Modulo 4 - Compresion de Gas Rec
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BIENVENIDOS
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MODULO: PLANTAS DECOMPRESION DE GAS
Facilitador: Ing. Felipe Mendoza
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Contenido del modulo:
1.- Fundamentos termodinámicos de la compresión del gas.2.- Tipos de compresores.3.- Unidades de fuerza motriz.4.- Diseño de sistemas de compresión de gas.
5.- Configuración de una planta de compresión de gas
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1.- Fundamentos Termodinámicos dela Compresión del Gas Natural.
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INTRODUCCION.
La compresión se refiere al aumento de energía que se logra en un
fluido gaseoso por medio de un trabajo que se efectúa sobre él. Losfluidos que más comúnmente se comprimen son: el aire, gas natural,
componentes separados del gas natural y gases comerciales con
propósitos industriales.
El gas natural se somete a un proceso de compresión para elevar sunivel energético, lo cual se logra con unos equipos denominados
compresores. El compresor somete el gas a un trabajo de tal manera
que se incrementa la energía total del mismo, este incremento se
manifiesta por aumentos de la presión y la temperatura del gas.
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JUSTIFICACIÓN DEL PROCESO DE COMPRESIÓN
La compresión del gas se realiza en diferentes situaciones, tales como:
a.- En las plantas de reinyección de gas natural a los yacimientosb.- En la captación del gas natural a baja presión para aspirarlo de las
redes conectadas a los cabezales de los pozos.
c.- En el transporte con el objetivo de conducir el gas producido a través
de gasoductos o redes de distribución.
d.- En el almacenaje, cuando el mismo se efectúa a alta presión y no se
cuenta con presión disponible de alguna de las etapas precedentesmencionadas.
e.- En la utilización, en caso de tratarse de un consumo industrial cuyo
artefacto requiera una presión mayor que la de distribución.
f .- Cuando se requiere comprimir el gas en casos especiales tales como
en plantas de tratamiento y procesamiento, almacenaje subterráneo,
procesos de licuefaccion, consumo industrial no petroquímico odoméstico en forma de materia prima y/ o combustible, etc.
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REVISIÓN DE CONCEPTOS FUNDAMENTALES
El proceso de compresión del gas, responde a las leyes generales de
compresión y expansión de los gases, fundamentalmente
establecidas por Boyle y Mariotte y Guy Lussac.
LEY DE BOYLE Y MARIOTTE
A temperatura constante (isotérmica), la presión absoluta de un gas
ideal, es inversamente proporcional al volumen
constanteV p
V pV p 2211
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LEY DE CHARLES-GAY LUSSAC.
A volumen constante (isocórica), las presiones son directamente
proporcionales a las variaciones de las temperaturas absolutas
2
1
2
1
T
T
p
p
A presión constante (isobárica), el volumen de un gas ideal, es
directamente proporcional a la temperatura
2
1
2
1
T
T
V
V
P1
P2
VCONSTANTE
REVISIÓN DE CONCEPTOS FUNDAMENTALES
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CALOR ESPECÍFICO DEL GAS
Se debe recordar que el calor específico del gas varía con la
temperatura y con la presión a que está sometido.
Representa la cantidad de calor que es necesario para que un kg de
gas eleve su temperatura en 1°C, manteniendo constante su volumen e
incrementando su presión.
Representa la cantidad de calor que es necesario para que un kg de
dicho gas eleve su temperatura en 1 ºC manteniendo constante su
presión e incrementando su volumen.
Calor específico a presión constante cp
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Calor específico a volumen constante cv
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CALOR ESPECÍFICO DEL GAS
En los gases, el valor de "cv" esmenor que el de "cp" y, por ejemplo, para el aire vale:
C kg kcal c
C kg kcal c
p
v
º/237,0
º/169,0
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1° Ley: En toda transformación de calor a trabajo que sucede en unamasa de gas, la cantidad de calor entregado al gas es igual al trabajorealizado por el mismo, más la variación de su energía interna.
UWQ
LEYES DE LA TERMODINÁMICA
Ecuación de estado de los gases
PV = n RT PV = Z n RTGas Ideal Gas Real
2° Ley: El cambio en la entropía S de un gas es siempre mayor o
igual que la transferencia de calor Q producida dividido por la
temperatura de equilibrio T del sistema.
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REPRESENTACION GRAFICA DE LA ECUACIÓN DE ESTADOPARA UN GAS IDEAL
PV = n RT
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TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS DE UN SISTEMA
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TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS
Una compresión a temperatura constante se denomina isotérmica y
cumple con la ley de Boyle y Mariotte, siendo su representación una
hipérbola equilátera.
CV p
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TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS
Cuando la compresión es adiabática, el sistema no transfiere calor al
exterior y su representación está dada por una hipérbola que no es
equilátera.
CV p k donde el exponente adiabático k, esla relación entre los calores
específicos a presión constante y a
volumen constante.
Cuando la compresión es politrópica, implica que existe transferencia
de calor desde el medio al exterior, o a la inversa, y que el incrementoo reducción de temperatura es proporcional a la cantidad de calor añadida o disipada. La curva difiere de las otras dos y la expresiónasume la forma
CV pn
donde n es el exponente politrópíco
cuyos valores, en la práctica, están
entre 1,2 y 1,3 y que, por lo general,
son menores que "k".
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REPRESENTACIÓN TERMODINÁMICA DEL PROCESO DECOMPRESIÓN DEL GAS NATURAL
El proceso de compresión del gas natural se puede representar a través
de un ciclo termodinámico. Para ello, una cantidad determinada del
gas es admitida al inicio del proceso por lo cual se encuentra en unnivel inferior de presión (1).Luego se comprime el gas (2) y
posteriormente, se descarga o expulsa a los niveles de presión
superiores requeridos (3) para luego sufrir un proceso de expansión
(4). Este ciclo se repite de manera continua dependiendo de la
aplicación que se vaya a dar los compresores.
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ANIMACION: REPRESENTACIÓN TERMODINÁMICAIDEAL DEL PROCESO DE COMPRESIÓN DEL GASNATURAL
Proceso de Compresion.exe
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FUNDAMENTO TERMODINÁMICO DE LA COMPRESIÓNISOTÉRMICAEste proceso ocurre a temperatura constante, lo cual es posible
eliminando calor en el paso del gas de un estado a otro. Es un
proceso ideal, donde el cambio de volumen es inversamente
proporcional al valor de presión.
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FUNDAMENTO TERMODINÁMICO DE LA COMPRESIÓNISENTRÓPICA (ADIABÁTICA Y REVERSIBLE)
Se logra mediante un aislamiento térmico total del cilindro compresor,
por lo tanto, el calor generado por la compresión es absorbido por el
gas, lo cual hace que las temperaturas de descargas sean altas. No
existe ni adición ni extracción de calor durante este proceso.
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FUNDAMENTO TERMODINÁMICO DE LA COMPRESIÓNPOLITRÓPICA.En la realidad, el proceso de compresión ocurre mediante un proceso
politrópico, el cual es un proceso real e irreversible, ya que en este
proceso tiene o se cumplen irreversibilidades como la fricción y la
pérdida de calor.
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ELEMENTOS QUE CONFORMAN DEL PROCESO DECOMPRESIÓN DEL GAS NATURAL
DEPURADOR
DEPURADOR
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PARAMETROS BASICOS DE UN PROCESO DECOMPRESION DE GAS
Una etapa de compresión esta compuesto por uno o más elementosbásicos que realizan el proceso de compresión. Si el proceso de
compresión involucra una sola etapa, se obtiene la relación decompresión total Rt, que no es otra cosa que la relación entre la
presión de descarga Pout y succión Pin.
En realidad en la mayoría de los problemas de compresión de gas, es
que están involucradas condiciones, que representan mucho más de
una sola etapa de compresión.
