Control de Bombas

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CONTROL DE BOMBAS

FICHA IDENTIFICATIVA DEL DOCUMENTO: Master ISA de instrumentación y control Módulo: 8A. Control de procesos comunes Tema: 5. Control de bombas Autor: José Acedo Sánchez

INTRODUCCIÓN Los fluidos, para ser transportados transportados de un lugar a otro del proceso, necesitan disponer disponer de una cantidad de energía para vencer la diferencia de presión, altura o velocidad entre origen y destino. Cuando se trata de líquidos que no disponen de esta energía es necesario comunicársela por medio de elementos mecánicos externos denominados bombas de proceso. Atendiendo a su principio de funcionamiento, las bombas pueden ser clasificadas en dos grandes grupos, en los que a su vez existen diferentes tipos, tal como se muestra a continuación: Bombas que convierten convierten energía cinética: cinética: Centrífugas Bombas de desplazamiento desplazamiento positivo: Alternativas Alternativas y rotativas En este tema se verán los conceptos fundamentales de los diferentes tipos de bombas, así como algunos de los sistemas de control que se utilizan.

Módulo: 8A. Control de Procesos Comunes

Tema: Control de Bombas

CONTROL DE BOMBAS Índice 1. CONCEPTOS GENERALES

3

1.1.

Altura de elevación

4

1.2.

Presión de vapor

5

1.3.

Cavitación

6

1.4.

Net Positive Suction Head (NPSH)

8

2. BOMBAS CENTRÍFUGAS

10

2.1.

Tipos de curvas

12

2.2.

Control ON OFF

13

2.3.

Control por medio de válvulas automáticas

14

Control por estrangulamiento de la impulsión Control por estrangulamiento de la aspiración Control de caudal mínimo

15 16 16

2.3.1. 2.3.2. 2.3.3.

2.4.

Control mediante velocidad de giro

18

2.5.

Instalación típica

18

3. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO POSITIVO

19

3.1.

Curva característica

20

3.2.

Medidores

20

3.3.

Control ON - OFF

21

3.4.

Control mediante válvulas automáticas

21

3.4.1. 3.4.2. 3.4.3.

Control por estrangulamiento de la impulsión Control por estrangulamiento de la aspiración Control mediante recirculación

21 22 22

3.5.

Control mediante velocidad de giro

23

3.6.

Instalación típica

24

3.7.

Bombas dosificadoras

25

Master ISA de Instrumentación y Control

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1. CONCEPTOS GENERALES Las bombas son equipos destinados a desplazar líquidos de un lugar a otro añadiendo energía. Esta energía se convierte en trabajo que se realiza elevando el fluido a un nivel o cota más alta, o bien desplazándolo por una tubería. Por tanto, una bomba transporta un fluido desde un punto situado a un nivel más bajo, o con baja presión, a otro punto en el cual el nivel sea superior o la presión más alta. En general, una bomba consta de dos partes principales: •

Un elemento móvil que incluye un impulsor montado sobre el eje.

•

Un elemento estacionario compuesto por la carcasa y el sistema de sellado para evitar fugas por el eje de la bomba.

Además de estas dos partes existen otras dos necesarias para su funcionamiento, como son: •

Acoplamiento que une el eje de la bomba con el sistema de accionamiento.

•

Accionador capaz de aportar la energía necesaria a las partes móviles de la bomba.

Fig. 5-1 Conjunto de bomba y accionamiento En la figura 5-1 aparece un conjunto de la firma Grundfos en donde se puede ver la bomba, el acoplamiento entre bomba y motor, así como el motor que actúa como accionador, el cual dispone de variador de velocidad para controlar el caudal impulsado en función de la demanda. Las bombas se pueden definir en función de cuatro características: •

Capacidad. Es la cantidad de fluido que puede impulsar por unidad de tiempo, por 3

ejemplo, m /h, l/s, etc. •

Incremento de presión. Normalmente se conoce como carga o altura (head) en metros de columna de líquido. Se utiliza el término altura porque ésta es fija y


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corresponde a la cota de elevación, mientras que la presión es variable en función de la densidad del producto. •

Potencia. Es la energía consumida por la bomba en la unidad de tiempo, por ejemplo, Kw, CV.

•

Rendimiento. Corresponde a la relación que existe entre la energía cedida al fluido y la energía consumida por la bomba.

En los apartados siguientes se describen algunos conceptos básicos relacionados con el comportamiento de las bombas.

1.1. Altura de elevación Es la energía por unidad de masa de fluido. Generalmente se utiliza para representar la altura de una columna estática de líquido que produce la presión del fluido en el punto donde se encuentre situada la bomba. La altura de elevación puede también ser considerada como el trabajo necesario para mover un líquido de su posición original a la posición de destino determinada por la altura de esta. En general un líquido dispone energía debida a tres causas, o bien su capacidad para desarrollar trabajo puede ser debida a tres factores: •

Altura potencial. Energía de posición, medida por el trabajo por Kg que efectuaría un líquido al caer verticalmente desde el punto donde se encuentra la aspiración.

•

Altura de presión estática. Energía por Kg debida a la presión, o lo que es igual, altura a la que el líquido puede ser elevado por medio de una presión determinada.

•

Altura de velocidad. Energía cinética por Kg, o distancia vertical a la que un líquido debiera caer para adquirir la velocidad “V”.

