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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES COMPRESORES

FECHA

FEB. 08

OBJETO

Emisión Original

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ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

KS/AA

ABA

ABA/GDP

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES COMPRESORES Índice Página

1. INTRODUCCIÓN ........................ .................................................. .................................................... .................................................. ........................ 4 2. OBJETIVOS ......................... ................................................... .................................................... .................................................... .............................. .... 4 3. EXCEPCIONES ........................ .................................................. .................................................... .................................................... .......................... 4 4. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................. ................................................................... .................. 4 5. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA. INELECTRA ................................................ 5 6. ACRÓNIMOS Y SIGLAS ..................................................... .............................................................................. ................................... ......... 5 7. DEFINICIONES GENERALES ........................ ................................................. .................................................. .............................. ..... 5 8. MEMORIA DE CÁLCULO .......................... ................................................... ................................................... .................................. ........ 11 9. LECCIONES APRENDIDAS ........................... .................................................... .................................................. ............................. .... 11 10. TIPOS DE COMPRESORES ........................ ................................................. .................................................. ............................... ...... 12 10.1. Métodos de Compresión ........................ .................................................. ................................................... ..................................... ............ 12 10.1.1. Compresores de Flujo Intermitente....................................................................... ....................................................................... 13 10.1.2. Compresores de Flujo Continuo ........................ .................................................. ................................................... ......................... 17 11. EFICIENCIAS .......................... ..................................................... ....................................................... .................................................. ...................... 20 11.1. Eficiencia Isentrópica .......................... .................................................... ................................................... ........................................ ............... 20 11.2. Eficiencia Politrópica............................ ....................................................... ...................................................... ...................................... ........... 22 12. SELECCIÓN DEL COMPRESOR......................................................................... ......................................................................... 24 12.1. Datos Mínimos Requeridos ........................... ..................................................... .................................................... ............................. ... 24 12.2. Selección Preliminar ........................... ..................................................... ................................................... ........................................ ............... 26 12.3. Determinación del Número de Etapas .................................................................. .................................................................. 26 13. ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES .................................................... .. .................................................. 30 13.1. Formato de Hoja de Datos de Compresores ........................................................ .. ...................................................... 30 13.2. Elaboración de la Hoja de Datos ........................ .. ............................................... .................................................. ......................... 30 13.3. Datos Generales (General Data) ......................... .................................................... ................................................. ...................... 31 13.4. Condiciones de Operación (Operating Conditions )............................................... )............................................... 32 13.5. Datos del Sitio ( Site Data) ........................... ...................................................... ...................................................... .............................. ... 35 13.6. Válvula de Alivio ( Relief Valve ) ............................. ........................................................ ................................................ ..................... 36 13.7. Servicios Industriales Disponibles ( Available Available Utilities Utilities ) .......................................... .......................................... 36 13.8. Esquema de Procesos (Process Scheme ) ........................................................... ........................................................... 36 13.9. Notas (Notes) ......................... .................................................... ...................................................... ................................................... ........................ 37 13.10. Sistemas de Control ........................ ................................................. .................................................. ............................................ ................... 37 13.10.1. Compresores Centrífugos Centr ífugos ........................... .................................................... .................................................. ............................. .... 37 13.10.2. Sistema Anti-Ondeo para Compresores Compr esores Centrífugos ........................................ ........................................ 40 13.10.3. Compresores de Desplazamiento Positivo........................................................ ........................................................ 42 13.11. Paquete de Compresión ........................ .................................................. ................................................... ..................................... ............ 46 14. LÍMITE DEL TAMAÑO DE LAS GOTAS ............................................................... .. ............................................................. 46 903-HM120903-HM120-P09-G P09-GUD-03 UD-031.DOC 1.DOCX/02/ X/02/02/20 02/2008/AA 08/AA/sp /sp

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15. 16.


CONSIDERACIONES ADICIONALES PARA LA ESPECIFICACIÓN .................. .. ................ 46 REFERENCIAS ............................ ....................................................... ...................................................... ............................................. .................. 47 ANEXO 1 – FORMATO DE HOJA DE DATOS DE PROCESOS PROCESOS PARA LOS COMPRESORES ......................... .................................................. .................................................. ............................................... ...................... 49


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1.


INTRODUCCIÓN La Disciplina de Procesos elabora especificaciones primarias de los compresores. La especificación final es elaborada por la Disciplina de Ing. Mecánica, y de ser requerido, con el apoyo de las Disciplinas de Ing. Eléctrica, Automatización y Control, etc. Las especificaciones del Cliente tienen prioridad sobre los criterios indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Importante Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí.

2.

OBJETIVOS Los principales objetivos de este INEDON son:

3.

•

Unificar la metodología para la especificación de los compresores.

•

Suministrar los principios y las prácticas que normalmente se emplean en la industria química, petroquímica y petrolera para los compresores.

EXCEPCIONES La teoría detallada sobre la compresión y los compresores no es alcance de este INEDON. El personal de Procesos es exhortado a consultar la literatura especializada sobre el tema.

4.

PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA Procedimientos para la gestión de la calidad relacionados con este INEDON: 903-P3000-A20-ADM-917 903-P3100-P09-ADM-901 903-P3100-P09-ADM-906 903-P9010-G09-ADM-914


Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas Bases de Diseño Diseño y Especificación de Equipos Elaboración y Actualización de Instrucciones de Trabajo

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5.

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INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: 903-P3100-P09-GUD-013 903-P3100-P09-GUD-052 903-P3100-P09-GUD-054 903-P3100-P09-GUD-069 i

6.

Los Procedimientos y las Instrucciones de Trabajo están relacionadas con este INEDON de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene información adicional para el usuario; pero no es citado en este documento.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS API DFP DTI GPSA HdD INEDON IPC

7.

Bases y Criterios de Diseño Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo Guía para la Selección de los Materiales de Construcción Guía para los Cálculos de Pérdida de Presión

American Petroleum Institute

Diagrama de Flujo de Procesos Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación Gas Processors Suppliers Association

Hoja de Datos Inelectra Documento Normalizado Ingeniería, Procura y Construcción

DEFINICIONES GENERALES Bases de Diseño (Basis of Design ) Vea el INEDON “Bases de Diseño”, No. 903-P3100-P09-ADM-901. Comprador (Purchaser ) La persona u organización que emite la orden y especificación al vendedor [2]. En el caso de inelectra, el comprador puede ser el Cliente del Proyecto, inelectra propiamente, al ejecutar un Proyecto IPC o inelectra , en representación del Cliente del Proyecto, dependiendo de la modalidad de contratación.

