The importance of the debt level: an empirical contribution

5.1. Elaboración de modelo de simulación dinámica para la Planta Criogénica No. 2 de Nuevo Pemex

Esta partida considera el desarrollo de un (1) modelo de simulación dinámica simplificado que representen las condiciones de operación de procesos de recuperación de licuables. Este modelo se denomina “SIMPLIFICADO”, ya que será desarrollado con un número limitado de eventos operativos, según lo especifique “Pemex Gas”. Este modelo tendrá la finalidad de brindar el soporte para el diseño o mejora de la planta, diseño o mejora de sistemas de control e instrumentación, evaluación de procesos, predicción de escenarios, así como en el entrenamiento básico, previo o inicial de operadores e ingenieros en: procesos, ingeniería, termodinámica, fisicoquímica y técnicas de optimización. Los modelos de simulación dinámica simplificados serán

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la base para la creación de los simuladores de entrenamiento para operadores (Operator Training System - OTS).

El alcance de esta partida incluye la simulación de la Planta Criogénica No. 2 del C.P.G. Nuevo Pemex

El “LICITANTE” en caso de resultar ganador, entregará el modelo de simulación dinámica completamente operable disponible para correr de forma individual en una sola computadora personal. De la misma forma, el modelo deberá tener una programación tal que permita ser modificado o mejorado en el futuro según las necesidades de “Pemex Gas”.

El “LICITANTE” en caso de resultar ganador, deberá utilizar el Software de Simulación Dinámica PetroSim de la Compañía KBC. Lo anterior debido a que en el Proyecto de Cogeneración Nuevo Pemex (PGPB-SAF-GRM-SA-Cogeneración-001/09) se ha utilizado este software para el desarrollo de modelos de simulación Dinámica. Adicional a lo anterior, la Compañía ABENGOA COGENERACIÓN TABASCO S.A. (quien será la propietaria final de los Modelos de Simulación Dinámica) cuenta con licencias que garantizarán la legalidad en la operación de los modelos desarrollados en el mismo.

5.1.1. Descripción del Proceso a Simular. Recuperación de Licuables (Proceso Criogénico)

En el proceso criogénico se recibe gas húmedo dulce del proceso de endulzamiento o directamente de los campos productores de gas húmedo dulce. El gas húmedo dulce pasa a una sección de secado (deshidratación) donde se remueve el agua casi en su totalidad. Posteriormente es enfriado por corrientes frías del proceso y por un sistema de refrigeración mecánica externo. Mediante el enfriamiento es posible la condensación de los hidrocarburos de mayor peso molecular (etano, propano, butano, etc.) los cuales son separados y enviados a rectificación en la torre desmetanizadora. El gas obtenido en la separación pasa a un turbo expansor, donde se provoca una diferencial de presión (expansión) súbita, enfriando aún más esta corriente la cual se alimenta en la parte alta de la torre desmetanizadora. Los productos principales de esta planta es gas natural (metano listo para comercialización), el cual es inyectado al Sistema Nacional de Ductos para su distribución y el otro producto es el denominado Líquidos del Gas Natural (C2+), el cual es una corriente en estado líquido constituida por hidrocarburos, la cual se distribuye una parte hacia las plantas fraccionadoras del mismo complejo y la otra se envía hacia al área Coatzacoalcos (fraccionadoras Cangrejera y Morelos). Se anexan en Apéndice I, Diagrama o diagramas de Flujo de Proceso (DFP) y Balance de Materia y Energía (BME) con composiciones.

5.1.2. El modelo será configurado rigurosamente en estado estable y convertido a modelo dinámico, de acuerdo a las siguientes suposiciones según aplique.

5.1.2.1. Recipientes. Los modelos de recipientes deberán ser desarrollados como se describe en estos requerimientos mínimos:

Los modelos de recipiente simularán separadores de 2 ó 3 fases, tambores, y tanques para proporcionar la simulación realista del retardo usando la geometría y la orientación reales del recipiente. Se deberán incluir geometrías con bota, esférica ó definida por el usuario y ser configurables.

