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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
BOMBAS
PDVSA N°
MDP–02–P–09
0
NOV.97
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS
DE SERVICIOS INDUSTRIALES
APROBADA
17
DESCRIPCION
FECHA NOV.97
L.R.
PAG. REV.
APROB.
L.R.
APROB. APROB.
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1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5 SELECCION DEL TIPO DE ACCIONADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
6 MOTORES ELECTRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
7 TURBINAS DE VAPOR PARA USO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
8 TURBINAS HIDRAULICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
9 TRANSMISIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
11 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
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ALCANCE
Esta subsección presenta la base para la selección del tipo de accionador y
presenta los requerimientos de servicio de las unidades de bombas.
2
REFERENCIAS
Prácticas de Diseño (Además de otros documentos de este capítulo)
“Compresores”
“Seguridad en el Diseño de Plantas”
PDVSA
H–251–R
G–203–R
G–201–R, Mid. Vol. 14
NB–212, Mid. Vol. 4–II
N–201, Mid. Vol. 4–I
Requerimientos de Diseño de Tuberías de Proceso y
Servicios
Turbinas a Vapor de Uso General
Turbinas a Vapor para Uso Especial
Motores Eléctricos
Obras Eléctricas
Otras Referencias
API, Standard 611, General Purpose Steam Turbines for Refinery Services
NEMA SM 20, Mechanical Drive Steam Turbines
3
ANTECEDENTES
La mayoría de los servicios de bombeo en las plantas de proceso requieren
accionadores de bombas en el rango de 7 a 300 kW (10 a 400 HP). Las bombas
de carga de crudo y las bombas de carga de producto a tanqueros frecuentemente
caen en el rango de 525 a 1500 kW (700 a 2000 HP), pero otros servicios para
hidrocarburos muy pocas veces exceden los 525 kW (700 HP). Los servicios de
agua de alimentación a calderas y de agua de enfriamiento de planta en refinerías
y plantas químicas comúnmente requieren accionadores en el rango de 300 a
1100 kW (400 a 1500 HP), con ejemplos ocasionales de 1500 a 2100 kW (2000
a 2800 HP).
Los motores de inducción se seleccionan para accionar la mayoría de las bombas.
Normalmente, se usan accionadores directos con acoples flexibles. Se requieren
razones y circunstancias especiales para seleccionar cualquier otro tipo práctico
de accionador turbina de vapor, turbina hidráulica, máquina diesel o para justificar
transmisiones de velocidad variable o ajustable para motores de inducción. La
necesidad de unidades de engranaje (u otras transmisiones de velocidad
constante) se determina durante la procura de los equipos.
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DEFINICIONES
Para las definiciones de los términos de clasificación de turbina a vapor, ver
Manual de Diseño de Proceso, Subsección 11–M, versión 1986, PDVSA
G–203–R y PDVSA G–201–R.
5
SELECCION DEL TIPO DE ACCIONADOR
Alternativas Disponibles
Los tipos de accionadores prácticos para bombas dentro de plantas se limitan a
motores de inducción, turbinas de vapor de propósitos generales, máquinas de
vapor (para bombas de vapor de acción directa) y turbinas hidráulicas. Para
servicios de proceso fuera de planta, no existen oportunidades de aplicación de
turbinas hidráulicas, pero las máquinas de combustión interna (usualmente diesel)
encuentran una aplicación ocasional. Las turbinas de gas se usan como
accionadores de bombas en tuberías y servicios de producción, pero no son
económicas en el rango de potencia de las bombas. Los motores sincrónicos rara
vez se usan como accionadores de bombas, ya que su mayor costo en los rangos
típicos de velocidad y potencia de las bombas centrífugas rara vez se justifican el
mejoramiento en el factor de potencia que ellos proveen.
Bombas de Operación Normal
Las dos consideraciones que mayormente influencian la selección de los tipos de
accionadores para bombas de operación normal son:
1.
Costos de energía del servicio industrial y
2.