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Compresor (Compressor ) Equipo que aumenta la presión de un fluido compresible. El nivel de presión de entrada puede ser algún valor cercano al vacío absoluto hasta presiones positivas altas. La presión de la descarga varía desde niveles atmosféricos hasta miles de unidad de presión. El tipo de compresor y su configuración están relacionados con el flujo, la presión de entrada y salida. El producto manejado puede ser cualquier fluido compresible (gas o vapor) y puede tener un rango amplio de peso molecular. Un compresor admite gas o vapor a una presión P 1 definida, descargándolo a una presión P 2 superior (vea la Figura 1). La energía necesaria para efectuar este trabajo la puede proporcionar un motor eléctrico, de combustión, una turbina accionada con vapor, etc. Corriente de salida

V 2 P 2

Trabajo

P 2

> P 1

P 1

V 1

Corriente de entrada

Figura 1. Esquema del proceso de compresión. Condición Normal de Operación (Normal Operating Condit ion ) Condición esperada de operación usual y donde se desea la eficiencia óptima. Esta condición es generalmente el punto, en el cual el fabricante certifica que el desempeño está dentro de las tolerancias establecidas en la industria [2]. Vea la Figura 2. Condiciones Actu ales ( Actual Condit io ns ) Presión y temperatura del fluido a las condiciones de operación (@ P y T ). El término aplica a variables volumétricas como el flujo y la densidad. La 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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designación “A” es de uso común en la industria, ej. ACF (Aft 3): pie cúbico actual, Am3: metro cúbico actual. i

Este INEDON usa el término de “condición actual” por ser común y para evitar confusión; aunque la traducción correcta del inglés “ actual condition ” es “condición real”.

Condiciones Estándar y Normales ( Standard & Normal Conditio ns ) Presión y temperatura base para la especificación del volumen de gas y líquido, los valores típicos son: Presión absolu ta [bar] [psi]

Condición Estándar Normal

1 atmósfera estándar

1,01325

14,6959

Temperatura [°C] [°F] 15,56

60,00

0,00

32,00

Las designaciones “S” para estándar y “N” para normal son de uso común en la industria, ej. SCF (Sft 3): pie cúbico estándar, Nm 3: metro cúbico normal. !

•

Las condiciones estándar o normales están definidas en las Bases de Diseño del Proyecto.

•

En el caso de Proyectos del área de producción de petróleo y gas o de refinación, es común expresar el flujo en condiciones estándar, pero en el caso de Proyectos de generación eléctrica, se manejan unidades expresadas en condiciones normales.

•

La especificación de un compresor es realizada con las condiciones actuales, definidas previamente en esta sección.

Diseño (Design ) Término que puede ser usado por el fabricante del equipo para describir varios parámetros como potencia de diseño, presión de diseño, temperatura de diseño o velocidad de diseño. La API STD 617 [2] indica que el término “diseño” debería ser usado solamente por el diseñador y fabricante del equipo y no en las especificaciones del comprador.

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Eficiencia Isentrópi ca ( Isentropic Efficiency ) Eficiencia que considera que el trabajo realizado en la compresión del gas es reversible, no existe ni ganancia ni perdida de calor. La eficiencia politrópica y la isentrópica representan la diferencia entre la energía teórica requerida de compresión y la actual. Eficiencia Politróp ica (Polytropic Efficiency ) Es la relación entre la potencia al freno entregada al gas y la potencia real del motor, multiplicada por 100 para expresarla en porcentaje, para los compresores cuyo funcionamiento se desvía de las condiciones isentrópicas. La eficiencia politrópica asume pérdidas de calor por la fricción durante un proceso actual de compresión. El valor real es suministrado por el fabricante. Estabilidad de Operación ( Operating Stabili ty ) Rango de operación del compresor desde el punto nominal hasta el de ondeo, a una velocidad constante y expresado como porcentaje [2]. Vea la Figura 2. Flujo Volumétrico de Entrada (Inlet Volume Flow ) Flujo expresado en unidad de volumen a las condiciones actuales de presión, temperatura, compresibilidad y composición del gas, incluyendo humedad, en la brida de entrada del equipo [2]. Vea la Figura 2. Humedad Relativa ( Relative Humidi ty ) Relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación del agua a una temperatura definida. Límite Pronosticado de Capacidad ( Predict ed Capacity Limi t ) Máxima capacidad de flujo volumétrico en un compresor centrífugo al final de la curva que define la capacidad del fabricante para predecir razonablemente el desempeño [2]. Vea la Figura 2. El límite pronosticado de capacidad también puede originar un efecto de estrangulación, también conocido como “pared de piedra ( stonewall )”, el cual no perjudica al compresor, pero limita el flujo máximo.

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Línea, Tubería, Cañería, Caño o Ducto ( Line, Pipe) Conducto, generalmente circular, para el transporte de fluidos en estado gaseoso, líquido o una mezcla de ambos. Línea de Ondeo o de Oleaje (Surge Line) Línea con los valores de flujo mínimo, a cualquier velocidad definida de un compresor centrífugo, por debajo de la cual, el compresor no puede operarse en una condición estable. Vea la Sección 13.10.2 y la Figura 2 para más información. Ondeo, Oleaje (Surge) Capacidad de flujo volumétrico, a la cual un compresor centrífugo se vuelve aerodinámicamente inestable [2]. Vea la Figura 2. Presión de Equilibrio (Settli ng Out Pressure ) Presión del sistema de compresión cuando el compresor está parado [2]. Punto Nominal del Compresor ( Compressor Rated Point ) en un Compresor Centrífugo Intersección en la curva del 100 % de velocidad correspondiente a la capacidad más alta de cualquier punto especificado de operación [2]. Vea la Figura 2. Reducción de Caudal (Turndown ) Porcentaje de cambio de la capacidad (referida a la capacidad nominal) entre la capacidad nominal y la capacidad al punto de ondeo, a la altura de compresión nominal cuando el equipo está operando a las condiciones evaluadas de temperatura de succión y composición del gas [2]. Vea la Figura 2. Relación de Compresión ( Compression Ratio ) Relación entre la presión de descarga y la presión de succión del compresor, ambas presiones son expresadas en unidades absolutas. Temperatura de Bulbo Húmedo (Wet Bulb Temperature ) Temperatura que medida con un termómetro a la sombra con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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Línea de control anti-ondeo

115,5 % = 1,10 x 105

A

n ó i s e r p m o c e d a r u t l A

110,3 % = 105 x 1,05

Condición especificada de operación

Punto de nomi nal del compresor 105 % = 100 x 1,05 Condición normal de operación

B

90% (ejemplo)

C

Condición de operación especificada

Estabilidad de operación Rango de reducción de caudal Flujo volumétrico de entrada

Figura 2. Ilustración de los términos usados en la API STD 617 [2] (adaptación). 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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Temperatura de Bulbo Seco (Dry Bulb Temperature ) Temperatura del aire medida con un termómetro expuesto libremente al aire, pero protegido de la radiación solar y de la humedad. Velocidad Crítica (Critical Velocit y ) Velocidad de rotación del eje, a la cual el sistema de soporte del rodamiento está en un estado de resonancia [2]. Vea la Figura 2. Velocidad Nominal (Rated Speed ) También conocida como velocidad del 100 %. Máxima velocidad de rotación requerida para alcanzar cualquiera de las condiciones de operación especificadas [2]. Vea la Figura 2. Velocidad Máxima Continua (Maximu m Contin uous Speed ) Velocidad más alta de rotación (revoluciones por minutos [rpm]) a la cual el equipo, construido y probado, es capaz de mantener una operación continua. Los compresores con variador de velocidad tienen un valor de 105 % por encima de la velocidad evaluada [2]. Vea la Figura 2. Unidades de Presión La Figura 3 muestra la relación entre las presiones absolutas (medidas desde el vacío perfecto, 0 atm) y las presiones manométricas (medidas desde 1 atm). 8.

