COMPRESION DE GAS NATURAL ÍNDICE INTRODUCCIÓN Metas Metas del Módulo Módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
SECCIÓN 1 – COMPRESIÓN DE GAS Introducc Introducción ión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Compresió Compresiónn de Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Relaciones Termodinámicas Termodinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instalaci Instalaciones ones de de Compresi Compresión ón de Gas Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Optimización de las Instalaciones Instalaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Revisión Revisión 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 SECCION 2 – COMPRESORES Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Categoría Categoríass de Compresi Compresión ón de Gas Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compresor Compresores es de Despla Desplazamie zamiento nto Positivo Positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compresor Compresores es Dinámicos Dinámicos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caracterí Característic sticas as de Impulsor Impulsores es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Revisión 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15 16 16 21 22 25
SECCION 3 – ACCIONAMIENTOS (IMPULSORES) Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de Accionamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motores de Combustión Interna. Interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motores Eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbinas Turbinas de Gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utilizació Utilizaciónn de la Energía Energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Revisión 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27 28 29 32 33 34 35
SECCION 4 – SELECCIÓN Y OPERACIÓN DE LAS INSTALACIONES INSTALACIONES DE COMPRESION Introducc Introducción. ión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Aplicaciones de Compresores Compresores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Configurac Configuraciones iones de de las Instalac Instalaciones iones de de Compresió Compresión. n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Rendimientos de la Unidad Compresora y Características Características Operativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Rendimien Rendimientos tos de los los Accion Accionamien amientos tos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Modos de Operació Operaciónn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Alarmas y Paradas de Emergencia. Emergencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Regulaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Revisión Revisión 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 RESUMEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 RESPUESTAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
NOTA El personal de operaciones utiliza una combinación de habilidades, conocimiento, y tecnología para alcanzar metas específicas. El objetivo clave del Programa de Entrenamiento para Controladores de Gas Natural, es mejorar el entendimiento de las bases teóricas para decisiones operacionales que se toman en el trabajo todos los días. Este programa de entrenamiento mejora las habilidades relacionadas con el trabajo mediante el suministro de información relevante y actual que tiene una aplicación inmediata para los empleados. La información contenida en los capítulos es teórica. La descripción de información básica facilita el entendimiento de la tecnología y su aplicación. Se han hecho todos los esfuerzos para reflejar principios científicos puros en este programa de entrenamiento. Sin embargo, en algunos casos, la teoría pura presenta conflictos con la realidad práctica de las operaciones diarias. Nuestra más importante prioridad du rante el desarrollo del material en el Programa de Entrenamiento para Controladores de Gas Natural, fue su utilidad para el empleado.
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
© 1998 ENBRIDGE TECHNOLOGY INC. Prohibida su Reproducción (April 2000) ENBRIDGE TECHNOLOGY INC. Suite 502, PO Box 398 10303 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 2J9 Telephone Fax
+1-780-412-6469 +1-780-412-6460
Reference - G4 Spanish GasCompression
MÉTODOS DE ESTUDIO 1 Cada módulo del Programa de entrenamiento para controladores de gas está diseñado basado ensobre el formato de auto instrucción basado en el desempeño. Esto quiere decir que usted es responsable de su propioa aprendizaje y que está listo para demostrar sus conocimientos y habilidades. Nuestro enfoque es sobre la exhibición de las habilidades necesarias y la demostración del conocimiento requerido para desarrollar su trabajo. 2 Los módulos están diseñados para períodos cortos pero intensivos de estudio, de entre 10 y 45 minutos cada uno. Tenga presente que, generalmente, una semana de autoaprendizaje estudio reemplaza a 10 horas de asistencia a clase. Ppor ejemplo, si tiene un bloque de 3 semanas de auto estudio, entonces usted tiene dedicar que poder contar con 30 horas de estudiopara estudiar si quiere mantenerse en el mismo ritmo quede la mayoría de los programas de aprendizaje. 3 Cuando estudieestá estudiando el módulo, busque las concordancias entre la información suministrada y sus responsabilidades en su trabajo. Cuantas más concordancias logre, a usted le será más fácil le será retener la información. 4 Al finalizar de cada sección del módulo, hay auto evaluaciones. En general,Habitualmente el completar estas evaluaciones corroborará su conocimiento de la información. Use las evaluaciones para calificar su comprensión. Si tiene una respuesta incorrecta, controle la información en la sección correspondiente para averiguar de por quée se cometió el error. RecuerdeAcuérdese, que usted es el único responsable de su propio desempeñoa actuación. 5 Comience a estudiar cada una de las secciones del modulo, leyendo los objetivos y la introducción. Este ejercicio lo enfocará en el tema a estudiar y le dará una noción general sobre los ítems a evaluar. 6 Cada módulo está preparado de tal manera que se adatará a diferentes métodos de estudio. Algunos alumnos pasarán directamente de la introducción y los objetivos a las preguntas de de las revisiónones. Luego, estudiaráan cualquier el tema/s que no conozcanfalta. Sin embargo, la mayoría de los estudiantes comienzan , arrancan en con la introducción, y continúan leyendo hasta finalizar el texto sistemáticamente. Cualquiera que sea el método de aprendizaje que usted decida emplear, utilice los materiales suministrados de la forma que más le guste.
7. Todos los módulos tienen una evaluación basada en el desempeñola performance. Cada ítem de la evaluación está relacionado con un objetivo de cada sección. Para prepararse para la evaluación, deberá aserciorarse de que haya revisado y entendido toda la información y que usted comprendió todo. Mucha gente revisa el material del módulo antes de realizar la evaluación. 8. Para ayudarlo en su aprendizaje y optimizar su tiempo, los términos, los conceptos y los principios nuevos están sobre impresos en letra negrita, acompañados por sus definiciones en letra cursiva. Estos tTambién están listados en el glosario de términos suministrado al final del módulo. 9. Muchos lectores han tenido éxito leyendo el resumen y el glosario. Los ítems en del glosario tienenestán con referencias cruzadas, para relacionarlos con el lugar del módulo donde fueron presentados en primer al lugar donde primero aparecen. De esta manera, si hay un tema o una definición que usted no reconoce, lo podrá localizar fácilmente en el módulo.
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
INTRODUCCIÓN La compresión de gas es un elemento clave en la operación de las cañerías de transporte. En la compresión de gas, la presión aumenta y por lo tanto es posible mantener o incrementar la velocidad del flujo. Las estaciones compresoras pueden usarse para este fin. Los operadores necesitan tener un conocimiento profundo de los compresores de gas y sus motores de accionamiento para que puedan operar dicho equipo y, de este modo, optimizar la operación de las cañerías. Una estación compresora de gas comprende uno o más compresores y accionamientos, junto con el equipo auxiliar asociado. Para cada aplicación se seleccionan los compresores y accionamientos, basándose en diversos factores como presiones, velocidad de flujos, tipo de servicio y ubicación. Las estaciones compresoras pueden controlarse en forma manual, automática o por control remoto. Periódicamente, en todas las estaciones se debe realizar el servicio de mantenimiento como también se debe acudir al lugar en casos de alarmas. Todas las estaciones están equipadas con sistemas de alarma que se activan en condiciones de riesgo o de emergencia.
METAS DEL MÓDULO Este módulo contiene información sobre las siguientes metas: • Explica los principios asociados con el proceso de compresión de gas. • Describe los tipos de compresores de gas y accionamientos, y sus características operativas. • Describe los factores que se deben considerar al seleccionar un compresor para una aplicación determinada.
PRERREQUISITOS FUNDAMENTOS DE GAS NATURAL MEDICION DE GAS
1
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
SECCIÓN 1
COMPRESIÓN DE GAS INTRODUCCIÓN La primera sección de este módulo se centra en las leyes y principios científicos que explican los efectos de la compresión del gas natural. Esta sección también describe las unidades e instalaciones de compresión, y explica los diversos procesos de la compresión. Además, incluye un análisis de las regulaciones y estándares que rigen el diseño, construcción y operación de las estaciones compresoras.
OBJETIVOS Una vez concluída esta sección del módulo, usted podrá: • identificar los efectos de la compresión en los volúmenes y velocidades del flujo de gas. • relacionar La Primera Ley de Movimiento de Newton con la compresión de gas. • diferenciar entre los procesos isentrópico, politrópico e isotérmico de compresión de gas. • reconocer el índice de compresión y cándo se lo utiliza. • reconocer el efecto de la compresión en la temperatura del gas. • identificar los equipos primarios y auxiliares asociados con las instalaciones de compresión de gas. • reconocer las regulaciones y estándares que rigen el diseño, construcción y operación de las instalaciones y estaciones compresoras. • relacionar la configuración de las estaciones compresoras para optimizar la operación de las cañerías.
3
4
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS La Primera Ley de Movimiento de Newton se aplica a la transmisión del gas a través de una cañería. En el caso de la circulación del gas, una caída en la presión se produce como consecuencia de fricción en las cañerías. Esta caída se compensa al elevar la presión del gas, en un proceso denominado compresión. Los compresores se utilizan para aumentar o elevar la presión del gas en una cañería de transmisión de gas.
La compresión es necesaria para enviar gas desde el sitio de producción hasta la hornalla (quemador) del consumidor. Aumentar la presión del gas en su lugar de origen hace que el mismo fluya hasta el sitio de distribución. Cuando se comprime el gas para aumentar la presión, la velocidad del flujo puede aumentar o mantenerse igual. Si se respetan los límites de la presión es posible mantener la producción. El flujo de gas en una cañería está afectado por las leyes de movimiento.
PRIMERA LEY DE MOVIMIENTO DE NEWTON La Primera Ley de Movimiento de Newton establece que un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento, a menos que una fuerza en desequilibrio actúe sobre él. Si se
empuja un objeto sobre una superficie sin fricción, el mismo se acelera, aumentando su velocidad. Si dicha fuerza se anula, el objeto continúa moviéndose. La fricción es una fuerza contraria al movimiento que actúa sobre cualquier cuerpo en movimiento. Un objeto que se mueve a lo largo de una superficie
continúa moviéndose siempre que la fuerza de impulsión sea mayor a la fuerza de fricción. Al retirar la fuerza que actúa sobre el objeto, éste se desacelera.
FLUJO DE GAS La velocidad del flujo en una cañería es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión. Comprimir gas para aumentar la presión también implica que se puede aumentar la producción. Para lograr la optimización de la cañería, los diseñadores seleccionan una mezcla apropiada de medidas de tubos y compresores para distribuir la cantidad de gas deseada. Al aumentar el número de compresores en los lugares donde están ubicadas las estaciones compresoras a lo largo de la línea de transmisión, la velocidad del flujo aumenta sin crear la necesidad de presiones operativas extremadamente elevadas en la cañería. Sin embargo, la decisión de aumentar el número de estaciones compresoras implica un impacto en los costos operativos.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Cabezal de Cabezal de gas gas de de descarga succión
Válvula de purga de la unidad
enfriador del gas
Válvula de alivio Enfriadores de agua
Línea de combustible
Válvula de derivación de la unidad Válvula de alivio
Válvula de descarga de la anidad
Válvula presurizada de la unidad Válvula de alivio Regulador de combustible
Válvula de control de la presión de succión de la unidad Válvula de succión de la unidad Válvula de alivio
Medidor Válvula de derivación del seperador
Vàlvula esclusa lateral de succión de la estación
Separador Válvula de control de reciclaje Válvula de retencion
Tubería
Válvula esclusa lateral de descarga de la estación Válvulas laterales de derivación de la estación
Figura 1 Típica configuración de una estación compresora
RELACIONES TERMODINÁMICAS La presión, el volumen y la temperatura se encuentran muy relacionades entre sí en cualquier gas. Al comprimir un gas, su temperatura aumenta mientras que sus volúmenes disminuyen. Por consiguiente, con frecuencia es necesario enfriar el gas entre las etapas de compresión, utilizando un interenfriador. Un interenfriador (enfriador intermedio) es un tipo de intercambiador de calor que utiliza aire o agua para eliminar el calor del gas entre las etapas de compresión.
