Compresor Centrífugo
I. Introducción
Introducción Presión. Por definición, Presión = Fuerza / Área Las moléculas de gas en constante movimiento, cada vez que golpean las paredes crean una pequeña fuerza “F”. Al sumar todas las fuerzas que actúan en una determinada área, se puede conocer la presión
Introducción Principios y Leyes. Ley de Boyle: “A temperatura constante, la relación entre presión y volumen es constante… ”
P x V = constante Patmosf.
Patmosf. - Px
P
P1
P2
T
T1
T2
PRESION, TEMPER,
Patmosf. + Px
Introducción Definiciones. Relación de compresión, Rc: Factor importante para la selección del tipo de compresor a utilizar. Las presiones de succión y descarga en valores absolutos: (psig + 14.7) lppc
Rc = Pd / Ps Ps – Presión de succión Pd – Presión de descarga
Introducción Definiciones. Volumen, Q : Es una función que toma en consideración el flujo másico y volumen especifico del gas.
Q=mxV Q es medido a la entrada del compresor. También es referido como el volumen actual (ACFM), donde “V” viene de la relación:
Introducción Definiciones. Volumen, Vstd : En la industria el flujo es medido a condiciones a estándar, MMSCFD, o MMPCED, cuya relación viene dada:
donde, Zstd = 1.0
Pstd = 14.7psia
Tstd = 59.7 ºF
Q1 = volumen actual (ACFM) Vstd = pies cúbicos estándar por minuto
3. Compresor Centrífugo Cabezal isentrópico Parámetro utilizado en el diseño de compresores, el cual relaciona la presión de succión y descarga, temperatura de succión y factores relacionados con la composición del gas:
Introducción Tipos de compresores COMPRESORES DINAMICOS
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
AXIALES
RECIPROCANTES
CENTRIFUGOS
TORNILLO PALETAS
3. Compresor Centrífugo Que es un compresor centrífugo ? Es un equipo en el cual se incrementa la presión del gas entrante, a través de una combinación de elementos rotativos y estacionarios. La energía disponible a la salida de la caja de engranajes es utilizada en este proceso. Parte de la energía se transforma calor: incremento de temperatura del gas, carcasa y cojinetes.
3. Compresor Centrífugo Arreglos Los compresores centrífugos se sub-dividen a su vez en: Carcasa corte Horizontal. Manejan altos valores de flujo y baja relación de compresión. Gran aplicación en líneas de transmisión y procesos. Tipo Barril. Manejan valores medios/altos de flujo y alta relación de compresión. Aplicación: gas-lift, re-inyección, almacenamiento, etc.
3. Compresor Centrífugo Nomenclatura Los fabricantes identifican los modelos de compresores utilizando letras y números. Ejemplo: RC6-4B
R – Indica que es compresor Rotativo C – Diámetro de impulsores. 20-1/2 pulg. 6 – No. de impulsores primera sección 4 – No. de impulsores segunda sección B – Diseño Barril
El modelo facilita la búsqueda de información relevante.
3. Compresor Centrífugo Principios de funcionamiento difusor
descarga
impulsor presión
velocidad
succión
El gas es dirigido hacia el impulsor desde la succión mediante los estatores guías (inlet guide vanes, IGV). La rotación del impulsor imparte velocidad y presión .
3. Compresor Centrífugo Principios de funcionamiento difusor
impulsor
El difusor permite convertir parte de la velocidad del fluido a presión.
Es práctica diseñar para que 50% - 70% del incremento de presión ocurra en el impulsor y el resto en el difusor.
3. Compresor Centrífugo Principios de funcionamiento Para lograr alcanzar el incremento de presión deseado, es necesario incorporar varias secciones de impulsores y difusores o venas estatoras. Esto se logra en un compresor multi-etapas. Con el incremento de presión, el calor absorbido por el gas debe ser disipado, para continuar siendo comprimido eficientemente. El gas descargado por el compresor o sección de éste, va a un enfriador para la remoción de calor.
3. Compresor Centrífugo
Componentes
3. Compresor Centrífugo Impulsor (Impelente)
q
Elemento que imparte la energía al gas.
q
Incrementa las 2/3 partes de la presión en el compresor.
q
Aumenta apreciablemente la velocidad del gas.
q
Tres diseños: Abiertos, Semi-abiertos y Cerrados.
3. Compresor Centrífugo Rotor q
Recibe la energía mecánica a través del acople y la transfiere al gas por medio de los impulsores .
q
Apoyado en dos cojinetes radiales.
q
Contiene un plato de empuje (extremo succión) y un pistón de balance (extremo de descarga).