MEMORIA DE CÁLCULO Si la especificación de un compresor requiere la elaboración de una memoria de cálculo, esta es realizada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo”, N° 903-P3100-P09-GUD-052.

9.

LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas están disponibles en la página de intranet de Ingeniería. El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, No. 903-P3000-A20-ADM-917, establece los pasos a

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seguir para la identificación, captura, registro en el sistema, etc. de las Lecciones Aprendidas. !

El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, No. 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente “cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantará una No Conformidad” durante una revisión técnica. Cualquier presión por encima de la atmosférica

a a c t i r l u t é o s m b o r a a n b ó n i ó s e i s r p e r o P

a c i r t é m o = r a a b t u n l ó o i s b s r a e n p ó i + s a c e r i r P t é m o n a m

Ejemplos 2 atm 29,4 psia 2,03 bara 14,7 psig 1,01 barg

Presión manométrica

Nivel de presión atmosférica (variable) Vacío

Cualquier presión por debajo de la atmosférica Presión absoluta

Presión de cero absoluto – Vacío perfecto

1 atm 14,7 psia 1,01 bara 0 psig 0 barg 0,5 atm 7,4 psia 0,51 bara −7,4 psig −0,51 barg

0 atm 0 psia 0 bara −14,7 psig −1,01 barg

Figura 3. Relación entre las presiones absolutas y manométricas (adaptado de [8]). 10.

TIPOS DE COMPRESORES

10.1.

Métodos de Compresión Los compresores tienen numerosas configuraciones y tipos, los cuales varían según la aplicación. Se pueden clasificar en dos grandes grupos basados en el modo de operación (intermitente y continuo), como lo muestra la Figura 4.

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Tipos de compresores

Flujo intermitente

Reciprocantes

Flujo continuo

Rotativos

- Efecto Simple - Doble efecto

Eyectores

- Tornillo - Anillo líquido - Lóbulos - Aletas

Dinámicos

- Centrífugos - Axiales - Mixtos

Figura 4. Tipos de compresor descritos en este INEDON. 10.1.1. Compresores de Flujo Intermitente A) Compresores Reciprocantes: En estos equipos el elemento principal de compresión es un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, lográndose así la reducción del volumen del gas y su compresión [6].

Pistón

Figura 5. Compresor reciprocante [12]. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES La Figura 6 muestra el funcionamiento de un compresor reciprocante: a) la válvula de entrada está abierta y la de salida está cerrada, esto permite la entrada del gas. b) el pistón se desplaza y reduce el volumen disponible en la cámara, lo cual comprime el gas, la válvula de salida se abre cuando se alcanza una determinada presión. Válvula de salida Válvula de entrada

Pistón

Biela

a)

b)

Figura 6. Funcionamiento de un compresor reciprocante. B) Compresores rotativos. a) Compresores de tornillo: Son máquinas de desplazamiento positivo donde los rotores helicoidales engranados entre sí y ubicados dentro de una carcasa, comprimen y desplazan el gas hacia la descarga [3]. La Figura 8 muestra el funcionamiento de un compresor de tornillo: a) el gas es succionado a la cámara interna de los rotores helicoidales. b) Mientras los rotores engranan, el gas es atrapado entre los rotores y la carcasa. c) La rotación progresiva de los rotores disminuye el espacio y comprime el gas. d) La compresión continúa hasta el punto de salida y se descarga el gas. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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Tornillo _

Figura 7. Compresor de tornillo [14].

a)

b)

c)

d)

Figura 8. Funcionamiento de un compresor de tornillo [14].

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES b) Compresores de lóbulos: Estos compresores son maquinas de desplazamiento sin válvulas de aspiración o descarga. Los rotores giran en direcciones opuestas impulsando volúmenes continuos de gas. Esto restringe su uso a sopladores y maquinas de baja relación de compresión. Usualmente operan como máquinas de una sola etapa; pero existen versiones de 2 y 3 etapas [3].

Lóbulo _

Figura 9. Compresor de lóbulo [5]. c) Compresores de anillo líquido: Son compresores exentos de aceite y sin válvulas, con relación de compresión fija. Están constituidos por un motor con álabes fijos, montados excéntricamente dentro de una cámara circular, de manera similar a los compresores de aletas deslizantes [3].

Figura 10. Compresor de anillo líquido [16]. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES d) Compresores de aletas: Son máquinas que tienen aletas dispuestas en ranuras axiales sobre un rotor montado excéntricamente dentro de una carcasa cilíndrica [3].

Aleta _

Figura 11. Compresor con aletas [7]. 10.1.2. Compresores de Flujo Continuo A) Compresores dinámicos. a) Compresores centrífugos: Equipo de varias etapas el cual utiliza un rodete o impulsor para acelerar el gas y un difusor para producir el aumento requerido de presión. Consiste esencialmente de uno o más rodetes de flujo radial montados sobre un eje que rota dentro de una carcasa. Conectando el flujo entre los rodetes existen partes fijas, pasillos difusores y álabes directores. Cada grupo de álabes directores, rodetes y difusor conforma una etapa del compresor [3].

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Rodete

Figura 12. Compresor centrífugo [9]. b) Compresores axiales: Un compresor axial está constituido por un grupo de uno o más rotores los cuales tienen álabes en un plano aerodinámico de sustentación. Estos grupos están montados entre cojinetes en la carcasa la cual incluye una aleta guía. El compresor es en esencia una unidad de múltiples etapas y el incremento requerido de presión se va produciendo en la medida que el gas se desplaza axialmente por la carcasa [3].

Figura 13. Compresor axial [9].

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Aleta _ Rodete

Figura 14. Rodete con álabes de salida radial, curvados a la entrada, del tipo semiabierto. c) Compresores Mixtos. Es una máquina dinámica que combina un impulsor con las características de los compresores centrífugos y axiales [3]. B) Compresor Eyector: El eyector es un dispositivo mecánico que utiliza la energía cinética de un fluido para movilizar otro. El principal uso se ha dirigido hacia la compresión de gases desde una presión sub-atmosférica hasta un valor ligeramente superior a la presión atmosférica. También, se utiliza para generar vacío [3]. Fluido de baja presión

Fluido de media presión

Fluido de alta presión

Figura 15. Compresor eyector [15]. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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Figura 16. Líneas de velocidad en un compresor eyector [15]. 11.

EFICIENCIAS Las diferentes definiciones de eficiencias son usadas frecuentemente de manera intercambiable; pero cada tipo de eficiencia está basada en consideraciones fundamentalmente diferentes. Esto puede originar la incorrecta comparación entre los compresores de diferentes fabricantes.

11.1.

