s4-Principios de Compresion Dinamica -496

COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador

SECCIÓN 4

PRINCIPIOS DE COMPRESIÓN DINÁMICA

4-1 PEMEX Production – Atasta Project 8299TR


PRINCIPIOS DEL COMPRESOR DINÁMICO Un compresor dinámico agrega energía a un gas de la misma manera en que un ventilador eléctrico lo hace (Fig. A). Las paletas giratorias del ventilador fuerzan el aire desde el lado de entrada hasta el lado de salida de las paletas. A medida que las paletas del ventilador giran, empujan las moléculas de aire hacia adelante; sin embargo, ya que la masa en reposo tiende a permanecer en reposo (Primera ley del movimiento de Newton), las paletas del ventilador deben superar la resistencia del aire en movimiento así como acelerar las moléculas de aire. Ya que existe resistencia del aire para el flujo de aire creado por el ventilador, las moléculas del aire son comprimidas por acción de las paletas del ventilador incrementando la presión del aire (Ley de Boyle). Mientras más rápido giren las paletas del ventilador, más rápido el aire será empujado y mayor será la presión y velocidad del aire. El ventilador, al trabajar con el aire, incrementa la velocidad y la presión del aire, lo cual incrementa su energía total. Un tipo específico de compresor dinámico denominado compresor centrífugo o radial añade energía al gas de manera similar al ventilador. Un impulsor giratorio (Figs. B y C) lleva hacia dentro moléculas de gas en el ojo del impulsor y, mediante una acción centrífuga, incrementa la velocidad y presión del gas a lo largo de los álabes del impulsor a medida que se mueve cada vez más lejos del centro hacia el borde externo. Los álabes del impulsor también actúan como alas de avión para generar una fuerza de elevación aerodinámica en el gas. Esta fuerza de elevación eleva las moléculas de gas desde un área de menor presión (el ojo) a un área de presión alta (el borde externo) del impulsor. A medida que cada molécula de gas se mueve desde el ojo hasta el borde exterior, se crea una succión en el ojo debido al incremento de velocidad de la molécula de gas que provoca un descenso de la presión en el ojo.

8299TR PEMEX Production – Atasta Project 4-3


La fuerza centrífuga y la fuerza de elevación se combinan en el impulsor para dar a las moléculas de gas dos componentes de velocidad (radial y tangencial) a medida que salen del impulsor. La velocidad radial es la rapidez de las moléculas de gas que se mueven hacia fuera desde el centro del impulsor hacia el borde exterior y la velocidad tangencial es la rapidez de las moléculas de gas en el ángulo derecho de la velocidad radial y en la misma dirección giratoria que el borde exterior. La combinación, o resultante de los vectores de velocidad incrementa la energía cinética (energía de movimiento) de las moléculas de gas. A medida que el gas abandona el impulsor, ingresa en un área divergente llamada difusor (Fig. D). El área del difusor se incrementa a medida que el flujo de gas viaja hacia la voluta y la velocidad del gas se convierte en presión (principio de Bernoulli). A medida que la velocidad desciende más, la energía cinética (energía de movimiento) se convierte en energía potencial (energía de posición) y produce la presión de descarga final en el puerto de descarga. En resumen, la operación de un compresor centrífugo simple es la siguiente: 1) Las moléculas de gas ingresan al ojo del impulsor, debido a un área de presión baja creada por el movimiento radial del impulsor (Figs. B y C). 2) El impulsor imparte tanto fuerza centrífuga como fuerza de elevación, debido al diseño del álabe impulsor, a las moléculas de gas e incrementa la presión y la velocidad de las moléculas de gas, incrementando así la energía cinética de las moléculas de gas (Figs. B y C).


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador 3) Las moléculas de gas de alta velocidad abandonan el borde externo del impulsor e ingresan al difusor, donde el área divergente del difusor hace que disminuya la velocidad de las moléculas de gas y se incremente la presión (Fig. D). 4) A medida que la energía cinética desciende, debido a una baja de velocidad, la energía potencial se incrementa, debido a un incremento de la presión, y está representada por la presión de descarga del compresor.

OPERACIÓN DEL COMPRESOR CENTRÍFUGO DE ETAPAS MÚLTIPLES La figura 1 muestra un modelo simple de compresor centrífugo de etapas múltiples con cuatro etapas de compresión. Un compresor de etapas múltiples es un grupo de compresores simples unidos a un eje común y encerrados en un cuerpo común, de modo tal que la descarga de la etapa de un compresor es la succión de la etapa del compresor siguiente. En esta configuración, la presión de descarga final de un compresor de etapas múltiples es mayor que la capacidad de presión de descarga de cualquier otra etapa simple. La compresión de etapas múltiples también puede realizarse mediante varios compresores separados canalizados en serie, por lo que la presión de descarga de un compresor completo es la entrada a otro compresor completo.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador El flujo de gas mostrado en la figura 1 ingresa a la tobera de entrada del compresor de etapas múltiples que tiene un área convergente. Esta área convergente provoca un descenso en la presión y un incremento en la velocidad de las moléculas de gas en el ojo del impulsor (principio de Bernoulli). El impulsor de la primera etapa, mediante la fuerza centrífuga y aerodinámica, incrementa la velocidad del gas mediante el impulsor de la primera etapa y el gas es descargado hacia el área divergente del difusor. El área del difusor es definida por la caja del compresor y el diafragma de la primera etapa. El diafragma separa el impulsor de la primera etapa del impulsor de la segunda etapa y crea la trayectoria para el difusor de la primera etapa En el difusor de la primera etapa, la velocidad del gas es convertida parcialmente a presión de gas y el flujo de gas ingresa al ojo de succión del impulsor de la segunda etapa. El impulsor de la segunda etapa incrementa una vez más la velocidad del gas y descarga en el difusor de la segunda etapa, que está construido de la misma forma que el difusor de la primera etapa (caja y diafragma). En el difusor de la segunda etapa, la velocidad del gas se convierte parcialmente en presión y se transforma en el gas de entrada para el impulsor de la tercera etapa. Este proceso de compresión de etapa continúa a lo largo de las etapas restantes del compresor de etapas múltiples, incrementando con cada etapa la presión de entrada del gas a la siguiente etapa. En la descarga del impulsor de la última etapa, el gas ingresa en una tobera de descarga divergente que está unida al sistema de tuberías del sistema. En la tobera de descarga divergente, la velocidad del gas disminuye aún más y se incrementa la presión del gas. La velocidad y la presión en la brida externa de la tobera de descarga es la velocidad y presión final del gas comprimido proveniente del compresor de etapas múltiples.

COMPONENTES DEL COMPRESOR CENTRÍFUGO DE ETAPAS MÚLTIPLES


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador COMPONENTES DEL COMPRESOR CENTRÍFUGO DE ETAPAS MÚLTIPLES Caja La caja del compresor centrífugo de etapas múltiples encierra el ciclo de compresión del gas y contiene el montaje del rotor (eje e impulsores), diafragmas, difusores y sellos de eje. Existen dos diseños de cajas para el compresor centrífugo de etapas múltiples: con división horizontal y con división vertical. La caja dividida horizontalmente (Fig. A) tiene un montaje de dos piezas atornillado junto en una costura horizontal para formar una cubierta de gas hermético. Este diseño tiene la ventaja de permitir la fácil extracción de los componentes internos, pero su desventaja es presentar una fuga en la junta horizontal en presiones de compresión superiores a 400 psi. La caja con división vertical (Fig. B) tiene una o dos cubiertas removibles para las cajas que encierran el cilindro aerodinámico y los componentes internos. Este diseño tiene la ventaja de mantener un sello hermético para el gas a presiones de compresión más elevadas y permite la extracción interna sin la necesidad de desconectar de la caja el sistema de tuberías de proceso. Impulsor El impulsor constituye la parte más crítica de un compresor centrífugo ya que su tamaño, forma y rapidez determinan el rendimiento del compresor. Los impulsores del compresor centrífugo son de tres tipos de diseños básicos: abiertos (Fig. C), semiencerrados (Fig. D) y encerrados (Fig. E), y pueden tener álabes rectos, curvos hacia delante o curvos hacia atrás. Los impulsores más comunes para el compresor de etapas múltiples son del tipo cerrado con álabes curvos hacia atrás. Éste es el diseño más eficiente y estable. El impulsor de diseño abierto es para una altura de descarga alta o para índices de flujo bajos a altos sólo en compresores de etapa simple. El impulsor semiencerrado se usa para un flujo alto en compresores de etapa simple o como primera etapa de un compresor de etapas múltiples. Conjunto del rotor El conjunto del rotor (Fig. F) está formado por los impulsores del compresor de etapas múltiples acuñados y contraídos en el eje del rotor, junto con uno o más tambores de compensación (pistón) en el extremo de descarga del eje. El tambor de compensación recibe presión de succión por un lado mediante una línea de compensación y una presión de descarga por el otro lado proveniente de la descarga del compresor. La diferencia en las presiones de succión y descarga por todo la superficie del tambor de compensación provoca una fuerza de empuje igual y en sentido contrario a la fuerza de empuje creada por el rotor compresor durante la operación.