Estas tres clases de energía no pueden ser creadas ni destruidas. Según el teorema de Bernouilli, la suma de las tres clases de energía mencionadas es la misma en cualquier punto del sistema, suponiendo que no existen pérdidas por rozamiento. Como consecuencia:

P donde:

P= V= Z= ρ= g=

V 2 Z Constante 2 g

Presión absoluta Velocidad del fluido Altura debida a la elevación del punto de aspiración Peso específico del líquido Aceleración debida a la gravedad

El primer término corresponde a la presión estática. Dimensionalmente será:

P

Kg / m 2 Kg / m 3

Metros

El segundo término corresponde a la altura debida a la velocidad. Dimensionalmente será:


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V 2 2g

m 2 / seg 2 2

m / seg

Metros

El último término se mide directamente en metros, por lo que la suma de términos de la ecuación de Bernouilli tiene la dimensión de una longitud y se denomina altura. Como se ha mencionado anteriormente, se utiliza altura porque ésta es fija y corresponde a la cota de elevación, mientras que la presión es variable en función de la densidad del producto, según muestra el cálculo de la presión estática en el primer término de la ecuación de Bernouilli.

L = Altura Pf = Rozamiento P = Presión a = aspiración i = impulsión

Pi

Pfi

Li

Pfa

L

La Pa Fig. 5-2 Altura de elevación

La figura 5-2 muestra un ejemplo de la carga que debe vencer una bomba, equivalente a la altura de elevación. En este caso las alturas combinadas en la aspiración (Ha), e impulsión (Hi), serán:

Ha Pa La Pfa Hi Pi Li Pfi Como la altura total corresponde a la diferencial entre ambas, la combinada (H), será:

H Pi Li Pfi Pa La Pfa La suma de alturas de aspiración e impulsión dan como resultado la altura diferencial L. Por otro lado, la suma de pérdidas por fricción en la aspiración (Pfa), e impulsión (Pfi) da como resultado la pérdida total por fricción (Pf). Como consecuencia:

H Pi Pa L Pf En el ejemplo de la figura 5-2 aparecen dos recipientes cerrados y presurizados. En caso de utilizar recipientes abiertos, o una mezcla de ambos, la presión correspondiente al recipiente abierto (Pa, Pi), corresponderá a la presión atmosférica.

1.2. Presión de vapor Es la presión absoluta que adquiere el vapor cuando, a una temperatura determinada, se alcanza el equilibrio dinámico, en el cual las velocidades de condensación y evaporación son iguales. Master ISA de Instrumentación y Control

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Esto significa que, a una temperatura determinada, sólo existe una presión para la cual un producto puede encontrarse en estado líquido, en fase vapor o en ambos simultáneamente, conociéndose como presión de vapor a la temperatura considerada. Si la presión es algo superior que la correspondiente a la de equilibrio la sustancia solo puede estar en estado líquido y si es algo más baja que la de equilibrio solo puede estar en estado vapor. Por otro lado, si la temperatura es algo superior que la correspondiente a la de equilibrio la sustancia solo puede estar en estado vapor y si es algo inferior solo puede estar en estado líquido.

10

. r o ) p s a b v a e 2 d m c n / ó i g s K ( e r P

8 6 4 2 0 0

50

100

150

200

Temperatura (ºC)

Fig. 5-3 Presión de vapor del agua La figura 5-3 muestra, como ejemplo, la curva de presión de vapor del agua. A 100 ºC la 2 presión de vapor es de 1,033 Kg/cm abs en un recipiente abierto, es decir, a presión atmosférica. Aumentando ligeramente la temperatura por encima de 100 ºC toda la masa de agua se transformará en vapor, siempre que se le pueda suministrar todo su calor de vaporización. Lo que realmente ocurre es que se va formando vapor al mismo tiempo que se suministra calor. Mientras quede agua en estado líquido se mantendrá la temperatura a 100 ºC. En esta situación de equilibrio, aumentando ligeramente la presión cesará la ebullición instantáneamente.

1.3. Cavitación El término cavitación deriva del latín “cavus” que significa espacio vacío o cavidad. En las bombas centrífugas, cavitación implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido y su posterior colapso o implosión según avanza el líquido a través de la bomba. Las burbujas se forman cuando la presión absoluta del líquido cae por debajo de la presión de vapor. Estas burbujas se colapsan de forma rápida y violenta cuando la presión absoluta aumenta debido a la fuerza cinética impartida por el impulsor. La implosión de las burbujas ocasiona ruido, vibración y erosión del material del impulsor. La vida útil de la bomba se acorta cuando ocurren fenómenos de cavitación, dependiendo la severidad de los daños de la potencia de la bomba. Master ISA de Instrumentación y Control

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De forma general, el proceso de cavitación se puede fijar en los siguientes pasos: •

Formación de burbujas dentro del líquido. La vaporización de cualquier líquido se produce tanto si la presión del recipiente donde se encuentra el líquido se hace igual o menor que la presión de vapor de ese líquido, como si aumenta la temperatura hasta un valor que supere la correspondiente a la presión de vapor a esa presión de operación. Por ejemplo, si el líquido es agua a una temperatura de 25 ºC y se reduce la 2 presión por debajo de su presión de vapor a esa temperatura (aprox. 0,036 Kg/cm abs), se producirá vapor instantáneamente. De la misma manera, si la presión se 2 mantiene constante a 0,036 Kg/cm y aumenta la temperatura por encima de 25 ºC se producirá vapor.