R t = ----------Pin
Pout
RELACION Y ETAPAS DE COMPRESION DE UN GAS
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El proceso de compresión genera incremento de la temperatura del
gas; debido a esto, la presión máxima que puede alcanzarse en una
etapa compresión está limitada por la temperatura de descargamáxima permisible; ésta temperatura debe mantenerse en un rango
entre 275 – 300 ºF.
Por lo tanto, el número de etapas de compresión debe ser la
cantidad de etapas que garanticen temperaturas de descarga en el
rango indicado, en cada una de las etapas de compresión delcompresor. Para ello se hace una primera aproximación con la
siguiente ecuación y luego se va variando el número de etapas “n”
hasta obtener una relación de compresión adecuada.
RELACION Y ETAPAS DE COMPRESION DE UN GAS
R e = R t l /n
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RELACION Y ETAPAS DE COMPRESION DE UN GAS
Una relación de compresión demasiado elevada causa una excesiva
temperatura de descarga y otros problemas de diseño, uno de losprincipales problemas, en este caso es el calentamiento del cilindro
compresor. Por lo tanto, puede ser necesario combinar elementos
para formar etapas de compresion conectadas en serie y formar
una unidad o sistema de compresión de etapas múltiples.
Cada etapa en sí misma es un compresor básico individual y esta
dimensionado para operar con uno o más compresores básicos
adicionales colocados en serie, y aun cuando todos puedan operar a
partir de una sola fuente de poder, cada uno sigue siendo un
compresor separado
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COMPRESION EN ETAPAS MULTIPLES
p1 = r e .ps p2 = r e .p1 pd = r e .p2
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ENFRIAMIENTO EN ETAPAS MULTIPLES
El gas se enfría con frecuencia entre las etapas para reducir tanto la
temperatura como el volumen que ingresa a la siguiente etapa. Los
métodos utilizados para el enfriamiento interetapas puede ser mediante
el uso de ventiladores o por medio de sistema de circulación de agua ode aceite.
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av
λ-1 /λ
22,s 1 IS IS
1
z λ-1 /λ
22,s 1
1
PT =T 1+ -1 /η η : isentro
P
PT =T P
1/λ P2 P2 λ
1 1
P1 P1
sh
sh,s
λ 1 /λ
i Pi2 P2,s 1
1 V i P
,s sh
i
P υ υdP dP
P
w (per unit mass) w (per unit m
λ w (per unit mol)
y CP CT T with λ= =
P C
ass)/
C -
M
y R
W
Para procesos isotérmicos T1 = T2
Para procesos isentropicos
Para procesos politropicos Las mismas formulas para el procesoisentropico cambiando λ por n
Gas ideal
Gas real
DETERMINACION DE LA TEMPERATURA DE DESCARGA
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Nota: λ=k ; k exponente adiabático
n exponente politrópíco
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POTENCIA Y EFICIENCIA MECANICA DE LA COMPRESION
POTENCIA DEL COMPRESOR
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W
W
Fuerza Motriz (Prime Mover o Driver)
Compresor
Ps, Ts Pd, Td
BHP
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Para procesos isentropicos
POTENCIA – GAS IDEAL
Para procesos isotérmicos:P2 P2
2sh,T
1P1 P1
2s
sh,T sh,T
sh,T shh,T
1
,T
moleW = w ×n ti
RT Pw (per unit mol)=- υdP=- dP=-RTln
P P
Pw (per unit mass)=-RTln /MW
P
me
W = w
POTENCIA DEL COMPRESOR
1/λ P2 P2 λ
1 1
P1 P1
sh
λ 1 /λ
1 2sh,s
1
λ 1 /λ
i Pi2 P2,s 1
1 V i P
,s sh
i
P υ υdP dP
P
w (per unit mass) w (per unit m
λRT Pw (per unit mol) 1
λ 1 P
y CP CT T with λ= =
P C
ass)/
C -
M
y R
W
POTENCIA – GAS REAL
λ 1 /λ
1 2
s
1 2sh,s
1
h,s sh,s
λRT Pw (per unit mol) 1
2 λ 1 P
w (per unit mass) w (per unit mass)/MW
Z Z
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n 1 /n
22,p 1
1
n 1 /n1/nP2 P2 n
1 1 1 2sh,p
1P1 P1
sh,p sh,p
PT T
P
P υ nRT Pw (per unit mol) υdP dP 1P
This is the def
n 1 P
w (per unit mass) w (per unit mass)
inition of the polytropic exponent n
sh,p sh,s
sh,p
P
sh,s
1 2sh,p av
1
/MW
Dividing w by w and ignoring the pressure ratio yields:
w λ-1 /λ η Polytropic Efficiency = =
w n(Relation between λ and n)
For Polytropic Real G
-1 /n
nRT Pw (per unit mol)=Z 1
-1
a
n
s:
P
avn 1 /n z
22,p 1
1
and PT =TP
EFICIENCIA MECANICA
Para procesos politropicos : POTENCIA - Gas Ideal
POTENCIA DEL COMPRESOR
Para procesos politropicos: POTENCIA – GAS REAL
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sh sh sh sh
IS
mole mass
W = w ×n OR W = w × mtime time
: Power delivered by the prime mover (PM)
= Compressor Power/Mechanical Effi
Break power
Ideal Isentropic Efficici
cie
e
ncy
Isentropic work ny η
requ=
sh,s
sh,a
ired (w )
Actual work required (w )
d
s
T
sh d s P
T
w =ΔH=H -H = C dT d: discharge; s: suction
BHP
°
BHP
sh sh sh sh
IS
mole mass
W = w ×n OR W = w × mtime time
: Power delivered by the prime mover (PM)
= Compressor Power/Mechanical Effi
Break power
Ideal Isentropic Efficici
cie
e
ncy
Isentropic work
ny η
requ
=
sh,s
sh,a
ired (w )
Actual work required (w )
d
s
T
sh d s P
T
w =ΔH=H -H = C dT d: discharge; s: suction
POTENCIA Y EFICIENCIA MECANICA
BHP
°
BHP
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POTENCIA DEL DRIVER (BHP) Y EFICIENCIA MECANICA
(ηm= 0.85 a 0.95).
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EJERCICIOPRACTICO # 2- DESCRIBIR LOS COMPONENTES BASICOS DE UNA
ETAPA DE COMPRESION DE GAS Y LOS PARAMETROSBASICOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DECOMPRESION DE GAS.
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
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2.- TIPOS DE COMPRESORES
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COMPRESORES
Los compresores son máquinas que disminuyen el volumen de unadeterminada cantidad de gas aumentando su presión, todo esto ocurre a
través de procedimientos mecánicos. En general se puede asegurar que
los compresores son maquinas de flujo continuo en donde se transforma
la energía mecánica de la maquina en presión del gas. Los compresores
se relacionan por su forma de trabajo con las bombas o máquinas
hidráulicas, que se utilizan para impulsar líquidos, aunque loscompresores trabajan fundamentalmente con gases y vapores.
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CLASIFICACION DE LOS COMPRESORES SEGÚN SU PRINCIPIODE FUNCIONAMIENTO
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
i ñ C ió G
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En la siguiente figura se puede hacer una rápida selección del compresor
en función del flujo volumétrico (ACFM) y la presión de descarga
requerida.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN COMPRESOR
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Di ñ d Pl t d C ió d G
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En la siguiente figura se puede hacer una rápida selección del compresor
en función del flujo volumétrico (ACFM) y la relación de compresión de
requerida.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN COMPRESOR
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
Di ñ d Pl t d C ió d G
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Para la selección acertada del tipo de compresor, existe otros
aspectos adicionales a considerar referentes al servicio de compresión.
