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Sección Española
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SISTEMAS DE CONTROL EN COMPRESORES ALTERNATIVOS
D. José Javier Cuevas Martín HOERBIGER IBÉRICA, S.A. [email protected]
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RESUMEN
Los compresores alternativos son máquinas vitales en muchos sectores básicos de una economía industrial (refino del petróleo, petroquímica, transporte de gas, etc.). Durante muchos años el control de su capacidad para adaptarse a la demanda ha sido un problema. En este artículo se analizan los sistemas de regulación disponibles actualmente en la industria, incluyendo los últimos desarrollos aparecidos. Mediante un ejemplo práctico se detallan las implicaciones de este tipo de sistemas para la actividad de control. Por último se incluye un análisis de cómo debe afrontarse un proyecto de modificación del control de compresor al que si instale un sistema moderno y continuo de control de capacidad.
1. INTRODUCCIÓN
Un compresor alternativo (también conocido como de pistón) es una máquina que se puede clasificar dentro de
los de tipo de desplazamiento (frente a los dinámicos), y dentro de éstos en la categoría de los de movimiento
alternativo frente a los rotativos. Este clasificación se debe a la manera en que consigue comprimir los gases: un
motor con movimiento giratorio
mueve, a través de un cigüeñal y
una biela, un embolo o pistón con
un movimiento oscilante entre dos
puntos comúnmente denominados
puntos muertos (superior e inferior).
El aumento de presión se consigue
disminuyendo el volumen ocupado
por el gas, durante la fase de
compresión
El ciclo de funcionamiento de un
compresor se completa con 3 fases
más, dando lugar a cuatro tiempos
como los que se representan en la
figura 1. Si partimos del punto
situado más a la derecha en la
figura, el compresor realiza la
compresión hasta que la presión
dentro del cilindro supera la
presión en el conducto de
impulsión, momento en el cual la
Figura 1. Fases del ciclo de un compresor alternativo
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válvula de impulsión abre y comienza la fase de descarga del gas. Cuando el pistón llega al punto extremo de su
carrera la presión dentro del cilindro comienza a descender, lo que provoca el cierre de la válvula de impulsión y
la disminución de la presión en el interior del cilindro (fase de expansión). Esta disminución continúa hasta que
la diferencia de presiones entre el cilindro y el sistema de aspiración es suficiente como para abrir la válvula de
aspiración. Esta fase se denomina aspiración y se prolonga hasta que el pistón alcanza el punto de partida.
2. OBJETIVOS
En las siguientes secciones se presentarán los siguientes contenidos:
1. Sistemas de regulación de la capacidad de un compresor alternativo.
2. Circunstancias del funcionamiento del compresor que deben analizarse por parte del responsable de
control para su correcto gobierno.
3. Planteamiento de un sistema de control para un compresor equipado con un moderno dispositivo de
control de capacidad continuo.
3. SISTEMAS DE REGULACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN COMPRESOR ALTERNATIVO
Un compresor alternativo que gire a una velocidad constante, y que mantenga unas presiones y temperaturas de
aspiración e impulsión también estables, es capaz de ofrecer una carga (o lo que es equivalente un caudal de gas)
que es constante. Esto se debe a que en las mismas condiciones de presión y temperatura, la cantidad de gas
atrapada por el compresor es la misma. Obviamente en las aplicaciones industriales las situaciones en que todos
esos parámetros se pueden mantener constantes son muy limitadas; muy al contrario una de las exigencias suele
ser que el proceso, en su conjunto, sea capaz de adaptarse a situaciones variables de “oferta y demanda”.
