Control de Procesos
Control con válvulas en serie y paralelo J. Acedo Sánchez Repsol-YPF,, S.A. Repsol-YPF
1. Introducción En primer lugar, hay que mencionar que no se debe llevar a cabo el control con dos válvulas en serie para controlar la misma variable. Por ejemplo, no se puede controlar un caudal general y posteriormente querer controlar el caudal en las dos ramas en las que se ha dividido la línea principal de proceso. Siempre hay que permitir algún grado de libertad para que no exista acoplamiento entre los controladores. Sin embargo, como se verá más adelante, es posible instalar válvulas en serie y controlar cada una de ellas con una variable diferente, siempre que se permita ese grado de libertad. En los apartados siguientes se van a exponer una serie de sistemas de control donde se detallan las características de diversos tipos de conexión de válvulas. Siguiendo con el mismo ejemplo mencionado, se plantea la necesidad de controlar el caudal general en una línea de proceso y posteriormente
controlar el caudal por cada una de las dos ramas en las que se bifurca la línea principal. Para ello hay que diseñar un sistema de control que cumpla estos requisitos y al mismo tiempo no produzca acoplamiento entre las variables. Este concepto también se verá más adelante en alguno de los sistemas de control propuestos en los circuitos que corresponden a reflujos circulantes. La figura 1 muestra lo que no se debe hacer. Puesto que se trata de ver los conceptos de forma clara, en muchas de las figuras no se representa ningún equipo de proceso, aunque lo normal es que alguno de ellos se encuentre intercalado en las líneas representadas. Con la configuración de la figura 1 es imposible evitar la oscilación de las válvulas cuando los tres controladores se encuentren en modo automático, incluso aunque el punto de consigna del FC1 sea igual a la suma de los FC2 y FC3. La figura 2 muestra una solución aceptable para el problema plantea-
Figura 1. Lo que no se debe hacer
En el presente artículo se trata de aclarar conceptos acerca de la instalación de válvulas en serie y paralelo. Se señala que, en caso de no diseñar corr ectamente la ubicación de las válvulas, se puede llegar a que un proceso sea incontrolable de forma automática.
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Figura 2. Solución aceptable
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dos salidas han de ser variables para controlar el nivel o sólo una de ellas y la otra constante. Asimismo habrá que conocer si la salida variable va a ser siempre la misma o, por el contrario, se deben conmutar entre ellas. La figura 4 muestra un sistema que cumple prácticamente con todas las especificaciones que se quieran añadir al control propuesto. Como se puede ver, solamente existe un transmisor de nivel y dos controladores, uno para cada una de las líneas de envío donde se encuentran los controladores de caudal. Esta configuración permite cualquier combinación posible, aunque lo normal suele ser mantener una de las líneas con un caudal constante con el controlador correspondiente en modo automático, y el otro caudal, variable actuando en cascada con el controlador de nivel al cual se encuentra conectado. Por otro lado, esta configuración permite ajustar los parámetros de sintonía de cada controlador de nivel de forma diferente en función de la dinámica del proceso a donde vaya dirigida cada corriente de salida. No se deben sintonizar igual si una de ellas se envía a tanques de almacenamiento y la otra a un proceso unitario posterior tipo destilación, reacción, etc., puesto que su comportamiento dinámico será diferente.
Figura 3. Otra solución para evitar el acoplamiento entre controladores
do, evitando acoplamiento entre controladores. En este caso, el grado de libertad corresponde a la línea donde se encuentra la válvula que manipula el controlador FC2, la cual absorberá los errores en las medidas y demás elementos que componen el sistema de control. El sistema controla perfectamente el caudal total con FC1 y el parcial de la línea A con el controlador FC2. La diferencia entre ambos pasará a través de la válvula automática situada en la línea B, manipulada por el controlador FC2. La figura 3 muestra otra solución aceptable para evitar acoplamiento entre controladores. Igual que en el caso anterior, interesa controlar exactamente el caudal total, así como el que pasa por la línea A. Como consecuencia, queda como grado de libertad la línea B, donde se encuentra la válvula automática que deja pasar el complemento de la línea A hasta conseguir el caudal total.
