Lecciones Aprendidas -Temperatura y caudal en bombas-Esso.doc

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LECCIONES APRENDIDAS

TEMPERATURA Y CAUDAL EN CIRCUITOS DE BOMBEO

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REFINERÍA ESSO –CAMPANA PROYECTO CLEAN FUELS

1. OBJETIVO

El objeto del presente documento es mostrar los criterios de diseño para limitar el aumento de temperatura en la aspiración de bombas cuando la recirculación del caudal mínimo no se puede llevar hasta el tanque de succión. Con ejemplos del proyecto de referencia, se analiza también la posibilidad de restringir el caudal máximo a entregar en algunos escenarios operativos y se señala la importancia de verificar la necesidad de válvulas de alivio térmico con el diseño final de líneas y válvulas de bloqueo.

2. LÍNEA DE RECIRCULACIÓN DE LAS BOMBAS MA-P-943/944

De acuerdo a las buenas prácticas, las líneas de recirculación de las bombas tienen que retornar al tanque de origen. Se siguieron estas prácticas en los casos de las bombas de transferencia de gasoil de 50 wppm de azufre, de mezclado de gasoil, de naftas y de despacho de diluyente: MA-P-942, MA-P-946/947, MA-P-945, MA-P-926, respectivamente, pero en los siguientes casos no fue posible:

MA-P-940/941: estas bombas se encuentran al servicio de los tanques TK-11 y TK-13 para despachar gasoil de 50 wppm de azufre a Planta Comercial y a Muelles. En el caso del tanque 13 no fue permitido por el cliente por la extensión que tendría esta línea, considerando que la puesta del TK-13 en servicio de despacho de gasoil de 50 wppm de azufre fue un proyecto de bajo costo. En consecuencia, la recirculación fue dirigida a la línea de succión.

MA-P-943/944: estas bombas del TK-38 pueden ser utilizadas para transferencia hacia los tanques TK-11 y TK-13 y para una operación futura de mezclado y preparación de gasoil de 500 wppm de azufre a través de los jet mixers en los TK-7/8/12. Debido a que no fueron permitidos trabajos en los nozzles del TK-38 por parte del cliente, no fue posible retornar la recirculación de las bombas al tanque, y la recirculación fue dirigida a la línea de succión de las bombas.

El cliente definió un aumento máximo de 3 °C en la temperatura de entrada a la bomba durante el tiempo de recirculación.

Para definir el máximo tiempo de recirculación se ha considerado: Despacho a camiones (PCC): la lógica de control mantendrá la bomba en servicio durante

15 minutos cuando no haya registro de demanda en las estaciones de carga. Después de ese tiempo, las bombas se pararán automáticamente.

Despacho a barcos / barcazas (Muelle) u operaciones de transferencia: las bombas son operadas manualmente. Después de terminar la operación y cerrar las válvulas de bloqueo,

A Para información 26.MAR.10 CDK LASREV. DESCRIPCION /Description FECHA / Date POR/ By APROBADO / Approved

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se supone que la bomba recirculará durante un máximo de 15 minutos antes de que el operador la apague.

Durante la ejecución de la obra se observó que, con las premisas anteriores, la longitud de la recirculación de las bombas MA-P-943 / MA-P-944 (línea de 4” de aproximadamente 12 m) era insuficiente para impedir el aumento de temperatura en la bomba durante el tiempo de recirculación.


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2.1.1 SOLUCIÓN PROPUESTA : ALTERNATIVA I – Recirculación a succión de bombas-

Se propone extender 50 m más la línea de recirculación de las bombas P-943 / P-944. En el documento 3045-P-PL-MA1025 Rev. 6A, puede observarse ese tendido desde el recinto, la línea de descarga de las bombas hasta el punto de unión (tie-in MA-521C). Con esta geometría, el aumento de temperatura es aceptable.

Estimación del incremento de temperatura por recirculación

Cuando se cierran los puntos de entrega, la válvula de recirculación abre automáticamente para dejar pasar el caudal de ajuste por el circuito cerrado formado por la línea de recirculación, la bomba y los tramos de succión y descarga comprendidos entre los extremos de la línea de recirculación. La temperatura de los puntos de este circuito irá aumentando hasta que se detenga la bomba.

