Compresin

Generalidades:

Gas a bajas presiones se usa para tratamiento de crudo o tratamiento de agua o en consumo en redes de distribucin.

Pero algunas veces es necesario a altas presiones por razones ambientales, por transporte o porque as lo exigen los clientes.

=

= = , = , = 5 20

En algunos casos se instalan compresores de Empuje Booster Compressors), que se caracterizan por relaciones de 2 a 5, eje. En transporte para restaurar presin debidas a la friccin.

En algunos casos los gases de los anulares de los pozos son recuperados, para esto se usan y se le llaman CVR (recuperadora de vapores de casing) o VRU (unidades recuperadoras de vapor), o UVR. Se caracterizan por una baja presin de succin (0 25 psig), con descargas de 20 a 300 psig. Vapores de los tanques o de otros recipientes pueden ir a la VRU.

Tipos de Compresores.

De desplazamiento positivo y Cinticos

Desplazamiento positivo: Reciprocantes y Rotativos

Cinticos: Centrfugos

Reciprocantes

El elemento que se desplaza para comprimir es un pistn que se mueve linealmente dentro del cilindro. Hay de alta velocidad y baja velocidad.

Alta velocidad= 900 a 1200 rpm Baja velocidad: 200 -600 rpm

COMPRESION

Cada etapa generalmente tiene un scrubber de succin para eliminar los lquidos debido a la compresin y el enfriamiento.

El numero de pistones no necesariamente es el mismo nmero de etapas. Es posible tener dos etapas con cuatro cilindros, en este caso dos cilindros trabajaran en paralelo.

Los compresores pueden ser separables o integrados (en la misma carcaza compresor y motor).

Los de alta velocidad tienen motores de combustin, elctricos y en ocasiones turbinas. Los motores de combustin y las turbinas pueden ser con gas natural o diesel. Pero, lo generalizado son motores con GN

Caractersticas mas importantes de los compresores de alta velocidad.

Tamao

Van desde 50 hp a 3000 hp

Comnmente son de 2, 4 o 6 cilindros

Ventajas

Puede ser montado en un patn

Fcil de instalar y fcil d transportar

Menos costo comparado con los de baja velocidad

Tamao es ajustable tanto para onshore u offshore

Limite de capacidad flexible

Costo inicial bajo

Desventajas

Los motores de alta velocidad no son eficientes en consumo de combustible (7500 9000 btu/ bhp hora).

Eficiencia de compresin media (mejor que los centrfugos, menor que los de baja velocidad).

Vida til menor que los de baja velocidad

Costos de mantenimiento mayores que los centrfugos y los Reciprocantes de baja velocidad.

Unidad Reciprocante de baja velocidad

COMPRESIN

Caractersticas mas importantes de los compresores de baja velocidad.

Tamao

Unos pocos son de potencia (140 360 hp)

Hay muchos que estn entre 2000 a 4000 hp

Grandes configuraciones pueden llega a 12000 hp

Comnmente van de 2 a 10 cilindros.

Ventajas

Alta eficiencia de combustible (6000 8000 btu/ bhp hora)

Alta eficiencia de compresin en una ato rango de compresiones

Alta vida util

Bajo costo de operacin y mantenimiento comparado con los de alta velocidad.

Compresores Rotativos tipo paletas

Son maquinas de desplazamiento positivo.

Posee un numero de paletas entre 8 y 20 que encajan dentro de las ranuras.

El principio de funcionamiento consiste en una serie de compartimientos que van disminuyendo de tamao, luego el gas ingresa al mas grande y descarga por el mas pequeo, y entre compartimiento va aumentando la presin, pero son pequeos incrementos. Por este motivo para altas relaciones de compresin se requieren mas paletas.

Una cierta cantidad de aceite es inyectado en la corriente de flujo para lubricar las paletas, aceite que es retenido en el scrubber de la descarga y reciclado.

Estos compresores se usan en baja presin, gneralmente presiones menores de 100 a 200 psi

Caractersticas mas importantes de los compresores de paletas

Tamao

Generalmente son menores a 125 bhp

Presin de descarga hasta 400 psi

De una o dos etapas

Ventajas

Bueno para presiones de succin muy bajas

No genera pulsaciones en el flujo

Ocupa poco espacio

Bajo costo para operaciones de recuperacin de vapores

COMPRESION

Desventajas

Requiere un gas limpio

Necesita una potencia mayor a 5 o 20% que el Reciprocante

Requiere 10 veces mas aceite que el Reciprocante. Usualmente instalado a la entrada del scrubber.

