Conocimientos básicos relacionados con el GNL (I)

El gas natural licuado (GNL) se ha convertido en una de las principales fuentes de gas para las ciudades que no pueden utilizar el gas natural por gasoducto. También constituye una fuente de gas complementaria o de reserva para cubrir los picos de demanda en muchas ciudades que sí utilizan gas natural por gasoducto. Este artículo presenta los conocimientos básicos relacionados con el gas natural licuado, desde el proceso de recepción del GNL hasta la gasificación, los principales equipos que se utilizan habitualmente en las estaciones de gasificación de GNL, su operación y mantenimiento, y las reparaciones de emergencia.

Sección 1. Conocimientos básicos sobre el gas natural licuado.

Cuando el gas natural se enfría a unos -162 °C a presión normal, pasa de estado gaseoso a líquido, convirtiéndose así en gas natural licuado (GNL). Los componentes principales del GNL son el metano, además de pequeñas cantidades de etano, propano y nitrógeno.

El gas natural se purifica aún más durante el proceso de licuefacción, y el metano resultante es de mayor pureza, prácticamente no contiene dióxido de carbono ni sulfuro, y es incoloro, inodoro y no tóxico.

1. Naturaleza del GNL

1. Densidad

La densidad del GNL depende de su composición y temperatura, generalmente entre 430 kg/m³ y 470 kg/m³, aunque en algunos casos puede alcanzar los 520 kg/m³. La densidad varía con la temperatura en aproximadamente 1,35 kg/(m³·°C). El volumen de GNL es aproximadamente 1/600 del volumen de la misma cantidad de gas natural en estado gaseoso.

(2) Punto de ebullición

La ebullición es el fenómeno por el cual un líquido se vaporiza tanto en su interior como en su superficie a una determinada temperatura y presión. La temperatura a la que hierve el líquido se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del GNL depende de su composición y de la presión, y suele estar entre -166 °C y -157 °C a presión normal.

(III) Evaporación de GNL

El GNL se almacena en un tanque aislado en estado de ebullición. Cualquier calor transferido al tanque provoca que parte del GNL se evapore, convirtiéndose en gas, conocido como gas de evaporación. Su composición está relacionada con la del GNL. Durante la evaporación del GNL, el nitrógeno y el metano son los primeros en vaporizarse del líquido debido a sus bajos puntos de ebullición. Generalmente, el gas de evaporación contiene aproximadamente un 20 % de nitrógeno, un 80 % de metano y una pequeña cantidad de etano. El contenido de nitrógeno del gas de evaporación es 20 veces mayor que el del GNL.

(IV) Evaporación instantánea

Cuando se calienta un líquido en un recipiente cerrado, la presión de la fase gaseosa aumenta continuamente debido a la evaporación de la fase líquida. Si, al alcanzar el equilibrio entre el líquido y el gas, la fase gaseosa del recipiente se conecta repentinamente a un entorno externo de baja presión, la presión de la fase gaseosa disminuirá inmediatamente, el líquido hervirá rápidamente y este fenómeno de evaporación instantánea de una gran cantidad de líquido hacia la fase gaseosa se denomina evaporación instantánea.

La vaporización instantánea también se produce cuando la presión del GNL en un contenedor o tubería cae repentinamente por debajo de su presión de vapor saturado. Dado que el GNL es una mezcla de múltiples componentes, los componentes del gas de vaporización instantánea son diferentes de los del líquido restante. Como referencia, cuando la presión oscila entre 100 kPa y 200 kPa, 1 m³ de líquido produce aproximadamente 0,4 kg de gas por cada kPa de descenso de presión.

5. Derrames, expansión y difusión de GNL

Cuando el GNL se derrama al suelo (por ejemplo, en un derrame accidental), inicialmente hierve violentamente y, posteriormente, la tasa de evaporación disminuye rápidamente hasta alcanzar un valor fijo que depende de las propiedades térmicas del suelo y del calentamiento del aire circundante. Si el derrame se produce sobre el agua, la convección en el agua es lo suficientemente fuerte como para mantener constante la tasa de evaporación dentro del área afectada, y el área de derrame de GNL seguirá expandiéndose hasta que la cantidad total de gas evaporado sea igual a la cantidad total de GNL derramado.

