31 26 rediseño de sistemas de antorcha en plataformas ... · de antorcha flaresim, versión 2.1,...

XIX Convención Internacional del Gas AVPG 2010, 24 al 26 mayo Caracas, Venezuela

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REDISEÑO DE SISTEMAS DE ANTORCHA EN PLATAFORMAS OFF-SHORE DE MODO DE MINIMIZAR RIESGOS DE PROCESO

PABLO GRAMAJO Gerencia de Ingeniería – Flargent S.A.


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RESUMEN

Las plataformas offshore se caracterizan por sus instalaciones de recepción y proce-

samiento de petróleo y gas natural de diseño compacto, para aprovechar al máximo

el espacio disponible, de por sí limitado. Asimismo, en estos espacios reducidos es

fundamental tener en cuenta la seguridad de los operarios y de las propias instala-

ciones.

En tal sentido, todo sistema de disposición final de gases residuales contará con res-

tricciones tanto de espacio como de máximos valores permitidos para emisión de

radiación térmica y ruido; la selección de los modelos y correlaciones de cálculo debe

ser muy cuidadosa para obtener un diseño seguro que no implique un sobrediseño

tal que haga antieconómica la inversión, al mismo tiempo que permita maximizar la

producción.

El estudio se focaliza en la verificación de 6 plataformas existentes, en las que por

motivo de un aumento de producción fue necesario analizar el máximo caudal de gas

que es posible ventear.

Las instalaciones analizadas comprenden sistemas de venteo de alta presión (antor-

chas sónicas), de baja presión (antorchas subsónicas), múltiples etapas de venteo

simultáneo con chimeneas en paralelo, efecto de watershields, etc. Asimismo, se ha

considerado emisiones continuas y de emergencia.

A partir de los resultados obtenidos se han realizado recomendaciones para, de ser

necesario, adecuar el sistema de venteo tal que se cumplan los valores límites reco-

mendados por la normativa y la práctica industrial para radiación térmica, ruido, caída

de presión y velocidad de salida de gas.


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INTRODUCCIÓN De entre las unidades de proceso, las plataformas offshore (costa afuera) para ex-

tracción y tratamiento de gas se destacan porque en éstas debe realizarse una alta

inversión económica en un espacio reducido (en comparación con otras unidades de

niveles de producción equivalente); como resultado sus componentes, sean éstos

parte del proceso de extracción de gas del lecho submarino o de los distintos paque-

tes de procesamiento de gas crudo, deben estar confinados en un área de pocos

metros cuadrados, distribuidos en uno o varios niveles de altitud.

Por otra parte el conjunto debe poder hacer frente a condiciones climatológicas y ma-

rítimas adversas, lo cual debe ser tenido en cuenta para cualquier estructura que

quiera montarse en su interior; su aislamiento respecto a otras instalaciones, por

hallarse alejadas de la costa, implica que deban seguirse medidas de seguridad muy

estrictas.

En resumen, las características salientes son las siguientes:

• Alta producción en espacio reducido

• Necesidad de resistir condiciones climatológicas y marítimas adversas

• Aislamiento y necesidad de implementar estrictas medidas de seguridad


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Figura 1 – Plataforma P-52 (Petrobras)

Como en toda unidad de procesamiento, la operación en plataformas offshore está

asociada a la necesidad de eliminar efluentes y venteos gaseosos, ya sea en forma

continua o ante una emergencia.

La eliminación de efluentes gaseosos debe tener en cuenta las siguientes restriccio-

nes:

• Minimización del riesgo para las personas y las instalaciones

• Minimización del impacto ambiental

• Uso del espacio disponible en las instalaciones

• Consideraciones económicas: el proceso de eliminación no debe ser oneroso

desde el punto de vista económico, a la vez que debe ser compatible con una

maximización de la producción.


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De todo lo anterior puede deducirse que el diseño de un sistema de venteo para una

plataforma offshore debe realizarse con el mayor grado de precisión posible, para

evitar grandes sobrediseños y al mismo tiempo garantizar la seguridad de las perso-

nas y de las instalaciones.

SISTEMAS DE VENTEO EN PLATAFORMAS OFFSHORE En líneas generales, un sistema de venteo consta de los siguientes elementos:

• Colectores de venteo: cañerías que llevan el gas desde el elemento de venteo

(válvula de alivio o seguridad, válvula de blowdown, etc.) hasta los elementos

de disposición final

• Separador de antorcha (knock-out drum): recipiente donde se realiza la sepa-

ración de cualquier líquido que pueda arrastrarse en la corriente gaseosa.

• Antorcha o mechurrio: elemento final del sistema; en su extremo se realiza el

quemado del gas venteado, tal que se libera a la atmósfera dióxido de carbo-

no y agua como productos finales; la longitud y altura total debe ser suficiente

para minimizar los efectos de la radiación térmica a nivel de las instalaciones

de proceso.

