NaturalGas EPA POLLUTION PREVENTER Lecciones Aprendidas De los participantes de Natural Gas STAR 0 CONVIERTA LOS CONTROLES NEUMATICOS DE GAS A AIRE COMPRIMIDO PARA INSTRUMENTACION (CONVERT GAS PNEUMATIC CONTROLS TO INSTRUMENT AIR) Resumen gerencial Los sistemas de instrumentacion neumaticos accionados con gas natural a alta presion se utilizan frecuentemente en una variedad de industrias de gas natural y petroleo para el control de procesos. Las aplicaciones tipicas en control de procesos incluyen regulacion de presion, temperatura, nivel de Kquido y regimen de flujo. La perdida constante de gas natural de estos controladores es en conjunto una de las fuentes mas importantes de emisiones de metano en la industria de gas natural, estimada en aproximadamente 24 mil millones de pies cubicos por aho en el sector de productivo, 16 mil millones de pies cubicos en procesamiento y 14 mil millones de pies cubicos en el sector de transmision. Las companies pueden lograr una significativa reduccion de costos y emisiones de metano mediante la conversion de sis- temas de control neumatico accionados por gas natural a sistemas de aire comprimido para instrumentacion. Los sistemas de aire comprimido para instrumentacion reemplazan el gas natural presurizado con el aire comprimido, eliminando las emi- siones de metano y proporcionando beneficios de seguridad adicionales. Sin embargo, las aplicaciones que permiten una reduccion de costos estan limitadas a aquellas instalaciones que disponen de energia electrica, ya sea suministrada por una empresa de servicio publico o auto-generada. Los participantes de Natural Gas STAR informan que se han logrado ahorros de hasta 70 millones de pies cubicos por aho por instalacion mediante el reemplazo de los sistemas neumaticos accionados por gas natural con sistemas de aire com- primido para instrumentacion, lo cual representa un ahorro anual de hasta $210,000 por instalacion. Los participantes han determinado que la mayoria de las inversiones necesarias para convertir los sistemas neumaticos se pagan por si mismas en poco mas de un aho. Los ahorros individuales varian dependiendo del diseho, estado y condiciones operativas especificas de los controladores. Metodo para reducir perdida de gas1 Reemplazargas con aire en sistemas neumaticos (por instalacion) Volumen prome- dio de gas aho- rado (millones de pies cubicos/ano) 20,000 Valor promedio de gas ahorrado ($/ano)1 60,000 Costo promedio de imple- mentation ($/ano)2 50,000 Rendimiento promedio (arios) <1 'Suponiendo que el valor del gas es $3.00/miH6n de pies cubicos. 2Costo de instalar compresor, secadory otros accesorios, y requisites anuales de energfa electrica. Esta publicacion es una de la serie de resumenes de Lecciones Aprendidas desarrollados por EPA en cooperacion con la industria de gas natural que tratan acerca de las aplicaciones superiores del Programa de Mejores Practicas Administrativas de Natural Gas STAR (BMP, siglas en ingles) y Oportunidades Identificadas por los Participantes (PRO, siglas en ingles). ------- Antecedentes tecnologicos La industria de gas natural utiliza una variedad de dispositivos de control de pro- cesos para operar valvulas que regulan niveles de presion, flujo, temperatura y Kquidos. La mayoria de los instrumentos y equipos de control se ubican en una de tres categories: (1) neumatico; (2) electrico; o (3) mecanico. En la gran mayoria de aplicaciones, la industria de gas natural utiliza dispositivos neumaticos, los cuales utilizan gas natural a alta presion para proporcionar la energia y sehales de control requeridas. Los sistemas de instrumentacion neumaticos accionados por gas na- tural a alta presion se utilizan ampliamente en la industria de gas natural. En el sector produccion, un estimado de 250,000 dispositivos neumaticos controlan y monitorean los flujos de gas y Kquidos y los niveles en los deshidratadores y sepa- radores, la temperatura en los regeneradores de deshidratadores, y la presion en los tanques de purga. La mayoria de las plantas procesadoras ya estan utilizando aire comprimido, pero algunas utilizan sistemas neumaticos de gas. Incluyendo las estaciones de colectoras/impulsadoras que alimentan estas plantas procesadoras, existen alrededor de 13,000 dispositivos neumaticos de gas en este sector. En el sector de transmision, un estimado de entre 90,000 y 130,000 dispositivos neumaticos accionan valvulas de aislamiento y regulan el flujo de gas y la presion en las estaciones compresoras, gasoductos e instalaciones de almacenamiento. Los dispositivos neumaticos tambien se encuentran en los medidores de las esta- ciones de compuerta de las companies de distribucion y las redes de distribucion en donde regulan el flujo y la presion. El Cuadro 1 muestra un sistema de control neumatico accionado por gas natural. El sistema de control neumatico consta de los instrumentos y las valvulas de control de procesos operados por gas natural regulado a aproximadamente 20-30 libras por pulgada cuadrada (psi), y una red de tubenas de distribucion para suministrar a todos los instrumentos de control. El gas natural tambien se utiliza en algunos "servi- cios generales", tales como pequehas bombas neumaticas, arrancadores de motor de compresor y valvulas de cierre de aislamiento. El Cuadro 2 muestra un diagrama simplificado de un ciclo de control neumatico. Una condicion de proceso, tal como el nivel de Kquido en un receptaculo separador, es monitoreada por un flotador que esta mecanicamente vinculado al controlador de nivel de Kquido ubicado fuera del Cuadro 1: Sistema de control neumatico de gas natural * -vJ ~P T^^n ^de gas «— fij-tmrt T fc ^"Xi^ Salida de Receptaculo '• Redd/ separador 20-30 PSI Gas natural de la planta Mt^ Regulador de presion Fuente: ICF Consulting Leyenda: CP - controlador de presion CNL - controlador de nivel de Ifquido -f Red de tubenas de '- los sistemas de instrumentacion y control Servicios generales ------- receptaculo. Un aumento o reduccion en el nivel de Kquido mueve el flotador hacia arriba o