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Características del sistema de control  

La unidad PSA presenta características tales como un gran número de válvulas de control, tiempos cortos de conmutación entre válvulas y operaciones frecuentes, así como exigencias elevadas en cuanto a grado de automatización. Por ello, en su mayoría se emplean combinaciones de diversas estrategias de control, incluyendo el control convencional por circuitos, el control secuencial, el control de optimización adaptativa y la diagnosis experta de fallos.

El software de control adaptativo puede realizar estimaciones basándose en las condiciones del proceso en constante cambio; a medida que las condiciones del proceso varían, genera automáticamente curvas de operación de control que permiten controlar de manera autónoma los procesos de igualación de presión, despresurización inversa, vaciado y presurización de la unidad PSA. Este software también puede ajustar oportunamente los parámetros operativos del sistema según la magnitud del flujo de alimentación de la planta, la composición del gas原料, y las variaciones en presión y temperatura, optimizando así el funcionamiento de la unidad PSA, garantizando la calidad del producto y logrando una alta tasa de recuperación de hidrógeno, lo cual incrementa considerablemente la rentabilidad de la planta durante su operación.

La unidad PSA suele controlarse mediante PLC o DCS, realizando la adquisición de datos, la supervisión del proceso y la revisión de tendencias históricas de parámetros operativos clave tales como temperatura, presión, caudal y posición de las válvulas programables. Además, este sistema permite realizar un seguimiento automático del estado operativo de los equipos de monitoreo. Asimismo, el sistema de diagnóstico de fallos integrado en este software puede gestionar la conmutación arbitraria entre múltiples torres de adsorción, analizando diversos parámetros operativos como temperatura, presión y retroalimentación de señales de las válvulas. En caso de detectarse una falla, el sistema emite una alerta y desconecta automáticamente la torre afectada, reorganizando posteriormente su funcionamiento. Cuando se presenta una falla o es necesario ajustar la carga del equipo, es posible cambiar fácilmente a distintos programas operativos según sea necesario, evitando así que pequeños fallos provoquen la paralización total de la unidad y afecten significativamente la producción.

La válvula controlada por programa es un equipo clave para garantizar el funcionamiento normal y la fiabilidad de la unidad PSA. Durante el proceso de producción, es necesario abrir o cerrar periódica e ininterrumpidamente las válvulas controladas por programa; cuanto mayor sea el número de estas válvulas, más compleja será la operación. Precisamente debido a las características especiales de las condiciones operativas de esta unidad, los requisitos exigidos para estas válvulas son superiores a los de las válvulas programables comunes. Los requisitos para las válvulas controladas por programa en la unidad PSA son los siguientes:

1) Se requiere que la válvula controlada por programa tenga una vida útil de funcionamiento prolongada, con un ciclo normal de apertura y cierre de 5×10. ⁵ Más de una vez, y puede garantizar el rendimiento de sellado.

2) Se requiere una velocidad de apertura y cierre rápida, y el tiempo de apertura y cierre debe ser inferior a 3 segundos.

3) Algunas válvulas de control programable requieren no solo capacidad de flujo bidireccional, sino también funciones de regulación.

4) La válvula controlada por programa cuenta con indicación local del estado de la posición de la válvula y señal de transmisión remota; su vida útil operativa es la misma que la de la válvula controlada por programa.

5) Sellado confiable de la caja de empaquetadura.

6) Debe cumplir con las exigencias del entorno de hidrógeno en el lugar, es decir, con los requisitos de clasificación antideflagrante.

En función de los diferentes requisitos del proceso PSA, las válvulas controladas por programa se clasifican principalmente en válvulas de elevación de alto rendimiento y válvulas de doble excéntrica, adecuadas para grandes diámetros y diferencias de presión bajas. Válvula de mariposa con tres excéntricas , Aplicable a válvulas de bola, válvulas de dirección lógica, válvulas combinadas, válvulas unidireccionales, válvulas de cierre con tubo corrugado, con diámetros inferiores a DN50. Válvula de bola de cuatro vías , válvulas de tubería, válvulas automáticas de selección alta y baja, etc.

Las fallas comunes que se presentan en las válvulas controladas por programa tras un funcionamiento prolongado y con conmutaciones frecuentes incluyen alarmas de fallo en la detección de posición de la válvula, atascamiento del émbolo, accionamiento poco fluido, fugas de aire, entre otras. Si estas fallas ocurren con regularidad o no se tratan a tiempo, afectarán directamente el funcionamiento normal del sistema completo; en casos graves, podrían provocar la parada del equipo e incluso causar accidentes de seguridad.