Fig. 5-4 Perfil de presión en una bomba centrífuga En la curva A de la figura 5-4 se puede ver que la presión del sistema se mantiene siempre por encima de la presión de vapor al atravesar la bomba, por lo que no puede producirse cavitación. En la curva B se puede ver que la presión del sistema cae por debajo de la presión de vapor justo a la entrada del impulsor, lo cual hará que se produzca cavitación. A la derecha aparece la sección de un impulsor mostrando el paso de líquido a través del mismo. •

Aumento en el tamaño de las burbujas. A menos que se modifiquen las condiciones de proceso se seguirán formando burbujas y las primeras aumentarán de tamaño. Estas burbujas se trasladarán con el líquido a lo largo de su recorrido alcanzando la zona donde aumenta la presión, con lo cual empezará el fenómeno de colapso de las mismas. El ciclo de vida de las burbujas se estima que dura milésimas de segundo.

•

Colapso de las burbujas. Cuando las burbujas se mueven a lo largo de los álabes de los impulsores empieza a aumentar la presión en el exterior de las mismas, haciéndose mayor que en su interior produciendo su colapso o implosión. Este hecho produce una especie de microinyección a alta presión que puede llegar a ocasionar erosión en los materiales.

La figura 5-5 muestra los daños producidos por la cavitación sobre un impulsor. Los desperfectos ocasionados dependerán de varios factores, entre los cuales se pueden Master ISA de Instrumentación y Control

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citar: temperatura del líquido, antigüedad de la bomba con el consiguiente desgaste de los materiales, velocidad de la implosión de las burbujas, etc.

Fig. 5-5 Daños producidos en un impulsor

1.4. Net Positive Suction Head (NPSH) Determina si las condiciones de aspiración de una bomba centrífuga son correctas o no lo son. Existen dos valores diferentes de NPSH, la “disponible” y la “requerida”

La NPSH disponible (NPSHd), determina la energía neta con que llega el fluido a la aspiración de la bomba, siendo, por tanto, una característica de la instalación sin que dependa de la bomba instalada. Normalmente la NPSHd se expresa en metros de columna de líquido (mcl), en valor absoluto. Se calcula a partir de los siguientes factores: •

Pérdida de presión debida a la fricción en la tubería de aspiración.

•

Desnivel existente entre la superficie de líquido y el eje de la bomba.

•

Presión atmosférica en el lugar donde se encuentra la instalación.

•

Presión de vapor a la temperatura normal de operación.

De forma general se puede decir que la NPSHd es la columna de líquido por encima de la presión de vapor a la entrada a la bomba. La figura 5-6 muestra un ejemplo simple de instalación, propuesto por Peche García (ver 3 bibliografía), donde se trata de bombear un hidrocarburo con densidad 0,720 Tm/m , 3 viscosidad cinemática de 2,2 centistokes y caudal de 200 m /h. La temperatura de bombeo 2 es de 28 ºC a la cual corresponde una presión de vapor de 0,30 Kg/cm . La presión atmosférica es de 720 mm Hg.


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100 Mts, 8" Diámetro 2,6 Mts

Fig. 5-6 Aspiración en una bomba

Como factor favorable a la aspiración solamente se tiene la presión atmosférica.

Pa 720 mm Hg 9 ,79 mca Pa 9 ,79 / 0 ,720 13 ,60 mcl Como factores en contra a la aspiración se tiene:

Altura estática ( Ca ) 2 ,6 mcl Fricción ( Pfa ) 1, 2 mcl La pérdida por fricción se obtiene por medio de gráficos teniendo en cuenta la longitud y diámetro de la tubería, caudal de paso y viscosidad del fluido. Por otro lado se obtiene, mediante tablas, que a 28 ºC le corresponde a este fluido una 2. presión de vapor de 0,30 Kg/cm 2

Sabiendo que 1 Kg/cm corresponde a 10 metros de columna de agua, se tendrá que:

Presión de vapor (Pv) 0,3 * 10/0,72 4,17 mcl De esta manera:

NPSHd

Pa Ca Pfa Pv

NPSHd 13 ,60 2 ,6 1,2 4 ,17

5 ,63 mcl

La NPSH requerida (NPSHr), es una característica de la propia bomba determinada por el suministrador de la misma, siendo la carga positiva, en valor absoluto de altura, requerido en la aspiración de la bomba para evitar que se produzca vaporización en su interior. En el paso a través de la bomba se produce una ligera caída de presión, por lo que es necesario en todo momento que se mantenga por encima de la presión de vapor. Las bombas están diseñadas para que pase solamente líquido, nunca vapor. Aumentando la temperatura o disminuyendo la presión se puede alcanzar la presión del vapor, en cuyo momento se producirá la vaporización del producto, ocasionando un gran aumento de volumen. Por tanto, siempre debe existir suficiente presión para que no se produzca la vaporización y, como consecuencia, la cavitación de la misma. Hasta aquí se han visto los dos valores de NPSH como si fueran fijos. En realidad ambos son variables en función del caudal. Al calcular la NPSHd se ha visto que la presión en el recipiente, columna o altura entre el recipiente y la bomba y la presión de vapor son constantes, mientras que la pérdida por fricción en la tubería se ha de calcular en función del caudal de paso y su viscosidad. Master ISA de Instrumentación y Control

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El caudal de paso varía básicamente con el cuadrado de la velocidad, por lo que al aumentar el caudal disminuirá la NPSHd de forma cuadrática. De la misma forma, al aumentar el caudal aumentará la NPSHr de forma cuadrática.

