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COMPRESORES DINÁMICOS

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Compresores dinámicos

Líder del proyecto: Ing. René Soltero Sáenz Líder técnico: Ing. Manuel Méndez Zúñiga Especialistas: Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Colaboradores técnicos: Ing. Gloria Isela Lugo Trejo Ing. Federico G. García Romero Ing. Marco Antonio Lau Ham Ing. Alberto Carrasco Rueda Diseño gráfico: Ing. Carlos Arturo Medina Maldonado Copyright © 2006 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO

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Contenido 1  COMPRESORES DINÁMICOS .............................................................................. 1-5  OBJETIVO INSTRUCCIONAL.............................................................................................. 1-5  INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................. 1-7  1.1  CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPRESORES DINÁMICOS..................................... 1-9  1.1.1  1.1.2  1.1.3  1.1.4 

Relación de compresión. .............................................................................................. 1-9  Capacidad de un compresor. ........................................................................................ 1-9  Trabajo y potencia......................................................................................................... 1-9  Revoluciones por minuto (RPM). ................................................................................ 1-10 

1.2  CLASIFICACIÓN DE COMPRESORES DINÁMICOS. .............................................. 1-11  1.2.1  1.2.2  1.2.3 

Clasificación de los compresores dinámicos. ............................................................. 1-11  Compresores Axiales. ................................................................................................. 1-11  Compresores centrífugos. ........................................................................................... 1-14 

1.3  DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO. .............. 1-18  1.4  SISTEMAS AUXILIARES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO. ............................ 1-34  1.4.1  1.4.2  1.4.3  1.4.4 

Sistema de lubricación. ............................................................................................... 1-34  Sistemas de enfriamiento. .......................................................................................... 1-36  Elemento motriz. ......................................................................................................... 1-37  Sistemas de seguridad. .............................................................................................. 1-37 

1.5  DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS. 1-39  1.5.1  1.5.2  1.5.3  1.5.4  1.5.5 

Curvas de comportamiento de los compresores centrífugos. .................................... 1-39  Definición y ubicación de los puntos de operación y de “surge”. ............................... 1-40  Sistemas de control “antisurge”. ................................................................................. 1-41  Operación en serie y en paralelo. ............................................................................... 1-46  Parámetros que afectan el comportamiento del compresor. ...................................... 1-47 

1.6  PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN Y ANÁLISIS DE FALLAS DE COMPRESORES CENTRÍFUGOS. ........................................................................................................ 1-48  1.6.1  1.6.2  1.6.3 

Operación normal........................................................................................................ 1-48  Procedimientos de arranque y paro. ........................................................................... 1-49  Solución de problemas en compresores centrífugos.................................................. 1-53 

1.7  ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES BAJO EL ESQUEMA CAUSA-EFECTO. ...................................................................................................... 1-56  1.7.1  1.7.2  1.7.3  1.7.4  1.7.5  1.7.6 

Diagrama de control (DC) para un sistema de compresión. ...................................... 1-56  Instrumentos de control (IC) de un sistema de compresión. ...................................... 1-57  Relación de parámetros (RP) de operación de sistemas de compresión. ................. 1-59  Estrategia de análisis (EA) para la operación de compresores. ................................. 1-61  Descripción de los ejercicios ¿qué pasa sí? (QPS) para sistemas de compresión. .. 1-62  Ejercicios ¿qué pasa sí? (QPS) para sistemas de compresión. ................................ 1-62 

1.8  GLOSARIO. ............................................................................................................... 1-66  BIBLIOGRAFÍA. .................................................................................................................. 1-67 

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1 COMPRESORES DINÁMICOS

OBJETIVO INSTRUCCIONAL.

Incrementar su desempeño al emplear los conocimientos adquiridos en la capacitación y desarrollar las habilidades que le permitan mantener la continuidad de la operación de los compresores dinámicos a su cargo, cumpliendo con los procedimientos operativos y de seguridad establecidos en su área de trabajo.

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INTRODUCCIÓN.

Dentro de Petróleos Mexicanos, los operadores tienen una labor importante para el funcionamiento y desarrollo de la industria petrolera, por lo que se requiere que éste personal adquiera conocimientos firmes sobre las técnicas de operación de los equipos que integra las plantas de proceso, para que en el cumplimiento de sus labores se desempeñen con mayor seguridad y eficiencia demostrando su nivel de competencia laboral. En este manual se pretende proporcionar los aspectos más importantes sobre el mantenimiento de los compresores dinámicos. Por ser los compresores dinámicos uno de los equipos más importantes y utilizados en PEMEX, se da una clasificación de los mismos. Se exponen los principios de operación de los compresores centrífugos y los elementos constitutivos de los mismos; también se tratan puntos como el sistemas de control “antisurge”, sistemas de lubricación, sellos húmedo y sistema de sellos secos, también se analizan los dispositivos de seguridad, y procedimientos generales de arranque y paro, así como la solución de problemas mediante el análisis de causa - efecto. Consideramos que la capacitación, contribuirá a la formación y actualización de los ingenieros en mantenimiento que les proporcionará los conocimientos básicos y específicos que les permitirán incrementar su nivel de competencia laboral, demostrándolo al desempeñar sus actividades dentro de la empresa con mayor seguridad y cumpliendo con las actividades propias de su puesto, lo que se traducirá en un incremento de la productividad de PEMEX REFINACIÓN.

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1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPRESORES DINÁMICOS. 1.1.1 Relación de compresión. Un compresor es una maquina que al hacer trabajo sobre un gas le aumenta su presión, pues el gas que entra a una compresora lo hace a cierta presión y sale a una presión superior. La diferencia entre la presión de descarga y la presión de succión representa el trabajo efectuado por el compresor sobre el gas, menos las perdidas debidas al calor y fricción. La relación de compresión “R” es la relación entra la presión absoluta de descarga y la presión absoluta de succión o sea P2/P1, donde P2 es la presión absoluta de descarga y P1 la presión absoluta de succión. R

P( Absoluta) de descarga P( Absoluta) de succión

Los manómetros normales no registran la presión atmosférica pues marcan cero cuando están comunicados con el aire atmosférico. Pero como para determinar la relación de Compresión “R” hay que hacer uso de presiones absolutas o sea presiones medidas a partir del cero absoluto de presión, que es cuando no exista ninguna partícula de gas que pueda producir alguna presión en el recipiente que la contenga, es necesario sumar la presión atmosférica que es de 1.033 kg/cm2 al nivel del mar a la presión que marque el manómetro. Por ejemplo, si un compresor succiona un gas a la presión atmosférica de 1.033 kg/cm2 y lo descarga a 4 kg/cm2 leídos en un manómetro normal, la presión absoluta de succión es de 1.033 kg/cm2 y la presión absoluta de descarga es de 4 + 1.033 = 5.033 kg/cm2, por lo tanto, la relación de compresión será de 5.033/1.033, o sea de 4.872.

1.1.2 Capacidad de un compresor. La capacidad de un compresor en término de flujo volumétrico es el volumen de gas que maneja en un periodo dado de tiempo así, miles de pies cúbicos por minuto (MCFM) y metros cúbicos por minuto (m3/min) son unidades de capacidad de los compresores, y esta capacidad es medida antes de la compresión a condiciones de temperatura y presión dadas en la succión. La capacidad límite de un compresor es el máximo gasto de gas que puede manejar.

1.1.3 Trabajo y potencia. Se dice que se realiza un trabajo cuando una fuerza desplaza a un cuerpo una determinada distancia, una unidad para medir el trabajo es el kilográmetro (kg-m) o sea el trabajo que realiza para mover el peso de un kilogramo la distancia de un metro.  En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de trabajo es el Newton por metro (N-m), que recibe el nombre de Joule (J).  En el sistema CGS, la unidad de trabajo es el Ergio (dina-cm).  En el sistema Ingles, la unidad de trabajo es la libra-pie (lb-ft).  En el sistema técnico gravitatorio métrico, la unidad de trabajo es el kilográmetro.

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POTENCIA (P) es la rapidez con la que se realiza un trabajo. P 

Trabajo tiempo

La potencia es el trabajo efectuado por unidad de tiempo, así, si se hace un trabajo de 76 kg-m en un segundo se dice que se tiene la potencia de un caballo de fuerza (HP), Fig. 1-1.

FIG. 1-1. TRABAJO Y POTENCIA.

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de potencia es el Watt (W) o Vatio 1W 

Joule seg

En el sistema inglés, la unidad de potencia es el caballo de fuerza (HP) 1 HP 

550 ft  lb f seg

Como factores de conversión de una unidad a otra se tiene que: 1 HP  746 W  0 . 746 kW

y

1 kW  1 . 34 HP

Ha sido una costumbre usar el Watt o Vatio como unidad de potencia eléctrica y el caballo de fuerza como potencia mecánica pero esto no es más que una convención.

1.1.4 Revoluciones por minuto (RPM). RPM es la abreviación de revoluciones por minuto; y puesto que el impulsor de un compresor centrífugo tiene que girar para mover un gas, conforme aumente las RPM de este la velocidad del gas aumenta o sea que se efectúa un trabajo mayor sobre el gas. Para unas RPM dadas se efectúa un trabajo determinado (medido en kg-m) por unidad de peso del gas, sin embargo, el peso especifico de los gases, o sea el peso por unidad de volumen, varia de uno a otro, dicho en otras palabras, un gas con un peso especifico mayor pesa más para su mismo volumen que un gas con un peso especifico menor. Como para unas RPM dadas el trabajo hecho por unidad de peso de gas es igual para los diferentes gases, lo que varia es el volumen que ocupa cada gas, y además, a unas RPM dadas los m3/min que el compresor maneja son constantes dando como consecuencia que con el gas más denso el compresor manejara un peso, en kg, de gas mayor. No obstante que el trabajo efectuado por unidad de peso en diferentes gases más densos, y al aumentar el peso de gas en una unidad de tiempo, se hace necesario efectuar un trabajo total mayor en el mismo tiempo, lo que quiere decir que se va a requerir mas potencia (en HP) para que un compresor maneje un gas más denso a las misma RPM.

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1.2 CLASIFICACIÓN DE COMPRESORES DINÁMICOS. Un compresor dinámico aumenta la energía de un gas en igual forma que lo hace un ventilador, Fig. 1-2, el giro de las aspas obliga al aire a moverse o a fluir, el aire que esta en reposo tiende a permanecer en reposo, y cuando las aspas empiezan a girar empujan el aire, como existen moléculas de aire que se resisten al movimiento, el aire empujado por las aspas es comprimido y aumenta la presión, cuando las aspas del ventilador vencen la resistencia del aire estacionario se produce el empuje de aire hacia delante.

FIG. 1-2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES DINÁMICOS.

Conforme las aspas giren más rápido, el aire es impulsado a mayor velocidad; el ventilador que efectúa un trabajo sobre el aire, aumenta la presión y la velocidad de este, aumentando el contenido total de energía en el aire.

1.2.1 Clasificación de los compresores dinámicos. En un compresor dinámico, el aumento de presión se obtiene comunicando a un flujo de gas, cierta velocidad o energía cinética, que se convierte en presión al desacelerar el gas, cuando este pasa a través de un difusor. Como ya se definió anteriormente los compresores dinámicos se clasifican en:  Compresores Axiales.  Compresores Centrífugos.

1.2.2 Compresores Axiales. El movimiento en dirección al eje de una flecha es llamado movimiento axial, en la Fig. 1-3 se muestran las direcciones del movimiento circular y axial.

FIG. 1-3. DIRECCIONES DEL MOVIMIENTO DE UN EJE O FLECHA.

Un compresor que mueva un gas paralelamente al eje de su flecha se denomina compresor axial y tiene álabes tanto en el rotor como en el estator, Fig. 1-4.

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FIG. 1-4. COMPRESOR AXIAL.