Un balance de energía total aplicado a este circuito cerrado (incluye líquido, bomba y cañerías) da:


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u energía interna por unidad de masa en cada puntoρ densidad en cada puntoV volumen del recintot tiempo a partir del comienzo de la operación en circuito cerradoPe potencia en el eje de la bombaqATM calor recibido desde la atmósferamS masa de cañería y bomba en contacto con el líquidocS calor específico medio del aceromL masa de líquido en el circuitocL calor específico medio del líquidoT temperatura en cada punto (varía a lo largo del circuito y es diferente para líquido y

sólido, pero la fórmula da una buena estimación del incremento medio de temperatura para todo el sistema).

Por integración resulta el incremento de temperatura en función del tiempo:

Para la condición de recirculación, la bomba en este caso opera en las siguientes condiciones:temperatura 40°Ccaudal 116,3 m3/haltura 57,77 mrendim. 45%densidad 845 kg/m3

Pe 34,37 kWcL 1978,3 J/kg K

Las cañerías del circuito cerrado tienen las siguientes características:

ID L esp. mS VLin m in kg m3

12 64 0.375 4720.5 4.67010.02 26 0.365 1566.4 1.3234.026 62 0.237 995.6 0.509

Total 152 7282.4 6.502

Si para una primera aproximación se desprecia el intercambio de calor con la atmósfera:


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El intercambio de calor con la atmósfera puede estimarse con HeatLoss.xls y para la temperatura ambiente máxima de 39°C da una pérdida de calor de 0,7 kW.

La radiación solar puede estimarse mediante el programa SolRad.xls: para Campana, situada a -34,1° de latitud, resulta una radiación máxima de 972 W/m2 sobre una superficie horizontal hacia el día 360, usando un coeficiente de transmisión atmosférica medio de 0,7.La proyección horizontal de las cañerías es de 34,91 m2. Suponiendo un coeficiente de absorción medio de 0,3 resulta una potencia por energía solar de:

El aumento de temperatura total en 15 minutos resulta:

Este aumento de temperatura cumple con el límite de 3°C fijado por el cliente, pero es necesaria una precaución adicional: las cañerías sin caudal expuestas al sol pueden levantar temperaturas del orden de 50°C si están pintadas de blanco y hasta 76°C aproximadamente si se aplica pintura de aluminio. Cuando se inicia el bombeo, es recomendable recircular al tanque a caudal reducido hasta que se recupera la temperatura normal de operación. Cuando la línea de recirculación no vuelve al tanque, al interrumpirse la operación normal y abrirse la válvula de control, la línea de succión puede recibir un pistón de líquido, por ejemplo a 50°C, que va a exceder el salto de temperatura admisible al llegar a la bomba. Por mezclado e intercambio de calor con las paredes, después de algunos ciclos, el calor acumulado en la línea de recirculación cerrada aporta un aumento promedio de temperatura de:

Este efecto adicional llevaría hasta 3,5°C el aumento de temperatura en condición desfavorable de verano. Para evitarlo, hay que ponerle un tope a la válvula de control para que no cierre totalmente y deje pasar un caudal que limite el ascenso de temperatura en la línea de recirculación por la radiación solar, por ejemplo, a 2°C (resultaría un pistón líquido de 42°C en vez de 50°C al iniciarse el circuito cerrado). La proyección horizontal de la línea de recirculación es de 7,09 m2. Pintada de blanco, con un coeficiente de absorción de 0,2 recibiría un aporte solar de:

El caudal mínimo requerido sería:


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Mientras la bomba tiene demanda, esta pequeña recirculación apenas disminuye su capacidad máxima, pero en el momento de cerrarse la demanda y abrirse la recirculación, el salto de temperatura por mezclado será reducido y el aumento total quedará en el orden de los 3°C especificados, aun en la peor condición.

Nota:Si se hace la simplificación de líquido adiabático, se puede considerar el aumento de temperatura que experimenta un elemento de líquido en cada ciclo por el circuito cerrado:

Duración del ciclo:

VL volumen de líquido en el recintoQ caudal de recirculaciónLi longitud de cada tramo de cañería de diámetro constantevi velocidad media en cada tramo

La energía total (Pe/w) que recibe un elemento de masa al pasar por la bomba se disipa totalmente por fricción al completar el ciclo, de modo que el aumento de temperatura por ciclo (suma del generado en la bomba, más el de la válvula de control, más el de las cañerías) resulta:

w flujo másico

El incremento de temperatura resulta proporcional al número de ciclos:

Obsérvese que esta fórmula coincide con la general cuando se deprecia el calor intercambiado con la atmósfera, la radiación solar y el calentamiento de la masa metálica.

