Sistemas de Distribución de Gas

Una Introducción a los Sistemas de Distribución de Gas

¿Qué es un Sistema de Distribución de Gas?

Los sistemas de distribución de gas son conjuntos interconectados de componentes especializados—como reguladores, mangueras, tubo, racores, manifolds y válvulas—que suministran gas desde una o varias fuentes de alta presión a puntos designados para utilizarlo.

¿Por Qué se Utilizan?

Las instalaciones que utilizan habitualmente cantidades importantes de gas industrial gestionan su acceso desde los puntos de uso utilizando los GDS. Algunos ejemplos de instalaciones que generalmente utilizan GDS son:

• Laboratorios en planta (para verificación de muestras)
• Operaciones industriales (casetas de analizadores)
• Instalaciones de investigación (como las instalaciones empresariales de I+D, gubernamentales o universitarias)
• Empresas químicas y de gas (por ejemplo, petróleo, envases)
• Instalaciones médicas

¿Por Qué se Utilizan?

Las instalaciones que utilizan sistemas de distribución de gas (GDS) pueden reconocer un valor sustancial de estos sistemas en cuatro categorías de rendimiento:

¿Cómo se Utilizan?

Además de la sencilla función de ofrecer puntos independientes de acceso a un suministro de gas gestionado, la importancia de un GDS radica en su apoyo a las funciones operativas críticas, incluida la capacidad de:

• Transportar de forma segura gases reactivos, tóxicos y corrosivos sin fugas peligrosas
• Suministrar gas a los puntos de uso a una presión especificada a lo largo de un rango de caudales
• Evitar interrupciones no programadas en el suministro de gas crítico
• Controlar los gases de alto coste y gran pureza sin contaminación ni pérdidas

Superar los Desafíos de la Distribución de Gas

Sistemas Heredados frente a Sistemas Nuevos

A la hora de diseñar el funcionamiento y el mantenimiento adecuados de un sistema de distribución de gas, resulta útil comparar los retos que se plantean cuando se opera un GDS heredado—posiblemente instalado antes de contratar al equipo que lo opera y presta apoyo en la actualidad—con las exigencias de las nuevas instalaciones. Aunque existen similitudes entre ambas categorías, las diferencias pueden hacer necesario cambiar la prioridad y el énfasis a la hora de solucionar los problemas de rendimiento y mantenimiento.

Sistemas Heredados

Los ingenieros, gestores y técnicos responsables del funcionamiento y mantenimiento de un GDS heredado se enfrentan con frecuencia a obstáculos derivados principalmente de su origen y diseño. En muchos casos, el sistema ha sido suministrado por un proveedor de gas sin coste alguno para el cliente. Aunque son prácticos, estos sistemas pueden no estar optimizados para rendimiento a largo plazo en función de las necesidades específicas de las aplicaciones. Los desafíos pueden surgir debido a:

• Un enfoque único para todos los casos
• Opciones de selección de componentes limitadas
• Susceptibilidad de los racores al desgaste durante el mantenimiento recurrente
• Selección de materiales cuyo cumplimiento de requisitos de normativas y rendimiento esté en los mínimos
• Poco apoyo para la optimización y resolución de problemas

Sin una documentación precisa, incluso los sistemas heredados con especificaciones bien pensadas pueden plantear problemas a los equipos de apoyo y operativos. Los diseños más antiguos, en particular, suelen estar mal etiquetados y ser menos intuitivos que sus homólogos modernos. Sin documentación gráfica adecuada, puede ser difícil estar seguro de que incluso el mantenimiento o la reparación de rutina no dejará el sistema en un estado de rendimiento deficiente o incluso de mal funcionamiento.

Estos problemas pueden agravarse cuando la función del sistema se ha alargado más allá de su alcance original con la adición de componentes más nuevos—a menudo de proveedores distintos de los contratados en el diseño inicial. El efecto acumulativo de estas preocupaciones puede dejar a los ingenieros y jefes con la sensación de haber heredado los problemas imposibles de solucionar de otros. Como consecuencia, incluso los esfuerzos de detección y reparación de fugas pueden acabar siendo dejados de lado o sin prioridad debido a la incertidumbre de los resultados o a los costes previstos.

