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
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