Instructivo de diseño de un sistema de alivio de una estacion compresora de gas natural by Jonathan Barrios

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INSTRUCTIVO DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIVIO DE UNA ESTACION COMPRESORA DE GAS NATURAL

JOSE LUPERTO DÍAZ ALZATE YOHAMER CEDENO VALDERRAMA

COORPORACION INTERNACIONAL DEL PETROLEO “COINSPETROL LTDA” TECNICO EN PRODUCCION DE POZOS DE PETROLEO Y FACILIDADES DE SUPERFICIE VILLAVICENCIO - META 2010

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INSTRUCTIVO DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE ALIVIO DE UNA ESTACION COMPRESORA DE GAS NATURAL

JOSE LUPERTO DÍAZ ALZATE YOHAMER CEDENO VALDERRAMA

Proyecto de grado como requisito para optar al título de: Técnico en Producción de Pozos de Petróleo

Director: CAMILO CARDENAS Ingeniero de Petróleos Universidad Industrial de Santander

COORPORACION INTERNACIONAL DEL PETROLEO “COINSPETROL LTDA” TECNICO EN PRODUCCION DE POZOS DE PETROLEO Y FACILIDADES DE SUPERFICIE VILLAVICENCIO - META 2010

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Nota de Aceptaci贸n

_____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________

_____________________________ Firma Presidente del Jurado

_____________________________ Firma del Jurado

Villavicencio, Mayo de 2010.

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DEDICATORIA

A DIOS por darme la vida y la fortaleza necesaria para vivirla, a mis padres José Ruperto, y Alba Nury, por su ejemplo, sacrificio y amor incondicional, a mi hermana, Yolima, por su cariño, respeto y confianza hacia mí, a mi abuelita Joaquina quien ha sido como mi segunda madre, a Maira Alejandra a quien le debo su cariño y desinteresada solidaridad y en general a todos mis demás familiares y amigos , tanto los que ya partieron al más allá ,como los que aun siguen en este mundo para ellos también va dedicado este logro de mi vida. Muchas gracias JOSE LUPERTO

Porque fue el sueño del mejor Padre que un hijo haya podido tener, porque es un regalo merecido de la gurú mas gurú de las ganas de salir adelante, las buenas intenciones, un amor inagotable y otras tantas cosas, es decir, mi Mamita y, finalmente a todos los seres queridos que me colaboraron en estos dos años, porque hay momentos en la vida en los que te sientes tan feliz que nunca desearías que el tiempo transcurriera, esto también es para mis hermanos. YOHAMER

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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus más sinceros agradecimientos a:

LA COORPORACION INTERNACIONAL DEL PETROLEO y profesores del programa de producción de Petróleos, por habernos transmitido sus conocimientos para ser lo que somos ahora. Camilo Cardenas, Profesor Programa de Producción de Petróleos. Coorporación Internacional del Petróleo, por ser nuestro director del proyecto y por sus aportes para la culminación del mismo. Edwin F. Chávarro Oviedo, Profesor Programa de Producción de Petróleos. Coorporación Internacional del Petróleo, por sus aportes para la culminación del mismo.

En general a todas aquellas personas que de una u otra forma participaron en la maduración y ejecución de este proyecto.

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2. JUSTIFICACIÓN

3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo General

3.2 Objetivos Específicos

4. ALCANCES Y LIMITACIONES

5. METODOLOGÍA

6. MARCO TEÓRICO

6.1 Descripción General de una Estación de Compresión de Gas Natural

6.2 Conceptos fundamentales relacionados a plantas compresoras

6.2.1 Sistema de alivio

6.2.2 TEA – Quemador de desfogue

6.2.3 Parada de emergencia de la planta ("Shut Down")

6.2.4 Cabezal de desfogue

6.2.5 Contrapresión

6.2.6 Dispositivo de alivio de presión

6.2.7 Gas de purga

6.2.8 Purga

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6.2.9 Presión de ajuste

6.2.10 Presión de diseño

6.2.11 Presión de operación

6.2.12 Máxima Presión de Operación Permisible, MPOP. Presión Diseño

6.2.13 Presión de alivio

6.2.14 Sobrepresión

6.2.15 Válvulas de alivio de presión

6.2.16 Válvula de alivio

6.2.17 Válvulas de seguridad

6.2.18 Recipiente separador de líquido hacia la tea (FLARE KNOCKOUT DRUM) 6.2.19 Amortiguador de velocidad de los gases, líquidos y sólidos que vienen del pozo (SLUG CATCHER) 23 6.2.20 Bomba de transferencia de condensados de K.O Drum

