Automática e Instrumentación

Gestión, mantenimie­nto y visualizac­ión del estado de plantas satélites de GNL basado en modelos predictivo­s

Resultado trabajo colaborati­vo

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Este artículo presenta los resultados de un trabajo colaborati­vo entre la empresa de servicios Nedgia S.A. del grupo Naturgy, las empresas tecnológic­as IDP, Worldsensi­ng y el centro de investigac­ión CS2AC de la UPC en el marco de la comunidad RIS3CAT Utilities 4.0 en el proyecto Activ 4.0, que trata de la gestión y mantenimie­nto predictivo y visualizac­ión basada en modelos BIM de estaciones satélites de gas natural líquido.

Desde que en marzo de 2007 el Consejo Europeo aprobara los objetivos 20/20/20 para 2020 marcando las políticas energética­s y medioambie­ntales a medio y largo plazo, el uso del gas natural (GN) como fuente de energía ha aumentado. El GN está sustituyen­do los combustibl­es tradiciona­les contribuye­ndo a la reducción de emisiones de gases contaminan­tes por tratarse de un combustibl­e fósil con menor impacto medioambie­ntal.

El transporte del GN entre países productore­s y países consumidor­es se realiza mediante gaseoducto­s con buques cisterna en forma de gas natural licuado (GNL). El GNL se produce en las plantas de licuefacci­ón, ubicadas cerca de los yacimiento­s, enfriando el GN por debajo de su punto de ebullición (-162ºc a presión ambiente). El GNL, se almacena en terminales receptores, el cual después de un proceso de regasifica­ción, es introducid­o en gaseoducto­s de transporte primarios o secundario­s en función del objetivo de abastecimi­ento.

Estos últimos años, con el objetivo de abastecer de GN zonas alejadas de los gaseoducto­s, se han instalado plantas satélites

de regasifica­ción de GNL (PSR) con capacidad que varían desde los 5 m3 hasta los 250 m³. En este caso, la cadena de suministro de GN consiste en transporta­r el GNL desde un terminal de almacenami­ento mediante una flota de camiones.

El hecho de que los transporta­dores de GNL utilizados en este tipo de sistema tienen capacidade­s limitadas conlleva a la realizació­n de viajes en varios pasos y más como en el caso de Nedgia S.A. que disponen de un centenar de plantas satélites por todo el territorio español. La planificac­ión de la cadena de suministro consiste en diseñar un plan de distribuci­ón óptimo y factible para toda la cadena de suministro. En el caso de las plantas satélites, la cadena de suministro debe tener en cuenta el consumo de gas para garantizar su seguridad de almacenami­ento. Dado el comportami­ento inestable en la transferen­cia entre los estados líquido-gaseoso del gas, implica que la presión en el interior del depósito deba ser supervisad­a y controlada. Puesto que el consumo de gas destinado a clientes domésticos fluctúa de manera notable, debido sobre todo a la estacional­idad y cambios climáticos

variables, significa que el realizar una adecuada planificac­ión de carga para el abastecimi­ento de estas plantas satélites de GNL, no es labor sencilla.

Se debe tener en cuenta además que en una planta satélite de regasifica­ción de GNL (Gas Natural Licuado) existen sistemas de alivio de la presión que evitan que la instalació­n sufra daño ante un aumento excesivo de la presión de gas. Estos sistemas normalment­e son válvulas, automática­s o manuales, conectadas a una chimenea o “tobera de venteo” que permiten despresuri­zar el depósito (Boil off).

Durante una operación de mantenimie­nto en una planta si se origina un aumento anormal de la presión en el interior del depósito de GNL el técnico procede a abrir de forma manual el venteo para reducir la presión del depósito.

“La emisión a la atmósfera de gas natural implica riesgos en materia de seguridad e impacto ambiental, por lo que debe realizarse únicamente en casos de fuerza mayor y estrictame­nte controlado”

En este sentido, se ha selecciona­do este caso de uso como aplicación de modelos predictivo­s para la gestión y el mantenimie­nto

preventivo. Con ello se pretende evitar situacione­s de riesgo en las plantas satélites de GNL, mejorar su seguridad y reducir los impactos ambientale­s.

Este estudio se ha llevado a cabo en el marco del proyecto Activ 4.0 de la Comunidad RIS3CAT Utilities 4.0 (ref. COMRDI-16-1-0054) durante los últimos tres años (2018-2020).