COMPONENTES DEL COMPRESOR CENTRÍFUGO DE ETAPAS MÚLTIPLES Diafragma Los diafragmas (Fig. G) en un compresor de etapas múltiples están fijos a la caja estacionaria y ubicados entre los impulsores para formar el pasaje de gas llamado difusor. Los diafragmas separan una etapa de compresión en su lado de descarga de otro ojo de entrada de etapa de compresión. Generalmente, los diafragmas están construidos de hierro fundido u otros metales duros para soportar las velocidades y presiones del gas asociadas con los compresores centrífugos de alto rendimiento. Álabes guía Los álabes guía (Fig. G) están diseñados para guiar el flujo de gas en forma eficiente hacia el ojo del impulsor. Los álabes guía están instalados delante del ojo impulsor y están fijados a la caja. En los compresores centrífugos de etapas múltiples, los conjuntos de álabes guía están ubicados en el extremo de cada pasaje de regreso del difusor adyacente al ojo de entrada de la siguiente etapa del impulsor. El gas que abandona un impulsor pasa a través del difusor, y en el pasaje de regreso, es guiado por los álabes guía hacia el impulsor siguiente.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Sello del eje de etapa interior Debido a que el eje giratorio pasa a través de los diafragmas estacionarios, es necesario un método para sellar el área de penetración del eje para minimizar las fugas de gas de una etapa de compresión a la otra. El método de sellado más común usado en el compresor de etapas múltiples son los sellos de laberinto (Fig. G). Los sellos de laberinto son una colección de dientes o anillos de metal suave que se fijan al diafragma y rodean el eje. El espacio libre entre el eje y el laberinto está cerrado y forma un pasaje mínimo para que el gas fluya. A medida que el gas fluye por el eje ingresa a los bolsillos del sello y cambia de dirección. Este cambio en la dirección del flujo tiende a bloquear el flujo posterior de gas a lo largo del eje. El sello de laberinto minimiza la fuga de gas a lo largo del eje, pero no lo sella completamente. Se pueden producir algunas fugas. Sello del eje de la caja El sello requerido entre el eje giratorio y la penetración de la caja es más crítico que los requerimientos de sellos de la etapa interior entre el eje giratorio y el diafragma. Si el gas de proceso que está siendo comprimido es peligroso o tóxico, el método de sellado del eje/caja debe ser absoluto y no debe permitir ninguna fuga hacia la atmósfera proveniente de la última etapa del compresor. Los diversos tipos de sellado de eje/caja se usan tanto en forma individual como combinada. Estos son los ajustes de sellado empleados: anillo restrictivo, contacto mecánico, contacto mecánico con asistencia de aceite y contacto mecánico con asistencia de gas, laberinto, y una combinación de todos. La figura H es un ejemplo de un sello de laberinto de dos partes con un sello de gas inerte con un suministro de ayuda de gas.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Cojinetes El compresor de etapas múltiples es soportado por cojinetes radiales que permiten una fricción mínima y mantienen los espacios libres de los componentes cercanos. Los cojinetes radiales pueden ser de diversos tipos: de bolas, de rodillos, de manguito e inclinables (Fig. A). También, el compresor de etapas múltiples necesita un cojinete de empuje para absorber el movimiento axial, en cualquier dirección del eje del compresor, provocado por la presión diferencial en el montaje del rotor. El tipo más común de cojinete de empuje usado en los compresores centrífugos es el diseño de zapatas múltiples, autoalineado e igualador (Fig. B). Este diseño está formado por un collar de empuje giratorio y por zapatas de empuje estacionarias con lado de babbitt ubicadas a cada lado del collar de empuje. Tambor de compensación (pistón) Un compresor de alta presión de etapas múltiples desarrolla un empuje axial, debido a la diferencia de presión entre los lados de entrada y salida del montaje del rotor y se dirige hacia el lado de succión del compresor. Ya que el valor de este empuje puede ser mayor que la carga de empuje que el cojinete de empuje puede soportar, se coloca un tambor de compensación (Fig. C) en el lado de descarga del montaje del rotor para balancear el empuje. El lado externo del tambor de compensación desfoga hacia el lado de succión del compresor, y el lado interior del tambor está en contacto con la presión de descarga del compresor. Las fuerzas creadas por las presiones del lado de succión y el lado de descarga en las áreas del tambor de compensación son iguales y opuestas a las fuerzas creadas por las presiones de los lados de succión y descarga del compresor. RENDIMIENTO DEL COMPRESOR CENTRÍFUGO DINÁMICO Relación de compresión El propósito del compresor dinámico centrífugo es añadir energía a un gas de proceso incrementando la velocidad y presión del gas a medida que fluye por la máquina. Esto es llevado a cabo por los impulsores del compresor que imparten fuerzas centrífugas y aerodinámicas a la molécula del gas para incrementar su energía de velocidad y presión mediante los difusores que convierten la energía de velocidad en energía de presión. El trabajo hecho por el compresor para aumentar el nivel de energía del gas de proceso se refleja en la diferencia entre la presión del gas en la succión del compresor y la presión del gas en la descarga del compresor. La proporción de compresión, denotada “R,” es la relación de la presión de succión absoluta del compresor respecto a la presión de descarga absoluta del compresor para una densidad fija (masa por volumen unitario) del gas y está determinada por el diseño de los impulsores. El valor de la relación de compresión es la presión de descarga absoluta dividida entre la presión de succión absoluta y su resultado siempre será mayor a 1 (uno). Por lo tanto, dada la definición previa de la relación de compresión (R), si un compresor tiene un valor R de 2 para una densidad fija de gas y la presión de succión absoluta del compresor es 100 psia, entonces la presión de descarga absoluta será aproximadamente 200 psia. Sin embargo, si la densidad del gas aumenta o disminuye, el valor R cambiará, en proporción directa con la densidad del gas, del mismo modo que la presión de descarga del compresor.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador En un compresor centrífugo de etapas múltiples, el concepto de proporción de compresión se aplica a cada etapa del compresor en cuanto a que cada etapa tiene un valor R que relaciona su habilidad para incrementar la presión del gas y, por lo tanto, la energía del gas en esa etapa. El trabajo global hecho en el gas de proceso por el compresor de etapas múltiples está constituido por la suma del trabajo de cada etapa individual hecho en el gas de proceso. Capacidad del compresor La capacidad del compresor centrífugo es el volumen del gas que el compresor puede mover en una determinada cantidad de tiempo y es una función de la velocidad del gas y del diámetro del recorrido del flujo. Generalmente, la capacidad del compresor se expresa en pies cúbicos reales por minuto (pie³/min reales) y se mide a la entrada del compresor. Ya que la función del compresor centrífugo es incrementar el nivel de energía del gas incrementando la presión del gas, el volumen del gas que sale del compresor es menor al volumen del gas que ingresa al compresor. Carga de compresión Para comprimir cualquier cantidad de gas, un compresor debe realizar una cierta cantidad de trabajo en el gas. Este trabajo puede expresarse en libras-pie y puede considerarse como la elevación vertical en pies (altura) de 1 libra de gas que el compresor puede realizar. Como ejemplo, si el compresor levanta 5 libras de gas a 110 pies, está haciendo un trabajo de 550 libras-pie. Si el mismo compresor realiza el trabajo de 550 libras-pie en 1 segundo, entonces la potencia requerida por el compresor para hacer el trabajo es de 1 caballo de fuerza. El caballo de fuerza es la unidad de medida de potencia requerida para realizar una cantidad de trabajo en un período determinado y es igual a 550 libras-pie por segundo. La carga (medida en pies) desarrollada por un compresor es una función de la velocidad del gas. La rapidez del compresor centrífugo en rpm determina la velocidad del gas, y ésta, a su vez, determina la carga del compresor. Por lo tanto, al disminuir la velocidad del compresor desciende la velocidad del gas, y la elevación de carga en pies desciende, o al acelerar el compresor la velocidad del gas aumenta, y la elevación de carga en pies aumenta. Cuando se considera a la compresión como la elevación recta de una columna de gas, la carga en pies representa el trabajo de salida del compresor en libras-pie por libra de gas. Es decir que, por cada libra de gas que es levantada a la distancia de carga, que es determinada por la velocidad del compresor, el compresor debe realizar una cierta cantidad de trabajo. Si el número de libras de gas movidas por el compresor aumenta, entonces el trabajo en libras-pie hecho por el compresor se incrementa, ya que el trabajo realizado por el compresor es el producto de la carga y de la masa del gas.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador La densidad del gas, la masa del gas por volumen unitario, difiere de la de varios gases. Ya que la elevación de la altura es una función de la velocidad del gas (que depende de las rpm del compresor) y es independiente de la densidad del gas, la elevación de altura máxima producida por el compresor permanecerá inalterada sin considerar la densidad del gas. Sin embargo, ya que el trabajo de salida requerido por el compresor para alcanzar una altura constante es el producto de la carga (libras-pie por libra) y de la masa del gas (libras), incrementar la densidad del gas incrementará las libras-pie del trabajo requerido. Para cumplir con este requisito de incremento de trabajo del compresor, la entrada de caballos de fuerza al compresor (caballo de fuerza al freno), debe incrementarse.