Entre estos tenemos:
a. Nivel de Potencia requerido, disponibilidad comercial del
compresor y costo de instalación.
b. Requerimientos de tiempo de operación entre períodos de
mantenimiento.
c. Características del gas y del proceso.d. Inyección de aceite lubricante en las corrientes de proceso.
e. Arrastre de líquido en gas de proceso y sólidos en gas de
proceso.
f . Variaciones en el peso molecular del gas.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN COMPRESOR
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g. Temperatura de descarga del gas.
h. Tendencia de ensuciamiento del gasi. Relación de compresión.
j. Tipo de Fuerza Motriz (motor eléctricos o de combustión interna,
turbina a gas o vapor).
k. La proximidad de facilidades de servicio del suplidor y del personal.
l. Servicios adicionales de la instalación, energía eléctrica, lubricación,
agua de servicio y enfriamiento, aire de arranque, sistemas de alivio, etc.m. La cantidad y recursos especializados del personal de mantenimiento
de la planta.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN COMPRESOR
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
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Compresores de Desplazamiento Positivo: En todas las máquinas de
desplazamiento positivo, una cierta cantidad de gas de admisión seconfina en un espacio dado y después se comprime al reducir este
espacio o volumen confiando con la ayuda de algún tipo de elemento
(venas, lóbulos, pistones, etc.). Estos elementos comunican su energíamecánica transformándola en presión del gas. En esta etapa de presión
elevada, el gas se expulsa enseguida en forma intermitente hacía la
tuber ía de descarga o al sistema contenedor.
Los compresores de desplazamiento positivo incluyen un amplio espectro
de máquinas compresores, pero los de mayor uso en la industria
petrolera se pueden clasificar en dos categor ías básicas: Reciprocantes
y Rotatorios.
PRINCIPIO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO
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COMPRESORES RECIPROCANTES
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPRESORESRECIPROCANTES
Posee un cilindro el cual está provisto de válvulas que operan
automáticamente por diferenciales de presión, como válvulas de
retención para admitir y descargar gas. La válvula de admisión, abre
cuando el movimiento del pistón ha reducido la presión por debajo de la
presión de entrada en la línea. La válvula de descarga, se cierra cuando
la presión en el cilindro no excede la presión de la línea de descarga,
previniendo de esta manera el flujo reverso.
Cilindro de Compresión: Es el componente que junto con el pistón se
encarga de disminuir el volumen del gas contenido en la cámara, hasta
llegar a un volumen determinado a la presión de descarga; el compresor
debe tener al menos un cilindro por cada etapa de compresión.
PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.
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CILINDRO DE COMPRESIÓN
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PISTONES Y BARRAS
Los pistones son los responsables del intercambio de energia desde el
cigueñal hasta el gas en el cilindro. Los pistones estan equipados con
una serie de sellos deslizantes llamados como los anillos del piston.
Los anillos del piston esta hechos de un material sellante y deslizante
que le permita moverse a lo largo de las paredes del cilindro con un
minimo de desgaste.
se o de s de Co p es ó de G s
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PISTONES Y BARRAS
Las barras (rods): Es el componente que conecta el pistón con la biela y
le transmite el movimiento reciprocante al pistón. Está sometida a los
esfuerzos generados durante la compresión del gas (tension y
compresión). Las barras esta construidas normalmente de acero con
aleaciones y deben tener una superficie endurecida y pulida,particularmente la parte que pasa a traves de los sellos o empacaduras
del cilindro.
p
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
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Empacadura o Sellos: Proporciona el
sellado dinámico entre el pistón y la
barra y entre la barra con la montura,
consiste en una serie de anillos de
teflón montados en una caja de
sellado; la cual es atornillada a elcilindro, la barra se mueve en un
movimiento reciprocante a través de la
caja de sellos tipo laberinto.
p
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
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PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.
En la siguiente figura, se muestra las partes de un compresor reciprocante
separable las cuales se definen a continuación:
Montura (frame): La montura o carcaza de un compresor reciprocante es unaestructura fundida donde van montado el cigüeñal y se instalan los cilindros en
forma cruzada. Son especificadas por los fabricantes en función de: número de
cilindros, la potencia que es capaz de transmitir, las cargas a soportar en las
barras (rod loading) y al recorrido de los cilindros.
Cigüeñal (Crankshaft): Se encuentra instalado dentro de la montura y es el
elemento que transmite la potencia del motor hacia las bielas.
Biela y Cruceta: Son los componentes que permiten transmitir el movimiento
rotativo del cigüeñal y lo linealiza para trasmitirlo a la barra.
Diseño de Plantas de C
ompresión de Gas
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PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.
BielaCrucetaBarrasPistón
Guías de Cruceta
Cigueñal
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PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.
Caja de Lubricación: Es el elemento que separa el cilindro de la montura,
cualquier fuga se ventea o se drena a través de éste elemento, contiene la barra
que mueve el pistón de adelante hacia atrás y los sellos de laberinto del cilindro.
Cojinetes: La mayoría de los compresores utilizan cojinetes hidrodinámicos, el
aceite entra al cojinete a través de los agujeros de suministro, que van perforados
estratégicamente a lo largo de la circunferencia del cojinete que suministran y
distribuyen formando una película de aceite en el contacto entre las partes móviles
y estacionarias.
Levanta valvulas: Se usa para reducir el torque de arranque del compresor y parael control de la capacidad del cilindro.
Regulador de volumen muerto (Clearance): Permite ajustar el volumen muerto
dentro de la cámara del cilindro, con lo cual se puede ajustar la capacidad de
compresion del cilindro.
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PARTES DEL COMPRESOR RECIPROCANTE.
i. Válvulas: Son válvulas de retención tipo check que permiten la entrada y salida de
gas al cilindro; en caso de cilindros de doble acción, existen válvulas de succión a
ambos lados del cilindro, mientras que en cilindros de simple acción sólo se
encuentran en un solo lado. Las válvulas pueden ser de canales, de anillos, de
hongos y la de discos concéntricos.
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Diseño de Plantas de C
ompresión de Gas
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TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES
a. Simple Etapa: Son compresores con una sola relación de compresión,
que incrementan la presión una vez; solo poseen un depurador
interetapa, un cilindro y un enfriador interetapa (equipos que conformanuna etapa de compresión) generalmente se utilizan como booster en un
sistema de tuberías.
b. Múltiples Etapas: Son compresores que poseen varias etapas de
compresión, en los que cada etapa incrementa progresivamente la
presión hasta alcanzar el nivel requerido. El número máximo de etapas,
puede ser 6 y depende del número de cilindros; no obstante, el número
cilindros no es igual al número de etapas, pueden existir diferentes
combinaciones; como por ejemplo, si se requiere un sistema de tres
etapas, puede utilizarse 3, 4 o 6 cilindros.
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TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES
c. Balanceado - Opuesto: Son compresores separables, en los cuales
los cilindros están ubicados en forma de “V”, en línea o a 180º a cada lado
de la montura o carcaza (frame).
V Configuration
Inline Configuration
Horizontal Opposed Configuration
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TIPOS DE COMPRESORESRECIPROCANTES
d. Integral: Estos compresores
utilizan motores de combustión
interna para trasmitirle la potencia al
compresor; los cilindros del motor y
del compresor están montados en
una sola carcaza (frame) y acoplados
al mismo cigüeñal. Estos
compresores pueden ser de simple o
múltiples etapas y generalmente sonde baja velocidad de rotación 400 –
900 RPM. Poseen una eficiencia y
bajo consumo de combustible; sin
embargo, son mas costosos y difíciles
de transportar que los separables.
RH
LH
1
2
Flywheel
Sheave
3
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TIPOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES
e. Separable: En este equipo, el compresor y el motor poseen cigüeñales
y monturas o carcazas diferentes acoplados directamente. Generalmente,
vienen montados sobre un patín (skid) y pueden ser de simple o múltiples
etapas. Los compresores reciprocantes separables en su mayoría son
unidades de alta velocidad 900 – 1800 RPM que pueden ser accionadospor motores eléctricos, motores de combustión interna o turbinas,
manejan flujos menores de gas que los integrales y pueden tener una
potencia de hasta 5000 HP.
