Selección Óptima de Características de Flujo en Válvulas de Control (Oil & Gas)

La correcta selección de la característica de flujo de una válvula de control tipo globo con actuador neumático es fundamental para lograr un control preciso y estable en la industria de Oil & Gas, tanto en aplicaciones upstream (producción, separación, estranguladores de pozo) como downstream (refinación, hornos, intercambiadores). En esta clase maestra, dirigida a ingenieros de instrumentación con poca experiencia, exploraremos en detalle los criterios técnicos para elegir entre características lineal, igual porcentaje y rápida apertura, considerando distintos tipos de válvulas globo, condiciones de proceso y variables controladas.

Se presentarán fundamentos teóricos, ejemplos prácticos, tablas comparativas, curvas reales de fabricantes y una lista de verificación final, con el objetivo de brindar un criterio estratégico de decisión que asegure una correcta especificación de válvulas desde la etapa de ingeniería de detalle.

1. Conceptos Fundamentales de las Características de Flujo

Una característica de flujo describe cómo varía el caudal a través de la válvula en función de la apertura (posición del vástago o porcentaje de carrera), bajo condiciones de presión diferencial constante. Esta relación inherente entre apertura y caudal define el comportamiento intrínseco de la válvula sin considerar los efectos del sistema. Existen tres tipos principales de curvas características inherentes en las válvulas de control tipo globo.

Lineal: El caudal varía linealmente con la apertura; incrementos iguales de apertura producen incrementos iguales de caudal (ganancia de válvula constante) Por ejemplo, al 50% de apertura se obtiene ~50% del caudal máximo (bajo ΔP constante). Es intuitiva y facilita la calibración, ya que la sensibilidad permanece constante en todo el recorrido de la válvula.
Igual porcentaje (Isoporcentual): El caudal varía de forma exponencial con la apertura; cada incremento porcentual de carrera produce un cambio porcentual equivalente en el caudal existente. Esto significa que la válvula es menos sensible (entrega caudales muy pequeños) cerca del cierre y mucho más sensible cerca de la apertura total. La relación apertura-caudal sigue aproximadamente una función logarítmica. Por ejemplo, pasar de 10% a 20% de apertura podría duplicar el caudal, y de 20% a 30% duplicarlo nuevamente, etc., dando una curva muy “suave” al inicio y más pronunciada al final.
Rápida apertura: También llamada de apertura rápida o quick opening, proporciona grandes aumentos de caudal con pequeños movimientos iniciales de la válvula. En los primeros % de apertura alcanza casi el caudal máximo, aplanándose luego la curva. Esto implica una ganancia muy alta al comienzo (muy sensible cerca del asiento) y luego prácticamente actúa como una válvula totalmente abierta.

Curvas inherentes típicas de flujo para una válvula de control (ΔP constante) mostrando las tres características básicas: Rápida apertura, Lineal e Igual porcentaje. La curva lineal (diagonal) indica caudal proporcional a la apertura; la isoporcentual (Equal %) muestra baja pendiente al inicio y mayor al final; la de apertura rápida (Quick open) muestra alta pendiente inicial y saturación temprana

Inherente vs. instalada: Las curvas anteriores son características inherentes (teóricas), medidas con presión diferencial constante a través de la válvula. En la práctica, al instalar la válvula en un sistema, la presión disponible en la válvula varía con el caudal (por la resistencia de tuberías, equipos y bombas). La relación real caudal vs. apertura con ΔP variable se denomina característica efectiva o instalada, y difiere de la inherente En servicio, una válvula de característica lineal tiende a comportarse como rápida apertura, y una válvula isoporcentual tiende a comportarse más cerca de lineal, especialmente cuando la válvula impone una fracción pequeña de la caída de presión total del sistema (Este efecto se detalla en la siguiente grafica con curvas ilustrativas).

2. Comportamiento de la Característica de Flujo bajo Distintas Condiciones de Operación

En condiciones reales, la curva instalada de la válvula (relación apertura-caudal en el sistema) puede desviarse de la inherente debido a fenómenos del fluido y del circuito. Los principales factores a considerar son:

Fracción de caída de presión (Autoridad de válvula): Es crucial cuánto porcentaje de la caída de presión total del sistema ocurre en la válvula. Si la válvula fue dimensionada para tomar una parte pequeña de la ΔP total (autoridad baja), entonces al aumentar el caudal la mayor parte de la presión se consume en tuberías/equipos y la ΔP en la válvula disminuye significativamente. Esto causa que una válvula lineal inherente se vuelva más sensible de lo previsto (la curva instalada se inclina hacia rápida apertura, entregando mucho caudal con poca apertura) Del mismo modo, una válvula igual % inherente bajo autoridad baja terminará dando una curva instalada más lineal de lo esperado. En cambio, si la válvula absorbe una fracción alta de la ΔP (autoridad alta, >50%), su comportamiento instalado será muy cercano a la característica inherente original. Este concepto se analizara cuantitativamente mas adelante, pero es importante adelantar que autoridades bajas deterioran la “forma” de la curva efectiva y pueden comprometer el control.