Eficiencia Isentrópica El compresor produce cierta altura de compresión para incrementar la presión del gas desde un valor inicial ( P S) a un valor final ( P D), Figura 17. Si el proceso no tuviese pérdidas, sería isentrópico, y la altura de compresión requerida sería la “altura isentrópica” ( H S). Sin embargo, en un proceso real, el compresor tiene que producir una altura superior, “la altura real” ( H A), para suplir el rango de presión requerido más las pérdidas internas de energía. La eficiencia isentrópica del compresor, también llamada “eficiencia adiabática1”, se define como la relación entre la altura isentrópica y la altura real o actual: η S =

H S H A

Ec. 1

1

El término “adiabático” no describe correctamente el proceso isentrópico, debido que solo indica que no implica la transferencia de calor [10]. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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Donde: ηS H S H A

eficiencia isentrópica [ - ] altura de compresión isentrópica [unidad de longitud] altura de compresión actual [unidad de longitud]

La eficiencia isentrópica también puede ser expresada como una función de la relación de compresión: (k −1) / k

η S =

1 (n −1) / n RC −1 RC

RC =

−

Ec. 2

P D

Ec. 3

P S

Donde: RC k n P D P S

relación de compresión [ - ] exponente isentrópico (= C P /C V) [ - ] exponente politrópico [ - ] presión de descarga [unidad de presión absoluta] presión de succión [unidad de presión absoluta]

P D n

≠ k (politrópico)

n

= k = (isentrópico)

Presión n

= 1 (isotérmico)

P S

Volumen

Figura 17. Curvas de compresión (adaptado de [10]). 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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11.2.


Eficiencia Politrópica La “altura politrópica” representa la energía de entrada requerida por un compresor politrópico reversible, para un equipo que recibe el flujo de gas a cierta presión de entrada ( P S) y temperatura ( T S ) y lo entrega a cierta presión de salida ( P D) y temperatura (T D). La eficiencia politrópica de un compresor está definida como la relación entre la altura de compresión politrópica y la actual. η P =

H P

Ec. 4

H A

Unificando la Ec. 1 y Ec. 4 se obtiene: H A =

H S η S

=

H P η P

H P η P = η S H S

Ec. 5

Ec. 6

Donde: η P H P

eficiencia politrópica [ - ] altura de compresión politrópica [unidad de longitud]

La eficiencia politrópica también puede ser expresada como función del exponente isentrópico y del politrópico: η P =

( k − 1) / k (n − 1) / n

Ec. 7

La Figura 18 muestra una manera de convertir la eficiencia isentrópica en politrópica por medio del exponente politrópico y la relación de compresión. El Cuadro 1 contiene valores típicos de la eficiencia politrópica para compresores centrífugos, reciprocantes y axiles.

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Cuadro 1. Eficiencias politrópicas para varios tipos de compresores [1] (simplificado). η P Compresor Condición Centrífugo Reciprocante Axial o con venas rotatorias

66 68

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7, 0 8,0 9,0 10, 0 11, 0 12, 0 13,0 14,0 15,0 Relación de compresión ( RC )

70

55

Buena

0,80

Aceptable

0,72

Buena Aceptable

1,00 0,92

Buena

0,92

Aceptable

0,85

72

Eficiencia politrópica [%] 74 76 78 80 82

60

84

65 70 75 Eficiencia isentrópica [%]

86

88

80

85

90

Figura 18. Conversión de eficiencia isentrópica en politrópica [10]. La Figura 19 muestra una curva para estimar la eficiencia politrópica de los compresores centrífugos sin refrigeración, esta curva puede ser usada para un estimado. En la figura se puede observar que la eficiencia aumenta con el flujo de entrada, es decir, a mayor capacidad, mayor eficiencia. Esto es importante para disminuir el consumo de potencia en equipos de mucha capacidad. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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] % [ a c i p ó r t i l o p a i c n e i c i f E

82 80 78 76 74 72 70 68 66 100

1000 10000 Flujo de entrada [Aft /h (ACFH)]

100000

Figura 19. Estimación de la eficiencia politrópica de un compresor centrífugo sin refrigeración [11]. 12.

SELECCIÓN DEL COMPRESOR La selección del compresor, para un proceso específico, requiere un análisis inicial. La Disciplina de Procesos puede realizar una selección preliminar; pero la definitiva es realizada en conjunto con la Disciplina de Ing. Mecánica.

12.1.

Datos Mínimos Requeridos Los datos mínimos requeridos son los siguientes: •

Caudal a las condiciones del gas en la succión.

•

Estado inicial del gas, determinado generalmente por la presión y temperatura de succión.

•

Presión de descarga o la relación de compresión.

•

Tipo de gas a comprimir, cuya composición y propiedades termodinámicas son conocidas o determinadas.

•

Consideración de las ventajas particulares entre cada equipo (vea el Cuadro 2). Los principales factores son: el flujo volumétrico actual, los

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES límites de temperatura y presión, los métodos de lubricación, el consumo de potencia, disponibilidad de servicios y el costo. Cuadro 2. Comparación entre los compresores centrífugos y los reciprocantes [10].

Ventajas del c ompresor centrífugo sob re el reciprocante: • • • • • •

Bajo costo de instalación cuando las condiciones de presión y volumen son favorables. Bajo costo de mantenimiento. Mayor continuidad del servicio y confiabilidad. La operación requiere menos atención. Mayor capacidad volumétrica por unidad de área requerida para su instalación. Adaptabilidad de equipos motrices de alta velocidad y bajo mantenimiento.

Ventajas del c ompresor reciprocante sobre el centrífugo: • • • • •

Mayor flexibilidad en capacidad y rango de presión, hasta un límite de capacidad de aproximadamente 30 MMSCFD (0,85 MMSm 3/d)/unidad. Mayor eficiencia de compresión y costo más bajo de consumo de potencia. Capacidad de suplir altas presiones. Capacidad de manejar bajos volúmenes. Menos sensible a los cambios en la composición del gas y su densidad.

La Figura 20 muestra una comparación de las curvas características de los compresores axial, centrífugo y reciprocante. La curva de los compresores centrífugos, se aproximan a una altura de compresión constante y flujo variable; mientras que las curvas de los compresores reciprocantes son de volumen constante y altura de compresión variable. Los compresores axiales varían tanto en flujo como en altura de compresión.

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Línea de ondeo

n ó i s e r p m o c e d a r u t l A

Límite pronosticado de capacidad (línea de estrangulación)

Axial

Centrífugo

Reciprocante

Flujo volumétrico en la entrada

Figura 20. Gráfica comparativa de la altura de compresión según el tipo de compresor (adaptado de [10]). 12.2.

Selección Preliminar La selección preliminar del tipo de compresor se puede realizar con la información mencionada anteriormente y utilizando la Figura 21. Sin embargo, es conveniente considerar otros aspectos como el número de etapas, sistemas de enfriamiento y sistemas de control disponibles para la elección óptima del equipo.

12.3.

Determinación del Número de Etapas La determinación del número de etapas depende directamente de la relación de compresión, la cual está limitada por la temperatura de descarga; ésta no sobrepasa las temperaturas mostradas en el Cuadro 3. Sin embargo, el API STD 618 [3] es más conservadora y recomienda no exceder la temperatura de 300 °F (150 °C) en ninguno de los casos.