Nuevos Sistemas

Una vez explorados algunos de los retos asociados al funcionamiento de los sistemas de distribución heredados, vamos a examinar las exigencias de rendimiento relacionadas con el diseño de un nuevo sistema. La comprensión de estos requisitos—que se aplican tanto a la reparación de los problemas heredados como a la correcta especificación de los nuevos sistemas—ayudará a establecer la mejor manera de aportar fiabilidad y rendimiento a ambos.

Para cada una de las cuatro categorías en las que se espera que funcione un GDS bien diseñado (seguridad, ahorro de recursos, tiempo de funcionamiento y costes), ese rendimiento puede alcanzarse mejor mediante esfuerzos aplicados en tres áreas principales de mejora: Formación Técnica Específica, Selección Adecuada de Componentes y Asesoramiento Profesional.

Seguridad Mejorada

Independientemente de su combustibilidad o inflamabilidad, cualquier gas que escape de un sistema de distribución representa un riesgo potencial para la seguridad. Incluso los gases inertes como el nitrógeno pueden suponer un peligro de asfixia porque los niveles de oxígeno atmosférico puede desplazarse de forma peligrosa dentro de los espacios cerrados. Los gases tóxicos y los gases reactivos representan una amenaza aún mayor en caso de fuga.

Racores y Prevención de Incendios

El fuego se convierte en un peligro muy grave siempre que los tres ingredientes necesarios para la combustión estén presentes en el mismo lugar: combustible, calor y oxígeno (como se muestra en el diagrama del “triángulo de la combustión”). Aunque la eliminación de cualquiera de los tres ingredientes evitará la combustión, siempre hay que tener presente la posibilidad de los incendios. Por ejemplo, las concentraciones no detectadas de hidrógeno u oxígeno procedentes de racores con fugas pueden producir condiciones de combustión peligrosas.

Siempre que sea posible, deben ponerse a disposición de los diseñadores, gestores y usuarios del sistema programas de sensibilización y formación en materia de incendios. La normativa y las mejores prácticas relacionadas con los gases específicos que se distribuyen deben examinarse siempre a fondo e incorporarse a las políticas y directrices—junto con auditorias periódicas de su puesta en práctica—para asegurar el tratamiento adecuado de las sustancias peligrosas. Las personas responsables del diseño del sistema de distribución deben estar formadas en la manipulación adecuada de todos los gases potencialmente dañinos, y deben hacer constar en la documentación del sistema, dónde y por qué se han incorporado elementos de seguridad en el diseño del sistema.

La elección de racores bien diseñados y más resistentes al desgaste puede reducir notablemente la probabilidad que se produzcan fugas, con lo que se reducen los riesgos comúnmente asociados a la distribución de gases reactivos e inertes. La elección de reguladores de presión de de tamaño y composición de material correctos para las aplicaciones previstas puede solucionar igualmente los riesgos asociados a las condiciones de sobrepresión. La selección cuidadosa de estos componentes no sólo será decisiva para proteger la seguridad y la salud del personal, sino que también puede reducir la posible exposición a riesgos secundarios: sanciones normativas y/o publicidad negativa derivada del mal funcionamiento del sistema. La selección adecuada de componentes también contribuye sustancialmente al rendimiento y la longevidad del sistema.

Para solucionar a fondo los problemas de seguridad, durante el diseño y la implementación del sistema se debe consultar a profesionales especializados en los posibles peligros asociados a la distribución de gas. Cuando se trata de sistemas de distribución heredados, en particular, se debe contratar a especialistas que también sean capaces de realizar una detección exhaustiva de fugas para identificar, categorizar y priorizar cualquier peligro probable.

Ahorro de Tiempo y Recursos

Un control preciso, predecible y fiable de la presión en todo el sistema es uno de los principales medios por los que un GDS bien diseñado puede contribuir a utilizar de forma eficiente los recursos de una instalación. Componentes de control de la presión desajustados suelen dar lugar a una eficiencia pobre del sistema, a una mayor necesidad de localización de averías y a un impacto negativo en la calidad o en el rendimiento del proceso.

