WhitepaperIntegración modular de paquetes de equipo deprocesos para instalaciones de petróleo y gas

A continuación se plantea un enfoque del diseño integrado para paquetes modulares de equipos de proceso. Mediante la incorporación de equipo eléctrico, de instrumentos y de control en la misma plataforma que el equipo de procesos, se logra un mayor nivel de integración. Las ventajas incluyen un número reducido de conexiones de equipos in situ y la capacidad de poner en marcha los equipos antes de la instalación, lo que se traduce en una reducción de los costos de instalación. Se revisan también la clasificación de áreas y los requisitos de instalación así como de las barreras pasamuros para un diseño modular integrado.

Índice de Términos: Conexiones de cable, clasificación de áreas peligrosas, integración modular, diseño de módulos de procesos, pasamuros de cables, barrera de vapor

Resumen

IntroducciónLos módulos prefabricados se utilizan ampliamente para paquetes en patines de instalaciones de petróleo y gas tanto de exploración y producción como refinerías y plantas petroquímicas. Un patín típico puede incorporar recipientes de proceso, compresores, múltiples bombas y otros equipos donde se manejan materiales inflamables. En la mayoría de los casos el interior de estas construcciones está clasificado como áreas peligrosas de Clase I según los artículos 500/505 de la NFPA 70 (Código Nacional de Electricidad) o la Sección 18 del CEC (Código Canadiense de Electricidad).

Una vez que se ha clasificado un módulo de procesos como área peligrosa, se verán afectados la certificación del equipo eléctrico y los métodos de cableado. Normalmente los mecanismos de control, los centros de control de motores y el equipo de control de procesos son diseñados para instalarlos en áreas no clasificadas. Esto requiere que la instrumentación principal y los equipos de control y protección se ubiquen fuera del patín, comúnmente en una ubicación remota. Las conexiones de los equipos eléctricos se realizan in situ cuando los módulos del patín están siendo instalados. Este enfoque requiere realizar in situ la interconexión, la puesta en marcha y la comprobación de los sistemas. Esto es costoso, requiere mucho tiempo y suele requerir personal especializado para poner en marcha todo el sistema de procesos.

¿Qué pasaría si durante el montaje del patín en fábrica pudieran instalarse los equipos de procesos y de protección, instrumentación y control? Esto permitiría realizar las conexiones del cableado en las instalaciones de fabricación así como la puesta en marcha previa del equipo de procesos en un ambiente controlado. Reduciría la mano de obra en sitio, permitiría una rápida implementación y mejoraría la calidad, ya que la mayor parte del trabajo se realizaría en un ambiente controlado de fábrica. Y todo esto reduciría, en última instancia, el costo total de la instalación. ¿Existe alguna manera de promover este concepto de diseño? Existen distintas opciones respecto al diseño de clasificación de áreas, diseño de módulo y métodos de construcción utilizados para implementar el concepto de diseño integrado.

En este documento se contempla siempre el procedimiento de utilizar un diseño de paquete de procesos integrados, en el que tanto el equipo de procesos como el equipo de control, instrumentos y eléctrico sean instalados en bloque en un patín común.

El concepto de un paquete modular estándar de procesosEl paquete típico para un patín de procesos de petróleo y gas suele incorporar solamente el equipo de procesos. Esto se debe principalmente a los requisitos de clasificación del área circundante inmediata al equipo de procesos. Dependiendo de la probabilidad de que se produzca una emisión inflamable, de la duración de la emisión y del nivel de ventilación disponible, un patín de procesos puede clasificarse como Clase I, División 1 ó 2 aplicando el método de clasificación de áreas por divisiones o bien, Clase I, Zona 1 o Zona 2 de acuerdo al método de clasificación de áreas por zonas.

Una vez se haya clasificado el módulo de procesos, el equipo eléctrico y de instrumentos deben certificarse para esta localización peligrosa. El equipo certificado para áreas peligrosas suele ser más costoso y su disponibilidad, con frecuencia, es limitada. Por este motivo, gran parte del equipo eléctrico y de control se encuentra fuera del patín en una localización no clasificada, mientras que lo único que se instala en el patín de procesos son los sensores finales de los dispositivos. El resultado es un gran número de conexiones de cables que tendrán que conectarse durante la instalación en campo. En la Fig. 1 se muestra un diseño convencional de un paquete modular de procesos de petróleo y gas.

