SELECCIÓN DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE CON SOFTW SOFTWARE ARE ARIEL ARIEL
Ing. Freddy Freddy López Vásquez
GENERALIDADES •
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La utilización del gas natural, generalmente requiere el incremento de presión a niveles mayores a la presión de producción, para transportarlo transportarlo por tuberías a los sitios de consumo o donde se realizará su transformación. La mayor parte es enviado a plantas compresoras para ser comprimido y transportado. ESTE INCREMENTO DE PRESIÓN SE REALIZA A TRAVÉS DE COMPRESORES.
TIPOS DE COMPRESORES •
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DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO POSITIVO, La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo. DINÁMICOS, Aceleran el gas e incrementan la energía cinética la cual es convertida convertida en presión.
EQUIPOS DE PROCESO QUE CONFORMAN UN COMPRESOR RECIPROCANTE
COMPRESOR RECIPROCANTE •
La compresión se obtiene por desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la cámara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la presión.
TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES •
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Simple Etapa: Con una sola relación de compresión, que incrementan la presión una vez. Múltiples Etapas: Poseen varias etapas de compresión con enfriamiento intermedio, en los que cada etapa incrementa progresivamente la presión hasta alcanzar el nivel requerido. Integral: Los cilindros del motor y del compresor están montados en una sola montura (frame) y acoplados al mismo cigüeñal Separable: El compresor y el motor poseen cigüeñales y monturas diferentes acoplados directamente. Balanceado - Opuesto: Son separables, en los cuales los cilindros están ubicados a 180º a cada lado del frame.
SELECCIÓN DEL COMPRESOR Entre los principales factores que se deben tomar en consideración, se encuentran: • • • • • • •
Características del Gas y del Proceso. Flujo volumétrico – Presión de Descarga Limitaciones de Temperatura, La velocidad de flujo, El consumo de potencia, Tipo de Elemento Motriz Posibilidades de Mantenimiento y Costo Disponibilidad Comercial del Compresor, Costo de instalación.
RANGOS DE OPERACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE COMPRESORES •
Selección del compresor en función del flujo volumétrico (ACFM) y la presión de descarga requerida.
RANGOS DE OPERACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE COMPRESORES •
Selección del compresor en función de la relación de compresión y el flujo.
RANGOS DE OPERACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE COMPRESORES •
Selección del compresor en función del flujo (m3/h) y la velocidad.
APLICACIONES DONDE SE REQUIERE UTILIZAR COMPRESORES RECIPROCANTES •
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Altas presiones de descarga. Disponibles para bajos flujos de gas. Son mucho menos sensibles a la composición del gas y a propiedades cambiantes que los compresores dinámicos. Poseen mayor flexibilidad operacional, ya que con solo cambio en los cilindros o ajuste de los pockets pueden ajustarse a nuevas condiciones de proceso.
PARTES DE UN COMPRESOR SEPARABLE BALANCEADO OPUESTO DE SIMPLE ETAPA Y DOBLE EFECTO
PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE
PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE
PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE
PROCESO DE COMPRESIÓN •
Ciclo convencional de compresión.
PROCESO DE COMPRESIÓN •
Compresión en simple etapa y doble efecto.
DIAGRAMA REAL O INDICADO •
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Depresión al inicio de la admisión es del orden del 2 al 5% de la presión de admisión. Sobrepresión al final de la carrera de compresión del orden del 2 al 5% de la presión de descarga. El valor del espacio muerto varía entre el 3 y 10%, del volumen desplazado. Pérdidas son consideras de 5 a 10 psi entre succión y descarga.
