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Varios estudios ilustran los beneficiosde una antorcha de boquilla sónica coninyección de agua y radiación ultra baja.Este equipo puede:
• Disminuir los costos de nuevasinstalaciones al reducir los requerimien-tos estructurales.
• Reducir costos al modificar estruc-turas existentes.
• Disminuir costos de mantenimien-to debido a una mayor vida de la boquil-la.
• Reducir las paradas no progra-madas debido a fallas de las boquillas.
• Disminuir costos de instalaciónusando un helicóptero o equipo elevadornominal.
El diseño modular de estas antorchasbrinda flexibilidad para ajustarse a flujosde combustión variables proveyendo
conexiones para boquillas sónicas adi-cionales o permitiendo que estas conex-iones sean cegadas a medida que lasboquillas son removidas.
Antorchas CostafueraLas instalaciones costafuera emplean
sistemas de antorchas para disponer delgas de desecho de manera segura y con-sciente de las necesidades ambientales.Para proteger al personal y a los equiposdurante operaciones de quema tantocontinuas como de emergencia, los inge-nieros diseñan antorchas que limitan laradiación y el ruido, manteniendo almismo tiempo el nivel de ganancias yadaptándose a niveles de producciónvariables.
Los operadores de nuevas instala-ciones costafuera controlan la radiacióny el ruido instalando una antorchas auna distancia suficientemente alejada delas instalaciones de producción. Laradiación provemiente de la antorchadetermina la distancia requerida. Unadistancia menor equivale a un gasto deconstrucción más bajo.
Las opciones disponibles incluyen: • Una plataforma remota soportando
un pescante o torre y conectada a lasinstalaciones de producción por unatubería o manguera flexible apoyada enun puente.
• Una antorcha flotante anclada allecho marino y conectada a la insta-lación de producción por una mangueraflexible.
• Un pescante directamente de laestructura de la instalación de produc-ción.
• Torre de quema vertical montadaen la estructura de la instalación de pro-ducción.
Las instalaciones costafuera exis-tentes pueden experimentar niveles ina-ceptables de calor irradiado, ruido e ilu-minación si las tasas de gas quemadoaumentan. Los aumentos de tasaspueden originarse como consecuenciade proporciones gas/ petróleo más altasque las estimadas, mayores tasas de pro-ducción de petróleo, pozos adicionales yeliminación de cuellos de botella.
Las boquillas de antorchas con inyección deagua reducen el calor irradiado y el ruidoKevin LearyDennis KnottJohn Zink Co. LLCTulsa
Ray ThompsonMustang Engineering LPHouston
Zona deinicio
de llama
AireAire
Gas
A.P.
Gas
A.P.
Gas
B.P.
Boquillas De Antorchas De Alta PresíonAntorcha Sónica de Antorchas Coanda – Fig. 1b Mechurrios Supersónicas – Fig. 1c
múltiples boquillas – Fig. 1a
Reimpreso con revisiones al formato, de la edición OIL & GAS JOURNAL - 6 de mayo, 2002.Copyright 2002 de PennWell Corporation
Nota: Gas B.P. – Gas a baja presión. Gas A.P. – Gas a alta presión
En estos casos, uno podría reducir losproblemas relacionados con antorchasde las siguientes maneras:
• Instalando un sistema de quema dealta presión.
• Modificando la boquilla de la antor-cha existente.
• Extendiendo o reemplazando elpescante o la torre de quema.
• Instalando una antorcha flotante.• Conectando el gas a un ducto.• Instalando una nueva plataforma,
puente y torre o un pescante de quema.Con frecuencia, las construcciones
nuevas, la ingeniería, la fabricación, y lasmodificaciones a los ductos con los cor-respondientes tiempos de parada, resul-tan costosos.
Antorchas convencionalesLos sistemas de quema de alta pre-
sión han sido la solución más efi-ciente para controlar las emisiones deinstalaciones nuevas y existentes.
Estas antorchas usan la energíaasociada con gas a alta presión paraaspirar y mezclar grandes cantidadesde aire de combustión hacia las lla-mas. Las llamas aireadas son cortas yaltamente direccionales con bajaradiación.
Los diseños convencionales deantorchas de alta presión correspon-den a una de las siguientes tres cate-gorías:
1. Antorcha sónicas de múltiplesboquillas de alta eficiencia (Fig. 1a)tienen un conjunto de brazos dediámetro pequeño para separar elflujo del gas de quema a boquillasindividuales. Cada brazo está equipa-do con una boquilla de chorro conver-gente para descargar el gas a veloci-dad sónica.