La presión de descarga de un compresor en libras por área unitaria puede determinarse a partir de la elevación de la carga (pies) y la densidad del gas (libras por volumen unitario) por el producto de las dos. Por lo tanto, aumentar o reducir ya sea la elevación de la carga o la densidad del gas, o ambas, aumentará o reducirá la presión de descarga del compresor.

Pulsación de presión

La pulsación de presión del compresor dinámico es una condición aerodinámica causada por una recirculación de gas en el cuerpo del compresor en el borde de los impulsores. La recirculación del gas se produce cuando la carga del sistema que el compresor está descargando es mayor a la carga de descarga máxima que el compresor puede producir. Cuando ocurre esto, el flujo a lo largo del compresor desde la succión hasta la descarga se detiene y luego el flujo de gas cambia de dirección y comienza a fluir desde la descarga hasta la succión. Después de que se ha producido este cambio de dirección del flujo, la carga del sistema cae a un valor inferior a la carga de descarga máxima del compresor, y el flujo de gas una vez más cambia de dirección y fluye desde la succión hasta la descarga del compresor. Este ciclo de cambio de dirección de flujo continúa rápidamente mientras se incrementa y luego se reduce la carga del sistema alrededor del valor máximo de carga de descarga del compresor. Los cambios rápidos de dirección o pulsación de presión de un compresor dinámico producen un sobrecalentamiento del gas en el compresor y vibraciones severas en el sistema de tuberías del compresor y del proceso. La Figura 1 muestra el inicio de un mapa del compresor en porcentaje de la carga nominal en la descarga del compresor dinámico versas el porcentaje de capacidad nominal para una rapidez nominal del compresor (rpm). El punto operativo de este compresor al 100% aparece en un círculo, donde las líneas de altura 100% y capacidad 100% se interceptan. Si la carga del sistema se incrementa de 100% a 105% de la carga nominal de descarga del compresor, el porcentaje del flujo nominal del compresor se reduce de 100% a 50% junto con la curva nominal de velocidad (rpm) y se aproxima a una curva punteada que representa el inicio del punto de pulsación de presión. La curva de pulsación de presión está definida por el diseño del compresor y representa el inicio del bulbo de pulsación de presión. Cualquier operación del compresor a la izquierda de la curva de pulsación de presión colocará al compresor en pulsación de presión. Un método para proteger el compresor centrífugo contra la posibilidad de entrar en una pulsación de presión es usar un sistema de recirculación de gas contra pulsación de presión. Este sistema está formado por un sistema de control contra pulsación de presión y válvulas y sistemas de tubería de recirculación de gas, que recirculan la descarga de gas del compresor de regreso a la succión del compresor.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador INSERT 1731.CDR Ahogamiento El ahogamiento del compresor se refiere a cuando el índice de flujo a lo largo del compresor se encuentra al máximo para una velocidad determinada. El ahogamiento del compresor se produce cuando la carga de descarga del compresor se encuentra en su mínimo valor posible. Como se muestra en la Figura 1, si la curva de velocidad continúa hacia la derecha en una pendiente cada vez mayor, en algún punto podría intersectar el eje de capacidad. Este punto será el límite del ahogamiento en porcentaje de capacidad nominal del compresor. Resumen del rendimiento del compresor dinámico centrífugo 1) La relación de compresión, R, es la relación de la presión de descarga absoluta del compresor con respecto a su presión de succión absoluta y es una función del diseño del impulsor y de la densidad del gas. El valor R será mayor a 1. 2) La capacidad del compresor centrífugo se mide en pies cúbicos reales por minuto (pie³/min reales) a la entrada del compresor y es una función de la velocidad del gas y del diámetro del recorrido del flujo. El volumen de gas en la descarga del compresor es inferior al volumen en la entrada del compresor debido a la compresión. 3) La carga de compresión representa la cantidad de trabajo hecho en el gas con relación a la distancia de elevación vertical de una libra de gas que un compresor puede realizar y es una función de la velocidad del gas. La unidad de carga de compresión es una libra-pie por libra. La presión de descarga del compresor en libras por área unitaria puede determinarse mediante el producto de la elevación de la carga y la densidad del gas.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador 4) La pulsación de presión del compresor es la recirculación del gas dentro del cuerpo compresor en los impulsores. La pulsación de presión es causada por la carga del sistema que se incrementa y desciende alrededor del límite máximo de carga del compresor que causa que el gas fluya hacia y desde el interior del compresor. La pulsación de presión provoca vibración y daño al compresor y a las tuberías del sistema pero puede ser controlada usando un sistema de recirculación contra la pulsación de presión. El sistema contra la pulsación de presión recircula el gas de descarga del compresor desde la descarga hasta la succión del compresor. UNIDAD COMPRESORA IMPULSADA POR TURBINA DE GAS Las unidades compresoras impulsadas por turbina de gas descritas anteriormente muestran la disposición del módulo de turbina de gas, la caja de engranajes del incrementador de rapidez, el compresor de gas de alta presión y el compresor de inyección de gas para ambas unidades compresoras. Los módulos de turbina del compresor de inyección y de alta presión están formados por una Turbina de Gas Europea (TGE), la turbina de gas industrial TORNADO. El módulo también incluye todos los controles, dispositivos de protección y sistemas de soporte (lubricante, combustible, arranque, supresión de incendios y aire) necesarios para la operación normal de la turbina de gas. SISTEMA DE CONTROL DE RENDIMIENTO Y CONTRA LA PULSACIÓN DE PRESIÓN Sistema CONTRA LA PULSACIÓN DE PRESIÓN El propósito del sistema de control contra la pulsación de presión es mantener un flujo de gas a través de cada sección del compresor, como cuando el punto operativo del compresor se encuentra fuera de la región de pulsación de presión del compresor. Esto se logra midiendo los parámetros operativos del compresor y modulando una válvula contra la pulsación de presión. La válvula contra la pulsación de presión recircula el gas de descarga de la sección del compresor desde el lado corriente abajo de la etapa interior o enfriador de descarga, y lo lleva de regreso al lado corriente arriba de la succión o tambor entre etapas de la sección del compresor. El controlador contra la pulsación de presión informa al punto operativo de la etapa del compresor que este control es realizado por el controlador CLP 9070. El sistema de control contra la pulsación de presión para la sección del compresor está formado por un controlador contra la pulsación de presión (FIC), un transmisor de la presión de succión del compresor (TP), un transmisor de flujo de succión del compresor (TF), un transmisor de temperatura de succión del compresor (TT), un TP de descarga del compresor, un TT de descarga del compresor, un transmisor de rapidez del tren del compresor (TR) y una válvula contra la pulsación de presión (FV).


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Para mantener el punto operativo de la etapa del compresor fuera de la región de la pulsación de presión, el controlador contra la pulsación de presión monitorea la distancia relativa entre el punto operativo real del compresor (según lo definen las presiones de succión y de descarga de etapa del compresor, el índice de flujo de entrada, los transmisores de temperatura de succión y de descarga del compresor y la rapidez del tren del compresor) y un algoritmo almacenado en el software controlador que representa el diseño “MAPP” de la sección del compresor. A medida que el punto operativo medido comienza a aproximarse a la región de pulsación de presión, el controlador contra la pulsación de presión comenzará a abrir de golpe la válvula contra la pulsación de presión y desviará el gas de descarga del compresor de regreso a la entrada de sección del compresor. Esta recirculación del gas mantiene un flujo a través de la sección del compresor y mantiene el punto operativo real de la etapa del compresor fuera de la región de pulsación de presión. El controlador de pulsaciones de presión también recibe dos entradas discretas provenientes del tablero de control del turbocompresor. La primera entrada discreta señala al controlador contra la pulsación de presión que el tren del compresor se encuentra en el modo de parada o de funcionamiento. En el modo de parada del tren del compresor (contacto cerrado), el controlador contra la pulsación de presión coloca la válvula contra la pulsación de presión en la posición completamente abierta. En el modo de funcionamiento (contacto abierto), el controlador contra la pulsación de presión sitúa la válvula contra la pulsación de presión bajo el control del algoritmo de pulsación de presión almacenado en su software. La segunda entrada discreta señala al controlador contra la pulsación de presión que el compresor se encuentra o no en el modo de purga. En el modo de purga (contacto cerrado), el controlador contra la pulsación de presión posiciona la válvula contra la pulsación de presión en la posición cerrada. Cuando el compresor no se encuentra en el modo de purga (contacto abierto), el controlador contra la pulsación de presión sitúa la válvula contra la pulsación de presión bajo el control del algoritmo de pulsación de presión almacenado en su software. La válvula contra la pulsación de presión es colocada por una señal actual proveniente del controlador contra la pulsación de presión mediante un transductor de corriente a presión. El controlador contra la pulsación de presión modula la válvula contra la pulsación de presión en una posición entre completamente abierto y completamente cerrado, necesario para mantener un punto operativo predeterminado del compresor.



