Curvas Del Sistema

CURVAS DEL SISTEMA INDICE EN GENERAL INTRODUCCION ______________________________________________ Objetivos de Módulo __________________________________________

1 2

SECCION 1 – CURVAS DEL SISTEMA Introducción ________________________________________________ 3 Cabeza estática, la Ecuación de Darcy, y Curvas del Sistemas __________ 4 Número de Reynold’s ________________________________________ 8 Repaso 1 ____________________________________________________ 15 SECCION 2 – OPERACION DE BOMBAS EN SERIE Y EN PARALELO Introduction__________________________________________________ Operación en Serie ____________________________________________ Operación en Paralelo__________________________________________ Operación en Serie y en Paralelo ________________________________ Curvas en Serie y en Paralelo __________________________________ Control de la Bomba en Serie y en Paralelo ________________________ Repaso 2 ____________________________________________________

17 18 18 19 20 22 24

SECCION 3 – IMPULSOR DE FRECUENCIA VARIABLE Y ESTRANGULAMIENTO (VFDs) Introducción ________________________________________________ Estrangulamiento ____________________________________________ Curvas Describiendo el Estrangulamiento __________________________ Impulsor de Frecuencia Variable (VFDs) __________________________ Operación de VFDs __________________________________________ Repaso 3 ____________________________________________________

27 28 29 32 33 34

SECCION 4 – EJEMPLO DE OPERACION Introducción ________________________________________________ Sistema de Balance ____________________________________________ Factores Que Afectan las Curvas ________________________________ Repaso 4 ____________________________________________________

37 38 39 44

RESUMEN ____________________________________________________ 45 GLOSARIO __________________________________________________ 46 RESPUESTA____________________________________________________ 48

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar inmediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

SISTEMA DE CURVAS Equipo de Oleoducto

© 1995 IPL Technology & Consulting Services Inc. Reproducción Prohibida (Octubre, 1995)

IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Toser 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7

Teléfono Fax

+1 - 403 - 420-8489 +1 - 403 - 420-8411

Referencia: 2,13 Sistema de Curvas - Ago, 1997

PROGRAMA DE OPERACION DE ENTRENAMIENTO DE OLEODUCTOS SYSTEM CURVES

HABILIDADES DE ESTUDIO Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones. 1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entre capítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será más fácil recordar la información. 3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección del módulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información. 4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de un vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?” 5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.

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PIPELINE OPERATIONS TRAINING PROGRAM

6. Cuando esté tomando notas en el salón de clases considere la siguiente técnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo en las página de la derecha. Reserve las página de la izquierda para sus propias observaciones, ideas o áreas en las que necesite aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructor hace , es posible que usted las encuentre en el custrionario final. 7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar. 8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla(acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio. 9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es importante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.

iv

CURVAS

DEL

SISTEMA

En el módulo - LEYES de AFINIDAD, discutimos las Leyes de Afinidad y cómo influencian las características de la bomba. En el módulo CURVAS de BOMBA, se observaron las curvas de bomba, y como las características de la bomba pueden ser representadas en un gráfico. Los operadores del centro de control pueden utilizar curvas de las bombas para ayudar en la selección de la unidad y describir las condiciones operativas en el oleoducto.

INTRODUCCION

Basados en los conceptos mencionados de los módulos anteriores, este módulo discute el sistema de curvas, las curvas de las bombas, y como ellas influyen en el punto operativo del sistema de oleoductos. En línea general, el sistema de curvas (o características del sistema) establece los efectos de cómo la resistencia, y pérdidas de fricción, determinan los cambios en el flujo como el volumen de flujo. Manipular con el sistema de curvas o con la curva de capacidad de cabeza cambia el punto donde estas dos curvas se interceptan llamado punto operativo. En este módulo discutimos varias maneras de manipular el punto operativo. Las curvas del sistema y de bombas tienen un uso muy práctico. Cada punto en cada curva se deriva de datos del campo. Las curvas de bombas, combinadas con curvas del sistema, pueden ser utilizadas para demostrar las condiciones hidráulicas en las cuales la bomba opera. Además, si hay cambios notables o disminuciones apreciables en la presión de salida esperada de una unidad de bombeo, como indican las curvas de la unidad, un operador investigaría si se ha producido modificaciones o cambios en el diseño de la bomba. Las modificaciones al tamaño del impulsor afectan claramente la cabeza y el flujo, así como el BHP. Sabiendo exactamente el motivo del cambio en el diseño, como un nuevo tamaño de impulsor, las características de la nueva bomba pueden ser estimadas utilizando las Leyes de Afinidad. El estar informado de las modificaciones a una unidad de bomba, permite al operador prevenir y predecir el comportamiento de la bomba antes del arranque. Anticipar el rendimiento de la presión del bomba, es mejor que ser sorprendido por un cambio inesperado en el comportamiento de la unidad y se conseguirá un operador con una gran habilidad de anticipar las presiones deseadas en el oleoducto.

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PROGRAMA DE OPERACION DE ENTRENAMIENTO DE OLEODUCTOS

Este módulo presenta la información para conseguir los siguientes objetivos. • Explica combinaciones en serie, combinaciones en paralelo, impulsor de velocidad variable, y curvas del sistema. • Describe los elementos básicos del sistema de control de la unidad de bombeo. • Describe el arranque de la unidad de bombeo, apagado, y la secuencia de control de cambios de la unidad en términos de posición de la válvula y tiempo. • Enumera las condiciones que causan fallas en el motor de la bomba y explica como pueden ser evitados. • Discute maneras en las cuales unidades pueden ser seleccionadas PREREQUISITOS y estranguladas efectivamente.

PROPOSITOS DEL MODULO

LEYES DE AFINIDAD CURVAS DE LAS BOMBAS

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CURVAS

DEL

SISTEMA

SECCION 1

CURVAS DEL SISTEMA

Reconocer sistema de curvas en relación a las variables del ducto y características del ducto fijas asisten a operadores en determinar cómo responder cambios en puntos de operación de bomba y determinar efectivamente la capacidad máxima o deseada del ducto.

INTRODUCCION

Después de esta sección podrá completar los siguientes propósitos.

PROPOSITOS • Reconocer la descripción de una curva del sistema en términos simples. • Relacionar las curvas del sistema, gradientes hidráulicos, y la ecuación Darcy. • Reconocer la definición del término punto de operación, y encontrar el punto operativo en una curva de bomba. • Identifique los pasos al cambiar el punto de operación de la bomba.

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CABEZA ESTATICA, LA ECUACION DE DARCY Y LAS CURVAS DEL SISTEMA

Una curva del sistema muestra cómo variables como la viscosidad, densidad y volumen de flujo se combinan con condiciones fijas tales como longitud de tubería, diámetro interno de la tubería, rugosidad interior de la tubería, y cambios en elevación. Estas variables y las condiciones fijas influyen el rendimiento total. Suponga que existen dos tanques, uno a una elevación más alta que el otro. Entre los dos tanques existe una sola línea de tubería conectada a una bomba que transfiere el fluido de un tanque a otro (ver Figura 1). B

H1

A

Bomba

Figura 1 Un sistema de bombeo y tuberías muy simple

Dos tanques a elevaciones diferentes son conectados por una sola linea equipada con una bomba. Asuma que ambos tanques se encuentran abiertos a la atmósfera, y que el nivel en el punto B es H1 sobre punto A. Es posible calcular la pérdida de presión debido a la fricción en el punto donde el líquido sale del tanque inferior al punto donde entra al tanque superior, para cualquiera tasa de flujo. Para hacer este cálculo, necesitamos saber: • diámetro interior del ducto de aguas arriba y aguas abajo de la bomba • longitud total del ducto para cada uno de los diferentes diámetros • número de codos en la tubería • número y tipo de toda las válvulas y accesorios a lo largo del enrutado del ducto • Rugosidad interior de la tubería y • viscosidad y densidad de los líquidos.

4

CURVAS

DEL

SISTEMA

Todas las condiciones y variables “reales” arriba mencionadas, pueden ser medidas utilizando tablas. Por ejemplo, los codos del ducto tienen una resistencia al flujo correspondiente que puede ser expresada como una longitud equivalente a la tubería. Adicionalmente, si se sabe la diferencia de elevación de los niveles del líquido entre el Tanque A y el Tanque B, es posible calcular las características del sistema para transferir liquido desde A hacia B. La figura 2 es la representación del sistema característico del sistema simple mostrado en la Figura 1.