MÉTODOS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN Se dispone de 2 métodos: 1.- Se supone un proceso de compresión isoentrópico (adiabático y reversible con entropía constante que comúnmente se considera ideal). 2.- Un proceso politrópico (se supone la entropía variable y se toman en cuenta los cambios en las características del gas). •
PROCEDIMIENTO PARA ESPECIFICAR UN COMPRESOR RECIPROCANTE •
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Considerando el volumen de gas a manejar, la presión de succión y descarga, la temperatura de entrada y la composición del gas son conocidas, EL PROBLEMA consiste en: Establecer el tipo de compresor reciprocante, el número de etapas, la potencia requerida y verificar el porcentaje de carga y las tensiones en los ejes.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN •
THE COMPRESSION RATIO =RC, es la relación de la presión absoluta de descarga, entre la presión absoluta de succión. =
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=
Ec. 1
Si RC sale mayor a 4 (RC>4), entonces, la compresión se realizará por etapas.
NÚMERO DE ETAPAS DE COMPRESIÓN •
La presión máxima que puede alcanzarse en una etapa de compresión está limitada por la temperatura de descarga máxima permisible, desde 275 a 300 F y por la carga de las barras del pistón (GPSA). La primera aproximación se puede hacer variando el número de etapas hasta obtener una relación de compresión menor a 4. Con la siguiente ecuación: °
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=
n = número de etapas
Ec. 2
EJEMPLO Se requiere comprimir un gas: Psuc= 600, Pdes= 1400 Rc=2,3: Como 2,3<4 entonces comprimir en una etapa. Psuc= 200, Pdes= 1400 Rc=7: Como 7>4 entonces comprimir comprimir en más de una etapa.
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Rc= 7 = 2,6 es < que 4. (n=2 etapas) Psuc= 200, Pdes= 4000 Rc=20: Como 20>4 entonces comprimir comprimir en más de una etapa. Rc=
20 = 2,7 es < que 4. (n=3 etapas)
CALCULAR LA TEMPERATURA DE DESCARGA •
Para calcular la temperatura de descarga de cada etapa se utiliza la siguiente ecuación. ()
= [() [()
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] Ec. 3
K = constante constante del gas, sin unidad. Llamado coeficiente isentrópico: k = , relación entre la capacidad calorífica a presión constante y a volumen constante.
CALCULAR LA CONSTANTE k DE LOS GASES
Para los hidrocarburos gaseoso tenemos. k = −, ( ° ), relación entre el calor específico molar a presión constante. constante.
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Otra manera de estimar k es conociendo el peso molecular del gas y la temperatura de succión con la siguiente curva.
Método gráfico para determinar la temperatura de descarga entrando con el radio de compresión, el valor de k y la temperatura de succión.
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Método gráfico para determinar la temperatura de descarga entrando con el radio de compresión, el caudal, el valor de k y la temperatura de succión.
FACTOR DE COMPRESIBILIDAD •
Factor de compresibilidad del gas natural a densidad relativa 0,65
POTENCIA REQUERIDA PARA LA COMPRESIÓN •
Puede obtenerse considerando el proceso de compresión isentrópico (adiabático reversible), calculando la potencia en función del cambio de entalpía y luego se ajusta de acuerdo al tipo de compresor para obtener la potencia real con la ecuación-6. Este método es utilizado por los simuladores computacionales.
POTENCIA REQUERIDA PARA LA COMPRESIÓN •
ECUACIONES del GPSA: Rápida estimación de la Potencia del compresor. Considerando pérdidas y alta velocidad.
Potencia por etapa de compresión, Considerando pérdidas de: Tubería, scrubber, cooler, etc. Típicamente de 5 a 10 psi. E = eficiencia isentrópica.
BRAKE HORSEPOWER EN FUNCIÓN DE RC Y k PARA LA ECUACIÓN 13.4
EJEMPLO 1 •
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Cuál será la potencia para comprimir 2 MMcfd de gas a 14,4 Psia con un radio de compresión de 9 en 2 etapas.
Radio por etapa: 9 = 3 Reemplazando valores en Ec.13.4 = 22 3 2 2 1,08 = 285
De la fig. 13.9 para un valor de k=1.15 requiere 136 Bhp/MMcfd, para el ejercicio debemos multiplicar por la cantidad a comprimir que es 2 MM, entonces queda 2x136= 272 Bhp De la ecuación 285 y del método gráfico 272 BHP.