El tiempo de ciclo resulta:

El aumento de temperatura por ciclo:

Aumento de temperatura en 15 min con líquido adiabático:


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El orden de magnitud obtenido por esta simplificación resulta razonable en este ejemplo, dado que el aporte neto de calor del exterior que se desprecia tiende a compensarse con el calor requerido por el metal para acompañar el calentamiento del líquido.

Dado que para las transferencias entre tanques el corte no es automático, el cliente finalmente permitió que la recirculación retornara a una línea de entrada al tanque (línea de producción de 20”), en lugar de que un operador esté pendiente de la parada de las bombas en caso de activación de la recirculación para proteger a las mismas por mínimo caudal (bloqueo de las largas líneas de transferencia en alguna de las tantas válvulas). Surge así la alternativa II.

2.1.2 SOLUCIÓN PROPUESTA: ALTERNATIVA II –Recirculación a tanque-

Consiste en extender la línea de recirculación siguiendo el tendido de los soportes nuevos, hasta unirse a la línea de 20” de entrada al tanque. La línea de recirculación incrementa su longitud a 170 m, disminuyendo el caudal máximo de recirculación controlado por la válvula MA-F948V.

La válvula operaba entre 50 y 80% abierta con el diseño original para cubrir dos funciones: asegurar un caudal mínimo de 115 Sm3/h, mantener el caudal a los “jet mixers” en los tanques TK-7/8/12 por debajo del caudal

máximo admisible de 360 m3/h para evitar descargas de electricidad estática (por medio de recircular la capacidad sobrante de la bomba).

Se verifica a continuación que la nueva condición lleva a apertura total de la válvula sin lograr el control requerido en algunos escenarios.

Cálculos para ambos rangos de la válvula de control

A continuación se muestran los resultados para protección por caudal mínimo de la bomba, (Rango 1 de F948V) y por caudal máximo hacia los jet mixers (Rango 2 de F948V).

Consideraciones en los cálculos hidráulicos:

Tendidos finales de las líneas.

Para proteger a la bomba por caudal mínimo estable se tuvieron en cuenta las propiedades a mínima temperatura operativa, más conservadoras para esta situación.

Para proteger a tanques por problemas de carga electrostática por caudal máximo al jet mixer, se tuvieron en cuenta las propiedades a máxima temperatura operativa, más conservadoras para esta situación.


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Datos:Capacidad máxima de la bomba= 432 m3/hCaudal mínimo estable= 88,3 m3/hSet point de mínima actual=115 Sm3/h (116,3 m3/h)Alarma mínima actual =100 Sm3/h (101 m3/h)Set point de máxima actual= 330 Sm3/h (334 m3/h)Alarma de máxima actual = 340 Sm3/h (344 m3/h)

Resultados:

Para proteger a la bomba por caudal mínimo estable (88.3 m 3 /h), Rango 1 de la válvula F948V:

Para un caudal de 88 m3/h (se obtiene un 73% aprox. de apertura) Para un caudal de 100 m3/h (se obtiene un 95% aprox. de apertura) Se obtiene un 100% de apertura para un caudal de aprox. 105 m3/h (o sea que a válvula

totalmente abierta no se alcanza el caudal de ajuste original, pero queda protegida la bomba)

Para proteger al tanque por problemas de carga electrostática por caudal máximo al jet mixer, Rango 2 de la válvula F948V:

Escenario de trasvase Circuito AcciónDesde TK-38 (nivel medio a máximo) a TK-7/ 8/ 12 (mínimo nivel).

Más de 360 m3/h por el jet mixer. La alarma de caudal máximo va a sonar.

Restringir manualmente el caudal al valor del set cerrando un poco la válvula de descarga de la bomba.La válvula de recirculación se va abrir al 100% para dejar pasar el resto del caudal.

Desde TK-38 (mínimo nivel) a TK-7/ 8/ 12 (máximo nivel).

Caudal menor a 340 m3/h por el jet mixer. La alarma de caudal máximo va a sonar. Válvula de recirculación regulando adecuadamente.