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PARTES DE UN SISTEMA DE
COMPRESION TIPO RECIPROCANTE(MOTOCOMPRESOR)
COMPRESORRECIPROCANTE
FUERZA MOTRIZ
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Ventajas
1 . Disponible para capacidades por debajo del rango de flujo de los compresores
centrífugos.
2. Son económicos para altos cabezales típicos de gases de servicio de bajo peso
molecular.3. Disponibles para altas presiones; casi siempre son usados para presiones de
descarga por encima de 25000 KPa man. (3500 psig).
4. Son mucho menos sensitivos a la composición de los gases y a sus propiedades
cambiantes que los compresores dinámicos
5. Apropiado para cambios escalonados de flujo de 0 a 100%, a través del espacio
muerto y las válvulas de descarga con un mínimo desgaste de potencia a bajos
flujos.
6. La eficiencia total es mayor que la de los compresores centrífugos para una
relación de presiones mayor que 2.
7. La intensidad del flujo cambia para los diferentes niveles de presión de descarga. 8. Presentan una temperatura de descarga menor que los compresores centrífugos
debido a su alta eficiencia y a su sistema encamisado de enfriamiento.
9 . Son mucho menos sensitivos a desalineamiento en el acoplador y a esfuerzos enla tubería que los compresores centrífugos, axiales y rotatorios, los cuales operan a
velocidades de rotación mayores.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES
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Desventajas
1 . Fundaciones mucho más grande para eliminar las altas vibraciones debido a las
fuerzas reciprocantes.
2. En servicios continuos, se requieren múltiples unidades para impedir paradas de
planta debido al mantenimiento de compresores.
3 . Los costos de mantenimiento son de 2 a 3 veces mayores que los costos paracompresores centrífugos.
4. El potencial de funcionamiento continuo es mucho más corto que el de los
compresores centrífugos, la frecuencia de paradas es mucho mayor, debido a fallas
en las válvulas.
5 . Los compresores reciprocantes son sensitivos al arrastre de sólidos, debido a la
fricción presente de las diferentes partes del equipo.
6. Las máquinas lubricadas son sensitivas al arrastre de líquido, debido a ladestrucción de la película lubricante.
7. Es necesario un área de ubicación mayor que la utilizada por los compresores de
tipo rotatorio y centrífugo.
8 . Las máquinas lubricadas inyectan aceite de lubricación en la corriente de gas;
mientras que las máquinas no lubricadas requieren el cambio frecuente de partes
desgastadas.9 . Comparado con otros tipos de compresores se requiere una inspección más
continua, debido a la susceptibilidad a fallar de las válvulas y del sistema de
lubricación.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES
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VIDEO: PARTES Y FUNCIONAMIENTODE LOS COMPRESORESRECIPROCANTES
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EJERCICIOPRACTICO # 3
- IDENTIFICAR LAS PARTES Y FUNCIONAMIENTO DE
UN COMPRESOR RECIPROCANTE.
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PRINCIPIO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO DE LOSCOMPRESORES
Compresores Aerodinámicos: Estos compresores se fundamentan
en el principio de impartir velocidad a una corriente de gas y luego
convertir esta velocidad en presión en el gas. En un compresor aerodinámico, el aumento de presión se obtiene comunicando a un
cierto volumen de gas, cierta velocidad o energí a cinética, que se
convierte en presión al desacelerar el gas, cuando este pasa a través
de unos elementos denominados difusores. En esta etapa de presión
elevada, el gas se expulsa enseguida en forma continua hacía la
tuber ía de descarga o al sistema contenedor.
Los compresores centr ífugos tienen por lo general muy pocos
problemas, en el proceso de compresión del gas. Además son
confiables para comprimir cualquier tipo de gas. En este tipo de
compresores los de mayor uso en la industria son los Axiales y los
Centr í fugos.
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COMPRESORES CENTRÍFUGOS
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
En los compresores centrífugos el aumento de presión viene dado por el
intercambio de energía entre el impulsor del compresor y el gas; en el
impulsor, el gas es acelerado y comprimido al mismo tiempo, a la salidade éste el gas adquiere su más alto nivel de energía, la cual es producto
del incremento de presión y la energía cinética impartida por el impulsor.
La energía cinética del gas es transformada en energía potencial una
vez desacelerado éste en el difusor del compresor , localizado aguasabajo del impulsor, aproximadamente las dos terceras partes del
incremento de presión del gas es generado en el impulsor y el resto se
genera en el difusor a través de la reducción de la velocidad del gas.
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR CENTRIFUGO
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PRINCIPALES PARTES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO
Descarga Admisión
Diafragma
Impulsor
Rotor
Sello
Cojinete radial
Cojinete de Empuje
Carcasa
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR CENTRIFUGOIMPULSORES
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VIDEO: PRINCIPIO DEFUNCIONAMIENTO DE LOSCOMPRESORES CENTRIFUGOS
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR CENTRIFUGOIMPULSORES MONTADOS EN EL ROTOR
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR CENTRIFUGODIFUSORES
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR CENTRIFUGO
IMPULSORES Y DIFUSORES ENSAMBLADOS
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Según la Cubierta o Carcaza del Compresor existen dos tipos de compresores:
.
TIPOS DE COMPRESORES CENTRÍFUGOS.
Carcaza divididas horizontalmenteCarcaza divididas verticalmente
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COMPRESOR CON CARCAZA VERTICAL (TIPO BARRIL )
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COMPRESOR CON CARCAZA HORIZONTAL
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El compresor centrifugo consta de uno o más impulsores con sus
respectivos números de difusores los cuales constituyen las etapas decompresión del compresor
ETAPAS DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO
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ETAPAS DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO
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TIPOS DE CONFIGURACIONES PARA COMPRESORES CENTRÍFUGO
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TIPOS DE CONFIGURACIONES PARA COMPRESORES CENTRÍFUGO
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COJINETES Estos proveen el soporte y posicionamiento adecuado a la parte rotativa
dentro de la carcaza. Existen tres tipos principales:
a- Cojinetes de Empuje
b- Cojinetes Radiales
c- Cojinetes Magnéticos
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Coj inetes Magnéticos
Cojinetes Radiales Cojinetes de Empuje
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LOS SELLOS
Son los encargados de evitar fugas o perdidas de presión dentro de lasetapas del compresor así como tambien escapes a la atmósfera desde el eje y/ocojinetes del compresor.
Los compresores centrífugos presenta varios tipos de sellos:
Sellos Laberinto Interetapa Sellos Secos
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SELLOS DE ACEITE
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SISTEMA DE LUBRICACIÓN DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
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SISTEMA DE LUBRICACIÓN DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS
Ventajas
1. Continuos y largos tiempos de funcionamiento (típicamente 3 años) son posibles
con una alta confiabilidad, eliminando la necesidad de múltiples compresores y la
instalación de equipos de reserva.
2. Por las mismas condiciones de operación, los costos del equipo son bajos dado los
altos flujos manejados.3. Los compresores centrífugos son pequeños y livianos con respecto a su capacidad
de flujo, por lo que requieren poca área para su instalación.
4. Los costos de instalación son bajos debido a su pequeño tamaño, ausencia de
fuerzas recíprocas y porque generalmente se requiere la instalación de una sola
unidad.
5. Costos más bajos por atención y por mantenimiento total.
6. Cuando se selecciona una turbina a vapor como equipo motriz, los rangos develocidad alcanzados permiten un acople directo (no requiere unidad reductora) por
lo tanto se minimizan los costos por equipo, reduciendo los requerimientos de
potencia e incrementando la confiabilidad de la unidad.
7. El control de flujo es simple, continuo y eficiente en un amplio rango.
8. No existe contaminación con aceite lubricante del gas de proceso (o aire) como
ocurre en el caso de los compresores reciprocantes.
