Cómo mejorar el rendimiento de una planta optimizando el sistema de vapor

Las plantas petroquímicas y refinerías se enfrentan a desafíos de producción y rentabilidad en múltiples frentes. Algunas de las dificultades típicas encontradas incluyen:

• Un índice de intensidad energética innecesariamente pobre o un índice de eficiencia energética bajo.
• Gastos de mantenimiento no planificados para reparar equipos que utilizan vapor dañados e inseguros (por ejemplo, turbinas, antorchas, rehervidores y eyectores).
• Gastos operativos desperdiciados y pérdidas de producto en elementos evitables (por ejemplo, disparos de turbinas, congelación de líneas de producto, problemas de control del rehervidor o fallos de equipos).
• Dificultades para solucionar problemas de proceso, como cuellos de botella en la producción, puntos de corte bajos y degradación de los niveles de vacío.
• Preocupaciones sobre seguridad y contaminación ambiental.
• Falta de conocimiento suficiente de especialistas en vapor para abordar problemas y oportunidades.
• Dificultades para aplicar recursos limitados para realizar mejoras cuando la prioridad es mantener la planta en funcionamiento dentro del presupuesto.
• Dificultades para predecir y demostrar con precisión los verdaderos ahorros de las mejoras.

Las operaciones de la planta se centran comúnmente en la producción, por lo que tienden a aceptar las pérdidas de energía y la poca fiabilidad como prácticas aceptadas. Como resultado, sustanciales oportunidades económicas se vuelven invisibles. Las plantas pueden no saber por dónde empezar a mejorar en áreas como la seguridad, el impacto ambiental, las tasas de producción, la calidad del producto, la fiabilidad del equipo y/o la eficiencia energética.

Una forma de impactar en todas estas áreas es tratar el sistema de vapor de la planta como un activo de calor crucial, reconocer la importancia de la población de purgadores de vapor para su salud, e implementar un sencillo programa de cuatro pasos para protegerlo y mejorarlo.

Cuatro pasos efectivos que impactan en el rendimiento de la planta. Los siguientes pasos son importantes para mejorar el activo de calor del vapor de una planta:

1. Seleccione el purgador de vapor adecuado para la aplicación.
2. Instale el purgador de vapor correctamente.
3. Implemente un programa sostenible de gestión de purgadores de vapor.
4. Optimice el rendimiento del equipo que utiliza vapor.

1. Seleccione el purgador de vapor adecuado para la aplicación

Para seleccionar correctamente un purgador de vapor, es importante comprender:

• El propósito de un purgador de vapor.
• Cómo el funcionamiento normal y el fallo pueden afectar el propósito de un purgador.
• Cómo funcionan los tipos genéricos de purgadores de vapor.
• Cómo pueden fallar los purgadores de vapor (modos de fallo comunes).
• Requisitos especiales para aplicaciones específicas de purgadores de vapor que deben considerarse al seleccionarlos.
• La experiencia y sesgo de un sitio con respecto al rendimiento de los purgadores de vapor.
• Factores que afectan los costes del ciclo de vida (para la fiabilidad y el coste total de propiedad).
• Criterios de rendimiento específicos para modelos individuales de purgadores de vapor.
• Cómo modelar con precisión los costes del ciclo de vida del purgador de vapor.

Guía específica de la aplicación. Una de las áreas más críticas para la selección del purgador de vapor es considerar la aplicación para tener en cuenta desafíos específicos. Las aplicaciones de vapor más comunes en las instalaciones de procesamiento de hidrocarburos que requieren una selección cuidadosa del purgador incluyen líneas de distribución de vapor, turbinas de vapor, calentadores de proceso, antorchas, serpentines de foso de azufre y líneas de trazado de vapor (particularmente en el transporte de productos de alta viscosidad como azufre o residuo).