Según la presión del gas en el colector de venteo, los sistemas de venteo se clasifi-

can en:

Sistema de venteo de alta presión: el gas llega a la base de la antorcha con una

presión de entre 5 y 10 kg/cm2g, en el extremo superior se alcanza un régimen de

flujo sónico (Ma = 1, siendo Ma el número de Mach, cociente entre la velocidad del

gas y la velocidad del sonido en las mismas condiciones de presión y temperatura).


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Sistema de venteo de baja presión: el gas llega a la base de la antorcha con una

presión de entre 0 y 1 kg/cm2g; la operación se realiza a velocidades de gas subsóni-

cas (Ma < 1, este valor generalmente oscila entre 0,2 y 0,8).

Una plataforma offshore típicamente posee ambos sistemas de venteo (colector, se-

parador y antorcha de alta presión; colector, separador y antorcha de baja presión),

pudiendo éstos ventear en forma simultánea.

La antorcha de alta o baja presión puede constar de una o varias etapas en paralelo

(en general hasta cuatro etapas). A medida que aumenta el caudal de gas venteado,

se habilitan sucesivamente las etapas, hasta llegar al caudal de diseño (caudal

máximo), en el cual todas las etapas deben estar operativas.


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Figura 2 – Esquema del sistema de control de una antorcha multietapa

DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE UN SISTEMA DE VENTEO

El diseño conceptual de un sistema de venteo implica determinar o establecer, para

el caudal máximo de venteo, lo siguiente:


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• Diámetro de la chimenea y el pico de la antorcha (en antorchas de varias eta-

pas en paralelo, se debe determinar el diámetro de cada una de las etapas),

de manera que el venteo se realice en las condiciones hidrodinámicas ade-

cuadas.

• Longitud / Altura total de la antorcha, tal de garantizar en las instalaciones ni-

veles de radiación térmica y ruido por debajo de los niveles máximos permisi-

bles.

• Dimensiones (diámetro y longitud) del separador de antorcha (de haber más

de un sistema de venteo, del separador de alta presión y del separador de ba-

ja presión)

• Diámetro de los colectores de venteo, tal que sea compatible por la pérdida de

carga disponible dadas las contrapresiones en las válvulas de seguridad, vál-

vulas de blowdown, etc.

• Materiales empleados (según las características del gas venteado y las condi-

ciones de presión y temperatura)

• Sistema de encendido (ignición directa o generación de frente de llama)

• Otras características (asistencia de aire o vapor de agua contra la formación

de humo, escudos de agua, etc.)

La verificación de un sistema de venteo existente implica determinar si sus dimensio-

nes son adecuadas para el tratamiento del caudal máximo de venteo (caudal de di-

seño). Este trabajo se enfoca en la verificación de las características de las antor-

chas.


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Tanto en el diseño como en la verificación deben tenerse en cuenta restricciones re-

lativas al proceso de descarga del gas y a la seguridad de las personas y las instala-

ciones:

Nivel máximo de radiación térmica: valor máximo alcanzable a nivel de las instala-

ciones de proceso y en todo lugar donde pueda haber presencia humana continua o

eventual; este valor determinará la longitud y altura mínima que debe poseer la an-

torcha.

Máxima caída de presión: este valor dependerá de la contrapresión disponible en el

colector de venteo, lo cual condicionará el diámetro del colector y de la antorcha.

Número de Mach: la norma API 521 recomienda valores máximos y mínimos para el

número de Mach para antorchas subsónicas, tal que la llama en el extremo superior

de la antorcha sea estable.

Nivel máximo de ruido: valor máximo del nivel de presión sonora alcanzable en to-

do lugar donde pueda haber presencia humana continua o eventual.

DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO REALIZADO

A mayor caudal de producción de la plataforma, mayor será el caudal de diseño del

sistema de venteo; el objeto del trabajo realizado ha sido determinar para cada una

de aquéllas el caudal máximo de gas que puede ser venteado teniendo en cuenta las

restricciones a los niveles de radiación térmica, ruido, presión y velocidad del gas;

para esto se ha realizado una la selección de los modelos físicos y de las herramien-

tas de cálculo más apropiadas para obtener valores con un nivel de precisión razo-

nable.


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El estudio se ha realizado para 6 plataformas (FPSO MLS, P-35, P-40, P-52, P-53 y

P-54), con diversas características de sus sistemas de venteo (diámetros, alturas,

cantidad de etapas, etc.).

Se han realizado cálculos de niveles de radiación térmica y ruido en 10 puntos de

cada plataforma, seleccionados por su cercanía a la antorcha, su nivel de ocupación

por parte del personal o su importancia en el proceso global de extracción y trata-

miento de gas.

