Optimización Del Posicionamiento De Detectores De Gases Inflamables y Tóxicos Utilizando CFD

Optimización del Posicionamiento de Detectores de Gases Inflamables y Tóxicos utilizando CFD

Autores:

Dr Franz Zdravistch

Senior Engineer , Gexcon AS, Bergen, Norway

franz@gexcon.com

Ørjan Knudsen, MSc.

Senior Engineer , Gexcon AS, Bergen, Norway

orjank@gexcon.com

Dr Kees van Wingerden

Technical Director , Gexcon AS, Bergen, Norway

kees@gexcon.com

Detectores de gas son instalados habitualmente en plantas de producción y procesamiento tanto costa fuera como en tierra para alertar de forma automática y activar medidas de seguridad cuando ocurren escapes de gas. En caso de que estos escapes no sean detectados eficazmente, las instalaciones son susceptibles a dos riesgos principales: (1) acumulación de gases tóxicos por encima de los límites máximos, y (2) acumulación de gases inflamables hasta niveles que podrían causar incendios y/o explosiones. Estas situaciones pueden resultar en lesiones o incluso víctimas fatales, así como pueden afectar la integridad física de las instalaciones e infraestructura adyacente. El número y posicionamiento de detectores de hidrocarburos (HC), Sulfuro de Hidrógeno (H₂S) y otros gases tóxicos es un factor crucial en la eficacia del proceso de detección. Sin embargo, la cantidad de detectores que pueden ser instalados así como su posicionamiento son limitados y estos parámetros deben ser optimizados para lograr una máxima efectividad de operación.

La empresa GexCon AS ha conducido varios estudios donde se analiza la cantidad y posicionamiento de detectores en instalaciones de procesamiento utilizando tecnología de dinámica de fluidos computacional tridimensional (CFD). Esta metodología ha evolucionado progresivamente hasta llegar a un nivel donde el análisis de ingeniería, CFD y herramientas computacionales de modelaje de detección se utilizan para optimizar el número y ubicación de los detectores. En este trabajo, se presenta una revisión general de la metodología aplicada para optimizar la detección de nubes de gas de HC y de H₂S.

El primer paso es realizar una inspección de las instalaciones para verificar los detalles del diseño existente, tal como equipos y ubicación de los detectores, así como cualquier otra información necesaria para el estudio. Una vez que esta información ha sido recopilada y corroborada por el cliente, el siguiente paso es establecer el tamaño de nube de gas explosiva que se utilizará como parámetro de dimensionamiento para el proceso de optimización. Con este fin, se realizan una serie de simulaciones para diferentes tamaños y ubicaciones de nubes explosivas en cada sección o módulo en las instalaciones. Es importante señalar que los patrones de dispersión de nubes tóxicas y de HC son controlados en parte por la posición, dirección e intensidad de los escapes, pero principalmente por los patrones de flujo de aire causados por el viento. Debido a que las instalaciones de procesamiento se componen de equipos e infraestructura con geometrías intrincadas, que incluyen obstáculos de diferentes escalas, el  flujo de aire dentro y alrededor de estas estructuras es extremadamente complejo, con  regiones de recirculación, vórtices inestables y zonas de estancamiento con ventilación deficiente. Para representar estos patrones de flujo de aire atmosférico adecuadamente, se requiere utilizar una representación detallada  y tridimensional de la geometría, así como modelos tridimensionales de fluidos viscosos en régimen turbulento que hayan sido apropiadamente calibrados para este tipo de aplicaciones. En este caso, se ha utilizado el software FLACS (desarrollado y mantenido por GexCon AS en Noruega). FLACS es una herramienta de CFD que ha sido desarrollada y validada para aplicaciones de ventilación, dispersión y explosiones.

Para evaluar la localización y tamaños probables de las nubes de gas, se modelan una cantidad suficiente de posiciones, direcciones e intensidades de los escapes. La selección de estos escenarios se basa en posibles fallas de los equipos y la probabilidad que tengan de impactar partes sensibles de las instalaciones. Una selección numerosa de escapes es utilizada para garantizar que todas las áreas relevantes (por ejemplo, donde hay personal trabajando) estén representadas. Los resultados de estas simulaciones proporcionan la ubicación, forma y concentración de cada  nube, así como su evolución en el tiempo desde el momento en que la fuga se inicia hasta que alcanza un estado estacionario o hasta que se agote el inventario.

DETIME, una herramienta computacional de detección desarrollada por Gexcon AS, es utilizada para calcular los tiempos de detección para cada nube. Cada tiempo de detección es una función de la  lógica de votación de los detectores y los umbrales preestablecidos de concentración de HC y/o H₂S. Con esta información, variaciones de posicionamiento de los detectores y diferentes lógicas de votación pueden ser evaluadas, y se pueden tomar decisiones de ingeniería considerando todos los parámetros que definen el proceso de dispersión. Diferentes opciones son evaluadas para obtener un diseño preliminar, y seguidamente se realiza una  segunda inspección de las instalaciones para verificar la viabilidad del diseño propuesto. Si es necesario, se prueban diseños alternativos hasta que se define el diseño final.

En este trabajo se describe la metodología en detalle, se presentan y explican  ejemplos específicos para cada etapa del proceso de optimización, así como se enumeran planes para desarrollar tecnologías complementarias futuras.