6.3 Dispositivos Limitadores de Presión

6.4 Relación Presión-Distancia en Gasoductos

6.5 Operaciones de Mantenimiento

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Esquema - Planta compresora de gas natural

Figura 2. Causas más comunes de sobrepresión

Figura 3. Clasificación de las contingencias en una planta compresora

Figura 4. Relación presión-distancia en un gasoducto

Figura A1. Factor de corrección por contrapresión para válvulas de alivio de presión (PSV) (Sección 3.6.2 API 520 PT1)

Figura A2. Valores de F2 para flujo suscritico (Seccion 3.6.3 API 520 PT1)

Figura A3. Orificios y tamaños de conexiones para válvulas de alivio de presión

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LISTA DE TABLAS

P谩g.

Tabla 1. Tipos de v谩lvulas y ubicaci贸n a ser instaladas en la estaci贸n compresora

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LISTA DE ANEXOS

Pรกg.

Anexo A. Procedimiento para el cรกlculo de vรกlvulas de alivio

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INTRODUCCION

En el proceso de transporte de gas natural por gasoducto se encuentran ubicadas estaciones compresoras, cuyo objetivo es aumentar la presión del gas para que éste pueda llegar con suficiente energía a sus diferentes puntos de distribución. La estación compresora debe estar diseñada de tal manera que el personal y los equipos de trabajo cuenten con las óptimas condiciones de seguridad. Una de las formas en que se ayuda a proteger al personal es mediante la implementación de un sistema de alivio, el cual tiene como principal fin evitar que un equipo presurizado exceda su límite de presión previniendo así posibles situaciones peligrosas que pueden ser causadas por errores en las condiciones de operación, condiciones específicas atmosféricas las cuales pueden ocasionar daños materiales y humanos.

El sistema de alivio de presión comienza en las tuberías que comunica a un equipo, el cual se quiere proteger con una válvula de seguridad; está integrado por los dispositivos de alivio que se conectan a un cabezal principal por medio de tuberías de descarga. El cabezal principal drena a un tambor donde se separa el líquido condensado y de donde la fase gaseosa finalmente se envía a la tea para ser quemados.

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1. PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA

Cuando de transporta gas natural por tuberías, siempre será necesario la compresión de éste a lo largo de su recorrido con el objeto de mantener su presión y su temperatura en condiciones normales. Esto se logra en estaciones de compresión de gas natural previendo de energía suficiente al gas para su flujo. Y al tener que ser comprimido el gas, se generan grandes presiones que pudieran ocasionar daños en los sistemas o humanos, por los cual los dispositivos de alivio de presión se hacen indispensables para estas operaciones.

Al observar la falta de documentación acerca de las estaciones de compresión en la institución, nos dimos a la tarea de diseñar un proyecto para ayudar a fortalecer el conocimiento de los estudiantes de coinspetrol y en especial a los futuros alumnos de la técnica de producción de pozos petroleros, dejando en la institución un instructivo sobre los principios básicos de funcionamiento de una estación de compresión y especialmente lo concerniente a los dispositivos de alivio de presión presentes en tales estaciones.

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2. JUSTIFICACIÓN

Con base en lo planteado anteriormente, se puede destacar la ayuda que se prestará a estudiantes, en cuanto a sistemas de alivio de plantas compresoras de gas natural, porque entre otras cosas, el tema no está incluido en el pensum académico y, en el caso de que el técnico esté expuesto a la realidad práctica éste no cuenta con ningún conocimiento conceptual ni sabrá responder ante una emergencia.

Con esto se logra crear un medio de consulta práctico y útil para los alumnos de la técnica en producción de pozos o para los interesados en las diferentes labores o procesos que conlleva una estación de compresión y sus dispositivos de seguridad, y así darle a las personas un aporte metodológico, teórico y práctico que les ayudara a interpretar su labor profesional como técnico en producción de pozos y facilidades de superficie ya que por medio de este se puede crear una idea clara de a que se puede enfrentar y a la vez solucionar problemas productivos en su vida laboral como técnico.

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3. OBJETIVOS

3.1. 

Objetivo General

Crear un instructivo de un sistema de alivio de una estación compresora de gas, conociendo la importancia de ésta y las ventajas que presta a la hora de evitar situaciones peligrosas que puedan terminar en graves daños materiales o humanos.