LA LEY DE DARCY

Los valores de la curva son calculados utilizando la formula para la caída de presión. Esta ecuación se conoce como la Ecuación de Darcy o la Ley de Darcy y se deriva originalmente de Henry Darcy en 1856.

Donde: f = L= d= v= g=

factor de fricción obtenido del gráfico longitud de la tubería diámetro interno de la tubería la velocidad del flujo del liquido en la tubería aceleración debido a la gravedad

otras unidades pueden ser substituidas

C a b e z a (ft)

Figura 2 Curvas para el sistema mostrado en la figura Figura 1

H1 0 0

Flujo (Bbl/hr) (m3/hr)

Esta curva demuestra las características del sistema para un ducto simple mostrado en la Figura 1.Note que por cada volumen de flujo, la bomba debe generar diferente de cabeza, ya que si el volumen de flujo aumenta en el ducto, así también el requisito de la cabeza.

5


Otros refinamientos a la ecuación de Darcy son desarrollados para casos especiales, pero los principios básicos de la ecuación son aún usados. Es importante recordar que para un rango limitado de flujos, la única variable que cambia en la ley de Darcy es la velocidad. Las otras variables: la longitud de la tubería, el diámetro interior de la tubería y la aceleración debido a la gravedad no cambian dentro de un sistema simple. Es por esto, que la velocidad es la variable mas importante. La velocidad y el volumen de flujo se encuentran directamente relacionados, si se duplica la velocidad, entonces se duplica el volumen de flujo. Así mismo, si se triplica la velocidad, el volumen de flujo se triplica.

LA LEY DE LOS CUADRADOS

Note como la velocidad en la fórmula esta relacionada con la caída de presión :la caída de presión en el ducto es proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido dentro del ducto. Formalmente, el principio establece que para un rango limitado de volumenes de flujo, la caída de presión es proporcional al cuadrado de la velocidad (o volumen de flujo). La ecuación de caída de presión puede ser expresada también como sigue: perdida de presión, hf ≈ k × Q2 donde: k = constante la cual incluye todos los otros factores que no cambian Q = volumen de flujo (también llamado capacidad) ≈ significa “aproximadamente igual a” La caída de presión es proporcional al cuadrado de la capacidad. La caída de presión sigue la ley de los cuadrados ya que, para un cambio en la capacidad del volumen de flujo, la caída de presión cambia con el cuadrado del cambio de la capacidad. Nota: La Capacidad es generalmente entendida como el máximo volumen de flujo para el cual una bomba es trabajada. Esta es llamada “curva H-Q” una “curva de volumen de flujo/cabeza”).

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CURVAS

DEL

SISTEMA

La ecuación Darcy permite que se calcule un sistema teórico característico para un número diferente de flujos. Para oleoductos existentes y factores conocidos tales como pérdida de cabeza, se han preparado tablas de la ecuación Darcy para tipos comunes de tamaños de tuberías en un sistema de oleoductos y para aquellas características de varios líquidos que tienen efecto en el factor fricción. Esas tablas muestran pérdida de cabeza en pie por milla de tubería (ó frecuentemente en unidades métricas para un amplio rango de volúmenes de flujo), permitiendo que la estimación de presión baje para muchos flujos. A un flujo de cero, la curva siempre corta el eje vertical en H1, la diferencia en elevación que la bomba debe sobrellevar en éste requerimiento de cabeza antes de que comience el flujo. El flujo actual se puede medir con una medición en la línea, ó midiendo la profundidad del líquido en los tanques en dos mediciones diferentes y calculando el cambio del volumen del tanque en relación al intervalo de tiempo.

LA LEY DE DARCY EN LA PRACTICA

Flujo (Bbl/hr) 0

6290

12 580

18 870

600

C a b e z a (ft)

500 400 300 200 50 ft

100

450 ft.

200 ft

H1 0

1000

2000

3000

Flujo (m3/hr) Figura 3 Curvas del sistema para Conjunto 1 La curva del sistema muestra flujos y cabezas típicas según se refieren al sistema de la Figura 1.

En la Figura 3 la línea horizontal (H1) representa la diferencia en elevación entre dos tanques. Esto se llama cabeza estática, ó presión que debe sobre pasar la bomba antes de que cualquier líquido pueda comenzar a fluir en la tubería. Al aumentar el flujo a 6290 Bbl/hr (1000 m3 /hr), la cabeza dinámica requerida de la bomba aumenta a 150 pies - 100 pies para la cabeza estática, y unos 50 pies adicionales para la pérdida por fricción.

7


Al aumentar el flujo a 12 580 Bbl/hr (2000 m3 /hr), la cabeza dinámica requerida aumenta a 300 pies. Esto es aún 100 pies para la cabeza estática pero ahora 200 pies para la pérdida por fricción. Note que la pérdida de fricción ha aumentado cuatro veces desde 50 pies a 200 pies así como el volumen de flujo se ha duplicado. De la misma manera, cuando el volumen de flujo aumenta a 18 870 Bbl/hr (3000 m3 /hr), la pérdida por fricción aumenta nueve veces desde 50 pies hasta 450 pies. Recuerde, es importante aplicar la relación de la ley cuadrada a la porción de pérdida de fricción de la curva del sistema de y no a la carga estática. La Figura 4 gráficamente detalla lo que se ha cubierto hasta ahora.

9 8 7 6

0 0 0 0

5

0

4

0

3

0

2

0

1

0

Volumen de Flujo

Variables que Cambian

Figura 4 Pérdida de Cabeza

Viscosidad

Esta figura muestra la relación entre los factores que contribuyen a las pérdidas de cabeza en un sistema del oleoducto.

Gravedad (Densidad)

Rugosidad Interna de la Tuber a

Presi n Total en el Sistema

Di metro Interior del Tubo

Longitud del Tubo

EL NUMERO DE REYNOLD’S

MAS Determinan Condiciones Fijas

Cambios en la Elevaci n

Otro concepto importante que necesitamos entender antes de analizar diferentes tipos de curvas de sistemas es el número de Reynold’s. El número de Reynold’s es usualmente descrito por la siguiente fórmula: ρ µ donde:

D v ρ µ

= = = =

diámetro interno de la tubería velocidad del líquido dentro del ducto (rho) es la densidad del líquido (mu) es la viscosidad del líquido

El número de Reynold’s no tiene unidades; sin embargo, indica claramente el tipo de flujo presente en el ducto.

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CURVAS

DEL

SISTEMA

0.07 Zona de Turbulencia Lm

it e

0.05

de

eg

R

Regi n de Transici n

0.04

la

Factor de Fricci n — f

0.06

in

0.03

de

T ra

nsi

ci

n

Tama o del Tubo

0.02

3" 4" 6"

0.015

12" 16" 24" 36" 48"

Zona Zona Laminar Cr tica 0.01 103

2 3 45

104

2 3 45

105

2 3 45

106

2

3 45

10 000 000

N mero de Reynolds, NR

Figura 5 Relación entre el factor de fricción y el número de Reynold’s Esta figura indica una tabla simplificada de cómo el factor de fricción f, se relaciona con el número de Reynold’s, Nre, para algunos tamaños de tubería típicos. Note que las escalas son logarítmicas para tener mayor número de datos en la tabla.

Un número de Reynold’s, por debajo de aproximadamente 2000, para un flujo en particular en un ducto, indica que el flujo en el ducto es laminar. El flujo laminar es una condición de líquidos con bajas tasas de flujo en el cual el fluido en el centro del oleoducto se mueve mas rápido que el líquido que fluye en las cercanías de las paredes de la tubería. Las operaciones con tasas de flujo laminar deben ser evitadas por dos razones principales: • la primera, el factor de fricción para tasas de flujo en esta área es mucho mayor que en tasas de flujo en áreas de flujo turbulento (ver abajo), es por esto que para flujo laminar, mucha mas energía es requerida para mover una cantidad equivalente de líquido, y • la segunda, puede ocurrir un mezclado de lotes, contaminando los productos y reduciendo su valor. (ver figura 6).