Balance del sistema del servicio industrial
Los costos de energía y el balance del sistema es el resultado de muchos factores
que han influenciado en el diseño del sistema de servicio de planta. Los
accionadores para bombas de operación normal se especifican para ser
consistentes con el diseño del sistema de servicio de la planta. En la mayoría de
los casos, se especifican motores de inducción.
Ahorros en el costo de energía de los accionadores se pueden lograr a veces por
recuperación de energía de corrientes líquidas a través de la aplicación de turbinas
hidráulicas, y por el uso de velocidad variable en vez de estrangulamiento de
descarga o reciclos para el control del flujo de la bomba. En ambos casos, se
deben realizar estudios individuales para determinar si se justifican la inversión
incremental.
Otros factores que a veces influencian la selección del tipo de accionador para
bombas de operación normal son:
1.
Reducción de la carga del mechurrio por fallas de una fuente de servicio
determinada.
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2.
Costos de inversión de las líneas de suministro de servicio requerido, por
ejemplo en las localidades remotas, fuera de planta.
3.
Simplicidad operacional. Este factor favorece los motores eléctricos y bajo
algunas circunstancias puede prevalecer sobre otras consideraciones.
4.
Requerimientos de mantenimiento. Las turbinas tienden a requerir más
mantenimiento que los motores. Las bombas centrífugas en línea pueden
ser mantenidas más convenientemente cuando están equipadas con
accionadores de motores eléctricos.
Los factores que usualmente no influyen sobre la selección del tipo de accionador
son:
1.
Velocidad de la bomba, ya que la inclusión de una unidad de engranaje
puede producir cualquier velocidad con cualquier tipo de accionador.
2.
Precio del accionador, ya que otros factores son siempre más significativos
en la selección del tipo de accionador para bombas que las diferencias en el
costo inicial del accionador.
3.
Compatibilidad entre unidades de bombeo paralelas, ya que los sistemas de
control se pueden suministrar para compensar las diferencias de
características de los accionadores.
Bombas de Repuesto y Auxiliar
Cuando el propósito primario de proveer una bomba de repuesto instalada es
cubrir requerimientos de mantenimiento de la bomba, en vez de breves
interrupciones en el suministro del servicio de energía, se debe usar el mismo tipo
de accionador para el servicio y para el repuesto. Usar tipos diferentes de
accionadores (por ejemplo, motores y turbinas) incrementa innecesariamente la
inversión de la planta. Los servicios de bombeo de proceso dentro de planta
normalmente se apoyan en alimentadores de poder dobles y en sistemas de
reaceleración para confiabilidad de accionadores de bombas, y por lo tanto, use
motores tanto para bombas de repuesto como para bombas en operación.
Cuando el requerimiento de alta confiabilidad de un servicio de bombeo justifica
el empleo de un segundo tipo de accionador, el arreglo común es un motor para
la bomba en operación y una turbina para el repuesto. Este arreglo se aplica
normalmente en sistemas de servicio para prevenir fallas en los servicios durante
una falla de energía. Los sistemas de bombeo de servicio normalmente provistos
con repuestos con turbinas son: los suministros de combustible, agua de
alimentación de caldera y agua de enfriamiento de planta.
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Los servicios de proceso, dentro de planta que requieren bombas de repuesto con
turbina por razones de seguridad son limitados a los requeridos para evitar una
crisis mayor de seguridad, tales como salidas grandes de vapor de válvulas de
donde se justifican seguridad, durante una falla de energía. Las situaciones donde
se justifican repuestos con turbinas normalmente ocurren en unidades de refinería
de muy alta capacidad.
Donde una bomba de repuesto tiene un servicio alterno para bombeo de
emergencia se debería especificar con turbina de vapor.
En servicios que usan turbinas hidráulicas para operar las bombas, la bomba de
repuesto debería tener como accionador motor o turbina de vapor. Ver
MDP–02–P–02, Repuesto y Multiplicidad, para Detalles Adicionales.