Fig. 5-7 Variación de la curvas NPSH La figura 5-7 muestra la variación en las curvas NPSH de una instalación típica. En esta figura se puede ver que el punto P, donde se cruzan los valores de NPSHd y NPSHr es el límite teórico de funcionamiento de la bomba, más allá del cual se producirá cavitación. En la práctica se adopta un margen de seguridad que suele estar comprendido entre 0,50 y 1 mcl. De esta forma:

NPSHd NPSHr Marge

2. BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bombas centrífugas son uno de los equipos más simples dentro de una planta de proceso. Su función es la de convertir energía primaria, procedente de un motor o turbina, en velocidad, o energía cinética, y posteriormente en energía que se transmite como presión al fluido que está siendo bombeado. Los cambios en la energía se llevan a cabo por medio de dos elementos: impulsor y difusor. El impulsor convierte la energía del motor o turbina en energía cinética. El difusor es un elemento estacionario que convierte la energía cinética en presión al producirse una disminución en la velocidad. La bomba centrífuga es el tipo más común de bomba de proceso, pero su aplicación está limitada a líquidos con viscosidades inferiores a 3000 centistokes. •

Generación de la fuerza centrífuga. El líquido de proceso entra a través de la aspiración a un elemento giratorio conocido como impulsor. Cuando gira el impulsor atrapa el líquido en el espacio situado entre los álabes y lo desplaza hacia la descarga proporcionándole aceleración centrífuga. En el punto de aspiración se crea una baja presión que hace que llegue más líquido. Dada la forma de los álabes el fluido es empujado en dirección tangencial a causa de la fuerza centrífuga. La figura 5-8


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muestra una vista seccional de una bomba, indicándose los principales elementos que la componen.

Fig. 5-8 Vista seccional de una bomba •

Conversión de energía cinética en presión. La idea principal consiste en que la energía creada por la fuerza centrífuga es energía cinética. La cantidad de energía suministrada al líquido es proporcional a la velocidad en el borde exterior del impulsor, por lo que cuanto mayor es su diámetro o más rápido gira mayor será la cantidad de energía suministrada. La energía cinética del líquido, al salir del impulsor, se encuentra con cierta oposición al paso del fluido. La primera resistencia que se presenta es la ocasionada por el choque del líquido contra la carcasa y su deslizamiento posterior por la misma. En la tobera de salida, o descarga, se produce la deceleración del líquido convirtiendo la velocidad a presión de acuerdo a la ecuación de Bernouilli, mostrada anteriormente. Hay que tener siempre presente que las bombas no generan presión sino que mueven caudal. El aumento de presión es una indicación de la resistencia al paso de fluido.

Fig. 5-9 Partes de una bomba centrífuga

•

Principales componentes de una bomba centrífuga. Las bombas centrífugas se componen de dos partes fundamentales:


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Módulo: 8A. Control de Procesos Comunes 




Móviles, compuestas por el impulsor y el eje. Fijas, como son la carcasa, o cuerpo de la bomba, y los cojinetes.

La figura 5-9 muestra una bomba centrífuga sobre la que se han marcado los principales componentes. •

Sistemas de control. La mayor parte de las bombas instaladas no necesitan ningún tipo de control. Teniendo en cuenta que la selección de las bombas se hace razonablemente bien, no suelen ser críticas las variables de caudal y presión. Sólo es suficiente tener en cuenta si una bomba en particular necesita mantener un caudal mínimo, en cuyo caso hay que instalar un sistema de control de este caudal, como se verá más adelante. Cuando sea necesario controlar alguna variable hay que tener en cuenta una serie de conceptos, entre los cuales se pueden citar los que aparecen a continuación ligados al tipo de variable: •

Caudal. Suele ser una variable usual desde el punto de vista de control. En general, el mejor lugar para colocar el medidor se encuentra en la impulsión de la bomba, salvo en aquellas instalaciones en que la impulsión se encuentre a una presión elevada y la aspiración disponga de suficiente NPSH para que no ocasione ningún problema la pérdida de carga que produce el medidor.

•

Nivel. En este caso hay que tener en cuenta si la bomba se encuentra a la entrada o la salida del recipiente. En cualquier caso el controlador debe actuar sobre una válvula automática situada en la impulsión de la bomba. Un control de nivel perfecto implica que el caudal de salida del recipiente ha de ser igual al de entrada. A veces el recipiente se utiliza como acumulador que atenúe perturbaciones al proceso situado aguas abajo, en cuyo caso es conveniente que el caudal de salida se mantenga lo más estable posible manteniendo un caudal medio respecto al de entrada. En otras palabras, se permite que el nivel no se mantenga exactamente en el valor del punto de consigna sino que oscile entre unos límites determinados para absorber las perturbaciones de entrada.

•

Presión. La medida de presión se debe instalar exactamente en el lugar donde se quiere mantener controlada, bien en el circuito de entrada o en el de salida de la bomba, debiendo tener cuidado que la toma de presión no se encuentre entre la impulsión de la bomba y la válvula de bloqueo de esta corriente. Por otro lado hay que prestar atención a la curva de la bomba porque algunas presentan un perfil prácticamente plano a partir de cierta presión próxima a la máxima cuando se encuentra cerrada la impulsión (shutoff), o incluso con pendiente descendente inversa lo que hace extremadamente difícil el control de presión. En este caso se debe utilizar un sistema de control de caudal mínimo para evitar que se alcance la región inestable.

