2010-ST-31-spa

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

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

PABLO GRAMAJO Gerencia de Ingeniera Flargent S.A.


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RESUMEN

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

samiento de petrleo y gas natural de diseo compacto, para aprovechar al mximo

el espacio disponible, de por s 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 disposicin final de gases residuales contar con res-

tricciones tanto de espacio como de mximos valores permitidos para emisin de

radiacin trmica y ruido; la seleccin de los modelos y correlaciones de clculo debe

ser muy cuidadosa para obtener un diseo seguro que no implique un sobrediseo

tal que haga antieconmica la inversin, al mismo tiempo que permita maximizar la

produccin.

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

motivo de un aumento de produccin fue necesario analizar el mximo caudal de gas

que es posible ventear.

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

chas snicas), de baja presin (antorchas subsnicas), mltiples etapas de venteo

simultneo 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 lmites reco-

mendados por la normativa y la prctica industrial para radiacin trmica, ruido, cada

de presin y velocidad de salida de gas.


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

traccin y tratamiento de gas se destacan porque en stas debe realizarse una alta

inversin econmica en un espacio reducido (en comparacin con otras unidades de

niveles de produccin equivalente); como resultado sus componentes, sean stos

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

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

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

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

rtimas 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 caractersticas salientes son las siguientes:

Alta produccin en espacio reducido

Necesidad de resistir condiciones climatolgicas y martimas 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 operacin en plataformas offshore est

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

continua o ante una emergencia.

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

nes:

Minimizacin del riesgo para las personas y las instalaciones

Minimizacin del impacto ambiental

Uso del espacio disponible en las instalaciones

Consideraciones econmicas: el proceso de eliminacin no debe ser oneroso desde el punto de vista econmico, a la vez que debe ser compatible con una

maximizacin de la produccin.


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

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

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

nas y de las instalaciones.

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

Colectores de venteo: caeras que llevan el gas desde el elemento de venteo (vlvula de alivio o seguridad, vlvula de blowdown, etc.) hasta los elementos

de disposicin final

Separador de antorcha (knock-out drum): recipiente donde se realiza la sepa-racin de cualquier lquido 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 atmsfera dixido de carbo-

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

para minimizar los efectos de la radiacin trmica a nivel de las instalaciones

de proceso.

Segn la presin del gas en el colector de venteo, los sistemas de venteo se clasifi-

can en:

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

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

flujo snico (Ma = 1, siendo Ma el nmero de Mach, cociente entre la velocidad del

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


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

presin de entre 0 y 1 kg/cm2g; la operacin se realiza a velocidades de gas subsni-

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

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

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

pudiendo stos ventear en forma simultnea.

La antorcha de alta o baja presin 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 diseo (caudal

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


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Figura 2 Esquema del sistema de control de una antorcha multietapa

DISEO Y VERIFICACIN DE UN SISTEMA DE VENTEO

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

el caudal mximo de venteo, lo siguiente:


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Dimetro de la chimenea y el pico de la antorcha (en antorchas de varias eta-pas en paralelo, se debe determinar el dimetro de cada una de las etapas),

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

cuadas.

Longitud / Altura total de la antorcha, tal de garantizar en las instalaciones ni-veles de radiacin trmica y ruido por debajo de los niveles mximos permisi-

bles.

Dimensiones (dimetro y longitud) del separador de antorcha (de haber ms de un sistema de venteo, del separador de alta presin y del separador de ba-

ja presin)

Dimetro de los colectores de venteo, tal que sea compatible por la prdida de carga disponible dadas las contrapresiones en las vlvulas de seguridad, vl-

vulas de blowdown, etc.

Materiales empleados (segn las caractersticas del gas venteado y las condi-ciones de presin y temperatura)

Sistema de encendido (ignicin directa o generacin de frente de llama)

Otras caractersticas (asistencia de aire o vapor de agua contra la formacin de humo, escudos de agua, etc.)