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES 100000 Reciprocante multi-etapa Centrífugo multi-etapa

10000 ] g i s p [ a g r a c s e d e d n ó i s e r P

Centrífugo una etapa 1000 Reciprocante una etapa Axial

100

10

1

1

10

102

103

104

105

106

Flujo volumétrico en la entrada [Aft3/min, acfm]

Figura 21. Gráfico para la selección preliminar del compresor (adaptado y simplificado de [10]). Cuadro 3. Temperaturas límites para los diferentes compresores y servicios. Compresor y Descrip ción del Servicio

Temperatur a límite [°F]

[°C]

Centrífugo, gas sin impurezas

350

175

Centrífugo, gas con impurezas

250

120

Centrífugo, aire o nitrógeno, sellos sin aceite

400

205

Axial, aire o nitrógeno

450

232

Reciprocante, proceso de gas, peso molecular > 12

300

150

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Cuadro 3. Temperaturas límites para los diferentes compresores y servicios. Compresor y Descrip ción del Servicio

Temperatur a límite [°F]

[°C]

Reciprocante, proceso de gas, peso molecular < 12

275

135

Reciprocante, aire o nitrógeno

300

150

Tornillo helicoidal seco, gas sin impurezas

350

175

Tornillo helicoidal seco, gas con impurezas

250

120

Tornillo helicoidal seco, aire o nitrógeno, sellos sin aceite

350

175

La relación de compresión se calcula a través de la Ec. 3. Una vez calculada la relación de compresión se puede sustituir ese valor en la Ec. 8 y estimar la relación de compresión inter etapas (si aplica). r = E

n

P D P S

Ec. 8

Donde: r E n P D P S

relación óptima de compresión entre las etapas [ - ] número de etapas [ - ] presión de descarga [unidad de presión absoluta] presión de succión [unidad de presión absoluta] Cuadro 4. Número de etapas en función de la relación de compresión [13]. Relación de Número de etapas compresión <5o6 1 6 a 36 2 > 36 3 o más

Una vez que se tiene el tipo de compresor, el número de etapas y las condiciones de operación (temperatura, presión, flujo, composición del gas y presión requerida a la salida), es posible utilizar el programa de simulación para

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determinar las propiedades termodinámicas y otros datos requeridos para su especificación en la Hoja de Datos. En el Cuadro 5 se pueden observar los valores típicos de la relación de compresión para los diferentes tipos de compresores. Cuadro 5. Valores de la relación de compresión para los diferentes tipos de compresores [4]. Máxima relación de compresión Tipo de compresor por etapa (r E ) Centrífugo Convencional 1,35 a 6 Vertical 1,35 a 6 Ax ial 12 Reciprocante Lubricado 5 No Lubricado 5 Diafragma 5 Rotatorios Tornillo helicoidal de alta presión 4a5 Tornillo helicoidal de baja presión 3 Lóbulo sencillo 1,7 Aspas deslizables 4,4 Líquido pistón 2,5 La Figura 22 muestra un diagrama con la disposición típica para una unidad de dos etapas de compresión. El enfriador de descarga es opcional, su uso depende de la temperatura resultante de la última etapa de compresión y la temperatura requerida aguas abajo del compresor. El depurador de descarga es opcional en función de la generación o no de líquido luego de ser enfriado el fluido.

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Enfriador inter etapa

Depurador de succión

Enfriador de descarga (opcional) Depurador de descarga (opcional)

Depurador de succión

Primera etapa

Segunda etapa

Figura 22. Ejemplo de un compresor con dos etapas de compresión. 13.

ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES

13.1.

Formato de Hoja de Datos de Compresores El Anexo 1 muestra el formato de la Disciplina de Procesos para la Hoja de Datos (HdD) genérica de los compresores. El formato contiene la mayoría de los datos, solicitados en los API STD 617 [2] y API STD 618 [3], cuya responsabilidad es de la Disciplina de Procesos; por tal motivo, el formato es una simplificación. i

El uso de la Hoja de Datos de Procesos aplica en los Proyectos donde está establecido que la Disciplina de Procesos y de Ing. Mecánica emiten Hojas de Datos por separado o cuando no existe apoyo de la Disciplina de Ing. Mecánica. La recomendación es que la Disciplina de Procesos coloque los datos directamente en la Hoja de Datos de la Disciplina de Ing. Mecánica.

Las siguientes secciones describen los datos requeridos, ejemplos y las referencias de los diferentes datos. El asterisco (*) indica los datos no solicitados en el API STD 617 [2], pero requeridos por la Disciplina de Procesos para información. 13.2.

Elaboración de la Hoja de Datos La HdD es elaborada y revisada según el INEDON “Diseño y Especificación de Equipos”, No. 903-P3100-P09-ADM-906.

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13.3.


Datos Generales (General Data) Tipo de Compresor (Compressor Type ) El formato de Hoja de Datos de la Disciplina de Procesos es genérico, por tal motivo se indica el tipo de compresor. Ej. centrífugo, reciprocante, axial. Si el tipo de compresor no está prefinido en una etapa anterior del Proyecto, el tipo es definido en conjunto con la Disciplina de Ing. Mecánica. No. de Identificació n (Item Number ) Número (Tag) asignado por la Disciplina de Ing. Mecánica o Procesos para identificar el compresor. Ej. K-1000A/B. Referencias: DFP, Lista de Equipos, DTI. Servicio (Servicio ) Función del compresor en el proceso. Ej. Compresor de gas combustible, compresor de propileno producto, compresor de aire para instrumentos. Referencias: DFP, Lista de Equipos, DTI. (*) Caso (Case) Caso de operación usado para la especificación. Ej. caso de máximo contenido de CO2, caso rico, caso normal, caso pobre. Si es requerido, se puede elaborar una Hoja de Datos para diferentes casos. Referencia: Bases de Diseño, Descripción del Proceso, Balance de Materia y Energía. Cantid ad Requerid a (No. Required ) Cantidad requerida de compresores con las mismas especificaciones. Ej. Dos (uno es espera). Tipo de Equipo motriz (Driver Type) Tipo de equipo para accionar el compresor. Ej. motor eléctrico, turbina accionada con gas o vapor. Si el equipo motriz es una turbina, esta tiene su propia HdD y la disponibilidad de los servicios industriales (tipo y cantidad) en la planta también es considerada.

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Si el equipo motriz no está prefinido en una etapa anterior del Proyecto, el tipo es definido en conjunto con la Disciplina de Ing. Mecánica. No. de Identificación del Equipo Motriz ( Driver Item No. ) Número (Tag) asignado por la Disciplina de Ing. Mecánica o Procesos para identificar el equipo motriz. Ej. KT-1000A/B. Referencias: DFP, Lista de Equipos, DTI. Gas Manejado (Gas Handled ) Tipo de gas manejado por el compresor. Ej. gas combustible, gas rico, aire. 13.4.

