Facilidades de Superficie I

Facilidades de Superficie I (Capitulo IV)Jos M. Cabezas Ph.D.FICT, ESPOL20141Resumen del capitulo anterior: Flujo de fluidos por tuberaEvaluacin del factor de friccinFlujo de lquidos newtonianos: Fundamentos y ecuacionesDiseo de sistemas de lazos para lquidosProblemasFlujo de gas: Fundamentos y ecuacionesDiseo de lazos para gasFlujo inestable de gasFlujo de fluido en dos fases (gas/liquido)Problemas2Capitulo IV: Bombas (Campbell Vol 2, Chapter-14)BombasCategoras de bombas para procesos (bsico)Caracterizacin general (parmetros)Requerimiento de potenciaBombas centrifugasBombas reciprocantesBombas de desplazamiento positivo rotatoriasProblemas de aplicacion3Capitulo V: Compresores (Campbell Vol 2, Chapter- 15)CompresoresRequerimientos de poderCompresores centrfugos Compresores axialesCompresores reciprocantesMotores para compresoresProblemas de aplicacin4BombasTipos y categoras Combinaciones de metalurgia, sellos, empaques, configuraciones mecnicas, etcExperiencia vs requerimiento de bombeonfasis en bombas tipo proceso usadas en facilidades de superficie

5Categoras6Desplazamiento positivoCintica (dinmica)A. ReciprocantePistnA. CentrifugaFlujo radialEmboloFlujo axialB. RotatoriaEngranajeMezcla de flujoTornilloEspecialesAlabesB. PerifricaturbinasLa seleccin de una bomba depende deDensidad y viscosidad del liquidoPresencia de solidos o gases entrampadosCorrosividad del liquidoCabeza (presin diferencial a travs de la bomba)Tasa de flujo del liquidoPiston pump and plunger (embolo) pump

7Plunger pump es un tipo de bomba de DP donde el sellamiento de alta presin es estacionario y un embolocilndrico liso se desliza a travs delsello. Esto permite que las bombasde embolo trabajen a presiones masaltas (1000 a 30000 psi) que las de pistn.Estas bombas son accionadas por fluido motriz (power fluid).Los sellos sirven para separar el fluido de potencia del fluido que es bombeado.Bombas y la viscosidad8Efecto de la viscosidad en la curva de carga de la bomba

9La fig 5.6 muestra el rendimiento de una bomba probada con agua con viscosidad 32 SSU y luego con varios liquidos de viscosidad entre 100 y 4000 SSUFactores de correccin para lquidos viscosos1011

Ampliacin de la parte superior de las curvas de FACTORES DE CORRECCION12

Ampliacin de la parte superior de las curvas de FACTORES DE CORRECCION13

Qvis Viscous capacity in gpm. (m3/hr). The capacity when pumping a viscous fluid Hvis Viscous head in feet (meters). The head when pumping a viscous fluid.Nvis Viscous efficiency in percent. The efficiency when pumping a viscous fluidbhpvis Viscous brake horse power. The horsepower ( Kilowatts) required by the pump for the viscous conditions.Qw Water capacity in gpm.(m3/hr) The capacity when pumping water.Hw Water head in feet (meters). The head when pumping water.Nw Water efficiency in percent. The efficiency when pumping water.S Specific gravity.Cq Capacity correction factor.Ch Head correction factor.Cn Efficiency correction factor.Qnw Water capacity at which maximum efficiency is obtainedThe following equations are used for determining the viscous performance when the water performance of the pump is known. As you can see they are not very hard to understand or calculate once you get the terms straight.Cq , Ch and Cn are determined from the correction chart which is based on water performance.On the chart they are shown as CQ, CH and CNThe following equations are used for approximating the water performance when the desired viscous capacity and head are given and the values of Cq and Ch must be estimated from the chart using Qvis and Hvis as :