Servicios de Bombeo de Emergencia
Una de las dos bombas normalmente suministradas para servicio de bombeo de
agua contra fuego debería tener un motor eléctrico. La segunda bomba debería
tener una turbina de vapor si es práctica una línea de suministro de vapor hasta
el sitio de instalación y si una sola contingencia no puede causar falla en suministro
de vapor y energía (Ver capítulo de Seguridad de Diseño). Si cualquiera de estas
condiciones no es satisfecha, se debería especificar una máquina de combustión
interna (normalmente diesel).
Las bombas auxiliares de los pozos de agua con frecuencia se especifican con
accionadores tipo motor diesel para dar confiabilidad en el caso de fallas del
sistema de servicio y para evitar tener líneas de servicio hasta los lugares remotos
de los pozos de agua.
Los servicios de bombeo deberían tener accionadores con vapor para tomar
ventaja del mayor potencial de seguridad.
6
MOTORES ELECTRICOS
Generalidades
Los motores eléctricos de inducción normalmente usados como accionadores de
bomba se construyen en un rango de fracciones de kW (<1) hasta 16400 kW
(22000 HP). PDVSA NB–212 presenta las bases para dimensionar el motor con
la siguiente ecuación:
PF requerida mínima,
del accionador
+
PF nominal de la bomba centrífuga x 1.1
Eficiencia mecánica de transmisión
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El factor de carga 1.1 da un 10% de margen de seguridad. La eficiencia mecánica
de la transmisión será 1.0 para un acople directo del motor a la bomba. La
eficiencia de la unidad de engranaje se puede obtener de la Subsección 11–L de
la versión de 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Las eficiencias de unidades
de velocidad variable acarga total y parcial se debería obtener por consulta con
el especialista en máquinas.
Vea también la Subsección 11–L antes indicada para obtener un sumario de
tamaños de motores, eficiencias, factores de potencia y cargas conectadas.
Las especificaciones de diseño deberían incluir una tabla de los siguientes
renglones de bombas con motor, incluyendo las notas numeradas:
Equipo
P–XXX
Operación Carga de Operación, kW(1)
N, S o I(2)
Clasificación de
Reaceleración
XXX
A, B, o C
(1)
Potencia al motor a la PF nominal estimado para la bomba, kW (BHP),
usando una eficiencia de motor estimada.
(2)
N = Operación normal; S = Repuesto, I = Carga intermitente.
Si el diseñador de la planta ha incluido un 20% u otra contingencia en la carga de
operación reportada, tiene que anotarlo en la especificación de diseño.
Ejemplo de Cálculo
Q = 50 dm3/s (794 gpm), DP = 700 kPa (101 psi), Eo bomba = 72%
(50) (700)
PF + Q x DP +
+ 49 kW (66 HP)
F 6 x E0
(1000) (0.72)
F6
= Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas
Ec. (1)
En unidades
métricas
En unidades
inglesas
1000
1714
PF mínimo requerido = 49 x 1.1 = 53.9. Se usará un motor de 75 kW (100 HP).
La eficiencia a carga máxima es 91%; la eficiencia a 3/4 de carga es 89%.
Carga de operación + 49 + 55kW (72 HP)
0.89
Reaceleración
Los servicios de bombeo en una unidad de proceso se deben clasificar de acuerdo
a sus necesidades para reaceleración automática en el caso de un cambio
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temporal de voltaje que causa un retraso o una parada de la bomba. Las
clasificaciones son las siguientes:
Clasificación
Necesidad para
Reaceleración Automática
Bases
A
Necesario
El servicio de bombeo requerido
para
mantener
la
unidad
operando sin daño al equipo y sin
abertura de la válvula de
seguridad,
pero
no
necesariamente
en
las
especificaciones de producto.
B
Deseable
Servicios de bombeo adicionales
requeridos para mantener los
productos en especificación.
C
Innecesario
Arranque manual es suficiente sin
efectos contrarios en la unidad o
las especificaciones de producto.
Las bombas accionadas por motores con bombas auxiliares con turbinas de vapor,
especificadas con arranque automático se deberían incluir en la clasificación A
como protección contra la contingencia de la necesidad de mantenimiento de la
bomba auxiliar, su turbina o el sistema de arranque automático, cuando haya una
reducción de voltaje.
