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REPÚBLICA BOLlVARlANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULlA
FACULTAD DE INGENIER~A DIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN GERENCIA DE MANTENlkllENTO
R 'S; "\
Modelo de planificación y control de mantenimiento para sistemas de turbinas a sas
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia
Para optar al Grado Académico
MAGISTER SClENTlARlLlN EN GERENCIA DE MANTEIMIENTO
Autor: Leonel José Ruiz Gil C.I.: 8.701.843
Tutor: Ing. Alberto Perozo
Este jurado aprueba el Trabajo de Grado titulado: "MODELO DE PLPLMIFICACIÓ~~ ' f CONTROL DE MANTENIMIENTO PARA SISTEMAS DE TURBINAS A GAS", qui? el ingeniero: Ruiz Gil, Leonel José, CI.: 8.701.843 presenta al Consejo Técnico dc! la división de Postgrado de la Facultad de Ingeniería, en cumplimiento del Articulo 51, Parágrafo 51.6 de la Sección Segunda del Reglamento de Estudios para Graduados. de la Universidad del Zulia, como requisito para optar al Grado Académico de
MAGISTER SClENTlARUM EN GERENCIA DE MANTENlMllINTO
Prof. Alberto Perozo CI.: 3.118.734 ,
Profa. Ana lrene Rivas CI.: 4.152.755 CI.: 5.831.185
Director
Maracaibo, Julio 2005
Ruiz Gil, Leonel José. "Modelo de planificación y control de mantrinimiento para sistemas de turbinas a gas". Maracaibo. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Universidad del Zulia. 2005.
RESUMEN
Los sistemas de turbinas a gas son fuentes de poder utilizadas en la industria venezolana de forma continua y extendida, por ello su mantenimieriito es un punto crucial para la vida útil de este equipo. Una de las fallas más frecuentes se present;, en los alabes de las turbinas que se ven afectados generalmente por problemas de corrosión, filtración y otros que impiden su normal funcionamiento. Por esta razóii el trabajo de grado será realizado contemplando un análisis que evaliie las causas y consecuencias de las paradas por fallas no solo de los alabes sino de los componerites principales de las turbinas, para establecer mejores procedimientos e iristrucciones, así como los controles del trabajo de mantenimiento, que permitan pretenir los costos excesivos, tiempos perdidos y el consecuente impacto en la prestación del servicio. Así mismo, ante el encarecimiento del presupuesto de mantenimiento debido a los repuestos extranjeros el trabajo abordará un estudio factibilidad técnico económico a través del cual será recolectada la información necesaria que permitirá a la gerencia tomar las decisiones oportunas en cuanto a la compra de repuestos para los inventarios de mantenimiento de turbinas a gas. Se tomará el caso particular de los filtros debitlo a que actualmente son sustituidos con alta frecuencia y es una necesidad urgente de evaluar la utilización de los de fabricación nacional en sustitución de los adquiridos en el exterior. Finalmente será disenado un modelo de planificación y control de mantenimiento para sistemas de turbinas de gas tomando a la empresa PDVSA como fuente de información para recabar los datos necesarios para su constitución ,{ la aplicación de la metodología de evaluación de la factibilidad técnica - económica para la adquisición de partes y piezas del mantenimiento.
Palabras clave: Turbinas, filtros, alabes, mantenimiento [email protected]
Ruiz Gil, Leonel José. Planification model and maintenance control for gas turtline systems. Maracaibo. Engineer Faculty. Post grade Division. Zulia's University
ABSTRACT
The gas turbine system are power sources used in the Venezuela industry iii a continuous and extended form, so the maintenance is crucial to the íunctional lifí? of these machines. One of the most frequent errors appears in the turbine rotors that are affected by the filtration, corrosion and others that causes problem!; in the turbine performance. That's why the investigation project will be made contemplating an analysis that evaluates the causes and the consequences of these stops not only in the rotor, but in al1 the components of these machines, to establish better procedures and instructions, that lowers the cost and the time of repairing these machines. The project will also include a technical and economical study about the use of' filters madí? in Venezuela to substitute the ones bought in others countries. Finally it wvll be designsd a maintenance model for gas turbine systems and PDVSA will be the Company that will support us with data.
Keywords: Turbine, filters; rotor, maintenance.
DEDICATORIA
A mis padres, a mis hermanos y a toda mi familia.