Desde TK-38 (mínimo nivel) a TK-12 (tanque más cercano, con nivel medio).

Alrededor de 350 m3/h por jet mixer. La alarma de caudal máximo va a sonar. La válvula de recirculación va a tender al 100% de apertura.

Desde TK-38 (mínimo nivel) a TK-7 (tanque más lejano, con nivel medio).

Alrededor de 340 m3/h por jet mixer. La alarma de caudal máximo va a sonar. La válvula de recirculación va a tender al 100%


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de apertura.Nota:Estos altos caudales para los trasvases son la resultante de la especificación básica de la bomba por parte de Esso (transvase de 3500 m3 desde el TK-38 al TK-11 en 12 horas, usando una sola bomba). Por otra parte, se solicitó que funcione para variados servicios (con características diferentes a las de diseño): minimizar el tiempo de transferencia desde el tanque 38 a los tanques 11 y 13, transferencia a los tanques 7, 8 y 12 con caudal máximo limitado para evitar problemas de

estática en los jet mixers.

Por otra parte, durante la ingeniería básica se determinó una altura desarrollada superior (48.5 m) a la recalculada como mínima altura con toda la información con la ingeniería de detalle (30.8 m) debido a varias hipótesis conservadoras en el desarrollo de los cálculos hidráulicos iniciales, que contribuyeron en los siguientes porcentajes calculados como:

Siendo el Hcalculado, la altura de bombeo correspondiente para la situación alterada de a una variable en cada una de las siguientes estimaciones iniciales.

Estimaciones iniciales% del incremento en H de bomba

Factor de seguridad en la fricción para líneas nuevas y existentes de 1.1. (Se recalculó con factor de 1.0 para ser conservadores en cuanto a los riesgos de estática).

13.75

Schedule Standard para todo el recorrido. (De acuerdo a la clase A1.2 correspondía Sch. 20).

12.04

Placa orificio MA-F948E con un beta de 0.5. (El valor real fue de 0.555).

10.43

Margen de 0.5 kgf/cm2 en la caída de presión para cubrir posibles modificaciones durante la ingeniería de detalle.

33.25

Nivel mínimo de líquido en el TK-38 menor al valor final topográfico y nivel máximo de líquido en el TK-11 mayor al valor final topográfico.

14.04

Recorrido de las líneas y accesorios estimados. 16.50

Se puede observar que el margen adoptado inicialmente para el diseño de 0.5 kgf/cm2 en la caída de presión resultó exagerado.

Al comienzo de la ingeniería de detalle se propuso agregar un control de caudal en la descarga de las bombas, pero el cliente lo rechazó (considerando que así evitaría un incremento en los costos). Como alternativa Esso permitió un doble rango de control para las válvulas que


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originalmente se habían colocado para proteger las bombas por caudal mínimo estable (pero sin agregar un segundo caudalímetro que permitiera censar el caudal real a TK-7, 8 ó 12). Se describirá a continuación cómo esta solución terminaría siendo descartada.

Propuesta para correcto funcionamiento de la válvula de control – Aumento del diámetro de la línea de recirculación

Si se aumenta el diámetro de la recirculación de 4” a 6” los cálculos hidráulicos indican que en el ramal que va al tanque más cercano (TK-12) se establece un caudal poco mayor de 360 m3/h, mientras que la válvula de control estaría alrededor del 70% de apertura. Esta opción se descartó porque no se logra disminuir el caudal a los tanques, ya que la bomba tiende a trabajar a fondo de curva (en su máximo caudal 432 m3/h).

Propuesta para correcto funcionamiento de la válvula de control – Restricción al flujo en la línea de descarga

Se plantea ubicar un orificio de restricción en la línea que va a los tanques 7, 8 y 12, como una alternativa económica para restringir el caudal a los jet mixers. Por consiguiente, se calcula un orificio de restricción (93.98mm) para limitar un caudal de 350 m3/h como máximo a los tanques 7, 8 y 12.


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La ubicación de este RO será en la línea de 10” de transferencia a los TK-7/8/11/12/13. Es preferible colocar el orificio de restricción en la línea de transferencia 10”-P1050, para limitar también el caudal desde el TK-38 al TK-13, llevándolo dentro del rango preferible de operación de la bomba (288 - 396 m3/h) y suprimir así la necesidad de acción de un operario (estrangular válvula manual en la descarga de las bombas ante alto caudal). El caudal al TK-13 será como máximo de 370 m3/h, mejorando la operación de trasvase desde TK-38 al TK-13. De lo contrario, en las condiciones más desfavorables, la bomba podría estar trabajando a fondo de curva.

