Seleccion de sistemas de compresión de Gas Natural comprimido

5/9/2018 Seleccion de sistemas de compresi n de Gas Natural comprimido - slidepdf.com

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SELECCIÓN DE SISTEMAS DE COMPRESIÓN EN ESTACIONES DE SERVICIO DEGAS NATURAL COMPRIMIDO (CNG).

Dependiendo de la aplicación los compresorespueden clasificarse en tres tipos: desplazamientopositivo, dinámico y térmico.

Los compresores de desplazamiento positivo,como se observa, caen en dos categorías

básicas: reciprocantes y rotatorios.

Los compresores reciprocantes son mecanismosde uno o más cilindros con pistones que semueven adelante y atrás desplazando unvolumen determinado en cada carrera.

Los compresores reciprocantes cubren una granvariedad de necesidades de potencia desdefracciones hasta más de 20.000 hp por unidad.Las presiones pueden variar desde vacío en lasucción hasta 30.000 psi y mayores en ladescarga.

Los compresores de diafragma usan como pulsohidráulico un diafragma flexible para desplazarel gas.

Los rotatorios cubren los tipo lóbulos, tornillos,“vane” y de anillo líquido, cada uno tiene uncuerpo con uno o más elementos rotativos que

se mueven el uno sobre el otro tal como lóbuloso tornillos y desplazan un volumen fijo en cadarotación.

Los del tipo dinámico incluyen maquinarias deflujo radial (centrífugos), de flujo axial y flujomezclado. Ellos están en continua rotación en elcual los elementos rotativos (impeler ocuchillas) aceleran el gas que pasa a través deestos elementos convirtiendo la cabeza develocidad en presión estática.

Los eyectores son compresores térmicos queusan una alta velocidad de un chorro de gas ovapor para arrastrar el gas dentro de lacorriente, para entonces convertir la velocidadde la mezcla a presión en un difusor.

En la siguiente gráfica muestra el rango normalde operación para los diferentes tipos decompresores comercialmente disponibles y sirvecomo carta de selección del tipo de compresor a

utilizar dependiendo de una aplicaciónespecífica.



La mayoría de los compresores en el mercadodel GNCV varían en un rango de 5300 a 70630scfh (150 a 2000 m3 estándar por hora), apresiones de 3600 psig (250 bares) que son lascondiciones para almacenar y abastecer loscilindros de los vehículos y darles unaautonomía asimilable a los de gasolina.

Debido a que las Estaciones de Servicio de GasNatural Comprimido manejan bajos volúmenesy altas presiones, las unidades de compresiónestán circunscritas al tipo desplazamientopositivo, reciprocante y multietapas. Es por estarazón que la selección de los diferentes sistemasque componen la Estación, debe realizarseteniendo en cuenta los diferentes factores queimpactan los resultados económicos delnegocio.

En términos generales, una Estación está

integrada por tres sistemas: compresión,almacenamiento y distribución (surtidores).

El objetivo de este artículo, es analizar algunosde los diferentes factores a considerar almomento de seleccionar los sistemas quecomponen la Estación de Servicio de GasNatural Comprimido.

1. SISTEMA DE COMPRESIÓN

Los compresores reciprocantes sonsuministrados de una o de varias etapas. Elnúmero etapas está determinada por la relación

global de compresión (r = Pd/Ps). La relación decompresión por etapa está limitada por latemperatura de descarga y usualmente no debeexceder de 4. Es recomendable que latemperatura adiabática de descarga de cadaetapa no supere los 300 °F.

1.1. CAPACIDAD DE LOS COMPRESORES

La capacidad del compresor está determinadapor la demanda de abastecimiento (número devehículos a llenar por hora o por día)dependiendo sí se trata de una estación dellenado rápido o de llenado lento.

Estación de Llenado Rápido: Son las máscomunes y allí es donde se surten por lo generallos taxis y buses. El gas es comprimido yenviado a los tanques de almacenamiento que

están conectados a los surtidores. El llenado delos vehículos tarda entre tres a cinco minutos.

Estación de Llenado Lento: El llenado duravarias horas, frecuentemente por la noche. Elgas pasa directamente del compresor al punto dellenado.

En el siguiente ejemplo se muestran los criteriospara determinar la adecuada selección del tipode estación a utilizar de acuerdo con lasnecesidades del servicio.

Consideremos una flota de 12 camiones queusan aproximadamente 3000 scf de GNC pordía. Sí se requiere surtir estos 12 vehículosdurante una hora al día (llenado rápido) elsistema debería diseñarse para abastecer 36000scfh. Sí estos camiones se reabastecen durantela noche en un período de 12 horas (llenadolento) las necesidades de compresión se reducende 36000 a 3000 scfh.