A todos aquellos que siempre confiaron en mí, contribuyendo .a la constancia,
dedicación y perseverancia que fueron necesarias para la realización de este proyecto,
y que permitió la culminación de esta investigación
AGRADECIMIENTOS
Gracias a todas aquellas personas que aportaron sus conocimientos y tienipo
para ayudarme en la elaboración de este Trabajo de Grado
Al Ing. Alberto Perozo, quien con su experiencia y dedicación me facilitó muchas
herramientas para la elaboración de este proyecto.
TABLA DE CONTENIDO
APROBACI~N RESUMEN
ABSTRACT
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
INTRODUCCI~N
CAP~TULO l. El Problema
1 .l. Planteamiento del Problema
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
1.2.2. Objetivos específicos
1.3 Justificación del Estudio
1.4. Alcance y Delimitación de la Investigación
1.5. Breve descripcibn de la empresa
CAP~TULO II. Marco Teórico
2.1. Antecedentes de la Investigación
2.2. Bases Teóricas
2.2.1. La contaminación ambiental
2.2.2. Caída de partículas en un medio fluido
2.2.3. Ley de Stokes
2.2.4. Distribución de partículas de tamaño en el aire
2.2.5. Filtrado del aire
2.2.6. Principios de filtración del aire
Pág.
3 4
5
6
7
8
1 o 11
13
2.2.7. Filtros de aire
2.2.8. Turbinas de gas
2.2.9. Filtración de aire en turbinas de gas
Capitulo III: Marco Metodológico
3.1 Tipo de Investigación
3.2. Diseño de la Investigación
3.3. Técnicas de recolección de datos
3.4. Fases
Capitulo IV: Análisis y Resultados
4.1. Identificación de los sistemas que componen una turbina a gas
4.2. Identificación de las fallas más frecuentes de turbinas de gas
4.3. Protocolo de las pruebas técnicas a los filtros y prefiltros
4.4. Estudio económico
4.5. Análisis técnico - económico
4.6. Plan general de Mantenimiento Preventivo
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
GLOSARIO DE TÉRMINOS
BIBLIOGRAF~A
LISTA DE FIGURAS
Fig. No
1.1
1.2
1.3
1.5.
1.6.
Los tres distritos que conforman a PDVSA Occidente
Las cuatro unidades de explotación que conforman el Distrito FJcbo
Bloques del Lago de Maracaibo
Organigrama de PDVSA
Organigrama general de la coordinación de infraestructura y
procesos del Distrito Maracaibo
Diagrama de cuerpo de una partícula en caída en un medio fluido
Esquema de Intervalos
Gráfico comparativo de la resistencia vs. flujo de los filtros final'es
Gráfico comparativo de la arrestancia vs. polvo alimentado de los filtros finales Gráfico comparativo de la resistencia vs. Flujo de los pre-filtros
Gráfico comparativo de la arrestancia vs. Polvo alimentado (de los pre-filtros
Gráfico comparativo de la resistencia vs. Polvo alimentado de los pre-filtros
Pág.
20
2 1
22
25
25
Tabla
N O
1.1
1.2
1.3.
1.4.
2.1.
4.1.
4.2
4.3
4.4
Intervalos de capital según la Cámara de Industriales
Intervalos de empleados según la Cámara de Industriales
Pozos de la Unidad de Explotación Lagomar
Cuadro resumen descripción de la empresa
Velocidad de caida de partículas Vs. Tamaño de las partículas
Características del filtro y pre - filtro PNeumafil
Características del filtro y turbofild LD y del Pre -filtro Prefibal
Equipos e instrumentos usados en las pruebas
Conversión de las lecturas de caida de densidad a la presión
en flujo de aire
Valores de resistencia vs. Flujo. Filtro Pneumafil TMP-85
Promedio de Eficiencia (Eavg)
Valores de arrestancia en el primer intervalo. Filtro Pneumafil TMP-85
Promedio de Eficiencia (Eavg)
Valores de arrestancia en el segundo intervalo. Filtro Pneumafil TMP-
85
Valores de eficiencia en "B. Filtro Pneumafil TMP-85
Valores de arrestancia en el tercer intervalo. Filtro Pneumafil TMP-85
Valores de eficiencia en "C". Filtro Pneumafil TMP-85
Valores de arrestancia en el cuarto intervalo. Filtro Pneumafil 'TMP-85
Valores de eficiencia final. Filtro Pneumafil TMP - 85
Valores de promedio de eficiencia. Filtro Pneumafil TMP - 85
Valores de promedio de arrestancia y capacidad de retención de polvo.