Concepto de Diseño del Patín de Proceso Modular Estándar

Fig 1

Área no Peligrosa Área Peligrosa Clase I

Bomba de Proceso

Motor

Motor JBRTDJB

Estación de Control del Motor

Arrancador del CCM

Interruptor de Presión

Panel de Control

Patín de Electricidad/Instrumentación

Patín de Proceso Área de Interconexiones

Concepto de paquete modular integrado de procesosEl concepto de paquete de diseño modular integrado incorpora todos los sistemas de procesos, instrumentos, eléctrico y de control en un patín común.

Para incorporar servicios no clasificados, equipos eléctricos y sistemas de control en un patín de procesos donde se manejan materiales inflamables, será necesario crear un área “segura”. El diseño del área segura forma parte del diseño de clasificación de áreas peligrosas para el paquete del patín.

Esto puede llevarse a cabo de tres maneras.1. Separando físicamente el área no clasificada del área

clasificada en un patín común2. Creando una zona de presión positiva dentro del área

clasificada utilizando aire desde un área no clasificada

3. Incorporando el uso de barreras impermeables al vapor para separar el área clasificada de la no clasificada

A. Opción 1 - Separación físicaEn la Opción 1 se crea un área clasificada separada de la no clasificada por una cierta distancia. El equipo de control y eléctrico se ubican en un módulo fuera del área clasificada asociada con el equipo de procesos. La distancia entre módulos se determina en función del diseño de clasificación de área diseñada para el equipo de procesos. Esto depende de la densidad del vapor de los materiales inflamables manejados y del nivel de ventilación dentro de la zona inmediata. En la Fig. 2. se ilustra este concepto.

Los principales inconvenientes de separar la zona clasificada de la no clasificada es el tamaño resultante del paquete del patín. Esto normalmente aumenta el tamaño y peso del módulo del patín, que podría tener un impacto en las dimensiones para el transporte.

Opción 1 — Diseño integrado usando separación física

Fig 2

Area no Peligrosa

Patín común de ensamble

Área Peligrosa Clase I

Bomba de Proceso

Motor

Motor JBRTDJB

Interruptor de Presión

ControlPanel de

Arrancador del CCM

Estación de Control del Motor

B. Opción 2 - Edificio de control presurizado en un área clasificada

La Opción 2 implica la creación de un área no clasificada dentro de una unidad de procesos mediante una purga positiva. Se presuriza una estructura cerrada hasta alcanzar un valor ligeramente por encima de la presión ambiental normal para evitar el escape de emisiones de un área clasificada al entrar al área no clasificada.Los requisitos para las construcciones presurizadas se definen en el Capítulo 7 de NFPA 496 ”Norma para Recintos Purgados y Presurizados para Equipo Eléctrico”. Los requisitos básicos para un edificio o cuarto purgados son los siguientes:

1. El aire utilizado para crear una zona presurizada debe tener su origen desde una zona no clasificada y no contener más que una cantidad muy diminuta de gas inflamable.

2. Los conductos de aire del sistema de purga deben construirse con materiales no combustibles y estar protegidos contra corrosión y daños mecánicos. El sistema de purga puede ser una parte integral del sistema HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado) del edificio.

3. El sistema de aire de presión positiva debe proporcionar 25 Pa (0.1” WC) de presión con todas las aperturas cerradas. El sistema debe ser además capaz de proporcionar una velocidad de aire saliente de 0.305 m/seg (60 ft/min). A través de todas las aperturas que puedan abrirse. En muchas ocasiones es complicado cumplir todos estos requisitos sin utilizar un sistema de entrada con bloqueo de aire.

4. El funcionamiento del sistema de purga debe monitorearse mediante un interruptor de presión o de flujo. En caso de una interrupción del sistema de purga, será necesario realizar un procedimiento para comprobar la atmósfera de la zona no clasificada antes de conectar cualquier equipo no aprobado para instalaciones peligrosas. Por este motivo, cualquier equipo esencial para el funcionamiento de un sistema purgado deberá estar certificado para su uso en zonas clasificadas.