En la tabla 1 podemos ver un resumen de los dispositivos de regulación de la capacidad de un compresor. Como
figura en la tabla los sistemas con mayor número de ventajas (incluidos todos los de regulación continua,
excepto al válvula de recirculación) son relativamente recientes , por lo que en la inmensa mayoría de las
instalaciones existentes en el mundo el estándar de equipamiento de regulación ha sido una combinación de una
regulación por etapas (con accionamientos neumáticos gobernados por válvulas solenoides) y una válvula de
recirculación. Esta combinación es una solución de compromiso que aprovechando las bondades de la
regulación continua de la recirculación, intenta mitigar su ineficiencia energética (en algunos casos esta
ineficiencia es realmente muy considerable: por ejemplo un compresor de de 800 KW que trabaje 8000 horas al
año, y que recircule un 15% de su caudal, tiene unas perdidas de energía en torno a los 50.000 EUR al año). Por
supuesto, hay otras muchas instalaciones que tienen otras soluciones o combinaciones de las indicadas en la
tabla 1.
En la figura 2 se ha representado un caso que se puede considerar representativo de la situación que un técnico
de control puede encontrar si bajo su responsabilidad se encuentra un compresor alternativo. En ella se han
representado una válvula de recirculación (controlada mediante un actuador, gobernado a su vez, por una señal
que llamaremos V). Por otro lado se ha querido representar mediante unos símbolos con forma troncoconica una
regulación por etapas del compresor. Los escalones o saltos discretos de capacidad de este tipo de regulación
dependen de la configuración física del compresor. Por ejemplo un compresor con un solo cilindro, con dos
cámaras de compresión, sólo podrá trabajar al 0% (para lo que en ambas cámaras el gas debe de estar
recirculando gas), al 50% (cuando solo lo hace en una de ellas), o al 100% si no hay recirculación en absoluto.
Estas 3 situaciones se controlan mediante un conjunto de válvulas solenoides y un sistema neumático, que para
simplificar hemos denominado señal N.
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Tabla 1. Sistemas de regulación de la capacidad de los compresores alternativos
El proceso que debe programarse tiene como función comprimir un gas desde un depósito usando uno de los tres
compresores idénticos representados en la figura (este tipo de configuraciones se hacen cuando la disponibilidad
de la unidad es absolutamente crítica, y por prudencia se instalan equipos redundantes). Se partirá de la hipótesis
de que para el proceso productivo, es imprescindible mantener la presión después de los compresores en un
valor constante a elección. La variable de control va a ser, por tanto la obtenida del medidor de presión PT2. En
el correspondiente bucle de control habrá un selector que nos permita seleccionar (automática o manualmente)
una de las tres opciones de la variable N, y la variable de consigna será la V.
4. CIRCUNSTANCIAS SINGULARES DE GOBIERNO DEL COMPRESOR
Las distintas situaciones que se deben tener en cuenta en la programación de un sistema de estas características
son las siguientes:
1. Arranque de uno de los compresores estando el resto parado (arranque de la planta o unidad).
2. Operación normal.
3. Parada de un compresor y arranque simultáneo de otro.
4. Modo de actuación ante fallo de los sistemas de control (fallo en la válvula de recirculación o en el
sistema por etapas) o ante otros fallos o alarmas de seguridad.
4.1. Arranque del compressor.
Si como es lo habitual, el motor del compresor es eléctrico, la operativa de puesta en marcha del compresor
exige que, para evitar consumos excesivos puntuales de energía, el compresor arranque sin realizar trabajo de
compresión. En otras palabras, la señal N al sistema debe ser tal que mantenga todo el gas recirculando y sin
FIGURA NOMBRE PRINCIPIO VENTAJAS DESVENTAJAS
Parada y arranque En ausencia de demanda se para el motor Ahorro energíaDaños al motor por
arranques continuos
Todo nada
Recirculación del gas a la aspiración.
Mediante un dispositivo mecanico se
mantiene abierta la válvula de aspiración.
El gas no se comprime sino que solo se
desplaza
Ahorro energíaNo es una regulación
continua
Regulación por etapas.
Descarga de efectosRecirculación del gas a la aspiración Ahorro energía
No es una regulación
continua
Cambio de poleas Variación discreta de la velocidad de giro Ahorro energía Exige parar el motor
Variacion de velocidad de giro
Variación continua de la velocidad de giro.