3.2.

Objetivos Específicos



Explicar el funcionamiento básico de una estación compresora de gas natural.



Distinguir las situaciones de peligro, la importancia en la determinación de las presiones de alivio y las posibles contingencias que puedan originar tales presiones de alivio.



Conceptualizar el dimensionamiento de las válvulas de alivio de acuerdo a normas propias de la industria petrolera-gasífera.

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4. ALCANCES Y LIMITACIONES

Se pretende realizar un texto con bases teóricas aportando información precisa de los principios básicos de las estaciones de compresión y sus sistemas de alivio, para los alumnos de la Corporación Internacional del Petróleo “COINSPETROL”, además se quiere brindar un fundamento practico para futuros operadores de producción en el tema de la operación de las plantas compresoras que toman parte importante en el transporte de gas natural por tuberías, facilitando así un manual que no solo brinde conocimiento sino que ayude a los interesados en el tema a hacerse mejores en la realización de su profesión como persona y como trabajador de la industria petrolera.

Por otro lado, a pesar de no contar con un acompañamiento adecuado y oportuno en la orientación del tema por parte de un profesional del área, se investigó de manera exhaustiva obteniendo información contundente y muy confiable, aunque la información de campo, como medida de comparación fue bastante limitada.

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5. METODOLOGIA

El estudio hace parte de una investigación y consulta de documentos y normas aplicables de la industria petrolera-gasífera. Al inicio del desarrollo del texto se realizaron consultas en internet y se le pidió asesorías y documentación a los ingenieros docentes que trabajan en la industria del petróleo y en la institución, para lograr así una recopilación bibliográfica de los temas relacionados con los principios básicos de funcionamiento de una plata compresora de gas y el dimensionamiento de su sistema de alivio de tal manera que se planteo la hipótesis de realizar dicha recopilación y así formar un compilado de información la cual será plasmada en un texto o manual de consulta como una herramienta metodológica. Además se entregará con el manual un CD que llevará la compilación del los temas tratados en el manual, dejando así un material con bases teóricas no solo escrito si no en forma magnética, para estudiantes técnicos y operarios de instalaciones petroleras, de igual manera a quien le interese en el futuro informarse sobre dicho tema.

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6. MARCO TEORICO

PRINCIPIOS BASICOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA ESTACION COMPRESORA DE GAS NATURAL

6.1 Descripción General de una Estación de Compresión de Gas Natural El proceso básico de funcionamiento de una estación compresora de gas natural es el que se describe a continuación: El gas natural proveniente de una línea madre del sistema de captación llega a la estación compresora e ingresa en el slug catcher para que se le separe cualquier líquido o slug, seguido de esto, el gas natural pasa por un filtro-separador el cual actúa como coalescente separando los líquidos y polvos que contenga el gas y así asegurar que a los compresores ingrese gas seco. El gas seco pasa a la etapa de compresión donde se aumenta la presión de 900 psig a 1200 psig. Tanto el gas como el aceite salen por el puerto de descarga del compresor y se dirigen a un separador de aceite y gas en donde se separan estos fluidos. El aceite y el gas se dirigen por separado a un enfriador por aire, para rebajar su temperatura y continuar el proceso. El aceite requiere enfriarse para no perder sus cualidades lubricantes y de sello en el compresor, en tanto que el gas requiere entrar a una temperatura inferior a los 140 °F al sistema de deshidratación. Cada una de las fases, aceite y gas, por separado se enfría en un aero-enfriador con lo cual se logra recuperar la viscosidad del aceite para que continúe lubricando al compresor y a su vez, enfriando la corriente de gas, se separa una parte del agua contenida en el gas y una pequeña porción de gasolinas. El gas comprimido, se filtra a través de filtros coalescentes para eliminar cualquier partícula liquida, sea aceite del compresor o condesados de la corriente de gas productos del proceso. Luego de pasar por los filtros el gas comprimido ingresa a los deshidratadores de tamices moleculares donde se lo deshidrata para ser enviado a la planta de gasolina a una presión de 150 psia y un punto de rocío de 40°C; y así finalmente se entrega un gas seco a una presión mucho mayor con la que entro. En el proceso de compresión del gas natural, se producen condensados en los diferentes scrubbers o separadores de la planta compresora. La recolección de estos líquidos condensados, que es una mezcla de agua e hidrocarburos que componen una gasolina natural pesada se realiza en el separador de condesados. El agua separada en este equipo se drena a una cisterna, o sistema cerrado de drenaje, 17

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mientras que la gasolina natural se transporta por una tubería hasta la planta de extracción de gasolina natural. En resumen, la estación compresora está constituida por un tren de separaciónfiltración, compresión, alivio y servicios auxiliares integrados por los siguientes equipos, Slug cátcher, Filtro coalescente (succión), Compresor, Filtro coalescente (Descarga), Knock Out Drum,Tea, Tambor acumulador de condensados y Bomba de transferencia de condensados.