Compresores Centrfugos (Cinticos)

Usa una serie de impeles que rotan para darle velocidad al gas y esta a su vez se convierte en aumento de presin cuando el gas sale del compresor. Pueden usar turbinas o motores elctricos que van desde 1000 20000 hp. Los de mas de 4000 hp generalmente usan turbinas por los costos en esos tamaos.

Giran a velocidades entre 20000 y 30000 rpm.

La desventaja significativa de los centrfugos es su baja eficiencia, ya que requieren mas bhp para comprimir la misma rata de flujo que un Reciprocante. Si su potencia es con turbina tiene una desventaja adicional que es la baja eficiencia en consumo de combustible.

Bsicamente se usan como Booster Compressors.

No se usan para alt y bajos volumenes de gas.

COMPRESION

Caractersticas mas importantes de los compresores Centrfugos

Tamao

Comienzan en 500 bhp

En general van de 1000 bhp hasta 20000 bhp

Ventajas.

Alta potencia instalada por unidad de espacio y peso (offshore).

La turbina de potencia puede usar la recuperacin de el calor de los gases de combustin.

Fcil de automatizar para instalaciones remotas

Fcil de instalar en un patn

Costo inicial bajo

Bajo costo de mantenimiento y operacin

Alta disponibilidad.

Gran capacidad disponible por unidad.

Desventajas

Eficiencia de compresin baja

Flexibilidad limitada por capacidad

La turbina de potencia es mas ineficiente que la de los Reciprocantes.

ESPECIFICACIONES DEL COMPRESOR Para seleccionar un compresor se debe especificar su tipo bsico, el nmero de etapas de compresin y la potencia necesaria.

Luego se requiere conocer el volumen de gas y su gravedad especifica, las presiones de succin y de descarga.

HP y numero de etapas F(del tipo de compresor que se seleccione)

El tipo de compresor F(HP y numero de etapas de compresin).

El primer paso del nmero etapas de compresin se hace asumiendo una relacin por etapa de 3 a 4 y escoger el nmero de etapas asi:

=

1

< 3 a 4

R= Relacin por etapa n= nmero de etapas = , = Presin de succin, psia La potencia la puede determinar con figura 10 11 GPSA 10 edicin O mediante la ecuacin

BHP = 22RnF BHP = Potencia aproximada R= Relacin por etapa n= numero de etapas F= factor por cada de presin interetapas 1= para una sola etapa, 1.08 = para dos etapas; 1.10 para tres etapas

= . D

Servicio Rata de flujo (Mpcs)

R n Aprox bhp Mas probable Alternativa

Booster 100 2 1 4400 Centrifugo Integral (nicamente offshore)

Gas lift 10 5 20

2.0 2.7 2.7

1 3 3

440 980 3920

Alta velocidad Alta velocidad Centrifugo

Integral (nicamente offshore)

Flash gas 100 2 2 4

2.7 2 2 2

3 1 2 2

19602 88 190 380

Centrifugo Tornillo Alta velocidad Alta velocidad

Alta velocidad Tornillo

Recuperacin de vapores

0 1 2

4 3 3

1 2 2

9 143 286

Paletas Tornillo Alta velocidad

Tornillo Paletas Tornillo

Ejemplo de seleccin de compresores

Procedimiento calculo de potencia y numero de etapas

Hay consideraciones econmicas y operacionales.

La adicin de una etapa de compresin requiere adicionalmente un scrubber, un cilindro, y un sistema de tuberas y control.

La temperatura de descarga para una etapa de compresin.

=

1

1

= , = , = ,

K = Relacin de calores especficos,

(Fig. 13.8 GPSA)

= eficiencia politrpica

1.0 para Reciprocante, 0.8 para Centrfugo

Es deseable limitar la T de descarga por debajo de 250 o 275F, para garantizar una vida til al compresor y evitar la degradacin del aceite de lubricacin.

, es decir

adicionando mas etapas de compresin. La potencia del compresor por etapa se determina:

= .

BHP= Potencia por etapa,

= +

2

=

E = Eficiencia: 0.82 Reciprocante alta velocidad; 0.85 Reciprocante baja velocidad; 0.72 Centrfugos El BHP Total = Suma de los BHP de cada etapa 3% perdidas de BHP, por enfriamiento , scrubber, tuberas , etc. Entre la descarga de un cilindro y la succin del otro cilinndro

Procedimiento para calcular etapas de compresin y potencia

1. Calcular la relacin de compresin total. =

, si es < 5

use una etapa; si no un numero inicial de etapa 5.

.