Los álabes del rotor están fijos a la flecha y giran con ella, mientras que los álabes del estator están fijos a la carcasa y su arreglo es tal que quedan en forma alternada o sea que un alabe del estator queda entre dos álabes del rotor, Fig. 1-5.

FIG. 1-5. DISPOSICIÓN DE LOS ÁLABES.

Los álabes del rotor actúan de igual forma que las aspas de un ventilador, y conforme giren obligan al gas a fluir hacia los álabes del estator, y al pasar por el espacio sobre entre los dos álabes el gas pierde velocidad aumentando su presión, o sea que el espacio entre los álabes actúa como un difusor. Las aspas del estator guían además el flujo de gas hacia los siguientes álabes del rotor y en cada juego de álabes del estator-rotor aumenta la presión del gas. Los álabes dentro de un compresor axial no son del mismo tamaño, pues cada vez son más pequeños, conforme se acerquen a la descarga. Esto es debido a que el gas del compresor es obligado a ocupar un volumen cada vez menor por efecto de habérsele aumentado su presión. 1.2.2.1 Principios de funcionamiento. Los compresores de flujo axial están constituidos de un número de etapas de álabes rotatorios que son arrastradas por la turbina (elemento motriz) y que giran entre las etapas de álabes estatores o fijos. Tanto los álabes rotatorios o del rotor como los álabes del estator o fijos, tienen formas de perfiles aerodinámicos y están montados de manera que forman una serie de pasos divergentes a través de los cuales el aire fluye en una dirección axial al eje de rotación.

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A diferencia de una turbina que también emplea álabes de rotor y álabes fijos de estator, el camino del flujo de un compresor axial disminuye en área de la sección transversal en la dirección del flujo, reduciendo el volumen del gas a medida que avanza la compresión de etapa a etapa y manteniendo constante la velocidad axial del gas a medida que la densidad aumenta a lo largo del compresor. La convergencia del paso anular del gas se consigue por medio de la conicidad del cárter o del rotor. También es posible una combinación de ambos. La siguiente figura nos muestra un compresor axial.

FIG. 1-6. ROTOR Y CARCASA DE COMPRESOR AXIAL.

El compresor centrífugo tiene las siguientes ventajas sobre el compresor axial: a)

Mayor robustez y, por tanto, mayor seguridad en la explotación.

b)

Menor número de etapas.

c)

Mayor facilidad de alojamiento de los sistemas de refrigeración intermedia.

d)

Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, en lo que respecta al problema de compresión del “surge”.

El compresor axial ofrece las siguientes ventajas con relación al compresor radial: a)

Mejor rendimiento.

b)

Para un mismo flujo másico y presión, mayor número de revoluciones.

c)

El turbocompresor axial tiene menor volumen, menor superficie frontal y menor peso para igualdad de flujo másico y de relación de compresión. Esta ventaja es excepcionalmente importante en aviación, e históricamente constituyó el estímulo para la evolución del turbocompresor axial con destino a los turborreactores; la ventaja se hace patente en el campo de las relaciones de compresión elevadas y grandes potencias; por esta razón, los turbocompresores de las turbina de gas de gran potencia suelen ser axiales y los de las turbina de gas de pequeña potencia, radiales.

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1.2.3 Compresores centrífugos. Un compresor centrífugo se puede definir como un equipo dinámico que imparte energía cinética o de velocidad a un gas y la convierte en energía de presión. En los compresores centrífugos, el desplazamiento del gas es esencialmente radial. El compresor consta de uno o más impulsores y difusores, el gas aspirado por el centro del impulsor, es impulsado por los álabes, debido a la fuerza centrífuga, hacia los canales del difusor. El difusor convierte la energía cinética en presión y guía al gas hacia el centro del próximo impulsor y así sucesivamente. 1.2.3.1 Principios de operación. Un cuerpo en movimiento tendería a desplazarse en línea recta si no existiese gravedad u otra fuerza que alterara el movimiento. Suponga una bola atada a un hilo o cuerda y que es puesta en movimiento, asumiendo que no existe gravedad y que la cuerda no tiene ningún efecto sobre la bola, ésta se movería en línea recta, Fig. 1-7.

FIG. 1-7. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN.

Si la se fija en un punto y se pone en movimiento, como se ve en la Fig. 1-8.

FIG. 1-8. INICIO DEL MOVIMIENTO CIRCULAR.

Al principio la bola se mueve en dirección del movimiento, pero cuando la cuerda se estira, esta deflexiona la bola, Fig. 1-9.

FIG. 1-9. DEFLEXIÓN DE LA BOLA AL INICIO DEL GIRO.

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Debido a la deflexión, la bola describe un arco, si la bola lleva suficiente energía continuara moviéndose en una serie de arcos o círculos, Fig. 1-10.

FIG. 1-10. MOVIMIENTO CON RESPECTO A UN PUNTO FIJO.

Sin embargo, en cada instante de la trayectoria la tendencia de la bola es viajar en una línea recta, pero existe la deflexión constante de la cuerda que la obliga a describir círculos. La cuerda realmente aplica una fuerza a la bola causando el movimiento circular, dicha fuerza esta dirigida hacia el centro del giro y se denomina “Fuerza Centrípeta”, si por alguna razón la cuerda se rompiera dejaría de ejercer esta fuerza y la bola saldría recta. La fuerza centrífuga, es la tendencia a jalar hacia fuera del centro de giro un cuerpo, o sea que actúa en sentido contrario a la fuerza centrípeta. Si un balín de acero es colocado cerca del centro de un disco que tiene aspas o álabes, Fig. 1-11.

FIG. 1-11. FUERZA CENTRIFUGA.

Cuando el disco comience a girar, uno de sus álabes obligará al balín a moverse, pero el balín tendera a moverse en línea recta, el resultado es la trayectoria mostrada en la Fig. 1-12.

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FIG. 1-12. TRAYECTORIA DE DESPLAZAMIENTO.

En este caso, la fuerza centrípeta no actúa y el balín es forzado a alejarse del centro por la acción de la fuerza centrífuga. Cuando el disco gira, el balín esta en contacto con el álabe. Si vemos la Fig. 1-13, nos daremos cuenta que el punto A recorrer una distancia más larga que el punto B, para cada revolución.

FIG. 1-13. VELOCIDAD EN LOS PUNTOS A Y B.

El punto A se mueve más rápido cuando el disco gira, de aquí que si un cuerpo es desplazado hacia afuera debido a la rotación del disco, tendrá una velocidad máxima cuando salga por el extremo del disco. El impulsor de un compresor esta construido de dos placas separadas por álabes, Fig. 1-14.

FIG. 1-14. CONSTRUCCIÓN DE IMPULSOR.

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Si el impulsor comienza a girar, los álabes obligan al gas a moverse, como las moléculas de gas tienden a moverse en línea recta y no existe fuerza centrípeta, la rotación hace que las moléculas se alejen del centro del impulsor y vayan adquiriendo velocidad, además el gas se opone al empuje de los álabes resultando un aumento en su presión, Fig. 1-15.

FIG. 1-15. MOVIMIENTO DEL GAS.

El impulsor aumenta la presión y la velocidad del gas. Los compresores que utilizan la fuerza centrífuga para impartir presión y velocidad a un gas son los centrífugos. La parte del compresor centrífugo que mueve el gas es el impulsor, Fig. 1-16. El cual al incrementar la velocidad del gas en la parte de su periferia crea una zona de baja presión en el ojo del impulsor, esta baja presión causa una succión que permite la entrada de más gas.

FIG. 1-16. OPERACIÓN DE UN IMPULSOR.

Cuando el gas sale del impulsor pasa por unos pasajes llamados “Difusor”. Cuando el gas entra al difusor, el impulsor no actúa directamente sobre este gas, Fig. 1-17.

FIG. 1-17. DIFUSOR.

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Puesto que el tamaño del difusor es mayor al tamaño del impulsor y este no actúa sobre el gas que esta en el difusor, la velocidad del gas disminuye aumentando la presión, o sea, que el difusor convierte la velocidad del gas en presión. Del difusor el gas pasa a la voluta, donde continúa la conversión de velocidad en presión, Fig. 1-18.

FIG. 1-18. CARCASA TIPO VOLUTA.

Así pues, un compresor centrífugo genera trabajo sobre un gas impartiéndole velocidad y presión. El compresor de la Fig. 1-19 es de cuatro pasos, por lo que tiene cuatro impulsores separados, cada impulsor y difusor forman lo que se llama un paso o etapa.

FIG. 1-19. IMPULSORES Y DIFUSORES.

El gas entra al primer impulsor y recibe velocidad y presión, esa velocidad es parcialmente convertida en presión en el difusor, posteriormente el gas se introduce al ojo del segundo impulsor y así sucesivamente, cada impulsor aumenta la energía del gas, obteniéndose con este tipo de arreglo mayores incrementos de presión. Siendo el trabajo total, la suma de los trabajos de cada impulsor hecho sobre el gas.

1.3 DESCRIPCIÓN CENTRÍFUGO.

DE

LAS

PARTES

DE

UN

COMPRESOR

1. Carcasa. Existen dos tipos de carcasas en los compresores centrífugos, carcasas verticalmente abiertas y carcasas horizontalmente abiertas, la Fig. 1-20 muestra un compresor cuya carcasa es de abertura vertical.

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FIG. 1-20 CARCASA VERTICALMENTE DIVIDIDA.

Algunas carcasas de este tipo tienen solamente una tapa removible, siendo el extremo opuesto parte de la misma carcasa. Puesto que la carcasa esta construida para evitar fugas a través de ella, las juntas por donde podría escapar el gas se encuentran solamente en los extremos, mientras que en las carcasas de abertura horizontal, la junta es mucho mayor y esta a los largo de toda la carcasa, Fig. 1-21.

FIG. 1-21. ENSAMBLE DE CARCASAS.

Existen algunos gases tales como el Hidrógeno que son extremadamente difíciles de contener, por lo que se utilizan compresores de abertura vertical para disminuir las posibilidades de fugas. Cuando se requiere facilidad de acceso a los componentes internos de una maquina se prefiere que esta sea de carcasa horizontalmente dividida.

2. Impulsores. La parte que aumenta la velocidad de un gas dentro de un compresor centrífugo se llama impulsor, existen tres tipos básicos de impulsores: Abierto. Se usa para altas presiones de descarga en compresores de una sola etapa, Fig. 1-22.

FIG. 1-22. IMPULSOR ABIERTO.

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Semicerrado. Usados para grandes flujos, generalmente en un solo paso, o como primer paso de compresores multietápicos, Fig. 1-23.

FIG. 1-23. IMPULSOR SEMICERRADO.

Cerrado. Usado ampliamente en compresores multietapicos, Fig. 1-24.

FIG. 1-24. IMPULSOR CERRADO.

Los impulsores están fijos y giran con la flecha del compresor y deben estar perfectamente balanceados para evitar vibraciones que perjudiquen a la maquina, Fig. 1-25.

FIG. 1-25. MONTAJE DE UN IMPULSOR.

3. Diafragmas. Un compresor centrífugo multietápico contiene diafragmas, estos están colocados entre los impulsores, Fig. 1-26. Algunos diafragmas son enfriados con algún líquido el cual circula dentro de ellos y sirve como enfriamiento interno del gas en el compresor.

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FIG. 1-26. VISTA DE LOS DIAFRAGMAS EN UN COMPRESOR MULTIETÁPICO.

4. Difusor. Las paredes adyacentes a los diafragmas forman unos pasajes llamados difusor. En la Fig. 1-27 se observa a detalle el montaje del rotor en los diafragmas, el difusor y los pasajes de intercomunicación.

FIG. 1-27. DIAFRAGMAS Y DIFUSORES.

5. Aspas guías. Las aspas guías pueden ser permanentes o reemplazables y están colocadas a la entrada del ojo de cada impulsor, y sirven para guiar el gas dentro del ojo del impulsor, Fig. 1-28. Las aspas guía pueden ser ajustables en el primer paso de compresión y con ello controlar la capacidad de un compresor, en algunos casos su ajuste es automático para mantener el compresor dentro de su rango de operación.