hacia abajo, lo cual se transmite a unas pequehas valvulas de aguja dentro del controlador. El gas neumatico se dirige al accionador de la valvula cuando la valvula de aguja hace un orificio, o la presion de gas se expele fuera del accionador de la valvula. El aumento de presion de gas en el accionador de la valvula empuja hacia abajo un diafragma conectado mediante una varilla al tapon de la valvula, haciendo que se abra el tapon y aumente el flujo de Kquido que se drena fuera del receptaculo separador. La presion de gas liberada del accionador de la valvula hace que un resorte empuje y cierre el tapon de la valvula. Cuadro 2: Esquema de senales y accionamiento M hi i Nivel de . Kquido i Mi ha Fuente: ICF Cons ovimiento icia arriba - 9i ' i ivimiento cia abajo Pared de receptaculo separador lilting Punto de apoyo Instrumento de control de nivel de liquido Hacia arriba 1 HaciajS '-*• Fuga f|-ab~aj?U---_^ Suministro degas tde la valvula neumatico para f ~\ instrumentacion ^---^T"*~-^_ Accionador de la Diafragma valvula II slJj22J| Flujo de liauido IL del separador rt^- II Abrir valvula Como parte de la operacion normal, los dispositivos neumaticos accionados por gas natural liberan o expelen gas a la atmosfera y, consecuentemente, son una fuente importante de emisiones de metano de la industria de gas natural. Los sis- temas de control neumatico emiten metano a traves de las juntas de tuberia, con- troles y una serie de puntos dentro de la red de tubenas de distribucion. La tasa de liberacion actual o niveles de emisiones depende en gran parte del diseho del dis- positive. En general, los controladores de diseho similar tienen tasas similares de liberacion sostenida, independientemente de la marca. La tasa de emision de metano tambien variara con la presion de suministro del gas neumatico, la frecuencia del accionador, y la antiguedad o condicion del equipo. Muchos participates han descubierto que resulta economico reemplazar el gas natural con aire comprimido en los sistemas neumaticos. La utilizacion de aire com- primido para instrumentacion elimina las emisiones de metano y conlleva un aumen- to en las ventas de gas. Ademas, con la eliminacion de un gas inflamable, aumenta significativamente la seguridad de operacion. Los costos primarios asociados con la conversion a sistemas de aire comprimido son los gastos de capital inicial para la instalacion de compresores y equipo relacionado y los costos de operacion de energia electrica para el motor del compresor. Los instrumentos de control de las tubenas de suministro de gas neumatico existentes y los accionadores de valvulas ------- del sistema neumatico de gas pueden volverse a utilizar en un sistema de aire com- primido para instrumentacion. El Cuadro 3 muestra un sistema de aire comprimido para instrumentacion. En estos sistemas, el aire atmosferico es comprimido, almacenado en un tanque de volumen, filtrado y secado para utilizarlo en instrumentos. El aire utilizado para servicios gene- rales (tales como pequehas bombas neumaticas, arrancadores de motor de com- presoras de gas, herramientas neumaticas, sopletes de arena a presion) no necesita ser secado. Todas las otras partes de un sistema neumatico de gas funcionaran de la misma manera con aire que con gas. Cuadro 3: Sistema de aire comprimido para instrumentacion Fluidos de Leyenda: CP - Controlador de presion CNL - Controlador de nivel de liquido Aire de la atmosfera Compresor Tanque de volumen Fuente: ICF Consulting Red de tuberfas de ~ I os sistemas de instrumentacion y control Servicios generates que requieren aire comprimido Los componentes mas importantes de un proyecto de conversion a aire com- primido incluyen el compresor, la fuente de energia, el deshidratador y el tanque de volumen. A continuacion se describen cada uno de estos componentes con- juntamente con consideraciones importantes de instalacion. * Compresor. Los compresores utilizados para suministrar aire comprimido para instrumentacion estan disponibles en varies tipos y tamahos, desde compresores de tornillo rotatorio (centrifugas) hasta tipos de desplazamiento positive (piston alternative). El tamaho del compresor depende del tamaho de la instalacion, el numero de dispositivos de control operados por el sistema y las tasas de fuga tipicas de estos dispositivos. El compresor generalmente es accionado por un motor electrico que se enciende y apaga, dependiendo de la presion del tanque de volumen. Para mayor confiabilidad, normalmente se instala un compresor de repuesto complete. * Fuente de energfa. Un componente critico del sistema de control de aire comprimido es la fuente de energia requerida para hacer funcionar el compre- sor. Debido a que el gas natural de alta presion es abundante y facilmente disponible, los sistemas neumaticos de gas pueden funcionar ininterrumpida- mente 24 horas, 7 dias a la semana. Sin embargo, la confiabilidad de un sis- tema de aire comprimido para instrumentacion depende de la confiabilidad ------- Beneficios economicos y para el medio ambiente del compresor y de la fuente de energia electrica. La mayoria de las plantas grandes de gas natural tienen una fuente de energia electrica o su propio sis- tema de generacion de energia. Sin embargo, para plantas mas pequehas e instalaciones en lugares remotes, puede ser dificil garantizar una fuente confiable de energia electrica. En algunos casos, los compresores de aire accionados con batenas de energia solar pueden ser economicos para insta- laciones en lugares remotos. Esto reduce tanto las emisiones de metano como el consumo de energia. Tambien se estan desarrollando pequehas unidades de combustible accionadas con gas natural. * Deshidratadores. Los deshidratadores o secadores de aire, son una parte integral del sistema de aire comprimido para instrumentacion. El vapor de agua presente en el aire se condensa cuando este es presurizado y enfriado, y puede causar una serie de problemas a estos sistemas, incluyendo cor- rosion de las piezas del instrumento y bloqueo de la tuberia de aire del