5
6
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
PROCESOS DE COMPRESIÓN En la mayoría de los compresores de gas, la cámara de compresión se enfría con el agua que se bombea a través del sistema refrigerante del compresor. Este método de enfriamiento se denomina camisa refrigerada por agua .
Un compresor que no utiliza interenfriamiento no será completamente isentrópico, ya que algo de calor se irradiará desde la superficie del compresor. Si se comprime un gas sin enfriarlo, el proceso se denomina isentrópico.
Si se comprime un gas con un enfriamiento perfecto que garantiza una temperatura constante durante toda la compresión, el proceso se llama isotérmico. La compresión isotérmica sólo existe en teoría. En realidad, los procesos de compresión pueden ubicarse entre los isentrópicos y los isotérmicos. Los procesos politrópicos son los procesos de compresión que están entre los isentrópicos y los isotérmicos.
P
P
PD
Ps
cantidad de trabajo requerido por el compresor
P
PD
PD
Ps
Ps
V Isentrópico
V Politrópico
V Isotérmico
Figura 2 Comparación de la relación existente entre la presión y el volumen en distintos procesos de compresión Las áreas sombreadas indican la cantidad de trabajo que requiere cada proceso al aumentar la presión desde PS (succión) a PD (descarga). El proceso isotérmico (puramente teórico) es el que menos trabajo requiere; el isentrópico, el que más requiere de los tres. El proceso politrópico refleja un compromiso con el esfuerzo de trabajo ubicándose entre el isentrópico y el isotérmico.
Si un compresor tiene varias etapas de compresión, con interenfriamiento entre las etapas, la compresión se realizará siguiendo el proceso politrópico con "pasos" que se aproximen al proceso isotérmico en los puntos de enfriamiento.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
P PD
Referencias E t a p a 3
Trabajoahorrado Proceso politrópico E t a p a 2
Ps
Proceso Isotérmico
Proceso politrópico con interenfriamiento
PD = Presión de descarga = Etapa intermedia 2 de presión = Etapa intermedia 1 de-presión
Ps = Presión de succión Total del trabajo requerido para elevar la presión Psa Pd
E t a p a 1
V
Trobajo ahorrado por el uso de etapas multiples e interenfríamiento
Figura 3 Comparación de la presión y el volumen en los procesos de compresión de etapas múltiples. Las áreas sombreadas muestran el trabajo requerido si la presión aumenta de PS a PD, en un proceso politrópico de etapa simple. Si se enfría el gas después de cada etapa, el volumen en la etapa siguiente disminuye. Esto se manifiesta por la línea sólida que representa el proceso politrópico con interenfriamiento. El área azul representa el trabajo ahorrado por dicho proceso.
El trabajo que se requiere para comprimir el gas es el producto de la presión y el volumen. Una compresión isotérmica es la que menos trabajo requiere. Sin embargo, es imposible construir un compresor que utilice el proceso isotérmico, por lo tanto, se usa el método de enfriamiento (interenfriamiento y/o camisa refrigerada por agua). El interenfriamiento y/o enfriamiento de agua en camisa reduce considerablemente el trabajo. Los compresores reales (a diferencia de los teóricos) tienen una temperatura de descarga mayor que la temperatura de succión. Cuando se utiliza el sistema de enfriamiento para reducir el calor, se requieren etapas de enfriamiento posteriores menos costosas y más pequeñas. También es necesario aplicar el sistema de enfriamiento después de que se haya completado el proceso de compresión. El enfriamiento posterior no contribuye a reducir los costos de energía, pero puede ser requerido para otras razones. Para citar un ejemplo, se debe enfriar el gas antes de que ingrese en las cañerías subterráneas revestidas para evitar daños que pueda provocar el calor al revestimiento de los tubos.
7
8
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
ÍNDICE O RELACIÓN DE COMPRESIÓN Cuando se selecciona un compresor, es útil contar con una cifra que determine la cantidad de compresión que se va a necesitar. Para determinarla se emplea lo que se conoce como relación de compresión. La relación de compresión es un índice que se calcula como la relación entre la presión absoluta en la descarga y la presión absoluta en la succión.
Indice de compresión
Pd (presiones absolutas) Ps
TEMPERATURA DE DESCARGA La temperatura de descarga de cualquier etapa se puede calcular con la siguiente fórmula:
donde, Td = temperatura de descarga (grados Kelvin) Ts = temperatura de succión (grados Kelvin) Pd = presión de descarga (absoluta) Ps = presión de succión (absoluta) K= relación de calor específico (usar 1,3 para gas natural)
EJEMPLO: Un compresor reciprocante tiene una presión de succión de 500 kPa abs y una presión de descarga de 1500 kPa abs. La temperatura de succión es de 15º C (288 K). ¿Cuál será la temperatura de descarga?
La temperatura de descarga (T d) ahora puede ser calculada de acuerdo con la fórmula:
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
INSTALACIONES DE COMPRESIÓN DE GAS Una estación o instalación de compresión de gas tiene una o más unidades compresoras y equipo auxiliar asociado. Cada unidad compresora cuenta con un accionamiento y un compresor. La conexión de los accionamientos y compresores puede ser integral o separable, configuración de eje simple o doble.
UNIDADES DE COMPRESIÓN Los compresores reciprocantes pueden ser integrados o separables. En una unidad compresora integral , el accionamiento y el compresor reciprocantes comparten el mismo cigüeñal. Si el accionamiento y el compresor reciprocantes no comparten el mismo cigüeñal, se forma una unidad compresora separable .
Los compresores reciprocantes generalmente tienen cilindros múltiples de diversas configuraciones. Pueden tener una sola etapa o etapas múltiples, con interenfriamiento o enfriamiento posterior. Los compresores dinámicos son accionados por turbinas de uno o dos ejes. Las turbinas de dos ejes son más apropiadas para el accionamiento de los compresores de líneas de transporte. En dicha configuración, la turbina de potencia que acciona al compresor dinámico no está conectada al eje de la sección de combustión de la turbina. Esto hace posible que cada eje funcione a una velocidad distinta. Los compresores dinámicos accionados por turbinas de diseño de eje simple hacen que el compresor y el equipo de accionamiento giren a la misma velocidad.
9
10
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
EQUIPO AUXILIAR Para reforzar la operación eficiente y segura de las principales unidades de compresión y para acondicionar el gas en proceso, se utiliza una serie de equipos auxiliares. Estos pueden comprender: • purificadores de entrada que retienen los líquidos de arrastre antes de la compresión. • purificadores intermedios y de entrada para eliminar los hidrocarburos pesados. • interenfriadores que enfrían el gas antes que ingrese en las etapas secundarias y/o adicionales de compresión. • enfriadores de salida que enfrían el gas antes de descargarlo en la cañería a alta presión. • un suministro de aire para el motor de accionamiento, con filtro y silenciador. • un sistema de enfriamiento del agua que consiste en una bomba circulante, un enfriador y un sistema de control para mantener el agua a temperaturas operativas. • generación de energía (que en áreas remotas puede utilizar calor residual). • sistemas de escape de gases con atenuador de ruidos y aislamiento térmico que pueden estar ligados a los sistemas de recuperación de calor para calefacción de edificios o generar vapor. • sistemas de control y monitoreo para todos los parámetros en los accionamientos, compresores y sistemas de control de servicios. Estos sistemas incluyen alarmas y sistemas de paradas de emergencia (PE). • sistemas de calor y ventilación que incluyen ventiladores circulantes, extractores de techo y radiadores. • construcciones y cercos de seguridad para proteger la maquinaria del clima y del vandalismo. Finalmente, están los sistemas de lubricación que consisten en bombas, filtros y enfriadores. Antes de la puesta en marcha, una bomba de prelubricación lubrica las superficies de los cojinetes y elimina el aire del sistema de lubricación. La bomba de prelubricación se detiene cuando la bomba principal del motor alcanza la presión de operación. Puede cumplir una doble tarea como de postlu bricación después de que la unidad se haya detenido, para mantener un flujo de aceite durante el período de enfriamiento.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
ASPECTOS REGULADORES Códigos y estándares específicos rigen el diseño, construcción y operación de las instalaciones y estaciones compresoras. Éstos han sido estipulados en forma conjunta por industrias y organismos reguladores para garantizar operaciones seguras y eficientes. Estos códigos y estándares pueden agruparse de la siguiente manera: CONSIDERACIONES GEOGRAFICAS
Ubicación
Topografía
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Calidad del Medio Ambiente
Diseño de las Instalaciones
• acceso fácil • proximidad de los servicios • distancia a la que se encuentran • • • • •
las propiedades adyacentes condiciones del suelo características del terreno drenaje estabilidad nivelación
• emisiones • ruido (atenuadores, silenciadores de entrada) • escapes (NOx , CO2, gas de alivio) • eliminación de residuos, control de pérdidas, contenciones
• selección del material • vibración • grado/serie de cañerías, dimensiones • tamaño de unidad • distribución/disposición
PROCEDIMIENTOS
Seguridad de las Instalaciones
• • • •
Construcción
• autorizaciones • soldadura a presión
Operación
• registros • presiones de operación • precauciones
Inspección y Mantenimiento
• programas
sistemas de protección altura de las edificaciones salidas múltiples material no combustible
11
12
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
OPTIMIZACIÓN DE INSTALACIONES Dependiendo de la longitud de una cañería de transporte, puede ser poco práctico lograr el flujo deseado con una simple caída de presión continua. En cambio, basándose en estudios de costo-beneficio y/o en exigencias reguladoras, puede ser más práctico aumentar la presión a lo largo de toda la cañería en forma intermitente, en vez de utilizar un compresor de gran tamaño en la cabecera con una alta presión de descarga para cubrir el total de la pérdida de carga. En cada estación compresora, es posible aumentar la presión para compensar las pérdidas causadas por la fricción. De este modo, se puede mantener la velocidad del flujo y la cañería puede funcionar a una presión más baja.
Si no hay estaciones compresoras intermedias el compresor debe ser grande y la tubería debe soportar presiones más elevadas.
a e n i l a l e d n ó i s e r P
Compresor Inicial
Con cuatro estaciones intermedias, la tubería es de una graduación menor y los compresores son de menor tamaño.