En los compresores, filtros, slug catcher y líneas se encuentran válvulas de alivio de presión (PSV) que descargan al sistema de alivio de la planta compresora, el cual se diseña con el objeto de proteger al personal, equipo e instalaciones y así mismo disponer en forma adecuada y segura los gases provenientes de los dispositivos de seguridad instalados en los equipos y líneas que actúan cuando ocurre una sobrepresión en la estación ya sea por fallas operacionales o situaciones de emergencia como fuego, expansiones térmicas o fallas en servicios auxiliares. Estas corrientes son enviadas a un cabezal y luego son almacenadas en el Knock out drum (también conocido como tambor de tea) el cual separa el líquido que se pueda condensar en el proceso y garantizar que el gas a ser quemado este completamente seco. Si por alguna emergencia es necesario hacer una parada en la estación (shut down) debe existir una válvula de cierre o SDV, luego de que se cierra la estación el gas que queda atrapado en los equipos y líneas del proceso se envía al cabezal de tea. Las válvulas que liberan el gas acumulado se conocen como válvulas de blow down o BDV y su descarga llega al cabezal donde llega el alivio de las válvulas PSV. En condiciones extremas el sistema provocará en forma automática, además del paro de máquinas, el cierre de las válvulas de entrada y salida de planta y el venteo parcial o total de la misma. Las válvulas del sistema de emergencia correspondientes a la entrada y salida de planta y la del puenteo ("by-pass"), serán instaladas a 150 m como mínimo de la planta de tratamiento. El sistema de accionamiento puede ser hidráulico, neumático, eléctrico, o una combinación de éstos.

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Fig. 1. Esquema - Planta compresora de gas natural Toda estación cuenta, también, con un suministro de potencia para la puesta en marcha de los compresores, un motor por cada compresor, un ventilador para el sistema de enfriamiento, un sistema de válvulas que regulan el paso de gas tanto para el funcionamiento de los compresores como para el sostenimiento de la presión de trabajo deseada, un pequeño compresor para el accionamiento de dichas válvulas, y toda la instrumentación necesaria para el control del proceso de compresión. Además, dentro de la estación se cuentan con tanques de almacenamiento para los lubricantes y refrigerantes que son utilizados en los motores, y para los condensados drenados en la operación, esto último, con el propósito de proteger y conservar el entorno natural. Es importante señalar que en cada estación compresora de gas natural, se cuenta con el plan de manejo ambiental dando cumplimiento a la disposiciones legales nacionales sobre la materia.

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6.2 Conceptos fundamentales relacionados a plantas compresoras Los siguientes conceptos fundamentales son tenidos en cuenta típicamente en relación a las estaciones de compresión de gas natural y sus válvulas de alivio de presión, los cuales están basados en las Referencias [1], [2] y otros criterios de ingeniería. 6.2.1 Sistema de alivio Es un sistema que permitir la liberación del exceso de presión por medio del desplazamiento del fluido, desde el equipo y/o tubería presionada hasta el lugar donde se pueda quemar con seguridad y cumplir con los siguientes requisitos:   

Conducir los relevos del gas y mezcla de hidrocarburos del quemador. Únicamente descargar a la atmósfera los desfogues de agua, aire y gas inerte. No enviar al mismo cabezal compuestos que reaccionen químicamente entre sí, ni desfogar aire a los cabezales que manejan productos inflamables o que reaccionen con él.