NUMERO BAJO DE REYNOLDS

9


Area de Mezclado

Lote B

Lote A

Figura 6 El flujo laminar causa mezcla de baches En flujo laminar, el líquido al centro del ducto fluye más rápido que el líquido en las orillas del ducto, y “aguijonea” dentro del bache anterior. En ésta “área de mezcla” los baches con densidad similar, ó lotes que se disuelven juntos de por sí, se combinan juntos, resultando un producto inferior.

UN NUMERO GRANDE DE REYNOLDS

ZONA CRITICA

REGION DE TRANSICION DE UNA ZONA TURBULENTA

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Un número alto de Reynold’s representa un rango de volumen de flujo en flujo turbulento. En éste caso, un número alto de Reynold’s puede ser desde 4000 hasta millones. Definimos flujo turbulento como el flujo que ocurre cuando las partículas líquidas fluyen en una dirección al azar y hacia adelante a la misma velocidad. Esto significa que la fricción de la pared del ducto no afecta ninguna parte del líquido más que cualquier otra parte cuando existen baches en el ducto con características de flujo diferentes. El ducto a se debe operar siempre con un volumen de flujo que resulte en un número alto de Reynolds. Entre éstos dos tipos de flujo, claramente definidos, (laminar y turbulento), desde NR e~ 2000 - 4000, es una zona crítica. La zona crítica es donde el flujo fluctúa y se alterna entre las condiciones laminares y turbulentas. Por lo tanto, la zona crítica es inestable. Se debe evitar operar en la zona crítica a toda costa. La inestabilidad del flujo hace que las presiones de los ductos fluctúen y ocurran las descargas de energía. Si el flujo inestable continúa por cualquier tiempo la bomba se podría dañar. Por favor refiérase a la Figura 5. Note que existe una región de transición. En ésta región, el flujo es aún turbulento, pero la turbulencia no se ha desarrollado completamente. Hacia la derecha de la región de transición, el flujo está completamente turbulento y no se obtiene una reducción mayor del factor de fricción al aumentar el volumen de flujo.

CURVAS

DEL

SISTEMA

Vamos a estudiar la fórmula del número de Reynolds nuevamente: D . v .ρ NRe = µ El número de Reynold’s se basa en relaciones entre el volumen de flujo, el diámetro de la tubería, densidad líquida, y viscosidad líquida. Cuando el ducto se diseña, las densidades y viscosidades proyectadas de los líquidos,como también, el rendimiento esperado y requerido se incluye para determinar el tamaño requerido del ducto.

CAMBIANDO EL NUMERO DE REYNOLDS

Si el diámetro de la tubería, D, se aumenta y la velocidad, v, se mantiene igual (ejem. el volumen de flujo se aumenta para mantener la misma velocidad) entonces el número de Reynolds aumenta. De la Figura 5 podemos ver que el factor fricción, f, disminuye según aumenta el número de Reynolds. La energía requerida para mantener la misma velocidad en un ducto más grande es menor por unidad de flujo que en un ducto mas pequeño. De la misma manera, a cualquier velocidad, v, ó densidad, ρ, se aumentan sin cambio alguno en el diámetro de la tubería, el número de Reynold’s aumenta. Por otro lado, debido a que la viscosidad es inversamente proporcional, un aumento en viscosidad disminuye el número de Reynold’s, y aumenta el factor fricción. Es mucho más difícil bombear aceite crudo con viscosidad tal como un aceite pesado que bombear un condensado. El punto de operación es determinar por comparación la curva de la bomba con la curva del sistema. Tome en consideración los ejemplos en los siguientes dibujos.

PUNTO DE OPERACION

Cabeza (H)

Curva de Cabeza de la Bomba Figura 7 Una curva de bomba típica Una curba de bomba típica en el sistema de acueducto

Flujo (Q)

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Figura 8 Curva del Sistema La figura muestra la misma curva de bomba que la Figura 7, pero con una curva de sistema sobrepuesta a ésta. H1 representa la cabeza estática.

te

m

a

Cabeza (H)

Curva de la Cabeza de la Bomba

C ur

va

d

S el

is

P

H1 Flujo (Q)

La Figura 7 indica que la cabeza que la bomba puede desarrollar a cualquier flujo particular. Si la curva del sistema se sobrepone en el mismo dibujo, como en la Figura 8, el resultado es dos curvas con el mismo eje- volumen de flujo contra cabeza - los cuáles se cruzan en el punto marcado P. Esto se llama el punto de operación. El flujo que corresponde al punto P es el flujo máximo que una bomba dada puede mantener en el oleoducto. A la derecha del punto P, la curva del sistema, la cuál es la resistencia total al flujo, son valores superiores que en el punto P, pero la cabeza de bomba disponible es menor. La bomba nunca puede alcanzar éstos volúmenes de flujo más altos en el oleoducto a menos que algo cambie - una bomba más grande, tal vez, ó un oleoducto más grande, una sección adicional que se enlace con el sistema existente, ó una adición de un sistema paralelo de tubería. Pero como está, el punto P es el flujo máximo posible en el sistema. La curva de resistencia del ducto (curva del sistema) es la suma de la cabeza estática que se debe mantener en el ducto aún a flujo cero, y la descarga de fricción pérdida de cabeza de fricción la cuál es función del flujo. El punto de operación de la bomba se determina con una caída de presión estática, que se adquiere con cambios de elevación que el líquido debe sobrepasar, y por bajas de presión dinámicas causadas por pérdidas de fricción del ducto y caídas de presión dinámicas a través de equipos tales com PCV. En la Figura 8, la curva del sistema representa: la suma de la cabeza estática, la cuál es constante, y la pérdida de cabeza por fricción, la cuál es proporcional a la raíz cuadrada del flujo (Q2). La cabeza estática puede afectar donde la bomba opera en su curva. Igualmente, cambios de la presión dinámica, tal como estrangulación (Figura 9), afecta la curva del sistema, y consecuentemente cambia el punto de operación.

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CURVAS

DEL

SISTEMA

Cabeza (H)

Curva Estrangulada Curva no Estrangulada H2 H1

Curva¯H

Figura 9 Efecto de Caída de Presión Dinámica en la Bomba al Punto de Operación. H1 Representa la Curva

Flujo (Q)

Las curvas características de bombas compuestas es otra forma de expresar gráficamente lo que se observa en la pantalla de línea de su monitor. La industria de oleoductos define control de estrangulación refiriéndose a la curva de cabeza del sistema: “Control de estrangulación es cuando la curva de cabeza del sistema es cambiada debido a una estrangulación.” La estrangulación aumenta las pérdidas por fricción en el sistema. Esto se interpreta como una curva del sistema mas inclinada que intercepta la curva H-Q a un volumen de flujo más bajo que antes, según se muestra en la Figura 9.

Cabeza (H)

C u r v a d e la cabe z a

d e la

bo m

b a AA 22

A1 R2

A3

R1 H1

R3

H2

Flujo (Q)

Curvas del Sistema

B 300 ft H1

A A 300 ft H2

B

Figura 10 Variaciones de la cabeza estática Esta figura muestra los desplazamientos arriba y abajo de la curva del sistema causados por tres variaciones de la cabeza estática; o pies, +300 pies, -300 pies.

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La figura 10 muestra el efecto de tres cabezas estáticas diferentes sobre el punto de operación. Note que el sistema o las curvas de resistencia son las mismas pero el punto de origen es diferente. Si no existe cabeza estática, entonces el punto de operación, punto A1, es en la intersección de la curva de resistencia de oleoducto R1, y la curva H-Q. Sin embargo, adicionalmente a la resistencia de oleoducto, la bomba debe superar la cabeza estática H1 de , por ejemplo, 300 pies, entonces la curva de resistencia R2 interceptará la curva H-Q en el punto de operación, A2. Suponga que la elevación del punto de destino esta localizada a 300 pies por debajo de la estación de bombeo. La cabeza total de la bomba requerida para llevar el líquido a través del oleoducto sería menor por la diferencia de elevaciones, H2. Diseñando el sistema o la curva de resistencia R3, se obtiene el punto de operación, A3. Dese cuenta también que el punto de operación A1 tiene el mejor flujo, reforzando el principio básico de este módulo, a medida que la cabeza disminuye, el flujo aumenta.