• Distribución de vapor. El vapor se genera, ya sea como calidad sobrecalentada o húmeda, y luego se distribuye por toda la instalación para proporcionar calor de proceso al equipo. Es esencial que el condensado que se forma en el sistema de distribución de vapor se drene inmediatamente y no se le permita retroceder, ya que esto podría provocar daños por golpe de ariete y la reducción de la fiabilidad del equipo de proceso. En general, para estas aplicaciones, los purgadores de vapor con descarga casi instantánea proporcionan el mejor rendimiento. Comúnmente existe la necesidad de que estos purgadores ventilen aire, por lo que el proceso de selección debe considerar todos los requisitos. Posteriormente, se recomiendan los purgadores de flotador y termostáticos, así como los purgadores termodinámicos que contienen ventilaciones de aire termostáticas, y las cápsulas termostáticas de presión equilibrada. Los purgadores bimetálicos nunca deben usarse para drenar las tuberías principales de vapor debido a que su principio de funcionamiento requiere niveles profundos de subenfriamiento, lo que puede provocar un retroceso de condensado. También puede haber algunos requisitos especiales para el drenaje de la tubería principal de vapor (por ejemplo, para drenar la tubería del cabezal de la caldera, que sigue inmediatamente a las calderas/generadores de vapor, para líneas de vapor sobrecalentado de alta temperatura o donde los purgadores están muy espaciados).
• Trazado de vapor. El trazado de vapor típicamente representa la mayoría de las instalaciones de purgadores de vapor en una instalación de procesamiento de hidrocarburos. Un propósito clave del trazado de vapor es mantener las temperaturas de los fluidos de proceso y, en casos críticos, evitar que el producto en una línea de transferencia de fluido de proceso se congele (o solidifique). La carga de calor es típicamente aproximadamente la misma que la pérdida de calor radiante, convectiva y conductiva de la línea. Como las líneas suelen estar bien aisladas, la pérdida de calor y las cargas de condensado resultantes pueden ser mínimas. Esto puede presentar desafíos y también oportunidades para la selección del purgador de vapor, particularmente cuando hay bucles o elevaciones que hacen que el vapor y el condensado fluyan hacia arriba. El trazado de vapor generalmente se puede clasificar como alta temperatura o baja temperatura. En aplicaciones críticas de alta temperatura, el retroceso de condensado es indeseable. Un purgador de vapor con una descarga instantánea y continua con un cierre hermético puede ser preferido para mantener los costes de ciclo de vida más bajos, y los purgadores de disco termodinámicos o los purgadores termostáticos de presión equilibrada pueden ser aceptables para instalaciones con el coste inicial más bajo. Las líneas de trazado de cobre experimentan corrosión con el tiempo y, por lo tanto, pueden presentar dificultades de obstrucción. Este escenario se mitiga mejor utilizando un purgador termodinámico con puertos ampliados y pasajes cortos, o, para aplicaciones de baja temperatura, un purgador de vapor bimetálico. Los purgadores bimetálicos con una temperatura de ajuste baja también se pueden utilizar para recintos de instrumentos para mitigar el daño al instrumento por exceso de temperaturas.

• Turbinas de vapor. Entre las aplicaciones de equipos de vapor más comunes en una instalación petroquímica se encuentran las turbinas de vapor que proporcionan energía a bombas, compresores o generadores de energía. Las turbinas son muy sensibles al condensado en el suministro de vapor y al retroceso de condensado en la caja del gobernador, el cuerpo o las líneas de escape. En consecuencia, la mejor opción para esta aplicación es un purgador de vapor con descarga instantánea y continua, como un diseño de flotador y termostático. Sin embargo, se pueden utilizar purgadores de disco termodinámicos con bolsas de drenaje y líneas de drenaje apropiadas. Los purgadores de vapor bimetálicos nunca deben usarse debido a la posibilidad de retroceso de condensado o pérdida de vapor. El drenaje de condensado de la turbina debe considerarse cuidadosamente para garantizar que todos los puntos apropiados en el suministro de vapor aguas arriba, el gobernador, la carcasa y las líneas de escape estén todos drenados correctamente. Se debe considerar un separador tolerante a los golpes de líquido en la línea de suministro de vapor inmediatamente antes de las turbinas críticas. Los purgadores en el escape deben tener el tamaño adecuado para la eficiencia y el funcionamiento de la turbina, considerando que el vapor de escape puede ser significativamente húmedo o puede contener una carga sustancial de condensado.

• Equipo de calentamiento de proceso. El equipo de calentamiento de proceso puede incluir aplicaciones como rehervidores, intercambiadores de calor, calentadores de aire, evaporadores, concentradores, secadores y serpentines de tanques de almacenamiento sobre el suelo. Estas aplicaciones pueden tener varias estrategias de control y condiciones operativas que pueden afectar el rango de presiones y caudales de vapor. En algunos casos, un purgador de vapor puede no funcionar correctamente debido a una condición de bloqueo (stall condition). Esto puede ocurrir cuando la presión de vapor ideal en el equipo para un funcionamiento en estado estacionario es inferior a la presión de descarga después del purgador de vapor. En estas condiciones, puede ser necesaria una combinación de bomba/purgador de drenaje de presión secundaria. Cuando los purgadores de vapor son apropiados, la mejor selección es un purgador estilo flotador y termostático con descarga continua instantánea, que incorpore componentes reforzados para evitar daños por golpe de ariete. Los purgadores de disco a veces pueden utilizarse para serpentines de tanques, calentadores de confort e intercambiadores de calor pequeños no críticos, pero no son adecuados para otras aplicaciones de calentamiento de proceso. Los cubos invertidos pueden no ser adecuados debido a sus características operativas cíclicas o debido a los desafíos que enfrentan con el aire no condensable en el sistema. Los purgadores bimetálicos generalmente no se recomiendan debido a su dependencia operativa del subenfriamiento y su sensibilidad a los cambios en la contrapresión, lo que puede resultar en un retroceso de condensado. Esto, a su vez, puede inundar el equipo, reduciendo el área de transferencia de calor. Se pueden considerar los purgadores bimetálicos para serpentines de tanques de almacenamiento pequeños, donde solo se requiere una regulación de temperatura aproximada, y también donde no es práctico instalar una válvula de control de vapor y un sistema de control.