PLATO DE EMPUJE
PISTON DE BALANCE
3. Compresor Centrífugo Plato o collar de empuje q
Instalado directamente en el eje.
q
Trabaja en conjunto con el cojinete para transferir la carga axial del rotor hacia la fundación, vía soportes y carcasa del compresor.
q
Se debe asegurar su perpendicularidad con el eje al instalar.
q
La superficie debe ser protegida de golpes y rayaduras, particularmente en el área observada por la punta de pruebas de desplazamiento axial .
3. Compresor Centrífugo Pistón de Balance q
q
Ubicado después del último impulsor en el extremo de descarga. Se dimensiona para compensar la fuerza de empuje resultante del rotor.
Sello de Colmena
Pistón de Balance
q
Reduce la fuerza o carga en el cojinete de empuje.
q
Una serie de laberintos maquinados en la periferia, forman sello contra un anillo de material blando (babbitt) o colmena .
3. Compresor Centrífugo Sello inter-etapas (Laberinto)
q
El dispositivo de sellado más sencillo que limita la pérdida de gas, sin tener contacto con la parte rotativa .
q
Restringe el paso de gas entre etapas continuas.
q
Fabricados en materiales blandos como el aluminio, bronce, termoplásticos, etc.
3. Compresor Centrífugo Sello inter-etapas (Laberinto) q
Consiste en una serie de láminas circunferenciales (bordes de navaja) en forma de cascada, alojado en el diafragma.
BAJA PRESION
ALTA PRESION
q
Cada lámina actúa como un orificio de restricción.
q
Alta vibración y contaminantes (sólidos/químicos) son los mayores contribuyentes al deterioro y desgaste.
Holguras típicas 0.010 y 0.017 pulg. según ubicación
3. Compresor Centrífugo Sellos de anillos (aceite)
IMPULSORES + DIAFRAGMAS
q
Evitan la salida del gas a la atmósfera y contacto con el lubricante.
3. Compresor Centrífugo Sellos de anillos (aceite) ACEITE
DRENAJE
q
Los dos anillos cilíndricos tienen libertad para movimiento radial (flotantes).
q
Los anillos son fabricados en acero y cubierto en “babbitt” en la cara vecina al eje.
q
Las fugas son limitadas por la resistencia al flujo debido a la reducida holgura.
Holguras diametral típicas 0.0035(int.) y 0.0045(ext.) pulg.
3. Compresor Centrífugo Sellos de anillos (aceite) ACEITE
DRENAJE
q
Aceite es suministrado a la cavidad entre los dos anillos, a una presión de 4-7 psig por encima del gas de referencia.
q
Aprox. 1/3 del aceite pasa a través del anillo interno, mientras que el resto lo hace a través del externo.
q
Un tanque elevado permite garantizar el aceite durante paradas de emergencia.
3. Compresor Centrífugo Cojinetes radiales q
Se utilizan cojinetes de zapatas pivotantes.
q
La película hidrodinámica del lubricante transfiere la carga radial del eje hacia los cojinetes.
q
Proveen rigidez y amortiguamiento.
q
Controla la posición del eje.
Holguras diametral típicas 0.007 a 0.009 pulgadas.
3. Compresor Centrífugo Cojinete de empuje q
Es utilizado para restringir el movimiento axial del rotor.
q
Compuesto pivotantes.
de
zapatas
La película de aceite transmite la fuerza desde el disco hasta el cojinete. q El tamaño depende de la carga axial y dimensión del pistón de balance. q
Holguras axial típica 0.011 a 0.017 pulgadas.
3. Compresor Centrífugo Alabes guías de entrada (IGV) q
Elemento estacionario puede ser fijo o ajustable.
q
Provee la dirección deseada del flujo entrando al impulsor.
q
El tipo ajustable es utilizado mayormente en compresores de una sola etapa.
q
que
Alabe Guía
Inclinación afecta la característica incluyendo la línea de “oleaje”.
del
compresor,
3. Compresor Centrífugo DIAFRAGMA
Diafragma q
Componente estacionario y se convierte en la pared divisoria entre las etapas.
q
Controla la dirección velocidad del gas.
q
Incorpora el difusor y canal que dirige el gas hacia la succión del siguiente impulsor.
y
3. Compresor Centrífugo Barril q
Conformado por estacionarias.
el
conjunto
de
rotor
y
partes
q
Utiliza “O-Rings” en el diámetro externo para evitar la recirculación del gas entre las secciones o etapas.