2. Válvulas en paralelo
Existen ocasiones en donde la corriente de proceso que se acumula en un recipiente hay que enviar-
la a varios lugares simultáneamente, manteniendo controlado el nivel del recipiente. En otras ocasiones se presenta la situación en la que hay que controlar un caudal con dos válvulas de diferente tamaño actuando en paralelo. En los apartados siguientes se describen métodos que pueden conseguir estos objetivos de forma simple y segura, sin que esto signifique que no puedan existir otros que cumplan con el mismo objetivo. 2.1. Control de nivel manipulando dos válvulas –––––––––––––––––––––––––––––––
Es típico el caso en el que la salida de fondo de una columna de destilación se debe enviar a dos lugares controlando el nivel de fondo de esa columna, al mismo tiempo que se ha de manipular el caudal de envío por cada una de las salidas. Para conocer los caudales se debe medir el correspondiente a cada una de las ramas y, puesto que se deben manipular cada uno de los caudales de forma individual, se han de instalar dos válvulas automáticas. Para diseñar este sistema de control, habrá que tener en cuenta alguna consideración adicional, fundamentalmente si las
2.2. Control de caudal manipulando dos válvulas –––––––––––––––––––––––––––––––
Figura 4. Sistema para cumplir especificaciones para válvulas en paralelo
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Para llevar a cabo este tipo de control se pueden presentar diferentes alternativas en función de cada proceso en concreto. Como ejemplo se describe una planta que opera con caudales diferentes por campañas perfectamente delimitadas, por ejemplo a 100% y 30% de diseño. Instalando una sola válvula de control, se tendrá una operación aceptable cuando el caudal sea alto. Por el contrario, si el caudal es bajo, se puede producir inestabilidad al estar trabajando la válvula automática cerca de su límite inferior de recorrido. Una solución para este tipo de operación es instalar dos válvulas automáticas en paralelo con diferente tamaño.
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Figura 5. Control de caudal manipulando dos válvulas
Figura 6. Esquema de calibrado de válvulas
La figura 5 muestra un esquema de control que cumple con los requerimientos expuestos. Las válvulas controlan en rango partido, teniendo además actuación a fallo de aire cierra. Esto significa que sin señal de control ambas se encuentran cerradas. La calibración de la válvula pequeña, denominada A, está comprendida entre 0 y 50% de salida del controlador, mientras que la válvula grande, denominada B, actúa entre 50 y 100% de salida del controlador, tal como aparece en la figura 6.
Con objeto de simplificar se va a utilizar la representación convencional, en la que cada válvula está calibrada para actuar en el rango de salida correspondiente del controlador, como se verá en los ejemplos mostrados en los apartados siguientes. A pesar de ello, y también con objeto de conocer el procedimiento, aquí se representa otro método en el que el rango de salida del controlador se amplifica por cada una de las ramas hasta valores de 0 a 100% de recorrido de válvula; de esta forma se gana sensibilidad en el control, aunque se encarece el conjunto.
Cuando se está operando a caudal alto, se encontrará la válvula pequeña totalmente abierta y la regulación la llevará a cabo la válvula grande. Por el contrario, cuando el caudal de operación sea pequeño, se encontrará cerrada la válvula grande, llevándose a cabo la regulación por medio de la válvula pequeña.