Cavitación: Ocurre en líquidos cuando la presión interna cae por debajo de la presión de vapor, formándose burbujas que luego implosionan al recuperar presión. La cavitación tiende a presentarse a aperturas intermedias donde la vena contracta produce una gran caída local. Impacto en la característica: una vez que se establece cavitación intensa, aumentos adicionales de apertura no logran incrementos proporcionales de caudal (el flujo se “estrangula” por el choking y la recuperación). En la práctica, la curva instalada puede aplanarse o presentar una pendiente menor de la esperada en el tramo donde ocurre cavitación, limitando la capacidad de control. Además, la cavitación produce daños erosivos en el asiento y obturador, pudiendo alterar con el tiempo la coeficiente de flujo (Cv) de la válvula. Para mitigar estos efectos, se emplean trims anti-cavitación (multi-etapa de presión) que cambian la característica inherente a una sucesión de caídas menores evitando alcanzar la presión de vapor. Estos trims suelen presentar inherentes del tipo igual % o parabólica modificada, pero más importante, mantienen la integridad de la válvula en servicios severos.

Flashing: Similar a la cavitación, pero en este caso el líquido vaporiza y permanece en fase gaseosa aguas abajo (no colapsa). Ocurre cuando la presión de salida de la válvula es menor que la presión de vapor del líquido, por lo que el flujo se vuelve bifásico. Esto también limita el caudal (flujo chocado) y reduce la densidad aparente del fluido en la válvula. La característica efectiva suele mostrar un techo de caudal a cierta apertura (una válvula totalmente abierta no aumenta el flujo más allá del punto de choking). Además, el flujo bifásico puede alterar la dinámica de control (retardos y oscilaciones) y causar erosión. Las válvulas en flashing a menudo se diseñan con cuerpos en ángulo para dirigir la mezcla hacia abajo y con materiales resistentes. La selección de característica de flujo en presencia de flashing normalmente busca rango amplio (igual %) para manejar desde condiciones de poco vapor hasta mucho vapor sin perder control.

Liquidos viscosos (flujo laminar): La ecuación de caudal estándar Q = Cv * sqrt(ΔP/SG) asume flujo turbulento plenamente desarrollado. Con fluidos de viscosidad elevada o a bajo Reynolds, el flujo puede transicionar a régimen laminar dentro de la válvula. En tal caso, el caudal es aproximadamente proporcional a ΔP (no a la raíz cuadrada), y el valor efectivo de Cv varía con la apertura de modo distinto. En válvulas pequeñas con fluidos muy viscosos, la curva real tiende a ser más lineal o incluso sub-lineal respecto a la apertura. Es decir, al inicio hace falta mayor apertura que la esperada para lograr cierto caudal (debido a pérdidas viscosas), y la válvula puede entregar menos caudal del calculado a aperturas bajas. La recomendación es aplicar factores de corrección por viscosidad en el cálculo de Cv y considerar válvulas de mayor tamaño si es necesario. En términos de característica, un fluido muy viscoso suaviza la respuesta de la válvula (reduce la pendiente inicial), lo cual curiosamente se asemeja a hacer la válvula más “igual porcentual” en la práctica. No obstante, se debe evaluar caso a caso; en general la mayoría de servicios de Oil & Gas (hidrocarburos livianos, agua, gas) operan en régimen turbulento y no afectan la característica, pero servicios con crudos pesados, polímeros o aceites muy viscosos sí ameritan un estudio especial.

Compressibilidad (gases): En fluidos gaseosos, a altos ΔP, es común alcanzar flujo sónico (choked flow) en la válvula. Al igual que con flashing, esto impone un límite al caudal máximo (independiente de seguir abriendo la válvula) y la curva instalada puede truncarse. Además, los gases comprimibles tienen un proceso no lineal: pequeños cambios de apertura a bajo flujo pueden generar variaciones rápidas de presión. Por ello, para gases con grandes variaciones de caudal se prefiere característica igual porcentaje, que ofrece mayor control en bajas aperturas. También hay que tomar en cuenta que en gases la temperatura y densidad varían con la expansión; esto no cambia la forma de la característica inherente pero sí la conversión a unidades de proceso (por ejemplo, en control de flujo másico de gas, la respuesta puede ser no lineal si no se compensan condiciones). En la sección 9 veremos ejemplos de control de presión de gas en separadores y trenes de reducción, donde estos efectos son relevantes.