Se han tenido en cuenta las siguientes premisas:

• Para realizar los cálculos se ha utilizado el software de simulación de sistemas

de antorcha Flaresim, versión 2.1, distribuido por la empresa Softbits

• Se ha tenido en cuenta casos de venteo continuo y de emergencia

• Se ha considerado la posibilidad de venteo simultáneo del sistema de alta y de

baja presión

• Se ha tenido en cuenta, en el cálculo del nivel de radiación térmica, el aporte

de la radiación solar

• Se han considerado tanto la presencia como la ausencia de water-shield

• Se han realizado los cálculos para distintas condiciones meteorológicas (velo-

cidades y direcciones del viento)

• No se ha considerado asistencia de aire o vapor de agua contra la formación

de humo


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La secuencia seguida para realizar el trabajo es la siguiente:

• Selección del modelo de emisión de radiación térmica

• Establecimiento de la correlación más adecuada para el cálculo del parámetro

F (fracción de calor emitida por radiación desde la antorcha)

• Selección del modelo de emisión de ruido

• Establecimiento de los valores límite a considerar en la verificación

• Selección de los puntos a analizar en cada una de las plataformas

• Establecimiento de las condiciones meteorológicas a considerar

• Ingreso de los datos en el simulador

• Realización de las corridas para las distintas condiciones de venteo; de ser

necesario realizar varias determinaciones por prueba y error hasta llegar al va-

lor final del nivel de radiación térmica o de ruido

• Presentación de los resultados

• Conclusiones y recomendaciones


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MODELO DE EMISIÓN DE RADIACIÓN TÉRMICA

Los diversos modelos varían en complejidad, teniendo en cuenta cuán conservativo

sea el resultado que se quiera obtener; cada uno de éstos propone distintas hipótesis

sobre el comportamiento y la forma de la llama resultante de la combustión del gas

venteado.

Los modelos considerados son los siguientes:

• Modelos de fuente puntual de radiación térmica

• Modelo de Fuente Puntual Integrada (IPS, por sus iniciales en idioma inglés)

• Modelo de Fuente Difusa Integrada (IDS, por sus iniciales en idioma inglés)

• Modelo de Fuente Mixta Integrada (IMS, por sus iniciales en idioma inglés)

a) Modelos de fuente puntual de radiación térmica

El modelo más sencillo y más comúnmente utilizado es aquél propuesto en la norma

API 521 (Pressure-relieving and Depressure Systems), en el cual se considera que

todo el calor se libera desde una fuente puntual (el punto medio de la llama).

El cálculo está basado en la ecuación de Hajek y Ludwig; dada una distancia mínima

( D ) desde el punto de emisión de la llama hasta el objeto donde se quiere calcular el

nivel de radiación térmica ( K , energía por unidad de tiempo y área), se tiene que:


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2..4..DQFK

πτ

= (1)

Donde:

Q : Calor total liberado por la combustión del gas venteado

Este valor depende del caudal de gas que se ventea (W ) y de su poder calorífico

inferior ( PCI )

WPCIQ .= (2)

F : Fracción de la energía emitida por la antorcha transmitida por radiación; 10 << F

Éste es un parámetro empírico que depende principalmente del tipo de gas ventea-

do, su caudal, diseño del pico utilizado (subsónico o sónico) y la presencia de humo.

τ : Fracción de la energía transmitida por radiación no absorbida por la atmósfera

(transmisividad); 10 << τ

Este parámetro tiene en cuenta la capacidad de la atmósfera circundante para la ab-

sorción de calor. Para cálculos conservativos se considera 1=τ .

En su forma básica, este modelo considera que el punto emisor está en la base de la

llama. Una aproximación más realista considera que este punto se halla en la mitad

de la llama; para aplicar esta hipótesis es necesario complementar el modelo con un

método que posibilite determinar la longitud de la llama. Para esto, la norma API pre-

senta gráficos que correlacionan datos de longitud de llama obtenidos a partir de ob-

servaciones en campo.


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El método de Brzustowski y Sommer (1973) constituye una variante del método API

que tiene en cuenta el ángulo entre la normal a la superficie donde se quiere estimar

el nivel de radiación térmica y la línea de visión al centro de llama; se menciona este

método en la norma API 521 como alternativa para determinar la posición del centro

de la llama.

b) Modelo de Fuente Puntual Integrada (IPS)

En este modelo se divide la llama en elementos, cada uno de los cuales constituye

una fuente puntual; la radiación térmica emitida por la llama es la sumatoria de la

contribución de cada una de las fuentes puntuales consideradas.

∑=

=n

i i

i

Dl

LQFK

12.

..4

..π

τ (3)

Donde:

ni K,2,1= : Elemento de llama considerado (elemento 1, elemento 2, y así sucesiva-

mente hasta el elemento n )

L : Longitud total de la llama

il : Longitud del elemento de llama i ; ∑=

=n

iilL

1

iD : Distancia desde el elemento de llama hasta el objeto donde se quiere calcular el

nivel de radiación térmica

K : Flujo de radiación térmica (energía por unidad de tiempo y área)


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Q : Calor total liberado por la combustión del gas venteado (fórmula (2))

F : Fracción de la radiación emitida por la antorcha que se transmite por radiación

τ : Fracción del calor transmitido por radiación no absorbido por la atmósfera (trans-

misividad); 10 << τ

Para aplicar este método, deben cumplirse las siguientes hipótesis:

• La llama emite radiación uniformemente en toda su extensión

• La llama es larga en comparación a su ancho, por lo cual puede considerarse

una fuente lineal

De estas hipótesis se concluye que la llama es transparente a la radiación térmica y

que cada elemento de llama no interfiere el uno con el otro.

c) Modelo de Fuente Difusa Integrada (IDS)

Este modelo asume que la llama es opaca, tal que la emisión de radiación térmica se

realiza enteramente desde su superficie.

