Departamento de Control Automático
Título: Ajuste de controladores en los lazos de control de combustible en los hornos de la Refinería de Cienfuegos S.A
Autor: Noslen Eliosdany Cantero Abreu
Tutor: Ing. Jorge Luis Pérez Lanza
Consultante: DrC. Miguel Ángel Rodríguez Borroto
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Control Automático
TRABAJO DE DIPLOMA
Ajuste de controladores en los lazos de control de combustible en los hornos de la Refinería de
Cienfuegos S.A
Autor: Noslen Eliosdany Cantero Abreu
Tutor: Ing. Jorge Luis Pérez Lanza
Consultante: Dr.C Miguel Ángel Rodríguez Borroto
Santa Clara 2021
"Año 62 de la Revolución"
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
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PENSAMIENTO
“Toda la ciencia no es más que un refinamiento del pensamiento cotidiano.”
Albert Einstein
DEDICATORIA
A mi familia por su ejemplo y apoyo.
AGRADECIMIENTOS
A mis amigos que compartieron conmigo durante estos cinco años.
A mis profesores y en especial a mis tutores por las ideas y conocimientos transmitidos en todo este tiempo.
RESUMEN
En la presente investigación, se ofrece una breve descripción de los hornos de calentamiento de crudo de la industria petrolífera, específicamente se puntualizan las características y el funcionamiento de los hornos de la Refinería Camilo Cienfuegos SA. Se obtiene por identificación de sistemas un modelo matemático que representa adecuadamente la dinámica de la variación de la temperatura en dicho proceso. Además, se realiza un estudio de las principales estrategias de control basadas en el control en cascada de la temperatura para optimizar el consumo de combustible en un horno; para controlar de manera eficiente procesos con retardo de tiempo dominante y se comprueban los resultados cuando el proceso está sometido a perturbaciones externas. Finalmente se propone una estrategia de control con buenas especificaciones que proporciona un buen desempeño ante estas variaciones, la misma surge a partir de las ventajas que ofrece los métodos de sintonía empleados.
Palabras clave: hornos de calentamiento, identificación de sistemas, estrategia de control, sistema de control.
ABSTRACT
In this research, a brief description of the crude heating furnaces of the oil industry is offered, specifically the characteristics and operation of the furnaces of the Camilo Cienfuegos SA Refinery are specified. A mathematical model is obtained by identifying systems that adequately represents the dynamics of temperature variation in said process. In addition, a study of the main control strategies based on cascade control of temperature is carried out to optimize fuel consumption in a furnace; to efficiently control time lag dominant processes and check results when the process is subjected to external disturbances. Finally, a control strategy with good specifications is proposed that provides good performance against these variations, it arises from the advantages offered by the tuning methods used.
Key words: heating furnaces, system identification, control strategy, control system.
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ...i
DEDICATORIA...ii
AGRADECIMIENTOS ...iii
RESUMEN...iv
ABSTRACT ...v
INTRODUCCIÓN ...1
CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE LA COMBUSTIÓN EN LOS HORNOS DE LA REFINERÍA CAMILO CIENFUEGOS S.A...7
1.1 Combustión ...7
1.1.1 Combustión Industrial ...8
1.1.2 Clases de reacciones de combustión ...8
1.1.2.1 Combustión neutra o estequiométrica...9
1.1.2.2 Combustión incompleta o imperfecta ...9
1.1.2.3 Combustión completa ...10
1.2 Combustibles ...10
1.3 Combustibles gaseosos...11
1.4 Descripción de un horno ...11
1.4.1 Partes mecánicas de un horno industrial...12
1.4.1.1 Zona Radiante ...12
1.4.1.2 Escudo o banco de choque ...13
1.4.1.3 Zona o banco de convección ...14
1.4.1.4 Quemadores ...14
1.4.1.5 Chimenea y Dámper...16
1.5 Instrumentación para hornos industriales...16
1.5.1 Sistema Proceso ...16
1.5.2 Sistema Aire-Gases (Humos) ...17
1.5.3 Sistema de Combustibles ...19
1.6 Tipos de hornos de acuerdo a su diseño ...19
1.6.1 Tipo caja o cabina (box heaters) ...19
1.6.2 Tubos horizontales (Calentamiento simple) ...20
1.6.3 Tubos horizontales (Calentamiento doble) ...20
1.6.4 Tubos Verticales (Calentamiento doble) ...20
1.6.5 Tipo cilindro vertical ...21
1.7 Características del sistema de control de temperatura en un horno ...21
1.7.1 El control en cascada de la temperatura en el horno y el flujo de combustible ..21
1.7.2 Control de la relación de mezcla de combustible y aire de combustión ...22
1.7.3 Control predictivo basado en modelo (MPC) ...24
1.8 Conclusiones del capítulo...24
CAPÍTULO 2. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL HORNO Y LA LÓGICA DE QUEMADORES ...26
2.1 Descripción de los hornos de calentamiento de crudo de la Refinería “Camilo Cienfuegos”...26
2.2 Parámetros de Operación ...27
2.3 Arquitectura del Sistema de Control Distribuido (DCS) ...28
2.3.1 DCS Sección 100. Refinería “Camilo Cienfuegos” SA ...29
2.3.2 DCS Sección 600. Refinería “Camilo Cienfuegos” SA ...30
2.4 Sistema de Control y Protección de Hornos...31
2.4.1 Hornos F-101/T-101, F-101/T-102 y F-101/T-104 ...32
2.5 Encendido/Apagado de los Hornos ...33
2.6 Selección de Combustible ...35
2.7 Parada de emergencia en hornos ...36
2.7.1 Parada de emergencia hornos F-101/T-101, F-101/T102 y F-101/T-104 ...36
2.8 Selección del esquema de control de temperatura en Hornos ...37
2.9 Control del caudal de aire...40
CAPÍTULO 3. REDISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL...43
3.1 Identificación de Sistemas...43
3.1.1 Pasos a seguir para realizar la identificación de sistemas ...44
3.2 Plataforma de control y adquisición de señales ...45
3.3 Modelado de identificación con MATLAB ...46
3.4 Controladores y parámetros de sintonía ...47
3.4.1 Parámetros de sintonía del controlador del lazo de control secundario...47
3.4.2 Parámetros de sintonía del controlador del lazo de control primario ...48
3.5 Resultados de la Simulación del Lazo de Control Cascada Temperatura-Flujo ....50
3.6 Análisis económico y medioambiental ...51
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...54
Conclusiones ...54
Recomendaciones...54
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...55
ANEXOS ...58
INTRODUCCIÓN
El mundo y la humanidad tal como lo conocemos hoy no existirían si no fuera por la industria de los hidrocarburos, campo fundamental en el cual se ha basado toda la sociedad moderna.
A través de la industria transformativa de los hidrocarburos es posible hoy tener caminos, carreteras, electricidad, toda la gama de plásticos y gomas, los abonos sintéticos, los compuestos necesarios para la industria de los cosméticos, la química, las pinturas y esmaltes, entre otros usos que se acumulan hasta alcanzar más de 2000 subproductos obtenidos d e las descomposiciones de las grandes cadenas de carbono que se encuentran almacenadas en las entrañas de la tierra tras miles de millones de años. Período en el cual el material orgánico existente en la superficie se acumuló y mediante altas presiones y temperaturas se fueron recombinando hasta llegar a los yacimientos de carbón mineral, petróleo y gas natural que hoy en día son explotados desde las planicies de nuestra madre tierra hasta las grandes profundidades de nuestros océanos [1].