CONTROLADOR CONTRA PULSACIONES DE PRESIÓN

SISTEMA DE CONTROL PLC5 / DMC

ALLEN-BRADLEY



INTRODUCCIÓN A LAS PULSACIONES DE PRESIÓN DEL

COMPRESOR


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Las pulsaciones de presión, un problema por resolver Algunos compresores comprimen los gases introduciendo a la fuerza el gas directamente en un volumen más pequeño con un pistón u otra cámara de volumen variable. Los compresores de este tipo reciben el nombre de alternativos y no requieren un sistema de control de pulsación de presión. Otros compresores comprimen los gases acelerando el gas a alta velocidad con una parte giratoria, y permitiendo luego que la la velocidad del gas descienda en una parte no giratoria, subiendo por consiguiente la presión del gas. Los compresores de este tipo reciben el nombre de turbocompresores. Estos compresores presentan serios problemas a medida que la relación de presión sube. En algún límite de mayor relación de presión y menor flujo de aire, el flujo se torna seriamente inestable e incluso podría cambiar completamente de dirección. Esta condición, llamada PULSACIÓN DE PRESIÓN, desestabiliza las otrora fuerzas estables dentro del compresor y podrían impulsar las partes giratorias hacia las partes fijas, destruyendo de esta forma el compresor. Ya que incluso una pulsación de presión leve reduce considerablemente la eficiencia, las temperaturas de descarga se incrementan, lo que podría provocar un daño en los sellos del compresor. Por lo tanto, se debe evitar la pulsación de presión. Compresores axiales Los turbocompresores son de dos tipos generales. En el primer tipo, los compresores axiales, la parte giratoria es una bobina en el que hay filas montadas de superficies aerodinámicas o paletas parecidas a propulsores. La pulsación de presión se produce cuando el ángulo de ataque del gas contra el borde de entrada de las superficies aerodinámicas es demasiado bajo para generar la “elevación” necesaria, o demasiado alto para mantener el flujo a lo largo del lado de salida de la superficie aerodinámica, produciendo una separación de flujo de la superficie aerodinámica, al igual que cuando las alas de un aeroplano se atascan con un ángulo de ataque alto. Las secciones correspondientes al Compresor de Alta Presión (CAP) y al Compresor de Baja Presión (CBP) de la turbina LM6000 son de este tipo como se discutió en la sección 2 de este manual. Compresores radiales / centrífugos En el segundo tipo, llamados RADIALES o CENTRÍFUGOS, la parte giratoria es un impulsor que lanza el gas hacia fuera. La parte fija contiene una extensión radial del recorrido de flujo del impulsor, de aproximadamente el mismo ancho del pasaje, llamado el difusor. Al ampliar el radio, el área del pasaje del flujo se incrementa, por ello el gas reduce su velocidad y la velocidad se convierte en presión. Ya que el gas en la parte extrema del difusor tiene menos velocidad que el gas que recién ingresa al difusor, la energía se pierde a través del cizallamiento entre las moléculas de gas a diferentes radios. Si la presión de succión se mantiene constante y la presión de descarga se incrementa, el índice de flujo cae, y cada molécula de gas pasa más tiempo en el difusor, convierte más velocidad en presión, y pierde más energía para cizallar. Se llega a un límite cuando una molécula de gas que sale del impulsor no tiene suficiente velocidad para superar la presión opuesta del gas en el difusor, y el flujo cambia de dirección. Por medio de este mecanismo el compresor podría sufrir una pulsación de presión. Otro mecanismo es que el ángulo de ataque del gas entrante contra la parte del impulsor que recoge el gas entrante está


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador suficientemente fuera de diseño para provocar pulsación de presión en el mismo modo en que una superficie aerodinámica del compresor axial sufre una pulsación de presión. Para evitar las sobretensiones, el controlador antisobretensiones (CAS) modula la válvula de pulsación de presión para mantener el punto operativo del compresor en, o a la derecha de, la línea de control de sobretensiones (generalmente 10% a la drerecha de la línea límite de sobretensiones). Para trazar el punto operativo del compresor, el CAS mide las presiones y temperaturas de flujo, succión y descarga del compresor y, de ser pertinente, la posición del álabe guía de entrada variable. Esta información es entonces usada para trazar el punto operativo del compresor en el mapa de pulsación de presión calibrada.

El flujo oscila a una frecuencia alta o aleatoriamente dentro de un rango de flujo

estrecho, a una presión medianamente constante.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Pulsación de presión leve La pulsación de presión no necesita producirse simultáneamente en todas las partes del compresor. Por ejemplo, ya que la velocidad del gas en las paredes del difusor es menor que en el centro del difusor, a medida que se reduce el flujo, el cambio de dirección del flujo se produce primero en las paredes mientras que el flujo principal hacia el medio del difusor continúa hacia adelante. La pulsación de presión también se puede producir en un pasaje del impulsor pero no en otro. Esta pulsación de presión parcial puede manifestarse así mismo como:

Inmersiones periódicas en el índice de flujo, que podrían ser tan cortos como de 0.2 segundos de duración.

• Oscilaciones en la presión de succión y descarga. • Incremento en los niveles de vibración, tanto axiales como radiales. Aumento en la

temperatura de descarga.

Modelo teórico de una pulsación de presión violenta

D – A La presión se eleva y el flujo desciende, ya que la aceptación del flujo del proceso es menor al límite de pulsación de presión.

A – B Repentinamente, el flujo cambia de dirección a una presión constante.

B – C El flujo es negativo, la presión desciende, hasta que en C el compresor es capaz de restaurar el flujo hacia adelante.

C – D Repentinamente, el flujo se restaura.

Observe que el recorrido A – C no es accesible para el compresor ya que la presión no puede cambiar instantáneamente.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Pulsación de presión violenta La pulsación de presión violenta no puede confundirse fácilmente con otra cosa. Generalmente el flujo desciende repentinamente, la válvula de retención de descarga se cierra de golpe, y la unidad puede dispararse inmediatamente fuera de línea por la vibración y la sobrevelocidad, o dispararse después de algún tiempo por la elevada temperatura de descarga. El compresor puede sonar como si estuviera tragándose así mismo. De no corregirse la condición del proceso que llevó al compresor al límite de pulsación de presión, generalmente la pulsación de presión violenta se repetirá, con un tiempo entre los eventos de pulsación de presión del orden de uno a varios segundos. La pulsación de presión tiende a ser repetitiva ya que el evento de pulsación de presión merma la presión de descarga, permitiendo que el compresor restaure el flujo en la dirección positiva. La restauración del flujo hacia delante resulta en un aumento de la presión de descarga y en un nuevo descenso del flujo que llega hasta el punto de pulsación de presión. Los compresores de relación baja (por ejemplo, P2/Pi = 1.2/1) pueden mostrar un rango de flujo mucho más amplio de pulsación de presión leve antes de alcanzar un cambio total de dirección de flujo, quizás 10%. Sin embargo, los compresores de relación alta (por ejemplo, P2/Pi = 1.5/1) pueden tener un rango de pulsación de presión leve mucho más estrecho. Por ejemplo, las pruebas en un compresor elevador de gas en el Medio Este (P1 = 300 kPa/45 psia; P2 = 6800 kpa/1000 psia) casi no mostraron ninguna diferencia entre el valor del flujo donde se apreció una pulsación de presión ligera y el valor del flujo donde se produjo un cambio de dirección completo. Cuando se redujo el flujo al límite de pulsación de presión; el compresor prácticamente sufrió en forma instantánea una pulsación de presión violenta.

Ejemplo de trazo de tiempo para flujos de pulsación de presión leve y violenta en una situación donde el flujo de la estación desciende lentamente hacia la pulsación de presión para luego subir lentamente después de la pulsación de presión.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Condiciones del proceso que pueden llevar a una pulsación de presión

Aumento de la presión de descarga

Si la presión de succión (P1) y las RPM se mantienen constantes, un aumento en la presión de descarga (P2) resulta en una caída del flujo, alcanzando por último el límite de pulsación de presión. La condición del proceso que hace que la presión de descarga se eleve es una declinación en la aceptación del flujo de la carga. Ejemplos de esto son:

Compresores de refuerzo y de recolección:

• El flujo de la tubería tomado por los consumidores, sostenido a un índice menor al flujo puesto en la tubería por las fuentes.

Compresores del proceso:

• Pérdida de la corriente abajo del tren del proceso del compresor.

• Incremento en la estrangulación de la descarga.

Compresores elevadores de gas: • Pozos elevadores de gas cerrados o cargados. Compresores operados en serie: • Disparo del compresor corriente abajo. Caída en la presión de succión Si la presión de descarga (P2) y las RPM se mantienen constantes, una caída en la presión de succión (P1) resulta en una caída del flujo, alcanzando por último el límite de pulsación de presión. Ejemplos de situaciones del proceso que puedan causar esto: Compresores de refuerzo y de recolección: • Flujo de gas de una fuente menor al índice de flujo de los compresores que extraen de la

fuente. Compresores del proceso: • Pérdida de la corriente arriba del tren del proceso del compresor. • Incremento en la estrangulación de la succión. Compresores operados en serie: • Pérdida de un compresor corriente arriba.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Descenso de las RPM Si las presiones de succión y de descarga se mantienen constantes, una caída en las RPM puede hacer descender con mucha rapidez el flujo hacia el límite de pulsación de presión. De hecho, la repentina reducción de las RPM constituye el más serio transtorno que un sistema de control de pulsación de presión tiene que manejar. En contraste, el cierre repentino de la válvula de succión o de descarga representa generalmente un transtorno más fácilmente controlable que un repentino descenso de las RPM. Otros cambios del proceso • Caída de la masa mol, también llamada peso mol o peso específico (PE).