∑=

=n

i i

ii

Dsenl

LQFK

122

)(..... β

πτ

(4)

Donde:


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ni K,2,1= : Elemento de llama considerado (elemento 1, elemento 2, y así sucesiva-

mente hasta el elemento n )

L : Longitud total de la llama

il : Longitud del elemento de llama i ; ∑=

=n

iilL

1

iβ : Ángulo entre la tangente a la llama para el elemento i y la línea de visión el cen-

tro de llama del elemento i hasta el objeto donde se quiere determinar el nivel de

radiación térmica

iD : Distancia desde el elemento de llama del elemento i hasta el objeto donde se

quiere calcular el nivel de radiación térmica

K : Flujo de radiación térmica (energía por unidad de tiempo y área)

Q : Calor total liberado por la combustión del gas venteado (ver fórmula (2))

F : Fracción de la radiación emitida por la antorcha que se transmite por radiación

τ : Fracción del calor transmitido por radiación no absorbido por la atmósfera (trans-

misividad); 10 << τ

d) Modelo de Fuente Mixta Integrada (IMS)

En este modelo se aplica una combinación lineal de resultados de los modelos de

Fuente Puntual Integrada (IPS) y Fuente Difusa Integrada (IDS) descriptos anterior-

mente.


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IDSIPSIMS KaKaK ).1(. −+= (5)

Donde:

IMSK : Flujo de radiación térmica resultante de aplicar el Método de Fuente Mixta In-

tegrada

IPSK : Flujo de radiación térmica resultante de aplicar el Método de Fuente Puntual

Integrada

IDSK : Flujo de radiación térmica resultante de aplicar el Método de Fuente Difusa In-

tegrada

a : Constante ( 10 << a ), cuyo valor se obtiene a partir de la correlación de resultados

de los métodos IPS y IDS

e) Comparación entre los métodos presentados

Los métodos de fuente puntual (de los que se han presentado los métodos API y de

Brzustowski y Sommer) han demostrado proveer resultados razonables a distancias

relativamente grandes de la antorcha; por tal motivo, por su sencillez, son amplia-

mente utilizados en el diseño de sistemas de venteo de instalaciones onshore.

Por el contrario, para distancias cercanas a la base de la antorcha estos métodos no

predicen adecuadamente los niveles de radiación, por lo cual no resultan la mejor

opción aplicable a las plataformas offshore, una de cuyas características es la poca

disponibilidad de espacio y la cercanía de las instalaciones de proceso a la zona para

disposición final de gases residuales.


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Si en cambio se analizan los resultados obtenidos con los modelos de fuentes múlti-

ples, la experiencia de campo ha demostrado que éstos proveen valores razonables

de niveles de radiación térmica, con las siguientes características:

• Los modelos de Fuente Puntual Integrada (IPS) y de Fuente Difusa Integra-

da (IDS) predicen valores similares para los niveles de radiación térmica a

grandes distancias de la antorcha

• El Modelo de Fuente Puntual Integrada (IPS) tiende a sobrevalorar los nive-

les de radiación térmica en las cercanías de la antorcha

• El Modelo de Fuente Difusa Integrada (IDS) tiende a subestimar los niveles

de radiación térmica en las cercanías de la antorcha

El objetivo del Modelo de Fuente Mixta Integrada (IMS) es combinar los dos métodos

anteriores, IPS y IDS, de manera que se obtenga una mejora en las predicciones en

zonas cercanas a la base de la antorcha.

De lo antedicho en los párrafos anteriores se deduce que el Modelo de Fuente Mixta

Integrada (IMS) resulta el más atractivo de entre los modelos presentados para reali-

zar el estudio en las seis plataformas offshore.

El programa de cálculo determina el parámetro τ en función de la distancia desde el

centro de llama hasta el objeto donde se quiere calcular el nivel de radiación térmica,

y de la humedad relativa ambiente. Entre los límites de aplicación de la correlación

utilizada, el valor de este parámetro suele variar entre 0,8 y 0,9.

Para los casos de mitigación del nivel de radiación térmica por presencia de un wa-

tershield (cortina de agua para disminuir el nivel de radiación térmica) se ha estable-


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cido un valor de τ de 0,3, dada la ausencia de datos adicionales que permitan un

modelado más preciso.

El valor de n se ha fijado en 20 elementos de llama, dado que el uso de valores ma-

yores aumentarían el tiempo de cálculo sin que se obtenga una diferencia significati-

va en los valores calculados.