El flujo sónico aspira y mezclagrandes cantidades de aire en lacolumna de gas creando una llamaaireada de baja radiación.
2. Las antorchas Coanda (Fig. 1b)usan el "Efecto Coanda" para arrastrar ymezclar aire en la corriente de gas dequema. La antorcha descarga gas a altapresión en forma radial desde una ranu-ra anular en la base de un perfil Coandacon forma de tulipán. En lugar de con-tinuar en forma horizontal, el gas se
adhiere al perfil Coanda y es desviado90º, arrastrando grandes volúmenes deaire en el proceso.
Las antorchas Coanda estándisponibles en un diseño de ranura fija,que exhibe hidráulica prácticamenteidéntica a las antorchas sónicas de pun-tos múltiples, o en un diseño de ranuravariable, que modifica la hidráulica paraproducir una capacidad a baja carga decasi el 100%.
En la antorcha Coanda de ranuravariable, uno puede ajustar el área deflujo de la boquilla en base a la presiónde operación actual. Esto permite quelas antorchas produzcan condiciones deflujo sónico a bajo caudal. La radiaciónde una antorcha Coanda de ranura vari-able permanece baja en todo el rango de
capacidad de flujo. 3. Las antorchas supersónicas de alta
presión y boquillas múltiples (Fig. 1c)son relativamente nuevas en la indus-tria. Sus boquillas convergentes – diver-gentes crean un flujo de gas supersónicoque aumenta la aspiración de aire si secompara con las boquillas sónicas con-vencionales.
Una mayor aspiración permite unadisminución creciente de la radiación dela llama. Sin embargo, el diseño de laboquilla, disminuye la capacidad a bajacarga si se compara con los diseñossónicos convencionales.
Las nuevas plataformas costafuera deproducción de alto volumen requierenuna gran capacidad de quema, por lotanto, los diseñadores se concentran engeneral en la máxima capacidad dequema de emergencia.
La mayoría de los sistemas de quemade alta presión operan en un rangoamplio de caudales desde purga hasta elmáximo. En muchas operaciones costa-fuera, la radiación permitida de la antor-cha es de 150-300 btu/h – pie cuadradoen la base de la estructura de la misma.
Cuando ocurre la pérdida de uncompresor de gaso las altas tasas deproducción de gas son mayores quelas esperadas, las tasas de quema con-tinua pueden crear condiciones inse-guras e incómodas durante laoperación normal de la plataforma ylas actividades de mantenimiento.Igualmente la radiación solar tambiénaumenta el calor total irradiado encondiciones normales de quema con-tinuas.
Las propiedades de baja radiaciónde las antorchas se pierden cuandouno opera una antorcha de alta pre-sión en condiciones de flujo subsóni-co. Las llamas se hacen direccionalescon el viento. El flujo subsónico creaun pico en la radiación producida porel quemado a bajo flujo. Si la tasa dequema normal y continua está cercadel pico subsónico de radiación, sepueden producir frecuentementeniveles de radiación más altos que losestimados en la plataforma de pro-ducción, lo cual puede limitar la pro-ducción.
Las boquillas supersónicas sonmenos eficientes en flujos subsónicos.Puesto que el área de salida de la boquil-la divergente es más grande que la gar-ganta de la boquilla (Fig. 1c), una boquil-la supersónica tiene una velocidad desalida más baja durante el flujo a bajacarga que una boquilla sónica conven-cional o una boquilla Coanda (Fig. 2).Esto crea un pico correspondiente más
Radi
ació
n
Caudal la antorcha
Boquilla sónica
Boquillasupersónica
Boquilla sónica
Boquillasupersónica
Caudal
Velo
cida
d de
sal
ida
de la
boq
uilla
Velocidad de Salida Fig. 2
Pico de Radiación Fig. 3
alto de radiación que ocurre en la regiónde flujo subsónico (Fig. 3). Como resul-tado, el diseño de la antorcha supersóni-ca puede producir niveles de radiaciónaltos y choque de llama en el cuerpo dela antorcha durante la operación a bajacarga.
La longevidad de la boquilla y la gen-eración de humo son otros factores deimportancia cuando seusan antorchas de alta pre-sión a baja carga. Unaboquilla de alta presiónoperando a caudales sub-sónicos crea una llama debaja velocidad, "floja", quehace con frecuencia que lallama toque las superficiesmetálicas de la boquilla. Elcontacto de la llama puedeproducir humo y temperat-uras excesivas, causandofatiga y falla mecánica de laboquilla.