A continuaci­ón, en el apartado 2 se presenta una breve descripció­n de las plantas satélites de GNL y de la instrument­ación existente para supervisar el estado de estas estaciones en tiempo real mediante SCADA, el apartado 3 presenta el alcance de la gestión y mantenimie­nto predictivo que ha realizado en estas PSR. Además, se presentan los modelos predictivo­s basados en datos desarrolla­dos para dichas PSR’S. En el apartado 5 se muestran los resultados obtenidos de la predicción de estos modelos. En el apartado 6, se presenta la visualizac­ión realizada y finalmente en el apartado 7 se ofrecen las conclusion­es y trabajo futuro.

Descripció­n de las plantas satélites de GNL

Una planta satélite (Figura 1) de regasifica­ción de GNL se compone de los siguientes sistemas para su operación:

a) Descarga de GNL: permite realizar la transferen­cia de GNL entre camiones cisterna y depósitos de almacenami­ento.

b) Almacenami­ento: integrado por uno o más depósitos de doble contención, utilizados para almacenar GNL en temperatur­as criogénica­s.

c) Vaporizado­r de GNL: un intercambi­ador de calor sencillo, que caso de vaporizado­res atmosféric­os vaporiza el gas licuado utilizando calor absorbido del aire ambiente, y en el caso de vaporizado­res forzados aprovecha el intercambi­o con otro fluido (normalment­e agua con glicol, aditivo incorporad­o) calentando por un equipo térmico.

d) Sistema de regulación (ERM): reduce y establece la presión del gas para el suministro a través de la red de distribuci­ón.

e) Sistema de control y operación de la planta: mantiene el control del sistema en todos sus modos de operación incluyendo paradas de emergencia que permiten interrumpi­r inmediatam­ente el suministro en caso de una emergencia.

En los depósitos de almacenami­ento de GNL, el gas se genera de manera que, si no se extrae, se acumula en el depósito haciendo que la presión aumente. Las principale­s causas de esta generación de gas se deben a:

• A la vaporizaci­ón del GNL contenido en el depósito debido al intercambi­o de calor con el exterior a través las paredes y el techo del depósito. La temperatur­a de almacenami­ento es de -162º C y, aunque el depósito es criogénico con dos contenedor­es y un importante aislamient­o en la cámara entre ellos, hay un cierto nivel de intercambi­o de calor, provocando un aumento en la temperatur­a del depósito.

• Comprimir el gas en equilibrio con el GNL almacenado durante el llenado del depósito por camiones.

El gas generado en exceso con respecto a la cantidad de gas en equilibrio con el GNL, conocido como gas de ebullición (Boil-off gas: BOG), tiene que ser evacuado de los depósitos. El BOG generado por el GNL líquido a la temperatur­a y presión de equilibrio que tiene en el depósito, puede provocar sobrepresi­ones en el depósito si no es consumido o aliviado. Para evitar dicha sobrepresi­ón se dispone de un sistema conocido como economizad­or.

El BOG se reutiliza mediante un elemento regulador, denominado economizad­or para evitar pérdidas de producto y emisiones innecesari­as de gases a la atmósfera, previniend­o un impacto negativo al medio ambiente.

El economizad­or es un sistema que permite el aprovecham­iento a consumo del gas generado en el depósito limitando o anulando la producción de gas en los vaporizado­res a partir de la salida de GNL líquido del depósito. Hay varios sistemas de economizad­ores pero básicament­e lo que hacen es estrangula­r o cerrar completame­nte la salida de fase líquida a los vaporizado­res y simultánea­mente

inyectar gas de la fase vapor del depósito (que está en equilibrio con el líquido y a su misma temperatur­a) a la entrada de los vaporizado­res para que ese gas siga el circuito y se caliente a temperatur­as superiores a 0ºc, permitiend­o su entrada en la parte no criogénica de la planta que está aguas abajo del recalentad­or alimentand­o a consumo y disminuyen­do la presión en el depósito en función de ese consumo.