La inclinación de la llama se determina resolviendo los vectores de velocidad de sali-

da de gas, velocidad del viento y flotabilidad de la llama, mientras que su longitud se

calcula en función del calor total liberado por la combustión del gas venteado y del

tipo de pico empleado

CORRELACIÓN PARA EL CÁLCULO DEL PARÁMETRO F El valor de F depende tanto de las propiedades del gas venteado como del régimen

de flujo en la antorcha y de las características constructivas del pico. Su estimación

resulta fundamental para la obtención de valores razonables del nivel de radiación

térmica.

a) Correlación para gas natural

Esta correlación fue desarrollada especialmente para una corriente de gas natural

de peso molecular igual a 19; el valor de F depende de la velocidad de salida del

gas en el extremo superior de la antorcha.

b) Método de Kent

Este método, propuesto en 1964, relaciona el valor de F con el poder calorífico

inferior del gas; la fórmula de cálculo utilizada es:


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900.2,0 PCIF = (13)

Donde:

PCI : Poder calorífico inferior del gas en BTU/Sm3 (condiciones estándar a 14,7

psia y 60 °F)

El poder calorífico inferior del gas (para el caso de los hidrocarburos) se correla-

ciona, a su vez, con su peso molecular:

100.50 += PMPCI (14)

Para una mezcla de gases:

∑=

=n

iii PCIyPCI

1. (15)

Donde:

PM : Peso molecular del gas

iPCI : Poder calorífico inferior del gas i en una mezcla de gases

iy : Fracción molar del gas i en una mezcla de gases

Los valores de F obtenidos varían desde 0,2 para metano; 0,33 para propano;

hasta 0,55 para otros hidrocarburos. El autor no provee validación experimental


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para su método ni un intervalo de aplicación; sin embargo, otros autores reportan

haberlo aplicado satisfactoriamente para el diseño de sistemas de antorcha.

c) Método de Tan

Este método, propuesto en 1967, relaciona directamente el parámetro F con el

peso molecular del gas venteado:

PMF .048,0= (16)

Donde:

PM : Peso molecular del gas

Esta correlación arroja los siguientes valores para el parámetro F : 0,2 para me-

tano; 0,33 para propano y 0,4 para hidrocarburos de mayor peso molecular. El au-

tor no provee validación experimental ni indica los límites de aplicación de su mé-

todo.

d) Valores recomendados por la Norma API 521

La Norma API 521 presenta una tabla con valores de F para hidrógeno, metano,

butano y gas natural (95% de metano), obtenidos experimentalmente para distin-

tos diámetros de quemador.

e) Método de Cook

En 1987 Cook propuso un método que se basa en considerar que la llama emite

radiación uniformemente desde su superficie. Las ecuaciones utilizadas son las

siguientes:


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QPF = (17)

fAEP .= (18)

HmQ .= (19)

De (17), (18) y (19) se obtiene:

HmAE

F f

..

= (20)

Donde:

:P Energía total transmitida por radiación desde la llama (W)

:Q Calor total liberado por la combustión del gas (W)

E : Poder emisivo (W/m2)

fA : Área de la llama (m2)

m : Flujo másico del gas (kg/s)

H : Calor de combustión (J/kg)

A partir del ajuste con datos experimentales se ha obtenido un valor medio del

poder emisivo ( E ) de 239000 W/m2. Con este método se obtienen valores para

F que varían entre 0,017 y 0,344.


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f) Método ‘General Pipe’

Este método se basa en el ajuste de los resultados obtenidos con las correlacio-

nes de los métodos de Kent, Tan, Cook y Gas Natural, en un rango de velocida-

des de salida del gas y de pesos moleculares.

g) Método ‘High Efficiency’

Este método utiliza una correlación propietaria del software Flaresim, que tiene en

cuenta el tipo de pico (subsónico, sónico, etc.), la velocidad de salida del gas, su

peso molecular y el grado de saturación de los hidrocarburos componentes.

h) Comparación entre los métodos para obtener el valor de F

De todos los métodos presentados, el método ‘High Efficiency’ es el que obtiene

valores menos conservativos para el parámetro F , mientras que el método ‘Gas

Natural’ propone los valores más altos.

A los efectos de este trabajo se ha seleccionado, para el cálculo de F , el método

‘High Efficiency’, dado que:

• Los picos utilizados en las plataformas son de diseño reciente y se ha con-

siderado un correcto diseño para los diferentes casos de venteo

• Los gases venteados constan en su mayor parte de hidrocarburos parafíni-

cos de bajo peso molecular, por lo que durante el quemado no hay forma-

ción de humo.


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MODELO DE EMISIÓN DE RUIDO

El ruido generado durante el venteo y quemado de gases en una antorcha puede

subdividirse en dos componentes:

Ruido por combustión: producido por la combustión de los gases en el extremo

superior de la antorcha

Ruido por ‘jet’: producido por la descarga del gas

Cada uno de estos componentes tendrá mayor incidencia en el valor total del ruido

dependiendo del tipo de antorcha: en las antorchas de baja presión (subsónicas)

prevalece el ruido por combustión de los gases; en las antorchas de alta presión (só-

nicas) prevalece el ruido por ‘jet’.