3. Aplicaciones Recomendadas según la Variable de Proceso (Presión, Flujo, Nivel, Temperatura)

Cada tipo de variable de proceso impone diferentes requisitos sobre la válvula de control. A continuación se presentan las características de flujo típicamente recomendadas para lograr el mejor desempeño en lazo cerrado, asumiendo una selección de tamaño adecuada:

Control de Presión: Suele recomendarse característica igual porcentaje para la mayoría de aplicaciones de presiónes. Las válvulas de presión (por ejemplo, control de presión de cabecera de separador, control de presión de suministro de gas) experimentan grandes variaciones de caudal entre la condición de carga baja y alta. La característica isoporcentual proporciona un gran turndown: permite un control fino cuando el caudal es bajo (la válvula cerca de cerrada tiene poca ganancia, evitando sobrecorrección) y suficiente capacidad cuando se requiere aliviar alta presión con mucho caudal. Por otro lado, en algunos sistemas de presión muy lentos o amortiguados (por ejemplo, presión de gas en un tanque enorme, con válvula en derivación de flujo constante), la ganancia del proceso es aproximadamente constante, y en esos casos podría usarse lineal sin problemas. Sin embargo, en la práctica Oil & Gas, la mayoría de controles de presión son rápidos (volúmenes pequeños o moderados) y/o con ΔP variable, por lo que igual porcentaje es la elección segura. De hecho, un lineal inherente tendería a volverse demasiado sensible a presiones bajas una vez instalado, pudiendo oscilar. Un lineamiento común es: procesos rápidos de presión -> igual %; procesos lentos de presión con ΔP constante -> lineal. Por ejemplo:

En un separador de producción, la válvula de control de presión de gas (en la salida hacia el flare o compresor) típicamente usa característica igual % para manejar desde pequeñas ventilaciones hasta soplos grandes manteniendo la presión constante.
En una válvula reductora de presión (p. ej. estación de válvulas en serie para pasar de alta a baja presión), también se emplean trims igual % para repartir el drop y tener control estable en amplio rango.

Excepción: Si se tuviera un controlador de presión sobre un volumen enorme (p.ej. gas blanket en un esférico de almacenamiento) con una válvula que siempre ve ΔP casi constante, un trim lineal podría funcionar bien. Aun así, la experiencia indica usar igual % “por si acaso” ante posibles variaciones.

Control de Flujo: La variable de flujo es directamente la señal de caudal medida (ej. en kg/h o barriles/día) que se mantiene en consigna. Un transmisor de flujo (caudalímetro) suele entregar una señal lineal con el caudal (especialmente si es másico o si el transmisor realiza la extracción de raíz cuadrada para caudal volumétrico por DP). En tales casos, el proceso es inherentemente lineal, por lo que conviene que la válvula también aporte linealidad. Se recomienda usualmente característica lineal para lazos de control de flujo ya que la ganancia del proceso no cambia con la carga (flujo es directamente manipulado por la válvula). Esto facilita la sintonización y mantiene la dinámica consistente en todo el rango. Por ejemplo:
- Válvula de control de caudal de gas de inyección (gas lift): un trim lineal dará una respuesta proporcional del flujo de inyección conforme el controlador actúa, simplificando el control.
- Control de caudal de alimentación de crudo a una unidad (con caudalímetro): lineal es apropiado, pues 20% de apertura dará ~20% de caudal, etc., y el PI del lazo ve una planta de ganancia constante.
Nota: Hay un caso particular: si el transmisor de flujo es de ΔP sin linealizar (es decir, transmite proporcional a la raíz cuadrada del caudal), el lazo de control tendrá una no linealidad inversa. En tal situación, algunos ingenieros optan por usar válvula igual % para compensar y lograr una respuesta combinada más lineal. También, si el control de flujo es en derivación (bypass) en lugar de en línea, la elección puede variar. Pero en sistemas modernos con instrumentación inteligente, normalmente el transmisor ya linealiza, por lo que la válvula lineal es la elección por defecto para flujo. La única excepción para usar igual % en flujo sería si se espera que la ΔP en la válvula de flujo varíe enormemente con las condiciones (lo cual es raro en un lazo de flujo, porque el controlador de flujo ajusta la válvula para mantener el caudal – la variación de caída de presión es consecuencia más que causa). En resumen: Flujo -> Lineal en la mayoría de los casos.

