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

Apr 04, 2024

Guardar para leer la lista Publicado por Jessica Casey, editora adjunta de LNG Industry, 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 graves problemas 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 de diseño críticas al seleccionar válvulas para este servicio.

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

El proceso representado en la Figura 1 muestra un sistema de gas de ebullición (BOG) de GNL de circuito cerrado donde se utilizan compresores de BOG para relicuar los vapores de gas transportados desde un barco a los tanques de almacenamiento de GNL. Los tanques deben mantenerse continuamente bajo una presión muy baja, 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 líquidos, evitando quemas y desperdicios innecesarios. En última instancia, el GNL se vaporiza y luego se bombea a una tubería para su transporte terrestre o se alimenta directamente a los usuarios locales.

Figura 1. La descarga, almacenamiento y regasificación de GNL involucra una variedad de aplicaciones de válvulas muy difíciles y desafiantes, cada una de las cuales es crítica para una operación eficiente.

Las válvulas de apertura y cierre desempeñan 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 automatizadas desvían el líquido y los vapores del GNL y, a menudo, son necesarias para aplicaciones de cierre de seguridad.

Cualquier válvula elegida para esta aplicación debe diseñarse primero para soportar las condiciones del proceso, que suelen ser criogénicas. Las válvulas criogénicas generalmente tienen casquetes extendidos para separar la válvula del actuador y, a menudo, emplean estilos de cuarto de vuelta y diseños de empaque ambientales especiales para reducir las emisiones. Las válvulas no deben atrapar líquidos, por lo que comúnmente se usan válvulas de bola C o de triple compensación de alto rendimiento porque no proporcionan fugas, incluso cuando están presurizadas desde cualquier lado. Esto generalmente se logra utilizando asientos de torsión de metal con metal, junto con materiales de construcción especiales 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 necesario para la reparación de las válvulas.

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 corrientes de vapor para proporcionar enfriamiento en la succión de los compresores, así como en la línea de vapor utilizada para descargar el buque metanero. La aplicación de inyección de GNL es difícil y generalmente emplea una válvula atemperadora criogénica especialmente diseñada.

Esta válvula emplea un capó 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 diseñarse para permitir un fácil mantenimiento y sustitución de las boquillas a medida que se desgastan.

Los compresores centrífugos son propensos a sufrir una condición catastrófica llamada sobretensión, que ocurre cuando la entrada de succión o la salida de descarga de un compresor están bloqueadas o restringidas. Cuando esto sucede, el compresor puede verse repentinamente sujeto 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 continúe, la sobretensión destruirá las partes internas del compresor.

Se evita el aumento repentino instalando una válvula de control anti-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 antisobretensión debe tener un tamaño lo suficientemente grande como para permitir el paso de una parte importante del flujo del compresor. También debe actuar muy rápido, pasando del 0% al 100% de apertura, o cualquier posición intermedia, en menos de 2 segundos, manteniendo un control preciso. Esto se logra utilizando posicionadores de alta capacidad y 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 antisobretensión 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 compensación para permitir pruebas de carrera parcial sin pasar un flujo de vapor significativo, lo que aumenta el tiempo de actividad en comparación con la realización de pruebas de carrera completa, que deben 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 los compresores del BOG fallan, 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). Es imprescindible una capacidad muy grande para estas válvulas, o cada tanque requerirá una gran cantidad de válvulas para una protección adecuada. Se necesitan diseños de alta calidad operados por piloto para proporcionar alta capacidad y estanqueidad adecuada, y se pueden especificar con rendimiento de pop o 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 abocardados. Algunos diseños ofrecen la opción de monitoreo inalámbrico para detectar válvulas de alivio abiertas o con fugas, brindando al personal de la planta los datos necesarios para reducir drásticamente la pérdida de producto y las emisiones ambientales.

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 dentro de un pequeño porcentaje del punto de ajuste y luego dejar pasar volúmenes muy altos de GNL líquido y vapor cuando llamado a funcionar.

Además de las ventilaciones de alivio de presión en los tanques de almacenamiento, se utilizan dispositivos de protección de presión en toda una instalación de GNL para proteger los equipos de 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 bifásico 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 necesaria 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 pueden contar con monitoreo inalámbrico para detectar válvulas con fugas o ventilación. Esto puede ser crítico cuando la válvula ventea en un cabezal abocinado, ya que las fugas y las operaciones de ventilación no se detectan fácilmente en este tipo de aplicaciones.

Es importante comprender las características clave del diseño cuando se 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 agotadoras, y el precio de la falla puede ser muy costoso y perjudicial para el equipo.

Al considerar 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 prolongar 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/

Qingdao McDermott Wuchuan Offshore Engineering Co., Ltd ha comenzado oficialmente la construcción del proyecto Woodfibre LNG.

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