La industria del refino de petróleo es una de las plantas químicas más complejas, con muchos procesos y reacciones químicas diferentes y también con un impacto económico y ambiental impresionante en todo el mundo [2].
En esta industria, los hornos de precalentamiento de petróleo crudo, son una de las unidades básicas más importantes y se consideran una de las plantas de mayor consumo de energía [3], en las que la combustión, la precisión del control y la uniformidad de la temperatura tienen un impacto directo en la calidad del producto y el consumo de energía [4]. Sin embargo, actualmente se pierde una cantidad significativa de energía en la mayoría de los hornos de precalentamiento de petróleo crudo como resultado de un control inexacto [5].
Según estudios realizados por empresas norteamericanas, se considera que en Cuba existen más de 20.000 millones de barriles de petróleo bajo sus aguas [6]. Debido a esto nuestro país ha fomentado, en los últimos años, el desarrollo de la industria petroquímica con la recuperación y remodelación de varias de las refinerías existentes, como, por ejemplo: la Refinería “Camilo Cienfuegos”.
La Refinería “Camilo Cienfuegos, se ubica en la Finca Carolina, al norte de la Bahía de Cienfuegos, en un área que ocupa 380 hectáreas. Diseñada para procesar 65.000 barriles/día
de crudo “Soviet Export Blend”, fue construida a partir de 1977 con la participación de la desaparecida Unión Soviética por un período de 13 años.
Su puesta en marcha inicial se produjo en 1991, y años más tarde, en 1995 sobreviene la paralización de la refinación. Gracias al nacimiento del ALBA y PETROCARIBE, se crea la Empresa PDV CUPET, S.A. (Petróleos de Venezuela (PDV), Cuba Petróleos (CUPET)) y en consecuencia, el 21 de diciembre de 2007 ocurre la reactivación de la Refinería “Camilo Cienfuegos”, procesando la mezcla de los crudos venezolanos: Mesa 30 y Merey 16 [7]. En el 2010, la producción cubana de derivados de petróleo era ya la segunda mayor exportación del país después del níquel. Por tanto, contribuir a la eficiencia de esta producción, al ahorro de recursos del país y al aumento de las exportaciones es un objetivo primordial.
En las refinerías de petróleos e industrias petroquímicas, mantener las variables de los procesos dentro un rango o valor deseado es de suma importancia para la correcta explotación, eficiencia y rendimiento de las plantas que las conforman. Esta investigación se centra fundamentalmente en los hornos de la Refinería de Cienfuegos SA. Debido a la complejidad que presentan los mismos que se encuentran en las plantas industriales, la demanda de un producto con calidad y de bajo costo no podrá satisfacerse si no se usan herramientas matemáticas y nuevas técnicas para el control del proceso [8].
La función de los hornos, es precisamente liberar la energía interna del combustible a través de la combustión de algún tipo de material comburente. Como resultado de la combustión se libera una masa de gases a razón y temperatura muy altas, con un alto calor sensible. La carga del horno la determina, precisamente las condiciones de la carga en la planta que recibe esa energía [9].
La lógica del proceso indica que, en su esencia, el control de la combustión en el horno se reduce a un control de la relación: flujo de aire / flujo de combustible. Si dicha relación se mantiene en su valor óptimo, desde el punto de vista del consumo de combustible para una carga dada de la planta, entonces hay que admitir que los dispositivos controladores de la combustión están desempeñando su función de manera óptima [10].
En el caso de los hornos de la Refinería de Cienfuegos SA, resulta que al efectuarse la quema combinada de fuel-oil y gas combustible en cada una de las cámaras correspondientes de las diferentes plantas e implementarse varios cambios en la lógica de control de quemadores,
fundamentalmente en los lazos de control que gobiernan el suministro de combustible a los mismos, se establecieron en la lógica todas las protecciones y limitantes relacionados a dicho cambio, lo cual requiere aplicar un método de sintonía a los controladores PID (diferente a la prueba-error que se usa actualmente) de dichos lazos, que garantice robustez en el seguimiento al set-point de temperatura de producto teniendo en cuenta todas las variables que pueden constituir señales perturbadoras y ruido al sistema de control.
En el contexto de la situación problémica descrita anteriormente, podemos platearnos las siguientes interrogantes científicas:
1. ¿Resulta factible la implementación de una estrategia de control con la implementación de la quema combinada?
2. ¿Será necesario cambiar la instrumentación existente para lograr optimizar el funcionamiento de los hornos?
3. ¿Se pueden mejorar las condiciones de operación del horno, a partir de una adecuada estrategia de control?
Hipótesis
Es posible mejorar la eficiencia y los costos de producción del proceso de combustión en los hornos de la Refinería Camilo Cienfuegos SA si se garantiza robustez en el seguimiento de los set-points de los controladores de temperatura en los mismos.
Se plantea como objetivo general: Desarrollar una metodología de diseño para el control de la temperatura en los hornos, incluyendo la sintonía de los controladores suministradores de combustible.
A partir del objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos:
1. Analizar el proceso de la combustión en los hornos, así como los detalles constructivos de los mimos y la instrumentación y sistema de medición existente.
2. Describir la estructura, características y funcionamiento del sistema de control distribuido (DCS) instalado en la Refinería Cienfuegos SA.
3. Desarrollar un modelo experimental del proceso.
4. Aplicar un procedimiento adecuado para la sintonía de los controladores PID del sistema.
5. Verificar los resultados mediante simulación.
Para lograr el cumplimiento de los objetivos anteriormente expuestos se propone ejecutar las siguientes tareas de investigación:
• Análisis del marco teórico y referencial del tema objeto de estudio.
• Recopilación de datos sobre el proceso y sistemas de medición y control existentes, así como de los detalles constructivos de la planta.
• Familiarización con la planta de los hornos y la lógica de quemadores en el proceso de la combustión.
• Familiarización con el DCS Yokogawa CENTUM en su aplicación al control de la combustión.
• Reconocimiento y análisis cualitativo de los lazos de control existentes.
• Recopilación de datos para la elaboración de una identificación experimental del proceso.
• Recálculo de los elementos que constituyen los lazos de control actual, elementos finales, elementos de medición, gama de desempeño.
• Cálculo de la sintonía de los controladores.
• Verificación experimental del diseño mediante simulación.
• Verificación experimental práctica de del desempeño.
• Análisis de los resultados.
• Análisis técnico económico del sistema.
• Elaboración del informe de la tesis resaltando el método de sintonía de los controladores.
Posibles resultados
• Una valoración de la problemática existente en la Refinería Cienfuegos SA desde el punto de vista del control de la combustión en los hornos a raíz de los cambios propuestos en el combustible utilizado.
• Una metodología para el diseño del sistema de control y sintonía de los controladores del suministro de combustible-aire.
• El cálculo del flujo de combustible que alimenta los quemadores conociendo la apertura de la válvula y la presión en la línea.
