Fundamentos de los equipos de combustión
Sreeram Krishnan, de Zeeco, Inc., analiza los sistemas de seguridad para equipos de combustión en el sector del GNL.
Los equipos de combustión se pueden encontrar en la mayoría de las instalaciones operativas de todo el mundo, independientemente del sector. Técnicamente, se define como equipo de combustión a cualquier dispositivo que queme combustible para generar calor o energía. Este artículo se centrará específicamente en tres tipos de equipos de combustión que se utilizan habitualmente como dispositivos de seguridad, de proceso o de control de emisiones en el sector del GNL: antorchas, incineradoras y calentadores de combustión. Cada uno de estos dispositivos de combustión puede utilizarse en una gran variedad de aplicaciones relacionadas con el GNL, desde la producción y licuefacción de gas natural (fase de upstream) hasta el transporte, el almacenamiento y la regasificación (fase de downstream). A pesar de sus numerosos usos, los equipos de combustión suelen tener fama de ser unas de las unidades más especializadas y complejas dentro de cualquier instalación operativa.
Aun así, sus principios fundamentales de diseño son, en realidad, muy sencillos. Incluso el nombre «equipo alimentado por fuego» es bastante claro: el fuego se utiliza, literalmente, para hacer funcionar el equipo.
Aunque la palabra «fuego» puede tener connotaciones negativas en el ámbito de la explotación y el mantenimiento de las plantas, los sistemas de equipos de combustión se encuentran entre las unidades más seguras de cualquier instalación en funcionamiento. Este artículo abordará los códigos de ingeniería, las normas y las características de seguridad específicas que se suelen aplicar en el diseño de antorchas, incineradores y calentadores de combustión en la industria del GNL. También es importante saber distinguir entre estos tres tipos principales de equipos de combustión, por lo que este artículo destacará las similitudes y diferencias entre cada uno de ellos. Aunque se utilizan en aplicaciones similares, estos dispositivos de combustión difieren en su diseño general, rendimiento y funcionamiento.
Flares
Al pasar en coche por una planta de GNL por la noche, es posible que se vea una llama de color amarillo rojizo que parece estar suspendida en el aire; lo más probable es que el origen de esa llama sea una antorcha elevada.
Existe una amplia variedad de sistemas de antorchas que pueden encontrarse en plantas petroquímicas e instalaciones de GNL de todo el mundo. No obstante, los más comunes son las antorchas elevadas, las antorchas terrestres multipunto (MPGF) y las antorchas terrestres cerradas (EGF). En general, las antorchas se consideran el tipo de equipo de combustión más ágil y versátil en comparación con un incinerador o un calentador de combustión. Las antorchas ofrecen índices de regulación significativamente más altos y también pueden quemar y destruir un gran volumen repentino de gases o líquidos volátiles con una eficiencia de eliminación por destrucción (DRE) del 98 % o superior. Por estas razones, las antorchas se utilizan habitualmente como dispositivos de alivio de presión de reserva o de emergencia en una planta de GNL o en una instalación en funcionamiento para proteger los activos y al personal de la planta.
Hay dos características de diseño fundamentales que deben tenerse en cuenta en una antorcha: una purga continua y un sistema de piloto y encendido seguro y fiable. Debe purgarse de forma continua nitrógeno o gas combustible a través de la antorcha y las tuberías del colector para evitar la entrada de oxígeno, lo que podría provocar una acumulación involuntaria de gases altamente inflamables en el interior del colector de la antorcha. Si el piloto de la antorcha enciende estos gases, podría producirse un retroceso de llama o una explosión, lo que supondría riesgos adicionales para el personal de la planta y los equipos circundantes. Un sistema de piloto y encendido seguro y fiable es tan importante como la purga continua de una antorcha, ya que el sistema de piloto garantiza que se mantenga en todo momento una llama piloto continua y estable. Si la llama piloto se apaga y se produce una quema de emergencia, los vapores de residuos peligrosos procedentes del proceso anterior podrían liberarse a la atmósfera sin ser quemados y destruidos adecuadamente. Dichos vapores podrían ser altamente explosivos y tóxicos, lo que supondría riesgos adicionales para la seguridad del personal de la planta y de los residentes cercanos.
Con el fin de evitar la extinción de la llama, los pilotos de antorcha ZEECO® se han desarrollado y probado en las condiciones meteorológicas más adversas del mundo para garantizar que puedan generar y mantener una llama continua y estable en todo momento, incluso con vientos y lluvias de intensidad huracanada. Los dispositivos de detección de llama, como los termopares y el sistema ZEECO , son los más utilizados para detectar y confirmar la presencia de la llama piloto de la antorcha. Sin embargo, también se pueden emplear dispositivos más complejos, como el ZEECO y el ViZion™, para detectar tanto la llama piloto como la llama principal de la antorcha. Estos dispositivos también permiten supervisar y controlar parámetros clave de rendimiento, como la eficiencia de la combustión y la opacidad del humo.