instru- mento y de los orificios del controlador. Para sistemas mas pequehos, los secadores de membrana son una alternativa economica. Estos son filtros moleculares que permiten que moleculas de oxigeno y nitrogeno pasen a traves de la membrana, mientras se retienen las moleculas de agua. Son bas- tante confiables, sin piezas moviles, y el filtro puede cambiarse facilmente. Para plantas mas grandes, los secadores por absorcion (de alumina) son mas economicos. * Tanque de volumen. El tanque de volumen almacena aire suficiente para permitir que el sistema de control neumatico tenga una fuente ininterrumpida de aire de alta presion sin que sea necesario que el compresor de aire fun- cione continuamente. El tanque de volumen permite una extraccion grande de aire comprimido en un corto tiempo, como para un arrancador de motor, una bomba neumatica, o herramientas neumaticas, sin afectar las funciones de control del proceso. La reduccion de emisiones de metano de los dispositivos neumaticos mediante la conversion a sistemas de control e instrumentacion con aire comprimido, puede producir para las compahias de gas natural importantes beneficios economicos ademas de los beneficios para el medio ambiente, entre ellos: * Rendimiento financiero como resultado de la reduccion de emisiones de gas. Suponiendo que el precio del gas natural es $3.00 por millon de pies cubicos, los ahorros resultantes de menores emisiones se calculan en $360 por aho por dispositive o $210,000 o mas por aho por instalacion. En muchos casos, el costo de convertir a aire comprimido para instrumentacion puede recuperarse en menos de un aho. * Vida mas larga de los dispositivos de control y mayor eficiencia de operacion. El gas natural utilizado en dispositivos e instrumentos de control neumaticos usualmente contiene gases corrosives (tales como dioxido de carbono y sulfuro de hidrogeno) que pueden reducir la vida operativa eficaz de estos dispositivos. Ademas, el gas natural usualmente produce subpro- ductos de oxidacion de hierro, que pueden obstruir los orificios pequehos del equipo resultando en una reduccion de eficiencia de operacion o peligros. Al utilizer aire comprimido para instrumentacion, adecuadamente filtrado y seca- do, se reduce la degradacion del sistema y aumenta la vida util de operacion. * Se evita el uso de gas natural inflamable. El utilizar aire comprimido como alternativa al gas natural elimina la utilizacion de una sustancia inflamable, aumentando significativamente la seguridad de las plantas procesadoras y los ------- Proceso de Decision sistemas de transmision y distribucion de gas natural. Esto puede ser particu- larmente importante en instalaciones de alta mar, en donde los riesgos aso- ciados con materiales peligros e inflamables son mayores. * Menores emisiones de metano. Se han reportado menores emisiones de metano de hasta 70 millones de pies cubicos por instalacion anualmente, dependiendo del (de los) dispositivo(s) y del tipo de aplicacion de control. La conversion de sistemas neumaticos de gas natural a sistemas de aire comprimi- do para instrumentacion se puede llevar a cabo en todas las instalaciones y plantas de gas natural. Sin embargo, determinar las aplicaciones mas eficientes en terminos de costos requiere la realizacion de un estudio de factibilidad tecnica y economica. Los seis pasos que se indican a conti- nuacion, y el ejemplo practice con tablas de costos, ecua- ciones y factores pueden ayu- dar a las companies a evaluar sus oportunidades Proceso de decision para convertir disposi- tivos neumaticos de gas a aire comprimido para instrumentacion: 1. Identificar los lugares posibles para la instalacion de sistemas. 2. Determinar la capacidad optima del sistema. 3. Calcular los costos del proyecto. 4. Calcular los ahorros de gas. 5. Evaluar los aspectos economicos. 6. Desarrollar un plan de implementation. Paso 1: Identificar los lugares posibles para la instalacion de sistemas. La mayoria de sistemas de control neumatico que funcionan con gas natural pueden reemplazarse con aire comprimido para instrumentacion. Los sistemas de aire com- primido para instrumentacion requeriran nuevas inversiones para el compresor, deshidratador y otros equipos relacionados, asi como para el suministro de energia electrica. Por lo tanto, un primer paso en un proyecto exitoso de conversion a aire comprimido para instrumentacion es revisar las plantas existentes para identificar los lugares mas idoneos para proyectos economicos. En general, se deben considerar tres factores principales durante este proceso. * El diseno de la planta. El diseho de una planta de gas natural puede afectar significativamente el costo del equipo e instalacion de un sistema de aire comprimido para instrumentacion. Por ejemplo, la conversion a aire comprimi- do para instrumentacion puede no ser economica en plantas descentra- lizadas en donde las batenas del tanque estan alejadas o muy dispersas. El aire comprimido para instrumentacion es lo mas adecuado cuando se utiliza en plataformas de altamar y plantas costa adentro en donde los dispositivos neumaticos estan consolidados en un area relativamente pequeha. * Numero de dispositivos neumaticos. Mientras mayor sea el numero de controladores neumaticos que se conviertan a aire comprimido para instru- mentacion, mayor sera el potencial de reduccion de emisiones y mayores los ahorros para la compahia. La conversion a aire comprimido para instru- mentacion es mas rentable cuando la compahia esta planeando un cambio a nivel de toda la planta. * Fuente de energfa electrica disponible. Ya que la mayoria de sistemas de aire comprimido para instrumentacion requieren de energia electrica para hacer funcionar el compresor, es esencial disponer de una fuente ininte- ------- rrumpida de energia electrica. Mientras que las plantas grandes tienen su propia fuente de energia electrica o su propio sistema de generacion de elec- tricidad, muchas plantas pequehas o ubicadas en lugares remotes no la tienen. Para estas instalaciones, el costo de