Condiciones de Operación (Operating Conditions ) Flujo Normal (Normal Flow ) Flujo normal de operación en condiciones actuales que procesa el compresor. Referencia: Balance Materia y Energía. (*) Flujo d e Diseño (Design Flow ) Corresponde al flujo normal más el factor de sobre diseño establecido en las Bases y Criterios de Diseño del Proyecto. (*) Primera Etapa, Segund a Etapa (First Stage, Second Stage ) El formato de HdD tiene la posibilidad de colocar al menos dos etapas de compresión. Si se requieren más etapas, se añaden más hojas en el archivo. Si solo se requiere una etapa, se pueden eliminar las columnas de la segunda etapa. Flujo Total Estándar (Standard Total Flow rate ) Flujo en unidad de volumen a condiciones estándar (o normales) por unidad de tiempo. Referencia: Balance Materia y Energía. Flujo Másico (Mass Flo w Rate) Flujo en unidad de masa por unidad de tiempo. Referencia: Balance Materia y Energía.

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(*) Relación de Compresió n (Compression Ratio ) Relación entre la presión de descarga y la de succión, ambas en unidades de presión absolutas. Condiciones a la Succión ( Suction Conditions ) !

Las siguientes propiedades termodinámicas y de transporte son determinadas a la presión y temperatura de succión.

•

Presión (Pressure ): en la brida de entrada al compresor en unidad de presión absoluta (según el API STD 617 [2]). Referencias: Balance de Materia y Energía, cálculo de pérdida de presión.

•

Temperatura (Temperature ): en la brida de entrada al compresor. Referencias: Balance de Materia y Energía, cálculo de pérdida de presión.

•

Humedad Relativa (Relative Humidity ): es usado solamente para los compresores que succionan aire desde la atmósfera. Referencia: Bases y Criterios de Diseño del Proyecto.

•

Peso Molecular (Molecular Weight ). Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

C P /C V

•

Factor de Compresibilidad (Compresibility Factor ). Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

Flujo Volumétrico de Entrada (Inlet Volume Flow ). Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

(*) Densidad (Density ): Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

(*) Presión/Temperatura de Diseño (Design Pressure/Temperature ): La Disciplina de Procesos coloca un valor “sugerido” ( suggested ), debido que el API STD 617 [2] indica que las condiciones de diseño son establecidas por el fabricante. Referencias: Bases y Criterios de Diseño.

(k ): relación de los calores específicos. Referencia: Balance de Materia y Energía.

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Condiciones a la Descarga (Discharge Condition s ) !

Las siguientes propiedades termodinámicas y de transporte son determinadas a la presión y temperatura de descarga.

•

Presión (Pressure ): en la brida de salida del compresor en unidad de presión absoluta (según el API STD 617 [2]). Referencias: Balance de Materia y Energía, cálculos de pérdida de presión.

•

Temperatura (Temperature ): en la brida de salida al compresor. Referencias: Balance de Materia y Energía, cálculos de pérdida de presión. En el caso de equipos tipo paquete, el cual incluye un enfriador a la descarga del compresor, se elabora una HdD para el enfriador.

•

C P /C V

(k ): relación de los calores específicos. Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

Factor de Compresibilidad (Compresibility Factor ). Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

(*) Flujo Volumétrico de Salida (Outlet Volume Flow ). Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

(*) Densidad (Density ): Referencia: Balance de Materia y Energía.

•

(*) Presión/Temperatura de Diseño (Design Pressure/Temperature ): La Disciplina de Procesos coloca un valor “sugerido” ( suggested ), debido que el API STD 617 [2] indica que las condiciones de diseño son establecidas por el fabricante. Referencias: Bases y Criterios de Diseño.

(*) Eficiencia Polit rópica (Considerada) (Polytropic Efficiency (Assumed) ) El valor colocado por la Disciplina de Procesos es un valor “considerado” para la simulación del desempeño del compresor. Referencias: Bases y Criterios de Diseño, simulación del proceso. El valor definitivo es suministrado por la Disciplina de Ing. Mecánica o el fabricante. Control del Proceso (Process Contro l ) El sistema de control es indicado rellenando el círculo al lado del tipo de control. Vea la Sección 13.10 para más detalles.

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Sistema Anti-Ondeo ( Anti -Surge Syst em ) Por defecto, el sistema siempre es requerido en compresores centrífugos. An álisi s d el Gas (Gas A nalysis ) Se indica la composición y el contenido de los componentes en el gas de succión, preferiblemente por medio de una cromatografía extendida (mínimo hasta C12), en caso de que existan y el fluido manejado sea una mezcla de hidrocarburos. Referencias: Balance de Materia y Energía. 13.5.

Datos del Sitio ( Site Data) Elevación Sobr e el Nivel del Mar (Elevation Abov e Sea Level ) Altura del suelo, donde está ubicado el compresor, por encima del nivel del mar. Referencia: Bases y Criterios de Diseño del Proyecto. Presión Barométrica (Barometric Pressure ) Presión del aire a la altura donde está ubicado el compresor. Referencia: Bases y Criterios de Diseño del Proyecto. (*) Humedad Relativa (Relative Humidi ty ) El formato incluye (de nuevo) la humedad relativa encaso que no sea suministrada en la sección de “Condiciones de Operación”, si el compresor no succión aire desde la atmósfera. Referencia: Bases y Criterios de Diseño del Proyecto. Rango de Temperatura Ambiental ( Range of Ambient Temperatures ) •

Bulbo Seco (Dry Bulb): valor normal, máximo y mínimo. Referencia: Bases y Criterios de Diseño, equivale a los valores de temperatura suministrados por el Cliente si no se indica que son de bulbo húmedo.

•

Bulbo Húmedo (Wet Bulb): valor normal, máximo y mínimo. Referencia: Bases y Criterios de Diseño.

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13.6.


Válvula de Alivio (Relief Valve) !

Los compresores reciprocantes pueden alcanzar altas presiones de descarga si se bloquea el flujo en su descarga. Debido a esto, la instalación de válvulas de alivio es común para protección de los equipos aguas abajo.

(*) PSV Suministrada por el Vendedor (PSV Suppl ied by Vendor ) La indicación es “SÍ” por defecto. Algunos Proyectos establecen que la válvula de alivio no es del alcance del vendedor del compresor; esto es evitado porque el API STD 618 [3] indica que la válvula de alivio es especificada (presión de ajuste, tamaño, acumulación) considerando todos los posibles tipo de falla del equipo y la protección de los sistemas de tuberías. El fabricante del compresor es la entidad idónea para determinar el diseño de la válvula de alivio. Presión d e Ajuste (Set Pressure) La presión de ajuste es establecida en función de los requerimientos de protección y condiciones de diseño de los equipos aguas abajo. (*) Lugar de Descarga (Discharge Location ) Ejemplo: sistema de alivio, succión del compresor, a la atmósfera. 13.7.

Servicios Industriales Disponibles ( Available Utilities ) La sección incluye los valores mínimo, normal, máximo y de diseño para la presión y la temperatura de los servicios disponibles en la planta, tales como vapor de agua, agua de enfriamiento, aire de instrumentos, aire de planta, aceite lubricante (ej. por inyección de neblina, oil mist), gas combustible, este último incluye la composición. !

13.8.

El flujo requerido para el servicio industrial es informado por el fabricante; el valor es verificado por la Disciplina de Procesos en función de la disponibilidad.