1ª variante: motor electrico con variador
de frecuencia
2ª variante: motor de gas con alimenta-
ción variable
Regulación continua
Costes elevados
Limitaciones del rango
(no es continuo entre 0
y 100%)
Válvula de recirculación
Todo el gas que no se requiere es devuelto
a la aspiración una vez comprimido.
Se hace pasar por una válvula de apertura
regulable
Regulación continua
No se ahorra enegía
Puede ser lenta
Exige modificaciones en
el control del compresor
Volumen adiccional Variación del volumenRegulación continua
Ahorro energético
Suele ser lenta.
Se limita a rangos entre
50 y 100%
Exige modificacines en el
control del compresor
Regulación continua:
Neumatica (1970)
Hidráulico-electronica (1997)
Recirculación del gas a la aspiración
Regulación continua
fina y rápida.
Ahorro energético
total
Exige modificaciones en
el control del compresor
REGULACION
DISCONTINUA
REGULACION
CONTINUA
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comprimirse. Dada la gravedad de un posible error u olvido, normalmente se programa en automático esta señal,
e incluso se diseñan los sistemas mecánicos de manera que en ausencia de fuerza motriz (neumática
normalmente) el compresor pueda arrancarse en descarga.
Por otro lado, la variable V debe
ser tal que durante esta operación
la válvula esté completamente
abierta (todo el gas recirculando).
Ello se debe a que normalmente se
desea que haya un crecimiento
controlado de la presión del
sistema de impulsión (variables
PT2).
Además de estas consideraciones
en la secuencia de puesta en
marcha de un compresor, se han de
tener en cuenta las operaciones
previas exigidas por el fabricante
para el correcto funcionamiento del
compresor (véase arrancar las
bombas de lubricación, comprobar
que el motor está realmente
girando, etc.
Por otro lado, es importante saber
que existe una limitación en el tiempo durante el que el compresor puede estar trabajando en vacío, sin carga.
Esta limitación se debe a que durante la recirculación del gas en la aspiración existe un calentamiento por
rozamiento que no puede ser disipado al no renovarse el gas. Si se mantiene la recirculación durante largo
tiempo, entonces algunos materiales del compresor pueden llegar a alcanzar temperaturas críticas. Para evitarlo
es conveniente que haya un límite de tiempo programado automáticamente con objeto de impedir que este
calentamiento se produzca.
4.2 Operación normal.
Como ya se ha indicado anteriormente una vez que se ha superado la fase de arranque, la operación normal
consistirá en ajustar la presión PT2 a los valores deseados o demandados en cada momento por los sistemas que
se encuentran tras el compresor. Normalmente, el fabricante del compresor suministra información sobre los
valores más adecuados del controlador (tipos de controladotes PI o PID así como de sus constantes).
Una decisión importante que habrá que tomar, y que dependerá mucho de las preferencias y/o circunstancias del
proceso del que se trate, será el modo en que se seleccionen los escalones de control de la variable N. Hay
argumentos tanto a favor como en contra, de que se decida utilizar un rango partido en función de la señal PT2,
que seleccione automáticamente la carga mediante la variable N, frente a la posibilidad de selección en manual
por el operador de cada una de las posibilidades.
4.3. Parada de un compresor y arranque de un segundo.
Las labores de mantenimiento, o situaciones de seguridad pueden exigir que una de las 3 unidades del caso de la
figura 2 requiera ser detenida, y que para evitar la parada del proceso, su capacidad de compresión sea asumida
por otro compresor.
Figura 2. Esquema de una instalación típica.
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La manera en que suele comenzar esta operación es arrancando el segundo compresor según las instrucciones
indicadas en el punto 4.1.. Una vez que el compresor ya está en vacío, pero dispuesto para comprimir, lo que se
hace es que bien automáticamente o manualmente se disminuye la capacidad del primer compresor, y se
aumenta la del recién arrancado. Estos aumentos y disminuciones progresivos se realizan hasta que el primer
compresor pasa a trabajar sin carga, y el segundo ha asumido todo la labor de compresión. En ese momento se
puede proceder a apagar el motor de este último, con lo que se acaba la operación. En ese intervalo la válvula de
recirculación irá compensado los desequilibrios de la capacidad.