Opción 2 — Módulo Presurizado dentro de un Área Clasificada

Fig 3

Edificio presurizado a 25 Pa

Motor

Motor JBArrancador del CCM

Pasamuros de Cables

Purga del ventilador(Fuente de aire desde un área no clasificada)

ASistema de Monitoreo de Purga

ControlPanel de

Área Peligrosa Clase I

Bomba de Proceso

RTDJB

Interruptor de Presión

Estación de Control del Motor

Dependiendo de si el cuarto o edificio no clasificado se encuentran en una instalación de Clase I, División 1 (Zona 1) o Clase I, División 2 (Zona 2), se aplicarán requisitos adicionales. Una instalación de División 2, requiere una purga de tipo ”Z”. La purga de tipo ”Z” requiere que el sistema de purga sea monitoreado desde una instalación constantemente vigilada. Si se produce una falla en el sistema de purga, debería activarse una alarma. No existen requisitos para la desconexión inmediata de cualquier equipo no clasificado ubicado en un edificio purgado. Si la zona no clasificada se encuentra dentro de una instalación de Clase I, División 1 y se produce un fallo en el sistema de purga, será necesario desconectar todo el equipo no aprobado para instalaciones de Clase I, División 1. No será posible volver a conectar el equipo hasta que no se haya purgado el equivalente a 4 renovaciones de aire fresco en la sala o edificio. Un estándar alternativo que se utiliza con frecuencia en el diseño de edificios purgados es el IEC 60079-13 ”Construcción y Uso de Edificios Protegidos por Presurización”. Los requisitos del IEC 60079-13 son similares a los del NFPA 496. Los edificios purgados se utilizan con frecuencia cuando la sala o edificio no clasificado está totalmente rodeado de una instalación clasificada. Este caso ocurre con frecuencia en lugares donde la instalación no clasificada se encuentra dentro de los límites de grandes refinerías.

C. Opción3 - Barreras impermeables al vapor como medio de separaciónLa instalación de un cuarto o edificio no clasificado adyacente a una zona clasificada es posible siempre que se instale una barrera impermeable al vapor entre el área peligrosa y la no clasificada. El diseño de la barrera de vapor debe realizarse de modo que evite la migración de la fuga de emisiones de la zona clasificada a la zona no clasificada en condiciones de presión ambiental normal. En la sección 6 de API RP 500 y 505 se comenta el uso de áreas clasificadas con barreras impermeables al vapor. En la Fig. 4 se ilustra el uso de una barrera estanca (hermética) al vapor en el contexto de un módulo integrado en un patín.

La ventaja principal de utilizar una barrera estanca (hermética) al vapor para segregar una zona no clasificada es la simplicidad del diseño.

No se necesitan complicados diseños HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado) ni esquemas de interbloqueos para mantener la integridad del área no peligrosa. Todo lo que se necesita es mantener la integridad de la barrera estanca al vapor y evitar que se produzcan diferenciales de presión positiva entre la zona clasificada y no clasificada.