Estación intermedia 1
Estación intermedia 2
Estación intermedia 3
Estación intermedia 4
Punto de Entrega
Figura 4 Comparación de los compresores múltiples con un compresor simple El efecto que las estaciones compresoras múltiples provocan sobre la presión en una cañería puede compararse a la caída de presión registrada en el caso de un compresor simple ubicado en la misma línea.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
REVISIÓN 1 1. Como consecuencia de la fricción que se produce en la cañería, la presión del gas que fluye ______.
a) b) c) d)
disminuye aumenta permanece constante varía
2. El proceso que aumenta la presión del gas es el/la ______
a) b) c) d)
interenfriamiento purificación difusión compresión
3. La compresión del gas para aumentar la presión también ______.
a) b) c) d)
disminuye la necesidad del enfriamiento aumenta la producción aumenta el volumen del gas aumenta la calidad del gas
4. Cuando se comprime el gas sin enfriamiento, el proceso se denomina ______.
a) b) c) d)
isentrópico isotérmico politrópico agua en camisa
5. El índice que se calcula como la relación entre la presión absoluta de descarga y la presión absoluta de succión es el índice ______.
a) b) c) d)
isotérmico de descarga de succión de compresión
13
14
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
6. El accionamiento y el compresor comparten el mismo cigüeñal en una ______.
a) b) c) d)
unidad separable configuración de dos ejes unidad compresora integral unidad de ejes múltiples
7. El accionamiento y el compresor dinámico no tienen el mismo cigüeñal en la configuración de la unidad compresora ______.
a) b) c) d)
de eje simple de dos ejes integral separable
8. Los factores del medio ambiente, los procedimientos operativos y de emergencia, los programas de mantenimiento e inspección son/están todos _______.
a) b) c) d)
estándares para la construcción sujetos a códigos y regulaciones requeridos en los carteles informativos de la estación compresora planeamientos de preparación en casos de emergencias
9. En cada estación compresora ubicada a lo largo de la cañería, se aumenta la presión para compensar ______.
a) b) c) d)
aumentos en la presión del gas el enfriamiento de agua en camisa la mezcla de productos pérdida por fricción
Las respuestas están al final de este módulo
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
SECCIÓN 2
COMPRESORES INTRODUCCIÓN Esta sección del módulo se refiere a los distintos tipos de compresores utilizados para comprimir gas natural e incluye descripciones de compresores de Desplazamiento Positivo (DP) y dinámicos.
OBJETIVOS Una vez concluída esta sección del módulo, usted podrá: • identificar dos categorías de compresores de gas. • relacionar dos tipos de compresores de desplazamiento positivo con sus características operativas. • reconocer dos métodos para controlar la capacidad de un compresor reciprocante. • identificar el efecto en la presión de un gas cuando disminuye su velocidad. • relacionar dos tipos de compresores dinámicos con sus características operativas. • reconocer métodos para controlar la capacidad de los compresores dinámicos.
15
16
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
CATEGORÍAS COMPRESORAS DE GAS Hay dos categorías principales de compresores: • El compresor de Desplazamiento Positivo (DP) – el compresor de desplazamiento positivo confina una cantidad determinada de gas y eleva su presión reduciendo su volumen.
• El compresor dinámico – el compresor dinámico convierte una repentina disminución de la velocidad del gas en presión.
COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Hay dos tipos de compresores de desplazamiento positivo: • reciprocantes y • rotativos En un compresor de DP reciprocantes, los pistones se desplazan hacia adelante y hacia atrás en cilindros para comprimir el gas.
Figura 5 Compresor de DP Reciprocante El compresor de DP es accionado por un mecanismo motriz. Generalmente, el accionamiento del compresor funciona a gas natural.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Rotor helicoidal
Figura 6 Compresor de DP con rotor helicoidal
En los compresores de DP rotativos, el gas es comprimido por la acción de miembros que rotan forzando al gas a ocupar un volumen menor. Los rotores helicoidales comprimen el gas moviendo una cantidad determinada a lo largo de sus ejes y de este modo los espacios en la cámara de compresión disminuyen progresivamente. Como resultado de esto la presión aumenta. Los compresores de DP rotativos pueden accionarse por medio de turbinas, motores de combustión interna u algún otro tipo de mecanismo motriz. Generalmente, los mecanismos motrices utilizan el gas natural como fuente de combustible.
Paletas rotoras deslizantes
Figura 7 Compresor de DP con rotor con paletas deslizantes Las paletas deslizantes tensadas con resortes confinan y comprimen cantidades de gas.
Los compresores con paletas deslizantes utilizan estas paletas deslizantes tensadas con resortes y deslizan radialmente sobre un rotor posicionado excéntricamente, confinando una cantidad de gas que es forzada a ocupar un espacio en continua disminución. De este modo, aumenta la presión. Los compresores de DP son de uso común en las aplicaciones a pequeña escala.
17
18
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LOS COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO La aplicación primaria de los compresores de desplazamiento positivo se encuentra en las situaciones con índices altos de compresión. Los compresores de DP están disponibles en un amplio rango de índices de compresión y capacidad. Los compresores de DP operan sobre la base de un volumen de succión fijo que se mueve a una velocidad constante. Los cambios en las características del gas tienen poco efecto sobre la operación de los compresores de DP. En un compresor de acción simple, un pistón en un cilindro se conecta a un cigüeñal a través de una biela. El cigüeñal es accionado por un accionamiento o por un mecanismo motriz. El suministro de combustible para el motor de accionamiento del compresor generalmente es gas natural. Mientras el cigüeñal del compresor gira, la biela, que está diseñada para soportar grandes cargas, mueve el pistón. válvula de entrada
válvula de salida
pistón de compresión biela
cigüeñal
Figura 8 Carrera de succión para el compresor reciprocante de simple acción El pistón se está desplazando hacia abajo y el gas ingresa al cilindro a través de una válvula de una sola dirección. El gas sólo puede fluir en una dirección, por lo tanto, sólo si la presión en el cilindro es menor que la presión aguas arriba.
Figura 9 Fin de la carrera (recorrido) de succión en el compresor Recíprocante de Acción Simple El pistón está en la parte inferior de su recorrido y el gas no entra ni sale del indro, en este momento el cilindro está lleno de gas.
Succión
Comienzo de la compresión
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Succión
Comienzo de la compresión
Descarga
Figura 10 Carrera de descarga para el compresor reciprocante de acción simple El pistón se está desplazando hacia arriba, comprimiendo el gas, y forzándolo hacia afuera a través de la descarga, que es una segunda válvula de una sola dirección.
espacio muerto volumen de la cámara de compresión
Succión
Comienzo de la compresión
Descarga
Punto muerto superior. Todas las válvulas cerradas
Figura 11 Fin de la carrera de descarga El espacio que queda entre el pistón y las válvulas a esta altura se llama volumen de despejo o de espacio muerto El gas a baja presión no puede comenzar su ingreso al cilindro a través de la válvula de entrada hasta que el pistón se haya desplazado lo suficientemente lejos hacia la parte inferior del cilindro, de forma tal que la presión en el cilindro sea menor que la presión de succión. Las cavidades de espacio muerto cambian el volumen de despejo del cilindro.
19
20
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
COMPRESOR DE DOBLE ACCIÓN La mayoría de los compresores reciprocantes utilizados en la industria del gas son del tipo de doble acción. En un compresor de doble acción, la compresión se produce en forma alternada en ambos extremos del cilindro, como consecuencia el flujo es más constante y tiene una capacidad mayor. La compresión de doble acción casi duplica la capacidad de compresión de la unidad. Cada cilindro tiene un pistón simple con válvulas de succión y de descarga tanto en el extremo del cigüeñal como en el extremo del cilindro. La empaquetadura que se coloca en el extremo del cigüeñal previene que algún escape de gas ingrese en la cruceta, donde la potencia es transferida desde el accionamiento hasta el compresor. La cavidad de espacio muerto está ubicada en el cabezal del cilindro.
Biela
Cigüeñal
Cruceta
Vástago del pistón
Sello
Dos válvulas Camisa de de agua succión
Cabezal del extremo del cigüeñal
Dos Válvulas de descarga
Espacio inverto variable
Pistón
Figura 12 Operación de un Compresor Reciprocante de Doble Acción
Cabezal del cilindro
Con un compresor de doble acción, la succión y descarga ocurren en ambas direcciones de cada carrera. Mientras la cámara del cabezal del cilindro se comprime, la cámara del extremo del cigüeñal se llena con gas de entrada y viceversa. La capacidad de control del volumen de la cámara de compresión se encuentra en el extremo del cabezal del cilindro. La descarga de la válvula en ambos extremos (el extremo del cabezal del cilindro o del cigüeñal) disminuirá la cantidad de gas procesado por el compresor. La compresión de doble acción aumenta la capacidad casi dos veces.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
CONTROL DE CAPACIDAD EN LOS COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO La capacidad de un compresor reciprocante puede estar controlada por: • control de velocidad • descarga de válvula y • cavidades de espacios muertos El control de velocidad es la variación que existe en la velocidad del accionamiento (rpm) para cambiar la producción porque la producción o gas procesado por el compresor es directamente proporcional al número de carreras (recorridos). Durante la descarga de la válvula , la válvula de succión se mantiene abierta, para disminuir la producción en el volumen de ese cilindro. Algunos sistemas
sofisticados mantienen la válvula abierta sólo durante una parte de la carrera, con un control de capacidad muy fino y sensible. Las cavidades de espacios muertos aumentan o disminuyen el volumen de despejo o la cantidad de gas nuevo que se introduce al cilindro con cada carrera. El gas en las cavidades de espacios muertos se expande cuando el
pistón retrocede. Esto previene que el gas nuevo a baja presión ingrese al cilindro durante una parte de la carrera.
COMPRESORES DINÁMICOS Hay dos tipos de compresores dinámicos: • centrífugos y • axiales Un compresor centrífugo utiliza un impulsor de cuya rotación transmite energía al gas. Esto permite una operación continua con una presión de descarga y flujo constante. En comparación, un compresor de DP puede tener variaciones más notables. En los compresores axiales, el gas se desplaza y se comprime en un circuito recto, paralelo al rotor y al eje. El aumento de presión se logra por medio de la interacción de una serie de aletas tipo turbinas (álabes), estacionarias y rotativas. Todos los compresores dinámicos, independiente si el flujo es axial o centrífugo, operan basándose en los principios generales establecidos en la Ecuación de Bernoulli. La Ecuación de Bernoulli, relaciona la presión de un fluido con su velocidad . Tanto la presión como la velocidad son tipos de energía. La energía
total en un fluido debe ser constante, a menos que se incorpore o se extraiga parte de energía. Si la velocidad disminuye, y no se incorpora o extrae energía, la equiparación demuestra que debe aumentar la presión. La Ecuación de Bernoulli es la base para calcular presiones, flujos y selección de las condiciones operativas apropiadas.
21
22
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES DINÁMICOS El impulsor en un compresor dinámico puede girar a velocidades de hasta 24000 rpm, dependiendo del accionamiento. El impulsor incorpora energía al gas al aumentar su velocidad. El gas a alta velocidad que sale del impulsor ingresa en un difusor, en donde la velocidad del gas disminuye. No hay extracción de energía del gas en el difusor, por lo tanto, de acuerdo con la Ecuación de Bernoulli, la presión aumenta a medida que disminuye la velocidad.