Filtro Pneumafil TMP - 85
Pág.
4.17 Valores de resistencia vs. Flujo. Filtro Turbofil LD
4.18 Valores de eficiencia inicial. Filtro Turbofil LD
4.19 Valores de arrestancia en el primer intervalo. Filtro Turbofil LD 95
4.20 Valores de eficiencia "A . Filtro Turbofil LD !)6
4.21 Valores de arrestancia en el segundo intervalo. Filtro Turbofil 1.D !37
4.22 Valores de eficiencia "B". Filtro Turbofil LD !38
4.23 Valores de arrestancia en el tercer intervalo. Filtro Turbofil LD !38
4.24 Valores de eficiencia "C". Filtro Turbofil LD 1 o0
4.25 Valores de arrestancia en el cuarto intervalo. Filtro Turbofil LD 1 O0
4.26 Valores de eficiencia final. Filtro Turbofil LD 1 o1
4.27 Valores de promedio de eficiencia. Filtro Turbofil LD 10%
4.28 Valores de promedio de arrestancia y capacidad de retención de polvo. 1 0:)
Filtro Turbofil LD
4.29 Valores de resistencia vs. Flujo. Pre-filtro Pneumafil 1 04
4.30 Valores de promedio de arrestancia y capacidad de retención de polvo. '04
Pre-filtro Pneumafil
4.31 Valores de resistencia vs. Flujo. Pre-filtro Prefibal '1 O!j
4.32 Valores de promedio de arrestancia y capacidad de retención de polvo. '1 06
Pre-filtro Prefibal
4.33 Valores de comparación del indicador costo beneficio '1 13
El mantenimiento de los sistemas de turbinas a gas, fuentes de poder utilizaclas
en la industria venezolana de forma continúa y extendida, es un punto clave para la
continuidad de las operaciones de una empresa y la prolongación de la vida útil de este
equipo. El objetivo principal de este trabajo es el de establecer un modelo de
planificación y control de mantenimiento para el tratado de sistemas de turbina a gas
con la finalidad de mejorar el nivel de servicio y los costos del misrrio y sobre todo
haciendo hincapié en una de las fallas más frecuentes consistente csn la corrosión,
filtración y otros de los alabes que impiden su normal funcionamiento. Por esta razóri el
trabajo de grado será realizado contemplando un análisis que evalúe las causas y
consecuencias de las paradas por fallas no solo de los alabes sino de los componentes
principales de las turbinas, para establecer mejores procedimientos e instrucciones, así
como los controles del trabajo de mantenimiento,
Así mismo, el trabajo abordará un estudio factibilidad técnico económico a través
del cual será recolectada la información necesaria que permitirá a la gerencia tomar las
decisiones oportunas en cuanto a la compra de repuestos para los inventarios de
mantenimiento de turbinas a gas.
Se tomará el caso particular de los filtros debido a que actualmente son
sustituidos con alta frecuencia y es una necesidad urgente de evaluar la utilización de
los de fabricación nacional en sustitución de los adquiridos en el exte!rior. Finalmente
será diseñado un modelo de planificación y control de mantenimiento para sistemas de
turbinas de gas tomando a la empresa PDVSA como fuente de iriformación para
recabar los datos necesarios para su constitución y la aplicación de la metodología de
evaluación de la factibilidad técnica - económica para la adquisición de partes y piezas
del mantenimiento
El trabajo está estructurado de la siguiente manera:
En el capítulo I se presenta el planteamiento del problema, don'de se identifican
las fallas y posibles oportunidades de mejoras, que permitan determinar los objetivos
generales y específicos, así mismo se hace una descripción general de la empresa
donde fue desarrollado el trabajo especial de grado.
El en capítulo II se exponen todos los antecedentes y las bases teóricas
utilizadas en la investigación, de forma que el lector tenga las referencias bibliográfic:as
que fundamentaron este proyecto.
En el Capítulo III se plantea la metodología específica utilizada ein cada objetivo,
para lograr el cumplimiento de dichas metas parciales y brindar el soporte o guía a otra!;
investigaciones similares a esta.