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Bombas y solidosLa mezcla solido/liquido (slurry) es problema en bombas rotatorias. Use velocidades bajas.Para fluidos lquidos del yacimiento, existe posibilidad de presencia de solidos. Use bombas slurry especiales cuando los solidos no se pueden separar particularmente al inicio de la vida del pozo.Si el liquido contiene 4-5% gas entrampado, use bombas de desplazamiento positivo.Lquido corrosivo requiere recubrimiento y metalurgia especiales. Use velocidades bajas ya que la erosin comnmente acompaa a la corrosin.Ademas de las limitaciones mencionadas, la seleccion del tipo de bomba depende en cierto grado de la combinacion de consideraciones de cabeza y caudal. Vea la figura 14.115Seleccin de bombasEl comprador suministra a los fabricantes los datos del proceso y este le recomienda la(s)bomba(s) adecuadas.El comprador calcula los requerimientos del sistema de bombeo usando catlogos y curvas caractersticas.Se combina los pasos anteriores hasta llegar a un acuerdo para la seleccin final.16Pasos para el calculo y seleccin de bombasElaborar un diagrama del sistema de bombeo indicando tamao de vlvulas, accesorios y tuberas (tramos y topografa)Predecir (rango) la capacidad de bombeo requerida Estimar las propiedades y condiciones de operacin de los lquidosElegir la clase y tipo de bombaCon (1) y (2) se estima el tamao de la bombaCon (4) y con la informacin del proveedor se puede seleccionar la(s) bomba adecuada(s)

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Seleccin del tipo de bomba: cabeza de presin y tasa de flujoCabeza (o carga) de bombeo y tasa de flujo19En el occidente es comn usar gpm como abreviacin de galones americanos por minuto. El uso de pies cbicos o metros cbicos por segundo, es veces mas conveniente para clculos.Caracterizacin general de bombas20NPSHA disponible para bombas

21Valores de A en la ecuacin 14.222PHANPSHAbarm10.22mkPam0.102mpsipie2.31pieCabezal dinmico total23Cabeza neta de succin requerida NPSHR (por el fabricante)Recomendado por el fabricante en base a la velocidad de rotacin, la superficie de admisin del ojo del impulsor en la bomba centrifuga, el tipo y numero de alabes en el impulsor, etc., y en las bombas reciprocantes, el NPSH depende de la velocidad y el tipo de vlvulas.El fluido de prueba es agua a alta temperatura o hidrocarburos. Con agua el NPSHR es menor y se tienen que usar factores de correccin (GPSA) o usar la diferencia como factor de seguridad.Normalmente se recomienda mnimo 3 pies.En bombas reciprocantes se requiere una correccin llamada cabeza de aceleracin (Hac). Cuando se disea la tubera de entrada de BR sin un instrumento de control de pulsaciones, se debe considerar la aceleracin y desaceleracin que el fluido causada por el movimiento del embolo. Use la ec. 14.3 para tuberas de succin menores a 15 m (50ft).24Velocidad especifica25Cabeza de aceleracin (Hac) para bombas reciprocantes

26NPSHA (cont.)En lneas de succin > 15m, los ruidos internos, velocidad de onda de presin son significantesUn accesorio llamado malla de arranque se coloca en la succin. Cavitacin destructiva puede ocurrir al arranque. Desafortunadamente los datos publicados son limitados, aun as es razonable.Botellas de succin neumtica o de pulsacin de gas casi elimina la cabeza de aceleracin.Los vendedores de bombas rara vez toman en consideracin las mallas de arranque en sus valores de NPSHR. Algunos de ellos prohben su uso luego del arranque. Por seguridad, es mejor preguntar al vendedor acerca del uso de mallas con sus equipos.27El valor determinado de Hac debe ser substrado del NPSHA calculado y aun mantener un margen de cabeza razonable. El tamao de la tubera es inversamente proporcional a Hac. En tuberas de succin > 15 m, perturbaciones internas y velocidad de la onda de presin son significantes y el Hac calculado probablemente sea mayor que el existente.El uso de botellas de pulsacin de gas o neumticas en la seccin de succin adyacente a la bomba prcticamente eliminan la Hac.28NPSHA (cont.)