Impacto posible
Con la ejecución del proyecto se dará solución a las dificultades que se confrontan actualmente en el control del suministro de combustible y aire a al proceso de los hornos en la Refinería Cienfuegos SA, industria que tiene una importancia capital en la economía del país.
Aplicabilidad
La finalidad del estudio investigativo está dirigida a la solución práct ica existente en cuanto al funcionamiento del sistema de control del suministro de combustible a los hornos de la Refinería Cienfuegos SA
Organización del informe
El informe de la investigación se estructurará en introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas, bibliografía y anexos.
CAPÍTULO I: Caracterización del Proceso de la Combustión en los Hornos de la Refinería Camilo Cienfuegos SA
Se dedica a la caracterización del proceso en cuanto a su operación y funcionamiento, así como a la determinación de los parámetros fundamentales del mismo, tales como señales de entrada y salida, sus valores de régimen en estado estacionario, posibles señales de perturbación, etc.
CAPÍTULO II: Caracterización del sistema d e control del horno y la lógica de quemadores
Se analiza el sistema de control existente considerando la estructura a que obedece según la ingeniería de Instrumentación y Control de Procesos. Se analizará el proceso como objeto de control, su modelado matemático y su identificación experimental.
CAPÍTULO III: Rediseño del sistema de control
Se dedicará a la reelección de los componentes de automatización y al cálculo de sus parámetros de desempeño. Verificación de la ad ecuacidad de las estructuras de control
existentes. Si se trata de simples esquemas de control por retroalimentación o si se utiliza la estructura cascada para compensar los disturbios en el desempeño de las válvulas. Si se usa la acción del control de los disturbios mediante la estructura de adelanto de la señal, etc. Una vez seleccionada la estructura más apropiada se procede al cálculo de la sintonía de los controladores y la elaboración de la metodología de cálculo para ello. Se desarrolla un procedimiento de verificación experimental tanto por simulación como por la aplicación práctica en la planta. Y, de inmediato se procede a realizar un análisis de los resultados y una valoración económica del proyecto.
CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE LA COMBUSTIÓN EN LOS HORNOS DE LA REFINERÍA CAMILO CIENFUEGOS S.A
En este capítulo se tratan algunos aspectos relacionados con el proceso de la combustión como concepto, tipos de combustión, hornos de procesos industriales, principales variables de los hornos de calentamiento de crudo, etcétera. Además, se realiza un análisis de las posibles señales de perturbación.
1.1 Combustión
La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el combustible, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.), un líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el comburente, Oxígeno [11].
La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable [11, 12].
Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores:
• Combustible
• Comburente
• Energía de activación
Estos tres factores se representan en el denominado triángulo de combustión, en el cual si falta alguno de los vértices la combustión no puede llevarse a cabo [11].
El comburente universal es el oxígeno, por lo que en la práctica se utiliza el aire como comburente, ya que está compuesto, prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y 79% Nitrógeno (N2); únicamente en casos especiales se utilizan atmósferas enriquecidas en oxígeno e incluso oxígeno puro (por ejemplo en soldadura) [13]. La energía de activación es el elemento desencadenante de la reacción de combustión; en los quemadores habitualmente suele
obtenerse mediante una chispa eléctrica entre dos electrodos, en las calderas individuales de gas se obtiene por llama piloto, tren de chispas, etcétera [9].
Las reacciones de combustión, desde el punto de vista de sus componentes fundamentales (C, H) son:
𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 (28.09 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔𝐶𝑂2) 2𝐻2+ 𝑂2 → 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 (39.47 𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔𝐶𝑂2)
El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración. Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, en °C y a 1 atm, temperatura a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente. La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella que, una vez encendidos los vapores del combustible, estos continúan por si mismos el proceso de combustión [14].
1.1.1 Combustión Industrial
La identificación de la combustión industrial con la combustión inorgánica se inicia al producirse la conversión de las plantas y organismos vivos en yacimientos de recursos combustibles que deshidratados y desgasificados a través de los siglos han dejado de ser potencialmente aprovechables como alimentos, pues no podrían llegar a ser procesados en la forma de catalización enzimática que constituye la combustión orgánica. La combustión inorgánica es brutal, violenta y fulgurante, pero también simple y directa, porque se efectúa a partir de los componentes de los combustibles previamente disociados; todo ello exige que se efectúen en forma heterogénea, con ignición previa y en un estado de mayor actividad termodinámica [11, 14].
1.1.2 Clases de reacciones de combustión
Las reacciones se pueden clasificar según el modo en el cual transcurran de la siguiente manera:
• Combustión neutra o estequiométrica
• Combustión incompleta o imperfecta
• Combustión completa
1.1.2.1 Combustión neutra o estequiométrica
Es aquella que se produce cuando el aire empleado aporta la cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos. Para que la estequiometria se cumpla, hay que considerar todos los elementos que sufren la reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, que se transformarán en productos correspondientes que irán en los gases de combustión. Como inertes aparecerá, por lo menos, el nitrógeno [12, 15].
1.1.2.2 Combustión incompleta o imperfecta
Es aquella en la que por defecto en el suministro de aire no hay oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto de combustión de CO [16]. Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados también se pueden producir por defecto en el aparato quemador. Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada [17]. Pueden ser de dos clases:
• Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de combustión
• Gaseosos: CO, H2
Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se deberían tomar medidas de algún tipo para mejorarla [17].
En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono.
Además, pueden generarse cenizas [18].
La combustión incompleta afecta la eficiencia del proceso de la combustión y del horno pues se queda combustible sin combustionar. Además, vale señalar, que añadir más aire en exceso indiscriminadamente tampoco resuelve el problema porque, sí disminuyen las pérdidas de calor por combustión incompleta, pero aumentan las pérdidas por humedad que siempre tiene
el aire. La curva de eficiencia vs relación aire a combustible, siempre tiene un punto máximo (el de menor pérdida). Y en ese punto es donde deben operarse los hornos.
1.1.2.3 Combustión completa
Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles sufran la oxid ación tanto el Carbono como el Oxígeno o el Hidrógeno. En este caso no se van a producir inquemados [17].
En la práctica se hace difícil conseguir la combustión completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que aportar para que se realice la combustión completa del combustible [11].
1.2 Combustibles
Se entiende como combustible, cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica (motores térmicos) dejando como residuo calor (energía térmica), dióxido de carbono y algún otro compuesto químico [19].
Estos pueden ser orgánicos o nucleares [14]. Los combustibles orgánicos son aquellos que, mediante un proceso de oxidación de sus elementos combustibles, liberan energía térmica.
Los nucleares, como el uranio, mediante la reacción física de fisión liberan calor en los reactores nucleares. Los combustibles orgánicos, se pueden dividir en fósiles (carbón, petróleo, gas) y los que proceden de madera, bagazo y otros materiales lignocelulosos y subproductos de la agricultura, silvicultura y actividades urbanas, lo cual constituyen las biomasas. Los combustibles orgánicos fósiles pueden clasificarse en naturales, derivados y residuales. Se denominan como naturales aquellos que se encuentran en la forma que fueron extraídos: carbón, gas natural entre otros. Derivados son aquellos obtenidos como resultado de un proceso de elaboración tecnológico del combustible natural, como el caso del petróleo, pues este después de una serie de procesos puede producir gasolina, queroseno, diésel.