Un sistema de alivio de presión puede consistir en una sola válvula de alivio o disco de ruptura, con o son la tubería de salida, en un recipiente o tubería. Un sistema más complejo puede contar con varios dispositivos de alivio conectados a un sistema de recolección y los equipos finales de disposición (KO Drum, mechurrio, venteo, etc.). 6.2.2 TEA – Quemador de desfogue 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. Existen diferentes tipos de teas: Elevadas, cortas y fosos crematorios. Siendo las teas elevadas las más usadas cuando se está trabajando con hidrocarburos. 6.2.3 Parada de emergencia de la planta ("Shut Down"): comprende el bloqueo de entrada y salida del gas a planta, y venteo del gas de la misma a lugar seguro. Comprende el bloqueo de entrada y salida del gas a planta, y venteo del gas de la misma a lugar seguro. 6.2.3 Cabezal de desfogue Es la tubería principal a la que se conectan todos los ramales de tubería de gas relevado para su conducción hasta el quemador. 20

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6.2.4 Contrapresión Es una presión formada por la misma descarga del fluido relevado a la salida de dicho dispositivo. La contrapresión alta, además de reducir la capacidad de la válvula, y aumentar la presión de apertura inicial, también provoca una vibración (traqueteo (chattering)) que causa daño a la válvula. 6.2.5 Dispositivo de alivio de presión Dispositivo activado por una presión estática a su entrada y diseñado para abrir durante una emergencia o condición anormal con el objetivo de prevenir un incremento en la presión de fluido interno por encima del valor especificado de diseño. El dispositivo puede ser también diseñado para prevenir un vacío interno excesivo. El dispositivo puede ser una válvula de alivio de presión, un dispositivo de alivio de presión sin posibilidad de cierre después de activado o una válvula de alivio de vacío. 6.2.6 Gas de purga Gas (gas combustible o gas inerte) suministrado al sistema de desfogues para evitar la entrada de aire en el mismo. 6.2.7 Purga Se define como la extracción de fluidos indeseables de un equipo tubería o accesorios. 6.2.8 Presión de ajuste Es la presión a la cual una válvula de alivio, dispositivo de seguridad o instrumento está ajustado para abrir o accionar. 6.2.9

Presión de diseño

Es la presión usada en el diseño de un recipiente para determinar el espesor mínimo permisible u otras características de las diferentes partes de un recipiente. 6.2.10 Presión de operación Es la presión a la cual el equipo está normalmente en servicio. 6.2.11 Máxima Presión de Operación Permisible, MPOP – Presión de Diseño

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Es la máxima presión manométrica permisible en un recipiente (en su posición normal de operación) a la temperatura de diseño correspondiente a esa presión. La presión corresponde al menor valor determinado para la presión externa o interna según las reglas de diseño del recipiente para cada uno de sus elementos, para esto se usa el espesor nominal, excluyendo el espesor adicional del metal para la corrosión permitida y otras cargas diferentes a la presión. La MPOP es la base para la presión de ajuste de los dispositivos de alivio de presión que protegen al recipiente. 6.2.12 Presión de Alivio Es la presión a la cual se produce la descarga a flujo máximo. La presión de alivio es la presión de ajuste más el porcentaje de sobrepresión. Esta presión es la utilizada para determinar las dimensiones del dispositivo de seguridad y las condiciones de alivio. 6.2.13 Sobrepresión Es el aumento de presión de ajuste de un dispositivo de alivio. La sobrepresión es llamada acumulación, cuando el dispositivo de relevo se ajusta a la presión máxima permisible de trabajo. 6.2.14 Válvulas de alivio de presión Término general usado para las válvulas de alivio, válvulas de seguridad y válvulas de alivio de seguridad. Estos dispositivos de alivio de presión están dotados con resortes para el cierre automático luego del alivio y una completa apertura considerando una mínima sobrepresión. Los dispositivos de alivio de presión son diseñados para abrir durante una emergencia o una condición de operación anormal para prevenir el exceso del incremento de la presión interna del fluido con respecto a un valor de presión dado

6.2.16 Válvula de Alivio Válvula de alivio de presión provista con un resorte, el cual es accionado por la presión estática aguas arriba de la válvula. La válvula abre generalmente de manera proporcional al incremento de presión sobre la presión de apertura. Las válvulas de alivio de presión son usadas generalmente para servicios de fluidos incompresibles. 6.2.17 Válvulas de Seguridad Válvula de alivio de presión provista con un resorte, el cual es accionado por la presión estática aguas arriba de la válvula. La válvula está caracterizada por una 22

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apertura rápida o acción violenta. Las válvulas de alivio de presión son usadas generalmente para servicios de fluidos compresibles. 6.2.18 Recipiente separador de líquido hacia la tea (FLARE KNOCKOUT DRUM) Las partículas de líquido se separan en este recipiente cuando el tiempo de residencia del vapor o gas sea igual o mayor al tiempo requerido por dichas partículas para recorrer la altura vertical disponible a la velocidad de caída de las mismas, y la velocidad vertical del gas sea suficientemente pequeña para permitir a las gotas caer. La velocidad vertical del vapor y gas debe ser suficientemente pequeña para evitar la entrada de grandes “bolsas” de líquido a la tea. Debido a que la tea puede admitir gotas de líquido de pequeño tamaño, la velocidad vertical en el recipiente puede referirse a la necesidad de separar partículas de un tamaño igual o mayor de 150 micras.