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FIG. 1-28. ASPAS GUÍAS.

6. Sellos. La flecha del rotor pasa a través de los diafragmas sin estar en contacto con ellos, como el gas fluye de la succión a la descarga de un impulsor su presión aumenta a la salida de cada impulsor, esta presión tendería a pasar a la región de baja presión por el espacio entre la flecha y el diafragma; para evitar esto, se deben usar sellos. El tipo de sello más usado en este tipo de compresores es el sello de laberinto, Fig. 1-29. Sellos de laberinto

Diafragmas

Flecha Impulsores

FIG. 1-29. DETALLE SELLO DE LABERINTO.

El sello de laberinto es un anillo de metal con dientes o peines que rodean la flecha pero sin tocarla, y hechos de un metal suave como es el aluminio o sus aleaciones, para que en caso de un rozamiento accidental, la flecha no se raye. Los espacios entre los dientes forman un pasaje laberíntico, que cuando entra gas en él, este cambia de dirección y reduce su velocidad, esta turbulencia resultante se opone al flujo, pero no evita el 100% de las fugas, Fig. 1-30.

FIG. 1-30. SELLO DE LABERINTO.

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En el caso de gases a alta velocidad, el laberinto prácticamente no cambia la dirección del flujo de gas, por lo que no se forma turbulencia aumentando la fuga de gas a través del sello, como se ve en la Fig. 1-31.

FIG. 1-31. GAS DE ALTA VELOCIDAD FUGANDO POR EL SELLO DE LABERINTO.

Para evitar esto se utilizan sellos de laberinto de ensamble Fig. 1-32, en este caso, la flecha tiene ranuras o canales que ensamblan en los dientes del sello de laberinto, eliminándose el paso directo del gas a alta velocidad, forzándose la generación de turbulencias y cambios de dirección. De esta manera el sello es más eficiente, pero no evita el 100% de las fugas.

FIG. 1-32. SELLO DE ENSAMBLE.

Este tipo de sello se usa donde son aceptadas pequeñas fugas, tal como es el caso de sellos de interetapa donde la diferencia de presión entre los gases es suficientemente pequeña para permitir que el laberinto sea efectivo. Cuando los sellos están en los extremos de la flecha y comunicados a la atmósfera, la fuga que permiten los sellos descargaría a la atmósfera si la presión dentro del compresor es mayor que esta, Fig. 1-33.

FIG. 1-33. SELLOS EXTERNOS DE UN COMPRESOR.

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Si el gas que maneja el compresor es peligroso o tóxico, no se puede permitir su fuga a la atmósfera, en este caso la fuga del sello es desviada para evitar su salida a la atmósfera, su desvió se obtiene por medio de un orificio colocado en el sello entre el gas de proceso y la atmósfera, Fig. 1-34.

FIG. 1-34. GAS DE REFERENCIA.

Generalmente se hace que en el orificio la presión sea menor que la atmósfera para que todo el gas que fugue salga por él y no salga hacia la atmósfera. En el sello de la Fig. 1-35 por el orificio se introduce un gas inerte, con una presión mayor que la presión interna del compresor, esto ocasiona que el gas dentro del compresor no salga a la atmósfera, pero una pequeña cantidad de gas inerte entre a través del sello hacia el interior del compresor y otra fugue hacia la atmósfera como gas inerte que es inocuo.

FIG. 1-35. SELLO CON ENTRADA DE GAS INERTE.

El dibujo de la Fig. 1-36 muestra unos sellos del tipo de anillo restrictivo, los cuales están hechos de un material de baja fricción como el carbón. Los anillos pueden ser de una pieza reforzada por una banda de acero o segmentados y unidos por un resorte opresor.

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FIG. 1-36. SELLO DE ANILLO RESTRICTIVO.

En la Fig. 1-37 se ve una flecha con sello de anillos restrictivos, los cuales se mantienen en su posición por medio de anillos prense que son estacionarios y no están en contacto con la flecha.

FIG. 1-37. ARREGLO DE SELLO RESTRICTIVO.

Este tipo de anillos pueden ser sellados con gas inerte y pueden ser usados además junto con sellos de laberinto para reducir las fugas.

7. Sellos de contacto de película liquida. Los compresores centrífugos requieren sellos para evitar que los gases se escapen por donde la flecha sale de la carcasa del compresor. El tipo más común de arreglo de sellado en compresores, es mediante dos sellos, uno en cada extremo del compresor, estos sellos usan aceite, el cual circula a alta presión entre tres anillos alrededor del eje del compresor, formando una barrera contra las fugas de gas comprimido, Fig. 1-38. El anillo central está sujeto a la flecha, mientras que los dos anillos en cada extremo son estacionarios en la envoltura del sello, colocados contra una película fina de aceite entre los anillos para lubricar y actuar como barrera contra fugas. Los aro-sello de hule evitan las fugas alrededor de los anillos estacionarios. Muy poco gas escapa a través de la barrera de aceite; el aceite absorbe más gas por la alta presión en la interfaz de aceite/gas en el sello del lado interno del compresor, por lo que el aceite se contamina. El gas absorbido en el aceite se separa usando calentadores, tanques de evaporación u otras técnicas de desgasificación y se recircula hacia el cárter de aceite. El gas comúnmente se envía a los sistemas de desfogue.

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FIG. 1-38. SELLO DE PELÍCULA.

Cuando la parte móvil toca la parte estacionaria de un sello, el sello se denomina de contacto, en este tipo de sello las fugas se evitan precisamente por este contacto. La rugosidad produce fricción y la fricción genera calor, por lo que la mayoría de los sellos de contacto deben estar lubricados para reducir la fricción y eliminar el calor generado. Los sellos de contacto son efectivos hasta presiones de 70 kg/cm2, tienen dos asientos, uno fijo y el otro rotatorio, Fig. 1-39. En este caso los asientos están separados por un anillo de carbón.

FIG. 1-39. SELLO DE CONTACTO.

En este caso los asientos están separados por un anillo de carbón. Para sellar presiones hasta de 700 kg/cm2 se usan sellos de película liquida, Fig. 1-40.

1-26

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Compresores dinámicos Entrada de aceite de sellos Manga interna

Manga externa Sello de laberinto

Salida de aceite contaminado a trampas

Salida de aceite de sellos limpio

FIG. 1-40. SELLO DE PELÍCULA LÍQUIDA.

Para evitar las fugas la presión del aceite en el sello debe ser ligeramente superior a la del gas, y puesto que la presión del gas puede variar, la presión del aceite también debe variar, esto se controla con un el arreglo como el de la Fig. 1-41.

FIG. 1-41. SISTEMA CON TANQUE ELEVADO.

Para los sellos de película liquida se requiere un suministro constante de aceite limpio a presión, existiendo una fuga constante de aceite hacia adentro del compresor, esta fuga se restringe con el uso de anillos distribuidores que eliminan el exceso de aceite evitando una fuga considerable, Fig. 1-42. Además la fuga de aceite es conducida por medio de tuberías hacia trampas recolectoras de aceite contaminado con el gas de trabajo.

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1-27

Compresores dinámicos Entrada de aceite de sellos Rodamientos

Anillo distribuidor

Flecha

Salida de aceite

FIG. 1-42. ANILLO DISTRIBUIDOR EN LOS SELLOS DE PELÍCULA.

Cuando hay demasiado flujo de aceite contaminado hacia las trampas, indica que el sello esta defectuoso. Los sellos de película liquida frecuentemente se usan en combinación con sellos de laberinto y gas de amortiguación (normalmente es el mismo gas de trabajo) para aumentar la presión en la zona del sello. En el caso de gases como él oxigeno, que al mezclarse con el aceite forman mezclas explosivas, para lubricar los sellos debe usarse otro líquido que no sea aceite.

8. Sellos Secos. Una alternativa al Sistema tradicional de sellos de película (de aceite) es el sistema de sellos mecánicos secos. Este sistema de sello no usa ningún aceite circulante de sellado. Los sellos secos operan mecánicamente bajo la fuerza opuesta creada por las ranuras hidrodinámicas y la presión estática. El uso de sellos secos se ha incrementado mucho en los últimos 20 años, con casi el 90% de los compresores centrífugos utilizando este sistema. Como se muestra en la Fig. 1-43, las ranuras hidrodinámicas están grabadas en la superficie del anillo giratorio sujeto al eje del compresor. Cuando el compresor no está girando, el anillo estacionario en la envoltura del sello está presionado contra el anillo rotatorio por medio de resortes. Cuando el eje del compresor gira a alta velocidad, el gas comprimido tiene solo un camino para fugarse por el eje, que es entre los anillos giratorios y los estacionarios. Este gas es impulsado entre los anillos, mediante las ranuras del anillo giratorio. Anillo rotatorio Anillo estacionario

Lado compresor

Flecha

Fuga de gas Lado exterior

FIG. 1-43. OPERACIÓN DE UN SELLO SECO.

1-28

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Compresores dinámicos

La fuerza opuesta la proporciona el gas inerte de sello a alta presión que se hace circular entre los anillos y los resortes tratando de empujar los anillos entre sí, crea un espacio demasiado delgado entre los anillos a través del cual puede fugarse un poco de gas. Mientras el compresor está funcionando, los anillos no están en contacto entre sí, y por lo tanto, no se desgastan ni necesitan lubricación. Los aros del ellos, sellan los anillos estacionarios en la caja del sello. Existen varios arreglos del sistema de sellos secos, el arreglo mas común es el de tandem, el cual consiste en un sello primario y un sello secundario, contenidos en un mismo cartucho. Durante la operación normal el sello primario absorbe la fuga total del sistema y el sello secundario es el respaldo del sello primario en caso de falla de este. La fuga interna del gas de proceso en este sistema es disminuida por medio de un sello de laberinto y por el gas de sello, la fuga externa de gas de sellado hacia el sistema de aceite de lubricación es evitada por el sello de barrido y por el gas de barrido o separación, Fig. 1-44.

FIG. 1-44. ARREGLO DEL SELLO SECO.

El sistema de sellos secos requiere el suministro de un gas de sellado, el cual se suministra a presión por medio de otro sistema de compresión o de la descarga del compresor. Existen dos arreglos básicos para el control del sistema de sellos secos: por medio del control de la presión diferencial o por medio del control de flujo. Los sistemas de control de presión diferencial regulan el diferencial de presión entre el gas de sello y el gas de referencia o gas de proceso, manteniendo regularmente una presión del gas de sellado 10 lb/pulg2man, mayor que la presión del gas de referencia, esto se efectúa por medio de una válvula de control de presión diferencial. El sistema de control de flujo, regula el flujo de gas de sello al sello, controlando la fuga de gas a través del orificio del mismo, esto se efectúa por medio de una válvula de aguja o por medio de una válvula de control de presión diferencial, que monitorea la presión del gas que se fuga del sello. Ventajas de los sellos secos. Los sellos secos reducen significativamente las emisiones de gas de proceso. A la vez, reducen significativamente el costo de operación y mejoran la eficacia del compresor. Los beneficios económicos y ambientales de los sellos secos incluyen:

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1-29

Compresores dinámicos



Flujo de fuga de gas. Durante la operación normal, los sellos secos fugan con un flujo de 0.5 a 3 SCFM (pies cúbicos estándar por minuto) a través de cada sello, dependiendo del tamaño del sello y la presión de operación. Mientras esto es equivalente al flujo de fuga del sello húmedo en la cara del sello, los sellos húmedos generan emisiones adicionales durante la desgasificación del aceite circulante. El gas del aceite generalmente se envía a la atmósfera, lo que lleva a un flujo total de fugas por los sellos húmedos dobles de entre 40 a 200 SCFM, dependiendo del tamaño y la presión del compresor.



Mecánicamente más sencillo. Los sistemas de sellos secos no requieren sistemas de circulación de aceite de sellos ni instalaciones de tratamiento.