• Aumento de la temperatura de succión.

Cambios al equipo

• Impulsores del compresor desgastados por la arena y otros abrasivos. • Fuga de gas interna, por ejemplo, entre etapas o a lo largo de los sellos de laberinto del

pistón de compensación. • Movimiento de los álabes guía de entrada. • Taponamiento del filtro de entrada o del enfriador de gas de descarga (hidratos). • Incremento en el desenganche condensado entre etapas (se reduce el flujo del volumen en

las etapas finales). • Depósitos de sólidos o brea en los impulsores. Los compresores que toman gas fuente

proveniente de separadores de crudo a muy baja presión son propensos a esto, al igual que los compresores donde el gas del proceso contiene asfaltinas.

SECUENCIA DE ARRANQUE PURGA Durante la PURGA del compresor, la válvula de pulsación de presión es saltada cerrada según el índice de PURGA Cl para permitir la extracción del aire del sistema de tuberías asociado. Esto se realiza antes de que el compresor sea subido a una velocidad operativa y esté en operación FUERA DE LÍNEA. Después de completar la PURGA, el contacto de PURGA se abre y la válvula de pulsación de presión inmediatamente se abre totalmente.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador EN LÍNEA El CAS se coloca EN LÍNEA cuando las válvulas de la unidad estén en su posición adecuada, la unidad está a, o encima de, la velocidad mínima operativa, y se cumplen con las condiciones facultativas específicas de la unidad. Al ser colocado EN LÍNEA, el CAS salta la válvula de pulsación de presión cerrada (si las condiciones operativas lo permiten) según el índice de CARGA DE TIEMPO. Esta rampa de carga proporciona una flexibilidad adicional y es útil para situaciones en que el compresor debe ser cargado muy lentamente (i.e. en la presencia de condensados). Después de que la rampa de carga está completa, el índice de cierre de la válvula se determina por la característica de amortiguamiento asimétrico según el índice Cl TIEMPO. FUERA DE LÍNEA Al estar FUERA DE LÍNEA la salida del CAS a la válvula de pulsación de presión inmediatamente pasa a salida mínima para abrir la válvula de pulsación de presión lo más rápido posible. El contacto EN LÍNEA está atado al contacto de interrupción de operaciones de la unidad de modo que cuando se produce una interrupción, la válvula de pulsación de presión se abre inmediatamente en respuesta a la repentina pérdida de energía.

NOTA: Existen recorridos alternos para que fluya información al archivo de entrada analógica (N31) vía el comando MOV. Del mismo modo, los recorridos alternos existen para que fluya información al módulo de salida analógica vía el comando COP.



REPRESENTACIÓN DE DATOS Los algoritmos implementados en el coprocesador emplean comandos de biblioteca de tablado de datos (DTL) para acceder a la memoria de tabla de datos del controlador programable. Esta memoria de tabla de datos debe incluir 8 (ocho) archivos para interconectar los algoritmos. N31 - ARCHIVO DE ENTRADA ANALÓGICA - Contiene datos de entrada

obtenidos del módulo de entrada analógica por el PLC mediante instrucciones BTR y/o MOV. La longitud de este archivo debe ser de por lo menos 200 elementos incluso si no se usan todos.

N82 - ARCHIVO DE SALIDA ANALÓGICA - Contiene datos de salida que el PLC

envía al módulo de salida analógica vía los comandos BTW y/o COP. La longitud de este archivo debe ser de por lo menos 26 elementos.

F65 - ARCHIVO DE CALIBRACIÓN 1 - Contiene parámetros de configuración para

el controlador, sus entradas y sus salidas. La longitud de este archivo debe ser de 600 elementos.

F86 - ARCHIVO DE CALIBRACIÓN 2 - Contiene parámetros de afinamiento y

constantes de calibración para los algoritmos implementados en el controlador. La longitud de este archivo debe ser de 200 elementos por cuerpo (unidad).

N89 - ARCHIVO DE DESPLIEGUE DE VARIABLES DE CONTROL - Contiene

variables de pantalla en conteos. La longitud de este archivo debe ser de 100 elementos para tándemes de cuerpo único, 200 elementos para tándemes de dos cuerpos ó 300 elementos para tándemes de tres cuerpos.

F90 - ARCHIVO DE DESPLIEGUE DE MONITOREO DE RENDIMIENTO -

Contiene datos de entrada y valores de rendimiento en unidades de ingeniería. La longitud de este archivo debe ser de 50 elementos por cuerpo.

B95 - ARCHIVO DE ENTRADA DE CONTACTO - Contiene datos de entrada

discretos para los algoritmos implementados. La longitud de este archivo debe ser de 2 elementos (32 bitios) por cuerpo (unidad).

B96 - ARCHIVO DE SALIDA DE CONTACTO - Contiene datos de salida discretos

provenientes del coprocesador. La longitud de este archivo debe ser de 6 elementos (96 bitios)


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador MAPAS DE RENDIMIENTO DEL COMPRESOR Los mapas de rendimiento y la línea límite de pulsación de presión Un MAPA DE RENDIMIENTO del compresor muestra la "altura" esperada a lo largo de un compresor para valores determinados de RPM y de "flujo", manteniendo constante la temperatura y composición del gas. Se usan muchas variables diferentes como variables de "altura", tal como:

• Altura adiabática (isentrópica). • Altura politrópica (los diseñadores de compresores la prefieren aunque la altura

politrópica es más difícil para que los usuarios la empleen en los cálculos del proceso).

• Altura isotérmica (especialmente para compresores interenfriados de etapas múltiples)

• P2/Pi (puede ser medida directamente; fácilmente derivada de la altura adiabática).

• P1/P2 (puede ser medida directamente; fácilmente derivada de la altura adiabática).

• P2 (si P1 es constante) • P1 (si P2 es constante)

Del mismo modo se usan muchas variables diferentes como variables de "flujo":

• QSTD (flujo estándar). • Q(VOL)1 (flujo volumétrico de succión: flujo real de entrada en m3/seg, m3/min,

ACFM, etc.). • QMASS (flujo de masa: kg/seg, kg/mm, 1bm/min) • QSTD/Pl (útil para determinar el rendimiento fuera del diseño; fácilmente

derivado de Q(VOL)l). • QSTD/P2 (útil para determinar el rendimiento fuera del diseño; fácilmente

derivado de Q(VOL)l).



Mapa de rendimiento típico que representa la operación a una presión de succión constante Generalmente cada mapa lista las condiciones del gas bajo las cuales el mapa es válido. Un mapa de rendimiento generalmente muestra varias líneas de RPM trazadas contra el eje Y ("altura") y el eje X ("flujo"). Al declinar el flujo, las líneas RPM terminan en una línea llamada línea límite de pulsación de presión. Esta línea representa el menor límite de flujo donde se espera que comience una PULSACIÓN DE PRESIÓN LEVE y puede incluir un factor de seguridad añadido por el fabricante. Algunos mapas muestran dos líneas: un "límite de operación estable," donde se inicia la pulsación de presión leve y un "límite de pulsación de presión" donde se espera que comience una pulsación de presión violenta. Los mapas más útiles para considerar el control de pulsación de presión son el mapa P2/Pi vs. QSTD/Pl para operación a una presión de succión constante, y un mapa P1/P2 vs. QSTD/P2 para operación a presión de descarga constante. Estos mapas se derivan fácilmente de los mapas HEAD (altura) vs. Q(VOL)l.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Pueden extraerse algunas conclusiones del mapa anterior: • A una RPM fija mientras el flujo desciende, el índice de flujo se torna cada más sensible

a los cambios de presión. • A índices de flujo altos, reducir la presión casi no tiene efecto en el flujo (se dice que la

unidad está en un límite defensivo) • La línea límite de pulsación de presión parece seguir aproximadamente una curva de raíz

cuadrada: Partes de un sistema de control de pulsación de presión Un sistema de control de pulsación de presión eficaz está constituido por varias partes: • Un CONTROLADOR ANTIPULSACIÓN DE PRESIÓN, que tiene 2 (dos) partes

principales:

• Un ALGORITMO DE CALIBRACIÓN, que determina en donde el compresor está operando en forma relativa a la línea límite de pulsación de presión.

• Un ALGORITMO DE CONTROL, que ajusta los elementos de control final

para evitar que el punto operativo cruce la línea límite de pulsación de presión. • TRANSMISORES y ELEMENTOS DE FLUJO que envían información al algoritmo

de calibración. • ELEMENTOS DE CONTROL FINAL que sirven como palancas en el compresor

procesador para apartar el punto operativo del compresor de la pulsación de presión. Un elemento de control final común es una válvula de reciclaje con accesorios de control asociados. El modelo de válvula de reciclaje RVAM de Petrotech es un ejemplo de elemento de control final especialmente diseñado para usarse como elemento de control final antipulsación de presión.