Esquema de Procesos (Process Scheme ) Un esquema obtenido del DFP es incorporado en la HdD por la Disciplina de Procesos. El esquema es relevante para sistemas de compresión de varias etapas o equipos tipo paquete.

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13.9.


Notas (Notes) Las secciones de notas son usadas para complementar información relevante para el Cliente, el fabricante, las otras Disciplinas o incluso la Disciplina de Procesos.

13.10. Sistemas de Control El sistema de control es usado para regular la presión o el flujo en el compresor. La especificación del compresor indica si el sistema de control es continuo, intermitente y si el compresor se encuentra en espera. A continuación, se describen algunos de los sistemas de control usados comúnmente. 13.10.1. Compresores Centrífugos A)

Control de presión a velocidad variable (Figura 23): El control de presión está ubicado en la descarga del compresor. El controlador modifica la señal y se la envía al elemento final, en este caso el controlador de velocidad. Este mecanismo varía la velocidad en el gobernador de la turbina en un rango predeterminado. Mientras la carga disminuye, la presión aumenta. Un incremento en la presión del proceso por encima del valor establecido, hace que el gobernador reduzca la velocidad, manteniendo en el sistema la presión requerida. PC

Vapor

Línea de ondeo n ó i s e r P

GOV

Línea de operación Volumen

Turbina

Máx. velocidad

Mín. velocidad

Compresor

Figura 23. Control de presión de velocidad variable (adaptado de [10]). 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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B)

903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Control de volumen a velocidad variable (Figura 24): Si la naturaleza del proceso requiere el manejo del gas a volumen constante, entonces siguiente arreglo puede ser utilizado. El sistema de control detecta el flujo del proceso a la entrada del compresor, enviando una señal al controlador (FC). El controlador modifica la señal y se la envía al elemento final, en este caso el controlador de velocidad. Este mecanismo varía la velocidad en el gobernador de la turbina en un rango predeterminado. Un incremento en el flujo por encima del punto de ajuste envía una señal al gobernador y reduce la velocidad para mantener el flujo deseado. FC

Vapor

n ó i s e r P

GOV

Línea de ondeo

Línea de operación Máx. velocidad

Volumen Turbina

Mín. velocidad

Compresor

Figura 24. Control de volumen a velocidad variable (adaptado de [10]). C)

Control de presión a velocidad constante (Figura 25): El controlador de presión detecta de forma similar al esquema de control de presión a velocidad variable, la presión a la salida del compresor. En este caso el elemento final de control es una válvula estranguladora de flujo en la succión del compresor, la cual reduce el flujo de gas a la entrada de este. Un incremento en la presión del proceso por encima del punto de ajuste, origina que la válvula estranguladora se cierre parcialmente, para reducir la presión a la entrada.

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PC

n ó i s e r P

Motor

Línea de ondeo

Línea de operación Volumen

Compresor

Sin estrangulación de flujo

Mínima estrangulación de flujo de

Figura 25. Control de presión a velocidad variable (adaptado de [10]). D)

Control de volumen a velocidad constante (Figura 26): El sistema de control detecta el flujo del proceso a la entrada del compresor, utilizando un tubo pitot o un venturi como elemento primario de flujo obtener una baja pérdida de presión. En este caso, el elemento final de control es el mecanismo de compresión de aletas guiadas. Estas aletas son ajustadas de acuerdo a la posición del cilindro. Este cilindro es operado por una válvula que recibe la señal del controlador. Un incremento en el flujo por encima del punto de ajuste, origina el cierre de las aletas guiadas, para obtener una reducción de flujo.

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1000

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES FC

n ó i s e r P

Aletas

Motor

Línea de ondeo

Línea de operación Aletas abiertas

Volumen

Mín. apertura de las aletas

Compresor

Figura 26. Control de volumen a velocidad variable (adaptado de [10]).

Aletas

Figura 27. Aletas de ajuste variable. 13.10.2. Sistema Anti-Ondeo para Compresores Centrífugos Todos los compresores dinámicos tienen un intervalo limitado de capacidad, a velocidad definida, para una selección dada de impulsores. Por debajo del valor mínimo, que suele ser de 50 % a 70 % del nominal [1], el compresor tiene oscilaciones; es decir, inestabilidad de funcionamiento, fenómeno conocido como ondeo (surge). 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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El ondeo del compresor es una gran fluctuación de presión y volumen que toma lugar cuando se intenta operar a relaciones de presión por encima de la máxima de diseño. La línea de ondeo puede ser alcanzada por un punto estable de operación, ya sea reduciendo el flujo o la presión en la succión. Es esencial diseñar todos los compresores dinámicos con un sistema para evitar ondeos y por lo general, este se logra utilizando un control anti- ondeo (anti-surge ), que detecte la aproximación de las condiciones de ondeo y mantenga la presión por debajo del límite que lo ocasiona. A)

Flujo mínimo: Un sistema de control de volumen anti-ondeo se muestra en la Figura 28. El control de flujo mide el flujo en la succión del compresor. El controlador compara la señal transmitida con el valor del punto de ajuste. Si este valor es menor, el controlador amplifica la diferencia entre las señales y envía la modificación al elemento final (una válvula de control). La válvula alivia el incremento de presión en la descarga del compresor enviando gas a la succión del compresor. En pocos casos el gas es liberado a la atmósfera, esto es solo permitido si el gas no es contaminante o se puede desperdiciar. Como el gas ha sido comprimido y su temperatura aumentó, se enfría antes de que vuelva a entrar al compresor, por lo que es necesario un enfriador.

FC

Compresor

Figura 28. Control por flujo mínimo (adaptado de [10]).

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B)

903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Límite de presión: Un sistema de control por límite de presión se muestra en la Figura 29. Este sistema funciona de manera similar al sistema controlador de volumen anti-ondeo, con un sistema ce control de presión que detecta la presión del proceso. El control compara la señal recibida con la señal del punto de ajuste. Si el punto de ajuste es menor que esta señal, el controlador envía una señal para que la válvula de control anti-ondeo se abra, aliviando el exceso de presión.

PC

Compresor

Figura 29. Control por límite de presión (adaptado de [10]). 13.10.3. Compresores de Desplazamiento Positivo A) Control para baja presión en la succión: Como los compresores de desplazamiento positivo manejan un volumen constante de gas, en algunas circunstancias, el flujo suministrado puede ser insuficiente o inclusive deficitario. Esto ocasiona que la presión en el compresor decaiga. Para prevenir estos casos, se instala un control de presión en la succión del compresor, con la finalidad de recircular gas de la descarga para suplir esta deficiencia, y no ocurra un paro por baja-baja presión. Un sistema de control por baja presión en la succión se muestra en la Figura 30.

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Figura 30. Control por baja presión de succión. B) Control para alta presión en la succión: Puede darse el caso en que el flujo a la succión supere la capacidad volumétrica del compresor (por ejemplo, por el paro repentino de una unidad de una batería de compresores o por un exceso en la producción de gas), lo cual dependiendo de la fuente de suministro puede generar un incremento no deseado en la presión. En estos casos, se suele instalar un control de alta presión de succión como el mostrado en la Figura 31, el cual derivará este excedente hacia un flare o estaca de venteo.