6.2.20 Amortiguador de velocidad de los gases, líquidos y sólidos que vienen del pozo (SLUG CATCHER) El Slug cátcher es un dispositivo empleado para amortiguar las velocidades de liquido que arrastra el gas mediante pantallas localizadas apropiadamente dentro del tanque horizontal o tambor, durante su proceso de transporte y prevenir la entrada indeseable de líquidos en unidades donde se deba garantizar la entrada de un gas lo suficientemente seco. 6.2.21 Bomba de transferencia de condensados de K.O Drum Debido a que se debe controlar la capacidad de liquido en el tambor separador de condensados (K.O Drum) para evitar que este ingrese a la tea, se hizo necesario agregar al diseño dos bombas de transferencia de condensados, una para operación y la otra de respaldo.

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6.3

Dispositivos Limitadores de Presión

Toda estación compresora deberá tener dispositivos de alivio de presión u otros protectores de suficiente capacidad y sensibilidad para asegurar que la presión de operación máxima admisible de las tuberías y equipos no exceda en más de un 10 % a la presión de diseño.

Fig. 2 Causas más comunes de sobrepresión

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Figura 3. Clasificación de las contingencias en una planta

Cada dispositivo de alivio deberá estar clara y permanentemente marcado con la presión en bar M (kg / cm2) a la cual está ajustado para iniciar la descarga, con la capacidad real de descarga en m3 / minuto de aire a 15,5 ° C a la presión atmosférica y con el nombre del fabricante. Los venteos de estos dispositivos se canalizarán hacia un lugar que no presente peligro, siguiendo los lineamientos indicados en la GPSA 2172. Dichos dispositivos, cuando formen parte de un sistema de cañerías de operación continua, deberán contar con una válvula de bloqueo que permita el control y calibrado del elemento de seguridad. La válvula de bloqueo, en este caso, poseerá un enclavamiento o seguro que impida su accionamiento incorrecto.

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Tipo de válvula

Línea de operación

Vál. Shutdown (SDV-801).

Cierre de emergencia línea de succión

Vál. de alivio de presión (PSV-502)

Alivio de presión línea gas combustible

Vál. de alivio de presión (PSV-503)

Alivio de presión tambor gas de arranque

Vál. Blowdown (BDV-503)

Blowdown línea descarga filtros de succión

Vál. Shutdown (SDV-501) Vál. de alivio de presión (PSV-550)

Cierre Emergencia línea gas combustible motores Alivio de presión tambor de aire de instrumentos

Vál. Shutdown (SDV-502)

Shutdown línea gas de arranque de motores

Vál. Blowdown (BDV-502)

Blowdown línea gas arranque motores

Vál. de alivio de presión (PSV-551)

Alivio de presión tambor de aire industrial

Vál. Blowdown (BDV-601)

Blowdown línea descarga

Vál. Shutdown(SDV-601)

Cierre de emergencia línea de descarga

Tabla 1. Tipos de válvulas y ubicación a ser instaladas en la estación compresora

En los diseños de ingeniería básica se debe estalecer la ubicación, el número de válvulas y tipo de válvulas de SDV, BDV y PSV como se muestra en la siguiente tabla. Válvulas BDV y SDV: este tipo de válvulas son de cierre y apertura total por eso también se conocen como válvulas on/off y el diámetro de su orificio viene dado por el diámetro de la tubería.

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Fig. 4 Relaci贸n entre los niveles de presi贸n para las v谩lvulas de alivio de presi贸n 27

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6.4 RELACIÓN PRESIÓN-DISTANCIA EN GASODUCTOS Supongase una sección de gasoducto típico con una capacidad de transporte de 20 * 106 m3/diarios. Comenzando a 6.895 kPa, el gas disminuye aproximadamente 1.800 kPa de presión en los primeros 100 km, y 3600 kPa en los 100 km siguientes. A los 220 km, la presión debería descender a cero. Esta relación no lineal entre la presión y la distancia es causada por la expansión del gas.