Para el cálculo del ruido se han considerado los siguientes métodos:

a) Método API

Este método es el más simple y está explicitado en la norma API 521 (Pressure-

relieving and Depressure Systems). Solamente tiene en cuenta la contribución del

ruido de ‘jet’ al total.

Se basa en la siguiente ecuación, en la cual el nivel de ruido se calcula como nivel de

presión sonora en decibeles a una distancia de 30 m del punto de descarga del gas a

la atmósfera:

)..5,0log(.10 230 cWLL m+= (6)


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Donde:

30L : Nivel de presión sonora a 30 m del punto de descarga atmosférico, en decibeles

L : Nivel de presión sonora (en decibeles), obtenido a partir de un gráfico de la norma

API 521, que correlaciona este valor de L con el cociente entre la presión aguas

arriba del extremo de la antorcha y la presión atmosférica

mW : Caudal másico del gas venteado (kg/s)

c : Velocidad del sonido en el gas venteado (m/s)

Para otras distancias, además de los 30 m considerados en la ecuación (6), en nivel

de presión sonora se calcula de la siguiente manera:

)30/log(.2030 rLLp −= (7)

Donde:

pL : Nivel de presión sonora (en decibeles) a la distancia r (en m)

r : Distancia desde la fuente sonora (extremo de la antorcha), medida en m

b) Método ‘Spectrum’ Este método tiene en cuenta tanto el aporte del ruido por combustión como del ruido

por ‘jet’ del gas en el extremo superior de la antorcha. El nivel de ruido se expresa

como nivel de presión sonora ( SPL ), expresado de la siguiente manera:


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⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

0

2

log.10PPSPL (8)

Donde:

P : Presión sonora

0P : Presión sonora de referencia (2.10-6 N/m2)

El nivel de presión sonora se expresa en decibelios A (dB(A)), escala que utiliza un

sistema de ponderación para tener en cuenta la diferencia de la sensibilidad del oído

humano para cada frecuencia del sonido (en el rango de frecuencias audibles por el

oído humano, la contribución de las frecuencias medias al valor global ponderado es

mayor que en el caso de las frecuencias más bajas o más altas). El espectro total de

frecuencias del ruido se divide en varias bandas de octavas, desde 63 Hz a 8000 Hz.

Ruido por combustión: es función principalmente de la liberación total de calor en

el pico de la antorcha y del diseño del pico. El cálculo se basa en curvas característi-

cas dependientes del tipo de pico utilizado (subsónico, sónico, etc.).

Por ejemplo, puede utilizarse la siguiente curva característica:


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Figura 1 – Curva típica para determinar el nivel de presión sonora por combustión

(método ‘Spectrum’)

La Figura 1 establece niveles de presión sonora por combustión para una distancia

de 20 ft de la fuente sonora y una cantidad de calor liberada de 81 MMBTU/h.

Para otras distancias y otros valores de calor liberado, el nivel de presión sonora se

corrige aplicando la siguiente ecuación:

ASPLD

QSPLSPL −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛+=20log.20

10.1,8log.10 71 (9)


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Donde:

1SPL : Nivel de presión sonora obtenido a partir de la Figura 1 (dB(A))

ASPL : Nivel de presión sonora que se sustrae al total debido a la atenuación atmos-

férica (dB(A))

Q : Calor total liberado por la combustión del gas venteado (MMBTU/h)

D : Distancia desde el punto medio de la llama hasta la posición cuyo nivel de pre-

sión sonora se quiere determinar (ft)

En el programa de cálculo se debe seleccionar la curva estándar para la determina-

ción del componente de ruido por combustión, o se deben ingresar los valores de

referencia de calor de combustión Q y de los niveles de presión sonora de referencia

para cada una de las bandas de frecuencia consideradas.

Ruido por ‘jet’: se produce por la expansión de la corriente gaseosa venteada en el

extremo de la antorcha; su valor depende de la energía cinética y de la eficiencia

acústica del gas expandido. Se aplica la siguiente ecuación:

2...

2uVPWL ρη= (10)

ASPLDPWLSPL −−−= 49,0log.20 (11)

Donde:

PWL : Nivel de potencia sonora de la fuente de ruido


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η : Eficiencia acústica

V : Flujo volumétrico del gas venteado

ρ : Densidad del gas venteado, aguas abajo del extremo superior de la antorcha

u : Velocidad del gas venteado, aguas abajo del extremo superior de la antorcha

D : Distancia desde el punto medio de la llama hasta la posición cuyo nivel de pre-

sión sonora se quiere determinar (ft)

ASPL : Nivel de presión sonora que se sustrae al total debido a la atenuación atmos-

férica (dB(A))

Para determinar la eficiencia acústica, se debe tener en cuenta la velocidad del gas

expandido y su tipo de flujo (subsónico o sónico).