generacion de energia general- mente hace que el uso de aire para instrumentacion no sea rentable. Ademas, las instalaciones con generadores dedicados necesitan evaluar si los generadores tienen capacidad suficiente para hacer funcionar un sistema de aire comprimido, ya que el costo de actualizar un generador puede ser pro- hibitive. Las instalaciones en lugares alejados deben examinar alternativas para la generacion de energia, desde microturbinas hasta energia solar. Paso 2: Determinar la capacidad optima del sistema. Una vez identificados los lugares para el proyecto, es importante determinar la capacidad apropiada del nuevo sistema de aire comprimido para instrumentacion. La capacidad requerida es una funcion directa de la cantidad de aire comprimido necesario para operar los instrumentos neumaticos y satisfacer los requisites de aire de uso general. * Requisites de aire comprimido para instru- mentacion. Las necesidades de aire compri- mido para el sistema neumatico son equiva- lentes al volumen de gas utilizado para hacer 1 P'e cubico de aire por funcionar los instrumentos existentes, ajustado por las perdidas de aire durante el proceso de secado. El volumen actual de gas utilizado puede determinarse mediante observacion directa de un medidor (si hay un medidor instalado). En sistemas que no tienen medidor, una regla practice conservadora para calcular los re- quisites de los sistemas de aire es un pie cubico por minuto (cfm, siglas en ingles) de aire comprimido para instrumentacion por cada ciclo de control (que consta de un controlador neumatico y una valvula de control). El calculo inicial de las necesidades de aire com- primido para instrumentacion debe luego ser ajusta- do considerando la perdida de aire durante el proce- so de secado. Tipicamente, los filtros de membrana El secador ^ membrana consume 17 por ciento del del secador de aire consumen alrededor de 17 por • jnaresa ciento del aire que ingresa. Por lo tanto, el volumen estimado de aire comprimido para instrumentacion utilizado es 83 por ciento del total de suministro de aire comprimido: es decir, hay que dividir el aire utilizado entre 83 por ciento. Los secadores por absorcion no con- sumen aire y por lo tanto no necesitan ajuste. * Requisites de aire de uso general. Es comun utilizer aire comprimido para ciertos usos dentro de la planta, tales como arrancadores de motor, bombas neumaticas, herramientas neumaticas (tales como Have de impacto) y sopletes de arena a presion. A diferencia del aire comprimido para instrumentacion, el aire para uso general no otros usos de aire neumati- necesita ser secado. La frecuencia y volumenes co: 1/3 para aire comprimido de dicho aire se ahaden al total. Las companies para instrumentacion; 2/3 deberan evaluar estos otros usos de aire com- Para a're de uso general. primido en base a las caractensticas especificas de la planta y considerando la posibilidad de ampliacion de la planta. Una regla practice general es suponer que la tasa maxima de aire comprimido que se necesita periodicamente para uso general en la planta es el doble de la tasa constante utilizada para aire comprimido para instrumentacion. ------- El Cuadro 4 muestra como se puede calcular el tamaho del compresor de aire com- primido para instrumentacion. Utilizando la regla practice de 1 pie cubico de aire per minuto/ciclo de control, la utilizacion actual de gas se traduce en aproximadamente 35 pies cubicos por minuto de aire seco para instrumentacion. Ajustando por el consumo de aire del secador (17 por ciento del ingreso de aire), el requisite total de suministro de aire comprimido para instrumentacion sera de 42 pies cubicos de aire por minuto. Ahadiendo las necesidades de aire para uso general de aproximada- mente 70 pies cubicos por minuto, el proyecto requerira un total de 112 pies cubi- cos por minuto de aire comprimido. Cuadro 4: Calculo del tamano del compresor para conversion de gas neumatico a aire comprimido para instrumentacion Considerando: A UAI SAI SAG C A UAI SAI SAG A Una planta de production de tamano promedio con instrumentos neumaticos, des- hidratacion de glicol, compresion, 35 ciclos de control y un promedio de 10 pies cubicos por minuto de gas en usos generales para bombas neumaticas y arranque de motor de compresor. = Aire comprimido total = Utilizacion de aire comprimido para instrumentacion = Suministro de aire comprimido para instrumentacion = Suministro de aire para uso general = Ciclos de control Regla practica: 1 pies cubico de aire por minuto por ciclo de control para calcular los requisites de los sistemas de aire comprimido para instrumentacion Regla practica: 17% del aire se pierde a traves en los secadores de membrana. Regla practica: 1/3 del total del aire utilizado para instrumentos, 2/3 del total del aire utilizado en otras aplicaciones generales. Calcular: A = Capacidad del compresor de aire requerida. = SAI + SAG = C* (1 pie cubico por minuto/ciclo) = UAI/(100% - % aire perdido en el secador) = UAI "(fraction de utilizacion de aire para uso general) / (fraction de utilizacion para aire comprimido para instrumentacion) = (35*1 )/ (100%- 17%) + (35*1) * (2/3) / (1/3) = 112 pies cubicos por minuto Paso 3: Calcular los costos del proyecto. Los costos mas importantes asociados con la instalacion y operacion de un sistema de aire comprimido para instru- mentacion son los costos de instalacion de los compresores, secadores, tanques de volumen y costos de energia. Los costos actuales de instalacion seran una funcion del tamaho, ubicacion y otros factores especificos de la ubicacion. Una conversion tipica de un sistema de control de instrumentos neumaticos accionados con gas natural a un sistema de aire comprimido para instrumentacion cuesta aproximada- mente entre $35,000 y $60,000. Para calcular el costo para un proyecto determinado, todos los gastos asociados con el compresor, secador, tanque de volumen y fuente de energia deben tenerse en cuenta. La mayoria de proveedores estan dispuestos a proporcionar estimados de los costos del