Para restaurar unaoperación segura serequiere que la plataformasea parada para acceder,reparar y reemplazar laboquilla dañada.
El costo asociado con laproducción perdida duranteuna parada no programadaademás de los costos direc-tos asociados con el reem-plazo de la boquilla, gruas,contratistas, boquilla dereemplazo, mano de obrade instalación, etc., impli-can la necesidad de unaalternativa de menor costopara controlar la radiacióny las emisiones de ruido.
Próxima generación deantorchas
Las boquillas sónicas con inyecciónde agua, de alta eficiencia, permitenoperaciones de quema seguras con tasasde producción crecientes de petróleo ygas. Como ha sido demostrado pormedio de extensas pruebas y rendimien-to actual en el campo, estas antorchasreducen también las emisiones.
La inyección de agua en particularmejora el rendimiento de la antorcha de
alta presión en condiciones de bajacarga o condiciones cercanas del mismo.Bajo ciertas condiciones, las medicionesmuestran una reducción de radiacióndel 50% y una reducción de ruido de 13decibeles de promedio ponderado (dba)(Figs. 4 y 5).
Una modificación para transformaruna antorcha a una con inyección de
agua puede eliminar la necesidad deaumentar la distancia entre la boquilla,el personal y el equipo de producciónque se requiere para satisfacer loslímites aceptables de radiación y ruido.
La inyección de agua mejora laoperación de la antorcha de la siguientemanera:
• Reduciendo el calor irradiado de lallama
• Mejorando las características de la
llama para aminorar los efectos del vien-to.
• Suprimiendo el humo.• Disminuyendo los niveles de ruido.El peso de la nueva boquilla es com-
parable al de las boquillas conven-cionales y se puede montar en una bridade tubería existente, minimizando porende los costos de modificación y las
paradas costosas. Muchas plataformas
costafuera tienen actual-mente la capacidad debombear agua de mar, locual puede aprovecharsepara las operaciones dequema. Las modifica-ciones a la plataformaquizás impliquen sola-mente la simple insta-lación de bombas derefuerzo y tubería para eltransporte de agua.
Ejemplo en el Mar Caspio Una plataforma de pro-
ducción en el Mar Caspioexperimentaba radiacióncontinua e inaceptable enla cubierta como resultadode alta producción de gas.Esta radiación forzó a laoperadora a disminuir latasa de producción depetróleo.
La antorcha existentetenía una boquilla sónicade alta eficiencia montadaen forma vertical. Laboquilla estaba sobre unpescante de 165 pies delongitud a un ángulo de20º. Para reducir laradiación, los ingenierospropusieron que la oper-
adora modificase el pescante con lainstalación de una boquilla con inyec-ción de agua y con un ángulo de 45º.
Para verificar el rendimiento antes dela instalación, los ingenieros probaronprimero la boquilla en una instalaciónpara prueba de antorchas. Las pruebasde alta capacidad con tasas de quemanormales y continuas utilizaron unacomposición de gas prácticamente idén-tica a las condiciones reales en el campo.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
00 20 40 60 80 100
Nive
l de
Radi
ació
n, b
ut/h
/pie
cua
drad
o
Agua inyectada para obtener óptima reducción de radiación, %
Gas de alto peso molecular
Gas be bajo peso molecular
110
105
100
95
90
85
80
75
7010 100 1000 10000 100000
Nive
l de
ruid
o, d
b
Frecuencic, hz
Sin inyección de agua, 116 db, 114 dba
Injección óptima de agua, 113 db, 101 dba
Reducción de Radiación Fig. 4
Reducción de Ruido Fig. 5
Instalado en 1999, el nuevo diseñode la boquilla disminuyó el ruido en 10dBa y la radiación al nivel de cubierta enun 75% durante las tasas de quema nor-males y continuas.
La boquilla ha operado en forma con-tinua desde su instalación. La mayorcapacidad de quema a alta presión en laplataforma permitió que la operadoraaumentara la producción neta depetróleo en más de 25%.
Ejemplo en la Costa de ÁfricaUna operadora en la costa de África
seleccionó la tecnología de antorcha coninyección de agua como el mejor diseñopara controlar los altos niveles deradiación y ruido que estaban creandocondiciones de trabajo inaceptables enla cubierta de producción de una insta-lación.
