Mdp 02 p-06 cálculo de servicios de bombeo

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

BOMBAS

�1994

MDP–02–P–06 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO

APROBADA

NOV.97 NOV.97

NOV.97 L.R.0 11 L.R.

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO NOV.970

PDVSA MDP–02–P–06

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 ANTECEDENTES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 CAUDAL DE FLUJO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 CONDICIONES DE SUCCIÓN 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 PRESIÓN DE DESCARGA 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL 8. .

8 REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 PROGRAMA DE CALCULO 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 NOMENCLATURA 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/bombas/indice_bombas.htm

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1 ALCANCEEn este documento se presentan los cálculos típicos que aplican para el diseñoy especificación de servicios de bombeo. Normalmente estos cálculos involucran:la estimación de la disponibilidad y los requerimientos típicos de Cabezal Neto deSucción Positiva NPSH a la entrada de la Bomba, El cabezal a ser suministradopor la bomba, Requerimientos de Potencia del servicio, condiciones de diseño,estimado de la presión máxima de succión y descarga y de el cabezal de la bombaa flujo cero “shutt–off” (ver Tabla 1 MDP–02–P–02).

2 REFERENCIASPDVSA (Además de otros Documentos de este capítulo)

MDP–01–DP–01,“Temperaturas de Diseño y Presión de Diseño”MDP–02–FF–01/06 “Flujo de Fluidos”MID 90616.1.023 Vol.14 Guía de Ingeniería “Determinación de la

Altura de Succión Neta Positiva.

Otras Referencias

API STANDARD 610“Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, andGas Industry Service”. Eighth Edition, August 1995.

Maxwell, J. B. “Data Book on Hydrocarbons, Aplication to Process Engineering”

3 ANTECEDENTESLos cálculos aquí presentados están relacionados con los puntos 2 al 8 delprocedimiento de diseño para servicios de bombeo presentado en el DocumentoMDP–02–P–02. El resto de los puntos o bien no involucra cálculos o han sido porconveniencia presentados en otra parte.

Los cálculos de bombeo deben realizarse para las diferentes condiciones de flujoque se identifiquen y en el caso de existir derivaciones de flujo aguas abajo de labomba se deben hacer los cálculos a través de los diferentes ramales paraestablecer cual de ellos limita el diseño, normalmente este es el circuito de mayorcaída de presión dinámica, los otros circuitos ajustaran mediante valores masaltos de caída de presión en la válvula de control para operar a la presión dedescarga requerida por el ramal controlante.

4 CAUDAL DE FLUJOEl caudal de flujo volumétrico, Q, (a la temperatura de bombeo) puede sercalculado por una de las siguientes fórmulas:

1. Si se conocen los requerimientos de flujo másico, W:




http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/flujo/indice_flujo.htm

http://www.intevep.pdv.com/~citonline/espanol/cat_normas_int_es.html

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Q � F1 X W��c Ec. (1)

2. Si se conoce el caudal de flujo volumétrico en condiciones estándar,

QS : Q � QS X � Ec. (2)

donde:En

unidadesmétricas

Enunidadesinglesas

Q = Caudal de flujo volumétrico a la temperaturade bombeo

dm3/s gpm

W = Flujo másico kg/s lb/hρc = Densidad del fluido a las condiciones de

bombeokg/m3 lb/pie3

Qs = Caudal de flujo a cond. estándar (15°C y101.325 kPa (60°F y 1 atm)

dm3/s gpm

= Factor de expansión térmica, su valorpuede obtenerse en “Maxwell Data Book onHydrocarbons”.

F1 = Factor que depende de las unidadesusadas

103 0.1247

5 CONDICIONES DE SUCCIÓNLos criterios a utilizar para el cálculo de la presión de Succión de un servicio deBombeo se dan en el punto 12 de el Documento MDP–02–P–02.

Presión de Succión

La Presión de succión de la bomba se calcula a partir de la presión de operacióndel recipiente de succión ,y calculando la diferencia total de presión entre el nivelde referencia en el recipiente y el nivel de referencia de la bomba.