PDVSA N–201 “Obras Eléctricas”, especifica como las clasificaciones de
reaceleración se deben implementar durante el diseño de detalles del sistema. Se
deben establecer prioridades relativas entre los servicios de bombeo, y entre los
servicios de bombeo y otros equipos con motores en la planta (intercambiadores
de aire, compresores, etc.) para implementar la secuencia de reaceleración.
Tipos Especiales de Motores
Circunstancias no usuales ocasionalmente justifican investigación de los tipos de
motores especiales para servicios de accionadores de bombas:
1.
Motores sincrónicos para mejoramiento de factores de potencia de la planta
2.
Motores de velocidad variable para control de bomba
3.
Motores de dos velocidades para condiciones de operación dobles.
Se debería consultar especialistas eléctricos cuando se consideran tipos
especiales de motores.
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TURBINAS DE VAPOR
Propósitos Generales
El tipo de turbina de vapor usada para manejar bombas se define en API Standards
como “Propósitos Generales”. Esta clase de turbina es limitada nominalmente a
las condiciones de entrada del vapor de 4100 kPa man. (600 psig) y 400°C (750°F)
y 100 rps (6000 rpm). Los modelos comerciales disponibles son tan altos como
4800 kPa man. (700 psig) para el vapor de entrada y presión de descarga entre
vacío total y 520–2600 kPa man. (75 a 375 psig), tamaños de bridas de entrada
de vapor hasta 150 mm (6 pulg), y caudales de flujo de vapor hasta 12.6 kg/s
(100000 lb/h). La potencia para turbinas está usualmente por debajo de 1120 kW
(1500 HP), pero puede ser tan alta como 2200–3000 kW (3000 a 4000 HP).
Las turbinas de propósitos generales tienen válvulas de admisión de vapor de
modulación simple y 1 ó 2 etapas de expansión. Estas son equipadas con válvulas
separadas de cierre rápido para disparo por alta velocidad, pero normalmente no
se proveen válvulas reguladoras manuales con las turbinas. Tiene sistemas de
lubricación simples y auto–contenidos.
Condiciones de Vapor de Descarga
Normalmente se selecciona vapor de 860 a 4100 kPa man. (125 y 600 psig) para
turbinas de vapor accionadoras de bombas. Los accionadores de las bombas
auxiliares frecuentemente descargan a la atmósfera porque la pequeña cantidad
de vapor no usada no justifica su recuperación. Los accionadores de bombas en
operación normal descargan a líneas de vapor de 100–860 kPa man. (15 a 125
psig).
Instalaciones de condensación no son prácticas para turbinas por su pequeño
tamaño y su localización dispersa en el área de la unidad de proceso.
La temperatura de descarga se puede estimar con el diagrama de Mollier y la
eficiencia obtenida de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de
Prácticas de Diseño.
Las turbinas de vapor de propósitos generales pueden tolerar hasta11–12% de
humedad en la descarga sin requerimientos excesivos de mantenimiento.
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Eficiencia y Consumo de Vapor
La eficiencia global de una turbina de vapor es la relación entre el trabajo de eje
y la energía del vapor teóricamente disponible a entropía constante calculada con
el diagrama de Mollier. Esta eficiencia global es el producto de las eficiencias
mecánicas y térmicas. Las pérdidas de turbinas se debe en parte a las pérdidas
por fricción mecánica del eje de la turbina sobre sus cojinetes, pero mayormente
se debe a las pérdidas termodinámicas ya la turbulencia. Estimados de las
eficiencias globales de las turbinas de vapor se presentan en la subsección de
servicios de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de
Diseño.
La eficiencia de turbina tiende a incrementar con el aumento de velocidad y
tamaño. Para ilustrar el efecto del tamaño, una turbina para una instalación de 1.5
kW (2 HP) tendrá aproximadamente una rueda de 230 mm (9 pulg) y una eficiencia
de 10%, mientras que una de 150 kW (200 HP), de una sola etapa tendrá una
rueda de 640 mm (25 pulg) y una eficiencia de 30 a 40%. Una turbina multietapa
muy grande puede tener una eficiencia de 65%.