equipo y requisites de instalacion (incluyendo tamaho del compre- sor, caballos de fuerza del motor, requisites de energia electrica y capacidad de almacenamiento). Alternativamente, los operadores pueden utilizer la siguiente infor- macion acerca de los componentes mas importantes de un sistema para calcular el costo total de instalacion de un sistema de aire comprimido para instrumentacion. ------- Costos del compresor. Es comun instalar dos compresores en una planta (uno en funcionamiento y otro de respaldo) para asegurar la confiabilidad y per- mitir un mantenimiento y reparaciones sin interrupciones del servicio. La capaci- dad de uno de los compresores debe ser suficiente para satisfacer el total de volumen de aire comprimido necesario para el proyecto (es decir, tanto aire para instrumentacion como para usos generales). El Cuadro 5 presenta los calculos de costo de compra y mantenimiento de compresores pequeho, mediano y grande. Para compresores de tipo tornillo sin fin, los operadores deben esperar reparar la unidad cada 5 a 6 ahos. Esto generalmente implica cambiar el nucleo del compresor por un compresor reconstruido a un costo de aproximadamente $3,000, ahadiendo $500 para costos de mano de obra y un credito por cambio de nucleo de $500. Cuadro 5: Costos del compresor de aire Tamaiio de la unidad de Pequena Mediana Grande Volumen de aire (pies cubicos 30 125 350 Tipo de compresor Alternative Tornillo sin fin Tornillo sin fin Caballos de fuerza 10 30 75 Costos del equipo ($) 2,500' 12,500 22,000 Servicio anual ($/aiio) 300 600 600 Vida de servicio (aiios) 1 5-62 5-62 1EI costo incluye un paquete de compresor con tanque de volumen. 2 Costos de reconstruccion del compresor de $3,000 mas $500 por mano de obra menos $500 de credito por intercambio de nucleo. Tanque de volumen. Los sistemas de suministro de aire comprimido incluyen un tanque de volumen, el cual mantiene una presion constante con la activacion y desactivacion del compresor de aire. La regla practice para determinar el tamaho del tanque de volumen es 1 galon de capacidad por cada pie cubico por minuto de aire comprimido. El Cuadro 6 pre- senta los costos de equipo para tanques de vo- lumen de tamaho pequeho, mediano y grande. Los tanques de volumen no tienen casi ningun costo de operacion ni de mantenimiento. Regla practica: 1 galon de capacidad del tanque/ 1 pie cubico por minuto de aire Cuadro 6: Costos del tanque de volumen Tamaiio de la unidad de servicio Pequeno1 Mediano Grande Volumen de aire (galones) 80 400 1,000 Costo del equipo ($) 500 1,500 3,000 1 Generalmente se suministran compresores de aire pequenos alternativos de 1 0 caballos de fuerza o menos con un tanque de compensacion. Costos del secador de aire. Debido a que el aire comprimido para instrumentacion debe estar bastante seco para evitar obstruccion y corrosion, el aire comprimido general- mente se pasa por un secador. El secador mas comun utilizado en aplicaciones pequehas a medianas es un secador de membrana permeable. Los sistemas de aire ------- mas grandes pueden utilizar secadores de multiples membranas o, aun mas efi- cientes economicamente, secadores por absorcion a base de alumina. Los secadores de membrana filtran vapor de aceite y particulas solidas y no tienen partes moviles. Como resultado, los costos de operacion anuales se mantienen bajos. El Cuadro 7 presenta datos de costos de equipo y servicio para secadores de tamahos diferentes. El tamaho del secador tendra que considerar el volumen de gas necesario para el sistema de aire comprimido para instrumentacion. Cuadro 7: Costos del secador de aire Tamaiio de la unidad de servicio Pequena Mediana Grande Volumen de aire (pies cubicos 30 601 350 Tipo de secador membrana membrana alumina Costo del equipo ($) 1,500 4,500 10,000 Servicio anual ($/ano) 500 2,000 3,000 'Tamano mas grande de membrana; utilizar volumenes mayores para multiples unidades. Se puede calcular el costo total de instalacion del proyecto con la informacion sobre equipos proporcionada anteriormente. El Cuadro 8 muestra esto utilizando el ejem- plo anterior de una planta de produccion mediana con un requisite de aire comprimi- do para instrumentacion de 42 pies cubicos por minuto y un requisite maximo de aire para uso general de 70 pies cubicos por minuto (lo cual da un total de 112 pies cubicos por minuto de aire comprimido). Para calcular el costo de instalacion del equipo, es una practice comun en la industria suponer que la mano de obra para la instalacion es equivalente al costo de adquisicion del equipo (es decir, hay que duplicar el costo de comprar del equipo para calcular el costo de instalacion). Esto es apropiado para sistemas grandes de aire comprimido para instrumentacion con secadores por absorcion de alumina, pero para sistemas de aire comprimido para instrumentacion pequehos montados sobre patines, se utiliza un factor de 1.5 para calcular el costo total de instalacion (el costo de la mano de obra de instalacion es la mitad del costo del equipo). Cuadro 8: Calculo de los costos totales de instalacion Suponiendo: Compresores (2) Tanques de volumen (2) Secador de membrana Factor de costo de instalacion = $25,000 (cuadro 5) = $1,000(cuadro6) = $4,500 (cuadro 7) = 1.5 Calcular costo total de instalacion: Costo del equipo Costo total = Costo de compresor + Costo de tanque + Costo de secador = $25,000 + $1,000 + $4,500 = $30,500 = Costo de equipo * Factor de costo de instalacion = $30,500*1.5 = $45,750 10 ------- Ademas de los costos asociados a la planta, tambien es necesario calcular los cos- tos de energia asociados con la operacion del sistema. El costo de operacion mas importante de un compresor de aire es la electricidad, a menos que la planta tenga capacidad excedente de auto-generacion. Para continuar con el ejemplo anterior, suponiendo que la electricidad se compra a 7.5 centavos por kilowatt-hora (kWh) y que un compresor es de respaldo mientras que el otro compresor funciona a capacidad total la mitad del tiempo (un factor de operacion de 50 por ciento), el