Durante la ingeniería básica se determinó una altura de la bomba que resultó superior a la finalmente requerida para realizar el trasvase desde el TK-38 al TK-11. Debido a que el trasvase al TK-11 se realiza por medio de la misma línea con que se transfiere a los TK-7/8/12, con la instalación del RO se lograría transferir entre 300 m3/h y 355 m3/h, llevando el caudal al valor de diseño.

Finalmente, la válvula de control sólo se activará para protección por mínimo caudal estable de la bomba. En un futuro, cuando se realicen las operaciones de mezclado y preparación del gasoil de 500 wppm de azufre en los tanques TK 7, 8 ó 12, se deberá activar la alarma de alta ajustada en 360 m3/h para tener aviso en consola ante cualquier inconveniente que supere ese caudal a los mixers (por ej: si se retira el RO de la línea durante un mantenimiento y no se vuelve a colocar). Ya que se trata de una operación a futuro, fue necesario que el cliente lo deje por escrito en los procedimientos correspondientes.


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3. NECESIDAD DE UNA NUEVA VÁLVULA DE ALIVIO TÉRMICO

Durante la ingeniería de detalle se realizó un análisis línea por línea para identificar los puntos en los cuales se requería alivio térmico. Sin embargo, durante la construcción se encontraron nuevas necesidades por lo que debió ser considerada la compra e instalación de una nueva válvula de alivio térmico.

De acuerdo a la Design Practice XV-C y/o Global Practice 03-02-04 ítem 3.14.2 es necesario instalar una válvula de alivio térmico cuando tramos de líneas con fluido normalmente en condiciones ambientales, de 30 m o más de longitud o 0.9 m3 o más de volumen, puedan ser bloqueadas por válvulas o calentadas por medio de tracing.

De acuerdo al tendido final de las líneas de succión de las bombas MA-P-946/947 desde los tanques TK-7/8 y 12 (plano 3045-P-PL-MA1014_6B), se observa que las distancias entre los arreglos de doble bloqueo en las líneas 12”-P1318, 12”-P1319 y 12”-P1320 y las válvulas en las succiones de las bombas (sobre las líneas 12”-P1321 y 12”-P1322) dan un volumen atrapado superior al límite fijado por DP XV-C y/o GP 03-02-04 (pressure relieving systems) para evitar la instalación de una válvula de alivio térmico. Por tal motivo, fue necesaria la instalación de una TRV en el arreglo de succión de bombas, entre las líneas mencionadas. Se verificó la contrapresión en la línea de descarga y se envió la hoja de datos a Instrumentos para su cálculo y compra.


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Cabe resaltar que la necesidad de esta válvula pudo haberse evitado con otro arreglo de las válvulas de bloqueo, tal como se había especificado claramente en el P&ID. De ahí la importancia de contar con los recursos para verificar el cumplimiento de los requisitos por parte de las otras disciplinas.

4. REFERENCIAS

Design Considerations: 3045-R-ME-MA2000 Rev. 1. Diagramas de Piping: 3045-P-PL-MA1025 (Rev. 6/Rev. 6 A), 3045-P-PL-MA1027 (Rev.

4) y 3045-P-PL-MA1014 (Rev. 6B). Diagramas de cañerías e instrumentos: 3045-R-DP-MA102 (Rev. 3 y Rev. 4) y 3045-R-DP-

MA108 (Rev. 3.1 y Rev. 4). Hoja de Datos de las Bombas: 3045-M-HD-MA0005 Rev.0. Hoja de Datos de Válvulas de Control: 3045-I-HD-MA0045 Rev. 3. Hoja de Datos del Caudalímetro: 3045-I-HD-MA0042 Rev. 2. Documentos del Proveedor:

-3045-M-CC-506032 Rev. 1 / 3045-M-HD-506012 Rev. 2, (curvas de performance y hoja de datos de las bombas Flowserve)-Masoneilan control valve performance curves, quote N° AI-6706 (04/12/2008) -3045-I-CA-524002 Rev. 2 (caudalímetro)-3045-M-CA-509008 Rev. 4 (Jet mixers)


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