Reducido consumo de energía. Debido a que los sellos secos no tienen bombas ni sistemas de circulación de aceite, evitan las pérdidas de energía del equipo “parásito”. Los sistemas húmedos requieren de 50 a 100 kW por hora, mientras que los sistemas de sellos secos necesitan aproximadamente 5 kW de energía por hora.



Más confiabilidad. El porcentaje más alto de tiempo fuera de servicio para un compresor que usa sellos húmedos, se debe a problemas con los sistemas de sellos. Los sellos secos tienen menos componentes auxiliares, lo que hace que sean más confiables en general y se tenga menos tiempo con el compresor fuera de servicio.



Menor mantenimiento. Los sistemas de sellos secos tienen un costo menor de mantenimiento que los sellos húmedos porque no tienen piezas móviles relacionadas con la circulación de aceite (bombas, válvulas de control, válvulas de alivio, etc.)



Eliminación de las fugas de aceite de los sellos húmedos. Al sustituir los sellos secos por los sellos húmedos, se eliminan las fugas de aceite al sistema, por lo tanto, se evita la contaminación del gas y la degradación de las tuberías.

9. Rodamientos o chumaceras. Un compresor esta construido de tal forma que sus partes móviles tienen unas tolerancias muy pequeñas que permiten la libre rotación de la flecha e impulsores, pero no debe haber otro tipo de movimiento. El movimiento de una flecha puede ser de tres tipos diferentes, de rotación, axial o radial. La velocidad de giro es el movimiento deseado en una flecha sin embargo siempre viene acompañada de dos movimientos no deseados uno horizontal o de desplazamiento y otro vertical o de vibración, Fig. 1-45.

FIG. 1-45. TIPOS DE MOVIMIENTO QUE SE PRESENTAN EN UNA FLECHA.

Este tipo de movimientos se minimizan con las chumaceras o rodamientos axiales y radiales respectivamente hasta ciertos límites. El movimiento axial es el que se realiza en sentido longitudinal de la flecha y puede ser causado por el empuje del gas a alta presión sobre las paredes de los impulsores.

1-30

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Compresores dinámicos

El movimiento radial, es cuando la flecha gira fuera del centro causando una vibración de arriba hacia abajo o hacia los lados, y es debido a impulsores mal balanceados. Los rodamientos son para soportar la flecha con el mínimo de fricción y permitir su libre rotación evitando el movimiento axial o radial. En la Fig. 1-46 se muestra una chumacera que evita el movimiento radial, pero no el movimiento axial.

FIG. 1-46. CHUMACERA RADIAL.

Para reducir el movimiento axial se usan chumaceras de empuje, Fig. 1-47. Entrada de aceite de lubricación

Superficie estacionaria de carga

Zapatas de carga

Placa de carga

Flecha

FIG. 1-47. CHUMACERA AXIAL O DE EMPUJE.

En este tipo de chumaceras la flecha puede girar libremente y puede tener movimiento radial reduciendo el desplazamiento axial. Normalmente en las maquinas se usan los dos tipos de chumaceras para disminuir movimientos indeseables que puedan causar vibración o daños al compresor. Las superficies de contacto de las chumaceras están hechas de un metal de baja fricción como el babbitt y deben estar lubricadas con una película de aceite a presión para asegurar un flujo adecuado de este y evitar calentamiento por fricción. En la Fig. 1-48 se muestra una chumacera de almohadillas o placas oscilantes, donde el aceite es atrapado y obligado a formar cuñas de aceite entre la flecha y la placa.

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1-31

Compresores dinámicos

FIG. 1-48. LUBRICACIÓN DE CHUMACERA RADIAL.

Viendo nuevamente un rodamiento axial, también conocido como de empuje (Fig. 1-49), notamos que la placa de carga gira con la flecha y que el movimiento axial es evitado por las zapatas de carga, el rodamiento es lubricado por aceite de baja presión, quedando la placa de carga en operación normal, separada de las zapatas de carga por una delgada película de aceite que reduce la fricción y elimina el calor generado. En los compresores centrífugos los sellos están colocados generalmente entre la zona de alta presión del gas y los rodamientos.

FIG. 1-49. ZAPATAS DE CARGA DE RODAMIENTO DE EMPUJE.

10. Tambor de balance (pistón de balance). Comparando la presión en cada lado del ensamble del rotor de la Fig. 1-50, vemos que la presión en el lado de la descarga es muy superior a la presión del lado de la succión. Fuerza de empuje de la succión

Rotor

Fuerza de empuje de la descarga

Succión Descarga

FIG. 1-50. BALANCE DE FUERZAS EN UN COMPRESOR.

1-32

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Compresores dinámicos

Esta diferencia de presión causa un esfuerzo axial que tiende a mover todo el rotor hacia el lado de la succión. En compresores pequeños esta tendencia al movimiento axial puede ser evitada mediante el uso de rodamientos de empuje, pero en el caso que sea muy grande se deben usar cámaras o tambores de balance, igualando la presión de operación de los sellos de los extremos por medio de la línea de balance, Fig. 1-51.

FIG. 1-51. TAMBOR DE BALANCE Y LÍNEA DE BALANCE.

La cámara de balance esta fija a la flecha en el lado de la descarga del compresor, un lado de la cámara esta comunicado a la succión de la maquina, a través de la línea de balance, y el otro lado esta expuesto a la presión de descarga, que empuja la cámara de balance en dirección de la descarga de la maquina. Refiriéndonos a la Fig. 1-52, vemos que los impulsores causan un empuje axial en dirección al lado de la succión debido a la presión de descarga, pero esa misma presión es aplicada a la cámara de balance en dirección opuesta, dando como resultado que ambas fuerzas se equilibren una a la otra anulándose el empuje axial en uno u otro sentido.

FIG. 1-52. EQUILIBRIO DEL MOVIMIENTO AXIAL A TRAVÉS DEL TAMBOR Y LÍNEA DE BALANCE.

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1-33

Compresores dinámicos

La línea de balance debe estar siempre abierta para evitar que el rodamiento de carga se destruya por una sobrecarga. Puesto que el tambor de balance esta comunicado a la succión, los sellos en ambos extremos de la maquina operan a la presión de succión. En la Fig. 1-53 se muestra la ubicación del tambor de balance en un compresor centrífugo. Descarga Succión

Seguro anular

Diafrag mas Chumacera radial Gas de sello Sello

Anillo rompedor Seguro anular Chumacera axial Disco de empuje Chumacera radial

Tambor de balance Impulsores Difusores

Gas de sello Sello Carcasa

FIG. 1-53. COMPONENTES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO.

1.4 SISTEMAS AUXILIARES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO. 1.4.1 Sistema de lubricación. La lubricación para este tipo de compresores generalmente es proporcionado a presión, si la presión baja, la lubricación a los rodamientos se suspende y puede dañarse la maquina. Los sistemas de lubricación proporcionan en forma continua aceite limpio, con presión suficiente y frió, para la lubricación de toda la maquina, en la Fig. 1-54 se muestra un sistema típico para estos compresores. Aquí, el aceite es almacenado en un recipiente y de ahí se circula hasta los rodamientos por una bomba principal. Como disminuye la viscosidad del aceite cuando se calienta, no puede mantener una película protectora entre las partes metálicas en movimiento, de aquí que debe enfriarse antes de pasar a los rodamientos. El enfriamiento no debe ser muy severo para no incrementar la viscosidad y el aceite fluya adecuadamente. Después de pasar por el enfriador, el aceite se filtra para eliminar cualquier impureza sólida que pudiese rayar las chumaceras o provocar taponamientos en los conductos de lubricación. En caso de que se tape un filtro o un enfriador, o que se pare la bomba de aceite, el compresor debe pararse de inmediato para evitar daños por falta de lubricación.

1-34

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Compresores dinámicos

LG

PDIS Enfriadores de aceite

Filtro

PS PI

PC FO

RTD

FO

TI

PS

PI

PI

Filtro

VÁLVULA DE CONTROL

TI PS

Agua de Enfto.

PI

G PC

PSV PI PS

M

TI

GA N2

PSV

PI

PI

Solenoide

F A

A.I.

T

PI

GA

RTD

RTD

LC

FG

FG

FG FG

FG

FG FG

FG

FG

FG FG

FG

VAPOR PSV Solenoide

PI T GA

PI

A.I.

VAPOR

Bombas de aceite

LG

LS LS 235

GA

FIG. 1-54. SISTEMA DE LUBRICACIÓN DE UN COMPRESOR.

Normalmente se tiene un filtró y un enfriador de relevo para ser usados en caso de una emergencia por taponamiento de alguno de ellos, Fig. 1-55.

FIG. 1-55. FILTROS Y ENFRIADORES DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN.

Puesto que el sistema debe pararse si falla el sistema de lubricación, algunas maquinas tienen una bomba principal que gira con la flecha de esta o por medio de un equipo motriz, y una auxiliar que entra en operación en emergencias y durante el periodo de arranque.

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1-35

Compresores dinámicos

Como parte del sistema de protección, normalmente se tiene una alarma que actúa cuando baja la presión de lubricación y un disparo que para la maquina si la presión del aceite baja del límite permisible.

1.4.2 Sistemas de enfriamiento. En el proceso de compresión se calientan los gases, y entre mayor sea la relación de compresión “R” de una maquina el gas se calentara más. En los casos de compresores multi-etápicos, muchas veces es necesario enfriar el gas y se puede hacer en varios puntos, uno de ellos es dentro de la misma maquina, donde el agua de enfriamiento pasa dentro de los diafragmas, enfriando los diferentes pasos de compresión, Fig. 1-56.

FIG. 1-56. DIAFRAGMAS ENFRIADOS.

Otro sistema de enfriamiento consiste en enfriar el gas fuera del compresor, utilizando ya sea ínter enfriadores, Fig. 1-57, que enfrían el gas entre paso y paso o post-enfriadores que enfría el gas en la descarga de la maquina, Fig. 1-58.

FIG. 1-57. INTERENFRIADOR.

1-36

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Compresores dinámicos

FIG. 1-58. POSTENFRIADOR.

1.4.3 Elemento motriz. La velocidad en los compresores centrífugos puede variar entre 3000 y 50,000 RPM, o sea que su rango de velocidad de trabajo varia ampliamente. Un compresor que trabaje a 3000 RPM se considera de baja velocidad y de 10,000 RPM en adelante de alta velocidad. Los motores eléctricos pueden ser usados como elementos motrices acoplados directamente a compresoras de baja velocidad, ya que su velocidad máxima es de 3,600 RPM, para ser usados en maquinas de alta velocidad es necesario utilizar incrementadores de velocidad que son normalmente trenes de engranes, Fig. 1-59. Otro tipo de elementos motrices para maquinas de alta velocidad son las turbinas de vapor o de gas, que pueden acoplarse directamente al compresor.

Incrementador de velocidad Compresor Motor eléctrico FIG. 1-59. ELEMENTO MOTRIZ DE UN COMPRESOR.

1.4.4 Sistemas de seguridad. Los motores eléctricos de los compresores centrífugos deben estar protegidos contra sobrecargas que pueden causar sobrecalentamiento o el quemado del motor, los sistemas de seguridad pueden ser de tipo termostático que a cierta temperatura paran el motor, o magnéticos que cuando el consumo de corriente llega a un limite, se bota el sistema y para el motor. Una turbina requiere de un gobernador para mantener la velocidad de trabajo, controlar el suministro de combustible en una turbina de gas, o la entrada de vapor en una turbina de vapor. La válvula de estrangulamiento la mueve un servo-motor que recibe señales del gobernador, si la turbina se acelera el servo-motor cierra la válvula de admisión y si se desacelera la abre, Fig. 1-60.

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1-37

Compresores dinámicos

FIG. 1-60. SISTEMA DE GOBIERNO DE UNA TURBINA DE VAPOR.