Este ejemplo evidencia que con una adecuadaelección del tipo de llenado se puedesubstancialmente reducir el tamaño de la

estación y por ende los costos involucrados. Sedebe prestar cuidadosa atención a lasnecesidades de procedimientos de llenado, enorden a optimizar los beneficios económicos.

En adición, los compresores reciprocantesoperan mejor en períodos continuos de muchashoras al día que en períodos cortos denumerosas paradas y arranques. Elmantenimiento general de estos compresoresdebe ser menor que aquellos que operan sobremuchas horas con cortas operaciones de paraday arranque.



Por otra parte, la selección del tamañoindividual de las unidades de compresión estáligada a la flexibilidad y necesidades deredundancia de la estación para los períodos dereparación y mantenimiento. Sobredimensionarlos compresores para proveer redundancia,

podría causar innecesarios costos de capital yno proporciona la mejor solución económica delproyecto. La selección de dos o más pequeñasunidades daría una configuración flexible ypermitiría sacar de servicio uno de loscompresores reduciendo la capacidad dellenado, sin necesidad de parar completamentela estación.

En la estación de llenado lento del ejemploanterior donde se requiere 3000 scfh decompresión, podrían utilizarse 3 unidades de1000 scfh lo que posibilitaría a la estación

operar al 67% de su capacidad en períodos dereparación y mantenimiento sin necesidad deproveer costosas infraestructuras deredundancia.

1.2. PRESIÓN DEL SUMINISTRO DE GAS.

Uno de los factores que más afectan los costosde capital y de operación es la presión desuministro de la línea de gas, la cual puedevariar de acuerdo con NTC 3838:

De 5 a 100 psig (0.345 a 6.9 bares) para

líneas secundarias y líneas de servicio.

De 275 a 1200 psig (19 a 82.73 bares) paralíneas secundarias y líneas de transmisión.

Para ilustrar la importancia de este parámetro enlos costos de inversión y de operación, acontinuación se presentan los resultados de lasnecesidades de potencia y número de etapas querequiere un compresor de 600 scfm con unapresión de descarga de 3600 psig para instalaren una localización ubicada una altitud de 2600

msnm.

PresiónSucción

( uig)

Potenciarequerida

(BHP)

Número deetapas

30 270 4

60 225 4250 164 3

Adicionalmente, si un compresor que esinicialmente especificado para operar a unapresión de succión de 60 psig, es instalado en un

área donde la presión varía de 30 a 60 psig, sepodrían presentar los siguientes problemas:

Disminución de la capacidad delcompresor. Un compresor de lascaracterísticas mencionadas, si se adquierepara trabajar a una presión normal desucción de 60 psig y la presión desuministro baja hasta 30 psig, la capacidad

disminuye de 600 a 403 scfm.

Incrementos de las temperaturas dedescarga por etapas.

1.3 MOTORES: ELÉCTRICOS VERSUSCOMBUSTIÓN INTERNA.

Una de las principales decisiones en laimplementación de las estaciones de GNC esdeterminar el uso de motores eléctricos o decombustión interna en los compresores de gas.

Ambas opciones ofrecen ciertas ventajas ydesventajas, dependiendo de la aplicación yotros factores:

Los motores eléctricos son relativamenteeconómicos, tienen mínimo impactoambiental, no requieren costososmantenimientos y muy confiables. Susdesventajas son que los costos decompresión pueden ser muy altos si losmotores son operados durante las horaspico o en áreas con altas tarifas de energíaeléctrica, adicionalmente, pueden estar

sujetos a cortes de potencia.

Los motores de combustión interna con gasnatural son relativamente económicos entérminos de los costos de combustible y sonindependientes de las redes eléctricas encasos de cortes de potencia. Sin embargo,requieren de mayor operación, tienen altoscostos de mantenimiento, no son tan fiablescomo los motores eléctricos y pueden tenerimportantes costos asociados con el manejoambiental (emisiones y ruidos).

Como regla general, las pequeñas a medianasestaciones utilizan motores eléctricos evitandolos altos costos de capital y mantenimiento delos motores de combustión interna.

1.4. CALIDAD DEL GAS

El gas natural de los gasoductos está compuestoprincipalmente de metano (> 90%) conpequeñas cantidades de gases inertes, vapor deagua, etano, propano, butanos e hidrocarburospesados. Los procesos de compresión en losgasoductos y en las estaciones de GNC, pueden

resultar en cambios de composición que algunoscasos afectan adversamente la operación de la



estación y el comportamiento del gas natural enlos vehículos. Existen tres tipos primarios decontaminación en las estaciones de GNC: 1)arrastres de aceite lubricante del sistema decompresión, 2) humedad y 3) hidrocarburospesados condensables.