3. Compresor Centrífugo Barril (Back-to-Back)
3. Compresor Centrífugo Barril (Back-to-Back) Succión 1a secc.
Cojinete radial
Sellos de aceite
Descarga 1a secc.
Succión Descarga 2a secc.
Sello laberinto “Division Wall”
2a secc.
Sellos de aceite
Cojinete radial
Cojinete de empuje
3. Compresor Centrífugo Carcasa q
Partida en forma vertical.
q
Fabricada en acero forjado o vaciado.
q
Contiene toda la presión y aloja al rotor junto al resto de las partes estacionarias.
q
Incluye también las conexiones de succión y descarga.
3. Compresor Centrífugo
Instrumentación Asociada
3. Compresor Centrífugo Parámetros de interés ± Flujo ± Presión succión / descarga ± Temperatura succión y descarga ± Presión de lubricante ± Vibraciones ± Desplazamiento axial ± Temperatura de cojinetes
3. Compresor Centrífugo Flujo, Q vIndicación del volumen total de gas procesado por unidad de tiempo. vUnidad de medición “Millones de pies cúbicos estándar día” (MMSCFD) vMediciones realizadas antes de la succión del compresor y en ocasiones en la descarga general de la planta.
3. Compresor Centrífugo Presión de succión y descarga Ps
Pd
vParámetros medidos a la entrada y salida de cada compresor. vEl control de la presión de succión es importante para asegurar la operación dentro del diseño. vSu variación repercute en el flujo que maneja el compresor. vRangos operacionales están asociados exclusivamente al diseño particular.
3. Compresor Centrífugo Temperatura de succión y descarga Ts
Td
vParámetros medidos a la entrada y salida de cada compresor. vLa temperatura de descarga depende de la relación de compresión, temperatura de succión y condiciones mecánicas del compresor. vLa temperatura de succión varía de acuerdo a las condiciones atmosféricas y efectividad del intercambiador. Valores típicos de diseño Ts (125 ºF) y Td (250-300 ºF)
3. Compresor Centrífugo Temperatura de succión y descarga Ts
Td
vAltas temperaturas de descarga afectan la vida de los sellos de elastómeros utilizados entre barril y carcasa, al igual que en la tapa o cabezote. Resultado: 1. Recirculación interna con la consecuente pérdida de capacidad y eficiencia. 2. Fuga de gas al ambiente.
3. Compresor Centrífugo Temperatura de cojinetes vLos cojinetes radiales y de empuje incorporan RTD en algunas de las zapatas.
TEMPERATURA
vPermite conocer condición del metal y ofrece protección en caso de exceso de carga, holguras cerradas, lubricación inadecuada. TEMPERATURA
Después de 270 º F el “babbitt” comienza a deformarse
3. Compresor Centrífugo Presión de lubricante vValor típico necesario para caudal de aceite lubricado y vida componentes.
20-25 psig, garantizar el a cada punto esperada de
vAfectado por pérdidas (fugas), operación incorrecta válvula control de presión/seguridad, condiciones de la bomba, etc. No modificar o remover placas de orificio del sistema
3. Compresor Centrífugo Vibraciones vSe utilizan elementos o puntas de prueba, para medir el desplazamiento (vibración) radial del rotor. vLecturas falsas pueden resultar de: calibración incorrecta del “gap”, elementos del sistema incompatibles e irregularidades superficie del eje. Rango normal vibración radial hasta 2.0 “mils”
PUNTA VIBRACION
3. Compresor Centrífugo Desplazamiento axial vNormalmente se instalan puntas de pruebas.
2
vIncongruencias entre recorrido axial real y medido son la mayor fuente de error y paros innecesarios. Alto valor de “run-out” también afecta funcionamiento. DESP. AXIAL
Superficie del plato debe estar libre de defectos
3. Compresor Centrífugo Desplazamiento axial Ps
Pd
Es usual pensar que el rotor se desplazará en sentido de mayor a menor presión. El sentido depende del diseño del rotor, criterio del fabricante y condiciones operacionales entre otros. Desplazamiento “NORMAL”
3. Compresor Centrífugo Desplazamiento axial PLATO DE EMPUJE
LADO EXTERNO
LADO INTERNO
SUCCION
PISTON DE BALANCE
DESCARGA
vUn pistón de balance sobre dimensionado hace que el rotor se desplace inicialmente hacia el lado interno del cojinete de empuje.