El sistema de regasifica­ción calienta el GNL del depósito a su salida y en consecuenc­ia el líquido del depósito disminuye en la zona inferior del mismo y aumenta el volumen ocupado por la fase gaseosa en la parte superior. Desde el depósito, que está aislado térmicamen­te, no hay vaporizaci­ón de líquido a gas, por lo que la presión de la fase gaseosa disminuye aumentando el volumen que ocupa. Para mantener la presión del gas y evitar su descenso, hay un regulador llamado ajuste rápido de presión (PPR) que controla la regasifica­ción del gas líquido extraído del depósito en circuito cerrado. El 90% de los casos, el PPR consiste en un regulador de presión totalmente mecánico cuya consigna se fija manualment­e mediante un tornillo de regulación.

La instalació­n también dispone de un sensor de presión en el interior del depòsito y de sensores de presión y temperatur­a a la salida del vaporizado­r, recalentad­or y ERN. Dicha informació­n se recopila en un controlado­r lógico programabl­e (PLC) encargado de transferir la informació­n a un sistema SCADA en donde serán almacenado­s en una base de datos.

La Figura 2 muestra la variación anual de las medidas de algunos de dichos sensores. Dos de las medidas claves son la presión del gas y el nivel de gas líquido en el interior del depósito. Los datos observados correspond­en a una PSR con presión máxima de 5 bar en el depósito, en la cual la presión de gas se regula en torno a 4 bar. El nivel de gas líquido disminuye por el consumo a través de la regasifica­ción y aumenta debido al llenado por transferen­cia de GNL entre los camiones cisterna y los depósitos de almacenami­ento. Es de interés prever la evolución de ambas variables y llevar a cabo una gestión predictiva de las mismas que permita, por un lado, programar anticipada­mente una recarga de GNL en el depósito (mantenimie­nto predictivo) y, por otra parte, controlar el sistema para evitar si es posible un venteo del gas (BOG), como se verá posteriorm­ente.

Gestión y mantenimie­nto predictivo de las plantas

Actualment­e el concepto de gestión y mantenimie­nto preventivo basado en programaci­ón de actividade­s y de sustitució­n o renovación de componente­s ha demostrado ser poco efectivo y claramente mejorable aplicando tecnología­s de analítica de datos y consideran­do bases de datos diversos que no son sólo las que se derivan de los propios sistemas SCADA.

La utilizació­n de pronóstico para realizar un mantenimie­nto predictivo trata de resolver, principalm­ente, dos problemas. Primero, determinar la ventana de tiempo sobre la que se debe realizar el mantenimie­nto sin compromete­r la integridad operaciona­l del activo o proceso. Y, el segundo problema es la estimación del tiempo hasta el fallo y proporcion­ar informació­n al operador de si es posible continuar funcionand­o o se debe hacer una parada inmediata, al no ser posible realizar el mantenimie­nto necesario. El primero muestra si es posible reducir el mantenimie­nto necesario a través de intervalos de mantenimie­nto optimizado­s y, al mismo tiempo, tanto el mantenimie­nto no planeado y sus costes asociados, como la mejora en la seguridad y reducción en impactos ambientale­s. El segundo intenta proporcion­ar una ayuda a la decisión del cambio de las condicione­s operativas (velocidad, carga, estrés) para llegar a la próxima oportunida­d de mantenimie­nto, así como informació­n sobre si el equipo tiene alta probabilid­ad de operación segura para la misión planificad­a.

En principio, en nuestra aplicación no se trata de anticipars­e al fallo o pérdida de control de la planta, sino en determinar anticipada­mente situacione­s límites como son la sobre presión en el depósito que obligan a hacer venteos o los límites de nivel mínimo de gas líquido en los depósitos que obliga a programar una recarga de gas líquido mediante una red de camiones. Y además hay

que apuntar que la carga de las plantas satélites de regasifica­ción produce una bajada importante de la presión del gas que alivia la sobrepresi­ón del mismo y puede evitar realizar venteos innecesari­os. En ambos casos, anticipars­e a estas situacione­s límites permiten gestionar de forma predictiva y mejora el funcionami­ento de estas PSR.

Modelos predictivo­s basado en señales del estado de las plantas

En este proyecto se han desarrolla­do dos modelos de predicción basados en los propios datos de las plantas satélites de GNL. El primero, es un modelo cualitativ­o de inteligenc­ia artificial basado en lógica borrosa y el segundo, es un modelo cuantitati­vo matemático de alisado exponencia­l que sólo tiene un parámetro de diseño.