El “caudal de agua” o flujo de vapor requerido por una turbina para una aplicación
dada de potencia y condiciones dadas de vapor, puede variar ampliamente,
dependiendo del tamaño, constructor y selección del modelo. Los flujos de agua
se pueden estimar de los datos incluidos en la Subsección 11–M de la versión 1986
del Manual de Prácticas de Diseño. Estas figuras están basadas en datos
promedio del suplidor y se puede desviar mucho de la eficiencia de la selección
de una turbina específica. La desviación, sin embargo, tenderá a cancelarse si se
suman el caudal de agua de varias turbinas de una planta. En general, la
correlación dará un valor de caudal de agua dentro del 10% del flujo real de agua
para turbinas mayores de 19 kW (25 HP). Para turbinas menores el error puede
ser mayor, pero su importancia en el diseño de planta es pequeño. Los
requerimientos de vapor son iguales al flujo de agua obtenido en la Subsección
11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño, multiplicado por la
potencia desarrollada.
Control de Velocidad
Las turbinas de vapor de propósitos generales son equipadas con reguladores de
velocidad con características de control seleccionadas para adaptar la aplicación.
Los reguladores pueden ser mecánicos, actuando directamente en la válvula de
admisión de vapor, o del tipo relé de aceite el cual opera la válvula de admisión de
vapor por presión de aceite modulada hidráulicamente. Este tipo es adecuado
para respuesta a una señal de control de proceso externa (como la presión de
descarga de la bomba), afectando el control de velocidad variable. Ambos tipos
permiten un arreglo manual de velocidad con un “regulador de velocidad manual”.
Una combinación especial de los dos tipos básicos (a veces llamado “control de
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carga”) se aplica una señal de control externo directamente para posicionar la
válvula de admisión de vapor de turbina y emplea un regulador mecánico o de relé
de aceite sólo para limitaciones de velocidad máxima (antes del disparo por
exceso de velocidad). El funcionamiento de control de los reguladores de turbina
es definido por NEMA SM20 y se clasifica en cuatro clases normalizadas: A, B, C,
D. La clase A corresponde a un regulador mecánico de acción directa. La clase
D corresponde a un regulador hidráulico preciso más comúnmente usado para
turbinas de vapor para propósitos especiales, y para turbinas de vapor de
propósitos generales que tienen requerimientos críticos de control como servicios
de agua de alimentación a calderas o generación de potencia de emergencia para
instrumentos. La clase B es el requerimiento mínimo recomendado para turbinas
que normalmente manejan bombas en operación en paralelo con bombas con
motores.
Válvulas Manuales
Se pueden colocar válvulas manuales de bajo costo en las turbinas de vapor para
permitir aumentar la eficiencia térmica cuando operan a cargas menores que la
máxima. Las válvulas manuales se usan para cerrar manualmente una porción
de la boquilla de entrada de la primera etapa; esto incrementa la velocidad del
vapor en el resto de las boquillas, incrementando la eficiencia de la turbina. Una
porción de las boquillas se puede cerrar con frecuencia porque normalmente
existe un margen significativo de potencia en una turbina de vapor, especialmente
una en nuevas condiciones. El margen existe debido a una serie de factores
conservativos usados en el diseño:
1.
API 611, requiere que la turbina sea diseñada para una potencia nominal a
condiciones de entrada mínima y máxima descarga de vapor. Esto da como
resultado una capacidad extra de potencia a las condiciones normales de
vapor.
2.
PDVSA NB–212, requiere que la turbina sea calculada con 10% por encima
del requerimiento de potencia nominal.
3.
El requerimiento nominal de la bomba frecuentemente excede las demandas
de una condición de operación real.
4.
El constructor provee normalmente algún margen para asegurar obtener la
potencia nominal garantizada.
La válvula manual, en efecto devuelve este margen de potencia para aumentar la
eficiencia a las condiciones de operación real.