Fig. 5 Relación presión-distancia en un gasoducto Como su presión baja, el gas se expande ocupando mayor volumen y extensión de la tubería, y también la velocidad se incrementa. El incremento de velocidad, a su turno, hace que el gradiente de presión sea mayor. Esto ilustra por qué la compresión es localizada a intervalos relativamente cortos en sistemas de ductos. Si una estación compresora de poder suficiente es ubicada a los 100 km., por ejemplo, ésta puede volver la presión a 7.000 kPa y con lo cual se retorna a la relación presión-distancia relativamente monótona. En cambio, si la próxima estación compresora es ubicada al doble del intervalo aquel (a los 200 km), más de tres veces de caballos de fuerza (HP) serán requeridos para retornar a la presión de 7.000 kPa.

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6.5 Operaciones de Mantenimiento - Cada año como máximo, deben ensayarse los sistemas remotos de parada de planta para verificar su funcionamiento. - Se realizarán periódicos simulacros contra incendio y primeros auxilios. - Todo dispositivo de alivio de presión deberá ser inspeccionado y probado a intervalos que no excedan de 1 año para asegurarse que opere a la presión a que ha sido calibrado y que se encuentre en buenas condiciones mecánicas. - Cualquier equipo defectuoso o inadecuado deberá ser rápidamente reparado o reemplazado. Si el dispositivo de alivio es de capacidad insuficiente, deberá reemplazarse o agregarse otro que provea la capacidad suplementaria requerida. - Toda válvula de bloqueo cuyo uso podría ser necesario para la seguridad de las instalaciones deberá ser controlada y operada a intervalos que no excedan de un año. - Mensualmente se deberá probar todas las alarmas y los dispositivos de paro de máquinas, reajustándolos si fuera necesario, a menos que esto cause la parada de la máquina. En todo caso estas pruebas deben ser llevadas a cabo durante una de las paradas de la misma. - Se deberán ajustar los instrumentos indicadores de presión que dan lectura dudosa. - Anualmente se llevará a cabo un control de la alineación de los equipos.

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7. CONCLUSIONES

Este proyecto finalmente, logra de manera sencilla enriquecer los conocimientos de los técnicos y operarios de estas plantas compresoras de gas, concientizando sobre la necesidad de tener un adecuado y buen manejo de estas estaciones y sus correspondientes herramientas, y proporcionar una breve guía de cómo realizar el diseño de las válvulas de alivio. No se trata de una guía metodología exhausta ya que se dejan sin mencionar multitud de técnicas, herramientas y procesos en cuanto a diseño de sistemas de alivio.

Los diseños desarrollados en este proyecto son la base para el desarrollo de hojas de datos, especificaciones técnicas y requisiciones de materiales de las áreas de mecánica, tubería e instrumentación; las cuales sirven para la compra y montaje final de los equipos. Adicionalmente, es la base para los cálculos de las cimentaciones de equipos y soportes de tubería de la especialidad civil.

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BIBLIOGRAFIA

API RP 520. Sizing, Selection, and installation of Pressure-Relieving Devices in refineries. Part I – Sizing and selection. Seventh Edition January 2000.

API RP 520. Sizing, Selection, and installation of Pressure-Relieving Devices in refineries. Part II– Sizing and selection. Fifth Edition, August 2003.

GPSA 2172 ; Cap 5, Relief Systems ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section VIII – Rules for Construction Pressure Vessel. Division I.

PDVSA Manual de ingeniera de diseño- Sistemas de alivio. 90616.1.022.Rev.0, Ago. 90. BODIE y MERTON. (2.000) Finanzas, 1 Edición (pp. 215-237).

