Estrategias en la Modernización y Automatización en Refinerías

Por Ing. Ygor Guilarte
Revista InTech México Automatización
Edición ExpoControl 2010

Resumen Ejecutivo

En los últimos años, los mayores operadores globales (Shell, ExxonMobil, ChevronTexaco, BP) han experimentado una caída significativa en la demanda de productos refinados y una baja en la utilización de sus instalaciones actuales. Aunque los precios y la demanda se están recuperando, los márgenes de rentabilidad siguen afectados. Bajo este escenario, es incierto cuando realizaran inversiones mayores para aumentar la capacidad de refinación en el largo plazo a sabiendas que cuentan con una antigua flota de refinerías en Norte América y Europa.

Por otra parte, las empresas paraestatales (Pemex, Aramco) tienen un reto diferente: un mercado local de creciente demanda. De acuerdo a la Agencia internacional de Energía (lEA), la demanda global aumentará sustancialmente, particularmente en las regiones en desarrollo. Por lo tanto, las capacidad de refinación necesitará ser mejorada y expandida.

Ambas tienen las mismas presiones por mejorar el margen de rentabilidad con mayores niveles de seguridad y protección ambiental. Al margen de las nuevas regulaciones para reducir sus emisiones de C02 y otros gases con efecto invernadero para prevenir el calentamiento global, en la mayoría de sus plantas están experimentando obsolescencia temprana de los sistemas con los cuales controlan sus unidades de proceso. Según estimaciones de ARC Advisory Group, hay aproximadamente US $65 billones en sistemas de automatización instalados hoy que están al final de su ciclo de vida tradicional. Con tantos sistemas obsoletos y nuevos ofrecidos en el mercado, cobra más importancia que nunca tomar la estrategia correcta de modernización y migración.

Evolución de Sistemas de Control de Procesos

Bajo este contexto, a continuación se considera la importancia de aplicar tecnologías de vanguardia que permiten aumentar y optimizar el volumen de producción; reducir significativamente el cronograma de ejecución de los proyectos, reducir el riesgo de implantación y disminuir los costos de esas obras como consecuencia y alcanzar mayor calidad.

¿Cuándo cambiar y por qué?

Aunque cada caso debe ser analizado para justificar la inversión en automatización, en líneas generales las recomendaciones serían las siguientes:

  • Amenaza, frecuencias de Paros No Programados
  • Oportunidad imposible sin un nuevo sistema
  • Aumento relevante del costo de mantenimiento
  • Sistema llega al fin de su producción o soporte
  • Necesidad actual exige nueva tecnología

En ese entonces, los llamados Sistemas de Control Distribuidos (DCS) tuvieron un gran auge en el control de procesos industriales. Lamentablemente, la mayoría de los DCS estaban siendo meramente reemplazo de los controles analógicos con instrumentación neumática y paneles mímicos por CRTs sin ninguna mejora. Purdue definió un modelo de referencia, bases de la norma ISA95 actual.

Se creyó que una apertura con mayor cantidad de datos compartidos en red a lo largo de toda la planta, podrían lograr mayores y mejores beneficios. Ciertamente los hubo, pero el enfoque es evitar un simple reemplazo funcional y definir objetivos más ambiciosos en la mejora de la productividad. Se plantean por tanto, varios objetivos esenciales:

  1. Racionalización y mejora en la medición.
  2. Mejora en el Control del Proceso
  3. Implantación de Aplicaciones Avanzadas
  4. Incorporación de Sistemas de Información
  5. Incremento de la Seguridad Industrial

Importancia de medir bien

La exactitud en la medición de flujo es uno de los elementos clave que puede influir en la productividad de toda la refinería. Diversos tipos de medidores de flujo están instalados a lo largo de las unidades de refinación, pero por mucho, el mayor en número de ellos son placas de orificio y transmisores de presión diferencial. Algunas de estas aplicaciones de medición de flujo tipo orificio, tienen limitaciones innatas y recurrentes problemas de mantenimiento. Considerando que uno de los objetivos es minimizar el número de posibles puntos de fuga, la utilización de otros dispositivos como medidor de flujo en línea (i .e. Vortex logra reducirlo a 3 en cambio hasta 30).