Residuales son los aceites combustibles que se obtienen como residuo de la dest ilación del petróleo crudo [2].
1.3 Combustibles gaseosos
Se denominan combustibles gaseosos a los hidrocarburos naturales y a los fabricados exclusivamente para su empleo como combustibles, y a aquellos que se obtienen como subproducto en ciertos procesos industriales y que se pueden aprovechar como combustibles [11].
La composición de estos varía según la procedencia de los mismos, pero los componentes se pueden clasificar en gases combustibles (CO, H2, HC) y otros gases (N2, CO2, O2). Los combustibles gaseosos se clasifican en:
• Combustibles gaseosos naturales
• Combustibles gaseosos manufacturados
1.4 Descripción de un horno
Puede definirse un horno como un gran intercambiador de calor, cuya fuente de energía (o potencia) proviene de la combustión de un combustible. Como el calor proviene de la combustión, el diseño del horno obliga a tener un dispositivo adecuado para la combustión de un combustible (quemador). En un intercambiador de calor básico existe un fluido frío que se calienta conforme un fluido caliente se enfría. Globalmente este calor transferido desde el caliente al frío atraviesa una superficie de determinada área [20].
Por definición de Horno el fluido caliente son los gases durante y después de la combustión en un quemador y el fluido frío (de procesos) circulará dentro de tubos. El área de intercambio depende de la cantidad de tubos de procesos y otros factores geométricos (Largo de los tubos, diámetro, Schedule, etc.). Los arreglos de hornos dependen si el fuego de la llama del quemador (a mayor temperatura) irradia de un lado de las caras de los tubos radiantes o si se irradia a ambos lados [20].
Figura 1.1 Esquema de un horno de crudo
1.4.1 Partes mecánicas de un horno industrial
Las partes claves de un horno desde el punto de vista del calor transferido al proceso son:
• Zona radiante
• Escudo o banco de choque
• Zona de convección
• Quemadores
• Refractario
• Chimenea
1.4.1.1 Zona Radiante
En la zona radiante se encuentran los quemadores y es donde los gases de combustión están a mayor temperatura. En esta zona es donde ocurre la combustión del combustible, por lo tanto dispone de quemadores adecuados para la mezcla correcta aire-combustible y un espacio suficiente para que la combustión ocurra de manera controlada y segura [20, 21].
Es de esperar que el mismo diseño del horno obligue a que las temperaturas de fluido de proceso (fluido frío usando terminología de intercambiador de calor) son también las más elevadas: en general los diseños de los hornos son básicamente en contracorriente (ver Figura 1.1). Los diseños más modernos de hornos hacen hincapié en la transferencia de calor
radiante aprovechando las elevadas temperaturas que se generan durante la combustión (temperatura de llama) y los humos generados disponen de la mayor parte del calor generado por la combustión [22].
La mayor cantidad de potenciatransferida al proceso (Duty = potencia absorbida por el proceso) ocurre en la zona radiante del horno, y la mayor parte d el calor transferido ocurre por radiación térmica. La radiación térmica está fuertemente influenciada por las diferencias de las cuarta potencias de las temperaturas del emisor caliente y el receptor frío. La radiación térmica está fuertemente influenciada por las diferencia de las cuarta potencias de las temperaturas del emisor caliente y el receptor frío [2].
En teoría la zona radiante del horno debería estar siempre a la mayor temperatura posible, restringida por las propiedades de los materiales con el cual el horno fue construido [20].
1.4.1.2 Escudo o banco de choque
El escudo del horno corresponde a las primeras 2 o 3 filas de tubos en el banco de convección.
Donde finaliza la zona radiante y comienza el banco de convección los gases aceleran, pero aún están muy calientes. Normalmente el diseño típico del horno evita poner las primeras filas de tubos con superficie extendida (mínimo de 2 filas porque la ubicación en tresbolillo en el banco de convección dejaría algunos tubos de esta zona, expuestos a las condiciones severas de la zona Radiante) [23].
El Escudo se construye de tubos lisos de iguales características que los tubos radiantes pero ubicados horizontalmente: independientemente de cómo sea el arreglo de los tubos radiantes.
Estos tubos están expuestos a radiación directa de la zona radiante y en una estimación grosera puede decirse que absorben la mitad del calor de esta manera (la mitad del calor absorbido por el escudo es por radiación) [23].
No debe usarse tubos con superficie extendida en esta zona ya que los gases aún están muy calientes generando temperaturas de piel elevados en el borde de la superficie extendida, dañándola o reduciendo drásticamente su vida útil [20].
1.4.1.3 Zona o banco de convección
Luego del escudo los gases llegan al banco de convección. La zona de convección se diseña para absorber la mayor cantidad de energía que aún disponen los gases aprovechando la transferencia de calor por convección [24].
Estructuralmente esta parte es casi continuación del escudo, sin embargo, la diferencia más importante es la utilización de tubos con superficie extendida y corbelling en las paredes de refractario. Los tubos son en general más largos que los de la zona radiante con superficie extendida cuyos retornos se encuentran por fuera del banco siempre [20, 24].
La clave de una buena transferencia de calor por convección es la velocidad de los fluidos involucrados. A mayor velocidad: mayor turbulencia y las capas límites que ofrecen resistencia a la transferencia de calor disminuyen. La mayor resistencia a la transferencia de calor ocurre del lado humos y no del fluido que circula por dentro de los tubos [25].
1.4.1.4 Quemadores
Un quemador es un dispositivo construido en metal refractario que acepta cantidades específicas de aire y combustible, mezclándolos en la forma más homogénea posible, para permitir el quemado de este combustible mediante procesos químicos exotérmicos estables.
Además de suministrar energía inercial para este movimiento, el quemador debe también ser capaz de entregar una difusión satisfactoria de calor a los gases, sin dañar los tubos o las áreas de transferencia de calor. Su función es dar calor al producto que fluye por los tubos, en forma uniforme, a fin de obtener un perfil estable de temperatura. Debe poseer capacidad para dispersar el calor a la atmósfera gaseosa del horno; es la capacidad relativa para dispersar este calor, lo que decide el uso de un determinado quemador para un horno específico [26].
Ningún elemento en el diseño básico del horno es más importante que la elección de quemadores adecuados para el servicio que se va a realizar con el combustible disponible.
Con respecto a la ubicación de los quemadores, es posible que, en la mayoría de los casos, sea más económico instalar quemadores laterales, porque no es necesario incurrir en gastos para levantar el horno con el fin de proporcionar más espacio. Sin embargo, cuando los quemadores están en la pared, la primera reducción de costo se obtiene a expensas de un
menor rendimiento. Con iguales condiciones limitantes, la combustión en un Horno es de un 25% más activa con quemadores en el piso [14, 26]. Esto se debe a:
• Mejor uso de volumen de combustión.
• Mejor distribución de calor.
• Mejor control del calor y una combustión más uniforme en todas las áreas de los tubos.
Por otra parte, en cualquier sistema de combustión, la operación será más eficiente cuando se usa una cantidad relativamente grande de quemadores pequeños, en lugar de lo contrario.