• Antorchas. Una antorcha asistida por vapor requiere un volumen bajo continuo de vapor que a menudo se suministra a través de una placa de orificio de bypass alrededor de las válvulas de control para mantener las puntas de la antorcha calientes mientras la antorcha no está quemando vapores. Cuando se suministra gas de antorcha a la antorcha, las válvulas de control de vapor se abren para suministrar vapor para la atomización y la estabilidad de la llama. Si se suministra vapor húmedo, las puntas de la antorcha pueden erosionarse. Esto puede reducir la efectividad de la distribución de vapor en la punta y puede causar una combustión «hollín» sucia que podría resultar en problemas ambientales. Si las líneas de vapor de la antorcha aguas arriba y aguas abajo de las válvulas de control no se drenan correctamente, entonces los golpes de agua pueden ser propulsados a la punta de la antorcha. Esto puede dañar gravemente la punta de la antorcha o extinguir la luz piloto antes de que se encienda el gas de la antorcha. Ambas condiciones pueden resultar en problemas ambientales. La reparación de las puntas de la antorcha o el reemplazo completo del candelabro también pueden ser costosos. Debido a la criticidad y el diseño de las líneas de vapor de la antorcha y las estaciones de control, la mejor opción de purgador de vapor, como un estilo flotador y termostático, descargará el condensado de forma instantánea y continua. Los purgadores bimetálicos no deben usarse. Los purgadores termostáticos y los cubos invertidos no son la primera opción. Los purgadores de disco aguas arriba de la estación de válvulas de control pueden ser aceptables si las bolsas de recolección de condensado y las líneas de drenaje tienen el tamaño y el diseño adecuados. Es posible que se requieran selecciones especiales para las ubicaciones de drenaje después de las estaciones de válvulas de control, que pueden tener presiones operativas extremadamente bajas en la operación en espera y pueden estar cerca del nivel del suelo.
• Serpentines de foso de azufre. Los serpentines de foso de azufre están bajo tierra, y los purgadores de vapor generalmente deben instalarse sobre el suelo. El condensado debe elevarse del serpentín al purgador. Esto puede causar comúnmente el bloqueo de vapor del purgador, lo que puede evitar la descarga de condensado y resultar en temperaturas más bajas, daños en el serpentín y posibles solidificaciones. Los operadores pueden tener que abrir bypasses de ubicación de drenaje y válvulas de purga para mantener las temperaturas del azufre, lo que puede causar pérdida de energía y problemas de seguridad. El bloqueo de vapor del serpentín del foso de azufre puede mitigarse mediante el diseño de la instalación y seleccionando un purgador con un pequeño orificio de ventilación para abordar el bloqueo de vapor.

Enfoque estructurado para la selección y documentación. Es necesario un enfoque estructurado para seleccionar el purgador, y luego documentar la selección y comunicarla al personal de mantenimiento, contratistas de ingeniería y equipos de proyectos de capital. Un especialista en sistemas de vapor de confianza puede ayudar a guiar la selección del purgador de vapor para cualquier tipo de aplicación y a proporcionar procedimientos establecidos para documentar y comunicar los estándares de selección. La TABLA 1 muestra un extracto de un documento de selección típico que revisa las selecciones de purgadores de vapor.

2. Instale el purgador de vapor correctamente

Los purgadores de vapor deben instalarse correctamente para que puedan funcionar correctamente. Los detalles de la instalación dependen de la aplicación, junto con los factores existentes en el campo y el tipo de purgador de vapor seleccionado. Un purgador de vapor se instala típicamente como parte de una ubicación de descarga de condensado (CDL), que incluye otros elementos como una válvula de aislamiento de entrada, un filtro con purga, el purgador de vapor, una válvula de aislamiento de salida, una válvula de retención, un componente de desmontaje como una brida o unión, válvulas para despresurizar el cuerpo del purgador de vapor a un estado seguro de energía cero para permitir el reemplazo del purgador, y válvulas para permitir el flujo a la atmósfera para pruebas o solución de problemas. La configuración de todos estos elementos afecta críticamente el rendimiento del purgador de vapor. Las imágenes muestran disposiciones típicas para algunos de los tipos más comunes de ubicaciones de drenaje de condensado.