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CURVAS

DEL

SISTEMA

1. La curva de resistencia del oleoducto o curva del sistema es determinada por________.

a) b) c) d)

estudios y pruebas realizados por el ingeniería viscosidad del líquido cabeza estática y pérdida por fricción en el sistema del ducto densidad del líquido

REPASO 1

2. El punto en el cual la curva del sistema y la curva H-Q de la bomba se intercepta es llamado _____

a) b) c) d)

punto de intersección punto de corrida (runout point) punto de operación punto de resistencia

3. A medida que el volumen de flujo en el oleoducto aumenta, las pérdidas de presión debido a la fricción _________

a) b) c) d)

no cambian caen ligeramente se vuelven inestables aumentan

4. En un sistema de oleoducto estrangulado, la curva del sistema es ______ que un sistema no estrangulado.

a) mas inclinada b) menos inclinada

5. Si el diámetro del ducto es aumentado, y se dejan todas las otras variables constantes, entonces el factor de fricción del ducto.

a) b) c) d)

aumenta disminuye aumenta o disminuye, dependiendo de la tasa de flujo permanece constante

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6. Si no hay ninguna cabeza estática en un sistema la curva del sistema intercepta el eje vertical ________.

a) en cualquier parte, ya que el punto de intersección no está relacionado con la cabeza estática b) al punto que corresponde el número de Reynolds c) a un valor de cabeza cero d) donde corresponde el punto de operación 7

Al aumentar la tasa de flujo de sistema, el _____. a) flujo aumenta b) requerimiento de cabeza del sistema aumenta c) flujo disminuye d) factor de fricción disminuye

Las respuestas se encuentran al final de éste módulo.

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CURVAS

DEL

SISTEMA

SECCION 2

OPERACION DE BOMBAS EN PARALELO Y EN SERIE

Las características físicas de las estacionas de bombeo configuradas en paralelo y las configuradas en serie han sido discutidas en detalle en los módulos ESTACIONES DE BOMBEO y MODULOS DE OPERACIÓN DE BOMBAS. Ésta sección discute las curvas para éstas configuraciones y utiliza las curvas para demostrar cómo las bombas configuradas en serie y en paralelo se pueden usar para optimizar la operación del oleoducto. Después de ésta sección, usted podrá completar los siguientes propósitos • Interpretar el efecto de las configuraciones en serie en las curvas de bombas. • Relacionar cómo las configuraciones en serie se usan para aumentar el rendimiento de presión • Interpretar el efecto de las configuraciones en paralelo en las curvas de bombas. • Relacionar cómo las configuraciones en paralelo se utilizan para aumentar la capacidad de la línea.

INTRODUCCION

PROPOSITOS

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OPERACION EN SERIE

En la operación en serie (vea Figura 11) cada bomba recibe la presión acumulativa creada por la bomba ó bombas anteriores. Por ejemplo, si la presión de succión que entra en la Bomba 1 es 50 psi, y la presión de descarga de la bomba es de 300 psi, entonces la presión de succión entrando a la Bomba 2 sería de 300 psi, menos cualquier pérdida en la línea entre las dos bombas. De manera similar, si la presión de descarga de la Bomba 2 es de 500 psi, entonces la presión de succión entrando a la Bomba 3 es de 500 psi menos cualquier pérdida entre las dos bombas. Uno de los arreglos de estación de la línea principal más comunes es la estación en serie simple. A cualquier volumen de flujo dado el total de cabeza desarrollada es la suma de la cabeza generada por cada bomba a ese volumen de flujo.

Cabeza Total (H)

Ambas Bombas

Bomba Grande

Bomba Peque a

Figura11 Bombas en Series La cabeza de las bombas individuales son sumadas al mismo flujo.

Flujo (Q)

OPERACION EN PARALELO

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Para una curva de cabeza de sistema específica, dos bombas en paralelo (Figura 12) descargan la capacidad combinada de cada una a la misma cabeza. En contraste con la operación en serie de dos bombas en la cual las cabezas son aditivas mientras que la capacidad se mantiene constante. Una curva de series combinada muestran dos veces mas el rendimiento de cabeza de cada capacidad que la curva para una bomba sencilla, asumiendo que las dos bombas son idénticas. Generalmente lo contrario es cierto con una operación en paralelo, esto es, las capacidades de las bombas son aditivas mientras que la carga se mantiene constante.

CURVAS

Cabeza (H)

Bomba A Bomba B

DEL

SISTEMA

Combinada

QB QB

QA = QB HVAR HStatic

Flujo (Q) Figura 12 Bombas en Paralelos Flujos de bombas individuales son aditivos con una misma carga. Note que un punto nuevo de operación se podría crear por estrangulación.

En una operación en paralelo o en serie, el flujo se divide entre las bombas en serie y las bombas en paralelo de acuerdo con la capacidad de cada una de las unidades. Recuerde que la bomba en paralelo es una bomba de múltiples etapas y que las bombas en serie se comportan como una bomba de múltiples etapas.

OPERACION EN SERIE Y EN PARALELO

La capacidad del oleoducto se puede expandir añadiendo bombas en paralelo para cada estación de bombeo en una configuración combinada en serie o en paralelo, según se muestra en la Figura 13. Serie de 3 Bombas

Bomba de M ltiples Etapas

V lvula de Succi n de la Unidad

Figura 13 Configuración en Serie/Paralelo V lvula de Descarga de la Unidad

V lvula de Control de Presi n

V lvula de Control de Presi n

V lvula de Succi n de la Estaci n

V lvula de Descarga de la Estaci n

Las bombas en paralelo se añadieron para permitir que la tasa de flujo del ducto sea aumentado mientras que permita que las unidades en serie continúen operando a su tasa diseñada originalmente. Las bombas en paralelo se usan cuando la tasa de la linea requerida es muy alto para las unidades en serie existentes.

DESCARGA V lvula de Desv o de la Estaci n

19


En efecto, las bombas en series múltiples se comportan como una bomba de múltiples etapas. Es este hecho esencial que explica el uso de una bomba de múltiples etapas en una configuración en paralelo. Al colocar la bomba de múltiples etapas en paralelo con varias bombas en serie, una bomba de múltiples etapas se puede utilizar para igualar la salida de presión de varias bombas de etapa simple en serie. Muchos oleoductos han incorporado el uso de bombas en paralelo de múltiples etapas para mejorar la eficiencia y el comportamiento de las unidades en serie de etapa simple. Al operar tasas de flujo alto y al bombear aceite crudo pesado, las bombas en serie pueden ejercer más caballaje de fuerza de lo que un motor es capaz de producir. La decisión de utilizar bombas en paralelo se basa en la tasa de flujo y las características del aceite crudo que se bombea. El caballaje de fuerza requerido por una bomba es función de dos variables principales: • tasa de flujo y • las propiedades del líquido que se bombea. El programa de capacitación INTRODUCCIÓN AL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS explica que un aumento en la densidad y viscosidad demanda un aumento en el caballaje de fuerza de la bomba. Aunque la densidad del líquido no se puede cambiar, el volumen de flujo es flexible. Si la tasa de flujo requerido en una línea es muy alto para las unidades en serie, parte del flujo se puede desviar a través de una unidad paralela si esta disponible.

CURVAS EN SERIE Y EN PARALELO

Cuando una unidad de bombeo está operando demasiado lejos de su curva, la bomba se desplaza hacia afuera de su rango de eficiencia máxima, y si se sobrepasa de su factor de servicio, el motor se puede inhabilitar por sobrecorriente ó imbalance de fase de alta temperatura del bobinado. Por ejemplo, si el volumen de línea requerido es de 26 418 Bbl/hr (4200 m3 /hr), y el volumen óptimo de las unidades en serie es de 21 386 Bbl/hr (3400 m3 /hr), el motor estaría tratando de conseguir más corriente ó carga de la que es capaz de desarrollar. Mas aún, la bomba tal vez no opere más, dentro de su mejor rango de eficiencia. Una vez se prende la bomba en paralelo, el operador debe decidir cuánto flujo debe eliminar de las unidades en serie. Una bomba en paralelo es una bomba de múltiples etapas. Es decir, tiene más de un propulsor. Así, una bomba de dos etapas (dos propulsores) usualmente puede igualar dos ó más unidades en serie en cuanto a la salida de presión.