costo de energia electrica seria de $13,140 por aho. Este calculo se muestra en el Cuadro 9. Cuadro 9: Calculo de los costos de electricidad Suponiendo: Potencia del motor Factor de operacion (FO) Costo de electricidad = 30 caballos de fuerza = 50 por ciento = $0.075/kwh Calcular requisites de energia Energia electrica = Potencia del motor * FO * Costo de electricidad = [30 caballos de fuerza * 8,760 horas/ano * 0.5 * $0.075/kwh] /0.75 caballos de fuerza/kw = $13,140/ano Paso 4: Calcular los ahorros de gas. Para calcular los ahorros de gas que resultan de la instalacion de un sistema de aire comprimido para instrumentacion, es impor- tante determinar las tasas normales de perdida (fugas continuas de las redes de tubenas, dispositivos de control, etc.), asi como las tasas de perdida mas altas (aso- ciadas con los movimientos en los dispositivos de control). Un metodo es listar todos los dispositivos de control, calcular sus tasas de perdida normal y mas alta, frecuencia de accionamiento, y calculos de las fugas de las redes de tubenas. Los fabricantes de los dispositivos de control generalmente publican las tasas de emision para cada tipo de dispositive, y para cada tipo de operacion. Las tasas deben aumentase en 25 por ciento para dispositivos que han estado en servicio sin reparacion por cinco a 10 ahos, y en alrededor de 50 por ciento para dispositivos que no han sido reparados por mas de 10 ahos para tener en cuenta el aumento de fuga asociado con el desgaste y deterioro. Alternativamente, la instalacion de un medidor puede ser un metodo mas precise, siempre que se haga un monitoreo durante un periodo de tiempo suficientemente largo para tener en cuenta todos los usos de gas en la planta (es decir, bombas, arrancadores de motor, activacion de valvulas de aislamiento). La publicacion de EPA Lessons Learned: Options for Reducing Methane Emissions from Pneumatic Devices in the Natural Gas Industry (Lecciones aprendidas: Opciones para reducir emisiones de metano de los dispositivos neumaticos en la industria de gas natural), proporciona informacion sobre los nombres de marca, modelos y consumo de gas para una amplia variedad de dispositivos neumaticos utilizados en la actualidad. Tambien se proporciona informacion de los fabricantes y los datos de mediciones en campo, siempre que esten disponibles (ver el Apendice de dicho informe). Para simplificar el calculo de los ahorros de gas para los proposi- tos del analisis de la presente leccion, podemos utilizar las reglas practices anterio- res para calcular los ahorros de gas. Los ahorros de gas para el ejemplo de una 11 ------- planta de produccion mediana del Cuadro 4 incluyen el calculo conservador de 35 pies cubicos por minuto utilizados en los 35 controladores neumaticos mas el gas utilizado ocasionalmente para arrancadores de motor de compresores y bombas neumaticas quimicas y de transferencia pequehas. (Tome nota que al reemplazar estos usos de gas se produciran ahorros directos en las emisiones de gas.) El gas natural no se usa en herramientas neumaticas ni en sopletes de arena a presion, de manera que el aire comprimido adicional proporcionado para estos servicios no reduce las emisiones metano. Suponiendo un uso promedio anual de 10 pies cubi- cos por minuto de gas para servicios generales, los ahorros de gas son de 45 pies cubicos por minuto. Como se muestra en el Cuadro 10, esto es equivalente a 23 millones 652 mil pies cubicos por aho y un ahorro anual de $71,000. Cuadro 10: Calculo de ahorros de gas Suponiendo: Utilization de gas para instrumentos neumaticos Otros usos que no son para instrumentos neumaticos = 35 pies cubicos por minuto = 10 pies cubicos por minuto Calcular valor de gas ahorrado: Volumen de gas natural ahorrado Volumen anual de gas ahorrado Valor anual de gas ahorrado = Uso en instrumentos + otros usos = 35 pies cubicos por minuto + 10 pies cubicos por minuto = 45 pies cubicos por minuto = 45 pies cubicos por minuto * 525,600 min./ano/ 1000 = 23 millones 652 mil pies cubicos/ano = volumen * $3.00/mil pies cubicos = 23 millones 652 mil pies cubicos/ano * $3.00/mil pies cubicos = $71,000/ano Paso 5: Evaluar los aspectos economicos. La reduccion de costos al reemplazar los sistemas de control neumaticos de gas natural con sistemas de aire comprimido para instrumentacion pueden evaluarse utilizando un analisis economico sencillo de costo-beneficio. El Cuadro 11 muestra un analisis de costo-beneficio para un ejemplo de una planta de produccion mediana. El flujo de caja por un periodo de cinco ahos se analiza uti- lizando la magnitud y el momento en que se incurren los costos que aparecen en los cuadros 8 y 9 (mostrados en parentesis) y los beneficios que aparecen en el Cuadro 10. Los costos anuales de mantenimiento asociados con los compresores y el secador de aire, de los cuadros 5 y 7, tambien se tienen en cuenta, asi como la reparacion total despues de cinco ahos de un compresorsegun lo indicado en el Cuadro 5. El valor presente neto (VPN) es igual a los beneficios menos los costos incurridos en un plazo de cinco ahos y descontados a una tasa de 10 por ciento cada aho. La Tasa Interna de Retorno (TIP) refleja la tasa de descuento a la cual el NPV generado por la inversion es igual a cero. 12 ------- Cuadro 11: Analisis economico de conversion a sistema de aire comprimido para instrumentation Costo de instalacion ($) Costo de operation y mantenimiento ($) Costo de reparation ($) Costo total ($) Ahorros de gas ($) Flujo anual de caja ($) Flujo de caja acumulativo ($) AiioO (45,750) 0 0 (45,750) 0 (45,750) (45,750) Aiio 1 (13,140)' (3,200)2 0 (16,340) 71 ,0004 54,660 8,910 Aiio 2 (13,140) (3,200) 0 (16,340) 71,000 54,660 63,570 Aiio 3 (13,140) (3,200) 0 (16,340) 71,000 54,660 118,230 Aiio 4 (13,140) (3,200) 0 (16,340) 71,000 54,660 172,890 Perfodo de recuperacion (meses) TIR VPNS Aiio 5 (13,140) (3,200) (4,800)3 (21,140) 71,000 49,860 222,750 10 177% $158,454 1 La energfa electrica se calcula a 7.5 centavos por kilowatt-hora. 2 Los costos de mantenimiento incluyen $1,200 porservicio del compresory $2,000 porcambio de la membrana del secador. 