Control de Nivel: El nivel de líquido en un tanque o separador es un proceso integrador (no autorregulado): el flujo de salida a través de la válvula afecta la tasa de cambio de nivel. Aquí el comportamiento depende de la hidráulica del sistema de salida. Si la válvula descarga a un entorno de presión constante (por ejemplo, nivel de separador controlando líquido hacia un tanque a presión fija mediante una válvula), la caída de presión en la válvula puede variar con el nivel de líquido y con el flujo. No obstante, en muchos casos de control de nivel, la válvula ve relativamente constante ΔP (por ejemplo, una bomba aguas abajo mantiene condiciones, o un desnivel fijo). Cuando la ΔP de válvula se mantiene aproximadamente constante, se prefiere característica lineal, ya que la dinámica nivel-caudal será lineal y predecibles. Por otro lado, si el sistema de descarga es tal que la ΔP en la válvula cambia mucho entre nivel alto y bajo (e.g. descarga por gravedad a atmósfera, donde a mayor nivel, mayor presión disponible), entonces puede convenir igual porcentaje para mejorar el control en nivel bajos. En la práctica, muchos controles de nivel en separadores usan válvulas globo con trim lineal porque: (a) la válvula generalmente toma buena parte de la caída (autoridad moderada), (b) se busca respuesta uniforme para evitar excesos de corrección del controlador integral. Por ejemplo:

Separador trifásico primario (upstream): la válvula de control de nivel de líquido (agua o crudo) suele ser lineal. Esto porque la producción puede variar, pero queremos que un cambio de 5% de apertura signifique similar cambio de caudal de extracción en cualquier punto, facilitando la sintonización del control de nivel (que de por sí es integrativo). Además, la caída en la válvula a flujo normal se suele diseñar ~50% de la disponible, lo que asegura una autoridad decente y la curva instalada permanece cercana a lineal.
Columnas de destilación (downstream): la válvula de nivel de fondo (bottoms level) a menudo es lineal, ya que el nivel es crítico estabilizarlo y la válvula descarga a una etapa subsiguiente con presión aproximadamente fija. Una linealidad facilita evitar sobrecontrol.
Consideración: Si el rango de caudales de salida es muy amplio (por variaciones de carga de planta), se puede usar igual % para garantizar fineza de control en cargas bajas. Una guía práctica: si la máxima caída de presión en la válvula (nivel bajo, poco flujo) es <20% de la mínima (nivel alto, mucho flujo), usar igual %; si no, lineal. En algunos casos extremos, si la válvula casi cierra por completo al mínimo flujo, podría incluso considerarse trim de apertura rápida (caso raro) para poder descargar rápidamente grandes acumulaciones de líquido si el nivel sube mucho pero normalmente esto se maneja con estrategias de control (diferencial alto-nivel abre válvula rápido, etc.).

Control de Temperatura: Los lazos de temperatura (por ejemplo, control de salida de un calentador, control de reactor, control de intercambiador) típicamente involucran un dinamismo donde la ganancia del proceso varía con la carga térmica. En calentamiento/enfriamiento, a bajos flujos térmicos el proceso suele ser más sensible (poca transferencia produce cambios grandes de temperatura) y a altos flujos la respuesta marginal se reduce (la diferencia de temperatura disponible se achica). Para compensar esto, clásicamente se especifica característica igual porcentaje en las válvulas de control de temperatura. Una válvula isoporcentual entregará menos caudal en las aperturas iniciales, permitiendo ajustes finos cuando la demanda de calor/frío es baja (evitando sobrecalentamientos o sobreenfriamientos), y a cargas altas proporciona mucho más caudal conforme se abre (coincidiendo con la menor sensibilidad del proceso a esas cargas). Ejemplos:

Horno/Freedom gas fuel control (downstream): la válvula de combustible de un horno en refinería a menudo usa característica igual % para poder regular desde llama piloto (muy baja apertura con finura) hasta fuego máximo. El rango de potencia térmica es amplio, y la válvula debe dosificar adecuadamente en todo ese rango – el trim igual % ofrece ese amplio rango controlable (rangeabilidad). Un trim lineal aquí podría dar demasiado gas a baja apertura, dificultando mantener bajas temperaturas sin apagar el horno.
Válvula de vapor a intercambiador (control de temperatura de proceso): también igual %. A bajos requerimientos de calentamiento, la válvula se posiciona cerca del cierre pero con buen control (cada % de apertura incrementa ligeramente el vapor). A altos requerimientos, la válvula abre mucho más y el flujo de vapor sube exponencialmente, lo cual está bien porque la transferencia de calor adicional por kg de vapor en ese régimen es menor (el proceso es menos eficiente a mayor carga, así que se compensa).

Nota: No todos los lazos de temperatura necesitan isoporcentual – si el sistema de control tiene casacada de flujo (muy común, e.g. temperatura maestro con lazo secundario de flujo de vapor), la válvula en sí podría ser lineal en el lazo de flujo y aun así el lazo de temperatura funciona. Pero en sistemas simples, o para válvulas de mezcla 3 vías, la igual % suele dar mejor resultado por la no linealidad inherente de la transferencia de calor.