29Requerimientos (de potencia) de bombeo3031Requerimientos de potencia de una bombaTrabajo hecho por una bomba32Requerimiento de potencia (para bombeo)

33Potencia hidraulica (HPH) y potencia al freno (BHP)34Cobertura hidrulica: Curvas de rendimiento de bombas centrifugas

35Bombas centrifugas

36Bombas centrifugasLas fig anterior muestra una bomba(s) de impulsor cerrado con anillos (wear rings) que limitan la cantidad de gas que puede del lado de alta presin al lado de baja presin. Esto resulta en incremento de la eficiencia y cabeza hidraulica. En ciertos casos, la cabeza producida por una bomba de una etapa es menor que la requerida. Entonces, se puede colocar varios impulsores en serie en el mismo eje para convertir en una bomba de multietapas. 37Curvas de rendimiento de bombasIngersoll Rand type A

38Curvas caractersticas (de bombeo)

39Rendimiento de una bomba centrifuga

40Velocidad especifica vs dimetro para bombas centrifugas de una sola etapa

41Velocidad especifica de succin (Nss)

42Velocidad especifica de succin (Nss)Cavitacin puede ocurrir aun cuando NPSHA > NPSHRcavitacin puede ocurrir con bajo caudal si Nss > 120cavitacin puede ocurrir al 30-40% de mxima eficiencia aun cuando NPSHA = 2 NPSHResto se debe a recirculacin interna. Con hidrocarburos esto es menos problemtico pero se recomienda evitar Nss > 200 Se recomienda circunvalar (by pass) en bombas centrifugas de alta energa OBSERVACION: en el folleto N. Vera Zulia aparece un valor de Nss de 11000, pero si este valor se multiplica por A da 213 en unidades inglesas que es el valor mximo recomendado arriba.43Curvas de mxima eficiencia vs Ns y caractersticas de impulsores (abajo) de bombas centrifugas

44Seleccin de una bomba y rendimiento45Curvas de carga del sistema y de rendimiento de una bomba centrifuga

46Curvas de rendimiento de la bomba y del sistema47ControlEn aplicaciones industriales, generalmente la bomba opera en un rango de caudales. Para controlar el flujo a travs de una bomba es necesario cambiar la forma de una o ambas curvas de performance. El mtodo tradicional para controlar el flujo a travs de cualquier bomba dinmica se lo hace con una vlvula en la descarga. El liquido es estrangulado en esta vlvula de tal manera que la cabeza del sistema aumenta artificialmente hasta dar el flujo deseado de acuerdo con las caractersticas de las bombas. Esto tiene algunas desventajas mecnicas. Desde el punto de vista econmico es ineficiente por el mayor consumo de combustible. Por esta y otras razones se usa bombas de velocidad variable. Con estas bombas, la curva de la bomba es ajustada de acuerdo con la ley de afinidad.48Mtodos para cambiar el caudal de una bomba centrifuga (control de operacin)Normalmente la demanda de caudal es variable (mnima y mxima). Esto se logra cambiando las rpm (figura izquierda) o colocando una vlvula de estrangulamiento (figura derecha) en la descarga de la bombaVer procedimiento para trazar la curva del sistema (Cap 5, pag 15, N. Vera Zulia)

49Procedimiento para trazar la curva del sistemaSuponer el flujo volumtrico a ser bombeado.Calcular la velocidad de succin y de descarga con los dimetros dados en el caso de un sistema instalado, o fijar una velocidad en caso de un nuevo sistema. Luego seleccionar los dimetros comerciales.Calcular las perdidas en la tubera de succin y de descarga incluyendo accesorios.Calcular el cabezal dinmico total.Variar el flujo volumtrico y repetir los pasos 3 y 4.Trazar la curva H vs Q.

50Control de la capacidad de una bomba centrifuga

51Ventajas de una bomba con el uso de motores de velocidad variable

52Bombas de velocidad variableOtras ventajas de bombas de velocidad variable.Arranque suave sin necesidad de gastar corriente ya que no se necesita cerrar la vlvula de descarga.Menor gasto de la bombaNo necesita operar a altas presionesA velocidad constante, la desviacin del eje aumenta con tasas bajas.Se reduce el ruido hidrulico causado por la bomba.Se elimina el mantenimiento de la vlvula de estrangulamiento.53Control de la operacin de una bombaHay cinco mtodos para bombas de velocidad variable.Estado solido de corriente alternaControl del motor de corriente directaCambiadores mecnicos, electromecnicos y de velocidad del fluido.