20

CURVAS

DEL

SISTEMA

Dividir el flujo envuelve dos conceptos sencillos: las presiones de entrada (succión) y salida (descarga) de las unidades en serie y en paralelo serán idénticas, pero la tasa de flujo no necesariamente sería igual. Flujo (Bbl/hr) 6290

18 870

25 160

Optimo volumen Serie de 2 bombas

31 450 Flujo Deseado

Cabeza (ft)

1500 1300

B

1100 A 900 700

1000

3000

Flujo

4000

5000

(m3/hr)

Figura 14 Dos Bombas en Series Dos bombas en serie de 2500 hp están funcionando fuera del rango operacional ideal, y por consiguiente, la probabilidad de que las unidades se inhabiliten por sobrecorriente, vibración ó imbalance de fase, aumenta substancialmente. Las unidades de bombas en serie están sobrecargadas y no son diseñadas para ésta alta tasa de flujo (punto A). Existen dos maneras de eliminar ésta condición: (1) estrangular el oleoducto a su rango operacional ideal (punto B), lo cuál por supuesto, bajará el rendimiento, o (2) opere una combinación en serie y en paralelo que dividan el flujo entre las unidades en paralelo de múltiples etapas y en serie, por lo tanto, sosteniendo la mayor tasa de flujo (vea Figura 17).

Recuerde, éstas curvas en serie/paralelo se encuentran separadas en la práctica. La Figura 16 las muestra juntas para explicar la teoría de la operación combinada. Encontrar el balance de flujo correcto es esencial para evitar que la operación de cualquier bomba se encuentre lejos de su mejor rango de eficiencia. Debido a la complejidad de la selección óptima de una unidad en la estaciones paralelas, los operadores deben consultar las combinaciones en serie/paralelo recomendadas para una tasa particular de flujo.

21


CONTROL DE BOMBAS EN SERIE Y EN PARALELO

La Figura 13 muestra cómo una bomba de múltiples etapas se conecta en paralelo con tres bombas de etapa sencilla en serie. Se observó que la presión de descarga de las tres bombas en serie debería ser la misma que la de la bomba de múltiples etapas para que pueda funcionar el sistema. Para adquirir éste balance en la práctica se requiere que tanto la descarga de las bombas en serie y la descarga de la bomba paralela cada una tenga una válvula de control de presión antes de que el flujo se combine al entrar al oleoducto principal. Flujo (Bbl/hr) 6290

12 580

18 870

25 160

Optimo volumen Serie de 2 bombas

Flujo Deseado

C o m b in a n c i n : 2 en S e r ie

Cabeza (ft)

1500

31 450

1300

+1 e nP a ra le

lo

Serie de 2 Bombas

1100

2000

Flujo Figura 15 Arrancar una bomba paralela

3000

26 418 (4200)

1000

21 386 (3400)

8177 (1300)

700

18 241 (2900)

Bomba en Paralelo

900

4000

5000

(m3/hr)

Para obtener el rango ideal de operación de las bombas en series, se debe arrancar una unidad paralela. Note que el flujo a través de las dos unidades en serie es ahora aproximadamente de 18 241 Bbl/hr (2900 m3 /hr), (punto C) y que la bomba paralela ha tomado 8177 Bbl/hr (1300 m3 /hr) del flujo total (punto D). El flujo total es 26 418 Bbl/hr (4200 m3 /hr) (punto E). Note también, que las unidades en serie y en paralelo están desarrollando la misma carga ó presión. La presión se balancea y el flujo compartido seguirá. El breve imbalance se compensará mediante cambios en la línea empacada corriente abajo. Durante el arranque de la unidad en paralelo hay un imbalance de presión/flujo momentáneo hasta que el equilibrio se establece.

Mirando nuevamente la Figura 13, el control principal es dado por la válvula de control de presión en la descarga de las bombas en serie. Ésta válvula de control de presión responde a las necesidades de los controladores de presión de descarga y succión, estrangulando cuando sea necesario para mantener los puntos de ajuste con una presión de succión mínima y presión de descarga máxima en la tubería de la estación común. La tasa de flujo de la estación será una función de la presión de descarga de la estación y su habilidad del sistema, resistir a

22

CURVAS

DEL

SISTEMA

la próxima estación aguas abajo. Al activar la unidad paralela, el punto de operación en la nueva curva H-Q aumenta algo la presión de descarga de la estación. Aunque el flujo total de la estación no tiene mayores cambios, éste se compartirá inmediatamente entre la línea en serie y la unidad paralela. El aumento en la descarga de la estación permitirá el movimiento ascendente en la curva del sistema y el ducto se establecerá para un moderado aumento de flujo. De ésta manera las unidades en serie se pueden volver a un rango más favorable de flujo. El controlador de presión diferencial y la válvula de control de presión en la línea de descarga de la bomba paralela se arreglan de tal manera que una mínima presión diferencial sea siempre mantenida por esa bomba. Esto lo mantiene nuevamente en la posición correcta en la curva H-Q asegurando que no se quita flujo y la posible sobrecarga al impulsor. Todas éstas funciones se monitorean y controlan por el controlador lógico programable (PLC) de la estación para alcanzar las mejores condiciones generales posibles. Flujo (Bbl/hr) 0

6290

12 580

18 870

25 160

31 450

5 500 HP Paralelo

Cabeza Din mica Total (ft)

2000

2 1/2 Cabeza en Serie 2 1/2 en Serie + 5 000 HP Paralelo

1750 2 500 HP Paralelo 1500

2 en Serie + 2 500 HP Paralelo 1250

QP

QS

QT

1000

2 Serie de Cabeza Completa

750

Series de cabeza completa + 2 500 HP

500 1/2 Cabeza en Serie + 1 500 HP

400 300 0

1000

2000

3000

4000

5000

Flujo (m3/hr) Figura 16 Estacíón en Serie/Paralelo Combinado Desde éstas posibles combinaciones el operador escoge la combinación paralela/en serie que mejor sirva para una tasa de flujo particular y las propiedades del fluido.

23

PIPELINE OPERATIONS TRAINING PROGRAM

REPASO 2

1. En una configuración de unidades en serie, el total de cabeza desarrollada es ________.

a) la misma para cada bomba b) la suma de cabeza generada por cada bomba en una tasa de flujo c) depende de la salida de la bomba y las características del fluido d) depende de la presión de la succión 2. Dos bombas idénticas en configuración paralela descargan ____.

a) b) c) d) 3

la 1/2 de la capacidad de cada una con la misma cabeza doble capacidad de una a la misma cabeza para cada una la capacidad de una a la misma cabeza para cada una cuatro veces la capacidad de cada una a la misma cabeza

En una combinación en serie de dos bombas idénticas, las cabezas son ____.

a) b) c) d)

constantes y la capacidad es aditiva aditivas mientras que la capacidad permanece igual la mitad pero la capacidad permanece igual aditiva y la capacidad es aditiva

4. Al operar una combinación de unidades en paralelo/serie, las presiones de succión de entrada y de descarga de salida de las unidades en serie y paralelo _____.

a) nunca deben ser idénticas b) deben ser iguales, pero si no lo son, se debe alcanzar un balance c) casi nunca se igualan d) serán idénticas

24

CURVAS

DEL

SISTEMA

5. Al poner en marcha una combinación de unidades en paralelo/serie ______.

a) las presiones de las unidades en paralelo/serie deben ser idénticas y la tasa de flujo de las unidades en serie y en paralelo deben ser iguales también. b) las presiones de las unidades en serie y en paralelo deben ser idénticas pero la tasa de flujo no es igual. c) las presiones de las unidades en serie y en paralelo no necesitan ser idénticas pero la tasa de flujo debe ser igual d) ni las presiones ó tasas de flujo tienen que ser iguales para obtenerse el balance.


25

CURVAS

DEL

SISTEMA

SECCION 3

ESTRANGULAMIENTO Y TRANSMISORES DE FRECUENCIA VARIABLE (VFD) El control de las unidades de bombeo es esencial para una operación continua del oleoducto. Esta sección examina la función que las unidades de estrangulamiento y de transmisión de frecuencia variable (VFD) realizan en las unidades controladoras de la bomba. Después de ésta sección, usted podrá completar los siguientes propósitos. • Reconocer la definición del término estrangulación • Identificar como la estrangulación se usa para controlar la presión de la línea • Identificar la indicación de estrangulación en una curva de bomba. • Reconocer las desventajas de estrangulación. • Diferenciar entre válvula de control de presión (PCV) y unidad de control del transmisor de frecuencia variable (VFD) • Identificar cómo los VFD se usan para controlar la presión de la línea. • Reconocer cuándo un VFD se usa en una curva de bomba.