La capacidad de los quemadores para dispersar el calor a la atmósfera del horno, será proporcional a la cantidad de quemadores utilizados. La combustión se produce cuando el combustible es mezclado con el aire y es encendido. Las partes de admisión de aire en el quemador pueden ser; un registro de aire para el aire secundario, una puerta controlable que lo provee de aire primario o medios regulables para la entrada de aire terciario. En la industria del petróleo se usan principalmente dos tipos de quemadores, estos son:
• Quemadores combinados de Fuel Oil y Fuel Gas
En la actualidad en la Refinería Camilo Cienfuegos SA, se ha incorporado como mejora en los combustibles para los quemadores, casi en un 100 por ciento, el gas natural, con buenos resultados en los deterioros de estos mismos. Todos los quemadores disponen de un piloto de Fuel gas, que tiene por función mantener una llama constante a la salida del combustible del quemador para que, ante un eventual corte de combustible, pueda ser reencendido inmediatamente y no se acumule aquel en la cámara de combustión, produciendo una mezcla explosiva en ella. Los quemadores se encienden una vez que ha sido encendido su piloto.
Los quemadores pueden utilizar cualquier tipo de combustible y actualmente existen varios de ellos. En las figuras 1.2 y 1.3 se tiene dos ejemplos de quemadores.
• Quemador de aceite.
• Quemador combinado Aceite Gas
• Quemador de Gas
• Quemador de Gas Crudo
• Quemador tipo Aspiración (Premix Gas Burner)
Figura 1.2 Quema dor tipo Aspira ción Figura 1.3 Quema dor tipo ga s na tura l
1.4.1.5 Chimenea y Dámper
El diseño de chimenea es clave para lograr el tiro necesario dentro del horno. El dámper que actúa como una válvula mariposa sirve para controlar el tiro. En general cuanto más alta la chimenea mayor tiro. Desde el punto de vista ambiental es beneficioso ya que la expulsión de gases (función de la chimenea) ocurre a mayor altura y con menores probabilidades de que los gases lleguen a nivel de piso. Las chimeneas se construyen en acero al carbono u hormigón armado con refractario interno [20, 22, 27].
1.5 Instrumentación para hornos industriales
Los diseños de los hornos varían mucho no solo entre fabricantes, sino dependiendo del tipo de industria a la que vaya dirigido. Los sistemas que a continuación se detallan están desarrollados principalmente desde el punto de vista del control, por lo que, aunque no sólo se representa aquella instrumentación necesaria para el correcto funcionamiento de aquel en su operación continua o de seguridades, la instrumentación local, válvulas, filtros, drenajes, etc. A continuación, se describen los circuitos principales para los hornos industriales de procesamiento de crudo.
1.5.1 Sistema Proceso
En el Anexo 4 se observa el circuito de proceso de un horno con ventilador de tiro forzado.
Se han diferenciado los instrumentos propios del sistema de control continuo de los del
sistema de seguridades. En este circuito se observa como el fluido de proceso es aportado al horno a través de una estación de control de caudal mínimo para calentarlo primero en la zona convectiva y después en la zona radiante, y finalmente ser devuelto al proceso.
Las variables que hay que vigilar desde el punto de vista de las seguridades del horno serán principalmente las siguientes:
• La temperatura de salida del fluido ha de mantenerse dentro de los límites de operación previstos. Mediante termopares y transmisores de temperatura (TT).
• Un bajo caudal de entrada puede causar sobrecalentamiento en los tubos y producir un fallo en ellos. Aunque no está representado, debe existir también un disparo por este motivo.
Las variables a controlar para mantener una producción continua en las condiciones deseadas serán las siguientes:
• El fluido que se produce debe mantenerse en unas condiciones óptimas de temperatura, por lo cual se tomarán medidas de la temperatura final (TT). La temperatura se mantendrá en el valor deseado mediante la aportación del combustible necesario.
• El fluido debe aportarse al horno a un caudal adecuado para el proceso y que además asegure un mínimo caudal en circulación. Para conseguir este objetivo se medirá el caudal de entrada (FT). La cantidad de fluido aportado se regulará mediante una válvula de control a tal efecto (HV)
1.5.2 Sistema Aire-Gases (Humos)
Un típico circuito aire-gases de horno se puede ver en el Anexo 4. En este circuito el aire es impulsado por el ventilador de tiro forzado que, tras pasar por la caja de aire y los registros de los quemadores, en donde se produce la turbulencia necesaria para una combustión correcta, se introduce en el hogar. Una vez en él y tras producirse la combustión, los gases abandonan el hogar, para pasar posteriormente por la zona de convección y ser, finalmente, evacuados a la atmósfera por la chimenea.
Las variables que hay que vigilar desde el punto de vista de las seguridades del horno serán principalmente las siguientes:
• Una de las variables más importantes con relación a la seguridad es el caudal de aire de combustión que se está suministrando al hogar. Para asegurar que este suministro es continuo y mayor que un mínimo, se supervisará que el ventilador de tiro forzado está en servicio (señal que se obtendrá desde el contactor del ventilador) y que el caudal de aire de combustión no es bajo (FT). Adicionalmente, se obtendrá de esta medida el caudal mínimo necesario para realizar una purga de la unidad correcta antes de su encendido.
• El horno debe mantener una pequeña presión negativa en la zona del arco que asegure un correcto tiro de los gases de escape. Dependiendo del horno pueden existir disparos por alta y/o baja presión. Mediante transmisores de presión (PT).
• Al existir una compuerta o alabes de entrada al ventilador para su modulación, se debe disponer de las posiciones de cerrado, para su arranque y de abierto para la supervisión de su correcto posicionamiento tras establecerse el máximo tiro nat ural en caso de pérdida del ventilador. Si existiesen más compuertas en el circuito (como la compuerta de control del tiro), o en el caso de registros de aire, será necesaria al menos la indicación de abierta de cada una de ellas para la determinación del tiro natural.
• Además, son aconsejables como se muestra en el P&ID distintas alarmas, principalmente de temperatura y análisis de gases, que adviertan sobre una posible operación inadecuada del horno.
Las variables a controlar para mantener una producción continua en las condiciones deseadas serán las siguientes:
• Como se ha indicado es necesario mantener una presión ligeramente negativa en la parte del arco del horno. Para conseguir este objetivo se medirá la presión en dicho punto (PT). La cantidad de pérdida de carga requerida para mantener esta presión en su valor adecuado en cada momento se manipulará mediante una compuerta de control (HV).
• Al ser el horno capaz de operar a distintas cargas entre un mínimo y un máximo, el caudal de aire de combustión d eber ser ajustado a la cantidad adecuada para la cantidad de combustible que se está suministrando. Para ello se necesitará la medida de caudal de aire (FT) y un actuador sobre los alabes de entrada del ventilador al objeto de poder modificar su apertura y por tanto la aportación de caudal. Si las condiciones de temperatura del aire pueden variar sensiblemente es aconsejable la medición de la temperatura (TT) de este para la corrección de la medida de caudal de aire si la medida se obtiene mediante una lectura de presión diferencial.
• A fin de que la combustión sea lo más eficaz posible, manteniendo el exceso de aire lo más bajo posible, se medirá el exceso de oxígeno existente en los gases.