2.1. Tipos de curvas Desde el punto de vista de operación es importante la “estabilidad” de las curvas. Como se ha visto anteriormente en la figura 5-7, una bomba centrífuga opera en el punto de intersección de las curvas del sistema y de la propia bomba. Si la curva de la bomba es “estable” sólo existirá un punto (P) de intersección entre ambas curvas. Si la curva es “inestable” como la curva 1 que aparece en la figura 5-10, existirán dos puntos de intersección. En este caso existen dos caudales para la misma presión o carga. Master ISA de Instrumentación y Control

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N Ó I S E R P

1

2

1. Igual presión dos caudales 2. Ligera pendiente hacia Q=0

3 CAUDAL

3. Caudal creciente continuo

Q

Fig. 5-10 Tipos de curvas

En el ejemplo que muestra la figura 5-10 las curvas 1 y 2 son inestables por debajo del caudal Q, por lo que habrá que prestar atención si se diseña un sistema de control ONOFF en función de presión o caudal. La curva 3 es estable en todo el rango de caudal, siendo la única aceptable para controlar por medio de estrangulamiento con válvulas.

2.2. Control ON OFF Este sistema de control es el más simple de todos y se utiliza en aquellos casos en los que es necesario desalojar un volumen acumulado en algún recipiente, como ocurre en el ejemplo que muestra la figura 5-11. También se utiliza cuando es necesario poner en servicio una bomba instalada en paralelo con otra que se encuentra en servicio. Si la presión de impulsión disminuye por debajo de un valor determinado, o bien disminuye el caudal, tiene que ponerse en marcha la bomba de reserva. En ambos casos puede tratarse de un fallo en la bomba principal, o bien que se ha parado.

LSH

LSL

Fig. 5-11 Control de nivel ON-OFF

En el ejemplo de la figura 5-11 se tienen dos elementos primarios para detectar alto nivel (LSH) y bajo nivel (LSL). Además se debe tener la posibilidad de poner en marcha o parar la bomba a voluntad del operador. Con objeto de simplificar, en la figura 5-12 se presenta, como ejemplo, un esquema eléctrico en el que se supone que la bomba está accionada por un motor monofásico de 230 Vca. Aunque en esta figura el circuito de mando se alimenta de 230 Vca, generalmente el relé suele estar alimentado a 24 Vcc y el motor a 400 Vca trifásica, por lo que existen dos circuitos independientes.

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Marcha LSH

LSL

RELE Parada



Las condiciones de proceso de este sistema corresponden a las que se muestran en las figuras 5-11 y 5-12, es decir, nivel de líquido entre ambos contactos. Como consecuencia el contacto LSL se encuentra cerrado, el LSH abierto y la bomba parada. Cuando aumente el nivel de líquido se alcanzará el máximo, el cual se detecta en LSH, cerrando este contacto. Esto hace que se excite el relé a través de LSH, LSL y el pulsador de parada. Al excitarse el relé se cierra el contacto R2 poniendo en marcha el motor que acciona la bomba. Al mismo tiempo se cierra el contacto R1, cerrándose el circuito a partir de este momento a través de R1, LSL y el pulsador de parada, de forma que aunque se abra el contacto LSH por bajar el nivel se mantendrá la bomba en marcha hasta alcanzar el LSL o pararla de forma manual con el pulsador de parada. En este momento se abren contactos R1 y R2 quedando el circuito preparado para la próxima secuencia de eventos.

2.3. Control por medio de válvulas automáticas Existen tres posibles casos para controlar el caudal suministrado por una bomba añadiendo válvulas automáticas en el circuito. Los lugares donde colocar la válvula son: •

Impulsión

•

Aspiración

•

Reciclo para mantener caudal mínimo

En los apartados siguientes se muestran las diferencias que existen entre ellos. Antes de continuar conviene ver la curva característica Caudal Altura (Q/H) de una bomba junto con la del proceso donde se encuentra instalada, conocida generalmente como curva del sistema o del circuito. Estas aparecen en la figura 5-13. La intersección de ambas define el punto de operación, el cual es muy difícil que cumpla con todos los requerimientos exigidos en el proceso en concreto. Como consecuencia se hace necesario modificar alguna de estas curvas para cumplir con la especificación de caudal o presión requeridos en cada momento.


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La nomenclatura que aparece en la figura 5-13 es la siguiente:

P0. Presión diferencial, o carga, en el punto de operación Q0. Caudal en el punto de operación Qmx. Máximo caudal de descarga de la bomba Pmx. Máxima presión diferencial a través de la bomba (shutoff) Pmn. Mínima presión diferencial entre los puntos origen y destino del bombeo La mínima presión diferencial, o presión estática, corresponde a la existente cuando la bomba está parada. Puede ser cero o mayor de cero si se encuentra conectada en paralelo con otra bomba que se encuentra en marcha. 2.3.1. Control por estrangulamiento de la impulsión Considerando la bomba desde el punto de vista de proceso se puede decir que al colocar una válvula automática en la impulsión se ha introducido una restricción en este proceso. Este hecho tendrá como consecuencia la rotación de la curva de la bomba en el sentido de las agujas del reloj, quedando como aparece en la figura 5-14. La curva modificada de la bomba corresponderá al conjunto de bomba y válvula automática. Existe otra manera de ver el conjunto y es incluyendo la válvula en el sistema de forma que la curva del mismo se desplace en sentido contrario a las agujas del reloj. Esta forma de contemplar el conjunto da como resultado la curva del sistema modificado que también aparece en la figura 5-14.