54Bombas en serie: ley de afinidad

55Anlisis de bombas en serie

56En este caso la primera bomba sirve de succin a la segunda y la descarga de la segunda como succin de la primera y as sucesivamente.Las variables son el caudal y el cabezalFig 5.8 muestra dos bombas iguales, arriba, y dos bombas distintas abajoEl caudal es el mismo y la cabeza es la suma de las dosAnlisis de bombas en paralelo57

Bombas en paralelo descargan a una tubera comn. El caudal total es la suma de los caudales de las bomba conectadas. Se usa una extra como bomba de reserva.En resumen, en casos de bombas en serie o en paralelo, igual que para una bomba, la curva de carga vs caudal da el punto de operacin del sistema.

Bomba centrifuga tipo A de una etapa58

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Bombas reciprocantesSon bombas de desplazamiento positivo que mueven una cantidad fija de liquido mediante un pistn, embolo o un diafragma de desplazamiento a la salida del fluido. Son usadas especialmente para lodos (http://www.wirth-erkelenz.de/fileadmin/resources/pdf/Oil_and_Gas/Oilfield_Drilling_Equipment_spanisch.pdf), lquidos muy viscosos y cuando se requiere alta presin. Debido a la menor velocidad, los costos de mantenimiento son menores que de las bombas centrifugas. Hay dos tipos bsicos de motores. Bomba de potencia son accionadas por motores, turbinas, etc. Bombas de accin directa son accionadas por vapor, gas, aire, petrleo, agua. La figura 14.10 muestra secciones de una bomba de pistn (izquierda) y una de tipo diafragma (derecha).Las bombas de embolo (plunger) son preferidas sobre las de pistn porque el sellamiento fijo sella mejor que los rines de los pistones.61Bombas Reciprocantes

62Bombas reciprocantesDiafragma se usa con fluidos corrosivos o erosivos donde una pequea fuga es perjudicial. La fig 14.10 muestra que el embolo mueve al diafragma con un fluido hidrulico. BD utilizan paredes elsticas (membranas o diafragmas) en combinacin con vlvulas de retencin para introducir o sacar fluido de una cmara de bombeo.Se muestra Vlvulas check de bolas. Estas se usan en bombas de bajo caudal como las de medicin o de inyeccin de qumicos. Bombas grandes generalmente usan vlvulas de disco.La cmara de presin puede ser de accin simple o de doble accin. Tienen una succin y una descarga. Si tienen una segunda succin y descarga se colocan en el lado derecho del embolo (doble accin). Las de simple accin se usan cuando se requiere alta presin y bajo caudal.Una desventaja es la sobrecarga de velocidad durante el desplazamiento del embolo. Una solucin es usar un elemento de bombeo en paralelo.63Bombas reciprocantesNumero de elementosTipo de bombaVariacin de la velocidad %2Duplex1603Triplex255Quintuplex77Septuplex464La velocidad de variacin es el rango de velocidades con relacin al promedio.En una triplex, la velocidad mnima es 82% del promedio y la mxima el 107%, lo que da una diferencia de 25%.Una de accin simple triplex es comn en unidades de deshidratacin con glicoly de endulzamiento.Los dimetros del embolo varan de 0.75-2.5 pulg con una carrera de 1-8 pulg.Para un rendimiento confiable, la velocidad permitida de bombeo depende deLa longitud de la carrera variando desde 1 pulg a 600 rpm hasta 8 pulg a 200 rpm.Tpico en bombas triplex es carrera de 3 pulg, y 400 rpm mximo.Bombas reciprocantes: recomendaciones para instalacinLa eficiencia global para bombas reciprocantes de motor es de 85-92% cuando operan sobre el 50% de carga. La eficiencia de las bombas de accin directa es menor, dependiendo primeramente de sus velocidades. La siguiente fig muestra la correcta instalacin de una bomba reciprocante.Para bombas de desplazamiento positivo se recomienda usar un bypass para el arranque y el control del caudal. Velocidad y circunvalacin (by pass) del liquido son los medios mas efectivos para un control de flujo.65Bombas reciprocantes: instalacin correcta

66Informacin del rendimiento de bombas reciprocantesLa informacin de los fabricantes puede ser presentada en forma grafica o en forma de tablas

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Parmetros de operacin68nomenclaturaA= Area seccional del emboloM= Numero de embolos o pistonesS= Longitud de la carrera, pulgN= Velocidad de rotacion, rpmDP= Desplazamiento del piston (gpm)a= Area seccional de la varilla o vastago, pulg2697071Si NPSHANPSHR (10 ft)Si liquido no se enfra antes de la succinNPSHA = 7.4 pies (