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ANEXO A. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE VÁLVULAS DE SEGURIDAD El parámetro mas importante en el dimensionamiento de una válvula de alivio de presión es el orificio de la válvula. El dimensionamiento del orificio de una válvula está basado en la norma API RP 520 “ Sizing, selection and installation of Pressure – Relieving Devices in Refineries. Part I – Sizing and selection ” Para dimensionar el orificio de una válvula de seguridad es necesario determinar el tipo de fluido a tratar (crítico o sub-critico). Conocida el área de orificio de la válvula se pueden designar los tamaños estándar de los orificios y las conexiones designadas. Estos tamaños están designados en base a las normas API-526 “Flanged Steel Pressure Relief Valves” y a ASME code, Section VIII. La existencia de valores normalizados de área de orificio, tamaño del cuerpo o bridas y presión nominal (rating) permiten la selección de la válvula a instalar. El área o tamaño de un orificio y tamaño de bridas aparecen editados en la tabla del código API 520. La escala comienza en la letra D, de diámetro de orificio 0,110 pulgadas cuadradas y termina en “T” de 26,0 pulgadas cuadradas. El orificio tamaño D, E, y F se dan con tamaños de bridas desde 1 x 2 pulgadas hasta 1 ½” x 2 ½”. El tamaño T, en bridas de 8 x 10 pulgadas. El área efectiva de descarga de la válvula se calcula dependiendo si el flujo es crítico o sub crítico, si la presión absoluta a flujo crítico (Pcf) es mayor o igual a la presión absoluta de relevo (P 1) , el flujo es crítico. De lo contrario es sub crítico. La presión absoluta a flujo crítico es calculada mediante la siguiente ecuación:

Pcf P1

(

2 KK1 ) K 1

Donde: K: Es la relación de calores específicos Cp/CV Pcf: Es la presión absoluta a flujo critico. P1: Es la presión absoluta de relevo. Para el caso de flujo critico el área de descarga efectiva se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

A

W C1 * K d * P1 * Kb * K c

T1Z M

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Donde: A= Área requerida para la descarga de la válvula [in2] W= Flujo masico [lb/h] T1= Temperatura del gas a la entrada [º R] Z= Factor de compresibilidad Kd= coeficiente efectivo de descarga (para el dimensionamiento de válvulas nuevas se toma un valor de 0.62 según API 520 TPI) P1= Presión de alivio a al entrada de la válvula (es el valor de la presión fijada al a entrada del a válvula, mas el admisible por sobrepresión, mas la presión atmosférica) [psig] Kb = Factor de corrección de capacidad debido a la contrapresión (este factor se puede leer en la Figura conociendo la relación entre la contrapresión y la presión con la que se va a estimar la válvula) y el porcentaje de sobrepresión ( Tomar el valor de 10 % cuando el equipo lleva una sola válvula y cuando lleva más de una válvula tomar el valor de 16%) Kc= Factor de corrección por combinación (Tomar el valor de 1 porque no hay instalado un disco de ruptura). M = Peso molecular del gas C1 = Coeficiente determinado por la relación de calor específico a condiciones estándar (Este valor se obtiene mediante la siguiente ecuación): k 1

 2  k 1 C1  520 k    k 1 Donde

k = Relación de capacidades caloríficas, Cp / CV Unidades de C1

C1 

lbm  lbmol  R lbfuerza  h

Cuando el tipo de flujo es sub critico el área de descarga efectiva de la válvula se puede calcular mediante la siguiente ecuación: T1Z W A 735* F2 * K d * K c M * P1 ( P1  P2 ) Donde: A= Área requerida para la descarga de la válvula [in2] W= Flujo masico [lb/h] T1= Temperatura del gas a la entrada [º R] 34

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Z= Factor de compresibilidad P1= Presión de alivio a al entrada de la válvula (es el valor de la presión fijada al a entrada del a válvula, mas el admisible por sobrepresión, mas la presión atmosférica) [psig] Kd= coeficiente efectivo de descarga (para el dimensionamiento de válvulas nuevas se toma un valor Kc= Factor de corrección por combinación (Tomar el valor de 1 porque no hay instalado un disco de ruptura). M = Peso molecular del gas F2= Coeficiente de flujo sub critico (Valor leído en la

Figura conocido el porcentaje de sobrepresión y la relación (PB/Ps ) P2= Contrapresión

Figura A1 Factor de corrección por contrapresión para válvulas de alivio de presión (PSV) (Sección 3.6.2 API 520 PT1)

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Figura A2 Valores de F2 para flujo suscritico (Seccion 3.6.3 API 520 PT1)

Tamaño estándar de orificios y conexiones para válvulas de alivio Los tamaños de orificios y de las conexiones de las válvulas de alivio de presión están estandarizados en base a ASME Code, Section VIII. En la siguiente figura, se muestran los tamaños de orificios y de conexiones estándar según API y ASME Figura A3, Orificios y tamaños de conexiones para válvulas de alivio de presión