EJEMPLO 2 •
Cuál es el requerimiento de BHP para comprimir 2 MMscfd de gas, medido a 14.65 Psia y 60 F, presión de entrada es 100 Psia y temperatura de entrada es 100 F, la presión de descarga es 900 Psia. El gas tiene una gravedad específica de 0,80 (23MW), asuma E=0,82. °
°
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• •
• • •
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Rc = 900 psia / 100 psia= 9 como 9>4 entonces: Rc por etapa = 9 = 3 con 2 etapas. La presión de descarga de la primera etapa es: 100x3= 300 psia igual a la succión de la segunda etapa, considerando 5 psia de pérdidas tenemos 295 psia. 900/295 = 3,05 es el radio de compresión de la segunda etapa. De la fig. 13.8 tenemos k=1.21 aproximadamente. La temperatura de descarga se encuentra sustituyendo valores en la Ec. 3 o de gráfico 13.31, el valor encontrado es: 220°F. Asumiendo enfriamiento entre la primera y segunda etapa, la Tdescarga de la segunda etapa 244°F. El promedio del factor de compresibilidad de la primera y segunda etapa es: 1st Zav= 0,975, 2stZav= 0,93. Calcular la potencia requerida para la primera y segunda etapa con la ecuación: 13.21
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BHP 1st = 3,03 ∗ 0975 ∗
•
BHP 2st = 3,03 ∗ 093 ∗
•
∗
∗
,
∗ ,
∗
,
∗
,−
, ,−
Total BHP requerido 136,7+138,2 = 275,8
∗
4,
4,
∗[ ∗[
, ,
)
, ,
)
1 = 136,7
1 = 138,2
POTENCIA REQUERIDA PARA LA COMPRESIÓN ECUACIONES COMBINADAS CON MÉTODOS GRÁFICOS. Otro método para obtener la potencia es el recomendado en el GPSA Databook con la Ecuación siguiente y las Figuras y tabla a continuación. •
CURVA
BHP/MMCFd
FACTORES F1 Y F2 DE CORRECCIÓN DE LA ECUACIÓN DE POTENCIA
FACTOR F3 DE CORRECCIÓN DE LA ECUACIÓN DE POTENCIA
DISEÑO DEL CILINDRO DE COMPRESIÓN •
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CLEARANCE VOLUMEN = ESPACIO MUERTO: Es el volumen remanente en el cilindro compresor al final del stroke o carrear de descarga.
DISEÑO DEL CILINDRO DE COMPRESIÓN •
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EFICIENCIA VOLUMÉTRICA: Es la relación del volumen admitido sobre el desplazamiento del pistón en el cilindro.
DISEÑO DEL CILINDRO DE COMPRESIÓN •
El desplazamiento del pistón es igual al área neta multiplicada por la longitud de barrido del pistón y por las revoluciones.
DISEÑO DEL CILINDRO DE COMPRESIÓN •
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La capacidad efectiva puede ser calculada como el desplazamiento del pistón multiplicada por la eficiencia volumétrica.
Para convertir a presión y temperatura de línea se usa la fórmula siguiente.
DISEÑO DEL CILINDRO DE COMPRESIÓN •
Al obtener la eficiencia volumétrica, el desplazamiento ideal del cilindro se determina (Qideal) y su diámetro se despejaría de la ecuación 11 para cilindros de doble acción. El desplazamiento actual (Qideal) es igual a flujo actual de gas (ACFM)
CARGAS EN LAS BARRAS DEL COMPRESOR •
Los fabricantes de compresores reciprocantes, especifican sus monturas en función de la potencia promedio, velocidad de giro y cargas admisibles; estas cargas, corresponden a las fuerzas a compresión y tensión aplicadas.
SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMPRESOR ECIPROCANTE •
Control del volumen y la presión por variación de Bolsillos (clearance pockets).
SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE •
Control del presión y flujo por regulación mediante la variación de válvula de succión a velocidad constante.
SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMPRESORRECIPROCANTE •
Variación del flujo por control de válvula by pass a presión y velocidad constantes.
SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE •
Variación de volumen por bloqueo de válvulas de admisión en posición abierta a velocidad constante.
SISTEMAS PARA LA OPERACIÓN CONTROLADA DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE •
Variación de velocidad a presión constante.
CURVA DE RENDIMIENTO DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE
POTENCIA REQUERIDA POR EL MOTOR •
La potencia del motor será mayor a la potencia del compresor o a la potencia que se necesita para comprimir el flujo de gas requerido.
SIMULADOR DE COMPRESOR ARIEL
ES PARA UN SOLO COMPRESOR A LA VEZ, NO SE PUEDE CONFIGURAR COMPRESORES EN PARALELO
Ariel Calculation Method •
The Ariel Performance Software includes calculations for predicting the flow, power, temperatures, pressures, gas rod loads, crosshead pin load reversals as well as other values for the predictions and limitations of the compressor applications. Ariel includes a typical pressure loss for the interstage and final discharge pressure losses. Typical values are: Flange Pressure
Pressure Loss
Not To Exceed
35 psia and below
5%
1 psi
36 psia to 250 psia
3%
5 psi
251 psia to 1000 psia
2%
10 psi
1001 psia and above
1%
Ariel Calculation Method •
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Compression ratio is the discharge pressure divided by the suction pressure (in absolute pressure units). Discharge Temperature (initial estimate using flange ratio):
Flow is a function of the piston displacement and the volumetric efficiency
Ariel Calculation Method •
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VOLUMETRIC EFFICIENCY depends upon compression ratio, cylinder clearances, gas compressibility values and the ratio of specific heats (k or N value)
POWER is calculated through a power per unit flow equation, multiplied by the flow. Calculated power will include the power of compression, plus mechanical inefficiencies, plus frame friction power CHP = Q x (IHP/MM)/ Mech Eff + Friction power.
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GAS ROD LOAD based upon internal cylinder pressures Double Acting Cylinders RLc = Ahe x Pdi - Ace x Psi RLt = Ace x Pdi - Ahe x Psi
DATOS GENERALES •
Introducir nombre del proyecto, cliente, preguntas, comentario, aplicación del gas comprimido, la localización fuera de costa, el país (en este caso Bolivia), las unidades para las variables, seleccione unidades base de P y T y no se olvide la altura snm (elevación que influye en la presión donde será instalado el compresor).
DATOS DE SERVICIO Y NÚMERO DE ETAPAS •
Insertar la temperatura del ambiente donde se instalará el compresor, el flujo a alcanzar, PyT de succión, escoger pérdidas de presión en porcentaje o en presión y luego colocar el dato, P de descarga, insertar # de etapas o mejor recomendar etapas para que se tenga el dato de potencia estimada BHP.
ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO REPORTE ANALISIS CROMATOGRAFICO MES:
CAMPO: Terminal Senkata PRESION: (PSIG) TEMPERATURA: (°F)
01-ago-14
08-ago-14
15-ago-14
22-ago-14
960
897
950
900
54
53
55
55
% MOL
% MOL
% MOL
% MOL
0.54
0.50
0.70
0.66
0.60
1.19
1.26
1.20
1.23
1.22
92.19
92.06
92.01
92.03
92.06
4.57
4.84
4.44
4.50
4.59
0.95
0.88
1.03
1.00
0.97
0.11
0.09
0.12
0.12
0.11
0.28
0.23
0.30
0.28
0.27
0.06
0.05
0.06
0.06
0.06
0.06
0.05
0.07
0.06
0.06
TOTAL GRAVEDAD ESPECIFICA
0.05 100.00 0.609
0.04 100.00 0.609
0.07 100.00 0.612
0.06 100.00 0.611
0.00 0.000
0.06 100.00 0.610
PODER CALORIF.SATURA DO A 60 °F(BTU/PC)
1,040.2
1,038.3
1,040.5
1,039.4
0.0
1,039.9
COMPONENTES
N2 CO2 C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6
29-ago-14
agosto-14 PROMEDIO MENSUAL
% MOL
% MOL
ANÁLISIS GAS •
Dando clic en analysis abre una nueva ventada donde se insertará la cromatografía del gas a comprimir, para determinar muchos de sus parámetros utilizados por el programa, como ser su densidad relativa, su Z factor de compresibilidad, peso molecular y otros.