9. Características de flujo suave, sin pulsaciones de presión (por encima del punto de
oleaje (surge)).
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Desventajas
1. Menor eficiencia (de 7 a 13%) que la mayoría de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo al mismo flujo y relación de presión, especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2.2. La operación no es eficiente por debajo del punto de oleaje, puesto que la
recirculación es necesaria.
3. La presión diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas,
especialmente en el peso molecular. Esto hace que el diseño de compresores sea
muy crítico para corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que
este tipo de maquinaria tiene una definida limitación de cabezal.
4. Para gases con bajos pesos moleculares, la relación de presión por etapa es baja,teniendo que requerirse un largo número de etapas por maquinaria, creando por
tanto complejidad mecánica.
5. Los modelos centrífugos convencionales generalmente no están disponibles para
manejo de flujos a condiciones de descarga bajo 0.15 m3/s (300 pie3/min), real.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS
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VIDEO: FUNCIONAMIENTO DE LOSCOMPRESORES CENTRIFUGOS
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EJERCICIOPRACTICO # 4
- IDENTIFICAR LAS PARTES Y FUNCIONAMIENTO DEUN COMPRESOR CENTRIFUGO.
COMPRESORES AXIALES.
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los Compresores Axiales están formados por dos secciones: una estática
o estator que puede ser de ángulo fijo o variable, y otra rotativa llamado
rotor , en ambas, están montadas varias filas de aspas o alabes
llamadas coronas con forma aerodinámica que permiten el paso de flujode gas a través de cada etapa del compresor aumentando la presión.
El gas se comprime al aumentar y reducir alternativamente su velocidad.
Las aspas del rotor imparten energía cinética (movimiento) al gas de
entrada. Cuando el gas es arrojado contra los estatores, su velocidad sereduce y una parte de su energía cinética se convierte en presión estática
y otra en calor. Seguidamente, el aire pasa hacia la siguiente etapa, en
donde se repite el proceso y así sucesivamente hasta que se obtiene la
presión deseada.
PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR AXIAL
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PARTES PRINCIPALES DE UN COMPRESOR AXIAL
Succión Descarga
PARTES DE UN COMPRESOR AXIAL
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ROTOR ESTATOR
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VIDEO: PRINCIPIO DEFUNCIONAMIENTO DE LOS
COMPRESORES AXIALES
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ETAPAS DEL COMPRESOR AXIAL
Una hilera o corona de aspas rotativas y la hilera o corona de aspas
estacionarias anexa forman una etapa en el compresor axial. El numero
de etapas determinaran la presión de descarga en el compresor axial.
CORONA MOVIL CORONA FIJA
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FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPRESORES AXIALES
Presión
Velocidad
Perfil de presión y velocidad del gas en el compresor axial
Succión
Descarga
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES AXIALES
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Ventajas1 . Capacidades muy altas de flujo por cada compresor: de 140 a 190 m3/s real
(300.000 a 400.000 pie3/min real). Por encima de los 61 m3/s real (130.000 pie3/min
real) más diseños de compresores axiales que centrífugos están disponibles.
2 . La eficiencia puede ser hasta 10% mayor que la de los centrífugos, resultando en
menor consumo energético, al igual que el motor o turbina y un sistema de suministro
de servicios más pequeños.3 . Menor tamaño físico y menor peso que los centrífugos, permitiendo menores costos
de instalación; por ejemplo, menor tamaño del resguardo techado, grúas más
pequeñas, menos espacio requerido, fundaciones menores, menores esfuerzos de
manejo e Instalación, etc.
4. Si se mueve con una turbina de gas o vapor, la mayor velocidad usualmente permite
acoplamiento directo (sin caja reductora) y diseños eficientes de turbina.5 . El diseño de rotor y carcaza puede proveer flexibilidad para hacer modificaciones
menores de comportamiento de manera un poco más conveniente (agregando,
quitando o cambiando etapas y ajustando los ángulos de los álabes del estator) que en
los compresores centrífugos.
6 . Mayor relación de compresión por carcaza debido a mayor eficiencia, según la
imitación de temperatura de descarga.
7. Más fáciles de operar en paralelo con compresores de cualquier tipo que loscentrífugos, debido a su empinada curva cabezal –capacidad.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES AXIALES
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES AXIALES
Desventajas
1 . Rango más estrecho de flujo para operación estable, especialmente con impulso
de velocidad constante, a menos que se use un costoso diseño de álabes de estator
de ángulo variable.
2. Los sistemas de control de flujo y los controles de protección anti –oleaje son más
complejos y costosos que para los centrífugos. El control anti –oleaje debe ser muyconfiable, pues el oleaje puede dañar un compresor axial muy rápidamente.
3. El deterioro de su desempeño debido a ensuciamiento en la ruta del gas y la
erosión es más severo que en los centrífugos.
4. Los daños por objetos extraños succionados tienden a ser más extensos que en
los centrífugos. 5 . Hasta el presente, los modelos desarrollados para la utilización en procesos tienen
generalmente un límite de presión más bajo que los centrífugos.
6 . La experiencia en servicios diferentes al del aire es muy limitada hasta la fecha,
haciendo difícil la justificación de su utilización para un nuevo gas.
7 . Si se considera necesario un rotor completo de repuesto para el axial en lugar de
un juego de álabes sueltos del rotor, el costo de los repuestos principales (incluyendo
los álabes de estator) tiende a ser mayor en el axial que en el centrífugo.
8 . Niveles de ruido más altos que el centrífugo, requiriendo tratamiento acústico másextensivo y severo.
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PROBLEMAS OPERACIONALES EN LOS COMPRESORESCENTRÍFUGOS Y AXIALES
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CHOKE O ESTRANGULACIÓN
El punto de estrangulación o choke, es el máximo caudal que puede
pasar por el compresor a una determinada velocidad. La estrangulación
se produce cuando en una determinada parte del compresor. Esta parte
por lo general se toma en donde esta la mínima sección de pasaje delgas, o muy cerca de allí, la velocidad del gas llega a ser igual a la
velocidad del sonido. Esa barrera sónica produce tantas pérdidas que
marca el límite máximo de caudal y solamente al aumentar la velocidad
de rotación se puede pasar más gas.
La estrangulación no afecta para nada la vida del compresor, lo que
hace es solamente delimitar el caudal.
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OLEAJE O SURGE EN LOS COMPRESORES
En algunos casos es necesario usar en el compresor caudales
menores que el valor para el cual fue diseñado. Si el caudal se reduce
demasiado el compresor entra en una región de inestabilidad llamadaregión de oleaje o surge. El valor del caudal donde comienza la
inestabilidad se llama punto de bombeo o surge. El bombeo es una
oscilación de todo el caudal de gas en el compresor y en las tuber ías.
Esta oscilación hace que el compresor se sacuda golpeando loscojinetes de empuje lo cual puede dañar o destruir el compresor.
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EJERCICIOPRACTICO # 5
- IDENTIFICAR LAS PARTES Y FUNCIONAMIENTO DEUN COMPRESOR AXIAL.
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3.- UNIDADES DE FUERZA MOTRIZ
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ELEMENTO DE FUERZA MOTRIZ (PRIME MOVER - DRIVER) Son los equipos que proporcionan la potencia necesaria para el
movimiento del compresor. Entre los mas utilizados están: Motores de
combustión interna o gas o gasoil, turbinas de gas o vapor y los
motores eléctricos.
Diseño de Plantas de C
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1) Motocompresores: Un motocompresor es un equipo integrado por un motor
electrico o alternativo de combustión interna, de aspiración natural o
sobrealimentado y operando generalmente con gas natural como combustible y
de un compresor integrado al motor o acoplado al mismo.