Salida
Entrada Impulsor Difusor
Figura 13 El Flujo del gas a través del compresor dinámico El impulsor rotativo acelera el gas que ingresa. La velocidad, al ser forzada dentro del difusor, disminuye debido al mayor volumen. Al no haber cambio alguno en la energía, la presión aumenta.
CARACTERÍSTICAS DEL IMPULSOR Los compresores dinámicos pueden tener una variedad de formas de impulsores para distintos requerimientos de presión y flujo. Hay varios tipos de impulsores centrífugos, identificados por las distintas formas de las aletas y rotores. Las aletas rotativas de los compresores pueden ser planas o curvas. Las aletas planas se denominan aletas rotoras radiales por que se extienden en forma radial a 90º desde el eje motor. Las aletas curvas pueden encorvarse hacia atrás, en dirección contraria a la de la rotación, o hacia adelante con las puntas señalando en la dirección de rotación. Los distintos diseños de aletas y colocación tienen un efecto importante en la operación del compresor.
Figura 14 Impulsor del compresor dinámico centrífugo con aletas colocadas hacia adelante. Las aletas están encorvadas en la dirección de la rotación. Las aletas colocadas hacia adelante producen una velocidad relativamente baja, capacidad compresora de alto volumen.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Figura 15 Impulsor del compresor dinámico centrífugo con aletas colocadas hacia atrás Las aletas encorvadas hacia el lado opuesto de la dirección de rotación proporcionan una presión continua a lo largo de la aleta del impulsor. Estas aletas proporcionan una rotación a alta velocidad asociada con la presión alta, por consiguiente el ritmo del flujo es elevado.
Figura 16 Impulsor del compresor dinámico centrífugo con aletas radiales Los impulsores cerrados son el caso más típico de los compresores centrífugos de gas natural. En este ejemplo, el impulsor está cerrado y las aletas están a 90 grados del eje motor. Estas aletas rectas tienden a ser autolimpiables y a menudo se usan cuando el polvo o los sólidos suspendidos deben pasar a través de la unidad..
Figura 17 Impulsor del compresor dinámico centrífugo con aletas cerradas hacia atrás Este impulsor cerrado tiene aletas que se curvan hacia el lado opuesto de la dirección de rotación. Estos impulsores con aletas cerradas hacia atrás tienen un rendimiento mayor que otras configuraciones de aletas.
Figura 18 Impulsor de compresor dinámico de flujo axial Flujo axial quiere decir que el gas se desplaza en una dirección paralela al eje sobre el rotor. Los impulsores de flujo axial pueden manejar capacidades mayores que los impulsores centrífugos, pero tienen menor capacidad de incremento de presión.
23
24
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
USO DEL COMPRESOR DINÁMICO Tanto la capacidad del compresor de flujo axial como la del compresor dinámico centrífugo, pueden controlarse si se cambia la velocidad de la turbina o se realiza una desviación (by-passing) en el compresor. Al aumentar la velocidad de la turbina, la cantidad de gas que atraviesa el compresor y la velocidad del gas aumentan. La desviación (by-passing) consiste en reciclar una porción del gas de descarga hacia el sector de succión del compresor. No es un proceso muy eficiente pero permite que el compresor funcione sin problemas y en forma continua. Los cambios en las características del gas pueden afectar la operación del compresor dinámico. En las aplicaciones donde la calidad puede variar, tal como las aplicaciones de los sistemas colectores de producción, se recomienda el uso de compresores de DP. Para las aplicaciones en los sistemas de transmisión en donde pueden existir menos variaciones en la calidad del gas, es posible el uso de los compresores dinámicos.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
REVISIÓN 2 1. Las paletas deslizantes confinan y comprimen una cantidad de gas en el compresor ______.
a) b) c) d)
rotativo reciprocante centrífugo axial
2. El compresor ______ retiene el gas y aumenta su presión al reducir su volumen.
a) b) c) d)
dinámico de desplazamiento positivo centrífugo axial
3. Al mantener la válvula de succión abierta, la capacidad efectiva de manejar caudal disminuye. Este método de control de la capacidad se denomina ______
a) b) c) d)
control de velocidad descarga de la válvula cavidad de espacios muertos desviación (by-passing)
4. En el compresor axial, se comprime el gas en un circuito recto paralelo ______ y al eje.
a) b) c) d)
al cigüeñal al difusor a la cavidad de espacios muertos al rotor
25
26
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
5. Los compresores dinámicos tienen una variedad de ______ , para distintos requerimientos de presión y flujo.
a) b) c) d)
tamaños del pistón formas del impulsor paletas deslizantes interenfriamientos
6. La capacidad de un compresor dinámico puede controlarse cambiando _______.
a) b) c) d)
el voltaje la presión del aceite el pistón la velocidad del accionamiento
Las respuestas están al final de este módulo
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
SECCIÓN 3
ACCIONAMIENTOS (IMPULSORES) INTRODUCCIÓN Esta sección enfoca los distintos tipos de accionamientos, o planta motriz, que se usan para girar los ejes de los compresores analizados en la Sección 2. Todos los compresores, de desplazamiento positivo o dinámicos, tienen un eje y la función de estos accionamientos es hacer girar dicho eje. En esta sección del módulo se comparan las características, ventajas y desventajas operativas de cada tipo de accionamiento.
OBJETIVOS Una vez concluída esta sección del módulo, usted podrá: • reconocer las características operativas de los accionamientos con motores de combustión interna de dos y de cuatro tiempos. • identificar las características operativas del accionamiento de un compresor con motor eléctrico. • enumerar las características del accionamiento de un compresor a turbina de gas. • diferenciar entre el motor de combustión interna, la turbina de gas y los accionamientos eléctricos de los compresores de gas. • reconocer las diferencias en la utilización de energía para cada categoría de los accionamientos de los compresores.
27
28
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
TIPOS DE ACCIONAMIENTOS Un compresor transmite energía al gas en forma de presión. Debido a que la energía no puede ser creada o destruida, la misma debe tener una fuente. Todos los compresores, de DP o dinámicos, tienen un eje y el accionamiento debe girar dicho eje. Los siguientes tipos de accionamientos son de uso común • motores de combustión interna • turbinas de gas y • motores eléctricos Estos accionamientos usan un eje rotativo para transformar la energía proveniente de combustibles fósiles (gas natural o combustible líquido) o electricidad en energía mecánica. En algunos casos, el motor está integrado al compresor, tal que los dos componentes comparten el mismo eje. Cuando el motor y el compresor son dos unidades discretas conectadas entre sí, se les denomina separables.
Atenuador
Tanque de agua
Enfriador Purificador
Accionamiento Compresor
Succión
Descarga
Acoplamiento
Figura 19 El accionamiento del compresor de combustión interna El eje del accionamiento se conecta al eje del compresor, transmitiendo la energía requerida.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Los motores de combustión interna se usan a menudo para accionar los compresores de gas. Esto se debe a que una fuente de combustible, gas natural, se encuentra disponible en el lugar y es de bajo costo. Los tipos más comunes son los motores de cuatro tiempos y dos tiempos. Cada uno ofrece ventajas en aplicaciones específicas. Para poder entender el mecanismo de cada uno de ellos, la siguiente sección describe la operación y aplicación de un motor de combustión interna de cuatro tiempos.
EL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS El motor de combustión interna de cuatro tiempos que acciona al compresor de gas es muy similar al motor de gasolina que hace funcionar a la mayoría de los automóviles. La principal diferencia es la substitución de gas natural como la fuente de combustible. Los motores de cuatro tiempos pueden ser turbocargados para mayor eficiencia. Válvula de admisión
Bujía
Válvula de escape
Ingreso de aire y combustible Pistón Biela
Cigüeñal Carrera de Admisión Figura 20 Diagrama esquemático de la carrera de admisión en un motor de 4 tiempos El pistón se desplaza hacia abajo, introduciendo una mezcla de aire y combustible dentro del cilindro.
Carrera de Admisión
Carrera de Compresión
Figura 21 Diagrama esquemático de la carrera de compresión en un motor de 4 tiempos La segunda carrera comprime la mezcla a medida que el pistón se desplaza hacia arriba..
29
30
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Se produce el encendido Figura 22 Diagrama esquemático de una carrera de impulsión en un motor de 4 tiempos Una bujía enciende la mezcla al comienzo de la tercera carrera. El gas en expansión proveniente de la combustión resultante empuja el pistón hacia abajo. Esto es la carrera de impulsión.
Carrera de Admisión
Carrera de Compresión
Carrera de Potencia Escape
Carrera de Admisión
Carrera de Compresión
Carrera de Potencia
Carrera de Escape
Figura 23 Diagrama esquemático de la carrera de descarga en un motor de 4 tiempos En la cuarta carrera, el pistón se desplaza hacia arriba, empujando hacia afuera los gases de escape.
MOTOR DE DOS TIEMPOS Otro motor de accionamiento común del compresor es el motor de combustión interna de dos tiempos. Muy similar al motor de cuatro tiempos en lo que respecta al combustible y a la operación general, el motor de dos tiempos tiene diferencias y características operativas importantes. La diferencia esencial es la combinación de impulsiones en cada carrera. Las carreras de compresión y de impulsión en el motor de dos tiempos combinan las carreras de admisión, compresión, impulsión y descarga, que se desarrollan individualmente en el motor de cuatro tiempos. Debido al flujo continuo de aire fresco, no se requiere ningún sistema de válvulas complejo para las funciones de entrada y expulsión.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Figura 24 Diagrama conceptual de la carrera de compresión en un motor de dos tiempos
Bujía
Orificio de entrada
Cuando el pistón está cerca de la parte inferior de la carreras, un turbo compresor o un sistema de barrido de aire provoca un ingreso de aire fresco y expulsa Orificio de escape los gases de escape o combustión hacia afuera. El pistón se desplaza hacia arriba, comprimiendo el aire.
Ingreso de combustible
Bujía
Se produce el encendido
Orificio de entrada Orificio de escape
Orificio de entrada Orificio de escape
Figura 25 Diagrama conceptual de la carrera de impulsión en un motor de dos tiempos Cuando el pistón se eleva, se inyecta el gas bajo presión dentro del cilindro. En la parte superior de la carrera, la bujía enciende la mezcla de aire/combustible comprimida. La explosión empuja el pistón hacia abajo, iniciando el ciclo otra vez.
El motor de dos tiempos genera más potencia para su peso que el motor de cuatro tiempos. El motor de dos tiempos tiene una carrera de impulsión por revolución del cigüeñal, mientras que el motor de cuatro tiempos con el que se está comparando tiene una carrera de impulsión cada dos revoluciones. Tanto el motor de cuatro tiempos como el de dos tiempos generalmente usan el gas natural que se encuentra disponible en sitio como combustible.