4.4. Actuación ante alarmas de seguridad o fallos.
Existen una serie de situaciones (fallos de los sistemas mecánicos, eléctricos, neumáticos, alarmas, seguridades,
etc.) que exigen que el sistema de control de capacidad actúe de una determinado manera para que la seguridad
de los equipos, y en ultimo caso del resto de la planta e incluso del personal, no se ponga en peligro.
Ejemplos típicos de estas situaciones son los disparos provocados por alta presión en la impulsión o de baja
presión en la aspiración. Estas situaciones, están claramente tipificadas por el compresorista que suministra el
equipo, y deben de integrarse en la parte que afecte a cada caso. Un ejemplo de las medidas tomadas para evitar
las consecuencias de estas situaciones es la práctica más que común de que la válvula de recirculación sea capaz
de controlar todo el caudal del compresor. En otras palabras, hacer que ante fallo de otros sistemas, la válvula
pueda recircular la totalidad de la capacidad y por lo tanto pueda gobernarse el compresor sin mayor problema.
5. PROYECTO DE ACTUALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL HASTA UNA REGULACIÓN CONTINUA
Figura 3. Principio de funcionamiento del sistema de regulación continua con accionamiento hidráulico y
gobierno electrónico.
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Desde el lanzamiento en el año 1997 del más moderno sistema de control de carga para compresores
alternativos, realmente es posible realizar una regulación continua sin usar la válvula de recirculación. La
principal ventaja de estos sistemas, que en principio son más complejos al tener sistemas hidráulicos y
electrónicos (ver figura 4), es que además de mejorar las características dinámicas de respuesta de la válvula de
recirculación, se consigue que el compresor no consuma más que la energía de compresión del gas que se
necesita. El éxito de estos sistemas radica precisamente en el ahorro energético que ello supone (ver ejemplo de
cálculo de los ahorros en la sección 3.
La actualización del sistema de regulación es realmente un proyecto en toda regla, que exige del Departamento
de Control de las empresas una involucración total. Es un reto interesante, del que se van a analizar las claves
para su éxito.
Para ilustrar las características
de dicho proyecto vamos a usar
el mismo caso práctico que se ha
analizado en el punto anterior.
Para estudiar brevemente las
características del sistema
usaremos la figura 4. En ella
puede verse como el compresor
A, ha sido el elegido para
albergar el nuevo sistema. Se ha
supuesto que se instalará en solo
uno de ellos, por lo que en los
otros dos no se modificará en
nada el anterior sistema por
etapas. Igualmente se mantiene
la válvula de recirculación
Como puede verse el nuevo
sistema, exige una serie de
instalaciones nuevas:
1. Un ostroboscopio situado en
el volante de inercia que es el
que permite medir cual es la
posición del punto muerto
superior del compresor en el
volante de inercia (en la figura 4
se ha representado el motor y el
volante, pero estos no son nuevos, sino que se han incluido por claridad únicamente). Esta medición es necesaria
para que la electrónica del sistema (CIU) sea capaz de regular el tiempo que deben permanecer las válvulas de
aspiración abiertas para atrapar la cantidad de gas estrictamente necesaria y dejar recircular el resto (ver figura
3).
2. Una unidad hidráulica con su motor de corriente continua. Esta máquina es la que proporciona el fluido a
presión que permite mantener abiertas las válvulas mediante los descargadores. Además habrá un circuito
hidráulico para llevar el fluido hasta cada uno de los actuadotes (ver figura 3)
3. Los actuadores. Son los dispositivos que mediante una válvula solenoide y una tarjeta electrónica situados en
su interior permiten que cada válvula permanezca abierta el tiempo necesario. Se colocan uno sobre cada válvula
de aspiración controlada (se han representado en la figura 4 con una L de color verde; y los elementos que
contienen, entre otros, son los pistones y la válvula solenoide de la figura 3).