Este artículo se centra únicamente en el análisis y la discusión de dos series diferentes de válvulas programables, KJ*C y QPJ, que han sido utilizadas anteriormente en la unidad PSA de este dispositivo.

1) Las características de la serie de válvulas programables KJ*C son las siguientes:

a. La estructura general es sencilla; el mecanismo de accionamiento está integrado con el cuerpo de la válvula mediante un soporte.

b. La válvula y el sello del prensaestopas están integrados en un solo soporte, lo que dificulta su deterioro y contaminación.

c. La conexión entre el núcleo de la válvula y la biela es mediante pernos, lo que facilita y simplifica el mantenimiento.

d. La varilla de la válvula está conectada directamente al émbolo y al núcleo de la válvula.

e. Resistente a la erosión y al polvo de tamices moleculares; autolubricante, antirrasguños y a prueba de explosiones.

f. Velocidad de conmutación rápida, posición de válvula ajustable y detectable, etc.

2) Las características de la válvula programable de la serie QPJ son las siguientes:

a. Adopta una estructura dividida, lo que permite reemplazar y mantener el actuador de manera independiente; la válvula y el actuador están diseñados como piezas separadas, evitando así que el medio procesado se filtre a través del empaque hacia el interior del cilindro y cause fallos en la válvula.

b. La estructura que utiliza un gancho roscado para presionar el relleno y la estructura de compresión del relleno con compensación de desgaste permiten observar en todo momento los cambios en la fuerza de compresión del relleno.

c. El núcleo de la válvula y la varilla de la válvula están unidos mediante una rosca y un anillo semicircular, lo que elimina el problema de caída del núcleo de la válvula causado por el desgaste del pasador.

d. Tiene un excelente rendimiento de sellado, alcanzando estándares de cero fugas; posee resistencia a la presión en ambas direcciones y capacidad para soportar el impacto de flujos de aire de alta velocidad; puede utilizarse en entornos hostiles tales como hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases inflamables, explosivos, tóxicos y con presencia de polvo.

e. La válvula tiene una velocidad de conmutación rápida (menos de 3 segundos), una vida útil prolongada y puede soportar conmutaciones frecuentes a largo plazo.

      Desde que la unidad PSA de este dispositivo entró en funcionamiento en 2016, las válvulas controladas por programa han utilizado primero la serie KJ*C y posteriormente la serie QPJ. A continuación se presenta un análisis comparativo de la situación de uso en el lugar: 。

  ① Uso de la serie de válvulas programables KJ*C

      La serie KJ*C de válvulas programables utiliza una estructura de clavija para conectar la biela y el núcleo de la válvula, debido a factores como el reducido espacio en la cavidad de la válvula, las limitaciones del espacio interno y la necesidad de un movimiento vertical restringido para el sellado del núcleo. Durante su uso, el movimiento continuo entre la clavija y la biela puede provocar fácilmente el desgaste de la clavija y, en consecuencia, su rotura, lo que podría hacer que el núcleo de la válvula se caiga y ocasionar una falla en la válvula.

En cuanto a la estructura general de esta serie de válvulas programables, el vástago de la válvula, el soporte y el cilindro están conectados entre sí y forman una estructura sellada integral. El nivel de presión de la válvula es: CL300 La presión de operación real del proceso es de 3,2 MPa, muy superior a la presión de aire instrumentado en el cilindro (entre 0,4 y 0,6 MPa). Cuando se produce una fuga en el empaque de la biela o en el anillo sellador en forma de «O», el gas del proceso penetra directamente en el cuerpo del pistón del cilindro, empujando el pistón hacia arriba y provocando que la válvula no funcione correctamente. Desde el punto de vista estructural, esta válvula no cuenta con una tapa de presión para el empaque de la biela; el empaque se desplaza junto con la biela, lo cual facilita fácilmente su deterioro. Además, el pistón del cilindro y la biela no están diseñados con medidas de seguridad contra el «desprendimiento». Por ello, durante las labores de mantenimiento y desmontaje del cilindro, es probable que, debido a la acumulación de presión en el interior del cilindro, el pistón y la biela salgan disparados, provocando una fuga considerable de hidrógeno y, en consecuencia, un accidente por ignición causada por fricción estática.