Inicialmente, la temperatura del gas de evaporación es casi la misma que la del GNL, y su densidad es mayor que la del aire circundante. El gas fluye primero a lo largo de una capa sobre el suelo hasta que absorbe calor de la atmósfera y se calienta. Cuando la temperatura del GNL es de -107 °C, su densidad es similar a la del aire, y a medida que la temperatura sigue aumentando, su densidad se vuelve menor que la del aire circundante.

Tras el derrame, se formará una nube de niebla debido a la condensación del vapor de agua en la atmósfera. Cuando esta nube de niebla sea visible (durante el día y sin niebla natural), podrá utilizarse para mostrar el movimiento del gas en evaporación y proporcionar una indicación conservadora del rango de inflamabilidad de la mezcla gas-aire. En caso de derrame en un recipiente a presión o gasoducto, el GNL entrará en la atmósfera en forma de chorro, expandiéndose y evaporándose simultáneamente. Este proceso ocurre al mismo tiempo que se mezcla intensamente con el aire. La mayor parte del GNL se encuentra inicialmente en la nube de gas en forma de aerosol (un sistema de dispersión coloidal formado por pequeñas partículas sólidas o líquidas dispersas y suspendidas en un medio gaseoso). Este aerosol se evaporará finalmente al mezclarse con el aire.

(VI) Incendio en piscina de GNL

En una piscina de GNL en combustión con un diámetro superior a 10 m, la potencia de radiación superficial de la llama es muy alta (es decir, la temperatura es muy alta). Esta potencia depende del tamaño de la piscina, la dispersión del humo y el método de medición. La potencia de radiación superficial disminuye con el aumento de hollín y negro de humo.

(VII) Volteretas

El vuelco se refiere al proceso por el cual se libera una gran cantidad de gas de un contenedor de GNL en un corto período de tiempo. A menos que se tomen medidas preventivas o que el contenedor esté especialmente diseñado, el vuelco provocará una sobrepresión o la destrucción del contenedor.

Al introducir calor en el recipiente, se produce una transferencia de calor y masa entre las unidades, así como la evaporación de la superficie del líquido. La densidad entre las unidades alcanzará el equilibrio y, finalmente, se mezclarán. Esta mezcla espontánea se denomina volteo.

8. Transición de fase

Cuando dos líquidos a diferentes temperaturas entran en contacto bajo ciertas condiciones, a veces se produce un cambio de fase que puede generar fuerzas explosivas. Este fenómeno, denominado cambio de fase rápido, ocurre cuando el GNL entra en contacto con el agua. Si bien no se produce combustión, el fenómeno presenta todas las demás características de una explosión.

9. Expansión del líquido en ebullición y explosión de vapor.

Cualquier líquido que se encuentre a su temperatura de ebullición o cerca de ella y que esté sometido a una presión superior a cierto valor, si se libera repentinamente debido a una falla en el sistema de presión, se evaporará a una velocidad extremadamente alta. Este fenómeno se denomina explosión de vapor por expansión de líquido en ebullición.

2. Licuefacción del gas natural

1. Pretratamiento del gas natural

El gas natural, como materia prima para la unidad de licuefacción, debe someterse a un pretratamiento. Este pretratamiento consiste en la eliminación de impurezas como sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, humedad, hidrocarburos pesados y mercurio, para evitar que corroan los equipos o se congelen a bajas temperaturas, obstruyendo así los equipos y las tuberías.

(II) Proceso de licuefacción de gas natural

Existen diferentes formas de proceso de licuefacción de gas natural, que se pueden dividir en los siguientes tres métodos según el método de refrigeración:

1. Proceso de licuefacción en cascada

2. Proceso de licuefacción de refrigerante mixto

3. Proceso de licuefacción con expansor

Dicha división no es estricta, y generalmente se adopta un proceso compuesto que incluye diferentes combinaciones de ciertas partes de los procesos de licuefacción mencionados anteriormente.

3. Introducción al proceso de refrigeración por gas natural

Los procesos comunes de refrigeración por licuefacción de gas natural incluyen el proceso de refrigeración en cascada, el proceso de refrigeración mixta y el proceso de refrigeración por expansión.

1. Proceso de refrigeración en cascada

El proceso de refrigeración en cascada es un proceso de refrigeración convencional. Para la licuefacción de gas natural, generalmente se compone de tres etapas de ciclo de refrigeración con propano, etileno y metano como refrigerantes, que proporcionan la capacidad de enfriamiento necesaria para la licuefacción del gas natural paso a paso, con gradientes de temperatura de refrigeración de aproximadamente -30 °C, -90 °C y -150 °C, respectivamente. El gas natural crudo purificado se enfría, condensa, licúa y sobreenfría paso a paso en los enfriadores de los tres ciclos de refrigeración. Después de la estrangulación y la reducción de presión, se obtiene un producto de gas natural licuado a baja temperatura y presión normal, que se envía al tanque de almacenamiento.