El Comportamiento de los Componentes del Sistema

Entender bien el funcionamiento, o cómo interactúan los distintos reguladores para mantener la presión en todo el GDS es vital para el diseño adecuado del sistema. Aunque los GDS suelen considerarse poco más que conjuntos de válvulas con unos cuantos tubos para conectarlas a las botellas de gas, la verdad es mucho más compleja y a veces es objeto de graves malentendidos. Por ejemplo, pensemos en un fenómeno conocido como “variación en la presión de entrada” (SPE).

Cuando una botella de gas presurizada expulsa su contenido a un sistema de distribución regulado por presión, la presión en la entrada también desciende. Si se le pregunta cuál es el efecto previsto sobre la presión en la salida, una respuesta normal es que se produzca la correspondiente caída de presión en ese extremo del sistema.

Sin embargo, con la SPE ocurre lo contrario: cuando la presión en la entrada disminuye en respuesta al agotamiento de la botella, la presión en cambio aumenta en la salida—un resultado no intuitivo que a menudo sorprende al personal. Es comprensible que, sin un conocimiento práctico de la SPE, el fenómeno pueda llevar a la confusión, e incluso hacer pensar que uno o más componentes del sistema no funcionan correctamente. De este modo, se lleva a cabo una solución de problemas innecesaria y se pierde tiempo.

Para contrarrestar la SPE, se pueden adoptar varios enfoques, uno de los cuales es simplemente restablecer manualmente la presión de salida a los niveles deseados en respuesta al efecto. Sin embargo, este enfoque es ineficaz y poco manejable en todas las aplicaciones, salvo en las de bajo uso.

Una alternativa al reajuste manual es la selección e instalación de un regulador de presión de “obturador equilibrado” en el que se utiliza la presión de salida compensada para contrarrestar el efecto de la caída de la presión de entrada en un ensamblaje de asiento especialmente diseñado.

La otra alternativa es la incorporación de un segundo regulador de presión—ya sea en línea con el primero o con ambos reguladores contenidos en una única carcasa integrada—para contrarrestar la SPE en el regulador aguas arriba con una inversión de su efecto primario por el regulador aguas abajo. Esta configuración es conocida como regulación en dos etapas.

Teniendo en cuenta el ejemplo de la SPE, es fácil ver por qué un conocimiento práctico del funcionamiento de los reguladores de presión es fundamental para un diseño adecuado del GDS. Consideraciones similares son importantes para comprender también el papel de otros componentes, como los reguladores de contrapresión—que, cuando están mal integrados, pueden perjudicar o anular involuntariamente la función de otros reguladores del sistema. Para familiarizar a los ingenieros y a los directivos con las consideraciones de diseño y funcionamiento de esta naturaleza, se pueden utilizar eficazmente los programas de formación ofrecidos por líderes de la industria y formadores.

Además de comprender el comportamiento de los reguladores de presión, también es importante familiarizarse con sus características de rendimiento. Éstas se expresan en gráficos conocidos como “curvas de caudal.”

Curvas de caudal

Los reguladores controlan la presión. Las válvulas aguas abajo controlan el caudal—el volumen de gas que pasa por el regulador cada segundo. Cada regulador tiene una curva de caudal correspondiente que describe la eficacia con la que el regulador puede mantener la presión de salida (el eje Y del gráfico) en respuesta a los cambios de caudal (el eje X del gráfico) que se producen al abrir y cerrar las válvulas. Como se ve en el gráfico, la relación entre el caudal y la presión de salida mantenida es inversamente proporcional: cuando el caudal aumenta, la presión de salida disminuye y viceversa.

Una observación cuidadosa del gráfico revela que existe un amplio rango en el eje X en el que los cambios en el caudal dan lugar a cambios relativamente suaves (o “aplanados”) en la presión de consigna. Esta región representa el “rango de operación ideal” del regulador; las condiciones del sistema bajo las que puede controlar la presión de salida más eficientemente. La pendiente de esta región se denomina “droop,” una línea perfectamente plana y horizontal, un ideal hipotético, pero inalcanzable en la realidad.

