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Jul 28, 2023

La clave para la selección de válvulas para aplicaciones de GNL desafiantes

Guardar para leer la lista Publicado por Jessica Casey, editora adjunta de la industria de GNL, martes 22 de noviembre de 2022 14:00

La selección adecuada de la válvula de control y la válvula de alivio es fundamental para las operaciones rentables de la terminal de GNL. Jean-Paul Boyer, Massimiliano Franco, Nagendra Maddula y Eugenio Sudati, Emerson, explican los parámetros de diseño clave para elegir los mejores componentes.

Las instalaciones de GNL presentan problemas de castigo para las válvulas. La combinación de temperaturas criogénicas, flujo de dos fases, presiones muy altas y cambios cíclicos de presión y temperatura llevan estos componentes al límite. Sin embargo, a pesar de estas condiciones, las válvulas deben funcionar de manera confiable o toda la operación se verá afectada.

Este artículo examina algunas de las aplicaciones de válvulas más comunes en las instalaciones de almacenamiento y regasificación de GNL, y analiza las características críticas de diseño al seleccionar válvulas para este servicio.

El GNL es una alternativa más limpia en comparación con la mayoría de los otros combustibles fósiles y se ha convertido en un pilar del mercado de energía baja en carbono. El gas natural se purifica, se subenfría y se licua a aproximadamente -160 °C, luego se envía por todo el mundo a ubicaciones cercanas a su punto de uso. Allí, el GNL se bombea a tanques de almacenamiento y luego se vaporiza en gas según sea necesario para transferirlo a otros sitios a través de tuberías o suministrarlo a los usuarios locales (Figura 1).

El proceso representado en la Figura 1 muestra un sistema de gas de evaporación (BOG) de GNL de bucle cerrado en el que se utilizan compresores BOG para volver a licuar los vapores de gas trasladados desde un barco a los tanques de almacenamiento de GNL. Los tanques deben mantenerse continuamente a muy baja presión, por lo que los compresores BOG extraen continuamente los vapores de la parte superior del tanque. Los recondensadores de GNL eliminan el calor y convierten los vapores nuevamente en líquido, evitando la quema y el desperdicio innecesarios. En última instancia, el GNL se vaporiza y luego se bombea a una tubería para el transporte terrestre o se alimenta directamente a los usuarios locales.

Figura 1. La descarga, el almacenamiento y la regasificación de GNL involucran una variedad de aplicaciones de válvulas muy difíciles y desafiantes, cada una crítica para una operación eficiente.

Las válvulas de encendido/apagado juegan un papel fundamental en toda la instalación de GNL. Las válvulas manuales se utilizan para aislar varios equipos y deben proporcionar cero fugas, a pesar de operar bajo presiones muy altas y condiciones criogénicas. Las válvulas automáticas desvían el líquido y los vapores de GNL y, a menudo, se requieren para aplicaciones de cierre de seguridad.

Cualquier válvula elegida para esta aplicación primero debe diseñarse para manejar las condiciones del proceso, que normalmente son criogénicas. Las válvulas criogénicas por lo general tienen bonetes extendidos para separar la válvula del actuador y, a menudo, emplean estilos de cuarto de vuelta y diseños de empaques ambientales especiales para reducir las emisiones. Las válvulas no deben atrapar líquidos, por lo que las válvulas de bola C o de triple compensación de alto rendimiento se usan comúnmente porque proporcionan cero fugas, incluso cuando están presurizadas desde cualquier lado. Esto generalmente se logra utilizando un asiento de torsión de metal con metal, junto con materiales especiales de construcción adecuados para el amplio rango de temperaturas que puede encontrar la válvula. Los estilos de cuerpo de entrada superior permiten el mantenimiento de las válvulas automatizadas mientras aún están instaladas, lo que reduce drásticamente el tiempo requerido para la reparación de la válvula.

Las válvulas de cierre de emergencia de seguridad se pueden especificar con un tiempo de carrera muy rápido necesario para lograr el rendimiento requerido. Estas soluciones con clasificación de nivel de integridad de seguridad (SIL) emplean componentes integrados dedicados y diseños de posicionadores de alto rendimiento capaces de controlar la velocidad al final de la carrera, lo que generalmente se conoce como reasentamiento.

El GNL a menudo se inyecta en las corrientes de vapor para proporcionar enfriamiento en la succión de los compresores, así como en la línea de vapor utilizada para descargar el transportador de GNL. La aplicación de inyección de GNL es difícil y, por lo general, emplea una válvula de sobrecalentador criogénico especialmente diseñada.

Esta válvula emplea un bonete extendido para proteger el actuador, junto con boquillas rociadoras cuidadosamente diseñadas para proporcionar una atomización completa en una amplia gama de flujos de líquido y vapor. La válvula también debe proporcionar un cierre muy hermético cuando no esté en funcionamiento para evitar fugas de líquido en la línea de vapor y crear condiciones de flujo de dos fases. El cuerpo de la válvula debe estar diseñado para permitir un fácil mantenimiento y reemplazo de las boquillas a medida que se desgastan.

Los compresores centrífugos son propensos a una condición catastrófica llamada sobretensión, que ocurre cuando la entrada de succión o el flujo de salida de descarga de un compresor están bloqueados o restringidos. Cuando esto sucede, el compresor puede verse sujeto repentinamente a una condición destructiva en la que el vapor golpea hacia adelante y hacia atrás a través del compresor varias veces por segundo. Unos pocos ciclos de sobretensión dañarán los cojinetes de empuje y, si se permite que continúen, la sobretensión destruirá las partes internas del compresor.