También es habitual que una antorcha esté equipada con un sistema de encendido y control certificado para su uso en una zona peligrosa de Clase I, División II y diseñado según las normas API-521 y 537, lo que proporciona al personal de la planta métodos intrínsecamente seguros para encender y operar la unidad. También se pueden incorporar al diseño de un sistema de antorcha dispositivos de seguridad adicionales, como supresores de detonación o de deflagración. Sin embargo, estos elementos no son tan cruciales como los demás ya mencionados. Dicho esto, es importante evaluar la necesidad general de estos dispositivos para cada aplicación de antorcha en función de su proceso específico y de las condiciones de suministro.
Figura 1. Sistema típico de quema de gas para la descarga de presión en caso de emergencia.
Incineradores
A menudo la gente se pregunta si hay alguna diferencia entre un incinerador y un oxidante térmico, pero estos términos se utilizan indistintamente para describir el mismo tipo de equipo de combustión. Puede resultar difícil identificar un incinerador a plena luz del día, y mucho más de noche. A diferencia de la llama expuesta de una antorcha elevada, la llama de un incinerador está encerrada y no es visible desde el exterior durante su funcionamiento, lo que dificulta su identificación dentro de cualquier refinería o planta de GNL.
Los incineradores suelen considerarse los equipos de combustión más complejos y altamente automatizados en comparación con una antorcha o un calentador de combustión. Aunque los incineradores no son tan ágiles como una antorcha, son capaces de quemar y destruir múltiples corrientes de alimentación de gas o líquido generadas de forma continua a temperaturas muy elevadas, lo que les permite alcanzar impresionantes índices de eliminación de residuos (DRE) del 99,9999 % o superiores. Los incineradores también suelen equiparse con un paquete de controles e instrumentación conforme a la norma NFPA-86 y con un sistema de gestión de quemadores (BMS) que incluye un controlador lógico programable (PLC) el cual controla la secuencia de purga, encendido, calentamiento, introducción de residuos y parada de la unidad. Las normas NFPA-86 cumplen la misma finalidad general para los incineradores que las normas API-537 para las antorchas: proporcionar al personal de la planta métodos intrínsecamente seguros y sencillos para operar la unidad sin asumir riesgos adicionales.
Una de las características de seguridad más importantes estipuladas por la norma NFPA-86 es la purga previa al encendido, que elimina los compuestos potencialmente combustibles del incinerador antes del encendido. Los detectores de llama son un dispositivo de seguridad habitual que verifica la presencia tanto de la llama del piloto como de la del quemador principal durante el encendido y tras la introducción de los residuos. Las señales de funcionamiento del soplador o ventilador, los interruptores de caudal de aire de combustión y los dispositivos de desconexión por temperatura de consigna y presión de combustible son también características de seguridad fundamentales reguladas por la norma NFPA-86 y que suelen integrarse en el sistema de gestión del incinerador (BMS) para garantizar aún más la seguridad del personal y de los equipos.
Algunos de los sistemas de incineración más grandes y complejos del mundo se encuentran en las plantas de licuefacción de gas natural. Estos sistemas pueden estar equipados con una amplia gama de dispositivos de tratamiento posterior a la combustión que permiten que la incineradora cumpla con los requisitos más estrictos de los permisos de emisiónde SOX,NOX y CO. También es habitual que estos sistemas cuenten con unidades de recuperación de calor residual (WHRU) que aprovechan los gases de combustión calientes de la incineradora para reducir el consumo total de combustible y generar la energía necesaria para los procesos posteriores de GNL.
Los sistemas complejos de incineración ofrecen al usuario final un número significativo de ventajas, pero tienen un coste. Los conjuntos de equipos más grandes y diversos suelen estar sujetos a códigos y normas de ingeniería más estrictos para garantizar aún más la seguridad del personal y de los equipos, razón por la cual se les suele asignar una clasificación de nivel de integridad de seguridad (SIL) 2 o 3 tras completar el análisis de riesgos del proceso (PHA) o el estudio de riesgos y operatividad (HAZOP). Los dispositivos de tratamiento posterior a la combustión y las unidades de recuperación de calor de los gases de escape (WHRU) suelen contribuir a que las presiones estáticas internas de funcionamiento y de diseño sean más elevadas, lo que normalmente exige criterios de diseño mecánico y estructural más estrictos, como los que figuran en los códigos de diseño de la Sección VIII y la Sección I de la ASME. También es habitual que los sopladores y ventiladores de estos sistemas se diseñen según las normas API-560 o 673, que exigen un mayor margen tanto en los caudales como en las presiones de diseño, y requieren elementos de instrumentación adicionales con fines de monitorización y control. Hay que tener en cuenta que, si bien estos códigos y normas de diseño no se aplican necesariamente a todos los sistemas complejos de incineración de la industria del GNL, cada sistema debe evaluarse en función de su aplicación y servicio específicos.