El aumento de eficiencia de las válvulas manuales no se requiere para
accionadores de bombas auxiliares y no se requiere en turbinas de operación
normal en sistemas de vapor donde el consumo de vapor no es significativo. Sin
embargo, si se desea la eficiencia máxima de la turbina en las condiciones de
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bombeo nominales, entonces se debería indicar en las especificaciones de
diseño, para que se coloque por lo menos una válvula manual.
Sistema de Tuberías
Los requerimientos del sistema de tuberías se presentan en PDVSA H–251–R y
G–203–R. Los criterios de dimensionamiento de tubería de entrada de turbinas
de vapor del capítulo de Flujo de Fluidos de este Manual, normalmente resulta en
velocidades de vapor inferiores a 45m/s (150 pie/s). Las velocidades de vapor de
descarga están por debajo de 75m/s (250 pie/s). Los coladores permanentes,
requeridos en las líneas de suministro a las turbinas de vapor, según H–251–R,
están normalmente equipadas con mallas reforzadas de 8 mesh, o con huecos de
2.5 mm (0.1 pulg) de diámetro en platos perforados.
Arranque Automático
Ver MDP–02–P–10.
8
TURBINAS HIDRAULICAS
Situaciones de Aplicación
Las unidades de proceso que operan con líquido a altas presiones
(hidrocraqueadores, plantas de amoníaco, etc.) frecuentemente requieren de
reducción de presión de las corrientes de líquido de caudales grandes a niveles
de presión atmosférica. Esta situación se presenta en oportunidades para
recuperación de energía de la corriente de líquido despresurizado. La máquina
aplicada para la recuperación de energía es la turbina hidráulica del tipo de
proceso. Los modelos se construyen casi idénticamente a las bombas centrífugas
de proceso, pero el líquido se pasa a través de la máquina en la dirección opuesta
a la de la bomba centrífuga, y se extrae potencia del eje, generalmente para
manejar una bomba.
Los límites comunes de aplicación son como sigue:
Caudal de flujo: 13–230 dm3/s (200 a 3600 gpm) Presión de entrada: 1400–14500
kPa man. (200 a 2100 psig) Capacidad de potencia: 110–970 kW (150 a 1300
BHP)
El incremento de inversión para la instalación de una turbina hidráulica sobre un
motor eléctrico o una turbina de vapor requiere justificación en base de la potencia
ahorrada. El ahorro potencial disponible para unidades menores de 110 kW (150
HP) es demasiado baja para justificar un número significativo de instalaciones, y
por lo tanto, raramente garantiza estudios específicos de ingeniería. Los ahorros
de potencia por encima de 110 kW (150HP) justifican el estudio del caso. El
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potencial de recuperación de potencia para una corriente de líquido en
despresurización se puede estimar con la ecuación (1).
PF +
(Q) DP) (E 0)
F6
Ec. (2)
La eficiencia hidráulica de la turbina, Eo, se puede asumir igual a la de una bomba
centrífuga con un caudal de flujo y un nivel de cabezal similar.
Las turbinas hidráulicas se usan de la industria de energía eléctrica para manejar
generadores, (en estaciones hidráulicas) pero en las plantas de proceso ellas son
generalmente limitadas a manejar bombas de proceso en las unidades de
corrientes líquidas de alta presión.
Diseño del Sistema
La consideración más importante en el diseño de un servicio de turbina hidráulica
es soportar posibles fluctuaciones en el flujo disponible de líquido de alta presión,
para diseñar el equipo con una potencia de eje adecuado para el manejo del
equipo en todo momento. Esto se logra en una de las dos maneras siguientes:
1.
Se puede colocar un accionador adicional, junto con la turbina hidráulica para
suministrar potencia cuando el flujo reducido de líquido en la turbina reduce
la recuperación de potencia.
2.
El servicio se puede arreglar con un desvío continuo alrededor de la turbina
hidráulica que tome toda variación de flujo del proceso, siempre dejando el
flujo mínimo requerido en la turbina.