El sistema de refrigeración y el sistema de licuefacción de gas natural del proceso de refrigeración en cascada son independientes entre sí, el refrigerante es un componente único, los sistemas tienen poca influencia mutua, el funcionamiento es estable y es más adecuado para fuentes de gas a alta presión (utilizando la energía de presión de la fuente de gas). Sin embargo, debido a la gran cantidad de unidades de refrigeración y la duración del proceso, los requisitos de pureza del refrigerante son estrictos y no es adecuado para gas natural con alto contenido de nitrógeno. Por lo tanto, este proceso de licuefacción se ha utilizado poco en equipos de licuefacción de gas natural.

(II) Proceso de refrigeración híbrido

El proceso de refrigeración mixta evolucionó a partir del proceso de refrigeración en cascada a finales de la década de 1960. Utiliza principalmente mezclas de hidrocarburos (N2, C1, C2, C3, C4, C5) como refrigerantes para reemplazar múltiples componentes puros en el proceso de refrigeración en cascada. La composición del refrigerante está determinada por la composición y la presión del gas natural. Los componentes pesados de la mezcla multicomponente se condensan primero y los componentes ligeros se condensan después. Las mezclas se condensan, separan, estrangulan y evaporan secuencialmente para obtener capacidad de enfriamiento a diferentes niveles de temperatura. Según si el refrigerante mixto se mezcla con el gas natural natural, existen dos tipos de procesos de refrigeración mixta: cerrado y abierto.

Ciclo cerrado: El sistema de circulación de refrigerante es un sistema independiente. Tras comprimir la mezcla refrigerante mediante el compresor, esta se enfría con agua (o aire), se condensa y se separa gradualmente a diferentes temperaturas. Después de la expansión, pasa a las distintas secciones de temperatura de la cámara frigorífica (intercambiador de calor) para proporcionar refrigeración al gas natural crudo. Una vez que el gas natural crudo ha sido sometido a tres procesos de separación, entra en la cámara frigorífica (intercambiador de calor) donde se enfría, condensa, expande y despresuriza gradualmente para obtener el gas natural licuado.

Ciclo abierto: El gas natural crudo se mezcla con el refrigerante tras un tratamiento de tres desgasificaciones y luego fluye secuencialmente a través de varios niveles de intercambiadores de calor y separadores gas-líquido. A medida que se condensa gradualmente, los componentes refrigerantes necesarios también se condensan y separan uno a uno. Los componentes refrigerantes separados se evaporan paso a paso según el punto de ebullición del refrigerante y se acumulan para formar un sistema de refrigeración de baja temperatura, que constituye un ciclo de intercambio de calor a contracorriente con el gas natural crudo. El sistema de ciclo abierto requiere un tiempo de arranque prolongado, es difícil de operar y la tecnología aún no es perfecta.

Sección 2 Diagrama de flujo del proceso de la estación de GNL

Existen dos tipos comunes de estaciones de GNL: estaciones de gasificación de GNL y estaciones de gasificación de grupos de botellas de GNL. Las estaciones de gasificación de GNL se refieren a estaciones que tienen las funciones de descarga, almacenamiento, gasificación, regulación de presión, medición y odorización del GNL transportado por camiones cisterna o buques cisterna, y su envío a gasoductos urbanos de transmisión y distribución. Se utilizan frecuentemente en ciudades donde no es posible utilizar gas por gasoducto. Las estaciones de gasificación de grupos de botellas de GNL se refieren a aquellas que utilizan grupos de cilindros de gas como instalaciones de almacenamiento y suministro de gas. Su capacidad de suministro de gas es pequeña y se utilizan principalmente para el suministro de gas a comunidades o usuarios industriales individuales. Esta sección se centra en un análisis detallado del flujo de proceso de las estaciones de gasificación y presenta brevemente el flujo de proceso de las estaciones de grupos de botellas.