Un sistema exitoso también depende de la correcta aplicación de válvulas de retención, enfriadores de gas, sistemas de tuberías, filtros, lavadores, y equipo del proceso relacionado. En general, un sistema de control de pulsación de presión (mejor llamado un sistema para evitar pulsación de presión) puede cambiar el compresor o el proceso para evitar o alejarse de las sobretensiones. Cambios al compresor para evitar pulsación de presión

• La rapidez del compresor puede incrementarse (contraproducente a largo plazo y demasiado lento para ser un mecanismo de control útil).

• Los álabes guía de entrada pueden ser reposicionados (útil para ampliar el rango

del compresor, pero demasiado lento para ser un mecanismo de control útil)


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Cambios al proceso para evitar pulsación de presión

• La presión de descarga puede reducirse reciclando el gas de descarga de regreso a la succión (más común, cuando el producto no es aire).

• Purga en la descarga (común en los compresores de aire).

• Un gas más pesado, como el propano puede ser añadido a la succión para

incrementar el potencial de relación de la presión. Observe que, al analizar la fig.3 y la fig.4 en las páginas anteriores, el incremento en la presión de succión generalmente tiene poco efecto en el flujo donde se produce la pulsación de presión. Sin embargo, el incremento en la presión de succión puede tener un beneficio a corto plazo para evitar la pulsación de presión elevando temporalmente el flujo del compresor. Sin embargo, si el flujo del compresor está por encima de la relación de compresión de flujo del proceso generalmente sube y el punto operativo del compresor nuevamente se desplaza hacia la pulsación de presión. Generalmente, bajar la presión de descarga tiene un efecto mucho más benéfico en el flujo de pulsación de presión que elevar la presión de succión. ALGORITMOS DE CALIBRACIÓN Generalmente, el método seleccionado para controlar la pulsación de presión es usar un ALGORITMO DE CALIBRACIÓN que es un modelo del compresor para proporcionar valores de puntos de ajuste y medición a un ALGORITMO DE CONTROL que manipula una VÁLVULA DE RECICLAJE (o purga) que reduce la PRESIÓN DE DESCARGA (o evita que se incremente) permitiendo por consiguiente que el compresor mantenga un flujo suficiente para evitar la pulsación de presión. Algoritmos de calibración "Algoritmo" significa modelo matemático. Un sistema de control de pulsación de presión is inusual ya que usa un modelo del parámetro físico que se debe controlar (distancia desde la pulsación de presión) en lugar de controlar un parámetro medido directamente. Otro ejemplo de un modelo sistema de control es un sistema motor de protección contra las sobrecargas: el termostato de sobrecarga siente la temperatura del calentador de sobrecarga, no el motor, para determinar cuando disparar el motor. El calentador de sobrecarga es un modelo de la característica de sobrecarga térmica del motor. El algoritmo de calibración, al ser inusual y desafiante, es la parte del sistema que generalmente obtiene la mayor parte de la atención en artículos de revistas y publicaciones técnicas. Sin embargo, en la práctica, necesita darse igual atención al diseño de algoritmo de control, a la sección de elemento de control final, a los controles de aire finales, y al diseño del proceso relacionado. Muchos sistemas antisobretensiones no logran evitar la pulsación de presión bajo condiciones de transtorno debido a la falta de atención prestada a estas partes más ordinarias del sistema antisobretensiones.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador El CAS tiene 6 (seis) algoritmos de calibración más la corrección de álabes guía variables y la compensación del peso molecular. El CAS puede usarse con compresores de relación alta y baja con líneas límites de raíz cuadrada y de no raíz cuadrada, con medidas de flujo en la succión o descarga del compresor, y con álabes guía fijos o variables. El CAS también puede usarse con trenes del compresor de etapas múltiples. Además de los 6 (seis) algoritmos incorporados, también pueden añadirse fácilmente algoritmos personalizados. Por ejemplo, ya que la opción pantalla de rendimiento ASO calcula la altura politrópica y flujo volumétrico de entrada, sería más simple seleccionar estos valores como mediciones y puntos de ajuste de de control. Sin embargo, un sistema de ese tipo no sería práctico ya que se requeriría una gran cantidad de transmisores especializados, haciendo al sistema muy complicado y sin probabilidades de confiabilidad. Los 6 (seis) algoritmos incorporados manejarán cualquier aplicación sin complicar en exceso el sistema.

Selección de un algoritmo

En general, los algoritmos están destinados para las siguientes aplicaciones:

Algoritmo 1: punto de ajuste = DP, medición = HC Compresores de baja relación, con líneas de pulsación de presión casi rectas y directas al origen cuando se trazan en términos de DP y HC. Medición de flujo que debe estar en la succión del compresor. Requiere 2 (dos) transmisores. Algoritmo 2: punto de ajuste = P2/Pi, medición = HC/Pl CUALQUIER compresor con medición de flujo en la succión. Con relaciones inferiores a aproximadamente 1.5, el algoritmo 2 se ve muy afectado por la exactitud del transmisor y por el ruido del proceso del transmisor de flujo. Requiere 3 (tres) transmisores. El margen de seguridad no se altera con cambios en P1 ó en P2, incluso si los segmentos de la tabla de consulta no pasan por el origen.

Algoritmo 3: punto de ajuste = constante, medición = HC/P2 Principalmente para compresores de velocidad única con medición de flujo en la descarga. Requiere 2 (dos) transmisores. El margen de seguridad se altera con los cambios en la temperatura de descarga, y se usa mejor ya sea con un compresor de RPM constantes o con mediciones de flujo corriente abajo del enfriador de gas de descarga. Este algoritmo es común en Europa, especialmente cuando el compresor es impulsado por un empuje de RPM fijas. Teóricamente, es válido porque:

(HC/P2)1~ es casi igual al flujo volumétrico de descarga (Q(VOL)2) y una línea de pulsación de presión del compresor es casi constante como función del flujo volumétrico de descarga, a una RPM constante.



Algoritmo 4: punto de ajuste - Pl/P2, medición = HC/P2 Las mismas aplicaciones que el algoritmo 2 pero con medición de flujo de descarga. Este algoritmo requiere 3 (tres) transmisores. Es similar al algoritmo 3. Sin embargo, permite corregir la línea de control de la pulsación de presión para márgenes de seguridad constantes a medida que P1 varía.

Algoritmo 5: punto de ajuste = DPIPl1 medición = HC/Pl Las mismas aplicaciones que el algoritmo 2 pero especialmente para compresores de muy baja relación. Los márgenes de seguridad no se alteran con los cambios en P1 ó P2, incluso si los segmentos de la tabla de consulta no pasan por el origen. Requiere 3 (tres) transmisores. El algoritmo 5 tolera más las inexactitudes y se ve menos afectado por el ruido del transmisor de flujo a relaciones de presión bajas; matemáticamente, los algoritmos 5 y 2 son similares, porque: DP/Pl = P2/Pl - 1 así que la constante "1" es la única diferencia.

Algoritmo 6: punto de ajuste = DP/P2, medición = HC/P2

Las mismas aplicaciones que el algoritmo 4 pero especialmente para compresores de relaciones muy bajas. Este algoritmo es equivalente al algoritmo 4, pero es más tolerante a los errores del transmisor a relaciones bajas y se ve menos afectado por el ruido. Algoritmo de control La segunda parte del sistema de control de pulsación de presión es el ALGORITMO DE CONTROL. El algoritmo de control óptimo para un controlador cuyo propósito es evitar sobrepasar un límite, como un controlador de pulsación de presión, es diferente a un algoritmo de control para un controlador integral-proporcional ordinario cuyo propósito es simplemente mantener un valor a un punto de ajuste preseleccionado. Deben añadirse características adicionales para mejorar la respuesta al transtorno, para limitar el sobreimpulso, para evitar la interacción con otros bucles de control, y para mejorar la estabilidad. Para un controlador de sobretensiones, el controlador también debe manejar la transición por no estar en control y la coordinación con secuencialización PURGE/RUNUP/RUNDOWN del compresor. Una idea de una estrategia de control adecuada para un control antisobretensiones podría ser hipotetizada considerando la estrategia que podría adaptar el piloto de un auto de carreras que maneja por caminos montañosos sin barandillas. El cerebro humano es un maravilloso "controlador" y en tareas como manejar un auto usa muchos más elementos de algoritmos de control que simplemente el control integral y proporcional.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Algunos elementos de control adicionales son: • Anticipación:

Al ser forzados ocasionalmente hacia la línea marcadora del borde de la carretera por el tráfico venidero, la "acción de control" podría ser iniciada mucho antes de que se llegue a la línea marcadora del borde, y la distancia objetivo del conductor con respecto al borde podría reducirse lentamente hasta que el auto esté viajando por la línea marcadora del borde.

• Adaptación:

Si el piloto sintió que las ruedas traseras ocasionalmente llegaron al borde del camino, podría aumentar la distancia objetivo con respecto a la línea marcadora de borde. Es decir, podría adaptar su punto de ajuste a un valor más seguro como respuesta al hecho de sobrepasar el borde de la vía.

