo de muestreo de los controladores PID configurados en

RSLogix 5000. Es recomendable establecer un tiempo cercano a 2 milisegundos como se hizo,

para obtener mejores resultados.

Para la configuración de alarmas se da click en la pestaña Alarms, este ajuste lo que hace es

mandar una señal lógica cuando la variable de proceso se sale de los rangos normales de

operación, para el caso del KO drum se ponen los valores como se muestra en la Figura 118.

132

Figura 118. Ventana de ajuste de las alarmas del módulo PID_V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

Con lo anterior finalizamos el ajuste de los parámetros del módulo PID_V100, para realizar los

ajustes necesarios para el funcionamiento de los controladores restantes, en la Tabla 13 se

muestra los valores requeridos para el adecuado funcionamiento.

5.3.3 Sincronizando Aspen Hysys con RSLogix 5000

Primero abrimos el archivo de Aspen HYSYS, en donde tenemos la simulación del sistema de

Tea, a continuación es importante configurar el tiempo de simulación en el integrador de Aspen

Hysys, para una simulación en tiempo real y sincronizada con RsLogix5000, con un factor de

tiempo real deseado de 60, Ver Figura 119, de esta manera por cada segundo de tiempo simulado

en RsLogix 5000 tendremos un minuto en tiempo real simulado en HYSYS.

Figura 119. Configuración del integrador para sincronización con RsLogix5000. Fuente: Adaptado Aspen Hysys.

5.3.4 Implementar Trends en RSLogix 5000

133

Los Trends o Tendencias, son una herramienta que nos permiten evidenciar, en tiempo real y de

manera dinámica, los resultados de los controles implementados, para poder observar el

comportamiento dinámico del lazo de control de nivel LIC-100, nos dirigimos al panel de

navegación y en la carpeta Trends se da click derecho y se adiciona un nuevo trend, como se


Figura 120. Creación de un nuevo Trend. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

Ahora aparece una ventana, donde le daremos el nombre al Trend creado que para este caso se le

dio el nombre de “LIC_100”, luego de lo anterior nos dirigimos a la pestaña Pens, en donde se

agregan los Tags que se desean graficar dando click en Add/Configure Tags, hecho esto, aparece

una ventana donde podemos adicionar los Tags que sean de nuestro interés.

Los Tags agregados son PID_V100.SP y KO_LIC_03VP, como se muestra en la Figura 121.

134

Figura 121. Ventana para agregar Tags. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

Luego nos dirigimos a la pestaña X-Axis, donde configuramos la ventana o espacio de tiempo

que se desea graficar, para este caso se ajusta en 10 minutos. Ver Figura 122.

Figura 122. Ajuste del espacio de tiempo a graficar. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

135

Ahora, ingresamos la macro en el Macro Languaje Editor y la ejecutamos, activamos el

integrador en Aspen Hysys y por ultimo ponemos RsLogix 5000 en modo Run, solo nos queda

abrir el trend creado (“LIC_100”) en RSLogix5000 y visualizar el comportamiento de las

variables SP, PV ante perturbaciones.

Siguiendo los mismos pasos, explicados para la creación de la tendencia en tiempo real del lazo

de control LIC-100, se pueden visualizar la respuesta de los demás lazos de control del sistema

de Tea simulado en Aspen Hysys.

5.3.4.1 Análisis de la simulación en Rslogix 5000

En la Figura 123, que representa el comportamiento del control de nivel (LIC100) del KO drum,

se observa, inicialmente que con, una ganancia proporcional Kp = 8, una ganancia integran

Ki = 5, una respuesta oscilante, con convergencia lenta. Posteriormente modificando ambas

ganancias, así Kp = 6 y Ki = 8, se logra disminuir la oscilación, mas no, la rapidez con que

converge, la variable de proceso, respecto a la referencia (ver Figura 124).

Figura 123. Respuesta controlador del nivel V100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000

136

Figura 124. Respuesta lazo de control de nivel LIC-100 con sintonización óptima. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

Para el lazo de control LIC101, se tiene que para Kp = 2 y Ki = 0,3, existe un sobre-impulso del

3,07%, sin oscilaciones llegando de manera satisfactoria a la referencia (Figura 125).

137

Figura 125. Respuesta frente a cambios en el setpoint, del lazo de control de nivel LIC-101. Fuente: Adaptado RSLogix

5000.