Algunas turbinas tienen acoplado un generador eléctrico, donde los cambios en voltaje corresponden a los cambios de velocidad, estos cambios de voltaje se utilizan en un control piloto que actúa sobre la válvula de estrangulación. Si un compresor centrífugo pierde carga bruscamente, y esta operado por una turbina, esta se acelera rápidamente, en esta situación el gobernador debe responder lentamente para evitar daños al compresor o a la turbina, además el gobernador puede fallar por diversas causas, como las impurezas en el vapor que bloqueen la válvula de estrangulación, o deficiencias en su sistema hidráulico, en este caso es necesario un mecanismo que pare la turbina por exceso de velocidad. Los dispositivos mínimos de protección con los que debe de estar equipado cualquier compresor centrífugo son: Protección por

Alarma

Disparo

Baja presión de aceite de lubricación.

X

X

Baja presión diferencial de aceite de sellos.

X

X

Bajo nivel de aceite en la consola.

X

Alta presión diferencial en los filtros.

X

Alta temperatura del aceite a la salida de los enfriadores

X

Alta temperatura en las chumaceras del compresor.

X

X

Alta vibración y desplazamiento en el compresor

X

X

Además podrá estar equipado con otros dispositivos de protección cuando se especifiquen.

1-38

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Compresores dinámicos

1.5 DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS. 1.5.1 Curvas de comportamiento de los compresores centrífugos. En las curvas de comportamiento dimensional, se muestra en el eje de las abscisas el flujo volumétrico manejado por el compresor y en el eje de las ordenadas la relación de compresión (PD/PS), la carga isoentropica (HISOENT) o la presión de descarga (PD), para presión de succión (PD) constante, como se muestra en la Fig. 1-61. Cada curva esta limitada por la curva de “surge”, al interceptarse las líneas a la curva de “surge”, determinan los límites de estabilidad. Dado que el gas es compresible, el volumen a la salida del compresor es menor que la entrada, debido al incremento de presión.

PD

Curva de “surge” (límite de estabilidad)

PD/PS ó HISOENT.

Líneas de potencia (HP)

Líneas de velocidad (N)

Flujo (CFM, MMSCFD ó m3/min) FIG. 1-61. CURVAS DE COMPORTAMIENTO DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO.

En la Fig. 1-62 se grafican las curvas típicas de comportamiento dimensional para las condiciones operativas del compresor centrífugo; en el eje de las ordenadas se indica la presión de descarga (PD), la relación de compresión (PD/PS) o la carga isoentrópica (Hisoent), contra el flujo volumétrico en el eje de las abscisas. Para cada curva de velocidad de operación, se obtienen las líneas de potencia constante limitadas al interceptarse a la línea del límite de estabilidad o línea de “surge”.

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1-39

(límCurva ite de de “su est rg abi e” lida d)

Compresores dinámicos

FIG. 1-62. CURVAS TÍPICAS DE UN COMPRESOR.

1.5.2 Definición y ubicación de los puntos de operación y de “surge”. Frecuentemente es necesario usar el compresor a cargas (flujos) menores que el valor para el cual fue diseñado. Si el flujo se reduce suficientemente, el compresor entra en una región de inestabilidad, llamada zona de “surge”. El valor del flujo donde comienza la inestabilidad se llama punto de vacío o punto de “surge”. El vacío o “surge” es una oscilación de todo el flujo en el compresor y en las tuberías. Esta oscilación hace que el rotor se sacuda, golpeando los cojinetes de empuje, lo cual en casos extremos, puede dañarlos o destruirlos. Este fenómeno de “surge” está relacionado con la característica real del compresor, Fig. 1-63.

1-40

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Presión

Compresores dinámicos Pu nto s

de

op era ció n

FIG. 1-63. PUNTOS DE OPERACIÓN DE UN COMPRESOR.

Supongamos que un compresor funciona a velocidad constante en cierto punto A en el lado creciente de la curva característica (línea CE). Si el flujo del compresor se reduce a B, lo cual se consigue cerrando un poco la válvula de descarga del compresor, la operación sigue estable porque aunque se produce un aumento de presión en la línea de descarga debido a la restricción, la presión del compresor es mayor en B que en A y puede vencer la resistencia. Cuando el compresor está operando en C, cualquier reducción de flujo ocasiona menor presión en el compresor que en el sistema. En ese caso, el flujo cambia de dirección (sentido inverso), el cual lleva el punto de operación a cero caudal (punto D), con lo que la línea de descarga del compresor se alivia y reduce su presión, provocando con esto daños severos en el compresor. El punto de “surge” representa el límite de bajo flujo dentro de los parámetros de operación del compresor. El área de alto flujo – baja eficiencia dentro de los parámetros de operación del compresor, es conocida como “stonewall”.

1.5.3 Sistemas de control “antisurge”. Un compresor conectado a un sistema de gran capacidad con una elevada demanda de gas, cuando el compresor se arranca, la alta demanda de gas produce una resistencia muy baja en la descarga de la maquina, lo que provoca que la capacidad del compresor sea alta al principio. Conforme se descarga y se va llenando de gas el sistema, las necesidades de capacidad del compresor se reducen, y si el sistema no usa el gas tan rápidamente como el compresor lo descarga, la presión en el sistema aumentará. Rev. 0

1-41

Compresores dinámicos

Al aumentar la presión en el sistema, también aumenta la resistencia a la descarga de la maquina, provocando la disminución de la capacidad de ella. Además el compresor debe efectuar un trabajo mayor sobre el gas para poder descargarlo a la presión del sistema. Si este efecto es continuo, llega un momento en el que la presión del sistema detiene el flujo, y la presión dentro del compresor se hace menor que la del sistema invirtiendo el flujo del sistema hacia el compresor. Este rápido flujo inverso, se conoce como “surge” o inestabilidad, y produce severas vibraciones en el compresor y golpes en el check que pueden causar serios daños a la maquina. Un compresor también entra a operar en “surge”, cuando el flujo de gas de succión baja del nivel mínimo establecido. A partir de 1965 se han desarrollados nuevas estrategias de control para prevenir el fenómeno de inestabilidad o “surge” en los compresores centrífugos de velocidad variable. La estrategia más común ha sido el esquema de flujo/∆P, llamado a si por que se basa en la medición de flujo de succión y de la presión diferencial (∆P) a través del compresor (presión de descarga menos presión de succión (PD-PS). Sin embargo, esta configuración básica varía de una aplicación a otra, ya que depende de las propiedades físicas del gas de succión durante la operación normal (temperatura, peso molecular, etc.) y de las posibles tendencias a cambiar de estas últimas. Históricamente, los ingenieros de control han seleccionado la instrumentación más rápida y precisa disponible en el mercado, debido a las características del fenómeno del “surge”. Se puede utilizar diferentes alternativas para prevenir el “surge”, Fig. 1-64.

FIG. 1-64. ARREGLOS DE CONTROL “ANTISURGE”.

Las alternativas más comunes son: 

Reducir la resistencia en el cabezal de descarga, la cual reduce la relación de compresión (recirculación del gas de descarga a la succión o desfogar el gas).



Variar la velocidad de la turbina.



Variar la posición de las paletas guía de entrada (IGV) (si es posible).

El método más comúnmente utilizado es la recirculación de gas frió de la descarga a la succión ya que reduce la presión estática en la línea de descarga, a la vez que aumenta el flujo a través del compresor, lo cual mantiene al compresor alejado de la línea de “surge”. 1-42

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Compresores dinámicos

Debido a que la línea de “surge” del compresor puede ser afectada por las variables y condiciones transitorias del proceso, el sistema de control debe ser capaz de acomodar cambios automáticamente o por lo menos en forma sencilla (cambiando una constante en una estación manual, etc.). La instrumentación convencional no puede responder fácilmente a cambios y el compresor puede entrar en “surge”, aun cuando el sistema de control este en perfectas condiciones de funcionamiento. El problema no es la estrategia de control, si no que los cambios en las condiciones del gas puedan hacer que las líneas de “surge” se mueva a la derecha, haciendo al compresor más susceptible al “surge” sin que el sistema de control pueda detectarlo. 1.5.3.1 Control “antisurge” basado en el esquema flujo/∆p. Como se mencionó anteriormente, la mejor estrategia de control “antisurge” para una aplicación en particular debe ser capaz de responder automáticamente a todos los cambios esperados en el proceso y al mismo tiempo proteger la maquinaria en caso de haber oleaje debido a un mal funcionamiento en el sistema de control (falla segura). El lazo de control puede ser basado en un sencillo esquema flujo/∆P, en un sistema mas complicado con compensación por temperatura y/o gravedad especifica, en compresores que funcionan en serie o en paralelo. La estrategia de control “antisurge” flujo/∆P esta basado en la siguiente ecuación:

P  Kh  b Donde:

P  Presión de descarga menos presión de succión. h  Presión diferencial a través de un orificio en la línea de succión. k  Constante de proporcionalidad. b  Bias para igualar el origen de la línea de inestabilidad (“surge”).

La medición de flujo por medio de presión diferencial (h) se hace en la succión, debido a que las curvas de los compresores están basadas a las condiciones de la succión. La ecuación anterior, indica que la medición del flujo en el orificio por medio de la caída de presión a través del mismo, multiplicado por la constante k en la estación de relación, es el punto de ajuste remoto al “surge”, el cual opera la válvula de recirculación. La variable del proceso del controlador es la variación en la diferencia de presión entre la descarga y la succión, la cual es medida por el transmisor. En la práctica, la estación de relaciones ajustada para producir una línea de punto de ajuste, la cual estará alrededor del 10% más alta que la línea de oscilación (“surge”), justamente para estar en el lado seguro, Fig. 1-65.

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1-43

Compresores dinámicos

FIG. 1-65. ARREGLO DE UN SISTEMA TÍPICO DE CONTROL “ANTISURGE”.

Una importante consideración en sistemas “antioscilatorios” es el tamaño de la válvula de retorno del gas a la succión del compresor, ya que debe considerar dos puntos: a). Ser capaz de manejar el flujo a máxima velocidad y caída de presión disponible, de acuerdo a especificaciones. b). Ser capaz de manejar el flujo a mínima velocidad y caída de presión disponible de acuerdo a especificaciones. La válvula de recirculación debe permanecer cerrada durante la operación normal y abrir únicamente cuando el flujo alcanza la condición de oscilación. En otras palabras, el compresor esta normalmente a flujos mas altos que en el punto de ajuste del controlador. El controlador abre la válvula únicamente cuando el flujo empieza a alcanzar la condición de oscilación (“surge”), Fig. 1-66.

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Compresores dinámicos

FIG. 1-66. PANTALLA DE CONTROL “ANTISURGE”.

1.5.3.2 Problemas ocasionados cuando un compresor entra en “surge”. Generalmente cuando se presenta el “surge” en un compresor se puede oír un golpeteo con una frecuencia periódica de mas o menos un pulso por segundo o aun mayor. Mientras ocurre el “surge”, el gas que recircula a través del rotor continúa incrementando su temperatura debido al proceso de compresión. Si este gas recircula muchas veces, se calienta demasiado y el dispositivo de protección por temperatura de la descarga para el compresor. Si no hiciera esto, los sellos y chumaceras podrían arruinarse. Otro problema del “surge” se debe a los cambios en la dirección del empuje axial cuando la recirculación del gas se hace violenta. Si la recirculación de gas es muy violenta y rápida, puede producir cambios súbitos en la dirección del empuje axial que pueden destruir las chumaceras axiales. Una combinación de rotura de chumacera axial y de alta temperatura, sería catastrófica para el compresor. El compresor viene equipado con controles para evitar llegar a esta situación. El detector de “surge” controla la presión de descarga; si detecta cierto número de fluctuaciones periódicas de presión dentro de un intervalo de tiempo, lo considera “surge”. Esta oscilación es perjudicial para el compresor por las siguientes razones: a). La vibración del rotor puede dañar los sellos entre etapas. b). Los cambios de presión pueden dañar las chumaceras de empuje. c). Los cambios súbitos de carga pueden dañar también la turbina o motor. d). La recirculación del flujo aumenta la temperatura, empeorando el “surge”.