2.Calcule temperatura descarga del gas en la primera etapa. Si la T es muy alta > 300 F, no se debe contemplar una relacin de compresin alta, o requerir enfriamiento adicional. Si la temperatura de succin en cada etapa no decrece incremente el numero de etapas en uno y recalcule la temperatura.

3. Una vez la temperatura de descarga sea aceptable, calcule la potencia requerida, y calcule la presin de succin , la temperatura de descarga y la potencia de las etapas sucesivas.

CONSIDERACIONES DEL PROCESO

COMPRESORES RECIPROCANTES Lo siguiente es lo que se debe considerar en el desarrollo del proceso de flujo Vlvula de reciclo En casos de gas lift, recuperacin de vapores, flash gas son discontinuos, en estos casos no habr flujo en el compresor. Cuando la presin de succin decrece la relacin se incrementa y por lo tanto se incrementa la temperatura, para evitar esto se abre la vlvula de reciclo para mantener una mnima presin de succin. Vlvula de alivio Cuando la rata de flujo en la succin aumenta, la presin de succin aumenta provocando una exigencia que el compresor no esta en capacidad, exigiendo la varilla de carga, incrementando los requerimientos de potencia. Tambin es til en el caso que salga un compresor de lnea, lo mismo para evitar contrapresiones a los pozos. La vlvula de alivio, siempre debe ser instala antes de la vlvula de cierre de la succin (SDV)

Vlvula mariposa a la entrada de la succin.

Para proteger la succin de altas succiones. Si aumenta el flujo la vlvula trata de cerrarse para mantener la presin constante, esto limita la rata de flujo a la que puede permitir el cilindro.

En gas lift sirve para minimizar la accin de la vlvula de alivio

Controlador de velocidad

Ayuda a mejorar el rango de eficiencia del compresor

Si se aumenta Q el compresor aumenta su velocidad, y si disminuye Q la velocidad disminuye. Este dispositivo hace que el compresor en estos casos trabaje a una velocidad optima. Esta dispositivo no sustituye la vlvula de alivio, la mariposa de succin, la de reciclo o la de venteo, pero si minimiza su uso. Porque las vlvulas de reciclo y mariposa a la entrada de la succin aumentan la carga sobre el compresor incrementando el uso de combustible, y la vlvula de venteo va a la tea. Por lo tanto este controlador es recomendado para compresores > 500 hp

Vlvula de purga

Cuando el compresor se para por mal funcionamiento o para mantenimiento, para desfogar el gas atrapado en los cilindros.

Vlvulas Shut down de succin y de descarga.

Son vlvulas para aislar el compresor. La mayora de los operadores prefieren que sean automticas.

Vlvula de alivio en la descarga de cada cilindro

Se coloca aguas arriba del enfriador. Si el pistn continua incrementando la presin, la vlvula de alivio asegura que no se presente una sobrepresin.

Botellas de pulsacin

Cada cilindro debe tener en la succin y en la descarga las botellas de pulsacin para amortiguar las vibraciones acsticas, producidas por el flujo Reciprocante.

Enfriadores en la descarga

Estos enfran el gas interetapas. Tambin se pueden usar en la descarga antes de ingresar el gas a deshidratacin o tratamiento, o para cumplir especificaciones de transporte. Los mas usados son los enfriadores con aire.

Srubber de succin.

Para retener algn liquido que venga aguas arriba del compresor, y las condensaciones causadas por el enfriamiento

COMPRESORES RECIPROCANTES COMPONENTES

Carcaza

Es una fundicin que soporta altas cargas, contiene todas las partes rotativas , sobre la cual estn montados los cilindros y las crucetas.

Esta certificada por el fabricante sobre la mxima potencia, velocidad y varilla de carga admisibles.

Cilindros.

Es el espacio donde se aloja el gas durante el ciclo de compresin

Existen de dos tipos:

De simple accin. Una sola accin por revolucin del cigueal

De doble accin . Doble accin por revolucin del cigeal

Los cilindros se hacen se fundiciones de hierro, nodulares o forjados , estos ltimos para resistir mas de 2500 psi

Tiene su mxima presin de trabajo (MAWP) 50 psig mayor que la P de operacin.

Estos contienen unas camisas. Que tiene muchas ventajas, y una desventaja importante, aumenta el volumen muerto

Tambin contienen Crucetas, varilla de carga y Cigeal

El cigeal y la cruceta convierten el movimiento rotativo en movimiento lineal

El pistn

Situado al extremo del avarilla de carga, pueden ser de aluminio o hierro fundido. Para evitar el contacto directo con el cilindro esta provisto de unas bandas renovables que son las que hacen el contacto, que son de un material blando como bronce, tefln o termoplsticos.