INTRODUCCION PROPOSITOS

27


ESTRANGULAMIENTO

Dentro de los parámetros de operación de NPSHR y la presión máxima de operación permisible (MOP), la mayoría de las unidades de bombas se operan con motores a velocidad constante. Con excepción de las unidades de transmisión de frecuencia variable (VFD), la estrangulación es el único método de controlar una unidad de bombeo. El módulo VÁLVULAS DE CONTROL DE PRESIÓN (PCV) examina los componentes mecánicos y muestran que una PCV crea fricción dentro del cuerpo de la válvula. Mueve el punto de operación hacia la izquierda. Expresado en el término más simple, la estrangulación con una válvula de control crea fricción adicional en la tubería lo cuál mueve la curva del sistema hacia la izquierda. La estrangulación crea una nueva curva del sistema para reflejar ésta fricción adicional. H3

H1

Cabeza (H)

Curvas del Sistema Afectado por Estrangulamiento

Curva del Sistema H2

Perdidas de Fricción Presión Estática o Cabeza

Q2

Q1 MAX

Flujo (Q)

Figura 17 Estrangulación Totalmente Cerrada Sin estrangulación, la bomba opera al punto H1. Pero una válvula parcialmente cerrada añade fricción al sistema, creando una nueva curva del sistema y forzando la bomba a operar atrás en la curva del Punto H2. La estrangulación de la descarga depende de la válvula en la descarga de la bomba para variar el punto de operación a lo largo de una curva de capacidad de cabeza de velocidad constante.

En términos de costos de energía actual, se ha estimado que un psi de estrangulación constante puede costar hasta $4,000 al año dependiendo del volumen de flujo y la localidad.

28

CURVAS

DEL

SISTEMA

Aunque la estrangulación se debe minimizar en situaciones de operación continua, la estrangulación sigue siendo el único medio de controlar la salida diferencial de un unidad de bombeo de velocidad constante y existe un número de ejemplos y situaciones en las cuáles la estrangulación es absolutamente necesaria. La estrangulación es el único método disponible al operador para ajustar o afinar las unidades en respuesta a las condiciones de cambio continuo de la línea. Dependiendo de la posición del bache, el punto preferido de operación aguas arriba de una estación puede variar significativamente del punto operacional aguas abajo (Vea Figura 18). Ya hemos visto que la curva del sistema, y por lo tanto el punto operacional, se pueden alterar cambiando el grado de pérdida de presión. Éste cambio se puede lograr usando una estrangulación.

CURVAS QUE MUESTRAN EL ESTRANGULAMIENTO

Cabeza (H)

Punto de Operación Sección Aguas Arriba

RU

Punto de Operación Sección Aguas Abajo

RD Curvas del Sistema (Curvas de Resistencia)

Q2

Q1

Flujo (Q) Figura 18 Punto de Operación El punto preferido de operación aguas arriba de la estación puede variar significativamente del punto de operación aguas abajo de una estación.

La PCV es utilizada para obtener un perfil de operación aceptable que balancee el volumen de flujo aguas arriba y aguas abajo de la estación.

29


En la Figura 19, la válvula de control de presión (PCV) se trata como una resistencia adicional al flujo, resultando en una reducción de la tasa de flujo. Suponga que la Figura 19 representa la presión de salida desde una estación de dos unidades, y que una sola bomba no es suficiente. Para compensar el exceso de capacidad proveniente de una bomba adicional, es necesario restringir el flujo utilizando una válvula de control de presión (PCV), moviendo el punto operacional a la izquierda. Esto permite que la curva de resistencia del oleoducto sea mas inclinada y crea una nueva curva del sistema, R2, que incluye la PCV parcialmente cerrada. El flujo del oleoducto disminuye a la tasa de flujo deseada, Q2, y la bomba rinde una cabeza más alta, H2. La nueva curva de resistencia, R2, incluye ambos, la resistencia de flujo del oleoducto, R1, como también la resistencia que ofrece el proceso de estrangulación (H2 - H1). La estrangulación es la diferencia entre la presión de caja y la presión de descarga. La PCV se usa para balancear la tasa de flujo aguas arriba y aguas abajo de cada estación. A menos que la tasa de flujo sea idéntica de estación de bombeo a estación de bombeo, la presión se acumula en la primera localidad que restringe el flujo, causando un aumento de la presión aguas ariba ó empaque, y una disminución de la presión aguas abajo o drenaje.

Cabeza (H)

Punto de Operaci n (estrangulado)

R2

Punto de Operaci n Deseado

R1

Q2

Punto de Operaci n (no estrangulado)

Q1

Flujo (Q)

Figura 19 Resistencia Causada por Estrangulación La curva nueva de resistencia, R2 , incluye ambas, la curva de resistencia del flujo del oleoducto y la resistencia causada por la estrangulación (H2 - H1).

30

CURVAS

DEL

SISTEMA

Dados los dos medios por los cuales el operador puede controlar la línea, la selección de la unidad y la estrangulación, la selección que usted haga puede involucrar un compromiso. Por ejemplo, durante condiciones adversas temporales, una estrangulación fuerte puede ser requerida para minimizar paros y arranques innecesarios de la unidad. En este caso, la energía perdida por estrangulación precede sobre los desgastes innecesarios en los motores debido a paros y arranques excesivos de las unidades. Igualmente, debido a que la estrangulación mueve el punto operacional hacia la izquierda, usted podrá preferir la estrangulación para prevenir que la unidad de bombeo se desplace en su curva y cavite. Nuevamente, en éste caso, esfuerzos indebidos en la unidad toman precedencia sobre la presión y pérdida de flujo debido a la estrangulación. . Algunas de las condiciones bajo las cuales un operador debe estrangular son: • cuando es ventajoso mover el punto operacional a la izquierda • para ajustar ó afinar la línea a las cambies de las pérdidas por fricción mediante el balance de tasas de flujo aguas arriba y aguas abajo de cada estación. • para minimizar el paro y arranque de las unidades durante trastorno temporal. • para minimizar los transientes de flujo mediante la liberación gradual de estrangulamiento. • para obtener el flujo estable del oleoducto, y • para obtener una transición continua durante un cambio de tasa de flujo.

Cabeza (H)

Punto de Operaci n (estrangulado)

R2

Punto de Operaci n Deseado

R1

Q2

Punto de Operaci n (no estrangulado)

Q1

Flujo (Q)

Figura 20 Transmisor de Frecuencia Variable (VFD) En la operación de transmisor de frecuencia variable, solamente se crea una curva del sistema. Sin embargo, al reducir la velocidad del motor, una serie de curvas de bomba se genera, cada una interceptando la curva del sistema en un punto diferente. Cada punto representa el flujo máximo posible en el sistema para esa velocidad del motor.

31


Cabeza (H)

TRANSMISOR DE FRECUENCIA VARIABLE

El módulo ESTACIONES DE BOMBEO examina la teoría y la operación de las unidades de transmisor de frecuencia variable (VFD). Sin embargo, el conocimiento H-Q de bombas y las curvas del sistema en éste módulo enfatizan la diferencia entre un control de unidad por PCV, o estrangulación, y control de unidad por VFD.

Q2

Q1MAX

Flujo (Q) Figura 21 Estrangulación Cada vez que la posición de la PCV se cierra más, una nueva curva del sistema se crea para representar pérdidas adicionales por fricción. Cada curva nueva del sistema, a su vez, crea una nueva intersección con la curva H-Q, y por lo tanto, un punto nuevo de operación.

En la estrangulación, fricción adicional se le añade al sistema. Con una transmisor de velocidad variable, aunque la curva del sistema permanece igual, la nueva velocidad del motor crea una nueva curva de bomba, y por lo tanto un punto nuevo de operación. Es el hecho de que la curva del sistema no cambia en una operación con VFD lo que acentúa la diferencia entre la energía perdida en la estrangulación y la ganada a través del transmisor de frecuencia variable (VFD). Los operadores pueden balancear la tasa de flujo y reducir la estrangulación con localidades de bombeo a velocidad fija, aguas arriba y aguas abajo de una localidad con VFD, mediante el ajuste de la velocidad de la bomba para mantener la curva actual del sistema corriente

32

CURVAS

DEL

SISTEMA

A pesar de la diferencia entre la energía disipada por la estrangulación PCV y la energía que se ahorra con la operación VFD, la operación actual de la unidad VFD permanece la misma que para estrangulación. Las instrucciones de los operadores a los sistemas de control del oleoducto y las unidades terminales remoto (UTR) permanecen igual que para la estrangulación con una PCV. La información que se envía del centro de control consiste en mandos de arranque, paro, y puntos de ajuste del transmisor - exactamente la misma que operando con PCV.