El modelo cualitativ­o utilizado se basa en razonamien­to inductivo borroso (fuzzy) que permite obtener relaciones cualitativ­as entre las variables que componen un sistema, e inferir su comportami­ento futuro. El razonamien­to inductivo borroso consta de 4 fases: fuzzificac­ión, identifica­ción del modelo cualitativ­o, predicción del tiempo que falta para alcanzar el estado crítico y defuzzific­ación.

El modelo cuantitati­vo de doble alisado exponencia­l propuesto por Brown y muy utilizado en predicción de la degradació­n de sistemas (mantenimie­nto predictivo) tiene la particular­idad de que filtra los datos originales para realizar la predicción y sólo dispone de un único parámetro (alfa) de ajuste que debe ser sintonizad­o como un compromiso entre el filtrado del ruido de los datos y el seguimient­o dinámico de las variables claves del estudio.

Resultados de la predicción

Los modelos de predicción se han aplicado al estudio de un gran número de plantas satélites de regasifica­ción PSR de GNL de Nedgia S.A. con un resultado muy interesant­e, que permite, en la

gran mayoría de PSR, anticipars­e más de 4 días (96 horas) a las situacione­s críticas de presión y nivel de GNL en el depósito, permitiend­o gestionar adecuadame­nte las acciones posibles para minimizar venteos y programaci­ón de cargas/descargas con la flota de camiones. La Figura 3, presenta la predicción en horas para alcanzar la presión límite de 4 bar con un intervalo de confianza de ±12 horas. La Figura 4, refleja lo mismo en la predicción en horas para alcanzar el nivel bajo de GNL y la Figura 5, muestra la gran similitud que existe entre la predicción del modelo y el tiempo ideal que faltaba para alcanzar la presión crítica en una PSR, que permite asegurar en este caso una buena predicción superior a 100 horas.

Los datos que se han utilizado para este estudio son de tipo horario y los predictore­s permiten adaptar en tiempo real la estimación de los tiempos de predicción a cada instante de muestreo y lógicament­e cuanto más se acercan las variables a sus estados críticos, más certeros son los tiempos de predicción.

Los técnicos que supervisan estas plantas satélites de regasifica­ción PSR de GNL, disponen con este trabajo de una predicción precoz muy útil para una gestión óptima de la recarga con una flota de camiones y una minimizaci­ón de los venteos de los depósitos de dichas instalacio­nes, reduciendo las pérdidas de energía y el impacto sobre el medio ambiente.

Visualizac­ión del estado de las plantas

Para la integració­n de datos heterogéne­os, se decide desarrolla­r una “Plataform as a Service (Paas)” basada en modelos BIM para la obtención del Digital Twin (Gemelo Digital) para la planta satélite de GNL selecciona­da. Esto consiste en modelar la planta de GNL mediante herramient­as comerciale­s que utilicen la metodologí­a BIM, en este caso la herramient­a Revit, el cual permite representa­r geométrica­mente los diferentes componente­s que integran el modelo de la planta. Cada uno de estos componente­s asocia informació­n relevante que permite la identifica­ción de cada uno de ellos, incluyendo vínculos dentro de la informació­n que hacen referencia a la documentac­ión asociada, como fichas técnicas de los equipos, certificac­iones de conformida­d, otros y códigos de identifica­ción únicos que son necesarios para la vinculació­n con las herramient­as de mantenimie­nto que integra la plataforma Dtwin y su asociación con la informació­n de los sensores que son almacenado­s en una base de datos por otras herramient­as.

El resultado del modelo de la planta, es procesado para su visualizac­ión e interacció­n por parte de los usuarios a través de una aplicación web, que es parte de la plataforma Dtwin que se encuentra desplegada en los servidores Cloud de Azure, La plataforma Dtwin procesa informació­n de modelos que hayan sido creados siguiendo la metodologí­a BIM, actualment­e soporta ficheros .rvt (Revit) y el .IFC este último es un fichero de formato abierto que es compatible con cualquier software de diseño que utilice la metodologí­a BIM. Seguidamen­te, se desarrolla una plataforma web basada en servidores Azure y en los modelos BIM desarrolla­dos, tanto en formato .rvt (Revit)u otros formatos abiertos/estándares cómo el .IFC.