1.4.1 Arrastres de Aceite Lubricantes

El arrastre de aceite lubricante de loscompresores lubricados en las estaciones deGNC constituye un problema significativo peroes manejable. Altas concentraciones de aceite(sobre 200 ppm) tienden a ocurrir en algunasestaciones de GNC, causando fallas enreguladores, válvulas, llenando parcialmentecon aceite los cilindros y afectandoadversamente las emisiones de los vehículos.Para muchas estaciones de llenado rápido de

tamaños entre 200 a 300 scfm la solución delcontrol de arrastre de aceites consiste en usarcompresores lubricados con aceite lubricantessintéticos como los polialquilen glicoles y filtroscoalescentes. Los compresores no-lubricadosestán disponibles en el mercado, aunque ciertosfactores de durabilidad como la vida los anillosdeben compararse con los costos y ciclos demantenimiento de los compresores lubricados.

Es recomendable que los proveedores de lospaquetes de compresión describan en detalle elequipo, técnicas y tecnologías empleadas para el

control de aceites lubricantes, y demuestren suefectividad.

El arrastre de aceite en las estaciones de GNCdepende de muchas variables, entre las cuales seencuentran diseño y condiciones mecánicas delcompresor; parámetros de operación (carga,temperatura y presión; tipo y cantidad de aceiteusado; número de etapas de compresión ypresencia o ausencia de dispositivos defiltración.

Al seleccionar el paquete de compresión para el

control de este problema, tenga en cuenta lossiguientes factores:

Una pequeña concentración de aceitelubricante en la corriente de gas de hasta 70ppm es deseable para la mayoría de lossistemas de GNC en el vehículo.

No siempre el uso de filtros coalescentescontrola el arrastre de aceite lubricante. Elproblema radica en que las altastemperaturas del compresor vaporizanciertas fracciones del aceite haciendo

inefectivo el fenómeno de coalescencia.

El costo por galón de los aceites lubricantessintéticos es de 4 a 5 veces mayor que el delos aceites minerales.

Algunos fabricantes afirman haberdisminuido el arrastre de aceite a través de

un diseño adecuado del pistón y un efectivosistema de enfriamiento inter-etapas ygarantizan menos de 0.5 lbs de arrastre deaceite por MMscf de GNC.

Los compresores no-lubricados serían lasolución más adecuada para la eliminaciónde arrastres de aceite. Estos compresoresusan anillos no metálicos en los pistones,los cuales son menos abrasivos y proveenlubricidad. Los compresores no-lubricadosson más costosos que los lubricados porque requieren ingeniería adicional, tales

como el uso de líquidos refrigerantes ybajas velocidades de motor. También,pueden conllevar altos costos demantenimiento debido al incremento de lafrecuencia de reparaciones especialmentepor cambios de anillos.

Los altos costos de los compresores no-lubricados podrían compensarse con unnúmero de ventajas potenciales: eliminan lanecesidad de instalación y mantenimientode filtros coalescentes, no tienen cárter, nibombas de lubricación que incrementan el

consumo de potencia.

1.4.2. Contenido de Vapor de Agua

El gas transportado y distribuido en Colombiacontiene vapor de agua, según la resoluciónCREG 071 de 1999 especifica que el gas naturalpuede contener un máximo de 6.0 lbs de aguapor MMscf.

Del contenido de vapor de agua del gas dependela ocurrencia de ciertos fenómenos como:condensación de agua libre, formación de

hidratos y corrosión, tanto en los gasoductoscomo en los puntos de expansión isentálpicos enlas estaciones de regulación y en el llenado delos cilindros de GNC.

Un hidrato, es una combinación física de aguay otras pequeñas moléculas para producir unsólido, el cual tiene apariencia de hielo, peroposee una estructura diferente al hielo. Ellos seforman en sistemas de gas natural y/o NGL,pueden taponar las tuberías, equipos einstrumentos, restringiendo o interrumpiendo elflujo.



Los hidratos tienen tres reconocidas estructurascristalinas. En todos, las moléculas de aguaconstruyen el armazón y los hidrocarburos,nitrógeno, dióxido de carbono y sulfuro dehidrógeno ocupan las cavidades. Los tipos dehidratos son:

Estructura Tipo I: de forma cúbica,estabilizada por pequeñas moléculas talescomo CH4, C2H6, CO2 y H2S.

Estructura Tipo II: tienen forma dediamante, estabilizada por moléculasgrandes tales como, C3H8, i-C4H10 y n-C4H10. Estas estructuras son más establesque las del tipo I.

Estructura Tipo H: formada por algunasisoparafinas y cicloalcanos mayores apentano.