OPERACION DE TRANSMISORES DE FRECUENCIA VARIABLE (VFD)

Toda la información usual aún está disponible al operador asi, como también qué unidades que operan bajo el control de velocidad VFD y a qué velocidad la unidad VFD está operando. Dependiendo del tipo de unidad VFD instalada, los procedimientos de operación pueden cambiar en el futuro. El VFD ofrece varias ventajas: • arranques suaves • la habilidad de sobre pasar la máxima velocidad de la unidad hasta una velocidad de 105% • control de flujo más consistente, suave y • el uso de energía más eficiente Para información sobre la operación de VFD, PCV, y sistemas de control, refiérase a los módulos relevantes en las fases de Equipo de Oleoductos ó Sistemas de Control de Oleoductos. Una pequeña desventaja del VFD es la inhabilidad de operar una unidad a menos de 40% de su velocidad, es decir, aproximadamente 20%-25% de la salida de cabeza de una bomba. A velocidades menores del 40% el control VFD se apaga y la PCV toma su lugar. En términos de los dos tipos diferentes de control de unidad, VFD y PCV, cualquier tipo será relevante, dependiendo si la cabeza de salida de la bomba se controla por VFD o PCV. Cuando no hay unidades funcionando en las localidades VFD, el PCV toma control y regula las presiones de la estación en la forma usual.

33


REPASO 3

1. Control de estrangulación es cuando ________ .

a) b) c) d)

la curva de eficiencia se cambia mediante estrangulación la curva H-Q se cambia mediante estrangulación la curva del sistema se cambia mediante estrangulación la curva BHP se cambia mediante estrangulación

2. En la estrangulación, cada vez que la válvula PCV se cierra más ____.

a) la curva del sistema permanece igual pero la curva H-Q cambia b) la curva del sistema y la curva H-Q cambian c) ni la curva del sistema ni la curva H-Q cambia d) se crea una nueva curva del sistema 3. En la operación del VFD __________.

a) b) c) d)

se crea una nueva curva del sistema la curva del sistema se mueve hacia la derecha se crea una nueva curva de bomba se crea una nueva curva NPSHR

4. Al reducir la velocidad de la bomba la _____.

a) b) c) d)

capacidad se reduce la NPSH requerida se reduce la cabeza de la bomba se reduce todos los incises anteriores se reducen

5. Cuando no hay unidades funcionando en localidades con VFD ___.

a) b) c) d)

la estación se cierra la cabeza del sistema se reduce la PVC toma control y regula las presiones de la estación ninguno de los incisos anteriores


34

CURVAS

DEL

SISTEMA

SECCION 4

EJEMPLO OPERACIONAL

La diferencia entre curvas y el reconocimiento de cómo se relacionan con las características de flujo,se examina en esta sección mediante la revisión de varias curvas, tales como: • curvas del sistema • curvas de capacidad de cabeza • curvas de potencia al freno, y • curvas de capacidad de eficiencia para diversas situaciones. Después de ésta sección, usted podrá completar los siguientes propósitos. • Identificar las curvas del sistema y las curvas de bombas en un estado balanceado. • Reconocer qué procedimientos y condiciones afectan la condición de la curva.

INTRODUCCION

PROPOSITOS

35


SISTEMA BALANCEADO

REPASO DE CURVAS

Este módulo explica como las curvas del sistema se determinan y qué le sucede a las curvas del sistema y a las curvas de capacidad de cabeza cuando un operador maneja el oleoducto. Al integrar las curvas de las bombas discutidas en el módulo CURVAS DE BOMBAS y los principios discutidos en el módulo LEYES DE AFINIDAD, es posible ver como todos los efectos en las curvas se relacionan unos a otros. Las curvas del sistema muestran cambios de resistencia cuando el flujo varía dentro de la línea. Las curvas del sistema se determinan por fricción, longitud y diámetro del ducto, aceleración debida a la gravedad, diferencias de elevación a lo largo de la línea, y la velocidad. El factor principal de cambio es la velocidad. Las curvas de capacidad de cabeza muestran la relación entre la cabeza ó presión que desarrolla la bomba y la tasa de flujo. Al aumentar la velocidad de la bomba aumenta la capacidad de flujo, y al aumentar el flujo, la cabeza total disminuye. Preferred Operating Range

NPSHR

H (ft)

NPSHR

Cabeza Total (Diferencial) en Pies del L quido Bombeado

System Curve Curva-H

En pies de agua a 60…F

Velocidad: RPM Fija

H1

100%

H1 Requerimiento de Energ a en el Paro

Eficiencia BHP

BHP

Q1

Q(GPM)

Figura 22 Curvas en Balance La curva de capacidad de potencia al freno (BHP) representan los caballos de fuerza requeridos para suministrar la energía para transferir líquidos de un punto a otro y la energía para sobre pasar las pérdidas en la bomba.

36

CURVAS

DEL

SISTEMA

La curva de eficiencia de capacidad muestra la energía perdida en la bomba. Mientras más bajas las pérdidas, más alta es la eficiencia. En la Figura 22 las curvas de bombas se muestran en estado de balance. Este sería el estado de operación preferido. Usted puede afectar las curvas al arrancar las bombas, parar las bombas ó al cambiar los puntos de ajuste (esto cambia la posición de la válvula de control de presión). Las condiciones del oleoducto y del fluido en la estación también cambian las curvas. Si pone en marcha otra bomba similar, la curva de capacidad de cabeza cambia y se mueve hacia arriba. La cabeza y la capacidad aumentan. La potencia puede aumentar porque hay más bombas consumiendo energía. La curva de eficiencia se queda igual pero como la tasa de flujo va a aumentar, la eficiencia disminuye un poco. También, la curva NPSHR se queda igual y el NPSH aumenta un poco con el flujo.

FACTORES QUE AFECTAN LAS CURVAS EXCENARIO 1 AGREGANDO UNA UNIDAD DE BOMBEO A UNA CONFIGURACIÓN EN SERIE

Al examinar lo que sucede cuando una unidad de bombeo se añade, usted puede ver el efecto de lo que puede suceder si usted para o pierde una bomba. NPSHR

H (ft) NPSHR Curva del Sistema

Cabeza Diferencial Total (H) ft


H2 H1

100%

EFF

Q1

Eficiencia BHP

BHP

Q2

Flujo Q(GPM)

Figura 23 Ejemplo 1

- La curva de capacidad de cabeza muestra que la capacidad aument - eficiencia- escencialmente la misma - potencia- aumenta - NPSHR - no aplica en esta situaci n cada bomba tiene su propia curva - la curva del sistema es la misma

37


ESCENARIO 2 AGREGANDO UNA BOMBA EN PARALELO A UNA CONFIGURACION EN SERIE Y PARALELO

Si usted pone en marcha una bomba en paralelo, la curva de capacidad de cabeza cambia y se mueve hacia la derecha. La cabeza no aumenta pero la capacidad aumenta. Los caballos de fuerza aumentarán porque existen ahora más bombas usando energía. La eficiencia total de la estación mejora. Abajo se encuentra la figura mostrando cómo se ven las curvas después de que la unidad paralela esta bombeando. NPSHR

H (ft) NPSHR1 NPSHR2


S e rie s

S e rie y P a ra le lo (O n )

Cu

H2

rv a

de l

S is t

ema

Cabeza Total (Diferencial) en Pies

C o m b o P a r a le lo E fic ie n c 100% ia

H1

(E ) ie n c ia 1 E fic

Eficiencia BHP

BHP Requerimiento de Energ a en el Paro

Q1 = Q 2 Flujo (Q) GPM - aumenta la capacidad - aumenta la potencia - la eficiencia de la estaci n mejora con el aumento de la eficiencia de las unidades en serie

Figura 24 Ejemplo 2

38

CURVAS

DEL

SISTEMA

Si se usan VFD, el flujo a través de las bombas se puede controlar reduciendo la velocidad. Esto reduce el NPSHR y la eficiencia mejora para diferentes tasas de flujo. La figura abajo muestra las curvas del sistema y de bomba.