Opción 2 — Módulo Presurizado dentro de un Área Clasificada

Fig 4

Área No Clasificada

Arrancador del CCM

Barrera en Pared/Hermética al Vapor

ControlPanel de

Motor

Motor JB

Pasamuros de Cable

Área Peligrosa Clase I

Bomba de Proceso

RTDJB

Interruptor de Presión

Estación de Control del Motor

Barreras pasamuros para tuberías y cablesLas barreras pasamuros son elementos importantes en el diseño de módulos integrados. Permite la entrada de tuberías, conductos y cables a través de muros que deben ser a prueba de fuego, estancos (herméticos) al vapor o diseñados para mantener un entorno presurizado. Las barreras pasamuros deben poder instalarse en distintos tipos de muros, ofrecer la misma clasificación de resistencia al fuego que el muro, admitir el paso de distintas tipos de conductos y conexiones de cable de varias configuraciones así como permitir modificaciones y cambios futuros. En la Fig. 4 se ilustra el uso de una barrera pasamuros en una aplicación modular integrada. La familia de productos de Roxtec se adapta perfectamente al concepto de módulo integrado. Roxtec fabrica distintos marcos pasamuros que pueden instalarse en estructuras de concreto, acero o estructuras con marcos propios. La tecnología multicapas utilizada en los módulos de Roxtec simplifica tanto el diseño como la instalación de tuberías y cables a través de particiones de muros. Se configura fácilmente a una amplia gama de diámetros de tuberías y cables formando un sello de presión alrededor del paso de la tubería o cable. Esto garantiza la integridad del muro estanco (hermético) a vapores y minimiza las pérdidas de presión en instalaciones purgadas. Las tuberías y cables se instalan fácilmente y el sistema de Roxtec puede abrirse o cerrarse repetidamente del modo que sea necesario para instalar nuevos pasos de tuberías y cables. Esto flexibiliza los cambios en el futuro sin comprometer la integridad del método de segregación utilizado.

ConclusiónLa integración de equipos de procesos, eléctricos y de instrumentación en un mismo patín ofrece varias ventajas. Permite realizar las conexiones del cableado en un entorno controlado de fabricación, facilita la previa puesta en marcha de instrumentos y equipo de control antes de su envío al lugar de instalación, reduce la mano de obra en el lugar de la instalación y reduce todos los costos de propiedad.

Existen varias maneras de integrar los procesos y el equipo eléctrico y de instrumentación. Los equipos de instrumentación y eléctrico deben instalarse en un módulo independiente en un patín común. El equipo no clasificado puede protegerse en un cuarto presurizado o bien, puede separarse usando una barrera hermética al vapor.

El tamaño de las penetraciones en el área de la estructura requiere un análisis cuidadoso. Deben permitir la instalación de tuberías y cables y mantener la integridad estructural y resistencia al fuego del muro, los requisitos del edificio presurizado o hermético al vapor y permitir futuras expansiones. El diseño de la barrera pasamuros de Roxtec satisface todos estos requisitos e incorpora innovaciones para reducir los costos de instalación y facilitar expansiones futuras. La gama de productos de Roxtec es clave para hacer realidad el concepto de paquete de equipos integrados.

Referencias[1] API Práctica Recomendada 505, ’Práctica Recomendada

para la Clasificación de Localizaciones para Instalaciones Eléctricas en Instalaciones de Petróleo Clasificadas como Clase I, Zona 0, Zona 1 y Zona 2, 1era Edición, Noviembre de 1997

[2] NFPA 496, ’Norma para Purga y Presurización de Recintos para Equipo Eléctrico.’ Edición 2003, Quincy, MA: NFPA.

[3] IEC 60079-13, ’Aparatos Eléctricos para Atmósferas Explosivas de Gas - Parte 13 Construcción y Uso de Cuartos para Edificios Protegidos por Presurización’ 1982, Comisión Electrotécnica Internacional, Ginebra, Suiza.

BiografíaP.Eng., MBA. Allan Bozek. Se graduó en la Universidad de Waterloo en 1986 donde obtuvo su BASc en ingeniería de diseño de sistemas y un MBA en la Universidad de Calgary en 1999. Trabaja como director en EngWorks Inc. ofreciendo servicios de asesoría en proyectos de ingeniería a los sectores de petróleo y gas.

Roxtec International AB, la empresa matriz de Roxtec, Inc. se fundó en 1990 y es líder mundial en sistemas modulares de sellado de tuberías y cables. Roxtec cuenta con más de 250 pruebas registradas y aprobaciones y sirve a las industrias de petróleo y gas, telecomunicaciones, equipos marinos, industriales y fabricantes de equipos originales en más de 70 mercados de todo el mundo. Más información sobre la empresa, productos, aplicaciones y datos de ingeniería en www.roxtec.com

Roxtec Inc 10127 E.Admiral Place, 74116 Tulsa, OK PHONE +1 800 520 4769, 918 254 9872FAX +1 918 254 2544 EMAIL onshore@us.roxtec.com, www.roxtec.com

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