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En cualquiera de los dos casos el caudal Q1 es el mismo. La diferencia entre ambas presiones corresponde a la pérdida de carga que introduce la válvula automática. Se puede ver que modificando la apertura de válvula, es decir, la caída de presión a través de la misma, se modifica el punto de operación de la bomba. Esto da como resultado diferentes caudales y presiones de operación. 2.3.2. Control por estrangulamiento de la aspiración La segunda posibilidad de control mencionada es colocando la válvula en la línea de aspiración. El problema que se presenta es la posibilidad de provocar cavitación en la bomba. Como se ha visto anteriormente, la cavitación puede ocurrir si disminuye la presión por debajo de la presión de vapor del líquido. Por tanto, es muy importante que la presión no se reduzca nunca por debajo de este valor. Una forma de conseguir que no se produzca la cavitación es manteniendo, durante todo el tiempo, la NPSHd por encima de la NPSHr, por lo que, para asegurarse que se cumple esta condición, es conveniente NO instalar nunca válvulas de control en la aspiración de una bomba centrífuga. 2.3.3. Control de caudal mínimo Este sistema de control se utiliza cuando es necesario proteger la bomba frente a caudales muy bajos. Las bombas centrífugas tienen dos requerimientos: •

•

NPSHd mayor que el requerido en todo momento para evitar que se alcance la presión de vapor del líquido. Mantener un cierto caudal mínimo

El primer requerimiento ya ha sido mencionado anteriormente, por lo que no se va a tratar en este apartado. Con respecto al caudal mínimo, suele estar incluido en las bombas de gran tamaño, o gran capacidad. En cualquier caso el caudal mínimo lo marca el fabricante. Cuando se cierra, o bloquea, el flujo que pasa a través de una bomba, por ejemplo, cerrando una válvula en la impulsión, se produce una elevación de la temperatura del Master ISA de Instrumentación y Control

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líquido llegando a producir vapor en producto tales como LPG, en cuyo momento desciende bruscamente la NPSHd pudiendo ocasionar desperfectos en la bomba. La elevación de temperatura se produce al estar “batiendo” el líquido entre impulsión y aspiración.

ENTRADA

RECICLO

RECICLO

ORIFICIO DE RESTRICCIÓN FC

FC

1

2

A PROCESO

Fig. 5-15 Reciclo mínimo

En la figura 5-15 aparecen dos sistemas de protección de reciclo mínimo. El primero de ellos por medio de una válvula automática situada en la línea de reciclo y el segundo instalando un orificio de restricción en la línea de reciclo. En cualquiera de los casos es conveniente que el caudal de reciclo se envíe a un recipiente situado en el lado de aspiración con objeto de eliminar el calentamiento que se produciría si esta corriente se retornase directamente a la aspiración de la bomba. El caudal de proceso se controla por medio un lazo de caudal (FC-2) cuyo punto de consigna será el demandado por el proceso. El sistema con orificio de restricción tiene dos inconvenientes, como son: pérdida de energía cuando el caudal de proceso es superior al mínimo requerido por la bomba y pérdida de caudal de impulsión en caso de tener que operar al máximo de la bomba. Como ventaja tiene que es más barato a la hora de la instalación original. Esta ventaja es aparente, puesto que se debería efectuar el cálculo teniendo en cuenta la vida útil de la bomba en el proceso. El mejor método, desde el punto de vista energético, es el que dispone de válvula automática en la línea de reciclo. Con este sistema se mide el caudal total de impulsión de la bomba (FC-1), y se manipula la válvula del reciclo de forma que si el caudal es mayor del mínimo exigido se mantendrá la válvula cerrada, mientras que si es menor del mínimo abrirá lo justo para mantener este caudal mínimo. La válvula debe tener acción a fallo abre para proteger siempre la bomba incluso ante fallo en el sistema de control.


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2.4. Control mediante velocidad de giro Con este sistema se adapta la característica de la bomba a los cambios en la demanda del proceso. Tiene la virtud de utilizar exclusivamente la energía necesaria en cada momento, puesto que el circuito no presenta ningún tipo de restricción como ocurre cuando se instalan válvulas automáticas.

Fig. 5-16 Curvas de velocidad

La figura 5-16 muestra una familia de curvas para diferentes velocidades, en donde se puede ver que todas ellas alcanzan la curva del sistema antes de llegar al caudal máximo de la bomba, representado por Qmx. Este sistema se consigue instalando un motor de velocidad variable para mover la bomba. Generalmente se consigue la variación de velocidad por medio de variadores de frecuencia. También se utilizan turbinas de vapor o gas en ciertas aplicaciones. Actualmente no existe una utilización masiva de este sistema porque en motores de poca potencia el ahorro de energía no es significativo, y en motores de gran potencia la inversión en el variador de frecuencia puede llegar a ser importante dentro del conjunto.

2.5. Instalación típica La figura 5-17 muestra la instalación típica de una bomba centrífuga, incluyendo aquellos elementos de control y protección necesarios al tratarse del bombeo de hidrocarburo con facilidad para volatilizarse.

ENTRADA

RECICLO

LC 1

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Master ISA de Instrumentación y Control LSL SP

M ZSL

FC

FC

1

2

A PROCESO



En esta figura aparecen lo siguientes componentes: •

Sistema de control en cascada entre nivel del acumulador y caudal de salida.

•

Válvula antirretorno para evitar sentido de flujo inverso cuando la bomba se encuentre parada.