También hay intervalos en ambos extremos de la curva en los que incluso pequeños cambios en el caudal dan lugar a cambios radicales en la presión mantenida. En el extremo izquierdo del gráfico, la región pronunciada de la curva se conoce como “pérdida de carga en el asiento” o “lockup,” un rango de caudal muy bajo en el que la válvula aguas abajo está casi cerrada. En el extremo derecho del gráfico, la región pronunciada de la curva se conoce como “caudal estrangulado,” un rango de caudal alto en el que la válvula aguas abajo está en posición totalmente abierta o cerca de ella. Se trata de caudales en los que el regulador no puede ejercer un control fiable sobre la presión.

Seleccionando la curva de caudal adecuada para una determinada “presión de ajuste” (la presión a la que empieza a funcionar un regulador), y aplicando ajustes para la temperatura, la presión de entrada y la gravedad específica del gas utilizado, se pueden aprovechar las demandas de caudal previstas en las aplicaciones para seleccionar reguladores que mantengan de forma fiable la presión deseada.

Selección de Componentes

Una vez comprendidas las características de rendimiento deseadas (es decir, el caudal frente a la presión), se pueden seleccionar los reguladores de presión adecuados para utilizarlos en cualquiera de las cuatro categorías de subsistemas de paneles de gas personalizables que suelen componer un GDS de buen rendimiento.

• colector de entrada
• cambio automático
• control de la presión primaria de gas
• punto de uso

Colectores de Entrada

El colector de entrada es el “inicio” del sistema, un punto en el que las fuentes de gas a alta presión, frecuentemente en forma de botellas presurizadas, se introducen en el GDS. Estos pueden ser configurados—junto con componentes auxiliares apropiados como filtros, mangueras/tubo, etc.—para una o más fuentes de entrada, con un factor de forma que va desde paneles individuales hasta manifolds más grandes que admiten múltiples botellas.

Cambio Automático

El cambio automático cambia en continuo una fuente de gas a otra para asegurar un suministro ininterrumpido. Esto se consigue mediante el ajuste alternado de dos reguladores de presión, lo que permite que el sistema siga funcionando mientras se cambia la fuente de gas principal.

Control de la Presión Primaria de Gas

El control de la presión primaria del gas está en el “centro” del sistema y ofrece una reducción de la presión inicial a los gases de alta presión suministrados desde la entrada de la fuente. Esto puede adoptar la forma de uno o varios reguladores de presión de una o dos etapas, que controlan el suministro de gas a los segmentos del sistema aguas abajo.

Panel de Punto de Uso

El panel del punto de uso representa el “final de la línea,” la etapa final crítica en la que el gas a presión regulada se suministra a las aplicaciones soportadas por el GDS. Los paneles de punto de uso suelen, como mínimo, proporcionar a los operarios un regulador de presión, un manómetro y una válvula de aislamiento para ajustar con precisión la presión a las necesidades de las aplicaciones.

La orientación proporcionada por profesionales especializados en el desarrollo de sistemas de distribución de gas puede aportar rápidamente confianza en el proceso de entender y seleccionar correctamente los reguladores de presión. Si la regulación de la presión se realiza “correctamente a la primera,” se minimiza el gasto innecesario de recursos—como material de ensayo, recursos de diseño y horas de trabajo—del personal.

El asesoramiento profesional también puede ser útil para personalizar correctamente los componentes seleccionados o añadirles accesorios. Por ejemplo, los colectores de entrada pueden requerir componentes de conexión especializados—frecuentemente de materiales especiales—cuando se manipulan gases a alta presión o peligrosos (como el oxígeno).

Mayor Tiempo de Actividad

Un área práctica en la que el valor de un GDS puede entenderse fácilmente es su contribución al tiempo de actividad. Con la integración de componentes de alto rendimiento, calidad y bajo mantenimiento en el diseño del sistema, se puede conseguir el suministro de gas a presión regulada a las aplicaciones críticas —como los analizadores—prácticamente sin interrupciones imprevistas.