       Desde su puesta en marcha en 2016, las válvulas programables de la serie KJ*C han presentado numerosas fallas. En respuesta a estas fallas en 26 válvulas, se implementaron medidas de mejora correspondientes: se adoptó un pasador roscado acompañado de una tuerca que rompe la rosca exterior de la tuerca para evitar que ésta se salga; además, en las zonas donde se fija la junta de sellado del núcleo de la válvula se emplearon conjuntamente pegamento de bloqueo por rosca, arandelas antideslizantes en forma de lengüeta y arandelas de resorte.

Durante el uso de la válvula programable mejorada, se detectó que, de las 26 unidades, aún quedaban 7 válvulas con sellos del núcleo desprendidos y un desgaste severo entre la varilla de la válvula y el pasador. Esto demuestra que el método de conexión entre el núcleo y la varilla presenta defectos graves, lo que provoca fallos como el desprendimiento del núcleo y los sellos.
2) Las características de la válvula programable de la serie QPJ son las siguientes:

a. Adopta una estructura dividida, lo que permite reemplazar y mantener el actuador de manera independiente; la válvula y el actuador están diseñados como piezas separadas, evitando así que el medio procesado se filtre a través del empaque hacia el interior del cilindro y cause fallos en la válvula.

b. La estructura que utiliza un gancho roscado para presionar el relleno y la estructura de compresión del relleno con compensación de desgaste permiten observar en todo momento los cambios en la fuerza de compresión del relleno.

c. El núcleo de la válvula y la varilla de la válvula están unidos mediante una rosca y un anillo semicircular, lo que elimina el problema de caída del núcleo de la válvula causado por el desgaste del pasador.

d. Tiene un excelente rendimiento de sellado, alcanzando estándares de cero fugas; posee resistencia a la presión en ambas direcciones y capacidad para soportar el impacto de flujos de aire de alta velocidad; puede utilizarse en entornos hostiles tales como hidrógeno, monóxido de carbono y otros gases inflamables, explosivos, tóxicos y con presencia de polvo.

e. La válvula tiene una velocidad de conmutación rápida (menos de 3 segundos), una vida útil prolongada y puede soportar conmutaciones frecuentes a largo plazo.

Desde que la unidad PSA de este dispositivo entró en funcionamiento en 2016, las válvulas controladas por programa han utilizado primero la serie KJ*C y posteriormente la serie QPJ. A continuación se presenta un análisis comparativo de la situación de uso en el lugar.

  ① Uso de la serie de válvulas programables KJ*C

La serie KJ*C de válvulas programables utiliza una estructura de clavija para conectar la biela y el núcleo de la válvula, debido a factores como el reducido espacio en la cavidad de la válvula, las limitaciones del espacio interno y la necesidad de un movimiento vertical restringido para el sellado del núcleo. Durante su uso, el movimiento continuo entre la clavija y la biela puede provocar fácilmente el desgaste de la clavija y, en consecuencia, su rotura, lo que podría hacer que el núcleo de la válvula se caiga y ocasionar una falla en la válvula.

En cuanto a la estructura general de esta serie de válvulas programables, el vástago de la válvula, el soporte y el cilindro están conectados entre sí y forman una estructura sellada integral. El nivel de presión de la válvula es: CL300 La presión de operación real del proceso es de 3,2 MPa, muy superior a la presión de aire instrumentado en el cilindro (entre 0,4 y 0,6 MPa). Cuando se produce una fuga en el empaque de la biela o en el anillo sellador en forma de «O», el gas del proceso penetra directamente en el cuerpo del pistón del cilindro, empujando el pistón hacia arriba y provocando que la válvula no funcione correctamente. Desde el punto de vista estructural, esta válvula no cuenta con una tapa de presión para el empaque de la biela; el empaque se desplaza junto con la biela, lo cual facilita fácilmente su deterioro. Además, el pistón del cilindro y la biela no están diseñados con medidas de seguridad contra el «desprendimiento». Por ello, durante las labores de mantenimiento y desmontaje del cilindro, es probable que, debido a la acumulación de presión en el interior del cilindro, el pistón y la biela salgan disparados, provocando una fuga considerable de hidrógeno y, en consecuencia, un accidente por ignición causada por fricción estática.