3. Compresor Centrífugo Por que ocurre desplazamiento ? PRESION DESCARGA
DI
DI = diámetro externo impulsor DO = diámetro ojo impulsor
DO
DE = diámetro eje
PRESION SUCCION
DE FUERZA EMPUJE = PRESION x AREA CARA LADO DESCARGA CARA LADO SUCCION SUCCION RESULTANTE
3. Compresor Centrífugo Efecto del pistón de balance PRESION DESCARGA
DP = diámetro pistón DP DE
DE = diámetro eje
PRESION SUCCION
FUERZA EMPUJE = PRESION x AREA
FUERZA EN IMPULSORES FUERZA PISTON RESULTANTE
3. Compresor Centrífugo Especificaciones q
La selección de un compresor y sus componentes obedece a las condiciones de presiones de operación y flujo requerido.
q
La temperatura de succión y composición del gas afectan la capacidad de compresión.
q
Cada arreglo tiene un rango específico o mapa dentro del cual puede ser operado.
q
Es posible “modificar” el diseño para adaptar al compresor a nuevas condiciones.
3. Compresor Centrífugo Especificaciones Parámetros considerados en el diseño: q
Pres. succión, PSIA
q
Pres. descarga, PSIA
q
Temp. succión, º R
q
Peso molecular, MW
q
Velocidad, RPM
q
Factor compresibilidad, Z
q
Exponente isentrópico, k
3. Compresor Centrífugo Mapa de operación Puede ser términos de:
presentado
en
Cabezal Isentrópico vs. Flujo q Relación de comp. vs. Flujo q
q
Potencia vs. Flujo
En el diseño y selección se acostumbra a expresar el flujo en ACFM.
3. Compresor Centrífugo
Casos de Fallas
3. Compresor Centrífugo Falla de impulsor v Después servicio.
de
dos
años
v Antecedido por vibración ruido últimos minutos.
en y
v Paro por vibración. v Paredes de impulsor se separaron rozando diafragma. v Compresor expuesto a oscilaciones pronunciadas de presión de succión. v Acabado del soldadura de alabe no adecuado.
3. Compresor Centrífugo Oscilación de la presión de succión. El diseño de los compresores y la selección de sus elementos externos prevé un suministro estable del flujo de gas. Una operación continua con oscilaciones pronunciadas en la presión de succión, establece condición de fuerzas adicionales alternantes. Algunos elementos rotativos pueden experimentar esfuerzos límites y conllevar a la falla por “fatíga”.
3. Compresor Centrífugo Alta temperatura de cojinete de empuje v Después de la puesta en marcha, cojinete de compresor comenzó a experimentar incremento de temperatura. v Luego de paros repetitivos se inspeccionó encontrando depósitos en superficie y deformación del “babbitt”. v Pistón de balance bajo dimensionado. v Aditivo en lubricante temperatura.
se
descompone
ante
alta
3. Compresor Centrífugo Alta temperatura de cojinete de empuje (2)
SEPARADOR DE VAPORES
CHIMENEA
VENTEOS DE VAPORES DE ACEITE
TP
CB
CE
CA
DRENAJES DE ACEITE TANQUE DE ACEITE DE SELLO LUBRICANTE
3. Compresor Centrífugo
VENTEO
GOTAS DE AGUA
CHIMENEA DE TURBINA DE POTENCIA
GASES DE ESCAPE VAPORES DE ACEITE TANQUE DE ACEITE LUBRICANTE AGUA LIBRE
3. Compresor Centrífugo Alta temperatura de cojinete de empuje (2) VENTEOS HACIA LA CHIMENEA SEPARADOR VAPOR-LIQUIDO VENTEOS DEL TREN DE COMPRESION
ACEITE + GAS DEL SIST. DE SELLOS DE COMPRESORES VAPORES DE ACEITE
AGUA LIBRE
TANQUE DESGASIFICADOR
3. Compresor Centrífugo Alta temperatura de cojinete de empuje (2) v Cojinete de turbina de potencia presentaba paros repetitivos. v Inspección al remover reveló descomposición del aceite. Análisis del lubricante mostró alto contenido de agua. v Vapores de agua en escape condensando en línea de venteo de vapores.
3. Compresor Centrífugo Alta vibración compresor v Después de varios años en servicio, se presentan paros repetitivos por vibración. v Análisis indica compresor entra en resonancia. v Daños todos los sellos laberintos, más pronunciados en el centro. v Inspección demostró desgaste en diámetro interno de carcasa.