•

Válvula motorizada actuada por el sistema de seguridad para aislar el r ecipiente en caso de emergencia.

•

Sistema de enclavamiento (interlock) que para la bomba ante:

•

•

Válvula motorizada no abierta totalmente

•

Bajo nivel en el acumulador

Control de reciclo mínimo de la bomba

Además de estos elementos pueden existir otros indicadores locales tales como: •

Manómetro en la aspiración para comprobar el NPSHd

•

Manómetro en la impulsión para ver que la bomba está en marcha

•

Termómetro en la aspiración como referencia para la presión de vapor

3. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Las bombas de desplazamiento positivo son incluso más simples que las centrífugas vistas anteriormente. Tienen la misma función básica, es decir, desplazar un líquido desde un lugar a otro del proceso. Existe una gran variedad de bombas de desplazamiento positivo, aunque pueden ser divididas en dos grupos: alternativas y rotativas. Desde el punto de vista de control ambas tienen el mismo tratamiento.


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3.1. Curva característica La curva característica correspondiente a las bombas de desplazamiento positivo es muy simple y raramente se dibuja. Se trata de una línea prácticamente vertical, tal como muestra la figura 5-18.

Fig. 5-18 Curva característica En este tipo de bombas, bloqueando la impulsión con una válvula aumentará rápidamente la presión. Igual que en el caso de bombas centrífugas, la intersección entre la curva del sistema y la correspondiente a la bomba determina el punto de operación. Más adelante se verán los diferentes sistemas de control de caudal que se aplican en este tipo de bombas, los cuales se pueden resumir como: •

Control de Marcha – Parada (ON–OFF)

•

Control derivando caudal

•

Control mediante la velocidad de giro

3.2. Medidores La aplicación más común de las bombas de desplazamiento positivo se encuentra en los servicios de alta presión, en donde el caudal no tiene excesiva importancia, siendo, por tanto, muy común el control de presión de impulsión. Hay que tener presente que la impulsión de cualquier bomba de desplazamiento positivo produce oscilaciones, desde las más pequeñas producidas por bombas rotativas a las más fuertes producidas por las bombas alternativas de simple efecto. Las pulsaciones pueden ser absorbidas utilizando amortiguadores de señal instalados en los elementos primarios. También se consigue por medio de los ajustes de “damping” que disponen los transmisores electrónicos. Los sistemas de control distribuido son especialmente sensibles a las pulsaciones debido al fenómeno conocido como “aliasing” y que puede verse en la figura 5-19.


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La curva pulsante es la medida real del caudal de salida de una bomba de desplazamiento positivo. Los puntos “X” corresponden a los momentos en los que el sistema toma lectura y, como se puede ver, entiende que el caudal está aumentando cuando en realidad el caudal medio permanece constante. Una forma de eliminar este efecto es instalando filtros de alta frecuencia antes de que se efectúen las medidas del sistema de control distribuido. Mejor aún, siempre que se pueda es preferible instalar los medidores de caudal en la aspiración.

3.3. Control ON - OFF El control ON−OFF en las bombas de desplazamiento positivo es básicamente igual al descrito para las bombas centrífugas. Cuando se trata de líquidos muy viscosos se crean, a veces, problemas con el control ON−OFF porque se adhieren sólidos, no siendo recomendable este tipo de control. En su lugar se puede instalar un sistema de recirculación para que siempre exista paso de fluido a través de la bomba.

3.4. Control mediante válvulas automáticas Como siempre, el ingeniero de control de procesos tiene la responsabilidad de adaptar la capacidad de la bomba a la demanda. Al tener dos líneas de proceso, una de entrada y otra de salida, existen tres posibilidades para acoplar la válvulas automáticas: impulsión, aspiración y reciclo. 3.4.1. Control por estrangulamiento de la impulsión En la figura 5-20 se puede ver que la curva del sistema se desplaza en sentido contrario a las agujas del reloj, interceptando a la curva de la bomba en un punto mucho más alto. La diferencia de presión se absorbe en la válvula automática, mientras que el caudal permanece prácticamente igual que antes del aumento de presión. Lo único que se ha conseguido es que la bomba trabaje a más presión con el consiguiente deterioro y aumento en la potencia consumida.


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Como consecuencia, NUNCA se debe controlar una bomba de desplazamiento positivo instalando la válvula automática en la impulsión, a no ser que se instale un sistema de protección por alta presión. 3.4.2. Control por estrangulamiento de la aspiración La instalación de una válvula automática en la aspiración tiene el mismo efecto sobre la curva que la instalada en la impulsión. Por otro lado las bombas de desplazamiento positivo tienen los mismos requerimientos de NPSH que las bombas centrífugas. Por tanto, debe eliminarse la posibilidad de ocasionar restricciones en la línea de aspiración. Dicho de otra manera, NUNCA se debe instalar una válvula automática en la aspiración de una bomba de desplazamiento positivo. 3.4.3. Control mediante recirculación En realidad se trata del único medio para controlar las bombas de desplazamiento positivo. La figura 5-21 muestra un ejemplo simple de control de caudal con válvula instalada en el reciclo. Por motivos de seguridad, la válvula ha de tener acción a fallo abre para que no se presurice el circuito de la bomba ante fallo del sistema de control.

ENTRADA

RECICLO

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FC



La figura 5-22 muestra la curva característica instalando la válvula en el reciclo. Existen dos formas de ver estas curvas. La primera es la rotación de la curva del sistema en el sentido de las agujas del reloj. En este caso se produce una reducción en la presión, enviando parte del caudal suministrado por la bomba al depósito de aspiración.