El entrampamiento de vapor no deberá ser calculado en forma rigurosa sino que será simulado usando una función del instructor.

Se deberá tener capacidad de incluir un Intercambiador de calor interno incorporando las alturas y el volumen de los haces de tubo internas/externas.

Se deberán incluir los diámetros y altura de los puertos de alimentación y producto los cuales serán configurables.

Como mínimo se deberá ejecutar un cálculo de equilibrio Vapor/Líquido (VLE) en las corrientes de alimentación para determinar separación de fases. Además, deberá

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suministrarse como opción la capacidad VLLE, solamente líquido y solamente vapor así como otras capacidades termodinámicas.

5.1.2.2. Compresores. Se deberán desarrollar modelos de compresores tal como se describe en estos requerimientos mínimos.

• Los modelos de compresor deberán simular una etapa sencilla de un compresor.

• Los modelos de compresores y sopladores deberán usar los flujos reales contra las curvas del cabezal, si éstas se encuentran disponibles o flujo de diseño contra curvas del cabezal. • El desempeño del compresor deberá basarse en un ajuste polinomial de una

representación de las curvas del compresor.

• El desempeño del compresor deberá basarse en las leyes de los ventiladores (fan laws). • Será posible especificar los parámetros de Surge y máximo flujo para simular los

comportamientos extremos del compresor cuando esto sea apropiado. • También se podrán simular pérdidas de eficiencia y potencia.

• Los compresores o los ventiladores que alimentan un cabezal común en alguna localización corriente abajo, serán modelados para reflejar las interacciones. Los modelos de Compresor serán capaces de modelar la existencia de cualquier válvula check en la descarga. Los efectos proporcionados reflejarán el número de compresores en operación, válvulas así como resistencia del corte del viento (windmilling).

• La determinación de la corriente para compresores y ventiladores más grandes será simulada con la consideración del trabajo del compresor y del ventilador transmitido al fluido.

• La lógica asociada de las lógicas de protección y de conmutación de compresores y de ventiladores será simulada para proporcionar operaciones adecuadas de control y de protección por parte del operador. La simulación de los interruptores también incluirá la pérdida de la alimentación del bus y el control y la recuperación subsecuente de la misma.

5.1.2.3. Bombas. Será posible desarrollar modelos de bombas tal como se describe en los requerimientos mínimos siguientes:

• Los modelos de bomba deberán simular tanto bombas centrífugas como bombas reciprocantes simples.

• Los modelos de bombas deberán usar el flujo actual contra las curvas de cabezal, si se dispone de ellas, ó flujo de diseño contra curvas de cabezal.

• El desempeño de las bombas deberá basarse en un ajuste polinomial (spline lineal ó cúbica) de una representación de las curvas de la bomba.

• Los modelos de bomba deberán ser capaces de modelar la existencia de cualquier válvula check de descarga así como resistencia de corte de viento.

5.1.2.4. Válvulas. Se deberán incluir modelos matemáticos para calcular flujos de fluidos en redes de transporte a través de modelos de válvula con las siguientes características mínimas.

• Se deberán simular válvulas manuales, de aislamiento, de control y válvulas moto- operadas.

• Las válvulas se deberán manipular fácilmente para propósitos de control.

• El flujo a través de la válvula (Q) debe ser modelado incluyendo el coeficiente de flujo (Cv) y el coeficiente de resistencia (K) (conductance J). El coeficiente de resistencia K de la

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válvula contendrá una contribución de la posición de la válvula basada en el tipo de válvula que es simulada.

• Las válvulas tendrán posiciones a falla y constantes de tiempo especificadas para respuestas realistas de la válvula.

• Las válvulas tendrán efectos realistas en flujos, temperaturas, y presiones.

• En donde sea apropiado, los datos del fabricante deberán ser especificados dentro del modelo de la válvula.

• Cada válvula tendrá diferentes rampas de relación de apertura y relación de cierre.

