2010 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP – Planta de Fraccionamiento Ulé El control básico de la torre despropanizadora de GLP-2, D8504, es realizado por medio de controladores por retroalimentación o Feed-Back, con la finalidad de mantener estables algunas variables tales como temperatura, presión y caudal de reflujo que son fundamentales para lograr una especificación determinada del producto. Este sistema de control funciona de manera adecuada sólo cuando se alcanza el estado estacionario, pero es poco eficaz para responder ante perturbaciones o variaciones que ocurren de manera inesperada produciendo oscilaciones que inestabilizan el proceso. Los parámetros de operación deseados se obtuvieron considerando diferentes condiciones operacionales, obtenidas con la ayuda del programa de simulación de proceso Aspen HYSYS 2006, mientras que para la identificación de los modelos en estado no estacionario se determinaron realizando perturbaciones tipo escalón sobre las variables de entrada de flujo y reflujo a la torre utilizando los simuladores comerciales LAB VIEW® y MATLAB®. Se diseñó un Control por Adelanto, que actúa sobre el valor deseado del controlador de temperatura del tope de la torre, de acuerdo al caudal de la corriente de alimentación y del reflujo de la misma. Autor: Ing. Danny Montilla Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 2 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP RESUMEN El control básico de la torre despropanizadora de GLP-2, D8-504, es realizado por medio de controladores por retroalimentación o Feed-Back, con la finalidad de mantener estables algunas variables tales como temperatura, presión y caudal de reflujo que son fundamentales para lograr una especificación determinada del producto. Actualmente; este sistema de control funciona de manera adecuada sólo cuando se alcanza el estado estacionario, pero es poco eficaz para responder ante perturbaciones o variaciones que ocurren de manera inesperada produciendo oscilaciones que inestabilizan el proceso. Es por esto que se propone utilizar una estrategia de control avanzado para el control de la torre despropanizadora (D8-504) de la Planta de Fraccionamiento Ulé. Los parámetros de operaciones deseados se obtuvieron considerando diferentes condiciones operacionales, obtenidas con la ayuda del programa de simulación de proceso Aspen HYSYS 2006, mientras que los modelos en estado no estacionario se determinaron realizando perturbaciones tipo escalón sobre las variables de entrada de flujo y reflujo a la torre. Para esto se tomaron datos reales de las variables del proceso y se utilizaron los simuladores comerciales LAB VIEW® y MATLAB®. Se diseñó un Control por Adelanto, que actúa sobre el valor deseado del controlador de temperatura del tope de la torre, de acuerdo al caudal de la corriente de alimentación y del reflujo de la misma. De esta forma se asegura que los productos cumplan con el plan de calidad, garantizar ahorros económicos y de energía e incremento de la confiabilidad del sistema y se disminuye de esta manera los errores humanos asociados a la manipulación de los parámetros operacionales dentro del sistema de control distribuido. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 3 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP INTRODUCCION PDVSA Gas cuenta con instalaciones en diversos campos del país, dedicadas a la extracción y fraccionamiento de líquidos del gas natural (LGN), que buscan la explotación rentable de las reservas de hidrocarburos. En Occidente, se encuentran ubicadas dos plantas de fraccionamiento ULE y Bajo Grande. La Planta de Fraccionamiento Ulé se encuentra conformada por las plantas de fraccionamiento GLP-1, 2 y 3 y la planta de Extracción GLP-5, actualmente se encuentra operando la Planta GLP-2 con una alimentación promedio de 16 MBPD de LGN, y la cual posee una capacidad de procesamiento por diseño de 46.0 MBPD de LGN provenientes de las plantas Tía Juana 2 y 3, produciendo: propano, mezcla de butanos y gasolina natural. La Planta GLP-2 está compuesta por una torre despropanizadora (D8-504 ó T5-B), una torre desbutanizadora (D8-506 ó T6B), condensadores de propano (D6-501), condensadores de butano (D6-502), dos tambores de alimentación (D8-501 A/B), dos tambores de reflujo (D8-505 y D8507) y dos rehervidores (D2-504 y D2-506). Estos productos son utilizados en el mercado nacional en aquellas localidades donde no existe suministro de gas por tuberías, mediante el despacho de propano y butano derivado de los procesos de fraccionamiento que ocurren dentro de la planta de Fraccionamiento ULE. Esta planta suministra propano al mercado nacional y su producción es importante para abastecer a la población de occidente. Para el mercado regional, igualmente se abastece de producto de propano y butano, en conjunto con la planta de fraccionamiento GLP Bajo Grande. Así mismo, el 20% restante satisface la demanda de las Plantas de Conservación TJ-2 y TJ-3, para su proceso de refrigeración y hacia el mercado de exportación. En la Planta GLP-2 ULE, la mayoría de los procesos se encuentran automatizados; sin embargo, en el proceso de destilación de GLP es en donde se centraliza el planteamiento del problema. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 4 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Este trabajo de investigación se basa en la implementación de un control predictivo en una Columna de destilación de GLP; para poder desarrollar este trabajo de investigación basado en un modelo matemático obtenido a través de los software: MATLAB® y LABVIEW®), se desarrollaron los criterios y leyes de control para la depuración y simplificación de las ecuaciones de estado obtenidas, y tener un modelo que se asemeje mucho más a la realidad y comportamiento esperado para la estabilidad y controlabilidad de las variables de proceso que interactúan entre sí, en el proceso de destilación de GLP. La metodología empleada se basa la propuesta por Lewis y Yang (1999) utilizada para diseñar sistemas de control. Dicha metodología consta de 4 fases: Fase I Modelado o identificación de sistema, Fase II Desarrollo de la estrategia de control, Fase III Evaluación del comportamiento, Fase IV Construcción y comprobación. Cada una de estas fases fueron desarrolladas satisfactoriamente hasta obtener el resultado esperado, un sistema de control predictivo tipo feed-foward cuya función es adelantarse a las perturbaciones que ocurren en el proceso donde participan múltiples variables de forma independiente existiendo una competencia entre lazos de control que operan en la columna. De esta manera se obtiene un modelo dinámico de proceso que describe el comportamiento de la columna de destilación de GLP, lo que permitiría ajustar de manera automática todas estás interacciones y perturbaciones que ocurren en el proceso. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 5 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la Planta de Fraccionamiento de GLP-ULE. PDVSA GAS, situada en el municipio Simón Bolívar, sector la Vaca, Tía Juana, Estado –Zulia, se encarga de Fraccionamiento los líquidos de gas natural (LGN) proveniente de dos plantas de extracción que se encuentra situada en el Lago de Maracaibo, Planta Compresoras de Gas Tía Juana 2 (PCTJ-2) y Planta Compresora de Gas Tía Juana 3 (PCTJ-3). El control básico a la torre despropanizadora de GLP-2, es realizado por medio de controladores con retroalimentación o feed-back, este tipo de controlador trata de mantener siempre constantes algunas variables, tales como temperatura, presión y caudal de reflujo, que al diseñar la columna son fundamentales para lograr una especificación determinada. El sistema funciona de manera adecuada cuando se alcanza el estado estacionario, pero es poco eficaz para absorber las lógicas variaciones que se producen en cualquier proceso, por ejemplo los cambios en la composición o en el caudal de alimentación de la columna. Generalmente se suele colocar un control de temperatura en la zona de agotamiento o stripping para ajustar el caudal de reflujo calefactor al rehervidor y por tanto la composición del producto de fondo. La calidad del producto del tope se suele obtener en función del caudal de reflujo, bien directamente o modificado por otras variables. Es evidente que cuando se produzca una variación en la calidad o cantidad de alimentación a la columna, existirá una variación en las composiciones de los productos del tope y fondo hasta que se reajuste los caudales de reflujo y fluido calefactor respectivamente. Esta operación se suele hacer manual ajustando los set-point de los controladores involucrados según criterio del operador al visualizar las variables involucradas en el proceso, traduciéndose en un proceso susceptible a errores, lo cual conlleva a problemas operativos. El operador no puede atender razonablemente a todas las variables que tiene que supervisar y reajustarla cada minuto. El resultado es que el proceso tendrá su punto de operación a una cierta Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 6 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP distancia de las restricciones naturales del proceso de destilación, al objeto de darle tiempo al operador para reconocer y responder a las perturbaciones de entrada al proceso, esta situación puede tomar tiempo, lo que causa perdida de energía, producto fuera de especificación y dificultades al operador al tratar de obtener los valores deseado de temperatura, presión y reflujo en la columna de destilación de GLP. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar el Control Predictivo para la Columna de Destilación de GLP en la Planta GLP-2 instalada en la Planta de Fraccionamiento Ulé, con el propósito de mejorar la calidad de los productos fraccionado y disminuir el gasto innecesario de energía durante el proceso de fraccionamiento de propano. OBJETIVOS ESPECIFICOS ¾ Diagnosticar el funcionamiento actual de la planta de fraccionamiento Ulé. ¾ Obtener las ecuaciones de estado de la columna despropanizadora de la Planta GLP-2 ¾ Establecer el diseño del controlador predictivo. ¾ Evaluar a través de la simulación el correcto funcionamiento del diseño planteado para la columna despropanizadora. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 7 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP BASES Y PREMISAS Las bases y premisas utilizadas para el desarrollo del estudio son las siguientes: • Las composiciones de entrada del producto (LGN) hacia la Columna de Destilación D8-504 promedio de Octubre 2008 son las siguientes: • Para la obtención de los parámetros físicos – químicos de las corrientes del proceso se utilizó el simulador de procesos Aspen Hysys 2006. son los siguientes: • La obtención de la ecuaciones de estado del la Columna de Destilación D8-504 se realizó con el programa MATLAB®. Versión 7.6.0 (R2008a) • Los datos de proceso en estado dinámico de la Columna D8-504 se obtuvieron del sistema de Control Distribuido (TDC-3000). Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 8 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP • La data de proceso fue transferida vía OPC al programa Process BooK para la obtención de histórico de las variables involucrada. • El tiempo de muestreo de las señales de proceso obtenidas fue de un segundo. • Para la obtención de la data de proceso de la columna de destilación D8504, se realizó en acción manual (lazo abierto). • La señal empleada fue tipo escalón unitario en la válvula de control de entrada del flujo de alimentación a la columna. METODOLOGIA La metodología seleccionada para el diseño de la investigación corresponde a la propuesta por Lewis y Yang (1999) utilizada para diseñar sistemas de control, dicha metodología consta de 4 fases Fase I: Modelado o identificación de sistema • Analizar el proceso de destilación de propano en la columna despropanizadora (D8-504) de la planta fraccionadora de GLP-ULE a través del estudio de: diagrama de flujo de procesos, planos instrumentación y control, datos almacenados en el sistema de bases de datos históricos del Sistema de Control Distribuido (TDC-3000), en el cual se visualizaron los parámetros de operaciones puntos de ajuste y las distintas alteraciones generadas por las perturbaciones que ingresan al proceso, así mismo se tomaron en cuenta las opiniones de los operadores de planta para escuchar sus sugerencias y problemas en cuanto al funcionamiento de los lazos de control de la columna de destilación. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP 9 • Identificar las fallas existentes que intervienen en los diferentes esquemas de control para establecer el por qué de las mismas y su efecto en el proceso de destilación. Fase II: Desarrollo de la estrategia de control Por medio del estudio de los datos arrojados por el sistema de control distribuido y la evaluación del modelado de la columna de destilación de la planta se seleccionara la estrategia de control predictivo más acertada para el funcionamiento de la planta y la cual se puede implementar en el Sistema de Control Distribuido. Fase III: Evaluación del comportamiento En esta fase se comprenderá el uso del simulador como herramienta para el modelo matemático de la planta, así mismo se espera conseguir una ecuación de estado precisa y acorde con el proceso en estudio para así elaborar un controlador efectivo el cual funcione perfectamente en el simulador y al momento de su aplicación real en el proceso de destilación. Fase IV: Construcción y comprobación Se emplearon los programas MATLAB® para conseguir la ecuación de estado y el programa LABVIEW® y ASPEN HYSYS® para simular el proceso de destilación de GLP, adicionalmente se construye un esquema gráfico de la plata, su funcionamiento y la aplicación del controlador. En base a la simulación de nueva propuesta de estrategia de control y actualización del modelo de la planta, se entonan los esquemas de control. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 10 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP DESARROLLO Filosofía de Control La alimentación de LGN proveniente de las plantas Compresora del lago Tía Juana 2 y 3, es almacenada en los tambores de compensación D8-501A y D8501B (conectados en paralelo), como se muestra en la figura 1. Figura 1: Alimentación y Precalentado GLP-2 Fuente: PDVSA GAS 2009. Las bombas de descarga D3-501 A/B/C (una en operación y dos en reserva) succionan de los tambores D8-501 A/B y descargan mediante el control de flujo FIC7G2 hacia los precalentadores D2-507 y D2-505 conectados en serie. El precalentamiento primario se realiza en el intercambiador D2-505, donde el LGN es calentado a 144°F por la gasolina del fondo de la columna de fraccionamiento de butanos (D8-506). Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 11 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Seguidamente se efectúa un precalentamiento secundario en el intercambiador D2-505, donde es calentado mediante un intercambiador de aceite caliente (gasoil LV-40); acá el condensado estabilizado alcanza la temperatura adecuada de 212°F, la cual es controlada por el flujo de aceite caliente a la salida del intercambiador mediante un control de temperatura (TIC3G2) de tipo PID el cual ejerce una acción de control sobre la válvula. Precalentada la alimentación se lleva a la columna despropanizadora D8504, donde es fraccionada en propano (producto de tope) y una mezcla de butanos y componentes mas pesados (producto de fondo), como se observa en la figura 2. Figura 2 Proceso Torre D8-504 GLP-2 Fuente: PDVSA GAS (2009) Los vapores de tope (propano) son enviados hacia los condensadores D6501 y D6-503, conectados en paralelo. En ellos, la temperatura de condensación y consiguiente producción de líquido es regulada, con el arranque y parada de sus correspondientes ventiladores, los cuales son accionados manualmente, dando la señal de parada desde el DCS y arrancándolos el operador en campo. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 12 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP El condensando de ambos enfriadores es descargado al tambor de reflujo D8-505. La presión de operación en el tambor de reflujo D8-505 es mantenida por una válvula de control de presión, mediante el desvió de gas caliente de vapores de tope de la torre a dicho tambor, la válvula es accionada por el controlador tipo PID PIC2G2. Los vapores no condensados en el tambor de reflujo se descargan hacia la estación de flujo TJ-16 o al venteo mediante el controlador PIC-18G2 que acciona las respectivas válvulas de control de presión que trabajan bajo un esquema de control de gama partida. Las bombas de reflujo D3-503 A/B (una en operación y otra en reserva) succionan del tambor D8-505, retornando una parte de la corriente mediante control de flujo (FIC6G2) hacia la columna despropanizadora (D8-504) como reflujo, esta acción realizada por un controlador PID que permite regular la temperatura interna en la columna de destilación y el arrastre de butanos y mas pesados (C4+) hacia el fondo nuevamente, donde el diferencial de puntos de ebullición entre los distintos compuestos de la mezcla permite que los mas livianos se dirijan hacia la zona de enriquecimiento (parte alta de la torre) y los mas pesados a la zona de empobrecimiento (parte baja) y optimizando así el proceso de extracción de propano. La otra parte del propano es controlada por el control de nivel (LIC2B) el cual ejerce una acción sobre una válvula de control de nivel la cual permite el flujo del propano remanente en el D8-505 hacia almacenamiento, para luego ser distribuido al llenadero de camiones o a la Planta Refrigeradora La Salina. El líquido de fondo de la columna D8-504 es enviado hacia el rehervidor D2504, donde es calentado mediante un intercambiador calor con aceite, dicha temperatura es controlada mediante un lazo PID cascada, donde el control maestro de temperatura TIC10AG2, actúa sobre el controlador secundario de flujo Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 13 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP FIC10G2, el cual regula el paso de aceite caliente al rehervidor, según los requerimientos de temperatura fijados por el operador, en el controlador primario. Los vapores producidos en el intercambiador de calor son retornados a la columna despropanizadora D8-504 y la fracción líquida efluente del rehervidor es enviada como alimentación a la columna desbutanizadora D8-506, mediante el control de nivel LIC5G2, de tipo PID que ejerce control sobre la válvula LV5G2. La corriente (compuesta por butanos y productos más pesados) del fondo del rehervidor (D2-504), proveniente de la columna despropanizadora (D8-504) fluye como alimentación a la columna desbutanizadora (D8-506). Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP 14 RESULTADOS Análisis de los resultados obtenidos a lazo abierto en el Sistema de Control Distribuido. Al realizar las perturbaciones en la torre con los controladores a lazo abierto, se logro observar mediante los datos obtenidos, que la temperatura en el fondo de la columna fue disminuyendo paulatinamente, esto debido a que la temperatura obtenida en el intercambiador (Rehervidor) no estaba siendo ajustada al flujo de entrada del proceso, como era de esperarse para mantener los parámetros deseados es necesario que el controlador temperatura verifique el flujo de alimentación que entra y este ajustar automáticamente la temperatura que se debe mantener en el fondo de la torre, para el volumen de entrada manejado. En las siguientes figuras se puede observar la explicación con los datos obtenido del proceso. Flujo de entrada a la torre Temperatura de fondo de la torre 22 274 273 21 272 20 271 270 19 269 268 18 267 17 266 16 265 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Figura 3 Datos reales obtenido del proceso 3.a) Flujo de entrada 3.b) Temperatura de fondo Adicionalmente se logro evidenciar una disminución de la temperatura de tope ya que a mayor cantidad de líquido que es suministrado a la torre, menor cantidad de este se evaporara, produciendo así una pequeña disminución de la temperatura de tope. Este proceso es sumamente sensible a las variaciones de temperatura sin importar cuán pequeñas estas sean, ya que esta variable es la que determina la calidad final del producto. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 15 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Por otra parte esta pequeña variación de temperatura no se eleva de manera drástica gracias a que existe un tambor de reflujo que permite introducir de nuevo en el tope de la torre el gas condensado, y enfriar así el tope de la torre para normalizar la temperatura de salida de esta. Paralelo a todos estos acontecimientos, en el tambor de reflujo estaba aumentando la presión, esto es debido a que ya que aumenta la temperatura de tope de la torre, por haber más flujo de líquido por esta, los intercambiadores de calor no tenían la capacidad de condensar el gas (debido a que estos no están automatizados, hay que encenderlos o apagarlos manualmente), por ende entraba líquido condensado a mayor temperatura incrementado la presión en el tanque de reflujo. Por otra parte, disminuyendo ahora el flujo de alimentación a la torre en lazo abierto se puede observar, que la temperatura de fondo de la torre aumentaba, debido a que ahora el rehervidor tenía menos producto que calentar. Consecuentemente se observo un ligero aumento de la temperatura de tope de la torre, como consecuencia de las pruebas realizadas anteriormente, porque se noto que había una tendencia a disminuir pero no se pudo observar el proceso de cambio completamente debido a que las temperaturas de tope de la torre sufren leves variaciones en un largo periodo de tiempo, agregando también que una vez calentado el tope, el proceso de enfriamiento dura mucho más que el de calentamiento. Otras de las observaciones fue que la presión en el tambor de reflujo seguía aumentando debido al aumento de la temperatura de fondo, por consecuencia se tuvo que encender varios ventiladores para bajar las temperaturas de los gases del tope de la torre y así reducir la presión en el tanque, por factores de seguridad y diseño del tambor, variando de esta manera los resultados obtenidos, pero demostrando que la presión hubiese bajado a la larga si no se hubiese tomado ninguna acción. Para las perturbaciones realizadas se provocaron dieciséis escalones, ocho para incrementar y los otros ocho para disminuir, cada uno con un tiempo de Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 16 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP muestreo de 2 minutos, que era el tiempo necesario para la estabilización de las variables. Obtención de ecuaciones de estado del proceso y selección del controlador Con los datos experimentales obtenidos al hacer las perturbaciones explicadas anteriormente, utilizando el Matlab® como herramienta de calculo, se determino un modelo matemático proporcionado por el toolbox de identificación de sistema que se encuentra integrado en Matlab®. Al realizar las pruebas con los distintos tipos de algoritmos se determino que el ARMAX era el más apropiado para nuestro propósito, ya que con este modelo se obtuvieron las funciones de transferencias deseadas para armar el sistema de control predictivo deseado. Estas funciones fueron: 1. TE 1 - 0.0006387s - 2.901e - 006 = 2 FT 1 s + 0.0008003 s + 0.0002001 2. TE 2 - 0.0001845 = 2 FT 2 s + 2.848 s + 11.898 3. TE 2 0.0899 s + 0.5837 = 2 FT 1 s + 4.858 s + 15.77 Donde TE1 es la temperatura de fondo de la torre despropanizadora y FT 1 es el flujo de entrada de la torre, así mismo TE 2 es la temperatura de tope de la torre y FT 2 el reflujo que entra por el tope. Una vez obtenidas las funciones de transferencia se procedió a hacer los análisis respectivos para cada una de las funciones de transferencias (lugar de las raíces, diagrama de bode), que nos permitiría determinar cuáles