Figura 4. Esquema de una instalación típica con un sistema de
regulación continuo hidráulico-electrónico.
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4. Una CIU (o unidad electrónica). Es una unidad multifunción que sirve como alimentación continua de
electricidad a la electrónica de los actuadores, como traductor de la señal de control (%) del control principal del
cliente a señal para los actuadotes que controlan físicamente la capacidad del compresor, sirve igualmente de
panel de control y diagnostico para el sistema, etc. Al asumir la CIU el control del sistema, autónomamente
respecto al DCS o al PLC del compresor (solo se comunica con éstos únicamente mediante señales de control
analógicas y digitales), se evita la dificultad de programar en el DCS la operativa básica de control de capacidad.
La selección de la arquitectura tal y como se acaba de describir, simplifica enormemente el trabajo del ingeniero
de automatización, pero no elimina su decisivo papel en el proyecto. En pocas palabras, su misión será revisar
como se ven afectadas cada una de las situaciones de operación descritas en el apartado anterior al montarse el
nuevo control de capacidad. A continuación se repasa como abordar estos cambios.
5.1 Arranque del compresor.
Con respecto a un sistema como el descrito en la figura 3, la nueva regulación presenta 2 características
diferenciadoras:
a) A las operaciones previas al arranque del compresor, se ha de añadir la puesta en marcha de la unidad
hidráulica. Esta anticipación es necesaria para asegurar que el sistema hidráulico está presurizado y
puede mantener abiertas las válvulas de aspiración para que el compresor arranque completamente
descargado (esta operación equivale a asegurarse que en el compresor de la figura 3, tenemos presión
neumática en la red para poder actuar sobre los descargadores y arrancar en vacío).
b) Por otro lado, la situación de la válvula solenoide que gobierna la comunicación del circuito de
alimentación con la de retorno (ver en la figura 3 como ambos están comunicados cuando se quiere que
la válvula de aspiración se encuentre cerrada y el compresor en compresión), y por tanto decide si el
compresor está completamente en descarga (0% de carga) se diseña de manera que incluso ante
cualquier fallo eléctrico o de señal permita que el compresor jamás pase a estar en carga (gracias al
muelle que posiciona la válvula solenoide en dicha situación ,ver figura 3)
5.2. Operación normal
En esta situación encontramos una enorme diferencia con el sistema de la sección anterior: ya no es necesario
prefijar un valor sobre la variable N, y después controlar mediante el valor de consigna de la señal V. Ahora
actuando sobre una solo señal (indicada con un símbolo de %) es posible conseguir que el compresor ajuste
perfectamente la demanda al valor de consigna de la presión de impulsión PT2. La manera de conseguirlo es
gracias a que la electrónica, y el sistema hidráulico-electrónico son capaces de fijar un determinado tiempo de
apertura de la válvula de admisión, y por tanto una cierta cantidad de gas atrapado en el cilindro. Si las
condiciones varían o el sistema no es capaz de ajustarse a la demanda, la señal de control aumentará o
disminuirá el tiempo de apertura de la válvula, y por tanto el gas que entra en el cilindro (ver figura 3).
Este modo de control es, no sólo automático, más rápido y exacto en mantener estable la presión de impulsión
PT2, que cualquiera de los otros métodos conocidos hasta el momento. Y todo ello con una eficiencia energética
óptima.
Una precaución adicional que se plantea ante la posibilidad de control sin etapas entre 0 y 100%, es que se ha de
evitar que la máquina trabaje a baja carga durante un período largo de tiempo. Si la demanda baja puede que sea
necesario que la carga del compresor se reduzca muy cerca de la descarga total. En ese caso, como ya hemos
mencionado anteriormente, el compresor se calentaría y algunos elementos podrían deteriorarse (segmentos,
bandas, etc.). Por lo tanto, dentro de las situaciones de seguridad que se tienen que adoptar habrá que evitar que
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el compresor trabaje por debajo de un determinado valor (entre 0 y 20 ó 30% según las circunstancias), no solo
en el arranque sino en cualquier situación de control. Esto se verá en la sección de protecciones.