ESCENARIO 3 VFD OPERACION PARA REDUCIR LA VELOCIDAD DE LA BOMBA

NPSHR

Diferencial Total de Cabeza (H) ft RPM

NPSHR en pies de agua a 60…F

3800 3500

H6

3200

H5 H4

2900

H3

100%

2600

E1

H2

2300

H1

Eficiencia

Q1

Q2

BHP

BHP

Q3 Q4Q5Q6

Flow (Q) GPM - curvas del sistema que se desplazan hacia la izquierda y el punto de operaci n retorna a la curva H-Q - disminuci n de los requerimientos de energ a de NPSHR y BHP

Figura 25 Ejemplo 3

39


ESCENARIO 4 EFECTOS DEL ESTRANGULAMIENTO

Cuando usted estrangula (cierra la PCV disminuyendo el punto dado de descarga ó aumentando el punto dado de succión), la curva del sistema se mueve hacia la izquierda. El punto de operación se mueve de nuevo en la curva de capacidad de cabeza. Las otras curvas permanecen básicamente iguales. Pero el cambio en el punto de operación significa que los requerimientos de eficiencia, caballos de fuerza y succión neta, todos disminuyen. Esto es porque aunque la bomba de operación no ha cambiado, el requerimiento de energía baja porque hay menos líquido para mover. NPSHR

H (ft) NPSHR


En pies de agua a 60…F Curva-H Velocidad: RPM Fija

H1

100%

E1 Requerimiento de Energ a en el Paro

Eficiencia

Q1

BHP

BHP

Q(GPM)

- disminuci n del Volumen de Flujo - curvas del sistema que se desplazan hacia la izquierda (disminuci n en la capacidad) - disminuci n de la eficiencia - disminuci n de la potencia

Figura 26 Ejemplo 4

40

CURVAS

DEL

SISTEMA

Si un líquido de alta viscosidad corre por la estación, resulta un cambio en todas las curvas. • Las curvas del sistema se mueven a la izquierda cuando la resistencia por fricción aumenta. • Volumen de flujo disminuye • Efficiency of the pumps drop.

NPSHR

H (ft)

ESCENARIO 5 CAMBIO DE BACHE A UNA VISCOCIDAD MAYOR

NPSHR


Curva del Sistema Curva-H


Velocidad: RPM Fija

H1

100%

H1 Requerimiento de Energ a en el Paro

Q1

Eficiencia BHP

BHP

Q(GPM)

Figura 27 Scenario 5

41


REPASO 4

1. Un aumento súbito en energía que consume una bomba puede significar que _____.

a) un líquido de viscosidad más alta de lo esperado ha alcanzado la bomba b) un líquido más volátil está causando la cavitación en la bomba c) la presión de la descarga de la estación aumenta como resultado de problemas aguas abajo d) la presión de la estación aumenta debido al bache que pasa con menos viscosidad 2. Al disminuir la velocidad VFD, el _____.

a) b) c) d)

punto de mejor eficiencia se mueve a la izquierda la capacidad se reduce NPSHR se reduce Todo lo antes mencionado.

Las respuestas se encuentran al final del módulo.

42

CURVAS

DEL

SISTEMA

SECCION 1 - CURVAS DEL SISTEMA •

La curva de resistencia del oleoducto es la suma de la cabeza estática que se tiene que mantener en el oleoducto (aún a flujo cero), y la pérdida de la cabeza de fricción la cuál es una función de flujo.

•

La Pérdida por fricción se puede calcular usando la Ecuación Darcy, ó midiendo la diferencia de presión entre dos puntos menos la diferencia de elevación entre ellos.

RESUMEN

SECCIÓN 2 - OPERACIÓN DE BOMBAS EN SERIE Y EN PARALELO •

La intersección de la curva del comportamiento de la bomba y la curva de cabeza del sistema determina el punto de operación del sistema, tal como el flujo que resulte.

•

En una configuración en serie, la cabezas de las bombas son cumulativas mientras que el flujo es igual para todas las unidades.

•

En una configuración en paralelo, el flujo se divide entre los elementos en paralelo, pero la cabeza de descarga es igual.

•

En una configuración en paralelo/serie, una bomba paralela de múltiples etapas se puede usar para igualar la salida de presión de varias bombas de etapa sencilla en serie.

SECCION 3 - ESTRANGULACION Y VFD •

El control por estrangulación cambia la curva del sistema, y por esto cambia el punto de operación.

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GLOSARIO

cabeza total La suma de la presión generadas por cada bomba a un volumen de flujo dado. (p. 18) capacidad El volumen máximo de flujo para el cual una bomba es operada. (p.6) carga Estática La presión que debe sobrellevar la bomba antes que cualquier líquido pueda comenzar a fluir en la tubería. (p. 7) curva de capacidad de potencia al freno (BHP) La gráfica de línea que representa la potencia que se requiere para proveer la energía para transferir líquidos de un punto a otro y la energía para sobre pasar las pérdidas de las bombas (p.38) curva del sistema Una línea gráfica que muestra variables tales como la viscosidad, densidad, y el volumen de flujo combinadas con condiciones fijas tales como la longitud de la tubería, diámetro interior de la tubería, rugosidad interna de la tubería, influencian en el rendimiento. (p. 4) estado de operación preferido El rango operacional de los volúmenes de flujo donde las curvas de las bombas se muestran en un estado de balance (p.39) flujo laminar Una condición de volumen de flujo donde el líquido al centro de la tubería se mueve mas rápido que el líquido cerca de la pared de la tubería (p.9) flujo turbulento Una condición de volumen de flujo que ocurre cuando las partículas líquidas fluyen en una dirección a la azar hacia adelante y a la misma velocidad (p 10) impulsor de frecuencia variable (VFD) En una operación de impulsor con frecuencia variable, solamente se crea una curva del sistema. Sin embargo, al disminuir la velocidad del motor, unas curvas de bombas en serie se generan, cada una interceptando el la curva del sistema en un punto diferente. Cada punto representa el flujo máximo posible en el sistema para esa velocidad del motor. (p. 31) impulsor de velocidad variable Con un impulsor de velocidad variable, aunque el sistema de curva permanece igual, el cambio de velocidad del motor crea una curva de bomba nueva, y por lo tanto un punto de operación nuevo. (p. 32).

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CURVAS

DEL

SISTEMA

la ecuación Darcy (la ley Darcy) La relación matemática que se usa para determinar una curva del sistema simple. Las variables como longitud de la tubería, diámetro interno de la tubería y la aceleración debido a la gravedad no cambian dentro de un sistema simple. La única variable que cambia de la Ley Darcy es v., la velocidad del flujo del líquido en la tubería en pies por segundo (p.5) ley de cuadrados La relación entre la velocidad y la caída de presión en la tubería, donde por un rango limitado de flujos, es proporcional al cuadrado de la velocidad para el volumen de flujo (también llamado capacidad), (p. 6) número Reynolds (NRe) Se basa en las relaciones entre el volumen de flujo, el diámetro de la tubería, densidad del líquido, y la viscosidad del líquido. (p.11) operación en paralelo La configuración donde las capacidades de las bombas son aditivas mientras que la carga permanece constante. (p. 18) operación en paralelo/serie El flujo se divide entre las bombas en serie y la bomba paralela de acuerdo a la capacidad de cada una de las unidades. (p. 19) operación en serie Configuración de las bombas donde la cabeza individual de la bomba es aditivas para un mismo flujo. (p.18) punto de operación El punto de intersección entre la curva de cabeza de la bomba y la curva del sistema. Éste valor es el máximo volumen de flujo que puede mantener una bomba en el oleoducto (se conoce también como el mejor punto de eficiencia). (p. 12) región de transición Área donde el flujo del líquido está aún turbulento, pero la turbulencia no se ha desarrollado completamente. (p. 10) zona crítica Donde el flujo fluctúa y se alterna entre las condiciones turbulentas y laminares y es, por lo tanto, inestable (p.10)

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RESPUESTAS

REPASO 1

REPASO 2

1. c

1. b

1. c

1. a

2. c

2. b

2. d

2. d

3. d

3. b

3. c

4. a

4. d

4. c

5. a

5. b

5. c

6. c 7. b

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REPASO 3 REPASO 4

SYSTEM CURVES

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Curvas Del Sistema

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