Desde su puesta en marcha en 2016, las válvulas programables de la serie KJ*C han presentado numerosas fallas. En respuesta a estas fallas, se han implementado medidas de mejora correspondientes para las 26 válvulas defectuosas: se ha adoptado un pasador roscado acompañado de una tuerca, cuya rosca exterior se ha dañado para evitar que la tuerca se salga; además, en las zonas donde se fija la junta de sellado del núcleo de la válvula se han utilizado conjuntamente pegamento de bloqueo por rosca, arandelas antideslizantes en forma de lengüeta y arandelas de resorte.

Durante el uso de la válvula programable mejorada, se detectó que, de las 26 unidades, aún había 7 válvulas con sellos del núcleo de la válvula desprendidos y un desgaste severo entre la varilla de la válvula y los pasadores. Esto demuestra que el método de conexión entre el núcleo de la válvula y la varilla presenta defectos graves, lo que provoca fallos como el desprendimiento del núcleo de la válvula y de los sellos.

② Situación de uso de la válvula programable de la serie QPJ

La serie QPJ de válvulas controladas por programa es una válvula de cierre neumática especializada diseñada y fabricada por un proveedor nacional. En abril de 2018, durante el período de mantenimiento de la unidad PSA, se reemplazaron 17 unidades de válvulas controladas por programa de la serie QPJ. Tras la puesta en marcha de la instalación, el rendimiento ha sido excelente y la tasa de fallos ha disminuido considerablemente. A continuación, se presenta el análisis de la situación:

1) La carcasa de la válvula y la estructura accionadora tienen un diseño modular; así, el medio de proceso no podrá filtrarse al cilindro debido a fugas en el empaque, lo que evita fallos en la válvula y reduce el riesgo de explosión o combustión del medio. Gracias al diseño con ventana abierta, cuando el empaque se dañe y se produzca una fuga, será posible observar y detectar directamente la anomalía.

2) El mecanismo del núcleo de la válvula y la varilla de la válvula presenta una estructura con rosca y anillo semicircular, lo que reduce el desgaste y, por ende, disminuye la probabilidad de que el núcleo de la válvula se desprenda.

3) Se ha añadido una estructura que presiona el empaque mediante un gancho de rosca, lo que reduce las fugas causadas por el daño del empaque. Además, en caso de accidentes o para reemplazar el empaque, no es necesario desconectar ni desmontar toda la válvula, lo que acorta considerablemente el tiempo de reparación de fallos.

Esta serie de válvulas programables lleva utilizándose 2 años sin necesidad de mantenimiento diario de parada; únicamente se realizan reparaciones de piezas susceptibles de desgaste durante las revisiones mayores que se efectúan cada 4 años en la instalación. Los resultados de su aplicación son bastante buenos.

③ Medidas de seguridad

Dado que la unidad PSA es un equipo de hidrogenación a alta presión, la fracción en volumen de hidrógeno en el equipo puede alcanzar hasta el 99,92%, y como cuenta con un gran número de válvulas controladas por programa que operan con frecuencia, es posible que existan numerosos puntos de fuga de hidrógeno. Dado que el hidrógeno en aire es altamente susceptible a explosiones al entrar en contacto con llamas abiertas, según cálculos teóricos, el rango de concentración de hidrógeno en volumen para el límite de explosividad está entre el 4,0% y el 75,6%. Por lo tanto, mientras se sustituyen las válvulas controladas por programa de la serie QPJ, es necesario reforzar en el lugar las siguientes medidas: dentro de la unidad PSA y en una zona circundante determinada, aumentar moderadamente... Alarma de gas combustible , lo que favorece la detección oportuna de fugas y la emisión inmediata de alarmas; utilizar periódicamente Detector portátil de hidrógeno Inspeccione el empaque de las válvulas para detectar a tiempo cualquier riesgo de daño o fugas en el empaque y tome las medidas necesarias para solucionarlo.

La frecuente ocurrencia de daños causados por problemas en el diseño de la estructura de las válvulas es bastante común en diversas instalaciones industriales y resulta representativa. Una estructura de válvula adecuada constituye una garantía para que las instalaciones industriales operen de manera segura, estable, duradera, plena y eficiente. Por lo tanto, en condiciones operativas y ambientales similares, aprovechar oportunamente las experiencias y lecciones aprendidas en otras instalaciones del mismo sector, así como tomar como referencia casos exitosos, permite resolver rápidamente los problemas de fallas en los equipos en planta. Al mismo tiempo, esto constituye una importante orientación para otras nuevas instalaciones similares, evitando así que se repitan los mismos problemas y reduciendo inversiones innecesarias en reparaciones y modificaciones posteriores.