• Las válvulas deberán ser simuladas para detectar la lógica asociada de conmutación del intelock de seguridad las cuales serán proporcionadas al “LICITANTE” en caso de resultar ganador, en formato de bloques lógicos.

• Los modelos de la válvula serán capaces de modelar la existencia de cualquier válvula check de descarga así como flujos inversos y resistencia a tales flujos.

• Una válvula debe también proporcionar cálculos de equilibrio líquido vapor (VLE) para determinar separaciones de fase en corrientes de salida de la válvula. La capacidad para calcular el equilibrio VLLE, únicamente líquido y/o vapor, se debe proporcionar como una opción dentro de la termodinámica.

5.1.2.5. Válvulas de Relevo. Se realizará el modelado de válvulas de relevo con las características mínimas siguientes:

• Se deberán simular válvulas de seguridad de acción intermitente (Pop-Acting) ó válvulas de relevo tipo Disco de Ruptura.

• En el caso de válvulas de relevo tipo disco de ruptura, la válvula debe tener funcionalidad de modo de “reparación”.

• Deberá ser posible modelar el coeficiente de resistencia K (conductance J) de la válvula de alivio. El coeficiente de resistencia K de la válvula contendrá una contribución de la posición de la válvula basada en el tipo de válvula que sea simulada.

• Las válvulas de relevo tendrán posiciones de falla y constantes de tiempo especificadas para dar respuestas realistas de accionamiento de la válvula

• Las válvulas de alivio tendrán efectos realistas con respecto a flujos, temperaturas, y presiones.

• Los modelos de la válvula de alivio serán capaces de modelar la existencia de cualquier descarga de válvula check así como flujo inverso y resistencia a tal flujo.

• Las válvulas de alivio deberán proporcionar cálculos de Equilibrio Líquido Vapor (VLE) para determinar segregación de fase en corrientes de producto de la válvula. Además de la capacidad para VLLE, líquido solamente y el vapor se debe proporcionar solamente como opción.

• Las trayectorias de flujo tendrán capacidad de flujo inverso construida automáticamente en el objeto de trayectoria de flujo. Una trayectoria de flujo simple, en ausencia de una válvula check u otro objeto de restricción de flujo, podrá tener flujo en cualquier dirección.

5.1.2.6. Intercambiadores de Calor. La simulación del intercambiador de calor será modelada con las características mínimas siguientes:

• Los cambiadores de calor reflejarán los efectos de cambiar flujo y temperatura en el fluido primario o secundario así como la conductancia térmica del fluido y del metal.

• Los cambiadores de calor de proceso transferirán calor entre dos corrientes de proceso, mientras que los cambiadores que empleen servicios auxiliares, deberán utilizar el medio de intercambio de calor requerido de acuerdo al diseño. (agua de enfriamiento, calentamiento por vapor, aire, etc.).

• El patrón de flujo del cambiador, con corrientes a co-corriente o a contracorriente, deben ser reflejados en el modelado.

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• El modelo de los intercambiadores de calor deberá realizar cálculos de VLE para determinar cualquier cambio de fase que pueda ocurrir. Además, se deberá tener capacidad para realizar cálculos VLLE y cálculos incluyendo 100% líquido. Los cálculos de fase 100% vapor, se deben proporcionar como una opción.

• Para modelar los cambiadores de calor bifásicos tales como los calentadores de agua de alimentación, condensadores, recalentadores, etc., se emplearán balances de materia y energía. Cuando sea apropiado, las regiones de sobrecalentamiento, saturación, y subenfriadas, deberán ser incorporadas en el modelo.

• Las especificaciones del intercambiador, configuración de los tubos, longitud, diámetro, etc., deberán ser considerados en el modelo.

• Las especificaciones del coeficiente de transferencia de calor, aislamiento y conductividad para los lados de tubo y coraza, deberán permitir la simulación exacta de la transferencia de calor y caída de presión a través de los cambiadores de calor. Los parámetros para especificar factores de ensuciamiento también deben estar disponibles.