Figura 2. Sistema complejo de incineración con precalentadores de gases ácidos y de aire (WHRU).
Calentadores de leña
Los calentadores de combustión son muy similares a los incineradores en cuanto a diseño y complejidad general, y también se utilizan habitualmente en procesos posteriores de GNL, como la deshidratación con glicol y la regasificación.
Este tipo de equipo de combustión quema combustible dentro de una sección radiante para generar gases de combustión calientes que transfieren calor a una serie de tubos o serpentines situados en la sección convectiva. Estos serpentines suelen contener un fluido líquido de transferencia de calor, como el Therminol®, que posteriormente se distribuye a diversos procesos de GNL posteriores. También es posible que los calentadores de combustión quemen subproductos residuales de otros procesos, pero, a diferencia de un incinerador, suelen limitarse a un único gas residual exotérmico que solo representa, como máximo, aproximadamente el 10 % de la liberación total de calor del sistema. Esto se hace para garantizar que se mantenga en todo momento una llama del quemador continua y estable. Los gases de combustión a la salida de un calentador de combustión se descargan a la atmósfera con un DRE del 99,9 % o superior y, al igual que un incinerador, los calentadores de combustión pueden equiparse con un sistema de reducción catalítica selectiva para reducir aún más las emisiones de NOX si fuera necesario.
Los calentadores de combustión suelen diseñarse según las normas API-560 y, por lo general, se suministran con un paquete de controles e instrumentación que cumple con la norma NFPA-87 y un PLC del sistema de gestión de edificios (BMS). Aunque la norma NFPA-87 está orientada específicamente a los calentadores de combustión, es similar a la NFPA-86: ambas abordan las mismas secuencias generales y requisitos de seguridad, con algunas diferencias. Los termopares de contacto son dispositivos de seguridad adicionales que suelen instalarse en los serpentines de tubos del calentador de combustión. Estos dispositivos se utilizan para supervisar las temperaturas de los serpentines de tubos con el fin de evitar su sobrecalentamiento o rotura, lo que podría provocar una fuga insegura e imprevista de hidrocarburos peligrosos. Los transmisores de presión diferencial también pueden utilizarse por motivos similares: reducen la probabilidad general de que se produzcan episodios de sobrepresión dentro de la carcasa del calentador de combustión que podrían dar lugar a una fuga no planificada de hidrocarburos peligrosos.
Se pueden incorporar controles e instrumentos adicionales al sistema de gestión de edificios (BMS) de un calentador de combustión para garantizar aún más la seguridad del personal y de los equipos. Por ejemplo, se pueden utilizar analizadores de oxígeno como dispositivos de control de ajuste para garantizar que siempre se mantenga un nivel mínimo de oxígeno dentro de la unidad (normalmente ≥3 % vol.). También se pueden instalar analizadores de combustibles y/o de metano para supervisar las concentraciones de compuestos orgánicos volátiles en los gases de combustión, con el fin de evitar la posible liberación, acumulación o ignición de hidrocarburos peligrosos. Estas características no son exclusivas de las aplicaciones de calentadores de combustión, sino que también pueden utilizarse en un sistema de incineración con los mismos fines generales.
Figura 3. Componentes típicos de un calentador de combustión directa.
Conclusiones
El fuego puede ser peligroso, pero eso no significa que los equipos que funcionan con combustión sean intrínsecamente peligrosos también. Contar con un socio de confianza en materia de diseño y fabricación puede hacer que la elección resulte menos abrumadora; es el caso, por ejemplo, de los expertos de Zeeco, que cuentan con casi 50 años de experiencia en el diseño de antorchas, incineradores y calentadores a combustión a medida.
Estos dispositivos funcionan de forma segura cada día en innumerables instalaciones de todo el mundo. No solo son dispositivos de control de emisiones increíblemente eficaces, sino que también pueden utilizarse para producir o recuperar recursos para procesos posteriores, lo que supone un beneficio adicional para el usuario final.