Chumaceras

Se instalan entre las partes que rotan y un cuerpo estacionario

Entre el cigeal y la carcaza

Entre la varilla de conexin y la cruceta

Empaques

Proveen un sello dinmico entre la varilla y el pistn

Vlvulas del compresor

Las vlvulas que controlan el flujo de gas de entrada y salida

Las hay de muchos tipos

El tipo y tamao de la vlvula debe ser especificados por el fabricante.

La velocidad del gas en la vlvula

= / V=velocidad promedio del gas, pie/min

D= desplazamiento del cilindro, pie3/minuto

A= rea de la valvula, pulgadas cuadradas

Dispositivos de control de velocidad

Capacidad puede ser ajustable, cambiando velocidad del compresor, volumen muerto, ajustando las vlvulas de los cilindros, reciclando gas de descarga a la succin, y la combinacin de algunos de estos. Puede ser manual o automticamente en el tablero de control.

Volumen muerto (clearance) est dada por:

cilindro de una sola accin

% =

2 0.7854

x 100

Cilindro de doble accin

% = +

2 +

2

2 0.7854

x100

%c= porcentaje de espacio muerto dc= Dimetro cilindro, pulg dr= dimetro varilla, pulg CHE= Espacio al final de la cabeza, in3 CCE= Espacio al final del cigeal, in3 S= Longitud del golpe, in CHE y CCE ------Fabricante

DIMENSIONAMIENTO DE LOS CILINDROS

Tpicamente se especifica las presiones de succiones y descarga, capacidad (MPCSD), Temperatura de entrada y propiedades del gas. El dimetro del cilindro lo da el fabricante pero no sobra chequear.

Capacidad f ( desplazamiento pistn, Eficiencia volumtrica)

Eficiencia volumtrica f (Espacio muerto, relacin de compresin y propiedades del gas).

1. Desplazamiento del pistn.

Cilindros de accin sencilla (desplazamiento termina en la cabeza)

=

2

2200

Cilindros de accin sencilla (desplazamiento termina en cigeal)

=

2

2

2200

Cilindros de accin doble

= 2

2

2

2200

= . S= Longitud del golpe, pulgadas rpm= velocidad del compresor, rpm dc=dimetro cilindro, pulgadas dr=dimetro varilla, pulgadas

2. Eficiencia volumtrica

La rata de flujo no es igual al desplazamiento del pistn

= 96 1

1

= , %

R= Relacin de compresin (Pd/Ps) de la etapa, en psia

C= Espacio muerto, porcentaje de desplazamiento del pistn

Zs = Factor de compresibilidad en la succin

Zd= Factor de compresibilidad en la descarga

K, relacin de calores especficos, Cp/Cv

3. Capacidad del cilindro

Conociendo el desplazamiento del pistn y su eficiencia, = = , 3/ =

PD= Desplazamiento del pistn, pie3/minuto

4. Flexibilidad del compresor

Incrementarse la velocidad

Variarse el volumen muerto, cundo Ps es alta se puede reducir

Incrementarse la PD

VARILLA DE CARGA

Depende del dimetro y del material

La carga sobre la varilla se calcula as:

Cilindros de accin sencilla (deslazamiento termina en la cabeza) = +

= + Cilindros de accin sencilla (desplazamiento termina en cigeal)

= +

=

Cilindros de doble accin = +

=

= , = , = , = ,

Pd = presin de descarga, psia

Ps= Presin de succin, psia

Pu= Presin en la zona no cargada, psia

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Y LUBRICACIN

Los cilindros son enfriados por agua

Tambin tiene un sistema de lubricacin con aceite

Filtro de aceite

Tanque para suministro de aceite

Tuberas de distribucin en acero inoxidable

Ejemplo

Se desea comprimir 100 MPCSD de 800 psig a 100 F a 1000 psig

Se quiere usar un compresor Reciprocante de motor separado

El motor desarrolla 1600 hp a 900 rpm

El compresor tiene seis cilindros, cada cilindro de 7 de orificio y 6 de stroke, cilindros de doble accin

17.92% de espacio muerto mnimo, con un limite en la varilla de carga de 25000 lbs, con un dimetro de varilla de 1.75. Asumir k = 1.26, Zs= 0.88, Zd= 0.85

Calcule T descarga, Eficiencia volumtrica, espacio muerto requerido, carga sobre la varilla, y el hp requerido para el caso dado.

Tambin calcule la presin de succin mas baja a la cual esta unidad puede comprimir los 100 MPCSD.