Los motocompresores integrales: pueden tener en la misma estructura la
parte motriz y la parte compresora, vinculadas por un cigüeñal único. Con un
rango de potencia de estas máquinas de entre 2.000 y 14.000 HP y velocidadesbajas de rotación entre 300 y 500 rpm. Se consiguen apreciables aumentos en
la eficiencia, en razón del bajo régimen rotacional. Tienen la desventaja de ser
elementos de gran volumen y de elevado peso.
Motocompresores separables: en el cual el motor de combustión interna o
eléctrico y el compresor son elementos separados unidos por un acoplamiento o
un variador de velocidad. Normalmente montados en un único patín, son de
relativamente poco peso, fácilmente transportable y de montaje más sencillo.
Las potencias disponibles son de hasta 2.500 HP y su velocidad de rotación es
alto del orden de 700 a 1200 rpm.
ELEMENTOS DE FUERZA MOTRIZ (DRIVER)
MOTOCOMPRESOR
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COMPRESOR
RECIPROCANTE
MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
(FUERZA MOTRIZ)
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VIDEO: FUNCIONAMIENTO DE LOSMOTORES DE COMBUSTION INTERNA
MOTOCOMPRESOR
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COMPRESORCENTRIFUGO
MOTOR COMBUSTIONINTERNA O ELECTRICO
(FUERZA MOTRIZ)
MOTOCOMPRESOR
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COMPRESORROTATORIO
MOTOR ELECTRICO(FUERZA MOTRIZ)
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VIDEO: FUNCIONAMIENTO DE LOSMOTORES ELECTRICOS
ELEMENTOS DE FUERZA MOTRIZ (DRIVER)
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2) Turbocompresores: Es un equipo compuesto básicamente por un
compresor de gas (generalmente axial), una cámara de combustión, unaturbina generadora de gases y una turbina de potencia, las cuales
transforman el empuje de los gases en fuerza motriz al eje que accionará el
compresor de aire de la turbina y al compresor de gas que se acopla a la
turbina. Además cuenta con elementos auxiliares para la lubricación, regulación
de velocidad, alimentación de combustible, puesta en marcha, etc. Como
consecuencia de que el régimen rotacional de las turbinas es generalmente
superior a las 5000 rpm el compresor de gas a acoplar deberá ser del tipo
centrífugo.
El conjunto resultante conforma un equipo liviano, transportable y de volumen
reducido, siendo la instalación sencilla ya que generalmente estos equipos se
entregan paquetizados. Los equipos turbocompresores comprenden el uso de
turbinas de diversos diseños, tales como las de ciclo simple, de ciclo
regenerativo, las derivadas de aviación y las de ciclo combinado.
ELEMENTOS DE FUERZA MOTRIZ (DRIVER)
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TURBOCOMPRESOR
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COMPRESION DE GASCOMPRESOR
CENTRIFUGO O AXIALTURBINA DE GAS(FUERZA MOTRIZ)
Gas Turbine.exe
PARTES DE UNA TURBINA
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PARTES DE UNA TURBINA
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VIDEO: FUNCIONAMIENTO DE LASTURBINAS DE GAS
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TURBINA DE VAPOR
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eje de potencia
SELECCIÓN DEL ELEMENTO DE FUERZA MOTRIZ (DRIVER)
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Aplicacion Fuerza motriz Compresor Potencia
Líneas principales Turbinas de gas Compresor
centrifugos
5 a 35 HP
Líneas principales Motor eléctrico
síncrono
Compresor
centrifugos
10 a 40 HP
Líneas principales Motor eléctrico
inducido
Compresor
centrifugos
1 a 20 HP
Alto volumen y
baja relación de
compresión
Motor de
combustión de baja
velocidad
Compresor
reciprocante
-
Bajo volumen y
alta relación de
compresión
Motor de
combustión de alta
velocidad
Compresor
reciprocante
670 a 10700 HP
Bajo volumen y
alta relación de
compresión
Motor eléctrico
inducido
Compresor
reciprocante
670 a 10700 HP
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EJERCICIO PRACTICO # 5- DESCRIBIR LAS PARTES Y FUNCIONAMIENTO DE UNA
TURBINA.
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4.- Diseño de sistemas de compresiónde gas
PASOS PARA DISEÑAR UN SISTEMA DE COMPRESION
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SOS S U S S CO S O
El diseño de un sistema de compresión frecuentemente presenta los
siguientes pasos
PASO I – Entender la finalidad de la aplicacion
PASO II – Buscar y analizar los datos iniciales
PASO III – Seleccionar el compresor adecuado
PASO IV – Dimensionar el compresor y su fuerza motriz
PASO V – Configuracion final del compresor
PASO VI – Configuracion final del sistema de compresion
PASO I ENTENDER LA FINALIDAD DE LA APLICACION
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PASO I – ENTENDER LA FINALIDAD DE LA APLICACION
1. Describir de forma clara el proposito para el cual sera utilizado el
compresor.
2. Determinar las variadas condiciones de operacion que
experimentarà el compresor durante su uso.
En esta etapa del diseño no es necesario establecer de formacuantitativa los parametros de operacion que tendra elcompresor.
PASO II – BUSCAR Y ANALIZAR LOS DATOS INICIALES
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PASO II – BUSCAR Y ANALIZAR LOS DATOS INICIALES
Se deben buscar y establecer con claridad los siguientes datos que
serviran de base para el inicio del proceso de diseño:
- Caracteristicas v propiedades del gas.- Presiones de succion y descarga
- Elevacion del sitio (o Presion barometrica local)
- Temperatura de succion
- Flujo de gas o ser manejado por el compresor (cfm)
- Condiciones normales de operación que tendra el compresor.
- Disponibilidad de servicios en el area (Electricidad agua potable, etc.)
PASO II - Caracteristicas y propiedades del gas
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PASO II - Caracteristicas y propiedades del gas
Ya sea un gas individual o una mezcla de gases, las siguientescaracteristicas y propiedades del gas es necesario conocer oestablecer:
-Origen
-Composicion
- Formula quimica o nombre.
- Peso Molecular.
- Presion y Temperatura Criticas.
- Factor de compresibilidad (Z)- Relacion de calores especificos “k”.
- Otras
PASO II – Presiones de succion y descarga
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Las presiones de succion y descarga utilizadas en el diseño deben ser
expresadas en valores absolutos. Si el valor dado viene dado en valor
manometrico, se debe convertir a valor absoluto utilizando la siguiente
ecuacion:
Psia = Psig + Pamb
Psia: presion absoluta
Psig: presion manometrica
Pamb: presion barometrica local
Deben ser establecido desde el principio que tipo de presion se esta
utilizando para poder hacer los cambios respectivos.
PASO II – Elevacion del sitio
Conociendo la altura sobre el nivel del mar del sitio donde sera
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instalado el compresor, sera podra establecer la presion manometrica
local para poder calcular la presion absoluta. La siguiente tabla permite
establecer la presion manometrica segun la altura del sitio:
PASO II - Temperatura de succion (Ts)
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p ( )
La temperatura de succion debe ser expresada en valores absolutos,
para ello se debe uitlizar la siguientes formular
.
°R = °F + 460 °K = °C + 273
°R: Grados Rankine, valor absoluto
°F: Grados Fahrenheit, valor relativo
°K: Grados Kelvin, valor absoluto°C: Grados Centigrados, valor relativo
PASO II – Flujo de gas a ser manejado
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Debe establecerse el flujo de gas a ser manejado en la succion del
compresor. Este volumen debe ser expresado en pies cubicos por
minutos a condiciones de succion (inlet cubic feet per minute)
(ICFM).
La confusion con respecto al flujo del gas se debe al hecho deque los gases son compresibles. Esto significa que el gasocupara volumes diferentes dependiendo de la presion ytemperatura a la cual este sometido.
Hay muchas maneras de expresar el flujo de gas, entre las cuales
tenemos: LBM/HR, SCFM, SCFS, MMSCFD, ICFM.