• Acción de alta ganancia de soporte:

Si la carretera se vuelve tan rápida que el auto supera considerablemente la distancia objetivo del piloto con respecto al borde del camino, es probable que él haga realice una acción más intensa que la normal: frenar al máximo no sería una buena estrategia, sino proveer la acción proporcional más intensa posible.

• Control asimétrico:

El movimiento hacia el borde del camino podría ser ejecutado lentamente, a un índice medio, pero los movimientos alejados del borde deberían realizarse con intensidad.



La característica de anticipación de control presenta 2 (dos) puntos operativos. El cambio máximo de línea de control es de aproximadamente 20% para evitar la innecesaria abertura de la válvula de antipulsación de presión bajo condiciones de flujo elevado. La figura 3-1 muestra la línea de control alterada a la cantidad máxima, aproximadamente 20%. La figura 3-2 muestra el punto operativo dentro del 20% de la línea de pulsación de presión, así que la alteración es inferior a 20%.

Implementar todas las estrategias anteriores probablemente resultaría en operar el auto de carreras con un menor riesgo al ir sobre el borde, y también, durante períodos de tráfico de doble vía, resultaría en una operación mucho más segura muy cerca al borde. El problema de control de sobretensiones es en muchos aspectos similar al problema de control del piloto de auto, y un buen controlador de sobretensiones puede utilizar los mismos elementos de control adicionales para proporcionar una mejora en el control de pulsación de presión. • La respuesta avanzada de ANTICIPACIÓN sólo se produce al pasar de un flujo alto a un

flujo bajo, y no en la dirección opuesta. • El mecanismo es mucho menos sensible al ruido que el control derivativo, pero produce

una respuesta similar. La señal de flujo en un control de pulsación de presión típico es demasiado ruidosa para realizar un control derivativo efectivo.

El módulo que manipula la anticipación también fuerza al controlador de pulsación de presión principal a considerar la salida en modo MANUAL y también pre-comenzar la inicialización. La calibración de la función de anticipaciónes está fijada de fábrica.



Detector de pulsación de presión El CAS detecta la pulsación de presión sintiendo caídas de flujo suficientemente grandes para sobrepasar la línea de control hacia la línea de pulsación de presión. Para incrementar la sensibilidad del detector, la línea de detección de pulsación de presión podría ser desplazada hacia la línea de control en incrementos de un margen de pulsación de presión de 1%.

ADAPTIVE CONTROL FEATURE SUCCESSIVELY INCREMENTS SAFETY MARGIN IN RESPONSE TO SURGE EVENTS UNTIL AN ACCEPTABLE OPERATING POINT IS FOUND.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Control adaptable Cada vez que se detecta un evento de pulsación de presión mediante cualquiera de los métodos anteriores, se añade el margen de seguridad extra (MSE) en incrementos binarios (hasta un máximo de 32% MSE) para encontrar una línea de control satisfactoria. De esta manera, el CAS se adapta a su entorno para tomar en cuenta condiciones fuera de su control que incrementan la posibilidad de un evento de pulsación de presión. Algunos ejemplos son filtros de entrada o válvulas de reciclaje/purga taponados, respuesta lenta de los activadores de válvulas de reciclaje/purga y transmisores con respuesta de baja frecuencia. Si no se puede encontrar una línea de control segura después de un número seleccionado por el usuario de eventos de pulsación de presión, una interrupción de pulsación de presión contacta las transferencias que pueden usarse para interrumpir la operación del conjunto compresor.

VALVE PRELOAD CONTROL FEATURE Control de precarga del activador de válvulas Una importante característica de control adicional es controlar la presión de precarga en el activador de válvula de reciclaje. Cerca de la línea de control de pulsación de presión, la precarga del activador de válvula se reduce a un valor apenas superior al despegue de la válvula reduciendo la salida de la válvula del CAS a un valor ligeramente por encima de 20 mA. Así, el tiempo de demora para abrir la válvula se reduce enormemente en comparación con el tiempo de demora de una válvula controlada con un posicionador que, cuando la válvula no está


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador controlando, generalmente mantendrá un exceso de presión de 40% a 50% en el activador para mantener un cierre hermético. Con índices de flujo más altos, el CAS restaura la sobrepresión del activador de válvula incrementando la salida a la válvula de reciclaje a más de 24 mA para lograr un cierre hermético. El CAS está diseñado para trabajar con un montaje de válvula de reciclaje RVAM de Petrotech, que incluye conmutadores de límite, transductor I/P, impulsores (si son necesarios para un activador particular) y una válvula especial de escape rápido con bajo diferencial. Al caer la señal a la válvula (i.e., abertura de válvula), cuando la presión del cuerpo de activador está dentro de aproximadamente 7 kPa (1 psi) de presión de salida I/P al activador, la válvula de escape rápida permanece cerrada. Cuando hay transtornos, el I/P no puede descargar la presión del activador tan rápido como la salida del CAS hacia las caídas de la válvula, de modo que la válvula de escape rápido se abre y descarga directamente a la atmósfera hasta que la presión del activador alcance la presión I/P. La característica de reducción de precarga del CAS y los controles de aire de abertura rápida RVAM pueden mejorar los tiempos de carrera de la válvula en caso de transtornos reduciéndolos de varios segundos a mucho menos que un segundo. Sin estas características u otras equivalentes, la ocurrencia de pulsación de presión en caso de transtornos es casi segura.

BACKUP HIGH-GAIN CONTROLLER PROVIDES POSITIVE, PROPORTIONAL RECYCLE VALVE OPENING ON UPSETS, EVEN IF THE MAIN CONTROLLER IS SET FOR LOW GAIN.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador Controlador proporcional de soporte de ganancia elevada Además del controlador principal, un CONTROLADOR PROPORCIONAL DE SOPORTE DE GANANCIA ELEVADA (PIC2) proporciona un control muy fuerte de sobreimpulsos, sin interferir con la estabilidad normal de reciclaje. AUTO/MANUAL/SAFE MANUAL Las salidas del controlador principal y de soporte son seleccionadas bajas y entregadas a un módulo AUTO/MANUAL/SAFE MANUAL (manual seguro). Auto y manual funcionan convencionalmente, pero como alternativa al manual "duro", el CAS puede ser ajustado a manual "seguro", que permite que, de ser necesario, las funciones de control automático invaliden la señal manual para proteger el compresor. El ajuste manual seguro también puede usarse para fijar un límite mínimo de reciclaje mientras que sigue proporcionando protección contra sobretensiones.

ASYMMETRICAL CONTROL FEATURE Control asimétrico El CONTROL ASIMÉTRICO se provee amortiguando el índice de viaje de la válvula de reciclaje en recuperación de transtornos, sólo en recierre. Con índices bajos de viaje de la válvula, no hay amortiguamiento en ninguna dirección. El mismo módulo que maneja el AMORTIGUAMIENTO también maneja la coordinación de PURGA, DESCARGA y RUNDOWN. Se usa una rampa de carga separada al poner el CAS (y el compresor) en línea. La rampa de carga propociona flexibilidad adicional, y es útil para situaciones en que se necesita un índice de cierre muy lento para el arranque, (i.e. en la presencia de condensados) pero no después de que el


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador compresor es cargado. Después de que la rampa de carga está completa, el índice de cierre de la válvula se determina por la característica de amortiguamiento asimétrico. La característica de cierre de la válvula proporciona varios beneficios, incluyendo: • Control más estable. La GANANCIA (y por lo tanto la respuesta del controlador) puede

incrementarse sustancialmente y en forma correspondiente reducirse el margen de seguridad sin sacrificar estabilidad.

• Arranque "suave", sin transtorno, al agregar una unidad al grupo de compresores paralelos. Si la válvula de reciclaje se cierra demasiado rápido al cargarse, las unidades fluctuarán mientras sus reguladores buscan redividir la carga.

• Menor probabilidad de disparo falso por presión diferencial baja de aceite en el sello.

Purga de la línea de desviación durante el ciclo de purga. Selección de un margen de seguridad Compare los ahorros posibles de un descenso en el reciclaje con el posible daño por sobreimpulsión hacia la pulsación de presión. Recuerde que mientras el CAS cuenta con excelentes características de respuesta frente al transtorno, los factores dominantes son la volatibilidad del proceso y la respuesta del elemento de control final. Diez perciento (10%) es un margen de seguridad frecuentemente especificado. Si un compresor opera casi todo el tiempo a un flujo elevado, lejos de la pulsación de presión, no hay ninguna ventaja en ingresar un margen de seguridad muy pequeño. Se incrementa el riesgo de pulsación de presión en caso de transtornos, sin ningún beneficio correspondiente. Si un compresor normalmente opera un considerable porcentaje de tiempo utilizando reciclaje de pulsación de presión, entonces el resultado de una reducción segura del margen de seguridad puede ser sorprendente. Por ejemplo, si un compresor de 15,000 kW (20,100 hp) opera 100% del tiempo con un reciclaje de 20%, cada reducción de 1% en el reciclaje produce un ahorro en combustible del orden de US$ 60,000 anuales considerando los costos típicos del combustible en los EE.UU. El mínimo margen de seguridad apropriado es afectado por muchos factores: • Algoritmo de calibración:

Es obviamente necesario un algoritmo que represente con exactitud la distancia instantánea desde la pulsación de presión, ya que el controlador se basa en un modelo de la distancia entre el compresor y la pulsación de presión y no en la distancia real medida desde la pulsación de presión.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador • Respuesta del controlador frente al transtorno:

Un controlador optimizado para controlar desequilibrios (limitación de sobreimpulsos) puede reducir el sobreimpulso hacia la pulsación de presión en POR LO MENOS un factor de 2 comparado con los controladores proporcionales integrales ordinarios.