Con el sistema de accionador doble, el motor o la turbina de vapor se dimensiona
para 50 a 100% de la carga de la bomba nominal. Se usa para arranque de la
unidad, antes de que el líquido de alta presión está disponible para la turbina
hidráulica, y se desenergiza o se disminuye la carga,dependiendo de su
clasificación (Rating), en operación normal.
Con este sistema, el flujo en la turbina se modula para controlar una variable de
proceso tal como el nivel en el recipiente aguas arriba. Un regulador principal y
una válvula de estrangulamiento o desvío se requieren para limitar la velocidad
máxima de operación.
Con el sistema de desvío, la velocidad de la turbina hidráulica se mantiene
constante mediante un regulador que modula una válvula aguas abajo de la
turbina. El nivel en los recipientes aguas arriba se controla modulando la corriente
de desvío a la turbina. Refinamientos en el sistema de control como la integración
de velocidad y controles de nivel permiten aumentar la recuperación de energía
a expensas de la complejidad del sistema. El arranque de la unidad se opera con
la bomba auxiliar manejada convencionalmente.
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Los Diseños de sistemas de control específicos requieren consideración individual
y se deberían desarrollar por consulta con especialistas de máquina y control.
La recuperación de energía de corrientes de líquido con alto potencial se puede
dividir en varias turbinas hidráulicas, en serie o en paralelo, para igualar los
requerimientos de carga de bomba. Los arreglos en serie de turbinas simplifica
el diseño de maquinas, pero requiere instalaciones para control de nivel de presión
intermedia. El arreglo en paralelo aumenta las etapas y el costo de la turbina, pero
simplifica el sistema del fluido de proceso.
Existe el peligro de falla por velocidad excesiva cuando el flujo de la bomba se
reduce repentinamente o se para, antes que el flujo a través de la turbina se pare,
justo como con una turbina de vapor. Para evitar este tipo de fallas se debería
especificar un dispositivo contra velocidad excesiva.
Un factor crítico en el diseño de patrón de flujo de turbinas hidráulicas, de múltiples
etapas y de cabezal alto, es la velocidad a la que el gasse forma a partir del líquido
a medida que éste se despresuriza en la turbina. La especificación de diseño
debería incluir un análisis completo de la corriente de líquido para que el diseñador
de turbina pueda optimizar los pasos de flujo para la producción anticipada de gas.
Las turbinas de una sola etapa, para cabezales de 250 a 300 m (800 a 1000 pie),
son relativamente insensibles a la producción de gas.
Las turbinas hidráulicas de proceso normalmente emplean sellos de eje mecánico
idénticos a los aplicados en bombas. El lavado externo es frecuentemente
requerido para prevenir la producción de gases en la caja de estoperas, sin
embargo, la necesidad específica y el diseño de lavado externo no se puede
determinar hasta que se seleccione un modelo específico de turbina.
Para un caso específico en estudio, el diseño del sistema, la tolerancia de la
máquina de vapor y otros detalles de funcionamiento, y preparación del texto de
especificaciones, se debería consultar a los especialistas en máquinas.
9
TRANSMISIONES
Velocidad Constante
Las unidades de engranaje se usan entre los accionadores y las bombas para
cambiar el nivel de velocidad en 5 a 10% de las unidades de la bomba usada en
servicio de planta de procesos.
Excepto para bombas centrífugas sofisticada de alta velocidad, el cambio de
velocidad es usualmente una reducción de velocidad. El cambio de velocidad se
produce para igualar la velocidad óptima de la bomba con la velocidad óptima del
accionador. La necesidad de cambio de velocidad se desarrolla durante la procura
de equipos.
En los tamaños aplicados a los accionadores de la bomba, las unidades de
engranaje consumen de 3 a 5% de la potencia transmitida; por ejemplo,tienen una
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eficiencia mecánica de 95 a 97%. La potencia perdida aumenta la temperatura del
aceite lubricante en la unidad de engranaje y frecuentemente necesita suministro
de agua de enfriamiento a un enfriador de aceite lubricante.