31
32
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
MOTORES ELÉCTRICOS Los motores eléctricos utilizan magnetismo para hacer girar un eje. Este principio de operación se basa en el hecho de que los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Los motores eléctricos consisten en un rotor que se monta encima de un eje y un estator fijo. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor se produce un campo magnético. El campo magnético en el rotor es atraído hacia o repelido por el campo magnético en el estator de tal manera que esto hace que el rotor gire. Núcleo del estator
Estator
Rotor revestido en acero Bobinado del estator
Ventilador externo Cerramiento
Eje Cojinetes Estructura de hierro fundido
Cubierta protectora del extremo
Figura 26 Motor eléctrico
Los motores eléctricos representan la opción más eficiente en el consumo de energía y son más confiables y requieren menos mantenimiento y monitoreo que los motores a gas. Además, son menos ruidosos y prácticamente no producen emisiones químicas. Los motores que funcionan a gas se deben monitorear para garantizar que sus emisiones se encuentren dentro de los límites establecidos por las regulaciones ambientales. Existen menos equipos secundarios asociados con los motores eléctricos que con los motores a gas, pero existe el peligro de un arco eléctrico o de chispas eléctricas en presencia de gas natural.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
TURBINAS DE GAS La turbina de gas tiene capacidad para funcionar a velocidades mucho más elevadas que el motor de combustión interna o el motor eléctrico. Velocidades hasta 24000 rpm son comunes. En las turbinas de gas, la entrega de potencia depende de la velocidad y de la torsión. Si la potencia que se requiere de un accionamiento es constante, la torsión disminuye a medida que aumenta la velocidad. Cuando la torsión es mayor se requieren piezas mayores y más resistentes. Por lo tanto, los accionamientos con elevadas rpm pueden ser mucho más pequeños. Una turbina de gas puede requerir menos espacio físico que el requerido por un motor de combustión interna de la misma potencia Hay muchas variaciones en la turbina de gas. Al analizar los accionamientos de turbinas para la compresión de gas natural, las variaciones más comunes son las configuraciones de dos ejes o de eje simple. Cada una tiene características y aplicaciones específicas, según se describe a continuación.
CONFIGURACIÓN DE UNA TURBINA DE GAS DE DOS EJES Un diseño de dos ejes es bastante normal para los compresores de gas. En este diseño, hay dos turbinas. Una turbina hace funcionar el compresor del motor y la otra turbina mediante un eje externo acciona el compresor externo. La turbina de aviación es una configuración común de dos ejes. Los gases calientes que normalmente propulsa un avión hacia adelante se usan para hacer funcionar una turbina de potencia separada, Succión conectada a un compresor de gas externo.
Accionamiento Compresor de gas Gas Combustible
Cámara de combustion
Escape Descarga
Gas Caliente Entrada de Aire Compresor Turbo de aire generadores Impulsor
Figura 27 Diagrama conceptual del accionamiento de un compresor con turbinas de gas de dos ejes El aire es descargado del compresor hacia la cámara de combustión donde se inyecta combustible y se enciende la mezcla. Los gases de combustión se expanden a través de una turbina para accionar el primer eje y para accionar las turbinas generadoras de potencia. Estas turbinas accionan el compresor de gas a través del segundo eje.
33
34
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
TURBINA DE GAS DE EJE SIMPLE Combustible Air
➔
➔
Compresor de aire
En un diseño de eje simple, todos los elementos giran sobre un eje continuo simple y por lo tanto funcionan a la misma velocidad. El impulsor del compresor y el rotor Succión de la turbina están fijos en un eje simple. Al cambiar la velocidad de la turbina la capacidad y la presión de salida del compresor aumentan.
Accionamiento Descarga del compresor de gas
Cámara de combustion ➔
➔
Turbina Escape
Figura 28 Diagrama conceptual de un motor con turbina de eje simple Se mezcla el aire que se comprime en el compresor con combustible en la cámara de combustión. La mezcla de aire/combustible, encendida en la cámara de combustión, se expande a través de la turbina. La acción de la rotación de la turbina hace girar tanto al compresor de aire en la entrada como al compresor de gas.
UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA Los motores eléctricos son energéticamente más eficientes que los motores de combustión interna o que las turbinas de gas. El costo unitario de la energía eléctrica, sin embargo, es por lo general más elevado que el costo del gas natural. Por consiguiente, es más costoso usar motores eléctricos que motores a gas. En áreas en donde la electricidad no está disponible fácilmente, el costo de construir líneas de transmisión y subestaciones eléctricas es por lo general prohibitivo. Mientras que en aquellas áreas en donde la demanda eléctrica varía, se pueden aplicar precios altos durante los períodos de demanda pico. Los motores eléctricos, por lo tanto, sólo se usan cuando es económicamente posible. En general, para accionar los compresores es más costo-eficiente usar motores que funcionan a gas que motores eléctricos. Esto sucede en áreas remotas en donde no hay suministro eléctrico y en aplicaciones en que el requerimiento de energía varía. El diseño de una estación compresora requiere proyecciones exactas de costos de operación y mantenimiento, especialmente el costo del combustible. Ya que los gastos de combustible de una estación compresora representan tanto como un 75% del costo operativo total, el costo del combustible es un factor importante al momento de elegir el compresor y accionamiento apropiado. La selección de accionamientos de compresores de turbina o de combustión interna generalmente dependen de los niveles de presión y caudal. Las instalaciones que requieren presiones y flujos altos, por lo general funcionan con los accionamientos de compresores con turbina. PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
REVISIÓN 3 1. Cuando el accionamiento y el compresor son dos unidades discretas conectadas entre sí, se denominan ______
a) b) c) d)
integrales separables independientes únicas
2. Al comienzo de la carrera de impulsión en el accionamiento del compresor con _________, se enciende el gas, empujando el pistón hacia abajo.
a) b) c) d) 3.
turbina de gas de dos ejes turbina de gas de eje simple motor eléctrico motor de combustión interna
______determina(n) la distribución de potencia de la turbina de gas.
a) b) c) d)
Las cavidades de espacios muertos La velocidad y la torsión El voltaje La presión de entrada
4. El accionamiento que tiene un eje continuo simple en el que todos los elementos giran a la misma velocidad es un /una ______.
a) b) c) d)
turbina de gas de eje simple turbina de gas de dos ejes turbina de gas de aviación motor de dos tiempos
35
36
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
5. En un motor eléctrico, el estator está ______.
a) b) c) d)
fijo en su lugar montado en el eje incorporado en el impulsor ubicado en la parte inferior del cilindro
6. El accionamiento del compresor de gas que puede funcionar a la velocidad más alta es la/el ______.
a) b) c) d)
turbina de gas motor eléctrico motor de dos tiempos motor de cuatro tiempos
7. El accionamiento que opera utilizando magnetismo es el/la ______.
a) b) c) d)
turbina a gas motor de dos tiempos motor eléctrico motor de cuatro tiempos
8. El accionamiento más eficiente en el consumo de energía es el /la _______.
a) b) c) d)
motor eléctrico turbina de gas motor de dos tiempos motor de cuatro tiempos
9. En áreas remotas, por lo general es más costo-efectivo usar ______
a) b) c) d)
motores eléctricos accionamientos que funcionan a gas turbinas accionadas por energía solar motores magnéticos
Las respuestas están al final de este módulo.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
SECCIÓN 4
SELECCIÓN Y OPERACIÓN DE INSTALACIONES DE COMPRESIÓN INTRODUCCIÓN La última sección de este módulo analiza los factores que deben considerarse cuando se seleccionan y se operan las instalaciones de compresión. En el contexto del equipo y las instalaciones de compresión se analizan las configuraciones, rendimientos, requerimientos de potencia, modos de operación, y alarmas y paradas de emergencia asociadas.
OBJETIVOS Una vez concluída esta sección del módulo, usted podrá: • identificar tres áreas principales de aplicación de las estaciones compresoras de gas natural. • enumerar los factores que deben considerarse en el momento de seleccionar un compresor para una aplicación determinada. • relacionar las configuraciones reciprocantes integrales/separables con sus características respectivas. • relacionar la configuración centrífuga/turbina con sus características. • diferenciar entre las categorías de los rendimientos operativos de los compresores. • reconocer el efecto que tengan los accesorios, tales como bombas y generadores, sobre el rendimiento total de una unidad compresora. • relacionar la potencia al freno con la compresión de gas • identificar cuatro modos básicos de operación de las estaciones de compresión. • reconocer los contratiempos anunciados por la instrumentación y los sistemas de control de la estación compresora.
37
38
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
APLICACIONES DE LOS COMPRESORES El flujo del gas natural se produce como consecuencia de la presión que se eferce en el gas. Esto puede ocurrir por causas naturales, pero es más frecuente realizarlo por medio de un compresor. Las estaciones compresoras de gas natural se usan en: • producción • almacenamiento y • aplicaciones de transmisión.
ESTACIONES DE PRODUCCIÓN Las estaciones compresoras de producción se usan para comprimir el gas natural procedente de las bocas de pozos con el fin de que el mismo circule dentro del sistema de cañerías. El gas procedente del reservorio generalmente se encuentra a una presión relativamente alta, por lo tanto puede que no sea necesario que las estaciones compresoras estén ubicadas en cada pozo. También es menos costoso tener una estación de mayor tamaño que varias estaciones pequeñas. Sin embargo, transportar gas a presiones relativamente bajas es costoso. Cuanto más corta sea la distancia que tenga que recorrer el gas desde la boca del pozo hasta un compresor, las ventajas serán mejores. Se debe encontrar un equilibrio al decidir el lugar en donde ubicar los compresores en un sistema colector. Las estaciones de producción por lo general son paquetes compactos pequeños que consisten en un accionamiento y un compresor montados sobre un patín. La potencia puede estar comprendida entre los 35 kw y los 750 kw. Las presiones de salida pueden ser de hasta 7000 kPa para descargar el gas en una cañería de transmisión, mientras que las presiones de succión pueden, salvo excepciones, descender a unas pocas atmósferas. Las estaciones compresoras colectoras y de producción están diseñadas para ser utilizadas durante toda la vida útil del yacimiento de gas en el cual están ubicadas. Debido a que dicho período de tiempo puede ser relativamente corto, es común que estén montadas sobre un patín, para que su reubicación sea fácil en caso que no se les necesite más en un sitio en particular.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
ESTACIONES DE ALMACENAMIENTO Los compresores de almacenamiento bombean el gas hacia reservorios o cavernas de almacenamiento subterráneo. Esto se realiza en tiempos de baja demanda, como es el caso del verano. De este modo, el gas se encuentra disponible durante el invierno cuando las demandas alcanzan su nivel más alto. Frecuentemente se requiere que los compresores de almacenamiento operen en una gran amplitud de regímenes de presiones y de flujo. Por lo general, los compresores de almacenamiento son compresores reciprocantes porque los compresores dinámicos no proporcionan la flexibilidad necesaria. La potencia nominal de los compresores de almacenamiento puede estar comprendida entre 750 kw y 4500 kw. En cada estación se pueden utilizar varios compresores.