P1 = Po (del recipiente) + ∆P (recipiente –bomba) Ec.(3)




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donde:En

unidadesmétricas

Enunidadesinglesas

P1 = Presión de succión de la bomba. kPa psiPo = Presión en el recipiente de succión. kPa psi�P = Diferencia de Presión entre el nivel de

referencia del Liquido en recipiente desucción y la entrada de la bomba (a sunivel de referencia).

kPa psi

La diferencia de presión total entre el nivel de referencia del recipiente y el de labomba se calcula según los métodos presentados en el capitulo de Flujo deFluidos de este manual, Documentos MDP–02–FF–01/06, Tomando en cuenta ladiferencia de alturas, las perdidas por fricción y el cabezal de aceleración, si fuerasignificativo.

Presión Máxima de Succión

La Presión Máxima de Succión se calcula mediante la siguiente ecuación:

P1 max = Po max (recipiente)+ρc x g x ∆Hs/F3 x gc Ec (4)

Donde:

Enunidadesmétricas

Enunidadesinglesas

P1max = Presión de Succión Máxima kPa psiPo max Presión de operación Máxima del

Recipiente de Succión, normalmente es lapresión de ajuste de la válvula de seguridad(si existe).

kPa psi

D�� = Diferencia de altura entre el nivel de liquidoalto del recipiente y el nivel de referencia dela bomba(600 mm=2 pie).

m pie

g = Aceleración de la gravedad 9.8 m/s2 32.2 pie/s2

gc = Constante dimensional 103 kg 32.2 lb.piekPa.m.s2 lbf.s2

ρc = Densidad del líquido bombeado acondiciones de operación

kg/m3 lb/pie3

F3 = Factor que depende de las unidades usadas 1 144





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Cabezal Neto de Succión Positiva Disponible (NPSHD)

La presión de succión se calcula partiendo del valor de la caída de presión en lalínea de succión, según el método citado anteriormente. Para servicios quemanejan líquidos directamente de recipientes que operan al punto de ebullición,la presión de vapor del líquido es la misma que la presión en el espacio de vapordel recipiente.

Cuando la fuente de succión del líquido está a su presión de vapor y no ocurre uncambio significativo de temperatura en la línea de succión, tal como en losservicios de torres de destilación, un método de cálculo conveniente essimplemente restar las pérdidas de la línea de succión, convertidas en cabezal,del cabezal de elevación entre el nivel de líquido del recipiente (Tangente pararecipiente vertical o fondo para horizontal, según PDVSA 90616.1.023) y el nivelde referencia de la bomba:

NPSHD � HS �F3 �� línea de succión

�C

gcg Ec. (5)

NPSHD se puede también calcular convirtiendo el margen de presión a cabezal:

NPSHD �F3

�P1 � PV� gC

�C gEc. (6)

Esta fórmula es útil cuando la fuente de succión del líquido está a una presión porencima de Pv (a la temperatura real), tal como en los tanques de almacenamientoatmosférico.

Donde:En

unidadesmétricas

Enunidadesinglesas

NPSHD = Cabezal neto de succión positivodisponible

m pie

�Hs Diferencia de altura entre el recipientede succión y la bomba

m pie

�P = Caída de presión kPa psig = Aceleración de la gravedad 9.8 m/s2 32.2 pie/s2


ρc = Densidad del líquido bombeado acondiciones de operación

kg/m3 lb/pie3

P1 = Presión de succión de la bomba kPa psi




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Enunidadesinglesas

Enunidadesmétricas

Pv = Presión de vapor del líquido a lascondiciones de proceso

kPa psi


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Factor de Seguridad

En un diseño conservador se agrega un margen de seguridad en el cálculo y enla especificación del NPSH disponible. Sin embargo, este margen tiende aincrementar el costo de la bomba y por lo tanto requiere una cuidadosaconsideración.