La figura 7 muestra un ejemplo de rango partido con dos multiplicadores de señal para amplificar el rango de entrada. Cuando no existen multiplicadores es necesario calibrar las válvulas a los valores que aparecen como entrada a los multiplicadores, es decir, la válvula A entre 0 y 50 % y la B entre 50 y 100% del rango de salida del controlador. Cuando existen multiplicadores, para cumplir la función de este ejemplo la ecuación que ha de ejecutar cada uno de ellos será:
3. Válvulas en rango partido Aunque ya se ha mencionado un ejemplo en el apartado anterior, conviene recordar el concepto de rango partido. Se trata de una configuración de control básico en la cual la salida de un controlador se envía a dos o más elementos finales de control, normalmente válvulas automáticas, de forma que sólo esté actuando una de ellas para controlar la variable de proceso. La otra, u otras válvulas, se encontrarán en una posición fija hasta que la salida del controlador tenga un valor que caiga dentro de su rango de actuación. En los apartados siguientes se muestran varios ejemplos de configuraciones en rango partido, cada una de las cuales cumple una función diferente en el proceso. Sólo se representarán con dos válvulas automáticas por ser el caso más habitual.
Salida PX1 = Entrada PX1 * 2 Salida PX2 = Entrada PX2 * 2 -100
Este sistema es extrapolable a cualquiera de los que aparecerán en los siguientes apartados, aunque en cada caso será necesario aplicar la ecuación que corresponda. 3.1. Control de presión en columna de destilación –––––––––––––––––––––––––––––––
Puesto que se trata de ver el comportamiento de los sistemas en rango partido, sólo se van a presentar dos métodos de control de entre los muchos que existen para controlar la presión en columnas de destilación. Aunque los criterios para diseñar un método u otro quedan fuera del alcance aquí contemplado, el ob jetivo de este apartado es hacer notar que, dependiendo de donde se encuentren situadas las válvulas, deben actuar de una forma u otra. Concretamente, los dos ejemplos que siguen contemplan columnas en las que en un momento determinado pueden existir incondensables que es necesario enviar a otro lugar. En la figura 8 aparece un caso en el que la primera válvula se encuentra en la línea de paso de producto, aguas abajo del condensador. Además existe una línea de
Figura 7. Rango partido con dos multiplicadores de señal
Figura 8. Control de presión en columna de destilación
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Figura 9. Comportamiento de las válvulas de control de presión
Figura 10. Otro ejemplo de control de presión
Figura 11. Comportamiento de las válvulas para el caso de la figura 10
Figura 12. Sistema en rango partido con controlador de acción directa
igualación de presión por la que no circula producto. La segunda válvula se encuentra situada en la línea de envío a otro lugar para recuperar los gases que no han sido condensados. La figura 9 muestra el comportamiento descrito. El controlador tendrá acción directa para que al incrementar la presión aumente la salida y las válvulas actuarán de forma que con 0% de señal se encuentren cerradas, o lo que es igual, con 3 PSI en la señal de aire o 4 mA en la señal eléctrica. Como se puede ver, hasta que no está totalmente abierta la válvula A no empieza a abrir la válvula B, por lo que se puede decir que tienen actuación en serie. La figura 10 muestra otro ejemplo de proceso similar al anterior, en el que, por diseño hidráulico, la primera válvula se encuentra en la línea denominada bypass caliente y la segunda en la línea de desalo jo hacia otro lugar para recuperar los gases. En este caso, cuando aumenta la presión, tiene que cerrar la válvula A para forzar el paso de producto por el condensador y hacer que disminuya. La válvula B tiene la misma función que en el caso anterior, es decir, desalojar gases para que disminuya la presión cuando ha alcanzado la máxima condensación.