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1-45

Compresores dinámicos

1.5.4 Operación en serie y en paralelo. En la Fig. 1-67 dos compresores multi-etapicos están acoplados en serie, o sea que la descarga de uno alimenta la succión del otro.

FIG. 1-67. COMPRESORES EN SERIE.

En este caso la presión de entrada del segundo compresor es mayor que la del primero, incrementándose así la presión total de la descarga. En otras palabras, el acoplamiento en serie de compresores da como resultado el aumento en la presión de descarga. Los compresores también pueden ser acoplados en paralelo, Fig. 1-68, donde la succión y la descarga de ambas maquinas están acopladas a la misma línea.

FIG. 1-68. OPERACIÓN DE COMPRESORES EN PARALELO SIN VÁLVULA CHECK.

La operación de compresores en paralelo aumenta la capacidad total del sistema, pero no aumenta la presión de descarga. Cuando se conectan varios compresores acoplados en paralelo, si la presión de descarga de alguno se hace menor que la de los otros, esta presenta “Surge”, por lo que en este tipo de acoplamiento, todas las maquinas deben descargar a la misma presión, y deben estar protegidas con una válvula check para evitar el flujo inverso.

1-46

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Compresores dinámicos

1.5.5 Parámetros que afectan el comportamiento del compresor. 

Temperatura de entrada.

Operando el compresor a velocidad y flujo volumétrico constante, si la temperatura aumenta; el flujo másico y la carga disminuyen en proporción al aumento de temperatura. El coeficiente de flujo permanece igual; esto implica que la potencia disminuya en proporción directa a la disminución del flujo másico. Por lo consiguiente al aumento de temperatura la relación de compresión disminuirá. La carga tendrá un incremento en proporción directa a la temperatura de entrada. Al permanecer el flujo másico constante, el flujo volumétrico y la velocidad se incrementarán haciendo que la carga baje. Si la carga debe permanecer igual, la velocidad se incrementará; para mantener la misma presión de descarga, se deberá aumentar la carga y la velocidad. Los requerimientos de potencia podrán ser altos, como una función del incremento de carga y el cambio de eficiencia entre el punto de operación nominal y el tiempo.  Efecto de la presión de entrada. Operando el compresor a velocidad y flujo volumétrico constante, si la presión disminuye el flujo másico disminuye en la misma proporción por no cambiar el coeficiente de carga de entrada y la velocidad de operación. La relación de compresión permanece igual, si la presión de descarga disminuye en el mismo porcentaje que la presión de entrada; por otro lado si se mantiene la presión de descarga constante y la presión de succión baja, la relación de compresión se incrementa de tal forma, que la carga se incrementará.  Efecto del tipo de gas. Si el compresor opera a una velocidad y si el peso molecular disminuye, indicará que el flujo másico disminuirá, como el coeficiente de flujo de entrada y la velocidad no cambian, la carga permanecerá fija. Esto demuestra que la potencia requerida disminuirá, la relación de compresión disminuirá al igual que el peso molecular, así mismo la presión de descarga. Manteniendo la presión de descarga constante, la carga aumentará en proporción inversa al peso molecular. Por lo tanto el compresor deberá operar a la raíz cuadrada del incremento de carga. Si el flujo másico permanece constante, un incremento en velocidad deberá ser requerido a la misma lógica requerida de los efectos de la temperatura o presión.  Factor de compresibilidad. Si el factor de compresibilidad se incrementa y el flujo másico permanece constante, el flujo volumétrico de entrada se incrementará. Para una carga constante, la relación de compresión disminuye y la potencia permanece constante.  Efectos de la velocidad. A determinada velocidad donde se manejan valores máximos de coeficiente de flujo de entrada, el flujo volumétrico máximo de entrada es directamente proporcional a la velocidad.

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Compresores dinámicos

Para un incremento en la velocidad, se producirá un incremento en el flujo másico. La máxima carga, será proporcional al cuadrado de la velocidad, a la potencia requerida.  Efectos del flujo másico. Al aumentar el flujo másico, también se incrementa el flujo volumétrico; la carga es independiente del flujo másico por lo tanto el requerimiento de potencia será directamente proporcional al flujo másico.

1.6 PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN Y ANÁLISIS DE FALLAS DE COMPRESORES CENTRÍFUGOS. Esta sección del manual proporciona las instrucciones generales de operación de un compresor centrífugo. Para la operación de los compresores específicos, se debe consultar el manual de instrucciones de cada compresor. Se debe leer y entender esta sección del manual antes de la operación del equipo. Los compresores son diseñados para una operación segura y confiable cuando se usen y mantengan apropiadamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Un compresor es un equipo a presión con piezas móviles que pueden ser peligrosas. Los operadores y el personal de mantenimiento deben darse cuenta de esto y seguir las medidas de seguridad.

1.6.1 Operación normal La válvula check en la descarga de cada maquina evita el flujo inverso pero no evita el “surge” si el flujo a través de esa maquina se reduce. Para este caso, es necesario la instalación de líneas “anti-surge” en cada maquina. El operador continuamente debe revisar e inspeccionar sus compresores para asegurarse de que están trabajando normalmente. Se deben registra periódicamente las lecturas de los instrumentos que indican las condiciones de operación del compresor y su equipo auxiliar. Si todas las condiciones se mantienen constantes, se puede decir que el compresor está trabajando normalmente. Pero si hay variación en alguna, es síntoma de que algo anda mal y debe ser corregida de inmediato. Así por ejemplo, se sabe que la temperatura del aceite de lubricación debe mantenerse entre 50 y 65 °C, si sale de este rango, quiere decir que el enfriador de aceite no está trabajando apropiadamente, o que la bomba no está circulando suficiente aceite a través del sistema. Si hay caída de presión en el sistema de lubricación, esta puede indicar que el filtro está tapado, el reemplazo del elemento filtrante o limpieza del filtro debe hacerse cuando la diferencia de presión a través de él llegue a un valor predeterminado. Si una chumacera está gastada o quemada, puede producir también una caída de presión. La operación segura de un compresor depende del buen conocimiento que se tenga del equipo y de la naturaleza y comportamiento del gas que se comprime. Al formar los hidrocarburos mezclas explosivas con el aire, no se debe permitir que los hidrocarburos se fuguen a la atmósfera, ni que entre aire al compresor. 1-48

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Compresores dinámicos

Los líquidos no son compresibles y si llega líquido a un compresor este puede dañarse. Las partículas pequeñas de líquidos producen erosión en los internos del compresor. Un operador que realiza inspecciones periódicas y observa su equipo cuidadosamente, actuando rápidamente y realizando correcciones oportunas, mantendrá su compresor trabajando con eficiencia, economía y seguridad.

1.6.2 Procedimientos de arranque y paro. El procedimiento será ejecutado por el operador de los compresores (compresorista). En la descripción del procedimiento se usan textos de Advertencia, Precaución y Nota, para indicar las situaciones que requieran atención especial por el operador. ADVERTENCIA: Se usa la ADVERTENCIA (con texto en mayúscula, negritas y doble borde) para indicar la presencia de un peligro que puede causar lesiones personales severas, la muerte o daños substanciales al equipo si se ignora la advertencia. PRECAUCIÓN: Se usa la Precaución (con texto en minúsculas, negritas y borde sencillo) para indicar la presencia de un peligro que causará o puede causar lesiones personales menores o daños al equipo si se ignora la precaución. NOTA: Se usan las Notas (con texto en negritas y cursivas, sin bordes) cuando se hace referencia a otro procedimiento de operación, condición, etc. que es esencial observar o aclarar. 1.6.2.1 Precauciones generales. ADVERTENCIA RESULTARÁN LESIONES PERSONALES SI NO SE SIGUEN LOS PROCEDIMIENTOS INDICADOS EN EL MANUAL DE INSTRUCCIONES DEL FABRICANTE.     

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NUNCA opere un compresor por encima de las condiciones de régimen para las que fue diseñado. NUNCA arranque el compresor sin alinearlo. SIEMPRE corte el suministro de energía eléctrica al motor antes de realizar trabajos de mantenimiento al compresor. NUNCA opere el compresor sin los dispositivos de seguridad instalados. NUNCA opere el compresor con la válvula de descarga cerrada.

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Compresores dinámicos

1.6.2.2 Procedimiento de arranque. Actividad Revise el compresor y equipos auxiliares.

Desarrollo

Verif.

PRECAUCIÓN: La falta de piezas en el compresor o alguna partes de su sistema de control y protecciones puede provocar fallas en el equipo y daños materiales y/o personales. 1.

Revise y siga las recomendaciones de seguridad establecidas ____ para la operación del compresor.

2.

Verifique se halla instalado completamente el compresor, sus ____ sistemas auxiliares y de seguridad.

3.

Verifique se encuentren completos y operables los instrumentos, válvulas, accesorios y equipos auxiliares del ____ compresor.

Asegure la disponibilidad del gas a comprimir.

4.

Asegúrese de que se tiene la disponibilidad del gas a comprimir ____ con las condiciones de operación requeridas.

Purgue el gas del compresor.

PRECAUCIÓN: El gas atrapado en el compresor puede provocar sobrecargas al momento del arranque dañando sus partes mecánicas. 5.

Purgue el gas atrapado en el compresor para asegurarse que se mantenga descargado como sigue: 4.1. Verifique se encuentren bloqueadas las válvulas de succión ____ y descarga. ____ 4.2. Abra las purgas y venteos al desfogue.

Arranque el sistema de lubricación.

PRECAUCIÓN: Las fallas de operación en el sistema lubricación ocasionan daños a las partes mecánicas del compresor. 6. 7.

Verifique el nivel de aceite en el depósito, y en caso necesario ____ adiciónelo hasta el nivel normal de operación. ____ Alinee agua de enfriamiento al enfriador de aceite.

8.

Alinee el sistema de lubricación para ponerlo en operación.

____

9.

Mantenga bloqueado el sistema de aceite de sellos.

____

10. Energice el motor de la bomba de aceite de lubricación en el ____ CCM. 11. Arranque la bomba principal de aceite lubricante, mínimo 20 ____ minutos antes de arrancar el compresor.

1-50

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Compresores dinámicos

Actividad

Desarrollo

Verif.

12. Verifique las condiciones de operación del sistema de ____ lubricación. 13. Cuando alcance las condiciones normales de operación y no se ____ detecten anomalías, continúe con el procedimiento. Ponga en operación el sistema de enfriamiento.

ADVERTENCIA: LAS FALLAS EN LA OPERACIÓN DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO OCASIONAN CALENTAMIENTO EXCESIVO EN LAS PARTES DEL COMPRESOR, ASÍ COMO EN EL GAS QUE MANEJA, CON RIESGO DE EXPLOSIÓN CUANDO SE MANEJAN HIDROCARBUROS. 14. Alinee al agua de enfriamiento a los interenfriadores y enfriadores del sistema de compresión. En caso de sistemas de ____ enfriamiento con soloaires, póngalos en operación.

Arranque el compresor.

15. Después de haber mantenido la lubricación del compresor por un tiempo mínimo de 20 min, abra completamente la válvula de ____ “antisurge”. ____ 16. Cierre las purgas y venteos al desfogue. 17. Abra la válvula de descarga.

____

18. Abra la válvula de succión.

____

19. Alinee el sistema de sellos y verifique que se establezcan las ____ condiciones normales de operación de estos. ____ 20. Arranque el motor presionando el botón de arranque. Notas: En compresores movidos por turbina o motor de combustión interna, arranque el elemento motriz de a cuerdo a su procedimiento específico de arranque. PRECAUCIÓN: La operación a la velocidad crítica ocasiona vibraciones excesivas que dañan a las partes mecánicas del compresor. 21. Verifique que el elemento motriz alcance su velocidad normal de operación lo más rápido posible, y no se detenga operándolo ____ a la velocidad crítica. ____ 22. Verifique se incremente la presión de descarga del compresor. 23. Cierre lentamente la válvula de “antisurge” verificando que se incremente el flujo de gas al compresor y alcance la presión ____ normal de descarga. 24. Cuando se tengan las condiciones de flujo y presiones ____ normales, ponga el control de “antisurge” en automático.