Para flujo subsónico, la eficiencia acústica se obtiene a partir de la Figura 2, donde

se correlaciona con el cociente entre la velocidad del gas y la velocidad del sonido,

ambas medidas aguas abajo del extremo superior de la antorcha:


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Figura 2 – Eficiencia acústica para flujo subsónico

El parámetro adimensional B se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

2

. ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

∞∞ TTB

ρρ

(12)

Donde:

ρ : Densidad del gas venteado, aguas abajo del extremo superior de la antorcha


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∞ρ : Densidad del gas venteado en condiciones atmosféricas

T : Temperatura del gas venteado, aguas abajo del extremo superior de la antorcha

∞T : Temperatura del gas venteado en condiciones atmosféricas

Para flujo sónico, la eficiencia acústica se obtiene a partir de la Figura 3, donde se

correlaciona con el cociente entre las presiones aguas arriba y aguas abajo del ex-

tremo superior de la antorcha:

Figura 3 – Eficiencia acústica para flujo sónico


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VALORES LÍMITE DE PARÁMETROS

Los valores límite de cada uno de los parámetros involucrados en el cálculo son los

siguientes:

a) Límites de radiación térmica

• Venteo de emergencia (máximo): 4737 W/m2 (1500 BTU/h.ft2)

• Venteo continuo (máximo): 1577 W/m2 (500 BTU/h.ft2)

• Nivel de radiación solar: 790 W/m2 (250 BTU/h.ft2)

Los límites propuestos se basan en valores contenidos en la norma API 521, en la

que se relacionan los niveles de exposición de la radiación térmica a la piel humana

con los tiempos estimados para alcanzar el umbral de dolor.

Se estima que con un nivel de radiación de 1500 BTU/h.ft2 como máximo es posible

atender una situación de emergencia durante dos a tres minutos, con personal que

no posea ninguna protección especial pero que cuente con ropa de trabajo adecuada

y elementos básicos de seguridad. Con un nivel de 500 BTU/h.ft2 como máximo es

posible la presencia permanente de personal sin protección especial contra la radia-

ción térmica pero con ropa de trabajo adecuada y elementos básicos de seguridad.

El nivel de radiación solar propuesto está también basado en valores propuestos por

la norma API 521.

b) Límites de número de Mach (antorchas subsónicas)

Se han adoptado los siguientes valores:


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• Venteo de emergencia (máximo): 0,7

• Venteo continuo (máximo): 0,3

La norma API 521 recomienda, para el diseño de sistemas de venteo de baja pre-

sión, utilizar un número de Mach de 0,5; sin embargo, también menciona que valores

mayores pueden ser aceptables si el pico de la antorcha tiene un diseño adecuado.

Para un venteo continuo, se menciona un valor de 0,2 para el número de Mach; de

todos modos se ha adoptado un valor de 0,3 por resultar satisfactorio de acuerdo con

la práctica industrial.

c) Límites de caída de presión en la antorcha

Estos valores dependen de la contrapresión disponible aguas abajo de las válvulas

de seguridad o blowdown, por lo tanto se han establecido según lo indicado por las

especificaciones técnicas de diseño de cada una de las plataformas. En la mayoría

de los casos, los valores disponibles de presión en la base de la chimenea de la an-

torcha son los siguientes:

• Sistemas de venteo de alta presión (máximo): 490 kPaabs (5 kg/cm2abs)

• Sistemas de venteo de baja presión (máximo): 115 kPaabs (1,17 kg/cm2abs)

d) Límites de nivel de presión sonora

• Venteo de emergencia (máximo): 100 dB(A)

• Venteo continuo (máximo): 90 dB(A)


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• Nivel de presión sonora del entorno: 60 dB(A)

Los valores límites se han establecido a partir de las especificaciones técnicas del

pliego para diseño de los sistemas de venteo de las plataformas.

CONDICIONES METEOROLÓGICAS A CONSIDERAR Se han tenido en cuenta las siguientes condiciones meteorológicas:

a) Velocidad del viento

• Sin presencia de viento

• 8,2 m/s

b) Dirección del viento

• La llama de la antorcha se aproxima al proceso

• La llama de la antorcha se aleja del proceso

• Otra dirección del viento, según la plataforma considerada

PUNTOS A ANALIZAR EN CADA UNA DE LAS PLATAFORMAS Los puntos de interés seleccionados para los que se calculan los niveles de radiación

térmica y ruido durante un evento de venteo de gases pueden variar para cada una

de las plataformas; en general se han seleccionado los siguientes:


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• Base de la estructura de la antorcha

• Módulos de operación: plataformas más cercanas a la base de la antorcha

• Módulos de operación: plataformas más cercanas al extremo superior de la

antorcha (topes de torres, etc.)