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La figura 11 muestra el comportamiento de las válvulas. El controlador tendrá acción directa para que al aumentar presión aumente su salida. La válvula A estará abierta cuando no tenga señal, mientras que la B estará cerrada sin señal. Se puede ver que, según vaya aumentando la presión, irá cerrando la válvula A hasta llegar a 50% de salida del controlador, momento en que ambas estarán cerradas. A partir de este punto la A se mantiene cerrada, con lo cual está forzando todo el paso de producto por el condensador para disminuir presión, pero si ésta sigue aumentando abrirá la válvula B para desalojar gases. 3.2. Otros sistemas en rango partido –––––––––––––––––––––––––––––––
Los sistemas contemplados anteriormente tratan de mantener presión manipulando exclusivamente la salida de gases. A veces existen procesos en los que unas veces hay exceso de gases y otras es necesario introducirlos desde otro lugar para mantener la presión. En la figura 12 aparece un sistema de este tipo, en el cual el controlador tiene acción directa. El comportamiento de las válvulas es el mismo que el de la figura 11. La
válvula A estará abierta cuando no tenga señal, mientras que la B estará cerrada sin señal. Cuando la presión sea inferior al punto de consigna del controlador, estará controlando la válvula A, mientras que, cuando la presión sea superior al punto de consigna, estará controlando la válvula B. Partiendo de una situación en la que el proceso necesite presurización, según vaya aumentando la presión, irá cerrando la válvula A hasta llegar al 50% de salida del controlador, momento en que ambas estarán cerradas. Si la presión sigue aumentando, abrirá la válvula B para llevar a cabo la despresurización. El funcionamiento es igual, pero en sentido inverso, cuando va disminuyendo la presión. La figura 13 muestra otro ejemplo de rango partido conceptualmente igual al anterior, sólo que en este caso se trata de un control de pH en una balsa de neutralización. Aunque aquí se presenta de una forma simple, el control de pH es un problema difícil debido a la ganancia del proceso, altamente no lineal en la zona próxima a pH = 7. El comportamiento de las válvulas es el mismo que el de la figura 11. La válvula A estará abierta cuando no tenga señal, mientras que la B estará cerrada sin señal. Cuando el pH sea inferior al punto
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de flujo es hacia la parte superior de la columna o hacia la parte inferior, respectivamente.
Figura 13. Otro ejemplo de rango partido
de consigna del controlador, estará controlando la válvula A, mientras que, cuando el pH sea superior al punto de consigna, estará controlando la válvula B. Partiendo de una situación en la que el proceso necesite la entrada de ácido, según vaya disminuyendo el pH, irá cerrando la válvula B hasta llegar al 50% de salida del controlador, momento en que ambas estarán cerradas. Si el pH sigue disminuyendo, abre la válvula B para que entre producto cáustico.
4. Válvulas en oposición
Como se ha visto anteriormente, cuando la configuración está hecha con válvulas en rango partido, hasta que una de ellas no deja de actuar no empieza la otra. En otras palabras, nunca actúan simultáneamente. En la configuración de válvulas en oposición, la actuación se lleva a cabo justamente al contrario, es decir, las válvulas siempre actúan simultáneamente para conseguir el objetivo de control. Generalmente, este sistema de control se realiza para controlar temperaturas en circuitos con intercambiadores de calor y, conceptualmente, el comportamiento es exactamente igual al de una válvula de tres vías, aunque con mejores prestaciones desde el punto de vista de mantenimiento.
En la figura 14 aparece un sistema de control para aumentar la temperatura de una corriente aprovechando el calor de otra. Cuando, como en este caso, el producto se hace circular a través del bypass, se obtiene una mayor velocidad de respuesta que si se hace circular por el bypass el fluido calefactor. La figura 15 muestra el comportamiento de ambas válvulas de control. Para este sistema, ambas válvulas deben ser lineales y del mismo tamaño para que cada una de ellas permita que pase todo el producto. Sólo si la pérdida de carga que ocasiona el intercambiador es muy grande, y siempre va a existir paso a través suyo, se puede contemplar la posibilidad de hacerlas de diferente tamaño. Por otro lado, una debe ser a fallo de aire abre y la otra a fallo de aire cierra.