5.3. Parada de un compresor y arranque de otro
La posibilidad de control de capacidad de la regulación continua simplifica y hace más suave también, esta
operación. Tanto si el compresor A equipado con el sistema continuo es el que arranca o el que para, su
capacidad para adaptarse perfectamente a los puntos de consigna hace que baste operar el compresor por etapas
manualmente a voluntad, para que el compresor A se adapte sin más problema para mantener el proceso estable.
Lo único que hay que determinar es como hacer físicamente la parada final de uno de los compresores.
5.4. Actuación ante alarmas de seguridad o fallos.
El hecho de que se
introduzcan unos dispositivos
adicionales en el compresor
(sistema electrónico e
hidráulico) supone que hay
que contemplar nuevas
situaciones de alarma y
seguridad. Esto en ningún
caso supone que se ponga en
peligro ninguno de las
seguridades preexistentes del
compresor. Todo lo contrario,
el nuevo sistema requerirá
nuevas protecciones, pero
ninguna de las existentes
deberá verse alterada en lo
más mínimo. Estas nuevos
enclavamientos se estudiarán
a continuación.
a) Fallo en el sistema electrónico o hidráulico del sistema continuo. Aunque ambas situaciones son
distintas (una provoca que el compresor se descargue completamente: la electrónica), normalmente se
asemejan puesto
que en caso de
que se reciba una
señal de error por
parte de la CIU, el
DCS/PLC debe
detener la bomba,
con lo que el
compresor se
situaría en
situación de plena
carga (misma
situación que
provoca el
fallo de la
Figura 5. Diagrama de bloques para cambio de control a válvula recirculación.
Figura 6. Diagrama de bloques para control con rango partido.
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unidad hidráulica). Una vez alcanzada esta situación se daría control de la presión de impulsión a la
válvula de circulación a través de la variable V. De esta manera el compresor quedaría bajo control, sin
afectar a la producción ni al control del sistema. Lo que obviamente no se conseguiría a partir de ese
momento es el ahorro energético.
b) Como ya se ha descrito en la sección anterior hay que evitar que por bajada de la presión de aspiración
el compresor trabaje por debajo de un determinado valor de carga. Hay dos métodos para realizar este
objetivo uno es usar un valor de consigna de la presión de aspiración para que, por debajo del cual, el
sistema de regulación continua cede el control a la válvula de recirculación (o también llamada de
“bypass”) y el otro es hacer un rango partido con la señal de control. La primera opción se ha
representado en la figura 5 y la segunda en las 6 y 7. Ambas son igual de eficaces y solo se diferencian
en el modo de programarlas en el DCS/PLC.
6. CONCLUSIONES
Los nuevos desarrollos en la regulación de
los compresores alternativos ofrecen
grandes ventajas al usuario, si bien,
representan un reto para el ingeniero de
control. Sin embargo, un análisis
concienzudo de todas las posibles
situaciones permite abordar estos proyectos
con totales garantías de éxito.
REFERENCIAS
Dr. E.H. Machu: New developments in the stepless reverse flow capacity control system for reciprocating
compressors, C477/019 ImechE 1994 pp.55-65
Dr. P. Steinruck,Dr. F. Ottisch, A.Oberhuber,M.Linskeseder: HydroCOM-Active suction valves for efficient
control of a reciprocating compressor´s capacity. Hoerbiger Engineering report.
Dr. E.H. Machu: Stepwise or on/off capacity control of reciprocating compressors. Hoerbiger Engineering
report. 1992
J.Ott: Pneumatische regulung von Kolbenverdichtern. 1973
R.J.M. Schutte: Capacity control by means of Hydralic operated variable clearance pocket. 2nd European
Forum for Reciprocating Compressors – Den Haag, The Netherlands
Figura 7. Representación del rango partido.