La formación dirigida a los diseñadores y gestores de sistemas en la función de los reguladores de presión permite una comprensión intuitiva de la funcionalidad de los componentes que permite una continuidad perfecta del caudal de gas incluso cuando se cambian las fuentes. Además, si los diseñadores y gestores de sistemas tienen la formación adecuada sobre las características de los componentes, estarán preparados para incorporar componentes que requieran un mantenimiento fuera de línea menos frecuente.

Uno de los componentes que contribuyen a un funcionamiento ininterrumpido es un sistema de cambio, especialmente un cambio automático. Un cambio automático es un panel de entrada especializado que permite conectar dos fuentes de gas a un sistema de distribución de manera que, cuando una botella agota su contenido, la otra se conecta inmediatamente para ofrecer continuidad de servicio. Un cambio automático realiza esta sustitución de fuentes sin necesidad de intervención manual.

Si se consulta a profesionales especializados en el diseño y operación de sistemas de distribución de gas, se puede obtener una imagen clara de los problemas que afectan al tiempo de funcionamiento. Trabajar con especialistas experimentados y bien formados para identificar y clasificar los componentes según su contribución al tiempo de funcionamiento permite a los diseñadores centrarse mejor en las características que reducen la necesidad de un mantenimiento frecuente.

Reducción de Costes

Lo más importante es que un GDS bien diseñado puede reducir los costes operativos. Como se ha señalado anteriormente, la selección de componentes de alta fiabilidad y de los materiales adecuados para las aplicaciones, puede reducir en gran medida la frecuencia del mantenimiento rutinario y de la inspección, así como la probable necesidad de un mantenimiento no planificado. Además, instalar una filtración adecuada junto con controles de presión precisos puede ayudar a asegurar que el rendimiento de las aplicaciones no se vea afectado por la contaminación o la variación de las especificaciones del proceso.

Una formación adecuada puede ayudar a los gestores y diseñadores de sistemas a alinear mejor sus esfuerzos con los aspectos del funcionamiento del sistema que repercuten en los costes. Entender cómo cuestiones como la filtración en línea y las ciencias de los materiales pueden afectar al rendimiento del sistema y a la calidad de la distribución puede ayudar a prevenir gastos imprevistos. Opciones de diseño como los paneles modulares con mínimas conexiones roscadas, pueden reducir los puntos potenciales de fuga que afectan al coste general. La formación en los distintos aspectos de las ciencias de los materiales relacionados con la distribución de gas también ayudará a prevenir los gastos derivados de un uso inadecuado de éstos.

Los Componentes seleccionados para su incorporación al sistema de distribución deben seleccionarse siempre prestando atención a su longevidad demostrada y y ajustándose meticulosamente a las características de rendimiento previstas y a los requisitos de los materiales. Las curvas de caudal, por ejemplo, cambian drásticamente a peor cuando se utiliza un regulador de presión con presiones de entrada para las que no está diseñado. Asimismo, algunos gases sólo deben utilizarse con componentes de composición química adecuada y que se ajusten con precisión a las temperaturas y presiones de origen previstas.

Conclusión

Cuando se trata de sistemas de distribución de gas, toda buena solución es una solución personalizada. Tanto si se diseña un nuevo GDS como si se repara un sistema heredado, hay que prestar mucha atención a la infraestructura y a los retos operativos exclusivos de la aplicación.

Comprender los matices de las distintas configuraciones y Componentes del GDS puede ayudar a las organizaciones a mejorar la seguridad, conservar los recursos, mejorar el tiempo de funcionamiento y, en última instancia, reducir los costes.

Incluso con los componentes de la más alta calidad en la mano, la demanda de caudal de cualquier aplicación determinada, junto con la interacción entre los colectores de entrada, los reguladores de presión de varios tipos y las tomas en los puntos de uso de la aplicación, requiere un conocimiento exhaustivo del funcionamiento del GDS antes de diseñar una solución que tenga un buen rendimiento y sea sostenible.

Swagelok se compromete a promover ese conocimiento no sólo dentro de nuestros propios equipos de asesores cualificados, sino también entre nuestros clientes y en toda nuestra industria.

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