El uso de correas es un segundo método para alcanzar una velocidad en la bomba
diferente de la velocidad del accionador. No son normalmente permitidas para
servicios dentro de refinerías, pero se usan ocasionalmente en plantas químicas
y servicios fuera de planta. Tienen la desventaja de la necesidad de
mantenimiento frecuente y mayor peligro para la seguridad del personal, pero
tienen la ventaja de un costo bajo y un ajuste fácil de velocidad con el reemplazo
de una polea.
Velocidad Variable
Se pueden aplicar cuatro tipos de transmisión de velocidad variable para
accionadores de bombas, pero se utilizan con muy poca frecuencia:
1.
Acople hidráulico
2.
Acople electromagnético
3.
Accionadores de frecuencia ajustable (El costo inicial alto es una desventaja)
4.
Unidades de correas variables.
Las dos principales razones para usar accionadores de velocidad variable son la
de ahorrar potencia en el control de flujo, desarrollando sólo la presión de
descarga de la bomba que el servicio requiere y para mantener la velocidad de la
bomba tan baja como sea posible para evitar la erosión o la fractura de partículas
sólidas. El acople hidráulico y el electromagnético desperdician una parte de la
energía que ahorran en calor y por lo tanto requieren agua de enfriamiento. Ambos
factores tienen un efecto adverso en la economía de la aplicación. Se
recomiendan estudios de casos de aplicación para muchos servicios de refinería
cuando el nivel de energía exceda 370 kW (500 HP) y para servicios con
requerimientos de presión de descarga por encima de 220 kW (300 HP).
El alto mantenimiento es la principal desventaja de la unidad con correa variable.
Los especialistas de máquinas deberían ser consultados en servicios donde se
consideran transmisiones de velocidad variable.
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10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS
Las bombas en servicios por encima de 200°C (400°F) pueden requerir agua de
enfriamiento para los cojinetes, camisas de cajas de estoperas, y líquido de lavado
de sello. Debido a que la mayoría de estos pasajes de enfriamiento están en el
cuerpo del equipo y no son fáciles de limpiar o sustituir, se prefiere el agua fresca.
No se debería usar agua salada para enfriamiento sin reconocer los costos altos
de mantenimiento por corrosión y los requerimientos de limpieza. También, el
taponamiento de los pasajes de enfriamiento hace inefectivo el uso de agua
salada.
Para enfriamiento con agua fresca, el agua a las camisas de enfriamiento en los
enfriadores de aceite de sello, cojinetes y caja de estoperas se envía en serie para
bombas con un solo cojinete y en dos corrientes paralelas para bombas con dos
cojinetes. Para servicio de agua salada, el agua es enviada en paralelo para evitar
un aumento excesivo de temperatura y depósitos de sal, lo cual incrementa el
caudal requerido de agua de enfriamiento.
Para propósitos de diseño preliminar de plantas, se pueden usar los siguientes
caudales de flujo aproximados de agua de enfriamiento se pueden usar para
propósitos de diseño preliminar de plantas. Para sistemas de agua salada, las
cantidades indicadas se deben duplicar. Estos caudales de flujo son valores
aproximados, solamente se deben revisar después que se conozcan los valores
reales para los modelos de bomba seleccionada.
Caudal de Flujo de Agua de Enfriamiento
Tamaño de la Bomba dm3/S
Bombas
v63
Temperaturas de bombeo:
<200°C
ninguno
200°C – 260°C
0.13 dm3/s
>260°C
0.19 dm3/s
Turbinas de vapor
Vapor de entrada:
v860 kPa man.
0.13 dm3/s
>800 kPa man.
0.25 dm3/s
Para convertir de:
a:
multiplique por:
°C
°F
use °F = °C* 1.8 + 32
kPa
psig
0.145
3
dm /s
gpm
15.85
>63
ninguno
0.25 dm3/s
0.38 dm3/s
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11 NOMENCLATURA
(Ver MDP–02–P–02)
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Fig 1. SECCION TRANSVERSAL DE UNA TURBINA DE VAPOR TIPICA PARA
PROPOSITOS GENERALES.