1. Diagrama de flujo del proceso de la estación de gasificación de GNL

Figura 1 Diagrama de flujo del proceso de la estación de gasificación de GNL

La estación de gasificación de GNL es el principal modelo adoptado en la aplicación de GNL en la fase posterior, y su función principal es almacenar y gasificar GNL. Incluye una plataforma de descarga, un tanque de almacenamiento criogénico, un sistema de presurización, un sistema de gasificación, un sistema de regulación de presión, un sistema de medición y un sistema de odorización. Esta sección se centra en el proceso de descarga, el proceso de autopresurización del tanque de almacenamiento y el proceso de calentamiento de gasificación de la estación de gasificación de GNL, así como en los procesos BOG y EAG asociados. El diagrama de flujo de una estación de gasificación de GNL común se muestra en la Figura 1.

1. Proceso de descarga de GNL

El GNL se transporta desde las plantas de licuefacción y las terminales marítimas de recepción hasta las estaciones de gasificación en las ciudades consumidoras mediante camiones cisterna o contenedores cisterna, y se pesa y mide con básculas para camiones. El camión cisterna se conecta a las tuberías correspondientes de la plataforma de descarga mediante una manguera metálica, y se presuriza mediante el gasificador de descarga en la estación para generar una diferencia de presión entre el camión cisterna y el tanque de almacenamiento de GNL. Esta diferencia de presión se utiliza para descargar el GNL del camión cisterna al tanque de almacenamiento de la estación de gasificación. Al finalizar la descarga, el gas natural en fase gaseosa del camión cisterna se recupera a través de la tubería de recuperación de gas (BOG) de la plataforma de descarga, como se muestra en la Figura 2.

Durante la descarga, se utilizan diferentes métodos para evitar que la presión en el tanque de almacenamiento de GNL aumente y afecte la velocidad de descarga. Cuando la temperatura del GNL en el camión cisterna es menor que la del GNL en el tanque de almacenamiento, se utiliza el método de entrada de líquido superior. El GNL a baja temperatura del camión cisterna ingresa al tanque de almacenamiento a través de la boquilla de la tubería de entrada de líquido superior del tanque en estado de pulverización, enfriando parte del gas y convirtiéndolo en líquido, lo que reduce la presión en el tanque y permite que la descarga se realice sin problemas. Si la temperatura del GNL en el camión cisterna es mayor que la del GNL en el tanque de almacenamiento, se utiliza el método de entrada de líquido inferior. El GNL a alta temperatura ingresa al tanque de almacenamiento por la entrada de líquido inferior, se mezcla con el GNL a baja temperatura en el tanque y se enfría, evitando que el GNL a alta temperatura ingrese al tanque por la entrada de líquido superior y se evapore, lo que aumenta la presión en el tanque y dificulta la descarga.

En la práctica, dado que la fuente de gas natural licuado (GNL) se encuentra actualmente lejos de la ciudad consumidora, cuando llega a dicha ciudad tras un transporte de larga distancia, la temperatura del GNL en el camión cisterna suele ser superior a la temperatura del GNL en el tanque de almacenamiento de la estación de gasificación, por lo que se adopta el método de entrada de líquido por la parte inferior.

Figura 2 Proceso de descarga con aumento de presión

(II) Proceso de presurización automática del tanque de almacenamiento

A medida que el GNL del tanque de almacenamiento fluye continuamente hacia el vaporizador, la presión en el tanque disminuye progresivamente y la velocidad de salida del GNL se reduce gradualmente hasta detenerse. Por lo tanto, en condiciones normales de suministro de gas, es necesario añadir gas continuamente al tanque de almacenamiento para mantener la presión dentro de un rango determinado y así asegurar la continuidad del proceso de gasificación del GNL. La presurización del tanque se logra mediante una válvula reguladora de refuerzo automática y un vaporizador de temperatura de aire autopresurizado. Cuando la presión en el tanque de almacenamiento es inferior al valor de apertura establecido para la válvula de refuerzo automática, esta se abre y el GNL fluye hacia el vaporizador de temperatura de aire autopresurizado debido a la diferencia de nivel de líquido. En el vaporizador de temperatura de aire autopresurizado, el GNL se gasifica en gas natural gaseoso mediante intercambio de calor con el aire, y posteriormente el gas natural gaseoso fluye hacia el tanque de almacenamiento, elevando la presión en este hasta la presión de trabajo requerida. Durante el proceso de autopresurización, a medida que el gas natural continúa fluyendo, la presión del tanque de almacenamiento sigue aumentando. Cuando la presión alcanza la presión de cierre de la válvula reguladora automática, esta se cierra y finaliza el proceso de presurización. A medida que continúa el proceso de gasificación, cuando la presión en el tanque de almacenamiento es inferior a la presión de apertura establecida por la válvula reguladora, esta se abre y comienza una nueva ronda de presurización.