5.1.2.7. Columnas de Destilación. Los modelos de columna de destilación o de las secciones de una columna deberán ser modelados con las características mínimas siguientes:

• Los modelos de destilación realizarán cálculos de equilibrio vapor-liquido (VLE), plato por plato, para determinar la distribución de los componentes en las corrientes de vapor y de líquido que salen de cada etapa. Además, la capacidad para el equilibrio VLLE se debe proporcionar como una opción.

• El modelo debe ser capaz de modelar destilación. Los modelos de destilación serán configurables en una base plato-a-plato o global. La configuración de los platos, como el espaciamiento de los platos, la altura del vertedero, el número de pasos y el área de la boquilla también deben estar disponible y ser configurables. Lo mismo aplica si la columna es empacada, se debe incluir el tipo de empaque y el arreglo del empaque. Así mismo, se debe incluir los diámetros y localización de las boquillas de salida del producto, alimentación y reflujo, las cuales también deben ser configurables.

• Deberá ser posible el drenado inverso de líquido a través de las boquillas.

• El flujo líquido será determinado por cálculos de contención de líquido en el plato. El flujo del vapor se basará en cálculos de VLE y la contribución hidráulica del líquido presente en cada plato.

5.1.2.8. Medio Motriz. Los modelos de medio motriz tipo motor eléctrico y turbina a vapor deberán ser modelados tal como se describe en los siguientes requerimientos mínimos:

• Los medios motrices deberán operar con una sola bomba o compresor de etapas múltiples.

• Un motor eléctrico deberá permitir la simulación de fallas eléctricas y picos de corriente, por ejemplo, durante el arranque de un compresor.

• Los motores de vapor deberán simular el comportamiento de la turbina de vapor por medio de cálculos VLE de las propiedades del vapor de salida.

• Se deberán especificar las eficiencias de los medios motrices.

5.1.2.9. Controles, Interlocks, Disparos y Alarmas. El modelo de sistema de control incluirá los controles del SCD. Esto incluye a los controles modulares tales como controladores PID así como permisivos, “bypasses”, y tareas paralelas (run backs), los dispositivos de seguridad, disparos, y alarmas. Todos los controles del SCD para el modelado de

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los sistemas y subsistemas podrán ser descargados directamente en el hardware del sistema. Cualquier control diferente del SCD dentro del alcance del modelo será simulado. “Pemex Gas” proporcionará la lógica para estos controles

5.1.3. Capacidad para representar fenómenos.

El modelo en esta etapa será capaz de representar fenómenos tales como: • Operación normal

• Manipulación de variables de proceso • Falla de equipos

• Control de disturbios

• Como parte complementario del uso de los modelos de simulación y según lo especifique “Pemex Gas”, se desarrollarán cinco “Tasks” o “Tareas”, las cuales son procesos preconfigurados que representarán eventos o condiciones operativas específicas, las cuales requieren el desempeño de diversas acciones para la manipulación y monitoreo de dicho evento. Estas Tareas podrán ser utilizadas para el análisis del comportamiento de la planta ante diferentes fenómenos, así como para la capacitación del personal operativo en la operación básica de los procesos y de la planta. 5.1.4. Habilidades del Modelo de Simulación Dinámica.

El modelo de simulación estará habilitado para su operación, mantenimiento y modificación según sea necesario en el futuro. Para los propósitos de la capacidad de mantenimiento y de la flexibilidad, “Pemex Gas” requiere que el Modelo sea de un diseño orientado a objetos.

