Compresores.

COMPRESORES

PROCESAMIENTO DE GAS Y PETRÓLEO

Compresión: La compresión es un proceso utilizado para incrementar la presión de un gas o vapor, el cual se realiza a través de un compresor.

La compresión es utilizada en todos los aspectos del procesamiento de gas, tales como gas lift, recuperación de condensado, recuperación de Helio, transmisión y distribución de gas, reinyección para mantenimiento de presión, almacenamiento de gas y licuefacción. Por esta razón la compresión es solo una parte dentro de un sistema, y antes de seleccionar un compresor debe determinarse la capacidad y objetivo del sistema.

Compresores: Máquina que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores), para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión.

La siguiente figura clasifica varios tipos de compresores de acuerdo a su método de operación:

Compresores Reciprocantes: Son ampliamente utilizados en procesos industriales porque ellos tienen buen rango de presiones de entrada y descarga. Los requerimientos de potencia varían desde 1 a 10000 HP o más. El rango de velocidades va desde 125 a 1000 rpm. El rango de velocidades de pistón va de 500 a 950 pie/min. Las velocidades nominales generalmente se encuentran entre 4500 a 8000 pie/min, las presiones de descarga desde el vacio hasta 50000 lpc.

Compresores de Tornillo: Son utilizados para compresión de aire y en unidades de recuperación de vapor, así como en unidades de refrigeración. Son muy atractivos cuando se ha logrado la separación petróleo-gas.

Compresores Centrífugos: Son utilizados en una gran variedad de aplicaciones en plantas químicas, refinerías y en recolección del gas natural en campo. Los compresores centrífugos pueden ser usados para presiones de salida mayores a los 10000 lpca. Tienen un límite inferior definido de tasa de flujo debido al límite en tamaño de las ruedas del impulsor. Las tasas de flujo van de 100 a 200000 pie³/min a las condiciones que pueden ser manejadas por estos equipos.

Cada compresor requiere de una fuente de energía, las más comunes son las turbinas a vapor, motores eléctricos, turbines a gas y motores a gas. Algunas veces se utilizan motores diesel en emergencias.

Una parte muy importante en la instalación de un compresor es el depurador de succión. Es absolutamente necesario prevenir la entrada al compresor de contaminantes (sólidos o líquidos). A menudo se encuentran sólidos en las corrientes de gas, los cuales son recogidos previamente al recorrido por tuberías y equipos o durante el recorrido (óxidos, escamas). La sal puede encontrarse por evaporación de salmueras. Los liquidos resultan de la condensación del agua o arrastre de inhibidores de corrosión, glicoles o aminas.

Los compresores reciprocantes son particularmente sensibles a la entrada de sucio y liquido ya que destruyen la capa de aceite del cilindro. Los compresores centrífugos pueden tolerar la entrada de un poco de líquido en forma de neblina pero no en forma libre o de tapón. De cualquier forma, las buenas prácticas demandan de un depurador de succión y un separador vapor-liquido de entrada, bien diseñados.

En esta clase se discutirán y se realizarán cálculos para compresores centrífugos

COMPRESORES CENTRIFUGOS:

Los compresores dinámicos consisten en uno o más impulsores montados sobre un eje que rotan de 2000 a 20000 rpm dentro de una carcasa. Cada etapa de compresión incluye un grupo de impulsores rotativos, así como difusor estacionario y una guía de entrada. Los dos tipos de compresores dinámicos más comunes son los centrífugos y los axiales. Algunos  compresores son una combinación de ambos.

El compresor centrífugo es una turbomáquina que consiste en un impulsor o rotor que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido. El impulsor es el elemento que  convierte la energía mecánica del eje en cantidad de movimiento y por tanto energía cinética del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la EC en energía potencial de presión (el difusor) completando así la escala de conversión de energía. El difusor puede ser del tipo de paletas sustancialmente radiales, o de caracol.