En algunos casos de éxito han extendido exitosamente la duración de los períodos en los que las unidades pueden operar continuamente (hasta 3 años), usada en casi el 60% de todas las aplicaciones de flujo. Otro punto clave son los analizadores en línea (i.e. Cromatografía de Gases, GC); los cuales usualmente tienen un muy bajo factor de servicio por deficiencias en el diseño del sistema toma muestra, falta de calibraciones y/o personal experimentado. Foco en cuales GCs deben ser correctamente instalados y mantenidos en funcionamiento es crítico para lograr mejores datos en “tiempo real” para estrategias de control más elaboradas. Las inferencias del perfil de presiones o gradientes de temperatura nunca podrán superar saber la composición química de fluidos.

Del Control básico al avanzado

Aplicar control multivariable o estrategias de control regulatorio avanzadas permite la estabilización del proceso que a la postre también resulta en una mayor calidad del producto, aumento del volumen de producción o ambas. El avance en estas técnicas permite garantizar el factor de servicio del pasado. La robustez es mayor al incorporar modelos matemáticos en combinación con el conocimiento a priori del proceso por porte de expertos en la industria.

Existe hoy día, simuladores fuera de línea paro diseño y modelaje de la unidad fáciles de usar, con algunos bondades para analizar escenarios reales y posibles. Las aplicaciones modernas incorporan una verificación extensiva de los analizadores en línea con validación de datos e integración a sistemas de laboratorio, logrando un manejo robusto de la medición de calidad de referencia ante incertidumbre en el dato o retraso variable. Adicionalmente, los cálculos predictivos y filtros avanzados, técnicas de control estadístico y el manejo de calidades no lineales por redes neurales no lineales, refuerzan el desempeño del control avanzado como nunca antes.

Seguridad ante todo

Es nuestra responsabilidad e integridad de ingenieros aplicar las normativas y buenas prácticas de la industria para maximizar la utilización y disponibilidad en planta, bajo el ambiente más seguro posible con el debido cuidado al medio ambiente.

Se sostiene que en una refinería todos los lazos son críticos. Ciertamente, cuando el incendio es una realidad con la que hay que convivir por lo inflamable de todos los derivados que circulan, hoy que adoptar esquemas cada vez más robustos. Por definición, siempre se utilizan esquemas de redundancia, incluyendo arreglos llamados tolerantes a fallas. Actualmente, se puede lograr disponibilidad de hasta siete 9’s (99.99999%, tecnología “Pair & Spare”).

Lo resaltante es aprovechar lo oportunidad de cambio para establecer capas de seguridad que permitan separar las funciones de control de las de seguridad; e incorporando a la vez sistemas de mitigación.

Contratando diferente

Si bien es cierto que las empresas del estado les están normalmente limitadas realizar contratos basados en desempeño o compartir ganancias producto del proyecto a implantar, varios operadores globales han logrado éxitos importantes al cambiar la formo con la cual están contratando los servicios de ingeniería y automatización industrial como parte de los proyectos de modernización o expansión de refinerías. Empresas como Chevron Texaco reporta hasta un 30% de ahorro en el ciclo de vida del proyecto en comparación con el esquema tradicional, en un programa llamado “Refinería del Futuro”.

El método fue seleccionar en formo temprana a su aliado estratégico en automatización, incorporarlo en un rol de Contratista Principal de Automatización (MAC) ante las diferentes firmas de Ingeniería, Procura y Construcción (IPC). La clave es simple, normar y permitir la definición de cual tecnología debe utilizarse, estandarizando y armonizando todos los sistemas, base de datos, procesos, plantas, etc. Otro aspecto resaltante son la pre-selección de aliados tecnológicos a largo plazo (i .e. Shell por 10 años bajo acuerdo marco denominado “Programo de Modernización de Operaciones Aguas Abajo”).

Un beneficio es lo reducción en los cronogramas de ejecución de proyectos de largo escala, mientras reduce riesgos y costos como consecuencia. Es importante evaluar elementos como la inversión continua en Investigación y Desarrollo (R&D) del fabricante a seleccionar y el costo de propiedad de todo el ciclo de la inversión, más allá de un aparente bajo costo de adquisición inicial.

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