5.1.5. Características del modelo de simulación dinámica.

o Funcionalidad del Modelo: El modelo deberá ser orientado a objetos, que permita que los componentes del modelo (objetos) sean fácilmente desarrollados y modificados. El modelo soportará el desarrollo, la modificación y la adición de nuevos componentes.

o Exactitud: El sistema de entrenamiento será capaz de reproducir fielmente todos los aspectos modelados de los procesos asignados por “Pemex Gas”. Los modelos matemáticos deben estar definidos en base a los principios fundamentales y generarán todos los datos y variables requeridos como salida hacia los dispositivos externos o requeridos por otros programas de simulación como por ejemplo la emulación del sistema de control. Se utilizarán principios físicos confiables para modelar los diferentes sistemas de fluidos de la planta y sus componentes asociados, que incluyen, pero no están restringidos, , columnas de destilación, equipos de separación, compresores, cambiadores de calor y bombas. El sistema de entrenamiento responderá en forma realista a la acción del operador (en la sesión de entrenamiento) en los escenarios previamente definidos e implementados (el arranque frio y caliente, paro o cualquier operación normal o anormal, condiciones de fallas o disturbios en equipos). Los modelos matemáticos, determinarán el comportamiento simulado, de modo que sea siempre posible la interacción completa con el operador. No se utilizarán ningunos transientes calculados de antemano o tabulados. Los dispositivos de seguridad, la lógica de disparo, y los diagramas lógicos requeridos por “Pemex Gas” también serán simulados.

• El modelo debe ser estable y robusto, de tal forma que represente +- 20% de desviación (disturbios) en estado estable.

• Las variables calculadas a condiciones normales de operación (estado estable) deben mantenerse dentro de un promedio del 1% con respecto al rango del instrumento.

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• El proceso modelado debe preservar su estado dinámico a través de todos los procedimientos de arranque y paro de planta, situaciones de emergencia, procedimientos especiales y situaciones anormales de operación.

• El balance de materia y energía debe mantener valores de desviación no mayores al 1% con respecto al valor del instrumento.

• Los modelos deberán observar una variación menor al 10% respecto a los procesos reales, para las mismas condiciones iniciales, de tal forma que el operador no pueda distinguir las diferencias entre la respuesta del modelo dinámico y la respuesta esperada en el proceso real

o Arquitectura: Los programas del modelo del sistema de la planta se interconectarán con otros programas del modelo junto con las entradas/salidas de las interfaces. El sistema de entrenamiento será diseñado para una representación adecuada en Hardware del SCD. Los equipos de control seleccionados de planta, así como lazos de controles locales, serán modelados para alcanzar el buen comportamiento del proceso real. El control de éstos, vía funciones remotas junto con las fallas en equipos, la inicialización y otras funciones controladas por el instructor serán posibles desde la interfaz de instructor. Deberán tomarse en cuenta dentro de los objetivos de entrenamiento del sistema de control la simulación para las válvulas que se controlan desde el cuarto de control y para las válvulas manuales que no son parte del SCD pero que se consideren críticas en el proceso. Estas válvulas generalmente son bypass de válvulas automáticas.

o Funcionalidad: Deberá ser posible simular el arranque en caliente o frío, paro, maniobras a través de diversos niveles de operación, condiciones de operación normal, disturbios, operación en situación de emergencia y paro de emergencia. Las fallas o situaciones de emergencia simulados deben ser equivalentes a las reales y representarán el resultado de las fallas de equipos definidos o causas externas como interrupción de suministro de servicios auxiliares (agua, energía eléctrica, vapor, etc.) donde aplique y sea solicitado por “Pemex Gas”.

5.2. Elaboración de modelo de simulación dinámica para la Planta Criogénica No. 3 de Nuevo Pemex

Esta partida considera el desarrollo de un (1) modelo de simulación dinámica simplificado que representen las condiciones de operación de procesos de recuperación de licuables. Este modelo se denomina “SIMPLIFICADO”, ya que será desarrollado con un número limitado de eventos operativos, según lo especifique “Pemex Gas”. Este modelo tendrá la finalidad de brindar el soporte para el diseño o mejora de la planta, diseño o mejora de sistemas de control e instrumentación, evaluación de procesos, predicción de escenarios, así como en el entrenamiento básico, previo o inicial de operadores e ingenieros en: procesos, ingeniería, termodinámica, fisicoquímica y técnicas de optimización. Los modelos de simulación dinámica simplificados serán la base para la creación de los simuladores de entrenamiento para operadores (Operator Training