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

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

seo). Este trabajo se enfoca en la verificacin de las caractersticas de las antor-

chas.


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Tanto en el diseo como en la verificacin 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 mximo de radiacin trmica: valor mximo alcanzable a nivel de las instala-

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

eventual; este valor determinar la longitud y altura mnima que debe poseer la an-

torcha.

Mxima cada de presin: este valor depender de la contrapresin disponible en el

colector de venteo, lo cual condicionar el dimetro del colector y de la antorcha.

Nmero de Mach: la norma API 521 recomienda valores mximos y mnimos para el

nmero de Mach para antorchas subsnicas, tal que la llama en el extremo superior

de la antorcha sea estable.

Nivel mximo de ruido: valor mximo del nivel de presin sonora alcanzable en to-

do lugar donde pueda haber presencia humana continua o eventual.

DESCRIPCIN DEL TRABAJO REALIZADO

A mayor caudal de produccin de la plataforma, mayor ser el caudal de diseo del

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

de aqullas el caudal mximo de gas que puede ser venteado teniendo en cuenta las

restricciones a los niveles de radiacin trmica, ruido, presin y velocidad del gas;

para esto se ha realizado una la seleccin de los modelos fsicos y de las herramien-

tas de clculo ms apropiadas para obtener valores con un nivel de precisin 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 caractersticas de sus sistemas de venteo (dimetros, alturas,

cantidad de etapas, etc.).

Se han realizado clculos de niveles de radiacin trmica y ruido en 10 puntos de

cada plataforma, seleccionados por su cercana a la antorcha, su nivel de ocupacin

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

miento de gas.

Se han tenido en cuenta las siguientes premisas:

Para realizar los clculos se ha utilizado el software de simulacin de sistemas de antorcha Flaresim, versin 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 simultneo del sistema de alta y de baja presin

Se ha tenido en cuenta, en el clculo del nivel de radiacin trmica, el aporte de la radiacin solar

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

Se han realizado los clculos para distintas condiciones meteorolgicas (velo-cidades y direcciones del viento)

No se ha considerado asistencia de aire o vapor de agua contra la formacin de humo


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La secuencia seguida para realizar el trabajo es la siguiente:

Seleccin del modelo de emisin de radiacin trmica

Establecimiento de la correlacin ms adecuada para el clculo del parmetro F (fraccin de calor emitida por radiacin desde la antorcha)

Seleccin del modelo de emisin de ruido

Establecimiento de los valores lmite a considerar en la verificacin

Seleccin de los puntos a analizar en cada una de las plataformas

Establecimiento de las condiciones meteorolgicas a considerar

Ingreso de los datos en el simulador

Realizacin 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 radiacin trmica o de ruido

Presentacin de los resultados

Conclusiones y recomendaciones


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MODELO DE EMISIN DE RADIACIN TRMICA

Los diversos modelos varan en complejidad, teniendo en cuenta cun conservativo

sea el resultado que se quiera obtener; cada uno de stos propone distintas hiptesis

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

venteado.

Los modelos considerados son los siguientes:

Modelos de fuente puntual de radiacin trmica

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

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

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

a) Modelos de fuente puntual de radiacin trmica

El modelo ms sencillo y ms comnmente utilizado es aqul 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 clculo est basado en la ecuacin de Hajek y Ludwig; dada una distancia mnima

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

nivel de radiacin trmica (K , energa por unidad de tiempo y rea), se tiene que:


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2..4..DQFK

= (1)

Donde:

Q : Calor total liberado por la combustin del gas venteado

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

inferior (PCI )

WPCIQ .= (2)

F : Fraccin de la energa emitida por la antorcha transmitida por radiacin; 10


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

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

el nivel de radiacin trmica y la lnea de visin al centro de llama; se menciona este

mtodo en la norma API 521 como alternativa para determinar la posicin 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 radiacin trmica emitida por la llama es la sumatoria de la

contribucin de cada una de las fuentes puntuales consideradas.