3 El costo de reparation general del compresor es $3,000, aumentado a una tasa de 1 0% anual 4 Valor del gas = $3.00/mil pies cubicos. s Valor presente neto (VPN) basado en una tasa de interes de 10% durante 5 afios. Paso 6: Desarrollar un plan de implementacion. Despues de determinar la factibilidad y los aspectos economicos de la conversion a un sistema de aire com- primido para instrumentacion, hay que desarrollar un plan sistematico de imple- mentacion de los cambios requeridos. Esto puede incluir la instalacion de un medi- dor de gas en la Knea de suministro de gas, hacer un calculo del numero de ciclos de control, asegurar un suministro ininterrumpido de energia electrica para hacer funcionar los compresores y reemplazar los controladores antiguos, obsoletos y con elevadas fugas. Se recomienda que todos los cambios necesarios se hagan a la vez para minimizar los costos de mano de obra y las interrupciones de la operacion. Esto puede incluir una estrategia paralela para instalar dispositivos de bajo nivel de fugas conjuntamente con el interrupter para los sistemas de aire comprimido para instrumentacion. Existen ahorros economicos similares en la conservacion de aire comprimido para instrumentacion y en la reduccion de emisiones de metano con dispositivos neumaticos de bajos niveles de fuga. Cada vez que se reemplazan dis- positivos neumaticos especificos, como en el caso de sistemas alternatives mecani- cos y/o electronicos, los dispositivos neumaticos existentes deben reemplazarse considerando factores economicos similares, como los que se tratan en el docu- mento Lessons Learned: Options for Reducing Methane Emissions from Pneumatic Devices in the Natural Gas Industry (Lecciones aprendidas: Opciones para reducir las emisiones de metano de los dispositivos neumaticos en la industria de gas natural). 13 ------- Experiencias de participantes Varies participantes de EPA Natural Gas STAR han informado que la conversion de sistemas de control neumatico en base a gas natural a sistemas de aire comprimido para instrumentacion ha sido la fuente mas importante de reduccion de emisiones de metano y una fuente importante de reduccion de costos. El Cuadro 12 a conti- nuacion resalta los logros declarados por varios participantes de Natural Gas STAR. Cuadro 12: Experiencias declaradas por los participantes Socio de Description Costo del Reducciones en Ahorros Periodo de Gas STAR del proyecto proyecto las emisiones anuales recuperation ($) anuales (miles de ($/ano)1 (meses)2 pies cubicos/ano) Unocal Texaco3 Chevron3 Exxon/ Mobil4 Shell Marathon Instalo un sistema de aire comprimido en su planta de Agua Fresca de Bayou en el surde Vermillion Parish, Louisiana Instalo un sistema de aire comprimido para accionar dispositivos neumaticos en 10 plan- tas del sur de Louisiana Convirtio los controlado- res neumaticos a aire comprimido, incluyendo nuevas instalaciones Instalo sistemas de aire comprimido para instru- mentacion en 3 plantas satelites de production y 1 baterfa de tan que central en la unidad de C02 de Postle Utilize dispositivos opera- dos con aire comprimido para instrumentacion en mas de 4,300 valvulas en plataformas de alta mar Instalo 15 sistemas de aire comprimido para instrumentacion en insta- laciones de New Mexico 60,000 40,000 173,000 durante 2 anos 55,000 No disponible No disponible 69,350 23,000 31,700 19,163 532,800 120-38,000 por planta 208,050 69,000 95,100 57,489 1,598,400 360- 114,000 <4 7 11 12 No disponible No disponible 1 Valor del gas = $3.00/mil pies cubicos. 2 Calculado en base a costos y ahorros de gas declarados por los participantes. 3 Los datos de este informe se obtuvieron antes de la fusion de Chevron y Texaco en 2001 . 4 Los datos de este informe se obtuvieron antes de la fusion de Exxon y Mobil en 1999. 14 ------- Otras tecnologfas La mayoria de las experiencias de los participantes en la sustitucion de dispositivos neumaticos e instrumentos de control accionados por gas natural con controladores alternatives ha significado la instalacion de sistemas de aire comprimido para instru- mentacion. Algunas alternativas adicionales a los dispositivos neumaticos acciona- dos por gas implementadas por los participantes se describen a continuacion: * Nitrogeno liquido. En un sistema que utiliza nitrogeno Kquido, el tanque de volumen, el compresor de aire y el secador se reemplazan con un cilindro que contiene nitrogeno Kquido criogenico. Un regulador de presion permite la expansion del gas de nitrogeno dentro del instrumento y la red de tuberia de control a la presion deseada. Los cilindros de nitrogeno Kquido se cambian periodicamente. Los dispositivos que funcionan con nitrogeno Kquido requieren el uso de Kquidos criogenicos, los cuales pueden ser costosos y potencialmente peligrosos. El uso de volumenes grandes en sistemas de nitrogeno Kquido requiere un vaporizador. * Sistemas de controles e instrumentos mecanicos. Los dispositivos de control y los instrumentos mecanicos tienen un largo historial de uso en la industria de gas natural y petroleo. Generalmente se distinguen por la ausen- cia de componentes neumaticos y electricos, son de diseho simple y no requieren fuente de energia. Dichos equipos funcionan utilizando resortes, palancas, deflectores, canales de flujo y volantes de mano. Tienen varias desventajas, tales como su limitada aplicacion, la necesidad de calibracion continua, falta de sensibilidad, incapacidad de resistir variaciones importantes y posibilidad de que las partes se peguen. * Dispositivos electricos y electro-neumaticos. Como resultado de los avances tecnologicos y sofisticacion creciente, el uso de instrumentos y dis- positivos de control electronicos esta aumentando. La ventaja de estos dis- positivos es que no requieren dispositivos de compresion para suministrar energia a fin de hacer funcionar el equipo. Se utiliza una simple fuente de energia electrica de 120 voltios. Otra ventaja es que el uso de instrumentos