El capítulo IV comprende todo lo relacionado con los result;ados y análisis
realizados para justificar las propuestas y recomendaciones.
Para finalizar, El capítulo V está constituido por todas las conclusiones; y
recomendaciones expuestas del las pruebas y planes de mantenimiento propuestos
Capitulo 1 El Proble z~i
Capítulo 1. EL PROBLEMA
1 .l. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La presente situación económica del país en el área industrial, aunando a la
disminución del tiempo de operación entre fallas en las turbinas de gas, ha despertado
el interés para el desarrollo de un estudio que dé cómo resultado uln programa de
mantenimiento preventivo de los componentes principales de dichas turbinas.
Unas de las fallas más frecuentes segun estudios previos realizaclos se presenta
en los alabes de las turbinas que se ven afectados generalmente por problemas de
corrosión, filtración y otros que impiden su normal funcionamiento, por lo que se hace
necesario efectuar un análisis y establecer sus causas y consecuencias para ssi
establecer los mejores procedimientos e instrucciones y controles del trabajo de
mantenimiento, que permitan prevenir los costos excesivos, tiempos perdidos y el
consecuente impacto en la prestación del servicio.
Así mismo en el orden de ideas, uno de los elementos más importantes que es
reemplazado de forma continua son los filtros, los cuales son comprados a proveedores
extranjeros, aun cuando existen similares de fabricación nacional, originando iine
inflación significativa en el presupuesto de mantenimiento de las turbinas y tiempos de
espera largos para la llegada de los filtros, esto sucede debido a que no se cuenta con
un procedimiento que permita evaluar la factibilidad de las compras nacionales o
extranjeras para comparar según costos, calidad y tiempo la mejor opción.
Es decir, este estudio de factibilidad técnico económico permitirá recolectal. I;i
información necesaria que permitirá a la gerencia tomar las decisiones oportunas eii
cuanto a la compra de repuestos para los inventarios de mantenimiento de turbinas ii
gas.
Se hace entonces necesario diseiíar un modelo de planificación y control del
mantenimiento preventivo para turbinas a gas, que contemple la evaliiación técnica y
económica a la hora de seleccionar partes o piezas del equipo estudiadc~.
Capítulo 1 EL PROBLEMA
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
Establecer un modelo de planificación y control de mantenimiento para el tratado
de sistemas de turbinas a gas con la finalidad de mejorar el nivel do servicio y los
costos del mismo originando por lo tanto una mayor eficacia del mantenimieiito
industrial.
1.2.2. OBJETIVOS ESPEC~FICOS
O ldentificar los sistemas que componen una turbina a gas.
O ldentificar las fallas más frecuentes de las turbinas a gas.
o Registrar informacion sobre las pruebas técnicas que se realizará11 a los filtro!; y
prefiltros venezolanos.
O Realizar las pruebas y analizarlas.
O Recopilar los datos económicos y comparar los costos entre filtros importado:; y
nacionales.
O Establecer dentro del programa la metodología para la evaluación cle la factibiliclad
técnica económica del uso de piezas y repuestos venezolanos.
o Proponer actividades generales de mantenimiento preventivo para la:; turbinas a gas
1.3. JUSTIFICACI~N DEL ESTUDIO
La investigación es conveniente debido a que ayudará a resolver 1-1 problema real
generado por las frecuentes paradas de las turbinas de gas, obteniénclose las cauisas
de las fallas más frecuentes que impiden el normal funcionamiento de las piezas niás
importantes, haciendo hincapié en los alabes y los filtros. Así mismo ICIS resultados de
este trabajo permitirán contar con una metodología para la evaluación técnica y
económica de las partes y piezas que deben sustituirse en las turbinas, en especial la
posibilidad de utilización de los filtros venezolanos.
A través de la implantación o ejecución del programa de mantenimiento se
prolongará la vida de las turbinas, se podrá estableces de manera eficiente un
17
Capitulo 1. EL PROBLEMA - -
presupuesto de gastos de mantenimiento que no se desvíe de la realidad, podrá ser
evaluada la actividad de mantenimiento y mejorará la calidad del servicio prestado por
el equipo.