En la Figura 126, se ve la mejora al variar adecuadamente las ganancias del controlador, dando

como resultado una mejor respuesta, frente al cambio en la referencia de un 2% menos de sobre-

impulso, con respecto al resultado obtenido inicialmente.

Figura 126. Comparación de la respuesta del lazo de control LIC101. Fuente Adaptado RSLogix 5000.

Con valores Kp=1, Ki=0.1 y Kd=0.1, el lazo de control TIC100 muestra la respuesta que se

aprecia en la Figura 127, caracteriza por la respuesta de un sistema amortiguado.

138

Figura 127. Respuesta lazo de control TIC100. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

Mientras que en la Figura 128, realizando los correspondientes ajustes en las ganancias, se

obtiene una respuesta con las mismas características, pero con una mejora en el tiempo de

convergencia.

Figura 128. Respuesta lazo de control TIC100, con sintonización óptima. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

Para el control de relación de flujo RC100, con valores iniciales Kp = 1 y Ki = 0,3 se logra

corregir el sobre-impulso inicial, que se observa en la Figura 129, aumentando la ganancia

139

integran a Ki = 0,5; sacrificando velocidad de respuesta, aunque asegurando que no sobrepase la

referencia, para un mejor resultado en el proceso de quemado de hidrocarburos.

Figura 129. Respuesta del control de relación, ajustando ganancias. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

5.3.5 Comunicación RSLogix 5000 con IFIX

Con el fin de que el proceso y automatización del sistema de tea sea simulado como si estuviese

en campo, es decir remotamente, se configurara dos PCs. En el PC 1 estará la simulación y

automatización del proceso y en el PC 2 estará el HMI (Human Machine Interface) el cual

obtendrá los datos de monitoreo y supervisión del Proceso de manera remota.

Ahora lo que se requiere es que las variables contenidas el PLC se puedan ver en el PC 2 donde

estara el HMI , para ello nos dirigimos al gestor de comunicaciones de Rockwell, que es el

Rslinx Classic, damos click en communications que está en la barra de herramientas y

selcccionamos RsWho. Se busca el modulo en el cual se descargó el programa en ladder y se la

da click derecho, como se muestra en la Figura 130, y se selecciona Configure New DDE/OPC

Topic.

140

Figura 130. Ventana para la configuración de comunicación de variables. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

En la ventana DDE/OPC Topic Configuration seleccionamos de nuevo el PLC que contiene

nuestro programa como se muestra en la Figura 131 y se da click en Done y Apply, en este

momento ya se tienen las variables listas para que sean enviadas al PC 2.

Para mayor información al momento de configurar los módulos del chasis virtual de SofLogix

consulte el artículo: Metodología de Integración en la Comunicación entre aspen Hysys y

RSLogix 5000 para un sistema de tea (Cadena Salamanca, Ruiz Torres, & Escobar Diaz, 2016).

141

Figura 131. Ventana DDE/OPC Topic configuration. Fuente: Adaptado RSLogix 5000.

5.3.6 Implementación del HMI en Proficy IFIX

En el PC 2, abrimos Ifix nos dirigimos a Applications ubicada en la barra de herramientas y

damos click en Database Manager, allí nos aparecerá una tabla como se muestra en la Figura

132, en la columna Tag Name damos doble click para adicionar una variable análoga.

142

Figura 132. Ventana Database Manager. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX

Ahora en la ventana Analog Input damos click en el botón I/O Configuration, allí nos aparecerá

una nueva ventana como se muestra en la Figura 133, donde adicionaremos un nuevo servidor,

grupo e ítem como se observa allí.

Figura 133. Adición de servidor, grupo e Item. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

Luego de lo anterior se da click en el botón Browse Server, allí nos aparecerá todas las variables

que están creadas en el PLC, seleccionamos la de nuestro interés para ir asociando un Item con

un Tag de nuestro PLC, por comodidad se da el mismo nombre del Tag al Item. Al adicionar

nuevos ítem para asociarlos a un Tag del PLC nos quedara un listado como se muestra en la

Figura 134.