1.5.3 Sistema de Combustibles
Con respecto al sistema de combustibles la variabilidad en las configuraciones es muy amplia y en general análoga a la utilizada para las calderas industriales, tanto desde el punto de vista de los elementos para el control de la combustión, como de los dispositivos y válvulas del sistema de seguridades. A modo de ejemplo se presentan los esquemas para un combustible gas y otro líquido (Anexos 5 y 6 respectivamente)
1.6 Tipos de hornos de acuerdo a su diseño Podemos clasificar los hornos por su diseño en:
• Tipo de caja o cabina (box heaters)
• Tubos horizontales (Calentamiento simple)
• Tubos horizontales (Calentamiento doble)
• Tubos Verticales (Calentamiento doble)
• Tipo cilindro vertical
1.6.1 Tipo caja o cabina (box heaters)
Se constituyen de una o dos cabinas radiantes, incluye tubos horizontales con sus retornos dentro de la zona radiante. Los diseños con los retornos fuera de la zona radiante se toman
en cuenta cuando estos retornos tienen la posibilidad de tener tapas para limpiar los tubos.
Se considera estos diseños cuando la carga tiende a formar coque [13].
Figura 1.4 Esquema bá sico de un horno tipo ca bina
1.6.2 Tubos horizontales (Calentamiento simple)
Los tubos están montados horizontalmente en la pared lateral más larga en una capa simple.
Se pueden montar varias series de tubos en paralelo en función del caudal. Se colocan a una distancia de la pared de 1,5 veces el diámetro de tubería La sección de convección se monta directamente sobre la zona de radiación y consiste en un banco de tubos con distribución triangular equilátera y una separación de dos veces el diámetro de tubería [20].
1.6.3 Tubos horizontales (Calentamiento doble)
En este caso están los tubos montados en el centro colgados sobre soportes.
1.6.4 Tubos Verticales (Calentamiento doble)
Los tubos se colocan verticalmente en el centro del horno. Calentánd ose lateralmente.
1.6.5 Tipo cilindro vertical
Hornos con zona radiante cilíndrica y tubos verticales con retornos dentro de la zona radiante.
El banco de convección, si existe, siempre es tipo cabina y los tubos van en disposición horizontal, en configuración tresbolillo con superficie extendida, con o sin escudo (tubos lisos inmediatamente encima a la zona radiante). En las tablas siguientes, para hornos cilíndricos cuando se refiere a tubos horizontales siempre se refiere al banco de convección o a el escudo [14].
Los Hornos cilíndricos son más económicos de construir respecto a los hornos tipo cabina.
La ventaja es que cada tubo recibe la misma cantidad de flujo térmico si la disposición de los quemadores es adecuada, por lo tanto, el flujo térmico es más homogéneo en el horno y cada pase recibe la misma cantidad de potencia radiante, esta ventaja se mantiene independientemente el número de pases que tenga el horno. La desventaja más importante es la perdida de carga mayor por diferencia de energía potencial en cada tubo, y además la posibilidad de no drenarse por gravedad por lo que para el vaciado del serpentín debe usarse un fluido tipo vapor o nitrógeno para purgar el producto. Una desventaja importante desde el punto de vista de mantenimiento es la dificultad para cambiar tubos en la zona radiante [28, 29].
1.7 Características del sistema de control de temperatura en un horno
El control de temperatura de un horno de calentamiento de crudo es un proceso no lineal, por lo tanto, se debe implementar una estrategia de control que se ajuste a dichos requerimientos.
A continuación, se analizan diferentes estrategias que se han aplicado en las literaturas consultadas y que cumplen con los principios y características de los esquemas avanzados de control de procesos.
1.7.1 El control en cascada de la temperatura en el horno y el flujo de combustible Existen algunas ocasiones en que el desempeño de un esquema de control feedback puede mejorarse notablemente mediante el empleo de un esquema de control denominado "en cascada". El control en cascada es una estructura alternativa al control en avance para rechazar perturbaciones parcialmente medibles. La idea básica es realimentar variables
intermedias entre el punto donde entra la perturbación y la salida. El esquema de control feedback solo emplea un controlador, mientras que en el esquema de control en cascada se emplean dos controladores. El controlador externo se llama controlador “maestro" (o primario), el controlador interno se llama controlador “esclavo" (o secundario). Un requisito importante para que la aplicación del esquema de control en cascada presente ventajas sobre un controlador feedback puro, es que la respuesta dinámica de la planta interna sea más rápida que la correspondiente respuesta dinámica de la planta externa. Si este requisito se cumple entonces es muy probable mejorar el desempeño del esquema de control a lazo cerrado usando control en cascada. Por esta razón se acostumbra emplear un controlador puramente proporcional para el control de la planta interna; este controlador se sintoniza de manera tal que la respuesta obtenida de la planta sea lo más rápida posible, sujeta a las restricciones de estabilidad sobre los valores de la ganancia del controlador. Para el control de la planta externa podrá emplearse un controlador PI o PID [30].
Figura 1.5 Estructura de control en ca sca da
1.7.2 Control de la relación de mezcla de combustible y aire de combustión
El control de relación, es un tipo particular de control feedforward donde el objetivo es mantener una relación constante entre dos señales de excitación, pudiendo ser hasta los disturbios. Dependiendo del proceso a realizar, los hornos industriales pueden trabajar en Relación Estequiométrica (también conocida como “Relación correcta”), con la cual se aseguran quemar el combustible por completo sin un exceso de aire [31].
Para ello típicamente se redondea a 10 partes de aire por cada una de gas natural o 25 partes de aire por cada parte de gas LP, en aquellos casos donde así lo requiere el proceso. Pueden trabajar con una Flama oxidante y exceso de aire con el uso de Hornos Secadores o una Flama Reductora (con exceso de Combustible), la cual puede ser usada en algunos tratamientos térmicos y fundición de ciertos metales [32].
En este proceso debe evitarse el oxígeno sobrante en la atmósfera y utilizar el exceso de combustible para asegurar la presencia de cero oxígeno. El gas en exceso normalmente es quemado al salir del horno mediante la chimenea y mezclarse con el oxígeno del ambiente [33].
La relación Aire-Combustible debe monitorearse frecuentemente para evitar que los quemadores operen de forma no adecuada y afecten la combustión. Otra manera de monitorear esta relación es midiendo los gases de combustión [32].
Los principales beneficios de controlar la relación aire / combustible son:
• Ayuda a la productividad
• Mejora la calidad del producto
• Reducción del costo del combustible
• Menor gasto de combustible
• Reducción de peligros
• Disminuye al mínimo los contaminantes
La revisión periódica de la calibración en quemadores es una de las formas más simples de reducir el consumo de energía en hornos y asegurar un proceso optimizado. Otros factores que es recomendable medir son:
• La temperatura de los gases de combustión en chimenea del horno.
• Porcentaje de oxígeno en los gases de combustión.
• Nivel de oxígeno requerido en el proceso.
El exceso de aire en los gases de combustión puede medirse fácilmente al monitorear el contenido presente en la chimenea con un analizador de oxígeno convencional y para una medición más completa puede incluirse CO.