ESTACIONES DE TRANSMISIÓN Las estaciones compresoras de transmisión pueden ser de gran tamaño y pueden contener varias unidades de compresores. Los compresores de transmisión están ubicados a lo largo de una cañería destinada a transportar gas natural a través de grandes distancias. Existe una amplia flexibilidad en lo que respecta a la elección de accionamientos y compresores en una estación de transmisión. Los regímenes del flujo y las presiones en estas estaciones por lo general no están sujetas a variaciones muy importantes.
CONFIGURACIONES DE LAS INSTALACIONES DE COMPRESIÓN Al seleccionar un compresor para una aplicación específica, se deben considerar varios factores, incluyendo el caudal, la presión de succión y la presión de descarga. Los ingenieros encargados del diseño examinan los compresores construidos por varios fabricantes para hallar el compresor que mejor se adapte a sus requerimientos. Es importante que los compresores sean correctamente dimensionados: un compresor subdimensionado no podrá comprimir la cantidad requerida de gas; un compresor sobredimensionado operará ineficientemente.
Figura 29 Una típica instalación de compresión a gran escala
39
40
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
Otros factores importantes que se deben considerar cuando se selecciona un compresor incluyen: • el tipo de servicio • las propiedades del gas a comprimir • la ubicación de la estación compresora • las instalaciones o servicios disponibles.
TIPO DE SERVICIO El tipo de servicio en el que se utilizará el compresor es muy importante y tiene un gran impacto en lo que respecta a la selección del compresor y accionamiento. Los ingenieros, con la colaboración de los fabricantes de compresores, deciden si es ventajoso incluir elementos tales como compresor multietapas y refrigeración interetapa.
PROPIEDADES DEL GAS Las propiedades del gas son muy importantes en la selección del equipo. La gravedad específica de los hidrocarburos más pesados es mucho mayor que la de los gases como el metano (el principal componente del gas natural). El propano es tres veces más denso que el metano a presión atmosférica. Los gases más pesados tienen mayor viscosidad y reducen el rendimiento de un compresor, aunque los compresores dinámicos están más afectados que los compresores de DP. Si el gas es ácido [por ejemplo, que contenga sulfuro de hidrógeno (H2S)], se deben tomar medidas especiales. El gas sulfuroso, en presencia de humedad, es corrosivo. Deben usarse materiales resistentes a la corrosión, aunque de ese modo se eleve el costo del equipo. El gas sulfuroso también es muy tóxico y prácticamente no se puede tolerar ningún tipo de emisiones. Por lo tanto, se requieren sellos especiales en los compresores.
INSTALACIONES Y UBICACIÓN DE LA ESTACIÓN COMPRESORA La ubicación de una estación compresora debe ser seleccionada con mucho cuidado, tomando en cuenta los factores técnicos y geográficos y la proximidad de los servicios. El ruido es siempre algo que se debe considerar y siempre se toman medidas para que sea lo menos molesto posible. Las edificaciones de las estaciones compresoras por lo general tienen material de aislación para reducir la transmisión del ruido al medio ambiente. Además, un sistema de bafles similares a los que se usan en un auto como atenuador de ruidos pero de mayor tamaño, son de gran ayuda para silenciar los escapes.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
CONFIGURACIONES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE Normalmente, el compresor y el accionamiento se montan juntos sobre un patín unitario. La mayor parte del equipo de refrigeración y lubricación como la instrumentación se instalan sobre el patín. El compresor y el accionamiento están conectados por transmisión de correa o acoplamiento del eje. El acoplamiento del eje se usa en instalaciones de mayor tamaño. En estos casos, los ejes del accionamiento y del compresor deben estar alineados uno con el otro (ver Figura 19 en este módulo para tener un ejemplo de una unidad compresora de eje acoplado montado sobre un patín).
Pistón de accionamiento Bielas de conexión
Cigüeñal
Figura 30 Diagrama esquemático de un compresor y accionamiento integral
Pistón de compresión
Los compresores están a menudo disponibles como una unidad integral con un accionamiento. Esto sucede en el caso de los compresores reciprocantes y con motores a pistón. En estos diseños, se usa el mismo cigüeñal tanto para el motor como para el compresor, eliminando la necesidad de utilizar los acoplamientos. Los compresores muy grandes, como los que se usan en las estaciones de transmisión, por lo general son integrales. Estos compresores y accionamientos generalmente se instalan sobre fundaciones de hormigón. Se pueden alinear y colocar en el lugar.
CONFIGURACIÓN CENTRÍFUGA /DE TURBINA Los compresores centrífugos generalmente se operan a velocidades muy altas. Si el accionamiento no puede operar a estas velocidades, es posible utilizar un elevador de velocidad. Los motores eléctricos, por ejemplo, en raras ocasiones pueden operar por encima de las 3600 rpm. Los elevadores de velocidad rara vez se utilizan porque disminuyen significativamente el rendimiento mecánico del sistema.
41
42
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE ETAPAS MÚLTIPLES Los compresores reciprocantes, centrífugos y axiales pueden estar configurados para operar en etapas múltiple o simple. Las etapas múltiples aumentan enormemente el rango operacional de cualquier tipo de compresor. En el compresor centrífugo, no hay interenfriamiento. En cambio, el gas de descarga de una etapa pasa directamente hacia el sector de succión de la etapa siguiente. Los compresores centrífugos realizan un proceso politrópico que se aproxima más a un proceso isentrópico. Los compresores axiales por lo general son de etapas múltiples. Ensamblaje del estator
Impulsor
Cavidad de succión
Cavidad de descarga Salida del portapaletas
Entrada del portapaletas
Ensamblaje del extremo del sello y cojinete de descarga
Ensamblaje del extremo del sello y cojinete de succión Eje
Perno Central
Desagote de la estructura
PARTES ROTATIVAS PARTESESTACIONARIAS
Figura 31 Compresores de etapas múltiples Un corte transversal en el que se observa un compresor centrífugo de etapas múltiples.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
SELECCIÓN DE LA UNIDAD COMPRESORA El tipo de compresor seleccionado se basa en cada aplicación específica. Un compresor reciprocante puede manejar bajos caudales y alta presión. Los compresores centrífugos son los que mejor funcionan a mayores caudales pero no proporcionan la misma capacidad de presión de descarga. Los compresores de flujo axiales tienen capacidad para caudales muy elevados con presión de descarga limitada. ) a P k ( a g r a c s e D e d n ó i s e r P
106
Reciprocante Centrífugo
105 104
Axial
103 102 10 10
102
103
104
105
Velocidad del flujo (103m3/d reales) Figura 32 Rango aproximado de operación de varios tipos de compresores Los ingenieros usan gráficos para que el rango de operación óptimo coincida con la aplicación específica. La compresión de transmisión normal se ubica dentro del rango de la presión de descarga de 103 y 104. Pueden hallarse valores mayores a estos niveles en las aplicaciones de procesos. Las aplicaciones en producción frecuentemente son menores que este rango.
La selección de las unidades compresoras y sus configuraciones también depende del rendimiento de las unidades que se toman en consideración.
43
44
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
RENDIMIENTO Y CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LA UNIDAD COMPRESORA El rendimiento de los compresores puede cuantificarse en tres expresiones diferentes. Ellas son: • volumétrica • mecánica y • adiabática /politrópica. Estas categorías se aplican de la misma forma a los compresores dinámicos y de DP. Los compresores dinámicos tienen dos características de operación adicionales que incluyen: • estabilidad y • pulsación Analizaremos cada uno de estos rendimientos y características operativas.
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO El rendimiento volumétrico equivale a aquella proporción del volumen del cilindro en un compresor reciprocante que se utiliza en cada carrera para comprimir gas. El volumen de despejo que ya se analizó en este módulo es la
causa principal de un mal rendimiento volumétrico, pero existen algunas otras ineficiencias adicionales de menor orden que son introducidas por el volumen en las válvulas. Si el gas que se comprime es propano, u otro gas más pesado, también se puede disminuir el rendimiento volumétrico.
RENDIMIENTO MECÁNICO El rendimiento mecánico cuantifica la cantidad de energía perdida como consecuencia de la fricción en las piezas mecánicas en un compresor. La
fricción se produce cuando dos superficies en movimiento entran en contacto. La lubricación y los cojinetes se utilizan para reducir la fricción lo mejor posible, pero siempre se produce un poco de fricción. Para un compresor centrifugo, los típicos rendimientos mecánicos están entre 97 y 99%, lo que implica que sólo entre 1 y 3% de la energía que ingresa al compresor se pierde como consecuencia de la fricción. Los compresores reciprocantes y los de DP rotativos tienen mayor fricción, y por lo tanto los rendimientos mecánicos son más bajos. Si se emplea una caja de engranaje para aumentar o reducir velocidad, integrada al compresor, el rendimiento mecánico se reduce todavía más.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
RENDIMIENTO ADIABÁTICO/POLITRÓPICO El rendimiento adiabático/politrópico relaciona la entrada teórica en el compresor con la entrada real para un ciclo de compresión. Se usa para
describir las características de los compresores dinámicos y de los de DP. En la mayoría de los casos, el rendimiento que se utiliza será politrópico antes que adiabático. El rendimiento adiabático se puede usar sólo si no se produce una transferencia de calor en el compresor (ciclo isentrópico). Para los compresores reciprocantes, el rendimiento politrópico/adiabático toma en cuenta al rendimiento volumétrico.
ESTABILIDAD La estabilidad es un aspecto importante a tomar en cuenta para los compresores dinámicos. Cualquier compresor dinámico tiene un flujo máximo con el que puede funcionar. Si la velocidad del flujo excede este límite, las pérdidas de fricción que se producen dentro del compresor son tan elevadas que no hay aumento de la presión en todo el compresor. Esta condición se denomina estrangulación (choke). La estrangulación no causa daños al compresor, a menos que se mantenga
en funcionamiento durante prolongados períodos de tiempo. Sin embargo, la estrangulación malgasta energía porque la energía que ingresa al compresor no se utiliza para el gas.
PULSACIÓN La pulsación es una condición que se produce cuando hay muy poco flujo que circula a través de un compresor dinámico. Cuando los flujos son bajos, el
compresor es muy inestable y el flujo puede ir en la dirección contraria, desplazándose del sector de descarga al de succión. Si la pulsación se produce en un ciclo, la presión de descarga varía, y esto hace que el compresor vibre. Si la pulsación persiste, pueden producirse daños en el compresor y las cañerías asociadas.
RENDIMIENTOS DE LOS ACCIONAMIENTOS Además de los rendimientos de las configuraciones del compresor, se debe tomar en cuenta el total de los rendimientos de los accionamientos de los compresores. Recuerde que esto incluye una combinación de los motores de combustión interna, de las turbinas de gas y de los motores eléctricos. El rendimiento de cada uno puede analizarse por separado.
45
46
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
• Los motores de combustión interna deben operarse a su potencia nominal para lograr el rendimiento máximo. Los rendimientos térmicos (trabajo útil como fracción de la entrada de energía) tienen un rango que va desde 25 a 40%. Este rendimiento puede mejorarse cuando están equipados con turbocompresores. • Los rendimientos de las turbinas de gas pueden incrementarse por encima de su 18-28% básico, utilizando sistemas de recuperación del calor, dependiendo de marca y modelo. • Los motores eléctricos con potencias nominales altas tienen rendimientos entre 85 y 95% si operan con cargas nominales. Si funcionan a potencias nominales más bajas, los rendimientos disminuyen.