=

=n

i i

i

Dl

LQFK

12...4

..

(3)

Donde:

ni K,2,1= : Elemento de llama considerado (elemento 1, elemento 2, y as 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 radiacin trmica

K : Flujo de radiacin trmica (energa por unidad de tiempo y rea)


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Q : Calor total liberado por la combustin del gas venteado (frmula (2))

F : Fraccin de la radiacin emitida por la antorcha que se transmite por radiacin

: Fraccin del calor transmitido por radiacin no absorbido por la atmsfera (trans-misividad); 10


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ni K,2,1= : Elemento de llama considerado (elemento 1, elemento 2, y as sucesiva-mente hasta el elemento n )

L : Longitud total de la llama

il : Longitud del elemento de llama i ; =

=n

iilL

1

i : ngulo entre la tangente a la llama para el elemento i y la lnea de visin el cen-tro de llama del elemento i hasta el objeto donde se quiere determinar el nivel de

radiacin trmica

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

quiere calcular el nivel de radiacin trmica

K : Flujo de radiacin trmica (energa por unidad de tiempo y rea)

Q : Calor total liberado por la combustin del gas venteado (ver frmula (2))

F : Fraccin de la radiacin emitida por la antorcha que se transmite por radiacin

: Fraccin del calor transmitido por radiacin no absorbido por la atmsfera (trans-misividad); 10


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IDSIPSIMS KaKaK ).1(. += (5)

Donde:

IMSK : Flujo de radiacin trmica resultante de aplicar el Mtodo de Fuente Mixta In-

tegrada

IPSK : Flujo de radiacin trmica resultante de aplicar el Mtodo de Fuente Puntual

Integrada

IDSK : Flujo de radiacin trmica resultante de aplicar el Mtodo de Fuente Difusa In-

tegrada

a : Constante ( 10


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

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

de niveles de radiacin trmica, con las siguientes caractersticas:

Los modelos de Fuente Puntual Integrada (IPS) y de Fuente Difusa Integra-da (IDS) predicen valores similares para los niveles de radiacin trmica a

grandes distancias de la antorcha

El Modelo de Fuente Puntual Integrada (IPS) tiende a sobrevalorar los nive-les de radiacin trmica en las cercanas de la antorcha

El Modelo de Fuente Difusa Integrada (IDS) tiende a subestimar los niveles de radiacin trmica en las cercanas de la antorcha

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

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 prrafos anteriores se deduce que el Modelo de Fuente Mixta

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

zar el estudio en las seis plataformas offshore.

El programa de clculo determina el parmetro en funcin de la distancia desde el centro de llama hasta el objeto donde se quiere calcular el nivel de radiacin trmica,

y de la humedad relativa ambiente. Entre los lmites de aplicacin de la correlacin

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

Para los casos de mitigacin del nivel de radiacin trmica por presencia de un wa-

tershield (cortina de agua para disminuir el nivel de radiacin trmica) se ha estable-


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cido un valor de de 0,3, dada la ausencia de datos adicionales que permitan un modelado ms preciso.

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

yores aumentaran el tiempo de clculo sin que se obtenga una diferencia significati-

va en los valores calculados.

La inclinacin 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 funcin del calor total liberado por la combustin del gas venteado y del

tipo de pico empleado

CORRELACIN PARA EL CLCULO DEL PARMETRO F El valor de F depende tanto de las propiedades del gas venteado como del rgimen

de flujo en la antorcha y de las caractersticas constructivas del pico. Su estimacin

resulta fundamental para la obtencin de valores razonables del nivel de radiacin

trmica.

a) Correlacin para gas natural

Esta correlacin 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) Mtodo de Kent

Este mtodo, propuesto en 1964, relaciona el valor de F con el poder calorfico

inferior del gas; la frmula de clculo utilizada es:


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900.2,0 PCIF = (13)

Donde:

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

psia y 60 F)

El poder calorfico 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 calorfico inferior del gas i en una mezcla de gases

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

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

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


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para su mtodo ni un intervalo de aplicacin; sin embargo, otros autores reportan

haberlo aplicado satisfactoriamente para el diseo de sistemas de antorcha.

c) Mtodo de Tan

Este mtodo, propuesto en 1967, relaciona directamente el parmetro F con el

peso molecular del gas venteado:

PMF .048,0= (16)

Donde:

PM : Peso molecular del gas

Esta correlacin arroja los siguientes valores para el parmetro F : 0,2 para me-

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

tor no provee validacin experimental ni indica los lmites de aplicacin de su m-

todo.

d) Valores recomendados por la Norma API 521

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

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

tos dimetros de quemador.

e) Mtodo de Cook

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

radiacin 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 Energa total transmitida por radiacin desde la llama (W)

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

E : Poder emisivo (W/m2)

fA : rea de la llama (m2)

m : Flujo msico del gas (kg/s)

H : Calor de combustin (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 mtodo se obtienen valores para

F que varan entre 0,017 y 0,344.


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f) Mtodo General Pipe

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

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

des de salida del gas y de pesos moleculares.

g) Mtodo High Efficiency

Este mtodo utiliza una correlacin propietaria del software Flaresim, que tiene en

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

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

h) Comparacin entre los mtodos para obtener el valor de F

De todos los mtodos presentados, el mtodo High Efficiency es el que obtiene

valores menos conservativos para el parmetro F , mientras que el mtodo Gas

Natural propone los valores ms altos.

A los efectos de este trabajo se ha seleccionado, para el clculo de F , el mtodo

High Efficiency, dado que:

Los picos utilizados en las plataformas son de diseo reciente y se ha con-siderado un correcto diseo para los diferentes casos de venteo

Los gases venteados constan en su mayor parte de hidrocarburos parafni-cos de bajo peso molecular, por lo que durante el quemado no hay forma-

cin de humo.


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MODELO DE EMISIN DE RUIDO

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

subdividirse en dos componentes:

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

superior de la antorcha

Ruido por jet: producido por la descarga del gas

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

dependiendo del tipo de antorcha: en las antorchas de baja presin (subsnicas)

prevalece el ruido por combustin de los gases; en las antorchas de alta presin (s-

nicas) prevalece el ruido por jet.

Para el clculo del ruido se han considerado los siguientes mtodos:

a) Mtodo API

Este mtodo es el ms simple y est explicitado en la norma API 521 (Pressure-

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

ruido de jet al total.

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

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

la atmsfera:

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


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Donde:

30L : Nivel de presin sonora a 30 m del punto de descarga atmosfrico, en decibeles

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

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

arriba del extremo de la antorcha y la presin atmosfrica

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

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

Para otras distancias, adems de los 30 m considerados en la ecuacin (6), en nivel

de presin sonora se calcula de la siguiente manera:

)30/log(.2030 rLLp = (7) Donde:

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

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

b) Mtodo Spectrum Este mtodo tiene en cuenta tanto el aporte del ruido por combustin como del ruido

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

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


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= 2

0

2

log.10PPSPL (8)

Donde:

P : Presin sonora

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

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

sistema de ponderacin para tener en cuenta la diferencia de la sensibilidad del odo

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

odo humano, la contribucin de las frecuencias medias al valor global ponderado es

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

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

Ruido por combustin: es funcin principalmente de la liberacin total de calor en

el pico de la antorcha y del diseo del pico. El clculo se basa en curvas caractersti-

cas dependientes del tipo de pico utilizado (subsnico, snico, etc.).