1.4.3 Contenido de hidrocarburos pesados

Los cambios de presión y temperatura queocurren en el proceso de compresióndependiendo de la composición del gas naturalpuede originar la condensación de propano ymás pesados causando daños en cilindros yválvulas del compresor.

La determinación del comportamientotermodinámico de fases del gas (“hydrocarbondewpoint”) es fundamental para prever este tipode problemas. Para obtener un grado deprecisión aceptable en los resultados deformación de líquidos de hidrocarburos, debesuministrarse al fabricante del compresor unanálisis de composición del gas confiable. Lassiguientes recomendaciones deben tenerse encuenta para tal propósito:

Los resultados de los análisis estándar(hasta C6+) no deben usarse paradeterminar el “dewpoint” a menos queningún hidrocarburo sobre C6 esté presente.

Pequeñas cantidades de hidrocarburospesados sobre C6 aumentan

significativamente el “dewpoint”. Usandoun análisis estándar pueden obtenerseresultados de “dewpoint” artificialmentebajos.

El análisis extendido comprueba la

presencia de hidrocarburos pesados ycuantifica sus cantidades hasta por lomenos hasta el nivel de C11, es máscomplicado y costoso que un análisisestándar, y no todos los laboratorios puedenproporcionar este servicio. Este es, sinembargo, el único tipo de análisis quepuede dar un resultado preciso en ladeterminación del “dewpoint”.

Análisis de un solo dígito en ppmwdeberían requerirse, pero no menos de dosdígitos (décimas de ppmw) pueden

aceptarse.

2. ALMACENAMIENTO DE GAS

Existen tres caminos para el proceso de llenadodel GNC:

“Time Fill”: El cilindro del vehículo sellena directamente de la descarga delcompresor, utilizado en estaciones dellenado lento durante las horas de la noche.

“Buffer Fast Fill”: Los compresores sonacoplados a un solo banco dealmacenamiento para un llenado rápido ycontinuo de los vehículos. El proceso dellenado se realiza directamente de la

presión de descarga del compresor (3600psig o 250 bares) a la presión del cilindrodel automóvil (~20 o 30 psig a 3000 psig).



“Cascade Fast Fill”: Los compresores son

acoplados a un sistema de múltiples bancosde almacenamiento. Usualmente operan encascadas de tres etapas denominadosbancos de baja, media y alta presión.

Durante el reabastecimiento, el vehículo seconecta primero al banco de baja presión.Como la presión disminuye y la del cilindroaumenta, el flujo de gas decrece. Cuando elflujo declina hasta un nivel determinado elsistema cambia al banco de media y luegoal de alta presión hasta completar elllenado.

El sistema “buffer fats fill” es de menorescostos de capital que el del sistema de llenadoen cascada debido a que no requiere de los

controles de manejo secuencial. Sin embargo, sepueden originar cierto tipo de problemas.

Los siguientes resultados corresponden alanálisis termodinámico del proceso deexpansión en el llenado con un sistema “bufferfill” para un gas con un contenido de vapor deagua de 6.0 lbs/MMscf.

Los resultados presentados en la gráficamuestran un potencial problema de formaciónde hidratos en el punto de llenado, esto podríaoriginar bloqueos y un llenado parcial de loscilindros en los vehículos. Sí este problema estápresente se deberían instalar torres de secado,

debido a que en muchas regulaciones de GNC,el uso de alcoholes para inhibir la temperaturade formación de hidratos, está prohibido.

Los equipos de secado son costosos y de altoscostos de operación y mantenimiento.

3. CONCLUSIONES

Las áreas en las cuales se puede obtenermayores ahorros potenciales, son las siguientes:

Una apropiada escogencia del número y

capacidad de los compresores, eliminan lanecesidad de sobre dimensionar la estacióncon equipos redundantes.

Un análisis adecuado del tiempo dereabastecimiento asegura mejorar el factorde carga y minimiza el tamaño de loscompresores y el almacenamiento.

Las altas presiones de succión reducen loscostos de capital y operación de loscompresores.

La extensión del tiempo de operaciónmejoran el precio y factor de carga de laenergía eléctrica, reduciendo los costos deoperación.

Una adecuada escogencia y operación delsistema de almacenamiento, evitan los altoscostos de capital, operación ymantenimiento en que se incurrirían por un

secado adicional del gas.

Los contratos de mantenimiento aseguranque los costos de mantenimiento estencontrolados

REFERENCIAS

1. California Energy Comisión., Evaluation of Compressed Natural Gas (CNG) FuelingSystem., october 1999.

2. ANGVC., Guidelines for Depot Based CNG

Refulling., august 2001.

3. GPSA., Engineering Data Book., 11 thEdition

Preparado por Mauricio Campo Rocha.Ingeniero Químico. Consultor, telefonos2321206/300-2000054 Bogotá.

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