RENDIMIENTO TOTAL DE LA UNIDAD La sumatoria de los factores de rendimiento de los compresores y los rendimientos operativos de los accionamientos de los compresores no proporciona, por sí misma, el rendimiento total de la unidad. Los accesorios tales como bombas, generadores, compresores de aire y ventiladores están compartidos por el accionamiento y el compresor. Estos accesorios disminuyen el rendimiento total de la unidad.
REQUERIMIENTOS DE POTENCIA Se pueden calcular los requerimientos de potencia para lograr el rango óptimo de operación. El primer paso es la determinación de los requerimientos de la potencia al freno del compresor.
POTENCIA AL FRENO La potencia que requiere un compresor para operar según una serie de condiciones se denomina potencia al freno. La potencia al freno de un
compresor se calcula utilizando la siguiente ecuación: W
x
Donde: W = potencia al freno en vatios Pt = potencia teórica ηa/p = ηm
factor de rendimiento politrópico /adiabático
= factor de rendimiento mecánico
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
La potencia teórica es la potencia teóricamente requerida para comprimir y transmitir una cantidad dada de gas de acuerdo con un proceso específico.
Como consecuencia de las pérdidas mecánicas y los rendimientos inadecuados que se producen en el ciclo de compresión, según lo establecido por los rendimientos mecánicos y politrópicos/adiabáticos respectivamente, la potencia teórica no es la potencia que se necesita para operar un compresor. La potencia al freno es la potencia que el accionamiento debe transmitir al compresor para que pueda operar según una serie de condiciones establecidas. Potencia Aproximada Requerida para comprimir gas Figura 33 Gráfico de potencia aproximada
500 400 300 250 200 ) a 150 P k 5 2 3 , 100 a r 1 90 o 0 h 1 80 r e o d 70 p ) o s 60 c b i a b ( ú y 50 c r n t ó 40 e i m c c r u o s 30 p e s d o a 25 i t r a u V t a 20 r e p m15 e T (
10
1
etapa 3 etapa 2
etapa 1
1.5
2 2.5 3
4
5 6 7 8 9 10
15
20
30
Los ingenieros usan este tipo de gráfico para determinar la potencia al freno (en este caso, para un compresor reciprocante sin interenfriamiento). Es importante observar que la potencia al freno es aproximada ya que no todos los compresores tienen el mismo rendimiento.
40 50 60 70 80 100
Índice de compresión total basado en presiones absolutas
Para utilizar el gráfico de potencia aproximada, siga los siguientes pasos: 1. Encuentre el índice de compresión total sobre el eje horizontal. 2. Trace una línea vertical hacia arriba hasta lograr una intersección con el gráfico en las etapas de compresión 1, 2 ó 3 según sea necesario. 3. Trace una línea horizontal hacia la izquierda hasta el eje vertical. La numeración que aparece en este eje es en W/m 3/h. 4. Para hallar la potencia necesaria, tome la velocidad del flujo (que se refiere tanto a una temperatura de succión y absoluta de 101,325 kPa) y multiplíquelo por el número del paso 3. Así obtendrá la potencia al freno en vatios. (Para cambiar la potencia a kw, divida por 1000).
47
48
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
El ejemplo siguiente demuestra el procedimiento. En este ejemplo, se requiere un compresor reciprocante de etapa simple para comprimir el gas desde 2500 kPa hasta 7500 kPa. La velocidad del flujo será de 30.000 m 3/h, (referido a la presión atmosférica y temperatura de succión). Se puede utilizar el gráfico para hallar la potencia al freno aproximada del compresor. Primero, calcule la relación de compresión. El gas pasará desde los 2500 kPa hasta los 7500 kPa; esto significa que el índice de compresión total es 3. Para utilizar el gráfico, trace una línea desde 3 sobre el eje horizontal hasta llegar a la curva. A continuación, trace una línea desde el punto de intersección hasta el eje horizontal a la izquierda. La intersección da aproximadamente 44 W/m 3/h. La potencia al freno aproximada puede calcularse al multiplicar esta cifra (44 W/m3/h) por el caudal. W = 44 x 30.000
= 1.320.000 W
Observe que se supone que los factores de rendimiento adiabático / politrópico y el factor mecánico son 1. La potencia al freno para esta aplicación en particular es aproximadamente 1320 kW. Es común que el fabricante del compresor determine el resultado del rendimiento con respecto a los requerimientos de la potencia al freno para el caso de varias velocidades de flujo y aumentos de presión. Esta información está contenida en un gráfico que se encuentra disponible para aquellos que adquieren y usan los compresores.
MODOS DE OPERACIÓN Una estación compresora puede tener varios grados de automatización. Los sistemas de control y los requerimientos del personal varían dependiendo del nivel de automatización. Deben cumplirse con los procedimientos de operación y mantenimiento adecuados para garantizar una operación segura y eficiente. Las situaciones anormales suelen ocurrir, por lo tanto es importante resolverlas correctamente cuando se presentan. Esta sección proporciona información detallada acerca de algunos factores que deben considerarse durante la operación de una estación de compresión. Existen cuatro modos básicos de operación de la estación compresora: • modo de atención manual • modo de atención automatizado • modo automatizado, sin atención • modo automatizado, controlado a distancia.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
MODO DE ATENCIÓN MANUAL En una estación con atención manual, los operadores de la estación completan todas las tareas manualmente. El personal del lugar se encarga de la puesta en marcha y parada del equipo, del monitoreo del equipo, de los ajustes operativos y también se encarga de las situaciones anormales y de emergencia. Este tipo de estación debe estar atendida siempre que se encuentre en funcionamiento.
MODO DE ATENCIÓN AUTOMATIZADO En una estación con atención automatizada, los sistemas de instrumentación controlan la mayor parte de las funciones de rutina. Sin embargo, la estación también debe contar con personal siempre que esté en funcionamiento ya que estos sistemas no pueden resolver las situaciones anormales o de emergencia. Los operadores deben resolver este tipo de situaciones en el lugar donde está instalado el equipo.
MODO AUTOMATIZADO, SIN ATENCIÓN En una estación automatizada sin atención , todos los sistemas están controlados por instrumentación y/o sistemas de computación. Estos sistemas pueden reaccionar ante situaciones anormales o de emergencia. Este tipo de estación puede estar atendida sólo durante el día. La mayoría del personal que está en este tipo de estación desempeña tareas administrativas y de mantenimiento, a diferencia de las tareas de operación rutinarias.
MODO AUTOMATIZADO , CONTROLADO A DISTANCIA En las estaciones automatizadas atendidas por control remoto, las funciones de control y la información se transmiten al Centro de Control remoto . El Centro de Control monitorea y controla varias estaciones. Además del control que se describe en la atención automática, el sistema puede establecer y/o leer parámetros operativos y controlar el equipo desde un lugar remoto.
ALARMAS Y PARADAS DE EMERGENCIA El grado de protección requerido para los dispositivos de alarmas y paradas está directamente relacionado con el riesgo y el costo de perder lo que se protege así como también con los requerimientos de entes reguladores. La instrumentación y los sistemas de control de la estación compresora advierten cuando se presenta alguno de los siguientes tres tipos de contratiempos: • alarma • parada de la unidad o • parada de emergencia (PE)
49
50
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
ALARMA Los operadores deben estar informados acerca de cualquier situación anormal, aunque ésta no presente amenazas serias, para que puedan tomar las acciones correctivas. Ningún equipo se para durante una alarma. Se les puede dar aviso a los operadores a través de una pantalla de computadora en el Centro de Control o por medio de bocinas o luces intermitentes en la estación, dependiendo del tipo de estación y de la naturaleza de la alarma. Por ejemplo, si el nivel del reservorio del aceite lubricante desciende a un nivel preestablecido, suena la alarma o se envía una señal al Centro de Control. Después, los operadores de la estación determinan la causa de la alarma y corrigen la situación. Si no se reacciona a una alarma, el resultado puede ser una parada total de la unidad.
PARADA DE LA UNIDAD Cada componente importante de un equipo, como es el caso de un compresor o un motor, cuenta con instrumentación asociada. Esta instrumentación garantiza que el equipo opere dentro de los límites especificados. Por ejemplo, las mediciones pueden incluir temperatura de descarga, velocidad del motor, presión del aceite, nivel del aceite y nivel del enfriador. Si el equipo deja de operar dentro de los límites establecidos, se paraliza en forma total para su propia protección y también para la protección del personal que se encuentra en el área. Por lo tanto, las reparaciones se deben realizar antes de poner el equipo en funcionamiento nuevamente.
PARADA DE EMERGENCIA (PE) De existir una situación que ponga en peligro a toda la estación, como un incendio, se procede a una parada completa de la estación debido a una emergencia (PE). Durante una PE, cada pieza del equipo rotativo en la estación se detiene y se deben purgar todas las cañerías y recipientes. En caso de una emergencia, una PE puede dispararse automáticamente por medio de los sistemas de control o en forma manual, por el personal que se encuentra en sitio.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
A continuación se detallan algunos de los equipos y sistemas que tienen alarmas y/o dispositivos de parada. EQUIPO
MONITOREO DEL
ALARMAS Y/O PARADAS
SISTEMA
COMPRESOR Y MOTOR
Aceite de lubricación
• • • •
Refrigerante
• Temperatura elevada • Nivel bajo
Turbocompresor
• Velocidad excesiva
Rodamientos
• Temperatura • Desgaste
COMPRESOR
Cilindros
EQUIPO AUXILIAR
Purificadores
• • • •
Suministro de aire
• Presión de control baja
Sistema de potencia
• Nivel del voltaje • Sin corriente eléctrica
Bobinado
• Temperaturas
Incendio
• Detección de calor • Detección de humo
Gas
• Gas sulfuroso • Gas combustible
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
MOTORES ELÉCTRICOS
ESTACIÓN
Presión baja Nivel bajo Temperatura elevada Diferencial del filtro elevado
Temperatura elevada Baja presión de succión. Presión de descarga elevada Nivel de líquido elevado
51
52
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
REGULACIONES Los organismos reguladores federales, provinciales y locales establecen requisitos relativos al medio ambiente, seguridad y capacitación. Se deben enviar informes a estos organismos con regularidad. Periódicamente se realizan inspecciones a las instalaciones. Todas las consideraciones de regulación deben estar correctamente documentadas, de conformidad con las leyes, las regulaciones y la política de la compañía.