son las Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 17 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP características que necesita satisfacer el controlador a diseñar en cuanto a estabilidad y controlabilidad. Al hacer los análisis de cada función de transferencia se obtuvieron estas gráficas hallando lugar de las raíces para determinar si en que región el sistema es estable. Root Locus 0.015 0.01 Imaginary Axis 0.005 0 -0.005 -0.01 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Real Axis Figura 4 Lugar de las raíces de la Ecuación 1 Fuente: Autor Root Locus 4 3 2 Imaginary Axis 1 0 -1 -2 -3 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 Real Axis Figura 5 Lugar de las raíces de la Ecuación 2 Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 18 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Root Locus 6 4 Imaginary Axis 2 0 -2 -4 -6 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 Real Axis Figura 6 Lugar de las raíces de la Ecuación 3 Fuente: Autor Por otra parte se obtuvieron gráficas utilizando diagrama de bode para hallar las frecuencias de corte en el dominio del tiempo para cada función de transferencia: Bode Diagram 0 Magnitude (dB) -10 -20 -30 -40 -50 270 Phase (deg) 225 180 135 90 45 -4 10 -3 -2 10 10 -1 10 Frequency (rad/sec) Figura 7 Diagrama de bode Ecuación 1 Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 19 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Bode Diagram -60 Magnitude (dB) -80 -100 -120 -140 180 Phase (deg) 135 90 45 0 -1 10 0 1 10 10 2 10 Frequency (rad/sec) Figura 8 Diagrama de bode Ecuación 2 Fuente: Autor Bode Diagram -20 Magnitude (dB) -30 -40 -50 -60 Phase (deg) -70 0 -45 -90 -135 -1 10 0 1 10 10 2 10 Frequency (rad/sec) Figura 9 Diagrama de bode Ecuación 3 Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 20 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Una vez recolectada toda esta información y comprendiendo cuales eran los requerimientos presentados por el comportamiento de la torre de fraccionamiento, se determino como opción el uso de un controlador Feed-Forward; esta se construye mediante la siguiente expresión: Gff = G(s) C(s).P(s) Donde: Gff es la ganancia del Feed-Forward G(s) es la ganancia de la perturbación C(s) es el controlador PID del proceso P(s) es el proceso. DEPURACIÓN DEL CONTROLADOR Para depurar los controladores se diseñaron dos controladores PID para cada uno de los lazos de temperatura del proceso y se utilizo una ganancia negativa para el segundo lazo y obtener así una respuesta positiva y estable. Utilizando la herramienta de Matlab “sisotool” se logra ubicar los polos a lazo cerrado en la posición deseada en función de las necesidades del proceso para entonar el PID, y conseguir los valores de Kp, Ki y Kd que logren estabilizar el sistema en los tiempos más bajos posibles; para el primer lazo de control los valores obtenidos fueron Kp=-930, Ki=-15 y Kd=0 y para el segundo lazo Kp=0.5, Ki=1 y Kd=0. La aplicación de la utilidad de “sisotool” se muestra a continuación, donde los polos y los ceros arrojados por las ecuaciones fueron movidos y recalculados para hallar las sensibilidades y controlabilidades del sistema y mediante esto seleccionar los valores más adecuados. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 21 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP . Figura 10 Aplicación de SISOTOOL para encontrar los parámetros del PID del primer lazo Fuente: Autor Figura 11 Aplicación de SISOTOOL para encontrar los parámetros del PID del segundo lazo. Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 22 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Posteriormente después de obtener todos estos datos se procedió a realizar el controlador Feed-Forward, obteniendo la siguiente ecuación: FF = 1.1. - 9.378e - 006 s 4 - 8.76e - 005 s 3 - 0.000285 s 2 - 0.0007245 s 0.0002 s 4 + 0.0018 s 3 + 0.009 s 2 + 0.0229 s + 0.0284 Construcción del prototipo definitivo y simulación final Para la simulación en Labview se procedió a realizar un modelo grafico de la planta, se genero una librería de archivos gráficos animados; esto se realizo tomando imágenes estandarizadas por las normas ISO, extraídas del programa Symbol factory. Una vez realizado el entorno grafico de la planta, incluyendo sus actuadores, indicadores, niveles y set-point, se procedió a la animación del proceso, en el cual se logro visualizar las tuberías con los distintos fluidos o gases que fluyen por ellas, utilizando azul claro para el LGN en estado liquido, Beige para el LGN en estado gaseoso y Azul puro para las tuberías con aceite caliente. El entorno desarrollado se muestra a continuación. Figura 12 Entorno grafico desarrollado para la simulación del proceso. Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 23 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Para la simulación se utilizo la lógica del diagrama de bloques del proceso, en la cual el flujo de entrada y su temperatura se consideran como una perturbación; el primer proceso esta descrito por la temperatura de fondo sobre el flujo de entrada y el segundo proceso esta descrito por temperatura de tope sobre el reflujo como se muestra en la grafica a continuación: Figura 13 Diagrama de bloques del proceso de estudio Fuente: Autor Para la simulación de la temperatura de fondo se considera que el flujo de aceite caliente incrementa gradualmente la temperatura del fondo de la torre, en el intercambiador (D2-504), la misma temperatura de fondo se ve afectado por la perturbación ejercida por el flujo de entrada a la torre y la temperatura de este LGN que está entrando al sistema, de igual manera la temperatura de fondo se ve afectada por el reflujo en el tope de la torre integrando así todo el sistema como uno solo y no como varios sub-procesos separados. A continuación se muestra la imagen del proceso animado y el programa. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 24 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Figura 14 Entorno grafico del proceso del intercambiador de calor de fondo. Fuente: Autor Figura 15 Programa de control de la temperatura de fondo y flujo de aceite caliente Fuente: Autor Para la temperatura de tope ocurre una operación similar al encontrado en el fondo, la misma se ve afectada por el flujo entrante en la torre despropanizadora (D8-504) y el calor en el fondo de la torre, un incremento simultaneo en estos Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 25 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP parámetros generan incrementos graduales en la temperatura del tope de la torre; para contrarrestar este efecto se aumenta el reflujo de propano líquido a una temperatura de 120 grados Fahrenheit, esto genera una disminución de la temperatura proporcional al reflujo de entrada a la torre. A continuación se muestra el entorno grafico desarrollado y el proceso aplicado para la simulación y control del mismo. Figura 16 Entorno grafico del proceso de control de temperatura de tope y reflujo Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 26 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Figura 17 Programa de control de la válvula de reflujo y temperatura de tope Fuente: Autor Por otra parte, los niveles tanto en el tambor de reflujo (D8-505) como en el intercambiador de calor (D2-504) deben ser del 50%; en el de reflujo se considera que la entrada del mismo está dada por el líquido que sale del condensador (D6505) proveniente del tope de la torre en estado gaseoso, al superar su nivel preestablecido de 50% se envía el exceso al almacenaje por medio del control de nivel (LIC2B), y otra se utilizada como reflujo hacia la torre para controlar la temperatura de tope y optimizar la extracción de propanos con la calidad deseada. El flujo de vapores generado en intercambiador de calor (D2-504) es retornado a la columna despropanizadora, el liquido acumulado en la carcaza de D2-504 es enviado a la torre desbutanizadora por medio del control de nivel (LIC5 A); también se toma en cuenta el fluido calentado que se devuelve a la torre lo cual le Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 27 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP resta nivel al mismo intercambiador. A continuación el programa de ambos controles de nivel Figura 18 Programa de control de nivel del tambor de reflujo (D8-505) y del intercambiador (D2-504). Fuente: Autor Una vez que fueron entonados los controladores PID y el Feed-Forward, se procedió a realizar la simulación final de todo el proceso y cerciorarse que el controlador estabilizara el proceso mediante condiciones normales y bajo perturbaciones en el sistema. El proceso sin el flujo de entrada que se considera como una perturbación seria como se muestra a continuación. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 28 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Figura 19 Proceso en Matlab sin perturbación. Fuente: Autor Figura 20 Gráfica del sistema sin la perturbación. Fuente: Autor Posteriormente se da paso a la nueva estrategia de control basada en el modelo con la aplicación del Feed-forward ya diseñado previamente. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 29 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP Figura 21 Proceso en Matlab con perturbación presente y el controlador Feedforward. Fuente: Autor Figura 22 Grafica del sistema con perturbaciones presentes y el controlador FeedFoward Fuente: Autor Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 30 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Al realizar la simulación en Matlab se pudo observar en la gráfica resultante del proceso sin perturbación que los set-point establecidos se estabilizaron normalmente. El primer lazo que relaciona la temperatura de fondo de la torre con la entrada, se estabiliza en 10 segundos, y el segundo lazo que relaciona la temperatura de tope con la entrada de reflujo se estabilizo en 5 segundos. Al agregar la perturbación en el sistema se pudo observar que el primer lazo se estabilizaba normalmente en 5 segundos. Pero el segundo lazo mostraba un gran descenso en la amplitud de la señal y un retardo de estabilización de 15 segundos. Al agregar el controlador Feed-Forward se mostró en el grafico resultante que la amplitud de la señal del segundo lazo había presentado un decremento de un 45% y el tiempo de estabilización de la señal se redujo en un 75%, estabilizando el sistema en 5 segundos. De esta manera se obtiene un mejor control de la columna de destilación con las perturbaciones que pudieran ocurrir en la entrada en cuanto al caudal y el reflujo hacia el tope de la torre. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 31 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP CONCLUSIONES Se puede decir que el proceso de análisis presenta una respuesta bastante particular ya que todas las variables se afectan entre si y depende una de la otra; el sistema de control para este tipo de procesos debe ser rígido ya que son procesos industriales con bastante interacción entre las variables a controlar, así que no pueden estar sometidos a errores humanos que pudiesen alterar la calidad del producto final y por ello la gran importancia de este trabajo; se logro con el mismo plantear una nueva estrategia de control para la planta en estudio y así satisfacer las necesidades de ver el proceso como uno solo y no como varios procesos independientes ya que como se dijo anteriormente todas las variables están involucradas, ya sea las temperaturas presentes en los distintos puntos de la torre, los flujos de entradas y de salida de la misma y la presión; se observo claramente que el flujo de entrada influían directamente sobre las temperaturas permitiendo así generar una estrategia de control sobre las temperaturas del tope y fondo de la columna, por medio del control de los flujos de aceite caliente y reflujo de la torre, tomando como perturbación el flujo de entrada a la misma. La simulación del proceso en Labview permitió observar con claridad el funcionamiento de la planta y la relación que se guardan entre si los distintos parámetros existentes en la misma, también permite ver las regulaciones que realizan los PID en los procesos y como las perturbaciones del flujo de entrada pueden afectar a los sub-procesos de la torre. Luego del análisis de los datos para la obtención de los modelos matemáticos se estableció la estrategia de control la cual permitió ver a todos los sub-procesos como uno solo y realizar la regulación de la planta de manera más eficaz y automatizada, diseñando un controlador Feed-forward eficiente y capaz de regular el proceso para el cual él fue diseñado. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 32 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP RECOMENDACIONES Se recomendación la implementación de un sistema de control avanzado para el manejo en columna de destilación de GLP, ya que este proceso puede ser susceptible a errores tanto humano como por falla o oscilaciones que se nos presenta en los sistema de retroalimentación o feedback, intentar optimizar el proceso mediante el uso de controladores de tipo avanzado como el Feed-forward, aplicar estrategias de control para la entonación de los lazos PID ya existentes en la planta y permitir así la estabilización del proceso en tiempos menores de manera garantizar la Calidad y confiabilidad del producto despachado. Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente 33 Diseño de Control Predictivo en Columna de Destilación de GLP REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA • CREOLE PETROLEUM CORPORATION LPG EXPANSION PROJECT ULE FRACTIONATION PLANT PROCESS DESIGN SPECIFICATIONS. • MANUAL DE DISEÑO DE PROCESOS DE PDVSA, PDVSA MDP-04-CF-12 (PLATOS TIPO VÁLVULA). • APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL PLANTS, E. LUDWING. • A WORKING GUIDE TO PROCESS EQUIPMENT, N. LIEBERMAN. • SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO F. G. SHINSKEY. EDITORIAL MC. GRAW-HILL. PRIMERA EDICIÓN EN ESPAÑOL. • CONTROL AUTOMATICO DE PROCESO. SMITH CARLOS. A, CORRIPIO ARMARDO B. EDICTORIAL LIMUSA, S.A. PRIMERA EDICIÓN. 1991 • CONTROL AVANZADO DE PROCESO. SANCHEZ ACEDO JOSÉ. EDITORIAL DIAZ SANTOS. PRIMERA EDICIÓN. 2003. • INGENIERIA DE CONTROL MODERNO. OGATA KATSUHIKO. EDITORIAL PEARSON. OCTAVA EDICIÓN. 2003 Gerencia de Procesamiento de Gas Occidente