El factor de seguridad para los cálculos de NPSHD se define como sigue:

S.F. CNSP �NPSHPD calculado

NPSHPD especificadoEc. (7)

Se recomienda usar los siguientes valores en el diseño de servicios de bombeo:

Servicio S.F.NPSHCondiciones de instalación muy bien definidas, como el rearranquede una unidad existente o un servicio de bombeo, con tuberíaexistente.

1.00

La mayoría de los diseños de servicios nuevos 1.10Agua de alimentación a caldera (asumiendo 20 minutos decapacidad de almacenamiento del deareador)

1.25

Solvente pobre sulfolane 1.25Catacarb 1.60*Carbamato de amonio 2.00** Consulte un especialista en máquinas para obtener datos de NPSHR de unsuplidor de bomba con experiencia.

Una vez que se ha aplicado un factor de seguridad adecuado en los cálculos deNPSHD, no se necesita un margen de seguridad entre el NPSHD de servicio y elNPSHR de la bomba seleccionada.

La Guía de Ingeniería PDVSA 90616.1.023 recomienda en general un margenmínimo de 0.6 m (2 pies) entre el NPSHR y el NPSHD calculado (no elespecificado), este es un criterio complementario que puede ser usado con el deel factor de seguridad.




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Cabezal Neto de Succión Positiva Requerido (NPSHR)

Ver MDP–02–P–02 para una discusión sobre estimación de requerimientos deNPSH a partir de valores típicos, valores a otras condiciones , etc.

6 PRESIÓN DE DESCARGAVer el punto 14 Presión de Descarga, del documento MDP–02–P–02, para loscriterios que aplican al calculo de las condiciones de descarga.

La presión de descarga de la bomba se calcula a partir de la presión de operacióndel recipiente de descarga, el cual es el recipiente de destino del fluido bombeado,recipiente de presión controlada o abierto a la atmósfera aguas abajo de la bomba.A la presión del recipiente de descarga debe adicionársele la diferencia de alturaentre la bomba y el recipiente expresada en presión, las perdidas dinámicas delcircuito (fricción + aceleración cuando no sean despreciables) y la caída de presiónde la válvula de control. Las perdidas dinámicas incluyen las caídas de presión delíneas, intercambiadores, orificios de restricción y cualquier otro elemento entre labomba y el recipiente de descarga y deberán ser calculadas mediante los métodospresentados en el Capitulo de Flujo de Fluidos de este Manual, DocumentosMDP–02–FF–01/06.

P2 = Po (recipiente) + ρc x g x ∆Hs/F3 x gc + ∆P(Din.) + ∆P(V.C.) Ec.(8)

Donde:

Enunidadesmétricas

Enunidadesinglesas

P2 = Presión de Descarga kPa psiPo Presión de operación del Recipiente de

Descarga.kPa psi

∆�s = Diferencia de altura entre el nivel de liquidoalto del recipiente de descarga y el nivel dereferencia de la bomba(600 mm=2 pie).

m pie



rc = Densidad del líquido bombeado acondiciones de operación

kg/m3 lb/pie3

DP(Din.) = Caída de presión dinámica de la bomba alrecipiente de descarga

kPa psi

DP(V.C.) = Caída de presión de la Válvula de Control kPa psiF3 = Factor que depende de las unidades

usadas1 144

La Caída de presión de la válvula requerida puede escojerse así:





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DP (V.C) = 0.2 x ∆P(Din.) + Contribución del C.E. Ec. (9)

C.E.= Cabezal Estático ρc x g x ∆Hs/F3 x gc

C. E. <1400 kPa 1400–2800 kPa >2800 kPa

Contribución del C.E. 0.1xC.E. 140 kPa 0.05xC.E.