Por ejemplo, puede utilizarse la siguiente curva caracterstica:


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Figura 1 Curva tpica para determinar el nivel de presin sonora por combustin

(mtodo Spectrum)

La Figura 1 establece niveles de presin sonora por combustin 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 presin sonora se

corrige aplicando la siguiente ecuacin:

ASPLDQSPLSPL

+

+= 20log.20

10.1,8log.10 71 (9)


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Donde:

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

ASPL : Nivel de presin sonora que se sustrae al total debido a la atenuacin atmos-

frica (dB(A))

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

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

sin sonora se quiere determinar (ft)

En el programa de clculo se debe seleccionar la curva estndar para la determina-

cin del componente de ruido por combustin, o se deben ingresar los valores de

referencia de calor de combustin Q y de los niveles de presin sonora de referencia

para cada una de las bandas de frecuencia consideradas.

Ruido por jet: se produce por la expansin de la corriente gaseosa venteada en el

extremo de la antorcha; su valor depende de la energa cintica y de la eficiencia

acstica del gas expandido. Se aplica la siguiente ecuacin:

2...

2uVPWL = (10)

ASPLDPWLSPL = 49,0log.20 (11)

Donde:

PWL : Nivel de potencia sonora de la fuente de ruido


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: Eficiencia acstica

V : Flujo volumtrico del gas venteado

: 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 posicin cuyo nivel de pre-

sin sonora se quiere determinar (ft)

ASPL : Nivel de presin sonora que se sustrae al total debido a la atenuacin atmos-

frica (dB(A))

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

expandido y su tipo de flujo (subsnico o snico).

Para flujo subsnico, la eficiencia acstica 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 acstica para flujo subsnico

El parmetro adimensional B se obtiene a partir de la siguiente ecuacin:

2

.

=

TTB

(12)

Donde:

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


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: Densidad del gas venteado en condiciones atmosfricas

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

T : Temperatura del gas venteado en condiciones atmosfricas

Para flujo snico, la eficiencia acstica 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 acstica para flujo snico


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VALORES LMITE DE PARMETROS

Los valores lmite de cada uno de los parmetros involucrados en el clculo son los

siguientes:

a) Lmites de radiacin trmica

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

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

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

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

que se relacionan los niveles de exposicin de la radiacin trmica a la piel humana

con los tiempos estimados para alcanzar el umbral de dolor.

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

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

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

y elementos bsicos de seguridad. Con un nivel de 500 BTU/h.ft2 como mximo es

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

cin trmica pero con ropa de trabajo adecuada y elementos bsicos de seguridad.

El nivel de radiacin solar propuesto est tambin basado en valores propuestos por

la norma API 521.

b) Lmites de nmero de Mach (antorchas subsnicas)

Se han adoptado los siguientes valores:


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Venteo de emergencia (mximo): 0,7

Venteo continuo (mximo): 0,3

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

sin, utilizar un nmero de Mach de 0,5; sin embargo, tambin menciona que valores

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

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

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

la prctica industrial.

c) Lmites de cada de presin en la antorcha

Estos valores dependen de la contrapresin disponible aguas abajo de las vlvulas

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

especificaciones tcnicas de diseo de cada una de las plataformas. En la mayora

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

torcha son los siguientes:

Sistemas de venteo de alta presin (mximo): 490 kPaabs (5 kg/cm2abs)

Sistemas de venteo de baja presin (mximo): 115 kPaabs (1,17 kg/cm2abs)

d) Lmites de nivel de presin sonora

Venteo de emergencia (mximo): 100 dB(A)

Venteo continuo (mximo): 90 dB(A)


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Nivel de presin sonora del entorno: 60 dB(A)

Los valores lmites se han establecido a partir de las especificaciones tcnicas del

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

CONDICIONES METEOROLGICAS A CONSIDERAR Se han tenido en cuenta las siguientes condiciones meteorolgicas:

a) Velocidad del viento

Sin presencia de viento

8,2 m/s

b) Direccin del viento

La llama de la antorcha se aproxima al proceso

La llama de la antorcha se aleja del proceso

Otra direccin del viento, segn la plataforma considerada PUNTOS A ANALIZAR EN CADA UNA DE LAS PLATAFORMAS Los puntos de inters seleccionados para los que se calculan los niveles de radiacin

trmica 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

Mdulos de operacin: plataformas ms cercanas a la base de la antorcha

Mdulos de operacin: plataformas ms cercanas al extremo superior de la antorcha (topes de torres, etc.)