5. Reflujos circulantes En las columnas fraccionadoras donde se mueve una gran cantidad de masa y energía es necesario extraer calor del interior en las zonas intermedias. La extracción se realiza por medio de circuitos que intercambian calor con otras corrientes de proceso para aprovechar el calor excedente. Estas extracciones son los reflujos circulantes, también conocidos como pumparound o pumpback , dependiendo de si el sentido
Figura 14. Aumento de la temperatura de una corriente aprovechando el calor de otra
Con objeto de simplificar los esquemas que se muestran en este apartado, sólo se van a representar los intercambiadores más importantes desde el punto de vista de control. Normalmente existen más de los aquí representados, con ob jeto de aprovechar diferentes gradientes térmicos. En realidad ese es un tema de diseño del proceso, el cual no es el objeto aquí tratado. Es muy normal tener que calcular el calor liberado por el reflujo circulante. Para ello es necesario disponer de las temperaturas a la salida y retorno, así como del caudal total. Como se trata de producto líquido sin cambio de fase, la fórmula a aplicar es: Calor = Masa* Calor específico* Diferencia de temperatura 5.1. Algunos sistemas de control –––––––––––––––––––––––––––––––
Con objeto de ver distintas posibilidades de controlar este tipo de circuitos, se van a mostrar diferentes combinaciones de válvulas y variables de control, desde la más simple que aparece en la figura 16, hasta otras más complejas que se muestran sucesivamente. La figura 16 muestra un reflujo circulante simple tipo pumpa round . Este tipo de circuito combina válvulas en serie, aunque manipuladas por variables de diferente naturaleza, como caudal y temperatura. Se trata de obtener calor de la corriente extraída manteniendo constante el caudal y la temperatura de retorno. En este caso, la temperatura se controla manipulando
Figura 15. Comportamiento de las válvulas de control para el caso de la figura 14
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dos válvulas en oposición sin que interfieran con la válvula de caudal, puesto que las válvulas en oposición no disminuyen el paso de caudal sino que lo distribuyen. La figura 17 muestra otra configuración de válvulas y equipos instalados en el circuito de reflujo circulante en el que se pretenden diferentes objetivos, como son: - Controlar el caudal total extraído por medio del FC1. - Bifurcar el caudal total en dos ramas, controlando el que ha de pasar por una de ellas. En este ejemplo se controla el caudal que pasa por la línea en la que se encuentra instalado el FC2. La otra rama absorberá el resto hasta completar el total controlado por FC1. - Controlar la temperatura de salida del cambiador situado en una de las ramas del reflujo circulante con dos válvulas en oposición. Este sistema vuelve a bifurcar una de las corrientes en otras dos. - Controlar la temperatura de retorno por medio de un motor con velocidad variable, con variador de frecuencia, para modificar el intercambio del aerorrefrigerante. Con este sistema se elimina el resto de calor necesario para conseguir la temperatura de retorno y que no ha sido eliminado en los intercambiadores instalados en el circuito. El sistema mostrado en la figura 17 combina cuatro válvulas automáticas en serie y paralelo manipuladas por diferentes variables, sin que se produzca acoplamiento entre ellas. La figura 18 muestra otra combinación con seis válvulas automáticas instaladas en serie y paralelo. El concepto del circuito es el mismo de los anteriores, aunque en cada caso se debe utilizar el mejor diseño para obtener el mayor aprovechamiento del calor extraído. Las características de este circuito se pueden enumerar como: - Controlar el caudal total extraído por medio del FC1. En este caso, la válvula automática no se encuentra en la línea principal, sino en una de las dos ramas principales en las que se divide.
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Figura 16. Control de reflujo circulante simple
Figura 17. Otra configuración de reflujo circulante
Figura 18. Combinación de válvulas automáticas
- Bifurcar el caudal total en dos ramas, controlando el que ha de pasar por una de ellas. En este ejemplo se controla el caudal que pasa por la línea en la que se encuentra instalado el FC2. Se pretende mantener constante el caudal que pasa por el reboiler de una columna de destilación en la que se controla la temperatura del plato sensible. La otra rama absorberá el resto hasta completar el total controlado por FC1. - Controlar la temperatura del plato sensible de una columna de destilación modificando el paso de caudal de reflujo circulante con dos válvulas en oposición. Este
sistema vuelve a bifurcar una de las corrientes en otras dos. - Controlar la temperatura de retorno por medio de un refrigerante con agua por medio de dos válvulas en oposición. Con este sistema se elimina el resto de calor necesario para conseguir la temperatura de retorno y que no ha sido eliminado en los intercambiadores instalados en el circuito.