1.7.3 Control predictivo basado en modelo (MPC)
El Control predictivo basado en modelos o Model Predictive Control (MPC) es una estrategia de optimización que hace uso de un modelo del proceso para predecir el efecto de la acción de control sobre una planta, en este caso el horno de calentamiento. En el caso de los hornos de la Refinería de Cienfuegos podría emplearse para resolver el problema del balanceo de pasos (serpentines) considerando las restricciones del proceso. El propósito del compensador MPC aplicado al horno basado en el esquema de balance de pasos es mantener estable la operación, maximizar la transferencia de calor y minimizar la diferencia entre las temperaturas de los pasos [34]. Los beneficios que se pretenden con el compensador están orientados en mejorar la confiabilidad del sistema de control con la disminución en las paradas no programadas de la planta debido a tubos coquizados, aumentar el caudal total de alimentación al horno y mantener la estabilidad de la operación por largos períodos de tiempo [35, 36].
1.8 Conclusiones del capítulo
Luego de efectuado un estudio y análisis de los esquemas de control de temperatura en hornos industriales, cuyos resultados fundamentales se pueden apreciar en este capítulo, podemos de manera general concluir que uno de los pilares más importantes en la economía de cualquier país lo constituye la industria petrolífera. Uno de los equipos más usados en esta industria son los hornos donde se calienta el crudo. El desempeño y correcto funcionamiento de estos equipos está determinado por una serie de variables entre ellas: presión, temperatura, flujo, composición, etcétera.
En este sentido existen varios esquemas y estrategias para lograr el control de dichas variables. Las variantes aquí abordadas son solo algunas de las alternativas más usadas en la industria, pero no quiere decir que sean las únicas. La elección de una u otra depende de las condiciones del proceso, la configuración del equipo y las condiciones de operación de la planta. En el caso que nos ocupa, estamos en presencia de un horno tipo caja de tubos
horizontales, por consiguiente, el conocimiento de su funcionamiento y los lazos de control constituyen puntos de partida importantes para seleccionar adecuadamente el sistema de control de temperatura a emplear. Estos elementos serán tratados en el siguiente capítulo.
CAPÍTULO 2. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL HORNO Y LA LÓGICA DE QUEMADORES
En este capítulo se analiza el sistema de control existente considerando la estructura a que obedece según la ingeniería de Instrumentación y Control de Procesos. Se analizará el proceso como objeto de control, su modelado matemático y su identificación experimental.
2.1 Descripción de los hornos de calentamiento de crudo de la Refinería “Camilo Cienfuegos”
Los hornos de la Refinería son de tipo caja de tubos horizontales con calentamiento simple.
Su estructura está construida con perfiles y chapas de acero, revestida interiormente por una obra refractaria de paneles de fibra cerámica. El hogar tiene 7,6200 m de alto y 4,4831 m de ancho. Las caderas ocupan un total de 1,778 m de altura y la chimenea se extiende a lo largo de 11,2705 m. La carga es alimentada por dos ramas antes de entrar en la sección de convección. En esta zona, comprendida entre las “caderas” del horno y la chimenea, el crudo fluye por 136 tubos de 5 pulgadas de diámetro (8 tubos por fila). Luego de la zona convectiva se encuentra la sección de radiación que cuenta con 44 tubos de 6 pulgadas de diámetro. Los tubos son de acero al carbono, con un 5% de Cr y soportan una temperatura máxima en el frente de la llama de 733°C. Estos son anclados a las paredes metálicas mediante soportes fabricados de metales especiales que resisten altas temperaturas. La distancia entre los tubos y la obra refractaria es de 9¾ pulgadas. Cada horno cuenta con dos filas paralelas de varios quemadores donde se genera la llama. Su diseño es mixto, lo que les permite quemar como combustible fuel oil, gas de 40 (alta presión) y gas de 5 (baja presión). En la Figura 2.1 se muestra el diagrama tecnológico del horno F-101 de la Refinería.
Figura 2.1 Dia gra ma Tecnológico Horno F101
2.2 Parámetros de Operación
Entre los parámetros de operación más importantes del horno se encuentra la temperatura de entrada y de salida del fluido a calentar. Al entrar al horno, el crudo debe ingresar con una temperatura de 233°C, saliendo de la zona convectiva con 290°C. Luego de pasar a la sección de radiación, la temperatura del fluido debe elevarse hasta alrededor de los 350°C, para ser finalmente introducido dentro de la columna fraccionadora. El flujo de crudo que el horno procesa está estimado en 36400 bbl/días (barriles por día). La cantidad de calor que puede ser liberado con fuel oil es de 18000 Btu/lb (unos 1899100,8 Jules/libra) mientras que el gas produce 3937,007 Btu/m3. Cuando se utiliza fuel oil para producir la llama entran al quemador 5970 lb/h (libras por hora) con alrededor de 1790 lb/h de vapor de atomización. Si se emplea gas, el flujo que entra al quemador es de 2534,64 m3/h. La presión de entrada al horno es de 159 psig y la de salida de 15,4 psig.
En el horno F-101 se realiza el control de carga donde crudo es bombeado desde los tanques de almacenamiento. Luego pasa por el tren de precalentamiento, constituido de
intercambiadores de tubos y coraza, donde intercambia calor con otras corrientes calientes del proceso. Antes que el crudo entre en el horno, la carga es dividida en dos líneas, en cada una se implementa un lazo de control de flujo. La variable de mayor importancia que se controla en el horno es la temperatura de salida. Esta se mide a la salida después de la unión de las dos ramas de carga y se manipulan los flujos de fuel oil o gas de alta, para variar la cantidad de energía en forma de calor suministrada al crudo. Este es un control en cascada donde el controlador externo es el de temperatura y los internos son los de flujo de combustible.
Como el fuel oil en ocasiones es muy viscoso, a pesar de ser calentado con anterioridad, es necesario usar un flujo de vapor para lograr una correcta atomización en las boquillas de los quemadores. Para suministrar la cantidad exacta de vapor a 20 psig, se utiliza un control de relación empleando transmisores de presión en ambas líneas. Si la presión del fuel oil varía, entonces el controlador de presión envía la señal de control a la válvula instalada en la línea de vapor a fin de mantener la diferencia antes mencionada entre las presiones de ambos, logrando la mezcla adecuada en los quemadores.
2.3 Arquitectura del Sistema de Control Distribuido (DCS)
El sistema de control distribuido (DCS) es una de las plataformas de control más modernas.
Se erige como la infraestructura no solo para todas las estrategias de control avanzadas, sino también para el sistema de control más bajo. Un sistema de control distribuido (DCS) se refiere a un sistema de control generalmente de un sistema de fabricación, proceso o cualquier tipo de sistema dinámico, en el que los elementos del controlador no tienen una ubicación central (como el cerebro) sino que están distribuidos por todo el sistema con cada componente secundario; sistema controlado por uno o más controladores. Todo el sistema de controladores está conectado por redes para comunicación y monitoreo. DCS es un término muy amplio utilizado en una variedad de industrias para monitorear y controlar equipos distribuidos [37].