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1-51

Compresores dinámicos

Actividad Verifique la operación del compresor.

Desarrollo

Verif.

25. Una vez que el compresor opera con carga, revise los sellos ____ para detectar posibles fugas. 26. Verifique las temperaturas de la descarga del compresor, salida de agua de enfriamiento, aceite y sellos, estas deben de ____ conservarse dentro del rango establecido. 27. Verifique que las vibraciones y desplazamiento del rotor se mantengan en los rangos normales, y en caso de excederse, ____ pare el compresor. 28. Registre las lecturas de las variables de operación en la ____ bitácora correspondiente del compresor. Fin del procedimiento.

1.6.2.3 Procedimiento de paro. Actividad Abra la válvula de “antisurge”. Pare el motor.

Desarrollo

Verif.

1.

Ponga en manual el control “antisurge”.

____

2.

Abra lentamente la válvula de control “antisurge”.

____

3.

Pare el motor del compresor, presionando el botón de paro.

____

Nota: En compresores movidos por turbina o motor de combustión interna, baje la velocidad del motor o turbina a la mínima de gobierno y pare el elemento motriz de a cuerdo a su procedimiento específico de paro.

Depresione el compresor.

Pare el sistema de lubricación.

1-52

4.

Mantenga la lubricación por lo menos durante 20 min, para enfriar las chumaceras

5.

Desenergice el motor del compresor en el CCM.

6.

Cierre la válvula de descarga del compresor.

7.

Cierre la válvula de succión del compresor.

____

8.

Bloque el sistema de sellos del compresor.

____

9.

Abra las válvulas de desfogue y purgas del compresor, para ____ eliminar el gas que quede atrapado en el compresor.

____ ____ ____

10. Pare el sistema de lubricación, después de que pasen los 20 min ____ del paro del motor.

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Compresores dinámicos

Actividad

Desarrollo

Verif.

11. Desenergice el motor de la bomba de aceite lubricante del ____ compresor en el CCM. 12. Si el paro del compresor es por tiempo prolongado, pare el ____ sistema de enfriamiento. Entregue a mantenimiento

13. Si el compresor o alguno de sus equipos va a recibir mantenimiento, ejecute los procedimientos necesarios para ____ entregar el equipo a mantenimiento. Fin del procedimiento.

1.6.3 Solución de problemas en compresores centrífugos. Normalmente no se presentan problemas graves en los sistemas de compresores centrífugos, si el diseño y la instalación fueron hechos por expertos, y el personal de mantenimiento ha atendido las instalaciones y los servicios de rutina conforme se requieren. Sin embargo cuando se presentan los problemas, el resolverlos involucra varios ejercicios complicados a causa de que deben interpretarse los efectos que resultan debido a los cambios de varios parámetros de operación y de diseño, y esto es bastante complejo. Las siguientes son algunas guías útiles que se han seleccionado: Si la presión de succión es estrangulada, manteniendo el flujo volumétrico real constante en la succión, entonces el flujo másico y el flujo volumétrico disminuirán. Manteniendo constante otros parámetros, la carga (H) disminuirá con un incremento del peso molecular del gas, pero aumentará con el incremento de la relación de calores específicos (Cp/Cv), y esto y también aumentara la temperatura de descarga significativamente. Manteniendo los otros factores constantes, una disminución de la presión de succión del compresor reducirá la presión de descarga y el consumo de energía. Un incremento en el peso molecular del gas aumentara la presión de descarga y el consumo de potencia. El punto de “surge”, limita la capacidad mínima de un compresor centrifugo y puede ocurrir entre el 50-90% del flujo de succión de diseño, con la correspondiente carga de diseño, abajo del punto de “surge” la relación “flujo-cabeza” toma una pendiente inversa. Igualmente, el punto stonewall determina el limite superior de la capacidad del compresor, esto ocurre cuando la velocidad del gas se aproxima a la velocidad del sonido en alguna parte del ojo del impulsor resultando en ondas de choque restringen el flujo, causando el efecto de ahogamiento. Muchos problemas se presentan como resultado de un mal balanceo causando vibración. En algunos equipos se ha obtenido una amplitud total de vibración de 1 mil, pero cuando el valor de la vibración es aproximadamente el 40% de la vibración de la velocidad de operación, indica existencia de chicoteo o remolino de aceite en las chumaceras de tipo zapata fija, un análisis de vibración con sensores y un osciloscopio dará un buen entendimiento de las condiciones y necesidades de mantenimiento del equipo.

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1-53

Compresores dinámicos

Todos los rotores deben ser balanceados dinámicamente adicionando como máximo 2 impulsores a la vez entre cada etapa de balanceo debiéndose de calibrar la maquina balanceadora al finalizar la operación. Problemas en los coples. Los coples de alta velocidad, han sido objeto de muchas discusiones, los problemas asociados con el cople flexible (cuña, dentado) ha provocado que muchos diseñadores estudien la posibilidad de eliminar el cople flexible y utilizar uno solidó. Debe asegurarse una buena alineación en caliente y ampliar claros axiales en los sellos de laberinto. Se especifica que las chumaceras axiales sean capaces de absorber del 20 al 30% del desplazamiento axial trasmitido y requerir cavidades para drenaje de sedimento en coples tipo engrane o dentado. Otro problema en los coples flexibles es cuando diminutas partículas de polvo en el lubricante han bloqueado los pasajes de aceite, la forma de solucionar esto es instalando filtros de un micrón o menor en la línea de alimentación al cople. Separadores. Un compresor requiere separación de líquidos del gas a la entrada de la unidad después del interenfriamiento entre etapas, la presencia de líquidos en la corriente del gas causa vibración, desbalanceo del rotor, erosión y corrosión de impulsores, obstrucciones en los pasajes y una multitud de problemas que se pueden presentar por separadores de líquidos inadecuados. Se debe instalar en los compresores de gas de proceso un colector o separador en la succión del compresor. Rotor. Las velocidades críticas (Cuando se iguala la frecuencia natural de vibración del rotor a la velocidad de giro del mismo) deben estar de 15-20% del margen arriba o abajo de la velocidad de operación. Rotores cortos para uno, dos o tres impulsores operan debajo de la velocidad crítica (rotores de flecha rígida). Rotores largos para cuatro o mas impulsores son diseñados para operar entre la primera y segunda velocidad critica (rotores de flecha flexible). La segunda velocidad crítica es de 2 a 4 veces la magnitud de la primera velocidad crítica. Las velocidades críticas son afectadas por la flexibilidad de la flecha, de los cojinetes de las chumaceras, de la carcasa, etc. La amplitud de la vibración de la velocidad crítica seria infinita si no hubiese amortiguamiento. Actualmente el efecto de amortiguamiento de los cojinetes, sellos y un buen balanceo estático y dinámico del rotor, permiten valores de amplitud aceptables en la velocidad critica. Sistema de lubricación. La lubricación de estos equipos generalmente es proporcionada a presión. Si la presión de lubricación disminuye, la lubricación a los rodamientos se suspende y puede ocasionar la destrucción del compresor.

1-54

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Compresores dinámicos

El aceite debe de ser de la viscosidad adecuada y formulado con aditivos químicos, para evitar la fricción, prevenir la oxidación y el desgaste, no debe de ser corrosivo para las partes del compresor, no debe de formar espuma y debe separarse rápidamente del agua. El aceite debe ser analizado periódicamente para prevenir cambios en la viscosidad. La capacidad de retención mínima del sistema debe de ser de tres minutos a un flujo normal, con el fin de proporcionar en forma continua y a presión suficiente aceite limpio y frió. El aceite es almacenado en la consola y de ahí es enviado por la bomba principal hasta los rodamientos o chumaceras. Como el aceite se adelgaza cuando se calienta, no puede mantener una película protectora entre las partes mecánicas en movimiento, de aquí que deba ser enfriado antes de pasar a los rodamientos (no se debe mantener arriba de 50 °C el suministro de aceite). Este enfriamiento no debe ser muy severo, pues se espesa tanto el aceite que no fluiría adecuadamente. Las condiciones del sistema de enfriamiento deben de ser las siguientes: velocidad del agua de enfriamiento de 1.5 a 2.5 m/seg, presión de trabajo máxima 100 psig, caída de presión máxima de 15 psig, temperatura de entrada de 32 °C. Después de pasar por el enfriador el aceite es filtrado para eliminar cualquier impureza que pudiera rayar las chumaceras o provocar taponamientos en los conductos de lubricación (El filtro debe ser capaz de remover el 95% de partículas no mayores de a 25 micrones y no tener una presión diferencial mayor de 20 psig. En caso de que se tape un filtro o enfriador o se pare la bomba de aceite, el compresor debe pararse de inmediato para evitarle serios daños por falta de lubricación. Normalmente se tiene un filtro y enfriador de relevo para hacer el cambio en caso de taponamiento o saturación del que este operando. Puesto que el sistema debe de pararse si falla el sistema de lubricación, en algunas maquinas se tiene una bomba principal que gira con la flecha de esta y una auxiliar que entra en operación en emergencias y en el periodo de arranque. Como protección del equipo se cuenta con una alarma que actúa por baja presión del aceite de lubricación y un sistema de disparo que para la maquina si la presión de aceite baja del límite permisible. Sellos. Los sellos de un compresor son usualmente de contacto, de película de aceite y gas de sellos o sellos secos. La presión que mantiene en el aceite de sellos es de 25 a 50 psig arriba de la presión del gas de proceso en la succión. Si se maneja alta la presión diferencial entre el aceite de sellos y el gas de referencia (sellos) tendremos el riesgo de meter aceite al compresor. Si se tiene baja la presión diferencial entre el aceite de sellos y el gas de referencia tendremos fugas de gas al exterior. Se tiene un disparo por baja presión diferencial entre el aceite de sellos y el gas de referencia, como protección del compresor.

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1-55

Compresores dinámicos

1.7 ANÁLISIS DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES BAJO EL ESQUEMA CAUSA-EFECTO. En esta sección se desarrolla el análisis de la operación de los sistemas de compresión mediante ejercicios que nos ayudan a comprender como analizar, resolver problemas y optimizar la operación de los compresores. El análisis se desarrolla bajo el esquema causa  efecto o del hecho natural de que para toda acción hay una reacción (acción  reacción), que nos permita visualizar el desarrollo de una secuencia de transiciones lógica en los factores de operación de los compresores. El análisis se hace mediante el planteamiento de la pregunta ¿qué pasa si? (causa) al cambio en una condición o variable del proceso y la respuesta a la pregunta (efecto) sobre el cambio de la condición o variable, es decir el esquema sería pregunta (causa)  respuesta (efecto). Posteriormente al resultado de la respuesta se le plantea la misma pregunta convirtiéndose en la causa y su propia respuesta en el efecto, estableciendo así, una cadena que describe la secuencia de transiciones hasta que la variación del proceso llegue al valor o condición que lo mantiene estable. Los ejercicios ¿Qué pasa si? son iniciados con eventos basados en suposiciones, tales como: 

Un cambio de Set Point efectuado por el operador del sistema de control distribuido (SCD).



Una falla en algún elemento de los circuitos de control.



Una falla de una de las partes del equipo.



Un cambio en el flujo, composición o temperatura de alimentación.

1.7.1 Diagrama de control (DC) para un sistema de compresión.

FIG. 1-69. DIAGRAMA DE CONTROL (DC) PARA UN SISTEMA DE COMPRESIÓN.