143

Figura 134. Items Agregados. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

Guardamos la lista se Items creada y nos dirigimos al a ventana Analog Input, allí damos click en

el botón Browse y nos aparecerá la ventana Browse I/O Address y seleccionamos el Item que

vamos a asociar con la entrada análoga. Realizando este proceso para ingresar las entradas y

salidas análogas y digitales de nuestro proyecto el Database Manager nos quedara como se


Figura 135. Ventana Database Manager. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

144

Ya teniendo todas las variables en Database Manager, procedemos a asociarlas con una imagen,

datalink o un objeto que hemos adicionado de la carpeta Dynamo Sets.

5.3.6.1 Desarrollo del HMI en Proficy IFIX

En la Figura 136 muestra el diseño del Tanque KO Drum, al cual vamos a asociar variables a los

elementos del diseño, en el caso del indicador de nivel se le doble click y en la casilla Data

Source buscamos el Item que nos interesa, en este caso es KO-LIC-03VP.

Figura 136. HMI Tanque KO Drum. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

En el caso que el tanque KO Drum presente niveles de líquido anormales, los testigos lumínicos

parpadearan emitiendo una alarma, para la configuración de estos testigos se da doble click sobre

uno de ellos (LAL), en la casilla Data Source, buscamos la variable KO-LIC-01LAL y lo

configuramos como se muestra en la Figura 137.

145

Figura 137. Ajustes del testigo lumínico LAL. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

Para los elementos medidores de temperatura, presión y flujo ocurre de manera similar, solo

basta con dar doble click sobre uno de ellos y buscar la variable que nos interesa para cada uno

de ellos que serían F18-TIT-01, F18-PIT-01 Y F18-TIT-01 respectivamente. Para ver el valor de

una variable de manera sencilla podemos adicionar un Data Link, se da click en Insert de la barra

de herramientas de iFix, seleccionamos Objects/Links y se da click en Datalink como se muestra

en la Figura 138.

Figura 138. Insertar un Datalink. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

146

Luego de lo anterior nos pide que asociemos la variable, en este caso asociaremos la variable

KO-LIC-05VC que es la que indica el porcentaje de apertura de la válvula V-6.

De esta manera se irán asociando las variables a las diferentes zonas del sistema de tea que se

representan en el HMI, cada zona cuenta con acceso directo a históricos de las variables más

importantes y alarmas del proceso.

A continuación se muestran las imágenes del HMI de cada parte del sistema de Tea.

Figura 139. HMI Tanque Sello Líquido. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

147

Figura 140. HMI TEA. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

Figura 141. HMI general del sistema de Tea. Fuente: Adaptado de Proficy IFIX.

6. CONCLUSIONES

Generar una sólida base de conocimiento, representa de manera significativa,

conceptualizar y entender a profundidad, cualquier proceso que se desee automatizar en

la industria, y conlleva a analizar diferentes puntos, de tal manera que, al momento de

atacarlos individualmente se obtienen mejores resultados.

148

La simulación de procesos industriales, con software, presente en las mismas industrias,

es la herramienta propicia, para la comunidad educativa, que les ayuda a asimilar de

manera didáctica, todas las variables que se presentan en un proceso, como lo es un

sistema de TEA, y de esta manera, optar por estrategias que lleven a la optimización y

mejoramiento del mismo.

La recopilación de información sobre el sistema de TEA ayuda a entender su

funcionamiento y las estrategias de control que implementa, de esta manera desarrollar la

simulación del proceso en estado estable y posteriormente en estado dinámico en Aspen

HYSYS®.

Basados en la simulación realizada en Aspen Hysys ®, tomándola como planta real,

gracias a la gran capacidad de simulación de procesos industriales, se ha facilitado su

estudio, logrando identificar conceptos indispensables propios del sistema de TEA, y así

poder implementar estrategias de control, por medio del software RSLogix 5000, que

colaboren en su la optimización, como se ha estudiado en este documento.

Teniendo en cuenta la naturaleza de los procesos simulados, y la comunicación generada

entre los diferentes programas, se obtuvo una respuesta satisfactoria, con respecto a los

tiempos en la trasmisión de los datos, aún con la limitación en hardware utilizado en la

implementación de este proyecto.

Se pudo evidenciar, por medio de la comparación, en las respuestas de los lazos de

control, utilizados en Aspen Hysys y Rockwell Automation, que se pueden aplicar

estrategias de control externas a los procesos simulados en Aspen Hysys y obtener

respuestas satisfactorias que se asemejan al comportamiento de un sistema real.

149

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AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE TEA BAJO SIMULACIÓN …

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