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Análisis dinámico de control de sobrepresiones para sistemas con compresores centrífugos

Compressor surge analysis on two different centrifugal compressors

La confiabilidad del compresor está afectada directamente por la interacción entre el controlador de la sobrepresión, el sistema de tuberías, válvulas, redes de recirculación y refrigeradores. Un sistema de control de sobrepresiones diseñado incorrectamente puede derivar en varias apariciones de sobrepresión que aumenten los riesgos para la seguridad personal y produzcan un daño grave en el compresor.

El objetivo de este estudio es evaluar las condiciones operacionales transitorias, así como recomendar la estrategia de control óptima en la que se incluyen la operación y los componentes de recirculación.

Este análisis dinámico está recomendado para proyectos de compresores nuevos, cuando se proponen modificaciones para un sistema que ya existe, o cuando se necesite determinar el riesgo de que un sistema ya existente experimente un evento de sobrepresión. 

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1 Información general
Compresor centrífugo dañado durante un caso de sobrepresión.
 
Parada de emergencia por sobrepresión
(en la que se muestra la inestabilidad del compresor durante la sobrepresión) 

Pueden aparecer varios fenómenos transitorios en un sistema con compresores centrífugos; durante el arranque, en operaciones normales, en una parada de emergencia (ESD) o en una detención rápida. Si el sistema no se ha diseñado de forma apropiada, estos fenómenos transitorios pueden causar que en el compresor se desencadene una sobrepresión. Este estudio sobre el diseño del control de sobrepresiones evalúa la dinámica del sistema y le proporciona recomendaciones para evitar problemas operacionales o de confiabilidad.

Durante una sobrepresión, el compresor centrífugo interactúa dinámicamente con algunos de los componentes del sistema, es decir, las tuberías, los accesorios, las válvulas y el equipo rotativo.

La inercia del fluido y la inercia del rotor del eje impulsor/compresor desempeñan un papel importante tanto para estabilizar como desestabilizar la dinámica del sistema. Las características del rendimiento del compresor también desempeñan un papel importante en el comportamiento dinámico de los sistemas.

Además, el sistema de recirculación en torno al compresor centrífugo es un componente esencial en el funcionamiento de la unidad. Es necesario para el arranque, la parada, la protección contra sobrepresiones y el control del flujo (capacidad de reducción). Como estas operaciones son transitorias por naturaleza, todos los parámetros dinámicos del flujo de gas, equipo y control desempeñan un papel importante e influyen en la inestabilidad, actuación y seguridad del sistema.

Este estudio, que implica un modelado transitorio, es el enfoque que se prefiere para diseñar un nuevo sistema con compresores (o modificar uno ya existente).

2 Factores que afectan al diseño del control de sobrepresiones

Los parámetros que afectan el potencial para que el compresor experimente una sobrepresión durante una parada de emergencia (ESD) son las características de la válvula de recirculación, como la capacidad máxima, el flujo frente a retraso en la apertura (por ejemplo, el tiempo entre la apertura de la válvula, el retorno del émbolo del solenoide, y el arranque del movimiento del eje en la válvula - llamado frecuentemente retraso del "pre-recorrido"), y el tiempo de recorrido de la válvula (por ejemplo, el tiempo que tarda la válvula en realizar el recorrido entre la posición cerrada y abierta – llamado frecuentemente tiempo de "recorrido").

Además, el tiempo de la señal de la parada de emergencia del compresor, la señal del corte de gas combustible, la dimensión del distribuidor de gas combustible (en el caso de las impulsoras de turbinas de gas), la inercia de los sistemas de propulsión y las características aerodinámicas del compresor en torno al punto de sobrepresión contribuyen a la complejidad del problema.

Por último, las interacciones dinámicas de otros elementos que se encuentran en los sistemas de compresión, como válvulas de retención, válvulas de alivio y sistemas de purga, son también importantes y se deben investigar. Esto requiere que se realice un análisis de esfuerzos mecánicos, un análisis térmico y un diseño de las válvulas de succión y de paso.

3 Aplicaciones que requieren un estudio dinámico

Un estudio dinámico es aplicable a sistemas de baja inercia (incluido el sistema combinado de rotor de compresor/impulsor). Estos compresores funcionan normalmente con motores eléctricos o turbinas aeroderivadas y se utilizan en la transmisión de tuberías, recolecta y aplicaciones de inyección. Por lo general, los compresores centrífugos que se utilizan en aplicaciones industriales, incluyendo las turbinas de vapor, tienen una inercia mayor y son menos propensos a causar problemas de sobrepresión. 

4 Alcance del estudio de simulación dinámica

El alcance de este estudio incluye los siguientes pasos:

  1. Sistema de recirculación. Evaluar la capacidad del sistema de recirculación respecto al mapa del compresor. Confirmar el tamaño/capacidad (adecuación) del sistema para un rango de operación de estado estable. Aquí se incluye el modelado del compresor, el sistema de tuberías y las características de la válvula.
  2. Protocolo de arranque. Evaluar la secuencia de arranque del sistema y calcular la temperatura de descarga en comparación con el tiempo.
  3. Protocolo normal de apagado. Evaluar el protocolo normal de apagado para evaluar la secuencia de apagado de la válvula, cronometraje, índices y la disminución de movimiento del eje impulsor (turbina, motor, etc.).
  4. Análisis de los fenómenos transitorios lentos. Proporcionar una revisión independiente del protocolo de control de la sobrepresión en el compresor durante transitorios lentos, como el cierre involuntario de las válvulas de succión y/o descarga (por ejemplo, cierre accidental)
  5. Análisis de los fenómenos transitorios rápidos. En caso de que haya ocurrido una parada de emergencia, detención rápida o falla de energía, hay que evaluar todo el sistema y la eficacia del sistema de recirculación en condiciones dinámicas intensas.
  6. Evaluar la interacción entre las unidades (si hubiera varios compresores que compartieran la misma trayectoria del gas y tuberías dispuestas en serie o en paralelo).
  7. Evaluar situaciones de simulación que el propietario o el ingeniero asesor solicitan con frecuencia.