1-56

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Compresores dinámicos

1.7.2 Instrumentos de control (IC) de un sistema de compresión. Instrumento FI-1 Indicador del flujo de succión del compresor C-1

Objetivo del instrumento/consecuencias de desviación (alta-baja) Indica el flujo de succión del compresor y manda señal al selector de baja Y-1/3 para el control del “antisurge”. Alto flujo: Incrementa el consumo de energía del compresor C-1. Bajo flujo: Envía señal de flujo al selector de baja Y-1/3 para evitar el “surge” abriendo la válvula FV-3. Si reduce significativamente provoca la operación en “surge” del compresor C-1.

F-2 Indicador del flujo de vapor a la turbina del compresor

Indica el flujo de vapor consumido por la turbina del compresor. Alto flujo: Incrementa la velocidad de la turbina, indicando el mayor consumo de energía por parte del compresor C-1. Bajo flujo: Reduce la velocidad de la turbina del compresor. Si reduce significativamente provoca bajo flujo en el gas de proceso del compresor C-1.

PI-1

Indica la presión de succión del compresor.

Indicador de presión de succión del compresor en el acumulador F-1.

Alta presión:

PIC-2

Controla la presión en el acumulador de descarga del compresor.

Indicador de la presión de descarga del compresor en el acumulador F-2.

Alta presión:

Rev. 0

Reduce la carga al compresor C-1 bajando la relación de compresión. Baja presión: Aumenta la relación de compresión forzando al incremento de carga pero provocando la reducción del flujo. Si reduce significativamente, provoca la operación en “surge” del compresor C-1.

Aumenta la relación de compresión y la carga al compresor C-1, provocando la reducción del flujo. Si aumenta significativamente, provoca la operación en “surge” del compresor C-1. Baja presión: Reduce la relación de compresión y la carga al compresor.

1-57

Compresores dinámicos

Instrumento

Objetivo del instrumento/consecuencias de desviación (alta-baja)

PI-3

Indica la presión en la descarga del compresor.

Indicador de presión en la descarga del compresor C-1

Alta presión: Provocando la reducción del flujo y sobre presión a través del compresor, para proteger el compresor del “surge” envía señal al selector Y-1/3 para abrir la válvula FV-3. Si aumenta significativamente, provoca la operación en “surge” del compresor C-1. Baja presión: Reduce la relación de compresión y la carga al compresor.

Y-1/3 Selector de baja (override).

Selecciona la señal de bajo flujo o alta presión de la descarga, la condición que ocurra primero, para abrir la válvula de recirculación del compresor y evitar una inestabilidad aerodinámica (“surge”) en el mismo.

TI-1

Indica la temperatura en la succión del compresor.

Indicador de temperatura en la succión del compresor.

Alta temperatura: Ocasiona la expansión del gas aumentando su volumen, provocando la reducción del flujo real manejado por el compresor por lo que reduce la eficiencia volumétrica del compresor. Baja temperatura: Se reduce el volumen del gas, provocando el aumento del flujo real manejado por el compresor por lo que aumenta la eficiencia volumétrica del compresor.

TI-2

Indica la temperatura en la descarga del compresor.

Indicador de temperatura en la descarga del compresor.

Alta temperatura:

AI-1

Indica la concentración del gas mediante el peso molecular (PM) promedio.

Indicador de concentración del gas en la succión del compresor.

Concentración mas pesada:

Puede ser indicativo de alguna falla mecánica en el compresor. Baja temperatura: No ocasiona efectos adversos significativos.

Incrementa el peso molecular promedio del gas y por consiguiente el consumo de energía del compresor. Concentración mas ligera: Reduce el peso molecular promedio del gas y baja el consumo de energía del compresor.

1-58

Rev. 0

Compresores dinámicos

1.7.3 Relación de parámetros (RP) de operación de sistemas de compresión. Las siguientes secuencias de transiciones describen el efecto de los parámetros de operación de un compresor, impulsado por una turbina de vapor, sobre el consumo de energía de este y el consumo de vapor por parte de la turbina, al final de la descripción se muestra el diagrama de la relación de parámetros. A. Los factores de operación de los sistemas de compresión y sus efectos sobre el consumo de energía tienen la siguiente descripción. A.1.

Flujo de gas manejado por el compresor. Flujo en la succión del compresor 

A.2.

energía del compresor

el consumo de vapor.

Carga del compresor. La carga del compresor 

energía del compresor

el consumo de vapor.

A.2.a. Presión de succión del compresor. Presión de succión

relación de compresión

energía del compresor

la carga del compresor

el consumo de vapor.

A.2.b. Presión de descarga del compresor. Presión de descarga

relación de compresión

energía del compresor

la carga del compresor

el consumo de vapor.

A.2.c. Peso molecular del gas manejado por el compresor. Peso molecular del gas compresor A.3.

la carga del compresor

energía del

el consumo de vapor.

Peso molecular del gas manejado por el compresor. Peso molecular del gas

energía del compresor

el consumo de vapor.

A.3.a. Composición del gas manejado por el compresor. H

La composición del gas

compresor A.4.

energía del

el consumo de vapor.

Eficiencia mecánica del compresor. Eficiencia mecánica del compresor vapor.

Rev. 0

peso molecular del gas

energía del compresor

el consumo de

1-59

Compresores dinámicos

1.7.3.1 Diagrama de relación de parámetros (RP) de compresores. Factores principales

Factores Secundarios

1. Flujo a. Presion de succion 2. Carga

b. Presión de descarga c. Peso molecular

A. Energía del Compresor 3. Peso Molecular del gas

a. Composición del gas

4. Eficiencia Mecanica

FIG. 1-70. DIAGRAMA DE RELACIONES DE PARÁMETROS (RP) DE OPERACIÓN DE COMPRESORES.

1-60

Rev. 0

Compresores dinámicos

1.7.4 Estrategia de análisis (EA) para la operación de compresores. EA-QPS-Compresores (Síntesis)

Estrategia de análisis ¿Qué pasa sí…? para la operación de compresores.

Objetivo: determinar los cambios de carga, flujo y consumo de energía del compresor. A. Determine los efectos sobre las presiones de succión y descarga del compresor debido a cambios en el proceso, desarrollando secuencia de transiciones. B. Determine cambios en el peso molecular (PM) del gas del compresor: 

H

Composición del gas

peso molecular (PM).

C. Determine el efecto sobre la presión de succión y el flujo debido cambios en el proceso: 

Peso molecular

presión de succión.



Temperatura de succión



Velocidad del compresor



Temperatura de succión

S

presión de succión. flujo en el compresor.

S

flujo volumétrico

S

flujo másico.

D. Determine el efecto de la presión de succión y descarga sobre la relación de compresión: 

Presión de descarga y

presión de succión

relación de compresión.



Presión de descarga y

presión de succión

relación de compresión.

E. Determine el efecto de la relación de compresión sobre la carga del compresor:  F.

Relación de compresión

la carga del compresor.

Determine el consumo de energía (vapor) del compresor basándose en los factores principales de la siguiente tabla: FACTORES PRINCIPALES

EFECTOS:

Flujo.

Consumo de energía.

Carga.

Consumo de energía.

Peso molecular.

Consumo de energía.

Eficiencia mecánica.

Consumo de energía.

G. Registre los resultados en el diagrama de control. Nota: Los efectos de los cambios de temperatura sobre el flujo son mínimos comparados con otros factores. Rev. 0

1-61

Compresores dinámicos

1.7.5 Descripción de los ejercicios ¿qué pasa sí? (QPS) para sistemas de compresión. Un sistema de compresión como el de la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se usa como referencia para desarrollar ejercicios de análisis de la operación de compresores centrífugos impulsados por turbina de vapor bajo el esquema causa-efecto, mediante el planteamiento de la pregunta ¿Qué pasa sí? Los ejercicios inician con el cuestionamiento de un evento ¿Qué pasa si…? a una de las siguientes situaciones: 

Un cambio al punto de ajuste (set point) por parte del operador del compresor.



Una falla en uno de los lazos de control.



Una falla en uno de los equipos.



Un cambio en la composición, presión, temperatura o flujo de la corriente de proceso.

Se espera que al hacer el diagnóstico se aplique la estrategia de análisis correspondiente para determinar el efecto del cambio en el resto de las variables del sistema.

1.7.6 Ejercicios ¿qué pasa sí? (QPS) para sistemas de compresión. 1. ¿Qué pasa si aumenta el flujo en FI-1?

1-62

Rev. 0

Compresores dinámicos

2. ¿Qué pasa si aumenta la temperatura en TI-1?

3. ¿Qué pasa si aumenta la presión en PI-1?

Rev. 0

1-63

Compresores dinámicos

4. ¿Qué pasa si el operador del compresor aumenta la velocidad de la turbina?

5. ¿Qué pasa si aumentan los componentes más pesados del gas de proceso manejado por el compresor?

1-64

Rev. 0

Compresores dinámicos

6. ¿Qué pasa si el operador del SCD aumenta el set point del control de presión en PIC-2?

Rev. 0

1-65

Compresores dinámicos

1.8 GLOSARIO. Condición nominal.

Es el punto en donde se tiene la velocidad y capacidad más alta para cualquier condición de operación especificada en la hoja de datos.

Condición normal.

Es el punto en el cual se espera la operación a la eficiencia óptima en función de la potencia Requerida, velocidad y flujo manejado a condiciones de operación normales. La garantía del compresor deberá hacerse en este punto.

Condiciones de diseño.

Es el conjunto de conceptos usados únicamente para el diseño del compresor; cuando se trate de especificaciones para adquisición, se evitarán los términos siguientes: potencia de diseño, velocidad de diseño, temperatura y presión de diseño, etc.

Factor de compresibilidad.

Es un factor adimensional que corrige el comportamiento de gas ideal al del gas real, en cuanto a su compresibilidad.

Factor K (Relación de calores específicos).

Es un factor adimensional que resulta de dividir el calor específico a presión constante entre el calor específico a volumen constante, y se emplea en el diseño termodinámico de la máquina K= Cp /Cv.

Hoja de datos.

Es el formato en el cual se especifican las condiciones de operación de la máquina, así como Otras características especiales que deberán tomarse en consideración para su diseño y construcción.

Operación normal.

Es el funcionamiento del equipo dentro de las variaciones previstas a las condiciones de operación, capacidad y eficiencia especificadas en a hoja de datos y garantizadas por el fabricante, sin requerir un mantenimiento mayor ni reparación reposición de partes, excepto el mantenimiento propio por efecto de dicho funcionamiento.

Servicio continuo.

Es la operación continua en condiciones normales el compresor y equipo auxiliar a plena carga, sin interrupción alguna, durante 3 años en operación.

Velocidad 100%.

Es la velocidad correspondiente a la condición nominal del compresor”, esta velocidad puede ser igual o mayor que la velocidad normal. El 100% velocidad para un compresor accionado por motor eléctrico es igual a la velocidad del motor a plena carga, multiplicada por la relación de engranes del incrementador o reductor de velocidad.

Velocidad crítica.

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Es la velocidad, a la cual se tiene la misma frecuencia natural del compresor.

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Velocidad de disparo Esta deberá ser 105% de la velocidad máxima continua, (110.25% de la en turbinas de vapor. velocidad en la condición nominal). Velocidad máxima continúa.

Es el límite superior de la velocidad de operación el compresor. En compresores de velocidad variable, esta velocidad será 105% de la velocidad nominal.

Velocidad normal.

Es la velocidad correspondiente a la condición normal.

BIBLIOGRAFÍA. 1. Petróleos Mexicanos, comité de normalización de petróleos mexicanos y organismos subsidiarios, especificación técnica compresores centrífugos “P.2.0003.01”, México, D. F. 2002. 2. Iconsa, Venezuela; determinación del factor de compresibilidad. 3. Foust, Alan S. “Principios de Operaciones Unitarias”, Compañía Editorial Continental S. A. de C. V., México, 1987. 4. Hydrocarbon processing; Compressor Handbook. 5. W.h. severns; Energía mediante aire, vapor o gas.

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