REGISTROS DIARIOS El mantenimiento de los registros diarios es una parte muy importante en la operación de cualquier instalación industrial y las estaciones compresoras no son una excepción. Cada pieza principal del equipo cuenta con un libro de registros. En el se registran todas las inspecciones, tareas de mantenimiento, mantenimientos mayores y reparaciones junto con las condiciones operativas. De estos registros es posible determinar la operación de la estación más eficiente y también realizar pronósticos de confiabilidad. Los libros diarios pueden incluir: • temperaturas (succión, descarga, entre etapas, aceite lubricante, enfriamiento del agua, atenuadores) • presiones (succión, descarga, aceite lubricante) • niveles de aceite • velocidades del compresor / motores • vibración • uso de la potencia • análisis (aceite lubricante, agua de refrigeración, gas de escape) y • comentarios del operador y observaciones personales. Esto es esencial en todos los programas de mantenimiento y planes para las acciones correctivas.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
REVISIÓN 4 1. En una unidad de compresión integral, tanto el accionamiento como el compresor utilizan el _______.
a) b) c) d)
pistón cilindro impulsor cigüeñal
2. La configuración de la unidad en la que el compresor y el accionamiento son unidades independientes se denomina_______..
a) b) c) d)
separable integral de etapas múltiples de etapa simple
3. El elevador de la velocidad se utiliza muy rara vez por que _______..
a) b) c) d)
es muy costoso disminuye el rendimiento mecánico del sistema no es confiable retiene y difunde el calor
4. Los compresores de flujo axiales pueden alcanzar velocidades de flujo muy elevadas pero tienen limitaciones en lo que respecta a _______..
a) b) c) d)
aumentos en la presión enfriamiento rendimiento de la unidad control del volumen
53
54
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
5. Las tres aplicaciones más importantes de las estaciones de compresores de gas natural son _______.
a) b) c) d)
almacenamiento, perforación, transmisión producción, exploración, almacenamiento recuperación, producción, transmisión transmisión, producción, almacenamiento
6. Un compresor de producción _______..
a) b) c) d)
aumenta la temperatura del gas proveniente de la boca del pozo bombea gas hacia cavernas subterráneas transporta gas natural a través de largas distancias trata el gas al eliminar el H2S
7. El tipo de rendimiento del compresor que mide la porción del volumen del cilindro utilizado en cada carrera se denomina rendimiento______
a) b) c) d)
volumétrico mecánico adiabático politrópico
8. Los rendimientos de las turbinas de gas pueden mejorar más allá de sus rendimientos básicos del _______. al utilizar sistemas de recuperación del calor.
a) 8-18% b) 18-28% c) 28-48% d) 48-60%
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
9. La potencia que un compresor requiere para operar de acuerdo con una serie de condiciones se llama _______..
a) b) c) d)
potencia teórica estabilidad potencia al freno rendimiento térmico
10. El/Los modos básicos de operación de las estaciones compresoras son _______.
a) por control automático unicamente b) atención manual, auto atendidas, sin atención automática c) por control remoto automático, sin atención automática, atención automática, atención manual d) por control manual unicamente 11. El equipo rotativo se detiene y todos los recipientes se purgan durante un/una _______.
a) b) c) d)
alarma parada de la unidad PE corte de energía programado
Las respuestas están al final de este módulo.
55
56
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
RESUMEN SECCIÓN 1 – COMPRESIÓN DE GAS • Si un objeto se desplaza a través de una superficie, continuará desplazándose siempre que la fuerza de accionamiento sea mayor que la fuerza de fricción. •
Si se incrementa o se elimina la fuerza de accionamiento, la presión del gas en movimiento disminuirá. Esta pérdida o caída de presión es compensada incrementando la presión del gas mediante el proceso de compresión
•
A medida que se comprime el gas, su temperatura se eleva. Por consiguiente, a menudo es necesario enfriar el gas entre las etapas de compresión. Algunos términos relacionados con el enfriamiento y compresión son: enfriamiento del agua en camisa, isentrópico, isotérmico, politrópico.
•
La relación de la presión de descarga sobre la de succión se denomina relación de compresión.
•
Una unidad de compresión consiste en un compresor y un accionamiento, y pueden estar conectados en varias configuraciones.
•
Una estación compresora tiene una o más unidades de compresión y equipo auxiliar.
SECCIÓN 2 – COMPRESORES • Hay dos categorías de compresores: los compresores de Desplazamiento Positivo (DP) y los compresores dinámicos. •
Hay dos tipos de compresores de DP: reciprocantes y rotativos.
•
Hay dos tipos de compresores reciprocantes que se usan en la compresión de gas natural: los compresores de acción simple y los compresores de acción doble.
•
Hay tres métodos para controlar la capacidad de un compresor reciprocante: control de velocidad, descarga de las válvulas y el uso de las cavidades de espacios muertos.
•
La Ecuación de Bernoulli establece que el total de energía de un fluido debe ser constante. Por lo tanto, si la velocidad disminuye, sin que se incorpore o se quite energía, la presión debe aumentar.
•
El impulsor de un compresor dinámico incorpora energía al gas al incrementar su velocidad. A continuación la velocidad disminuye, y dado que no se incorpora o se quita energía, la presión aumenta.
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
•
Hay dos tipos de compresores dinámicos: los compresores centrífugos y los compresores axiales.
•
La capacidad de los compresores dinámicos se controla cambiando la velocidad de la turbina o desviando (by-passing) el gas de descarga al sector de succión del compresor.
SECCIÓN 3 – ACCIONAMIENTOS (IMPULSORES) • Todos los compresores, de DP o dinámicos, tienen un eje. Un accionamiento hace girar dicho eje. •
Hay tres tipos comunes de accionamientos: el motor de combustión interna, la turbina de gas y el motor eléctrico.
•
Hay dos tipos comunes de motores de combustión interna: los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos.
•
En una turbina de gas, la potencia que se transmite depende de la velocidad y la torsión.
•
Dos configuraciones de la turbina de gas son de dos ejes y de eje simple.
•
Los motores eléctricos usan magnetismo para hacer girar un eje.
SECCIÓN 4 – SELECCIÓN Y OPERACIÓN DE LAS INSTALACIONES DE COMPRESIÓN • Los factores a considerar cuando se selecciona un compresor para una aplicación específica incluyen: velocidad del flujo, presión de succión, presión de descarga, tipo de servicio, propiedades del gas y ubicación. •
Las tres áreas principales de aplicación de las estaciones compresoras de gas natural son producción, almacenamiento y transmisión.
•
Los rendimientos de la compresión se categorizan como volumétrico, mecánico o adiabáticos / politrópicos.
•
La potencia que un compresor requiere para operar en una serie de condiciones determinadas se denomina potencia al freno.
•
Los modos de operación de una estación compresora son: atención manual, automática con atención, automática sin atención y automática controlada a distancia.
•
Hay tres niveles de contratiempos que pueden ser anunciados por los sistemas de control e instrumentación: alarma, parada de la unidad y Parada de Emergencia (PE).
•
Algunas características operativas clave que son monitoreadas y que pueden activar alarmas son la temperatura, las presiones, los niveles de aceite y la velocidad de los motores.
57
58
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
GLOSARIO atención automatizada
Un modo de operación de una estación compresora en el que la mayor parte de la rutina está controlada por los sistemas de instrumentación. Sin embargo, los operadores deben corregir manualmente las irregularidades o situaciones de emergencia. (p.49) atención manual
Un modo de operación de una estación compresora en la que los operadores de la estación completan todas las tareas manualmente. (p.49) automatizado , controlado a distancia
un modo de operación de una estación compresora en el que las funciones de control y de información se transmiten a un centro de control remoto. (p.49) cavidades de espacios muertos
aumentan o disminuyen la cantidad de gas nuevo que se introduce en el cilindro con cada carrera. (p.21) cilindro refrigerado por agua
un método de enfriar la cámara de compresión del compresor de gas utilizando agua fría que se bombea a través del sistema de enfriamiento de dicho compresor. (p.6) compresión isentrópica
La compresión del gas sin enfriamiento. (p.6) compresión isotérmica
La compresión de gas con un enfriamiento perfecto que garantiza una temperatura constante. (p.6) compresión politrópica
Un proceso de compresión que está entre el isentrópico y el isotérmico en lo que respecta a la cantidad de trabajo que se requiere. (p.6) compresor
Una pieza de equipo que se usa para incrementar la presión del gas en las cañerías. (p.4) compresor de desplazamiento positivo (DP)
Un compresor que retiene el gas y eleva su presión al reducir su volumen. (p.16)
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
compresor dinámico
Un compresor que convierte una repentina disminución en la velocidad del gas en presión. (p.16) control de velocidad
Se cambia la velocidad del accionamiento (rpm) para cambiar la producción. (p.21) descarga de la válvula
Durante la descarga de la válvula, la válvula de succión se mantiene en posición abierta para disminuir la producción a través del volumen del cilindro. (p.21) Ecuación de Bernoulli
Relaciona la presión de un fluido con su velocidad y es la base para el cálculo de las presiones, flujos y la selección de condiciones de operación apropiadas. (p.21) estrangulación
una condición que se produce en un compresor cuando las pérdidas de fricción son elevadas y por lo tanto no hay aumento de la presión en todo el compresor. La estrangulación gasta energía. (p.45) fricción
una fuerza contraria al movimiento que actúa sobre cualquier cuerpo en movimiento. (p.4) índice de compresión
un índice que se calcula entre la presión absoluta en la descarga del compresor y la presión absoluta en la succión del compresor. (p.8) interenfriador
un tipo de intercambiador de calor que usa aire o agua para eliminar el calor del gas entre las etapas de compresión. (p.5) modo automatizado sin atención
un modo de operación de una estación compresora en el que todos los sistemas se controlan por medio de instrumentación y/o sistemas computarizados.(p.49) potencia al freno
la potencia que un compresor requiere para funcionar según una serie de condiciones dadas. (p.46)
59
60
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
potencia teórica
la potencia que se requiere teóricamente para comprimir y transmitir una cantidad determinada de gas de acuerdo con un proceso específico. (p.46) Primera Ley de movimiento de Newton
una ley física que establece que un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza en desequilibrio actúe sobre él. (p.4) pulsación
relaciona la entrada teórica en el compresor con la entrada real en un ciclo de compresión. (p.44) rendimiento adiabático/politrópico
una condición que se produce cuando hay un flujo muy pequeño que circula a través del compresor dinámico.(p. 45) rendimiento mecánico
un rendimiento del compresor que cuantifica la cantidad de energía perdida como consecuencia de la fricción que se produce en las piezas mecánicas en un compresor. (p.44) rendimiento volumétrico
un rendimiento de la unidad compresora que es equivalente a aquella proporción del volumen del cilindro en un compresor reciprocante que se utiliza en cada carrera para comprimir gas. (p.44) unidad compresora integral
un tipo de unidad de compresión en la que el accionamiento y el compresor comparten el mismo cigüeñal. (p.9) unidad compresora separable
un compresor en el cual el accionamiento reciprocante y el compresor no comparten el mismo cigüeñal. (p.9) volumen de despejo
la cantidad de gas nuevo que se introduce en el cilindro con cada carrera. (p 21)
PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA CONTROLADORES DE GAS NATURAL
COMPRESIÓN DE GAS NATURAL
RESPUESTAS REVISIÓN 1 REVISIÓN 2 REVISIÓN 3 REVISIÓN 4 1. a 1. a 1. b 1. d 2. d
2. b
2. d
2. a
3. b
3. b
3. b
3. b
4. a
4. d
4. a
4. a
5. d
5. b
5. a
5. d
6. b
7. c
7. a
8. b
8. a
8. b
9. d
9. b
9. c
10. c 11. c
61