El producto final incluye cambios recomendados para la lógica del control, estrategia de recirculación y otros parámetros, así como informes sobre las características del control de una determinada sobrepresión en condiciones anormales y a través de una ventana operacional.

El estudio se puede llevar a cabo durante la etapa de ingeniería básica ampliada (FEED) o al principio en la fase de diseño detallado. Esto proporciona el tiempo suficiente para revisar el diseño y proporcionar las modificaciones recomendadas. 

5 Experiencia de BETA y ejemplos representativos

De este servicio se encarga el Dr. Kamal Botros, asociado senior con BETA. El Dr. Botros es una autoridad a nivel mundial en el diseño y análisis del control de sobrepresiones y ha enfocado sus investigaciones en los problemas de flujo transitorio en sistemas complejos, incluyendo el fenómeno de sobrepresiones en compresores centrífugos, dinámica del sistema de alivio de presión, fenómenos transitorios de flujos bifásicos estratificados, la mezcla de interfaces entre lotes en tuberías, interacciones entre fluidos y estructuras y vibración inducida por el flujo en intercambiadores de calor. El Dr. Botros ha publicado unos 170 artículos en revistas y ha moderado varias conferencias. Los ejemplos representativos incluyen:

  • Análisis dinámico de 17 estaciones de compresores en un sistema de tuberías grande.
  • Análisis dinámico del sistema de recirculación de 5 estaciones de compresores en un sistema de tuberías de TransCanada Pipeline
  • Análisis dinámico del tren de procesamiento del gas incluyendo presión baja, presión intermedia y presión alta, y sistemas de compresión de inyección en serie.
  • Análisis dinámico de un compresor centrífugo de 6 etapas de un gas húmedo y rico en ácido sulfhídrico (H2S) de un fraccionador en una unidad de coquización.
  • Inestabilidades dinámicas de compresores centrífugos de presión alta y sistemas de recirculación fríos que producen daños en el compresor y en las válvulas de retención tipo tobera.
  • Análisis dinámico del sistema de protección de sobrepresiones del compresor Solar C-306 de 6 impulsores, y relación de presión de 3,5.
  • Análisis dinámico de tres estaciones que tienen incorporado compresores Solar C652 y el generador de gas Solar Titan T130S.
  • Análisis dinámico de sistemas de bombeo para un sistema de condensadores en una planta de energía.
  • Análisis dinámico de la ruptura de un tubo de un intercambiador de calor que descarga un líquido vaporizante de alta presión en una carcasa llena de un líquido de baja presión.
  • Inestabilidades dinámicas de dos sobrecalentadores integrados en paralelo para vaporizar los líquidos de gas natural (NGL) en hornos de craqueo de olefinas.
  • Análisis dinámico del sistema de alivio de una batería recolectora de gas incluyendo dos compresores, dos unidades de deshidratación, y un separador de admisión.
6 Software CENTRAN para soluciones dinámicas

BETA utiliza una herramienta de simulación dinámica llamada CENTRAN. Este modelo dinámico fue desarrollado por el Dr. Kamal Botros tras dos décadas de investigaciones experimentales y numéricas. CENTRAN ha sido validada con datos de campo y configuraciones experimentales.

El solucionador se basa en el método de características para la resolución de ecuaciones unidimensionales del flujo de gas incluyendo la ecuación de la energía. CENTRAN es muy efectiva analizando numerosos problemas de estado transitorios y no estables.

Hay diferencias importantes entre CENTRAN y los simuladores disponibles en el mercado. La limitación de estos paquetes de software comercial es que solo se consideran a los gradientes temporales en las simulaciones dinámicas, lo que equivale a una descripción de la dinámica de un sistema utilizando ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) que son menos rigorosas que las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (EDP). Esto se denomina como el método de parámetros concentrados, que da una solución que es una aproximación razonable de la solución del modelo distribuido. Este enfoque no es adecuado para la dinámica de compresión en sistemas de recirculación y en el fenómeno de sobrepresión de compresores entrando y saliendo de la sobrepresión.

Los gradientes espaciales a lo largo de los segmentos de tubería en torno al compresor son esenciales ya que determinan el tiempo que toman las perturbaciones de presión, de flujo y termales para llegar a un punto en el sistema desde otro (por ejemplo, la fuente de perturbación).

El modelo desarrollado (CENTRAN) se basa en la solución de los EDP completos  y se considera como un modelo basado en parámetros distribuidos, por lo que no ignora los gradientes espaciales. 

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9 Palabras clave
  • Vibración de compresores centrífugos
  • Modelaje transitorio de los sistemas de gas
  • Control de sobrepresiones en compresores centrífugos 

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