Para presiones de hasta 650 psig, las tuberías y los componentes individuales para una CDL pueden ser reemplazados por una única estación de purgador de vapor para reducir el espacio de instalación, la complejidad, la mano de obra y los puntos de fuga. En algunas situaciones, varias ubicaciones de descarga de condensado pueden estar cerca, y puede haber un requisito para retornar el condensado. En estos casos, puede ser apropiado utilizar colectores de suministro de vapor y colectores de recolección de condensado con estaciones de purgadores.

Es esencial generar un estándar documentado para la instalación de purgadores de vapor que pueda utilizarse para:

• Definir la guía de selección de purgadores.
• Proporcionar datos al personal de oficina (por ejemplo, planificadores, personal de compras e ingenieros de proyectos).
• Transmitir información de selección e instalación a grupos de proyectos de capital o a empresas externas de ingeniería, adquisición y construcción (EPC).
• Capacitar al personal de mantenimiento y operaciones.

También es útil generar la misma información en forma de carteles laminados para talleres de mantenimiento y como libros de bolsillo.

3. Implemente un programa sostenible de gestión de purgadores de vapor

Incluso cuando un purgador de vapor se selecciona e instala correctamente, tendrá una vida útil finita. Un programa sostenible de gestión de purgadores de vapor es esencial para mantener una tasa de fallos aceptable y para monitorear el estado actual de los fallos y el número de ubicaciones de drenaje en buen servicio. Un programa eficaz de gestión de purgadores debe cubrir lo siguiente:

• Identificar de forma precisa y constante los fallos de los purgadores de vapor; estas acciones pueden tener un impacto crítico en los costes del programa, y son especialmente esenciales cuando se comparan múltiples sitios.
• Rastrear el progreso de la encuesta para garantizar que se inspeccionen todas las ubicaciones de drenaje.
• Registrar los datos de fallos y mantenimiento.
• Rastrear las acciones de reemplazo/mantenimiento.
• Utilizar los datos registrados para identificar malos actores y causas raíz de los fallos.
• Generar información sobre ahorros para justificar gastos y el retorno de la inversión (ROI).
• Asegurar que el programa continúe funcionando sin problemas y realizar mejoras continuas año tras año.

4. Optimice el rendimiento del equipo que utiliza vapor

Se pueden realizar más mejoras en los activos del sistema de vapor una vez que la población de purgadores de vapor está bajo control, después de que se suministra vapor de alta calidad a la producción y se implementa un drenaje de condensado eficaz para los equipos que utilizan vapor en toda la instalación. Los pasos de investigación para esto típicamente incluyen:

1. Realizar un recorrido por la planta de un día y una sesión de consulta con un especialista en vapor para identificar oportunidades y valor potencial. La planta puede evaluar la prioridad y los posibles ROI para decidir qué opciones avanzar. A veces, una planta ya puede tener desafíos específicos para que el evento los revise.
2. Obtener evaluaciones técnicas detalladas de una oportunidad o desafío específico in situ para identificar la causa raíz del problema y recopilar datos para diseñar una solución y calcular con mayor precisión los beneficios potenciales. Esta acción suele ir seguida de trabajo fuera del sitio para diseñar una solución. Se pueden combinar varias evaluaciones técnicas para crear un evento más grande.
3. Trabajar con el personal de la planta para completar una propuesta de implementación para obtener financiación.
4. Proporcionar equipo, ingeniería, construcción y soporte de puesta en marcha para la solución.

Los objetivos de alto valor para las aplicaciones que utilizan vapor en las instalaciones de procesamiento de hidrocarburos suelen incluir:

• Turbinas de vapor para reducir disparos, aumentar la fiabilidad, disminuir los incidentes de daño y reducir la generación de vapor de la planta.
• Rehervidores para disminuir la generación de vapor de la planta, reducir fallos (juntas, corrosión de haces de tubos y erosión de tuberías), y aumentar el rendimiento para mejorar las tasas de producción y la calidad del producto solucionando problemas operativos, reconfigurando procesos para usar vapor de baja presión que puede ser ventilado y recuperando condensado.
• Antorchas para reducir el riesgo de daño de la punta de la antorcha por erosión o golpes de agua, y para disminuir el retroceso de condensado por la línea de gas de la antorcha.
• Estrategias de recuperación de condensado para ahorrar energía, aliviar los límites de tratamiento de agua cruda y reducir el impacto ambiental.