• Tiempo de demora, velocidad de respuesta y tamaño del elemento de control final:

Sin considerar la respuesta del controlador - podría estar relampagueando rápido - es muy probable que el elemento de control final sea el límite en la velocidad de respuesta del sistema. El TIEMPO DE DEMORA (tiempo muerto) constituye el límite más serio introducido por el elemento de control final. La válvula de reciclaje RVAM de Petrotech cuenta con controles de aire especiales para incrementar la velocidad de respuesta y el CAS reduce la precarga del activador de válvula cerca de la línea de control de pulsación de presión para reducir al mínimo el tiempo muerto.

Volumen del proceso: Un gran volumen de descarga entre la descarga del compresor y la válvula de retención de descarga disminuye enormemente la velocidad de respuesta del sistema, especialmente frente a transtornos caracterizados por una rápida caída en las RPM. • Tuberías de reciclaje:

Las tuberías que no están libres de trampas líquidas pueden reducir fatalmente la velocidad de respuesta del sistema frente a transtornos y, si la dirección de reentrada de reciclaje se opone a la dirección de flujo normal, la acción inicial del sistema de control de pulsación de presión realmente puede impulsar el compresor hacia la pulsación de presión al disminuir momentáneamente la velocidad del flujo de entrada.

En compresores de etapas múltiples, ¡NO cruce las líneas de reciclaje que están a lo largo de los enfriadores entre etapas y los filtros! Será muy difícil controlar la pulsación de presión en caso de transtornos. • Compresor de acercamiento, cambios en el gas:

Cualquier cosa que afecte la exactitud y validez del algoritmo de calibración debe ser compensada añadiendo margen de seguridad.

• Volatilidad del proceso:

Los procesos estables pueden ser controlados muy cerca de la pulsación de presión. Procesos más volátiles requieren un margen de seguridad adicional.



Considerando todo lo anterior, un margen mínimo de seguridad razonable para un proceso estable es aproximadamente de 3 a 5% y para procesos típicamente volátiles, aproximadamente 10%. Observe que cuando se compara la selección del margen de seguridad, existen varias formas de expresar el margen de seguridad que resultan en porcentajes diferentes para el mismo margen de seguridad. El CAS muestra el margen de seguridad como porcentaje de margen de pulsación de presión. Es decir, el "porcentaje de margen de seguridad" (PMS) es el flujo estándar en porcentaje que se reduciría en la condición operativa determinada para alcanzar pulsación de presión.

Ajuste de la tabla de configuración de anancia e válvula Esta tabla configura la característica GANANCIA vs. SALIDA del controlador CAS para que sea una imagen espejo de la característica FLUJO vs. CARRERA. Principalmente, se usa para producir una ganancia de bucle global lineal mientras usa válvulas de ajuste de igual porcentaje. Algunas de las ventajas de las válvulas de ajuste de igual porcentaje son: • Un control mucho mejor (más estable) con índices bajos de reciclaje. • Menor tendencia a oscilar y chocar ruidosamente el tapón de la válvula contra el asiento

a índices de reciclaje muy bajos. Capacidad máxima muy alta para el control de transtornos. Desafortunadamente, la característica de aumento de ganancia de las válvulas de ajuste de porcentaje iguales generalmente requiere que el controlador sea desajustado (más sobreimpulso) a índices bajos de reciclaje para evitar inestabilidad con índices de reciclaje más altos. La tabla de configuración de ganancia de válvula elimina esta desventaja.



MEMORIA FIJA DE APLICACIÓN DE CONTROL DINÁMICO

CONTROLADOR ANTISOBRETENSIONES

DEL COMPRESOR

SISTEMA DE CONTROL PLC5 / DMC ALLEN-BRADLEY

INFORMACIÓN DE LOCALIZACIÓN DE AVERÍAS



LOCALIZACIÓN DE AVERÍAS

La mayoría de problemas e inestabilidades después de poner en marcha la unidad se asocian generalmente con dispositivos de campo y no al sistema de control o a su configuración. Se debe prestar especial atención a los dispositivos de campo y a su apropiada operación antes de realizar cambios a la configuración del sistema de control. Si el problema no puede identificarse/resolverse usando la información que aparece más abajo, se deberán poner en contacto con Petrotech para más ayuda.

SÍNTOMA

Oscilaciones del flujo/válvula de pulsación de presión. CAUSAS/SOLUCIONES POSIBLES • Inestabilidad de flujo generada por proceso de corriente arriba/corriente abajo. La

solución es localizar el proceso inestable y llevar a cabo los pasos necesarios para corregirlo/estabilizarlo. Las causas posibles de la inestabilidad incluyen válvulas de desahogo o controladores del proceso en ciclo.

• Una presión o control de flujo inestable (i.e. sistema de control de capacidad). La

solución es identificar y reajustar el controlador inestable. • Inestabilidad en el sistema de control impulsor (i.e. regulador). La solución es reajustar o

reparar el sistema de control impulsor. • Problemas con el montaje de la válvula de pulsación de presión (i.e. válvula pegajosa,

histéresis, etc.). La solución es inspeccionar y reparar el montaje de la válvula de pulsación de presión.

• Válvula de pulsación de presión demasiado grande. La solución es reemplazar la válvula

de pulsación de presión con una del tamaño correcto. Petrotech ofrece en forma gratuita dimensionamiento de válvulas por la compra de su sistema de control de sobretensiones.

• Flujo condensado (slug). La solución es cargar lentamente la unidad al ponerla EN

LÍNEA. Para eliminar completamente el problema de flujo slug, podría ser necesario realizar modificaciones a las tuberías o al contenedor.


COMPRESOR TIPO TORNADO Manual de instrucción para el operador SÍNTOMA

La válvula de pulsación de presión permanece abierta al ESTAR EN LÍNEA.

CAUSAS/SOLUCIONES POSIBLES

• Condición del proceso de flujo bajo que requiere un margen de pulsación de presión de control del CAS a un valor nominal de 10% (o un margen de seguridad de control especificado por el usuario) modulando la válvula de pulsación de presión. La solución es identificar y corregir, de ser posible, la condición de flujo bajo.

• La unidad se queda en MANUAL al ESTAR EN LÍNEA. La solución es colocar la unidad en AUTO para dejar que el CAS salte la válvula de pulsación de presión cerrada (según lo permitan las condiciones del proceso).

• Válvulas de aislamiento cerrado en el flujo o la presión. La solución es abrir las válvulas de aislamiento del transmisor.

• Transmisor de flujo o de presión averiado. La solución es identificar y reemplazar el

transmisor averiado.

• Filtro de entrada obstruido. La solución es limpiar la obstrucción del filtro.

• I/P averiado. La solución es reparar/reemplazar el I/P averiado.

• Bucle de válvula deficiente. La solución es encontrar y reparar la causa de un mal bucle de válvula. Los problemas potenciales incluyen un fusible quemado, cableado suelto/desconectado, módulo de salida analógico averiado y relé FAULT averiado.

SÍNTOMA

Eventos de pulsación de presión repetitivos conducentes a una interrupción de operación por pulsación de presión.

CAUSAS/SOLUCIONES POSIBLES

• Amortiguamiento excesivo del transmisor de flujo. La solución es disminuir el amortiguamiento del transmisor de flujo.

• Apertura de la válvula de pulsación de presión extremadamente lenta. La solución es

reemplazar o modificar el activador de válvula. Petrotech vende una modificación de escape rápido para válvulas Fisher que disminuye enormemente el tiempo de carrera.

• Válvula de pulsación de presión más pequeña de lo normal. La solución es reemplazar la

válvula de pulsación de presión por una del tamaño correcto. Petrotech ofrece en forma gratuita dimensionamiento de válvulas por la compra de su sistema de control de sobretensiones.



• Recorrido del reciclaje/ventilación bloqueado por la misma razón. Podría tratarse de una válvula de pulsación de presión pegada en la posición cerrada, un filtro de entrada obstruido o un mal funcionamiento en la secuencia de la válvula de la unidad. La solución es ubicar y resolver la causa del bloqueo.

REQUISITOS Y RECOMENDACIONES REQUISITOS 1. Los módulos de entrada analógica que suministran datos al archivo ~N3l deben

configurarse de la siguiente manera:

• Para todas las entradas: Formato de datos: Binario complemento dos Índice de muestra en tiempo real: Deshabilitado

• Para todas las entradas que se leen en conteos (C~ENGMULT = 0)

Rango de entrada: 0-SV or 0-20 mA Ajuste a escala: 0-4095 2. Los módulos de salida analógica que usan datos del archivo N82 deben configurarse de la

siguiente manera:

Formato de datos: Binario Ajuste a escala: 0-4095


s4-Principios de Compresion Dinamica -496

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