Fig. 5-22 Válvula en el reciclo La segunda opción es ver que la curva de la bomba gira en sentido contrario a las agujas del reloj, lo cual produce el mismo efecto que en el caso anterior, es decir, disminución de presión y recirculación de producto al depósito de aspiración. Como consecuencia se puede decir que este es el único método de control de bombas de desplazamiento positivo. Puesto que estas bombas suministran un caudal fijo, la potencia requerida es proporcional a la presión de impulsión, y como el reciclo tiene la función de reducir presión se producirá una disminución en el consumo de energía.

3.5. Control mediante velocidad de giro Este método se basa en que el caudal suministrado por una bomba es proporcional a la velocidad de la misma. Teniendo un elemento conductor de la bomba tal como un motor con variador de velocidad se puede conseguir cualquier caudal sin necesidad de recurrir a recircular parte del producto impulsado. Esto hace que se produzca un ahorro energético al suministrar exclusivamente la potencia necesaria para el caudal que se quiere tratar.


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La figura 5-23 muestra la curva de un sistema, así como las de velocidad. En la práctica la velocidad suele oscilar entre 30 y 110 % de la velocidad nominal del motor. Por otro lado, este sistema suele tener mucha inercia en bombas de desplazamiento positivo, de forma que si una válvula modifica su apertura en el proceso, el sistema de control de velocidad no le sigue de forma rápida.

3.6. Instalación típica La figura 5-24 muestra la instalación típica de una bomba de desplazamiento positivo.

RECICLO

M VSH

PSL

ASPIRACIÓN

PSV

F.A.

PC

PSH

1

IMPULSIÓN

Fig. 5-24 Instalación típica de bomba de desplazamiento positivo

En esta figura se pueden ver: •

Control de presión en la impulsión. La válvula se encuentra en el reciclo.

•

Parada del motor por:

•



Baja presión de aspiración



Alta presión de impulsión



Vibraciones en la bomba

Válvula de seguridad con descarga sobre el reciclo


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Además se pueden instalar una serie de instrumentos locales tales como: •

Manómetro situado en la aspiración

•

Manómetro situado en la impulsión

•

Termómetro para ver la temperatura superficial de la bomba

3.7. Bombas dosificadoras Algunas bombas alternativas desalojan una cantidad muy precisa de líquido en cada recorrido o carrera. Estas bombas se conocen como dosificadoras y se utilizan para inyectar reactivos o aditivos en cantidades precisas y de poco caudal sobre otras corrientes de más caudal. Modificando la longitud de la carrera del émbolo se modifica a su vez el volumen aspirado en la carcasa y, como consecuencia, el caudal suministrado por la bomba. La figura 5-25 muestra un esquema simple de cómo se puede modificar, de forma manual, la longitud de la carrera en una bomba accionada por motor. Cuando se instala un sistema automático de control de la carrera, se suelen utilizar pistones o servos con actuación neumática, cuyo recorrido depende de la señal suministrada por el controlador correspondiente.

AJUSTABLE ASPIRACION

IMPULSION EJE DEL MOTOR

Fig. 5-25 Bomba dosificadora El caudal que debe suministrar este tipo de bomba suele ser muy exacto, por lo que a veces es necesario recurrir al contraste periódico de su exactitud con la bajada de nivel de un recipiente de pequeño volumen calibrado. La figura 5-26 muestra un sistema de corrección de la medida de caudal de aditivo suministrado a una corriente de proceso. La medida continua del controlador de caudal será:

PV Siendo:

M * K

M = Caudal medido por el transmisor K = Coeficiente de corrección

Periódicamente se efectúa el cálculo del coeficiente de corrección. La frecuencia dependerá de las dimensiones del recipiente de aditivo y del caudal suministrado al proceso, con objeto de comparar volúmenes que puedan proporcionar un coeficiente que sea representativo de la exactitud de la medida de caudal. Si la medida del transmisor es exacta, el coeficiente de corrección K será igual a la unidad. Master ISA de Instrumentación y Control

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Fig. 5-26 Calibración de bomba dosificadora

El depósito de aditivo debe tener una geometría a partir de la cual, la bajada de nivel en un intervalo de tiempo proporcione un volumen totalizado con la máxima exactitud posible. Por otro lado se totaliza el volumen suministrado por la medida de caudal corregido en el mismo intervalo de tiempo anterior. La comparación de estos dos volúmenes totalizados proporciona el factor de corrección que debe ser aplicado a la medida de caudal, realizada por el transmisor, para ser introducida como variable de proceso del controlador.


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BIBLIOGRAFÍA Instrument Engineers Handbook Béla G. Liptak & Kriszta Venczel Chilton Book Company Control Avanzado de Procesos. Teoría y Práctica J. Acedo Sánchez Editorial Díaz de Santos Controlling Centrifugal Pumps Walter Driedger Hydrocarbon Processing, July 1995 Controlling Positive Displacement Pumps Walter Driedger Hydrocarbon Processing, May 1996 The use of Variable Frecuency Drives as a Final Control Element in the Petroleum Industry Geoff Irvine & Ian H.Gibson Publicación del año 2000 Instalaciones de bombeo Gabriel Peche García Ingeniería Química, Septiembre 1982 Manual de Bombas Centrífugas Diego Alvarez de los Corrales Ingeniería Química, Octubre 1984 a Abril 1985


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Control de Bombas

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