(III) Proceso de gasificación y calentamiento del GNL

Cuando el GNL fluye desde el tanque de almacenamiento al vaporizador de temperatura ambiente y se vaporiza, se ve muy afectado por la temperatura ambiente. En verano, la temperatura de salida del vaporizador puede superar los 15 °C y puede utilizarse directamente en la red de gasoductos. En invierno o durante la temporada de lluvias, la eficiencia de vaporización del vaporizador se reduce considerablemente, especialmente en el frío norte. En invierno, la temperatura del gas natural a la salida del vaporizador (unos 10 °C inferior a la temperatura ambiente) es muy inferior a 0 °C y se convierte en gas natural de baja temperatura. El gas natural gasificado necesita calentarse por encima de los 10 °C mediante un calentador de baño de agua antes de ser enviado a la red urbana de gasoductos de transmisión y distribución.

Normalmente, se instalan dos grupos de vaporizadores de temperatura ambiente y se utilizan alternativamente. Cuando un grupo se usa durante demasiado tiempo y el vaporizador se congela en exceso, lo que reduce la eficiencia de vaporización y provoca que la temperatura de salida no cumpla con los requisitos, se cambia manualmente (o automáticamente o mediante un temporizador) a otro grupo, que se utiliza para la descongelación natural y como reserva.

(IV) Proceso de evaporación natural

BOG es la abreviatura de BOG, que significa gas natural evaporado naturalmente. Durante el almacenamiento de GNL en el tanque y su flujo por el gasoducto, debido al aporte de calor, una parte del GNL se vaporiza, aumentando la presión en el tanque y el gasoducto. Para garantizar la seguridad de la operación y el aprovechamiento total del gas natural, el BOG generado por el camión cisterna, el tanque y el gasoducto se recoge en la tubería principal de BOG a través de la válvula reguladora reductora de presión y la válvula de seguridad, donde se calienta mediante un calentador de BOG y se envía a la red de transmisión y distribución.

(V) Proceso de liberación de emergencia

EAG es la abreviatura de Escape Air Gas, que significa liberación de emergencia de gas natural. Todos los gases liberados por la válvula de seguridad del sistema criogénico son gases criogénicos. Cuando la temperatura es inferior a -113 °C, el peso del gas natural es mayor que el del aire a temperatura ambiente. Al ser liberado, no se dispersa fácilmente y tiende a acumularse hacia abajo. Por lo tanto, es necesario instalar un calentador de gas de liberación a temperatura ambiente. El gas liberado pasa primero por el calentador. Tras el intercambio de calor con el aire, la densidad del gas natural disminuye. Después de la liberación en un punto elevado, se dispersa fácilmente, evitando así la formación de una mezcla explosiva cerca del suelo.

2. Proceso de gasificación de la estación de bombonas de GNL

Figura 3 Diagrama de flujo del proceso de la estación de gasificación del grupo de botellas de GNL

El flujo del proceso de la estación de gasificación de grupos de botellas de GNL es similar al de una estación de gasificación convencional. El cilindro de acero que contiene gas natural licuado se transporta a la estación y se conectan las mangueras de fase gaseosa y líquida. El cilindro de acero se presuriza con el compresor incorporado, y el GNL en su interior se envía al gasificador externo de temperatura ambiente mediante la diferencia de presión. En el gasificador, el GNL se gasifica y calienta. Posteriormente, el regulador de presión ajusta la presión a la requerida y, tras la dosificación, se suministra al usuario. El proceso de suministro de gas para grupos de botellas de GNL utiliza dos grupos de cilindros de acero, uno para uso y otro de reserva, con el mismo número. Cuando el nivel de líquido del cilindro de GNL en uso desciende al nivel especificado, debe cambiarse al grupo de cilindros de reserva de inmediato. El cilindro vacío también debe almacenarse y utilizarse a tiempo. El gas natural es incoloro e inodoro. Como gas de ciudad, debe odorizarse según la normativa vigente. Si en zonas frías del norte se utiliza el proceso de suministro de gas mediante grupos de botellas de GNL, existe un dispositivo de calentamiento y elevación de temperatura antes de que el gas natural entre en la red de gasoductos, como se muestra en la Figura 3.