Mayores caudales de gas a los antici-pados producían altos niveles deradiación y ruido, aunque el diseño exis-tente de la boquilla supersónica cumplíacon las especificaciones originales dediseño.
La operadora consideró construir unaplataforma de quema remota y separa-da, pero debido a la profundidad delagua, la única solución convencionalposible era la instalación de unaplataforma flotante conectada por un"tendón" del cabezal de la antorcha a uncosto de US$ 5 - 6 millones.
La operadora necesitaba encontraruna modificación para la antorcha que,debido al alto calor y humedad de laregión, permitiese un nivel de radiacióncontinuo desde la antorcha menor de180 btu / hr - pie cuadrado (500 btu/ hr– pie cuadrado, incluyendo 320 btu/ hr
– pie cuadrado debido a la radiaciónsolar) en todos los lugares con personal.La operadora quería también reducir elruido al valor más bajo posible.
La operadora primero hizo probar laboquilla con inyección de agua en lainstalación de prueba de los diseñadoresbajo condiciones casi idénticas, a escalareal, en condiciones operativas,incluyendo la composición del gas y lapresión de operación. Las pruebas resul-taron en emisiones por debajo de losvalores requeridos.
Actualmente, la boquilla con inyec-ción de agua está siendo instalada en laplataforma costafuera.
Ejemplo en el Golfo de MéxicoUna operadora en el Golfo de México
(sector EE.UU.) modificó recientementedos boquillas de diseño supersónicopara permitir una mayor capacidad enun pescante de quema existente pararecibir una conexión de gas submarina.
Aunque las boquillas supersónicastenían buen rendimiento en las condi-ciones de diseño de alto caudal, el cau-dal normal continuo resultaba en condi-ciones de caudal subsónico. Estaoperación con bajo caudal producía lla-mas grandes y flojas con excesivo con-tacto de llama entre las dos boquillas dealta presión adyacentes.
Las severas condiciones normales deoperación ocasionaron recalentamientoexcesivo de boquillas que resultaron enfatiga y falla mecánica de los brazos dedistribución de gas de boquillas. La rápi-da falla de las boquillas supersónicastrajo como consecuencia paradas no pro-gramadas de la plataforma y millones dedólares en pérdidas de producción.
Después de la segunda falla mecánicade la boquilla supersónica, la operadoracontactó a los ingenieros de la tec-nología con inyección de agua para con-versar sobre posibles modificaciones aldiseño. La boquilla con inyección deagua demostró ser la mejor alternativapara cumplir con los requerimientos deradiación y ruido y para mejorar el dis-eño mecánico en general por medio deun mejor funcionamiento durante lasoperaciones a baja carga.
El diseño con inyección de agua uti-liza múltiples boquillas bridadas en unmúltiple común de distribución de gas.Esta modificación particular incluía var-ios conexiones adicionales bridadas ycegadas en el múltiple principal lo quepermitía que el sistema creciera simple-mente agregando boquillas sónicas adi-cionales.
El diseño modular de la boquillademostró ser beneficioso ya que laplataforma está también en fase deexpansión para recibir futuras conex-iones de gas.
Los ingenieros diseñaron la boquillacon inyección de agua orientada enángulo para disminuir la radiación yruido máximos producidos por lasboquillas supersónicas existentes. Lamejora en el rango de operación y elmejor diseño mecánico asegura tambiénla longevidad de las boquillas.
Para prevenir el alto costo de lasparadas no programadas de la platafor-ma, la operadora hizo fabricar las nuevasboquillas con inyección de agua en 4semanas y las hizo enviar a la platafor-ma para su instalación en la siguienteparada programada.
www.johnzink.com
En los EE.UU.:John Zink Company, LLCOficinas Centrales para Todo el Mundo11920 East ApacheTulsa, Oklahoma 74116UNITED STATES OF AMERICA800-421-9242 o 918-234-1900Fax: 918-234-2700
En Europa:John Zink InternationalLuxembourg S.a.r.l.Zone Industrielle RiedgenL-3401 DudelangeLUXEMBOURG+352-518991Fax: +352-518611
En Asia-PacíficoJohn Zink Asia-Pacific,una división de Koch Asia_pacific, Inc.7th FLoor, KSS Gotanda Bldg.21-8 Nishi-Gotanda 1-chome,Shinagawa-kuJAPAN+81-3-5435-8551Fax: +81-3-3491-3584
MUSTANG ENGINEERING16001 Park Ten PlaceHouston, Texas 77084Teléfono: 713-215-8000Fax: [email protected]