El sobrevoltaje se evita instalando una válvula de control contra sobrevoltaje que desvía la descarga del compresor de regreso a la succión para mantener el flujo en movimiento a través de la máquina.

La válvula anti-oleaje debe tener un tamaño lo suficientemente grande para permitir el paso de una parte significativa del flujo del compresor. También debe ser de acción muy rápida, moviéndose de 0% a 100% abierto, o cualquier posición intermedia, en menos de 2 segundos, mientras mantiene un control preciso. Esto se logra utilizando posicionadores de alta capacidad y alta precisión, actuadores lineales dedicados, impulsores neumáticos y tanques de volumen de aire. Todo el conjunto debe diseñarse cuidadosamente y luego someterse a pruebas exhaustivas antes de la instalación para garantizar un funcionamiento adecuado y confiable.

Las válvulas anti-oleaje deben proporcionar un cierre muy hermético en funcionamiento normal, y luego pasar instantáneamente un flujo estrictamente controlado, a pesar de una caída de presión muy alta. Algunas válvulas están diseñadas específicamente con una banda muerta de ajuste para permitir la prueba de carrera parcial sin pasar un flujo de vapor significativo, lo que aumenta el tiempo de actividad en comparación con la prueba de carrera completa, que debe realizarse cuando la unidad está fuera de línea.

Los tanques de almacenamiento de GNL contienen grandes cantidades de GNL a temperaturas criogénicas. Si se pierde ese control de temperatura, o si fallan los compresores BOG, el GNL comenzará a vaporizarse y someterá el tanque a una sobrepresión significativa en muy poco tiempo. Por lo tanto, estos tanques deben estar protegidos por una o más válvulas de alivio de presión del tanque de almacenamiento (Figura 2). Una capacidad muy grande es imprescindible para estas válvulas, o cada tanque requerirá una gran cantidad de válvulas para una protección adecuada. Los diseños operados por piloto de alta calidad son necesarios para proporcionar una alta capacidad y una hermeticidad adecuada, y se pueden especificar con un rendimiento pop o de modulación para cumplir con los requisitos de la aplicación. El diseño operado por piloto también permite que la válvula de alivio maneje la contrapresión de los cabezales de antorcha. Algunos diseños ofrecen la opción de monitoreo inalámbrico para detectar válvulas de alivio abiertas o con fugas, proporcionando al personal de la planta los datos necesarios para reducir drásticamente la pérdida de productos y las emisiones al medio ambiente.

Figura 2. Los sistemas de ventilación de alivio del tanque, incluidos componentes como la válvula de alivio de seguridad operada por piloto Anderson Greenwood 9300H de Emerson, deben mantener un sello hermético a las burbujas dentro de un pequeño porcentaje del punto de referencia, luego dejar pasar volúmenes muy altos de LNG líquido y vapor cuando llamado a operar.

Además de las ventilaciones de alivio de presión en los tanques de almacenamiento, los dispositivos de protección de presión se utilizan en una instalación de GNL para proteger el equipo contra la sobrepresión. Cada vez que el GNL queda atrapado entre dos válvulas, puede comenzar a vaporizarse rápidamente y generar presiones extremadamente altas. Pequeñas válvulas de alivio térmico protegen las tuberías y los sellos de las válvulas ventilando este vapor. En otras aplicaciones, las válvulas de alivio operadas por piloto brindan protección contra sobrepresión para todo tipo de tanques, intercambiadores y diversos equipos de proceso.

Las válvulas de alivio en el servicio de GNL deben diseñarse cuidadosamente para manejar el flujo de dos fases y las temperaturas criogénicas comunes en estas aplicaciones. Las válvulas también deben sellar muy herméticamente, incluso cuando se someten a presiones cercanas al punto de ajuste, y luego abrirse de manera consistente y confiable cuando se alcanza el punto de ajuste de alivio.

Los diseños de piloto modulante proporcionan la ventilación mínima requerida para aliviar la condición de sobrepresión y tienen la capacidad de aliviar flujos muy altos cuando sea necesario. También son insensibles a la contrapresión de descarga. Al igual que las válvulas de alivio del tanque, estas válvulas de alivio de presión se pueden proporcionar con monitoreo inalámbrico para detectar fugas o válvulas de ventilación. Esto puede ser crítico cuando la válvula se ventila en un cabezal abocinado, ya que las operaciones de fuga y ventilación no se detectan fácilmente en este tipo de aplicaciones.

Es importante comprender las características clave del diseño cuando se le asigna la tarea de seleccionar válvulas para el servicio de GNL. También es fundamental elegir diseños de válvulas que tengan un historial comprobado de rendimiento consistente y confiable para una aplicación determinada. El proceso de GNL somete a las válvulas a condiciones muy difíciles y exigentes, y el precio de la falla puede ser muy costoso y perjudicial para el equipo.

Al considerar las opciones, es aconsejable consultar a los socios de automatización de válvulas de control y válvulas de alivio para evaluar los diseños disponibles y seleccionar la mejor opción para una aplicación en particular. Una selección cuidadosa puede extender significativamente la vida útil, reducir el tiempo de inactividad, reducir drásticamente las emisiones y mejorar la rentabilidad de la planta.

Lea el artículo en línea en: https://www.lngindustry.com/special-reports/22112022/the-key-to-valve-selection-for-challenging-lng-applications/

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