7 PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZALVer los criterios que aplican en MDP–02–P–02.

La cantidad de energía que la bomba debe ser capaz de suministrar a cada unidadde masa del líquido por conversión en presión se define como requerimiento decabezal porque las unidades de energía de entrada son equivalentes a las de unacolumna de líquido.

energía x gcmasa x g � cabezal

Los requerimientos de cabezal se calculan convirtiendo el aumento en presión dela succión a la descarga a la altura de una columna equivalente de líquidobombeado, a las condiciones de bombeo:

H �F3 ��

�cx

gcg

Ec. (10)

donde:En

unidadesmétricas

Enunidadesinglesas

H = Cabezal de presión desarrollado por labomba

m pie

�P = Aumento de presión entre la succión y ladescarga de la bomba (P2–P1)

kPa psi

ρc = Densidad del fluido a las condiciones debombeo

kg/m3 lb/pie3




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Las presiones nominales de succión y descarga se usan para el Cálculo de presióndiferencial y del cabezal.




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No es necesario reportar el cabezal en las Especificaciones de Diseño, ya que losvalores necesarios para calcularlo, diferencial de presión y densidad absoluta, seespecifican separadamente.

Se debe tomar precaución para presentar el requerimiento de cabezal de la bombay el NPSH disponible, ambos en términos del líquido bombeado, a las condicionesde bombeo, y no en términos de agua fría. Por ejemplo, cuando ∆P = 700 kPa(100 psi) para un fluido con una densidad absoluta de 750 kg/m3 (46.82 lb/pie3),

H =(700)750

x 103

9.8= 95.2 m (312 pie)

Si la bomba estuviese manejando agua, el cabezal requerido para el mismo ∆Psería

H =(700)1000

x 103

9.8= 71.4 m (234.25 pie)

Presión máxima de descarga

Típicamente la caída de presión máxima se toma como un 120% de la normal ycorresponde a la condición de cero flujo (Shut Off).

P2 max � P1 max � 1.2 x �P2 � P1� Ec. (11)

8 REQUERIMIENTOS DE ENERGÍACálculo de Requerimientos de Energía

Los requerimientos de energía de una bomba se calculan como sigue:

Potencia hidráulica = Caudal de flujo másico x energía entregada allíquido/unidades de masa de líquido

Potencia al freno, � PotenciaHidráulicaEficiencia

PF � W X HEO X F4

Xggc

Ec. (12)

Substituyendo Q y ρc por W se obtiene:




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PF �Q X �c X HEO X F5

Xggc

Ec. (13)

Si ∆P está disponible:

PF � Q X ��F6 X EO

Ec. (14)

donde:En unidades

métricasEn unidades

inglesas

PF = Potencia al freno kW HPW = Flujo másico de líquido kg/s lb/hH = Cabezal de presión desarrollado por

la bombam pie

g = Aceleración de la gravedad m/s2 pie/s2

gc = Constante adimensional 103 kg 32.2 lb.piekPa.m.s2 lbf.s2

Eo = Eficiencia global, incluyendo pérdidashidráulicas y mecánicas

Q = Caudal de flujo volumétrico acondición de operación

dm3/s gpm

ρc = Densidad del flujo a condiciones kg/m3 lb/pie3

�P = Aumento de presión entre la succión yla descarga de la bomba

kPa psi


1 1.98x106


1x103 246873.0


1x103 1714

Eficiencia

La eficiencia global de la bomba incluye dos categorías de pérdida, hidráulica ymecánica. Las pérdidas mecánicas son causadas por la fricción en los cojinetesy en el sello del eje y son muy pequeñas con respecto a las pérdidas hidráulicas.Las pérdidas hidráulicas son causadas por turbulencia, fricción del revestimientoy del disco, y deslizamiento o fugas internas desde la zona de descarga de labomba hacia la zona de succión.




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Las pérdidas hidráulicas son una parte tan grande de las pérdidas totales que laseficiencias hidráulica y global se pueden intercambiar para propósitos de diseñode servicio de bombas.

En las Figuras 3 y 4 del documento MDP–02–P–02 se presentan valores deeficiencia para ser usados en Cálculos de potencia y para estimados de flujomínimo permisible.

9 PROGRAMA DE CALCULOEn la colección de programas PROCALC se encuentra disponible un programapara calculo automatizado de Bombas.

10 NOMENCLATURAVer documento MDP–02–P–02.




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