ENVOLVENTE DE FASE DEL GAS •
Dando clic en phase envelope, se puede apreciar la curva PT y la línea de presión desde la succión a la descarga, en que sección de la gráfica estamos comprimiendo.
DATOS DE MONTURA Y MOTOR •
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Dar clic en frame/cylinder data, aparece el gráfico para configurar el modelo de compresor y el motor de accionamiento compatible a combustión interna o eléctrico. Doble clic en no frame dentro de la caja rectangular, se abre otra ventana para seleccionar el compresor y el motor.
DATOS DE CILINDROS •
Haciendo doble clic en los cilindros se abre la ventana cylinder selection, en la cual seleccionas empezando primero del lado motor y los demás 4 en este caso, uno por uno los que cumplan el flujo a comprimir, cuando queda en amarillo están los cuatro seleccionados.
CONFIGURACIÓN DE CILINDROS •
Se puede hacer muchos cambios, variar espacio nocivo, hacerlo de simple o doble acción y elegir el lado, trabar válvulas de succión o descarga, poner espaciadores a las válvulas. Haciendo doble clic en sus nombres se puede acceder a mas opciones de cada uno. CILINDRO 1 (THROW 1)
CONFIGURACIÓN TERMINADA •
Después de los pasos anteriores tenemos una configuración aceptable, aunque quiere decir que podemos modificar todavía muchos parámetros.
ADMINISTRADOR DE CASOS •
En case manager, administramos los casos creados para el problema seleccionando con clic en Pkg, cada caso puede tener diferentes condiciones para ver las variaciones.
ADMINISTRADOR DE PAQUETE •
En Package manager, administramos los paquetes configurados para el mismo caso, muestra la configuración de los cilindros para el primer caso creado.
PERFORMANCE •
Entrando a Performance, vemos la actuación o rendimiento de la máquina, tenemos la posibilidad de ver un resumen del proyecto y además otras pestañas para entrar a otros sitios que nos muestran en lista los datos calculados, los que están fuera de límite y otros.
PERFORMANCE •
Tenemos carga de tensión de la barra del cilindro por encima del límite, se debe cambiar condiciones o configuración
GRÁFICA PV •
Dentro de la ventana performance, ingresamos a grapsh, y se abre una nueva ventana mostrando el diagrama PV
GRÁFICA FA •
Cambiamos a forces se muestra una nueva gráfica, que determina las fuerzas de la barra versus ángulo del cigüeñal.
GRÁFICA PA •
Otra manera de analizar el comportamiento de la presión dentro de los cilindros del compresor es respecto a la rotación que está dando el cigüeñal. Los picos de presión se dan cuando están venciendo las válvulas de descarga.
RECONFIGURACIÓN DEL SISTEMA •
Cambiando la presión de succión de 600 a 800 psi, se arregló el problema de alta carga de compresión, y también cumple el flujo objetivo, veamos el informe. Se puede hacer otros cambios en la configuración de los cilindros o de las válvulas.
CAMBIA GRÁFICA P V •
Aumentó el volumen de compresión dentro de los cilindros. Y seguro han disminuido las fuerzas y presiones de las barras.
GRÁFICA PV EN EL CYL 3 •
Válvula trabada en succión, es una técnica de control de flujo.
COMENTARIOS FINALES •
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Aparte de los mencionado, puedes explorar en los íconos de las barras superiores, y encontrarás opciones como ver: Balance de pesos en el compresor. Lube, la lubricación del compresor. Valves, modelo y número de parte de las válvulas. Check run, para ver alguna sugerencia de funcionamiento de tu configuración. Debemos realizar varias configuraciones y verlo gráficamente para determinar la mejor, además es necesario conocer lo básico de compresores instalados en funcionamiento en nuestro sistema y de motores de combustión interna Waukesha y Caterpillar.