CONDICIONES DE REFERENCIA
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De acuerdo a la ISO 5024
Pa = 14.6 psia (101.325 kpa ) - Ta = 59◦F (15◦C)
Para las industrias de United States
Pa = 14.4 psia (99.3 kPa) - Ta = 60◦F (15.5◦C)
Temperatura: 60 ◦F (460 + 60 = 520 ◦R)
Presion:14.7 ps ia (760 mm. Hg ).
Los valores estandar segun la norma API Mechanical EquipmentStandards, son las siguientes:
CONDICIONES ESTANDAR
PASO III – SELECCIONAR EL COMPRESOR ADECUADO
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- Other factors concern to service
PASO IV – DIMENSIONAR EL COMPRESOR Y SU ELEMENTO DEFUERZA MOTRIZ
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U O
1. Calcular la relacion total de compresion.
2. Determinar el numero de etapas de compresion.
3. Determinar la relacion de compresion y presiones interetapas.4. Calcular la temperatura de descarga.
5. Calcular la potencia de compresion por etapas y total.
6. Seleccionar el modelo de compresor y fuerza motriz.
7. Determinar la eficiencia volumetrica por etapas.
8. Determinar el desplazamiento del piston por etapas.
9. Calcular el diametro de los pistones por etapas.
10. Calcular las cargas o esfuerzos sobre las barras.
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
1 C l l l l i t t l d i
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1. Calcular la relacion total de compresion.
rt = Pd/Ps
Ps: Suction pressure (psia)
Pd: Discharge pressure (psia)
2. Determine numero de etapas de compresion.
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
3 Determinar la relacion de compresion y presiones interetapas
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3. Determinar la relacion de compresion y presiones interetapas.
ri= (rt /fe) 1/n
Pi = ri*Psfe: factor de enfriamiento (5 psi =0.95 / 3 psi= 0.97 / 0 psi=1.0)
4. Calcular la temperatura de descarga.
T1 o Ts: Suction temperature °R T2 o Td: Discharge temperature °R rp o r : Compression Ratio (Pd/Ps)
k : specific heat ratio of the gas.
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR 5 C l l l i d i
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5. Calcular la potencia de compresion por etapas
BHP = brake horsepower per stageQg = volume of gas, MMscfdTs == suction temperature, °R k = ratio of gas specific heats, Cp/CvPs = suction pressure of stage, psiaPd = discharge pressure of stage, psiaZav = (Zs + Zd)/2E = efficiency:- high-speed reciprocating units — use 0.82- low-speed reciprocating units — use 0.85- centrifugal units — use 0.72
(isentropico)
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR 6. Seleccionar la marca y modelo de compresor adecuado (Catalogos
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6. Seleccionar la marca y modelo de compresor adecuado (Catalogosde Fabricantes) y su elemento de fuerza motriz.
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR 6 Seleccionar la marca y modelo de compresor adecuado (Catalogos
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6. Seleccionar la marca y modelo de compresor adecuado (Catalogosde Fabricantes) y su elemento de fuerza motriz.
Para estimar la potencia que debe tener el elemento de fuerza motriz
es necesario conocer las perdidas mecánicas en el compresor. Laspérdidas mecánicas para compresores reciprocantes son atribuidas a
las pérdidas por fricción en el engranaje de marcha. La potencia del
driver pueden ser estimadas dividiendo el requerimiento de potencia de
compresión BHP entre la eficiencia mecánica del compresor ηm .
(ηm= 0.85 a 0.95).
BHP / ηm
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
6. Seleccionar la marca y modelo de compresor adecuado (Catalogosd F b i t ) l t d f t i
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de Fabricantes) y su elemento de fuerza motriz.
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
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7. Determinar la eficiencia volumetrica.
Lubricated compressors: EV% = 96 - R – C[ Zs/Zd (R 1/k - 1)]
Non-lubricated compressors: EV% = 89 - R – C[ Zs/Zd (R 1/k - 1)]
C: % Clearance (normaly 20%)
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
8. Determinar el desplazamiento del piston por etapas PD.
Diseño de Plantas de C
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a)
b)
c)
Qstd = rate of flow in MMscf/d
Q = rate of flow in MMcf/d
Pa = reference base pressure in psia
Pb = pressure base or standard pressure in psia
Tb = temperature base or standard in ◦R
Ts = suction temperature in ◦R (K)Zs = compressibility factor at inlet conditions
Q = cylinder capacity in inlet conditions in MMcf/d
Ev = volumetric efficiency factor in %
Ps = pressure at the suction flange in psia
PD = piston displacement in ft.3 / min
9. Calcular el diametro del piston
( PISTONES DE DOBLE ACCION)
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
9. Calcular el diametro del piston
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b)AH = area of head end of the piston in inch.2
D = piston diameter in inchd = rod diameter in inchAc = area of crank end of the piston in inch.2
=4
10. Calcular las cargas en la barra
Load in compression = Pd Ap - Ps (Ap – Ar)
Load in tension = Pd (Ap - Ar) - Ps Ap [lbf]
[lbf]
PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
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PASOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL COMPRESOR
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PASO V - CONFIGURACION FINAL DEL COMPRESOR RECIPROCANTE
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EJERCICIO PRACTICO # 6-REALIZAR LOS CALCULOS BASICOS PARA EL DISEÑODE UN COMPRESOR RECIPROCANTE.
-REALIZAR LA DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES
DE UN SISTEMA DE COMPRESION DE GAS.
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5.- CONFIGURACIÓN DE UN PLANTA DE
COMPRESIÓN DE GAS
INTRODUCCION
Las plantas compresoras pertenecen al sistema básico de producción de
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Las plantas compresoras pertenecen al sistema básico de producción de
la industria petrolera y son las que proporcionan la energía necesaria
para impulsar el gas desde las áreas de producción, para contrarrestar
las perdidas de presión en los sistemas de transmisión y para inyectar el
gas en los yacimientos.
Una planta compresora está normalmente formada por una o más
unidades de compresión, accionadas cada una de éstas por una o mas
unidades de fuerza motriz. Además posee otras serie de instalaciones y
equipos para facilitar la recepción, medición, distribución, control y
seguridad del proceso de compresión del gas. Las unidades
compresoras se instalan usualmente en el interior de edificios
especialmente diseñados para protegerlas de la acción del medio
ambiente y a la vez facilitar las tareas de operación y mantenimiento de
las mismas.
TIPOS DE PLANTAS DE COMPRESIÓN DE GAS.
Las plantas compresoras pueden ser pequeñas como las ubicadas en
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Las plantas compresoras pueden ser pequeñas como las ubicadas en
los sistemas de recoleccion y manejo del gas y las grandes plantas
ubicadas en los sistemas de distribucion y transmision de gas.
Una planta compresora, es una instalación turbocompresora y/o
motocompresora capaz de comprimir el gas proveniente de las
estaciones de flujo a una presión comprendida entre 20 y 180 psig
respetivamente y elevarla hasta las presiones establecidas para su
manejo o distribución según los requerimientos operacionales
En el caso de los sistemas de recoleccion y manejo de gas se manejan
presiones del orden de los 1200 psig, mientras que en las grandes
plantas de distribucion y transmision de gas las presiones que se
manejas son del orden de los 3000 psig o mayor.
TIPOS DE PLANTAS DE COMPRESIÓN DE GAS.
Diseño de Plantas de Compresión de Gas
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Las plantas compresoras de gas se clasifican en los siguientes grandes
grupos:
Según su estructura: Convencionales y modulares
Según su capacidad de compresión: Grandes plantas y miniplantas.
Según su finalidad: Producción, inyección y transmisión
Según la magnitud y origen de la presión de admisión: exhautoras,
compresoras o recompresoras.