y dispositivos de control electronicos es mucho menos peligroso que utilizar cilindros de gas natural combustible o nitrogeno Kquido criogenico. La desventaja de estos dispositivos es su dependencia de una fuente ininte- rrumpida de energia electrica, y su costo significativamente mayor. Si bien estas opciones tienen ventajas, los sistemas que utilizan aire en lugar de gas natural son la alternativa mas ampliamente utilizada al reemplazar los dispositivos de control neumatico accionados por gas natural. Es importante anotar que el mante- ner una fuente constante y confiable de aire comprimido seco en una planta implica un costo significative, aunque menor que el gas natural. Por lo tanto, resulta economico implementar una estrategia paralela para instalar dispositivos de bajo nivel de fuga conjuntamente con el interrupter para sistemas de aire comprimido para instrumentacion (consulte Lessons Learned: Options for Reducing Methane Emissions from Pneumatic Devices in the Natural Gas Industry (Lecciones aprendi- das: Opciones para reducir las emisiones de metano de los dispositivos neumaticos en la industria de gas natural)), y disehar un programa de mantenimiento para man- tener los instrumentos y dispositivos de control ajustados. Tales acciones pueden reducir significativamente el consumo de aire comprimido para instrumentacion del sistema y, por lo tanto, minimizar el tamaho del sistema de compresion y el con- sumo de electricidad a lo largo de la vida util de la planta. 15 ------- Lecciones aprendidas Las lecciones aprendidas de los participantes de Natural Gas STAR son: * La instalacion de sistemas de aire comprimido para instrumentacion tiene el potencial de aumentar ingresos y reducir sustancialmente las emisiones de metano. * Los sistemas de aire comprimido para instrumentacion pueden aumentar el ciclo de vida del equipo del sistema, el cual puede acumular rastros de azufre y varies gases acidos cuando se controlan mediante gas natural, ahadiendo asi al potencial de ahorros y aumentando la eficiencia de operacion. * Las plantas e instalaciones en lugares remotos sin fuente confiable de energia electrica usualmente requieren la evaluacion de fuentes alternativas de gene- racion de energia. Cuando es posible, los compresores de aire accionados por energia solar proporcionan una alternativa con beneficios economicos y ecologi- cos a la costosa electricidad en areas de produccion alejadas. La generacion en la planta utilizando microturbinas que funcionan con gas natural es otra alternativa. * Generalmente es economica una estrategia paralela de instalacion de disposi- tivos con baja tasa de fuga en conjunto con el interrupter para sistemas de aire comprimido para instrumentacion. * Se puede utilizer la infraestructura existente. Por lo tanto, no se necesita reem- plazar la las tubenas. Sin embargo, deben lavarse los residues acumulados en las tubenas y conductos existentes. * Los compresores de aire rotatorios normalmente se lubrican con aceite, el cual debe filtrarse para mantener la vida util y rendimiento adecuado de los secadores de membrana. * La utilizacion de aire comprimido para instrumentacion elimina los peligros de seguridad asociados con el uso de gas natural inflamable en dispositivos neumaticos. * Los sistemas accionados con nitrogeno pueden ser una alternativa al aire com- primido para instrumentacion en casos especiales, pero tienden a ser costosos y el uso de gas criogenico puede crear problemas de seguridad. * Declare las reducciones de emisiones de metano como resultado de la conver- sion de controles neumaticos accionados con gas a aire comprimido para instrumentacion en su Informe Anual de Natural Gas STAR. Nota: La informacion de costo provista en este documento se basa en calculos para Estados Unidos. Los costos de equipo, mano de obra y el valor del gas variaran dependiendo del lugar, y podrian ser mayores o menores que en los Estados Unidos. La informacion sobre costo presentada en este documento solamente debe usarse como guia al determinar si las tecnologias y las practicas son convenientes economicamente para sus operaciones. 16 ------- Adams, Mark. Pneumatic Instrument Bleed Reduction Strategy and Practical Application, Fisher Controls International, lnc.1995. Beitler, C.M., Reif, D.L., Reuter, C.O. y James M.Evans. Control Devices Monitoring for Glycol Dehydrator Condensers: Testing and Modeling Approaches, Radian International LLC, Gas Research Institute, SPE 37879, 1997. Cober, Bill. C&B Sales and Services, Inc. Contacto personal. Fisher, Kevin S., Reuter, Curtis, Lyon, Mel y Jorge Gamez. Glycol Dehydrator Emission Control Improved, Radian Corp., Public Service Co. of Colorado Denver, Gas Research Institute. Frederick, James. Spirit Energy 76. Contacto personal. Games, J.R, Reuter, C.O. y C.M. Beitler, Field Testing Results for the R-BTEX Process for Controlling Glycol Dehydrator Emissions, Gas Research Institute, Radian Corporation, SPE 29742, 1995. Gunning, Paul M.U.S. EPA Natural Gas STAR Program. Contacto personal. Gupta, Arun, Ansari, R. Rai y A.K. Sah. Reduction of Glycol Loss From Gas Dehydration Unit At Offshore Platform in Bombay Offshore - A Case Study, N.A.K.R. IOGPT, ONGC, India, SPPE 36225, 1996. Reid, Laurance, S. Predicting the Capabilities of Glycol Dehydrators, SPE-AIME, Laurance Reid Associates. Scalfana, David B., Case History Reducing Methane Emissions From High Bleed Pneumatic Controllers Offshore, Chevron U.S.A. Production Co. SPE 37927, 1997. Schievelbein,VH., Hydrocarbon Recovery from Glycol Reboiler Vapor With Glycol-Cooled Condenser, Texaco, Inc. SPE 25949. 1993. Schievelbein,Vernon H. Reducing Methane Emissions from Glycol Dehydrators, Texaco EPTD, SPE 37929, 1997. Soules, J.R. y RV Tran. Solar-Powered Air Compressor: An Economical and Ecological Power Source for Remote Locations, Otis Engineering Corp. SPE 25550, 1993. 17 ------- &EPA Agenda de Proteccion del Medic Ambiente de los Estados Unidos Aire y Radiacion (6202J) 1200 Pennsylvania Ave., NW Washington, DC20"Gn ------- |