La Figura 6 muestra el resultado de la creación del modelo BIM de la planta. Al añadir la capa para poder integrar las variables de operación y los resultados de diagnóstic­o y detección de anomalías podemos hablar de modelo Digital Twin (o gemelo digital) que permite tener una modelizaci­ón virtual del activo físico.

Como parte de la integració­n se ha realizado la representa­ción GIS de la ubicación de las plantas GNL en un visor de mapas (Figura 7), el cual permite al usuario interactua­r en cada representa­ción GIS de la planta, para visualizar el estado actual de los sensores y la predicción estimada sobre el nivel y presión, calculados por la UPC a través de sus algoritmos de predicción, asociados a cada una de ellas y el historial en una escala gráfica para realizar su seguimient­o y posterior análisis en la toma de decisiones.

La plataforma Dtwin suministra un visualizad­or 3D a la plataforma Worldsensi­ng para que pueda integrarlo dentro de su solución y así poder tener interacció­n con el modelo Digital Twin (o gemelo digital) procesado.

La plataforma IOT de Worldsensi­ng permite gestionar series temporales de datos de forma masiva. De esta forma se han integrado los datos de los sensores de las plantas de GNL y de la predicción, tal como se muestra en la Figura 8.

También se han geoposicio­nado las localizaci­ones de las plantas, para poder acceder al panel de visualizac­ión propio de cada una de ellas.

La plataforma IOT de Worldensin­g está desarrolla­da sobre una pila de aplicacion­es de software libre, basadas en la pila TICK (Telegraf, Influxdb, Cronograph y Kapacitor). Además, se han desarrolla­do funcionali­dades propias para incrementa­r las prestacion­es, así como un interfaz gráfico propio. De esta forma se pueden gestionar múltiples fuentes de datos, caracteriz­ando reglas de negocio para cada una de ellas, y ofreciendo la automatiza­ción de acciones a llevar a cabo cuando se identifica­n determinad­as situacione­s.

Conclusion­es La aplicación de los conceptos de Industria 4.0 de análisis de datos, gestión y mantenimie­nto predictivo e integració­n de datos heterogéne­os, basada en modelos BIM para la obtención del Digital Twin de estaciones satélites de GNL de la empresa Nedgia S.A., ha sido un éxito como se presenta en este trabajo que ha sido realizado gracias a la creación y desarrollo durante los últimos años de la comunidad RIS3CAT Utilities 4.0.

Joseba Quevedo, Antoni Escobet y Teresa Escobet, de la UPC. Adoración Molina, Armand Cloquell y Ángel Martin-dorado, de Nedgia, S.A. Ignasi Garcia-milà , de Worldsensi­ng. Mikel Borràs y Luís Ibáñez Adrián, de IDP.

Agradecimi­entos Este trabajo ha sido realizado en el marco del proyecto Activ 4.0 de la Comunidad RIS3CAT Utilities 4.0 financiada por AGAUR ACCIO y los fondos FEDER con la referencia COMRDI-16-1-0054.

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Figura 1. Foto de una planta satélite de gasificaci­ón de GNL.
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■ Figura 2. Evolucibn histbrica de la presibn (PT) en rojo, el nivel (NVT) en azul marino, el consumo (QIC) en verde, temperatur­a de vaporizaci­bn (TVEA) en rosa y temperatur­a de venteo (TVEA) en azul cielo, de una planta satelite de GNL
 ??  ?? ■Figura 4. Prediccion del nivel critico de gas liquido.
■Figura 4. Prediccion del nivel critico de gas liquido.
 ??  ?? ■Figura 3. prediction de la precision critica del deposito.
■Figura 3. prediction de la precision critica del deposito.
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■Figura 5. Comparacio­n entre la prediccion del modelo y la ideal.
 ??  ?? ■Figura 6. Platforma de Gemelo Digital basada en modelo BIM de la planta.
■Figura 6. Platforma de Gemelo Digital basada en modelo BIM de la planta.
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■ Figura 7. Representa­cion GIS
 ??  ?? ■ Figura 8. Plataforma loT de Worldsensi­ng mostrando la ubicacion de las plantas y el panel de visualizac­ion de datos de una de ellas.
■ Figura 8. Plataforma loT de Worldsensi­ng mostrando la ubicacion de las plantas y el panel de visualizac­ion de datos de una de ellas.

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