• Módulos de operación: otros puntos de interés (por ejemplo, sala de almace-

namiento de productos químicos)

• Plataforma de la torre de perforación

• Tope de la torre de perforación

• Cabinas de operación de grúas

• Puntos extremos de la plataforma en la zona donde está emplazado el siste-

ma de venteo


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Figura 4 – Puntos de observación para niveles de radiación térmica y ruido (Plataforma

P-53 - Petrobras)

9

4

7

3

6 10 2

5

8 1

N

4

75

81,

2,

E

6


Página 37

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO En primer lugar se deben cargar en el simulador, para cada caso definido (venteo

continuo, emergencia, distintas condiciones meteorológicas, etc.), las especificacio-

nes necesarias para el cálculo:

• Datos del gas venteado: composición o propiedades necesarias para el cálcu-

lo (peso molecular, poder calorífico inferior, Cp/Cv, temperatura de venteo)

• Datos meteorológicos: velocidad del viento, dirección del viento, temperatura

ambiente, humedad relativa ambiente, presión atmosférica, nivel de radiación

solar, nivel de presión sonora de fondo, transmisividad de la atmósfera (τ )

• Datos de cada chimenea de antorcha: ubicación, longitud, ángulo respecto a

la horizontal

• Datos de cada pico de antorcha: tipo (subsónico, sónico, etc.), número de

quemadores, tipo de sello (fluídico o molecular), método de cálculo del factor

F , método de cálculo de la longitud de llama, curva estándar para el cálculo

del nivel de ruido por combustión (para el método ‘Spectrum’), longitud, ángulo

respecto a la horizontal, diámetro de salida, diámetro de la chimenea, caudal

de venteo de gas

• Datos de los receptores: coordenadas de cada uno de los puntos donde se

desea conocer el nivel de radiación térmica y ruido

• Opciones de cálculo: selección del método de cálculo del nivel de radiación

térmica, selección de la posición del punto emisor en cada elemento y número

de elementos (para modelos de fuente múltiple), opciones (inclusión de la ra-

diación solar en el valor total del nivel de radiación, consideración del enfria-


Página 38

miento debido al viento, etc.), selección del método de cálculo del nivel de

presión sonora.

Una vez cargados todos los datos necesarios se procede a realizar cada una de las

corridas. Dado que las antorchas pueden ser de múltiples etapas en paralelo, debe

distribuirse entre éstas el caudal total de venteo, teniendo en cuenta que, al calcular

la pérdida de carga en cada una de las etapas, se debe obtener el mismo valor para

la presión aguas arriba del manifold de distribución.

P1 = P2 = P3 = P4 = P

Por lo tanto, deben probarse distintas combinaciones de caudal en cada una de las

etapas, hasta llegar, por prueba y error, a una misma presión al comienzo de cada

una de aquéllas.

PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS

Los resultados obtenidos pueden presentarse en forma tabulada, o graficados en

curvas de igual nivel de radiación térmica y de presión sonora sobre el layout de la

plataforma.

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

ΔP1

ΔP2

ΔP3

ΔP4

P1

P2

P3

P4

P

Gas de venteo


Página 39

Figura 5 – Ejemplo de curvas de nivel de igual radiación térmica – Vista en planta

(Plataforma P-53 - Petrobras)

Case 6 - Emergency

Watershield Yes

Wind speed 8.2 m/s

Wind direction Approaching flame

9

4

7

3

6 12

5

81


Página 40

Figura 6 – Ejemplo de curvas de nivel de igual radiación térmica – Vista en elevación

(Plataforma P-53 - Petrobras)

Case 6 - Emergency

Watershield Yes

Wind speed 8.2 m/s

Wind direction Approaching flame

4

7

6

5

81,

2,


Página 41

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Para cada uno de los casos de venteo analizados se analiza cuál es el parámetro

limitante del caudal máximo: el nivel de radiación térmica o de nivel de presión sono-

ra en los diez puntos observados, el número de Mach (antorchas subsónicas) o la

caída de presión en la antorcha.

Si la plataforma analizada está actualmente operando con un caudal máximo de ven-

teo mayor que el permisible a la luz de los resultados de este trabajo, se recomienda

implementar alguna de las siguientes acciones, según las posibilidades:

• Disminuir el caudal de venteo máximo, modificando el proceso tal que se pueda

lograr esto sin comprometer el nivel de producción

• Adoptar un sistema de ‘water shield’ para disminuir los niveles de radiación

• Reemplazar el pico de la antorcha por otro adecuado a los niveles de operación

actuales

BIBLIOGRAFÍA

• ANSI/API Standard 521 – Pressure-relieving and Depressuring Systems - Fifth

Edition, January 2007

• Manual de Flaresim

• Heat radiation from flares – Guigard, Kindzierski & Harper – May 2000


Página 42

• Flare Radiation Estimated - McMurray, R. - Hydrocarbon Processing, Nov.

1982, pp. 175-181

31 26 rediseño de sistemas de antorcha en plataformas ... · de antorcha flaresim, versión 2.1,...

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