CENTUM VP es el último sistema de control de producción integrado de Yokogawa, también conocido como sistema de control distribuido (DCS). El sistema de control de producción integrado CENTUM VP se aplica para controlar y administrar las operaciones de
la planta en diversas industrias como petróleo y gas, petroquímicos, químicos, energía, pulpa y papel, productos farmacéuticos, alimentos, hierro y acero, desechos y tratamiento de agua y aguas residuales [37].
A continuación, se muestra una descripción de la arquitectura del sistema de control distribuido existente en la Refinería “Camilo Cienfuegos” SA. (Ver Anexos 1, 2 y 3).
2.3.1 DCS Sección 100. Refinería “Camilo Cienfuegos” SA
Con respecto a la arquitectura de control del DCS de los equipos pertenecientes a la Sección 100, estos están instalados en la Sala de Control Central (S-800) y conectados a la red principal de comunicación en el primer nivel a través de la red de control Vnet/P Ethernet 1000 BaseT. La misma está compuesta en su primer nivel por tres (03) controladores redundantes tipo FCS AFV10D con capacidad de comunicación redundante con nodos remotos de entrada / salida, protocolo HART, Modbus y RS-485 Profibus DP.
Para el manejo de las señales provenientes de los Centros de Control de Motores (CCM), el sistema cuenta con tres (03) nodos de comunicación tipo RS-485 Profibus DP hacia los Centros de Control de Motores de las secciones 100, 400 y 800 respectivamente. La conexión de cada nodo de comunicación Profibus DP se realiza tipo cadena (daisy chain) a todos los módulos de comunicación de los CCM existentes en cada sección.
Con respecto a las señales de medición de temperaturas que no estén involucradas en alguna estrategia de control (sólo indicación), estas están recopiladas en cajas de conexión, distribuidas en distintas zonas de la sección 100, las cuales contienen un dispositivo con regletas tipo Multiplexores cuyas salidas en protocolo Modbus son llevadas a la Sala de Control Central (S-800). La comunicación entre estos multiplexores y los controladores son del tipo Modbus a través de convertidores del tipo Highnet/Modbus.
Las señales de entradas / salidas discretas están conectadas por medio de cableado punto a punto a través de cable multiconductores, desde las cajas de paso discretas donde llegan las señales independientes distribuidas en campo, hasta el DCS de la Sala de Control Central (S- 800), por medio de los aisladores para señales intrínsicamente seguras.
Con respecto al Sistema de Parada de Emergencia (SPE) de la sección 100, las señales involucradas provenientes de campo están conectadas a un (01) I/O remoto a ser instalado en
la S/E 100. La comunicación entre este I/O remoto y SPE de las unidades de proceso redundante, instalado en la sala de control central (S-800), es del tipo E/S bus Ethernet a través de una red redundante de fibra óptica.
2.3.2 DCS Sección 600. Refinería “Camilo Cienfuegos” SA
Con respecto a la arquitectura de control del DCS de los hornos y equipos pertenecientes a la Sección 600, estos están instalados en la Sala de Satélite de la sección 600 (S-600) y conectados a la red principal de comunicación en el primer nivel a través de la red de control Vnet/P Ethernet 1000 BaseT. La misma está compuesta en su primer nivel por dos (02) controladores redundantes tipo FCS AFV10D con capacidad de comunicación redundante con nodos remotos de entrada / salida, protocolo HART, Mod Bus y RS-485 Profibus DP.
Uno de los controladores redundantes está dedicado a la sección 600/1 y el otro a la sección 600/2. Las señales de los hornos F-101/T-01, F-101/T-102 y F-101/T-104 están conectadas al controlador redundante de la sección 600/1.
Para el manejo de las señales provenientes del CCM de la sección 600, el sistema cuenta con un (01) nodo de comunicación tipo RS-485 Profibus DP. La conexión de este nodo de comunicación Profibus DP se realiza tipo cadena a todos los módulos de comunicación de los CCM existentes en esta sección.
Con respecto a las señales de medición de temperaturas que no están involucradas en alguna estrategia de control (sólo indicación), estas también están recopiladas en la caja de conexión analógica hasta la regleta tipo Multiplexor cuya salida en protocolo Modbus será llevada a la Sala de Control Central (S-800). La comunicación entre estos multiplexores y los controladores serán del tipo Modbus a través de convertidores del tipo Highnet/Modbus.
Las señales del horno distintas a temperatura (presión, analizadores, etc.) tanto para supervisión como para control y que no sean conectadas al Sistema de Control y Protección de hornos (Burner Management Systems, BMS), están conectadas punto a punto desde cada instrumento hasta la caja analógica ubicada en la cercanía de los hornos y enviadas al DCS con cable multiconductores desde las cajas de conexión analógicas donde llegan las señales independientes hasta el DCS de la Sala de Control Central (S-800), esto por medio de los aisladores para señales intrínsicamente seguras.
Las señales de los instrumentos instalados en el patín de suministro de combustible tanto analógica como discretas, están conectadas punto a punto desde cada instrumento hasta las cajas de conexión del BMS de los hornos F-101/T-01, F-101/T-102 y F-101/T-104.
Los Instrumentos involucrados en estrategias de control (transmisores y elementos finales de control) y de indicación pertenecientes al paquete de suministro de gas combustible / fuel oil, estos están conectados al BMS por medio de cableado punto a punto.
2.4 Sistema de Control y Protección de Hornos
En cuanto al Sistema de control y protección de hornos, este será supervisado por los operadores de consola de la estación de operaciones del sector 1. Las señales de campo de comando y status para arranque, parada y monitoreo de hornos están incorporadas a la arquitectura del DCS de Satélite 600 (S-600) a través de controladores de BMS instalados en los paquetes del patín de suministro de gas combustible/ fuel oil de los hornos F-101/T- 01, F-101/T-102 y F-101/T-104, a través de comunicación vía protocolo RS-485 o cualquier otro protocolo de comunicación ofrecido por el proveedor del mismo, el cual forma parte del paquete de suministro de gas/fuel oil de los quemadores.
Desde el fondo de la torre T-401/1, por la línea 405/1, salen 19,39 m3/h, con una temperatura de 167 ºC y una presión de 19,5Kgf/cm2, hacia la bomba P-402/R, cuya descarga (Línea 405/2) va hacia el horno F-401/1. En esta línea se controla el flujo con FIC-003, que actúa sobre la válvula de control FV-003, la cual cuenta con una alarma de bajo flujo. El Pie 70 °C se reinyecta en forma de chorro caliente a la torre T-401/1, por debajo del plato 1, a través de la línea 405/3.
La temperatura de entrada al horno F-401/1 se mide con el indicador de temperatura TI-407.
En la salida del horno se controla la temperatura adecuada que debe tener el producto. Esto se realiza a través del TIC-405 que trabaja en cascada con los controles FIC-417 (Fuel Oil) y/o FIC-418 (Gas) que actúan sobre las válvulas de control FV-417/418 (Entrada de fuel oil/Gas al horno). En caso que se opere el horno F-401/1 con gas combustible, el BMS dispone de un reset al control de flujo para colocarlo en condición de flujo mínimo.
Adicionalmente la válvula de control FV-418 de gas combustible cuenta con indicación de posición cerrada. En caso de cierre de esta válvula, se cuenta con un desvío en donde se