Cuando los compresores centrífugos se encuentran bien lubricados y balanceados, muestran poco desgaste. El tiempo de operación común entre mantenimiento de rutina es de 1 a 2 años. Las unidades son relativamente livianas y libres de vibración. El montaje es más económico que para reciprocantes.

Cuando la carga requerida es muy grande para un solo impulsor, la solución lógica son dos o más impulsores en serie, que forman los compresores de etapas múltiples, que tienen muchas aplicaciones. El más común es el de carcasa dividida horizontalmente con impulsores en serie, cuyo número puede variar de tres a ocho con o sin interenfriamiento

Detalles Mecánicos:

Varias ruedas de impulsores se encuentran montadas sobre un eje rotativo soportado horizontalmente sobre cojinetes lubricados. Los sellos entre el eje y carcasa son necesarios para prevenir fugas. Como el flujo de gas es continuo, no se requiere de válvulas de entrada y salida. En algunos casos, la guía de entrada es ajustable para control la carga de entrada.

Las múltiples ruedas son utilizadas comúnmente ya que una rueda tiene una razón de compresión limitada. Se pueden utilizar hasta 10 impulsores en una máquina. Estos puede estar dispuestos en serie (incrementar razón de compresión) o en paralelo (incrementar capacidad). Dos o tres máquinas en serie son requeridas para aplicaciones de alta presión. Interenfriamiento de una corriente de gas caliente puede ser llevada a cabo a la salida de cada máquina o entre ellas.

El proceso se da de la siguiente forma: el gas entra en el ojo del impulsor y este es acelerado hacia fuera por el movimiento de las aspas. Una parte de la energía cinética es transformada a presión mientras el gas se expande en el impulsor, luego se origina un aumento de presión menor en el difusor que sigue al impulsor.

Una limitación en la operación y diseño de los compresores centrífugos se debe a un fenómeno llamado oleaje. Esta es una condición aerodinámica que ocurre a bajas tasas y velocidad contante en la cual la vibración puede causar daños mecánicos al compresor. Por esta razón, es imperativo prevenir el oleaje con unos adecuados procesos de control.

Razón de Compresión: Este está limitado para un solo impulsor de 1,2 a 1,5. Sin embargo la razón de compresión total de un compresor puede ser incrementada añadiendo impulsores en serie.

La temperatura límite de funcionamiento es aproximadamente 300°F, debido a limitaciones en los materiales de construcción. Pueden soportar temperaturas mayores con una apropiada selección de materiales.

Materiales:

En la selección son considerados muchos factores tales como, Esfuerzos de operación de los componentes rotativos y estacionarios, corrosión y temperaturas de operación. Los materiales apropiados se encuentran listados en las normas API Estándar 617.

Los impulsores de compresores centrífugos son hechos generalmente de una aleación de acero al carbón, tales como AISI 4140 (Cr-Mo) o 4340 (Mn,Si,Ni,Cr,Mo). Estos son tratados con calor para darles la dureza y resistencia deseada.

Controles:

La siguiente figura presenta las curvas características típicas para un compresor centrífugo y muestra como se encuentran relacionados la tasa de flujo de gas, el cabezal generado y la velocidad. A velocidad constante, el compresor no operará establemente por debajo de cierto flujo mínimo de flujo llamado punto de oleaje.

El oleaje ocurre cuando el compresor no puede generar el cabezal requerido para obtener la razón de compresión Impuesta. Mientras el flujo decrece, ocurre un atascamiento parcial, si la tasa sigue disminuyendo, ocurre un oleaje violento del flujo dentro del compresor. El oleaje es muy dañino para el compresor por las siguientes razones:

1.       La vibración del rotor puede dañar los sellos del laberinto entre etapas.

2.       El flujo en reversa aumenta la temperatura continuamente del gas dentro del compresor, por lo que se sobrecalentarían los sellos y los cojinetes.

3.       Los cambios rápidos en el empuje axial pueden dañar los cojinetes.

Por esto se requieren dos tipos de controles en las operaciones con compresores: el del proceso y el anti-oleaje.