TIPOS DE PLANTAS COMPRESORAS
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MINIPLANTAS MODULAR
CONVENCIONAL (MAR) CONVENCIONAL (TIERRA)
CONFIGURACION DE LOS COMPRESORES EN LAS PLANTAS
COMPRESORAS
1- El de tipo cadena o compresores en serie: en este caso los equipos están
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configurados para que la descarga de un compresor sea la succión del otro,
formados por lo general por turbinas industriales y compresores centrífugos.
2- El de tipo paralelo o compresores en paralelo: donde la succión y la
descarga son comunes para un grupo de compresores
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COMPRESORAS
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descarga son comunes para un grupo de compresores.
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VIDEO: TREN DE UNA PLANTA DE
COMPRESION
COMPONENTES DE UNA PLANTA COMPRESORA CONVENCIONAL
Las Plantas compresoras convencionales están constituidas por unidades
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p p
motocompresoras reciprocantes, centrífugas y/o axiales, cuyo principal objetivo
es elevar la presión del gas desde un rango aproximado de presión de succión
de 60 lbs/pulg2 (Psi) – 250 lbs/pulg2 (Psi) hasta un nivel de presión en la
descarga de 800 lbs/pulg2 (Psi) – 1400 lbs/pulg2 (Psi). Los motocompresoresreciprocantes operan básicamente con tres o cuatro etapas de compresión,
dándoles esta condición de diseño una alta flexibilidad operacional, una mayor
eficiencia y un menor costo de potencia.
Son capaces de desarrollar presiones elevadas, manejar volúmenes
pequeños y en adición, no son tan sensibles a los cambios en la composición y
densidad del gas. Las unidades de múltiples etapas están equipadas con
enfriadores interetapas de forma de remover el calor generado en el proceso de
compresión, manteniendo la temperatura dentro de un intervalo seguro de
operación para el equipo.
Además de los motocompresores, las plantas convencionales necesitan deotros sistemas para operar bajo condiciones de eficiencia y seguridad, tales como:
•Sistema de Depuración del Gas Natural (succión): los compresores
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Sistema de Depuración del Gas Natural (succión): los compresores
reciprocantes no son capaces de manejar fluidos incomprensibles, por lo tanto se
debe garantizar que el gas a la entrada del equipo sea lo mas seco posible y así
evitar daños en los cilindros compresores. Esto se logra con la acción de
depuradores ubicados en la línea de succión de los motocompresores.
•Sistema de Telecomunicaciones: permite monitorear por señales de telemetría
y a través de una sala de control las condiciones de los motocompresores, y en
algunas plantas el sistema de succión y descarga. También tienen la facilidad de
radio y teléfono (no todas).
•Sistema de Enfriamiento: El motocompresor requiere enfriamiento para su buen
funcionamiento sistemas de enfriamiento que pueden ser muy diferentes. Algunos
están conformados por intercambiadores de calor del tipo tubo-carcaza enfriados
por un sistema común de agua en un circuito cerrado. En otros casos se utilizan
intercambiadores de calor atmosférico tipo Fin-Fan cuyos ventiladores pueden
estar accionados por el motor de las unidades o con motores eléctricos
independientes.
•Sistema de Seguridad: las plantas compresoras poseen válvulas actuadoras
que automáticamente al detectarse algún problema en la instalación (fuego, alta
ió b j ió ) b i ú f ió d l j d l
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presión, baja presión) abren y cierran según sea su función, desalojando el gas
de los equipos y tuberías para dejar la planta en condiciones seguras. Las
paradas de plantas pueden ser manuales, en la planta o remotas, desde Control
de Producción. También las plantas cuentan con válvulas de bloqueo manual,en caso de fallar las automáticas (válvulas rojas) y sistema contra incendio. En
algunas plantas, adicionalmente, los motocompresores poseen dispositivos de
paro por seguridad para evitar daños a los equipos cuando no cumplan con las
condiciones de operaciones recomendadas por el fabricante (máximas).
•Sistema de Medición de Gas Natural: La medición del gas se cuantifica por medidores de tipo placa orificio y están ubicados en la entrada, salida y toma de
gas combustible de la planta, lo que permite realizar el balance de los caudales,
evaluar el comportamiento de los sistemas y tomas correctivos.
•Sistema Eléctrico: El sistema de alimentación de electricidad de las plantas es
proporcionado por redes locales cercanas, a través de cables de transmisión
eléctrica hasta una sub-Estación propia que cuenta con los siguientes equipos:
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eléctrica hasta una sub Estación propia que cuenta con los siguientes equipos:
• Transformadores de carga.
• Transformadores para iluminación y servicios.
• Transformadores para los sistemas de bombeo de agua contra
incendio.
• Switches de accionamiento.
• Centro de control de equipos.
El sistema eléctrico debe estar conformado por una fase de respaldo de 100%
en caso de fallas, accionada por el switch de control cuando falla la red dealimentación que está en servicio.
Sistema de Alivio y Venteo: El sistema de alivio y venteo consiste en un arreglo
de tuberías, válvulas de control, separador de líquidos (KOD) y mechurrio
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conectados en las líneas de entrada de gas de las Plantas Compresoras aguas
arriba de la válvula de bloqueo y tiene dos funciones básicas, estabilizar la
presión de entrada al proceso de compresor y desviar el gas hacia el mechurrio
en caso de una contingencia (ejemplo fuego).
Sistema de Desvío de Planta: Durante el evento de una parada de emergencia
las válvulas de bloqueo de entrada y salida de la planta compresora se cierran
de forma automática impidiendo el flujo de gas hacia y desde los cabezales de
entrada y salida lo cual produce un aumento en la presión de las líneas deentrada de gas a las plantas. Las válvulas de control abren totalmente
permitiendo el desvío de todo el gas hacia el KOD, si el sistema tiene la facilidad
de dirigir la corriente de gas hacia el KOD, el otro caso es que este direccionado
a un cabezal de venteo que llega a una estaca por donde se liberan los gases.
Sistema de Gas Combustible: El gas combustible involucrado en el proceso de
combustión interna de los motores, normalmente es el mismo gas de compresión
t d d l lí d t d l t l i l d ió j t l
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o es tomado de las líneas de entrada a planta al nivel de presión que se ajuste al
sistema de regulación de presión instalado, procurando que las condiciones del
mismo sean apropiadas para la operación del motor, para evitar la llegada de
líquidos al sistema de ignición de los equipos.
Sistema de Aire Comprimido: La operación de las plantas compresoras
depende en alto grado de sus sistemas de control, por tanto es necesaria una
fuente de aire limpio a una presión estable para los instrumentos. Los sistemas
de aire comprimido están conformados por varios compresores en paralelo que
pueden ser combinados, es decir, algunos accionados eléctricamente y con
apoyo de motores diesel para casos de falla eléctrica. El aire pasa por filtros que
extraen la humedad y las partículas extrañas y se acumula en recipientes
presurizados para garantizar un suministro seguro.
Sistema UV- Parada de Emergencia: Las instalaciones de gas son sumamente
riesgosas, por tanto poseen sistemas de seguridad que actúan en caso de fuga
de gas incendio o explosión Los sistemas de seguridad de las plantas están
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de gas, incendio o explosión. Los sistemas de seguridad de las plantas están
conformados por detectores que envían señales a un panel de control o actúan
directamente en el paro de emergencia. Los problemas que son capaces de
detectar estos equipos son: Presencia de llama (detectores ultravioleta oinfrarrojo), calor (tapones fusibles) y mezclas explosivas (nariceras). En caso de
presentarse alguno de estos problemas en una planta, el equipo de protección
actúa parando las unidades compresoras, bloqueando la entrada y salida del gas
de la planta, despresurizando los equipos y tuberías hacia el sistema de venteo.
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Venting o Flare
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EJERCICIO PRACTICO # 7- IDENTIFICAR LOS PARTES Y EL FUNCIONAMIENTO
DE UNA PLANTA COMPRESORA DE GAS.
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GRACIAS POR SU ATENCION