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Figura 31. Control por alta presión de succión. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES C) Control para alta presión en la descarga: De manera similar, pero en caso que haya un exceso de flujo (por ejemplo, en líneas o cabezales de gas donde confluyen varias corrientes que pueden eventualmente superar la capacidad del cabezal que las maneja, o cuando ocurre un cierre total o parcial aguas abajo del compresor), se instala un control de presión en la descarga (Figura 32), con la finalidad de derivar el flujo excedentario de gas que no puede ser manejado en la línea de descarga. Esta derivación de gas puede ser dirigida a un sistema de alivio, a una estaca de venteo o a la succión del compresor, ésta última con las debidas previsiones para evitar un aumento de temperatura en el gas.

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Figura 32. Control por alta presión en la descarga. D) Control de flujo: En compresores de desplazamiento positivo, se emplea un arreglo como el mostrado en la Figura 33 para realizar un control de flujo, el cual consiste en derivar a otra corriente, el flujo que no se desea transferir por la línea de descarga. Alternativamente, si no se puede derivar una corriente que maneje el flujo adicional, puede utilizarse un arreglo como el mostrado en la Figura 34, donde se varía la velocidad del compresor, para manejar el flujo deseado.

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES En estos casos, se verifica el efecto que sobre la presión de descarga tendrá el cambio en la velocidad, así como también los límites de capacidad del motor para operar bajo esa nueva condición. Por lo general, existe un límite de control de velocidad en los compresores de desplazamiento positivo por debajo del cual no puede operarse, el cual se encuentra en alrededor del 40 % de la velocidad nominal. Σ

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Figura 33. Control de flujo.

FC

M Compresor

Figura 34. Control de flujo con variación de velocidad. 903-HM120-P09-GUD-031.DOCX/02/02/2008/AA/sp

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13.11. Paquete de Compresión En muchas ocasiones, el compresor se especifica como un paquete integrado, que puede incluir: Depurador (scrubber ) de succión. Compresor. Enfriador inter-etapas y de descarga. Depurador de descarga

• •

• •

El equipo paquete contiene (adicionalmente) las HdD para la especificación de los depuradores y los enfriadores. 14.

LÍMITE DEL TAMAÑO DE LAS GOTAS El tamaño de las gotas presentes en el gas es crítico en la succión de los compresores dinámicos, en los cuales las gotas de líquido viajan a alta velocidad en el cuerpo del equipo. Vea el INEDON “Guía de Diseño de Separadores Bifásicos”, No. 903-P3100-P09-GUD-065.

15.

CONSIDERACIONES ADICIONALES PARA LA ESPECIFICACIÓN A)

En la especificación de los compresores, no se deja de lado el análisis y efecto de las transiciones y cambios que pueden ocurrir durante arranques y paradas (tanto programadas como de emergencia), particularmente si se trata de un sistema con varias unidades, o en aquellos casos donde las características del gas a manejar requieren del diseño de equipo especial que permita amortiguar el efecto de esas transiciones sobre el sistema, dado que en muchas ocasiones, estas situaciones pueden condicionar el diseño apropiado de la unidad. Si bien estos casos escapan del objeto de este INEDON, son revisados cuidadosamente y analizados con el Líder de Disciplina del Proyecto.

B)

Otras consideraciones para considerar son: •

Tamaño y criterio para el dimensionamiento de la línea de recirculación para los diferentes casos operacionales, incluyendo arranques o paros, particularmente cuando se está diseñando una batería de compresores en paralelo

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16.

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Criterios de despresurización a utilizar, en caso que aplique, y su impacto en los materiales de construcción, dimensionamiento de las líneas y capacidad de los sistemas de alivio y venteo.

•

Temperaturas alcanzadas al recircular gas a la succión desde niveles de presión mayores (tanto altas como bajas).

•

Dimensionamiento apropiado del depurador de entrada, para manejo de baches de líquido. Vea el INEDON “Guía de Diseño de Separadores Bifásicos”, No. 903-P3100-P09-GUD-065.

•

Materiales a elegir para el compresor, según los niveles de presión y contaminantes presentes en el gas que se maneja. Esto es particularmente importante cuando la presión y temperatura son altas. Los enfriadores interetapas, son particularmente susceptibles a ser afectados por estos contaminantes, con lo cual es fundamental tener una adecuada selección de materiales para evitar problemas de corrosión por presencia de CO2 y H2S, vea INEDON “Guía para la Selección de los Materiales de Construcción”, No. 903-P3100-P09-GUD-054.

•

Dimensionamiento apropiado del sistema de drenaje cerrado. En aquéllos casos en que los condensados son drenados desde altas presiones a presiones muy bajas, y haya presencia de agua, existe la posibilidad de congelamiento y consecuentemente taponamiento, el cual es una posible fuente de sobrepresión, por lo cual este efecto es considerado en la adecuada selección de las condiciones de diseño del mismo.

REFERENCIAS El usuari o de este INEDON tiene la obligación de: I.

Usar la revisión más actualizada de los códigos, normas, estándares, etc. nacionales e internacionales que aplican al Proyecto.

II.

Solicitar las normativas locales al Cliente o al ente gubernamental correspondiente, que apliquen al país donde se ejecuta el Proyecto.

Leyenda de la ubicación de las referencias: 

Biblioteca de inelectra.

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903-HM120-P09-GUD-031 0 Rev. GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES Directorio “Departamental/Procesos” del servidor de inelectra en Santa Paula (Caracas, Venezuela). Servicio de Normas Internacionales.

[1]

A. K. Coker. Selecting and Sizing Process Compressors. Hydrocarbon Processing. July 1994. 

[2]

API Standard 617. Axial and Centrifugal Compressors and Expandercompressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. Seventh Edition, July 2002. 

[3]

API Standard 618. Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services. Fourth Edition, June 1995. 

[4]

Aronov, T. Compresores. Selección y especificación. División de Procesos inelectra/OKARA. 

[5]

Aerzen Canada Inc. URL: http://www.aerzen.ca/

[6]

Brown R. Compressors Selection and Sizing , 1986.

[7]

Calsonic Compressor Inc. URL: http://www.calsonicci.co.jp

[8]

Flow of Fluids Trough Valves, Fittings, and Pipe . Crane Co. 1988. 

[9]

General Electric Oil & Gas. URL: http://www.geoilandgas.com/

[10]

GPSA – Engineering Data Book . Volume I. 11th Edition – FPS, 1998. 

[11]

Greene, R. Compresores. Selección, Uso y Mantenimiento. Primera Edición, 1992. 

[12]

Howden Group Ltd. URL: http://www.howden.com/en/

[13]

Manual del Ingeniero Mecánico, Tomo 2, Novena Edición, Editorial McGraw-Hill, México 2001.

[14]

Mycom / Mayekawa MFG. URL: http://www.mycomeurope.com/

[15]

Transvac Systems Ltd. URL: http://www.transvac.co.uk/

[16]

Travaini Pumps USA, Inc. URL: http://www.travaini.com/

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