Mdulos de operacin: otros puntos de inters (por ejemplo, sala de almace-namiento de productos qumicos)

Plataforma de la torre de perforacin

Tope de la torre de perforacin

Cabinas de operacin de gras

Puntos extremos de la plataforma en la zona donde est emplazado el siste-ma de venteo


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Figura 4 Puntos de observacin para niveles de radiacin trmica y ruido (Plataforma

P-53 - Petrobras)

9

4

7

3

6 10 2

5

8 1

N

4

75

81,

2,

E

6


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

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

nes necesarias para el clculo:

Datos del gas venteado: composicin o propiedades necesarias para el clcu-lo (peso molecular, poder calorfico inferior, Cp/Cv, temperatura de venteo)

Datos meteorolgicos: velocidad del viento, direccin del viento, temperatura ambiente, humedad relativa ambiente, presin atmosfrica, nivel de radiacin

solar, nivel de presin sonora de fondo, transmisividad de la atmsfera ( )

Datos de cada chimenea de antorcha: ubicacin, longitud, ngulo respecto a la horizontal

Datos de cada pico de antorcha: tipo (subsnico, snico, etc.), nmero de quemadores, tipo de sello (fludico o molecular), mtodo de clculo del factor

F , mtodo de clculo de la longitud de llama, curva estndar para el clculo

del nivel de ruido por combustin (para el mtodo Spectrum), longitud, ngulo

respecto a la horizontal, dimetro de salida, dimetro 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 radiacin trmica y ruido

Opciones de clculo: seleccin del mtodo de clculo del nivel de radiacin trmica, seleccin de la posicin del punto emisor en cada elemento y nmero

de elementos (para modelos de fuente mltiple), opciones (inclusin de la ra-

diacin solar en el valor total del nivel de radiacin, consideracin del enfria-


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miento debido al viento, etc.), seleccin del mtodo de clculo del nivel de

presin sonora.

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

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

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

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

la presin aguas arriba del manifold de distribucin.

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 presin al comienzo de cada

una de aqullas.

PRESENTACIN DE LOS RESULTADOS

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

curvas de igual nivel de radiacin trmica y de presin sonora sobre el layout de la

plataforma.

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

P1

P2

P3

P4

P1

P2

P3

P4

P

Gas de venteo


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Figura 5 Ejemplo de curvas de nivel de igual radiacin trmica 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


Pgina 40

Figura 6 Ejemplo de curvas de nivel de igual radiacin trmica Vista en elevacin

(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,


Pgina 41

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Para cada uno de los casos de venteo analizados se analiza cul es el parmetro

limitante del caudal mximo: el nivel de radiacin trmica o de nivel de presin sono-

ra en los diez puntos observados, el nmero de Mach (antorchas subsnicas) o la

cada de presin en la antorcha.

Si la plataforma analizada est actualmente operando con un caudal mximo de ven-

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

implementar alguna de las siguientes acciones, segn las posibilidades:

Disminuir el caudal de venteo mximo, modificando el proceso tal que se pueda lograr esto sin comprometer el nivel de produccin

Adoptar un sistema de water shield para disminuir los niveles de radiacin

Reemplazar el pico de la antorcha por otro adecuado a los niveles de operacin actuales

BIBLIOGRAFA

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


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Flare Radiation Estimated - McMurray, R. - Hydrocarbon Processing, Nov. 1982, pp. 175-181

2010-ST-31-spa

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