1.4. ALCANCE Y DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La investigación estará centrada en la Identificación de los sistemas que
componen una turbina a gas, así como la identificación de las fallas más frecuentes de
las turbinas a gas. Es importante resaltar que el proyecto está centraido en pruetias
técnicas que se realizarán a los filtros y prefiltros venezolanos analizarlas y comparar
con los filtros importados los datos técnicos y económicos para sugerir la mejor opción
de uso que garantice la fiabilidad del equipo. En el mismo orden de ideas se
establecerán actividades generales de mantenimiento preventivo consiclerando solo uri
lineamiento superficial
Con respecto a la delimitación se tomará la empresa PDVSA como fuente de
información para recabar los datos necesarios para la constitución del programa el
diseño de la metodología de evaluación de la factibilidad técnica - econtimica.
Así mismo la tesis de grado se limitará a estudiar los filtros utilizados en las
turbinas a gas, mediante pruebas y evaluaciones sobre su uso y factibilidad. (:o11
respecto al resto de los componentes de la turbina se formularan solo recomendacioiies
generales para el mantenimiento
Se llevó a cabo en un lapso de tiempo de 12 meses, a partir de julio de 2004 y
culminando en julio de 2005.
1.5. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA.
1 S.l . NOMBRE: PETROLEOS DE VENEZUELA S.A (PDVSA). EXPLCRACIÓN Y
PRODUCCI~N.
Petróleos de Venezuela S.A., es la empresa matriz propiedad (de la República
Bolivariana de Venezuela, que se encarga del desarrollo de la industria petroli:ra,
18
Capítulo 1. EL PROBLEMA - -
petroquímica y carbonifera. Tiene la función de planificar, coordinar, supervisar y
controlar las actividades de las empresas operadoras y filiales, tanto en Venezuela
como en el exterior.
1.5.2 SECTOR AL QUE PERTENECE: Petrolero. Petroquímico y Carboriífero,
1.5.3. TAMAÑO: Desde su fundación, PDVSA es una de las compañías energéticas
más importantes del planeta, con una base inversión que asciende a 4.1 millardos y un
volumen de producción de 1.3 millones de barriles diarios. Esta posición de liderazgo se
soporta en la fortaleza de un recurso humano que trabaja, constituida pcir un número de
42.279 empleados para construir la corporación energética de referenmcia mundial 3or
excelencia y cuyo talento se transforma en progreso para la humanidad inmensa hase
de recursos de Venezuela, por lo tanto se puede afirmar que según la ciimara industi'ial,
PDVSA entra en el rango de empresas grandes, como se muestra a continuación en las
tablas 1 .l y 1.2.
Tabla 1.1: Intervalos de Capital Según la Cámara de Industriales.
CAPITAL (Bs.) 7 CLASIFICACIÓN 7 I Pequeña Empresa 1
9.000.001 - 75.000.000 (Mediana Empresa 1 l
Tabla 1.2: Intervalos de Número de Empleados según La C ' .amara
75.000.001 - en adelante 1 Grande l
de Industriales.
L
No DE EMPLEADOS C L A S I F I C A C I ~ N ~ ]
2
l 1
0 -20 ( Regular
Fuente: CAMARA DE INDUSTRIALES
l 21 - 50 1 Mediana Inferior 1 -1
19
Capítulo 1. EL PROBLEMA - -
--- ~ e d i a n a Superior 1
1 101 -en adelante l Lp---
l ~ r a n d e
Fuente: CAMARA D E ~ D S T R I A L E S J
1.5.4. PRODUCTOS QUE FABRICA: Refinación y desarrollo de Crudo y Gcas.
manufactura y mercadeo de sus derivados, al igual que la manufactura del carbóri y
orimulsión (mezcla de crudo pesado con agua, esta mezcla favorece su Iransporte).
1.5.5. ACTIVIDAD: Petróleos de Venezuela lleva adelante actividades en materia de
explotación y producción para el desarrollo del petróleo y gas, bitúmen y crudo pesado
de la faja del Orinoco, producción y manufactura de Orinoco, y explotación de los
yacimientos de carbón.
Las actividades en exploración están dirigidas hacia la búsqueda de nuevas
reservas de crudo liviano y mediano para sustentar planes de crecimiento de Iü
capacidad de producción, así como profundizar el conocimiento de las árt?as
prospectivas.
En la actualidad, el lago de Maracaibo está dividido en secciones ó bloques de
producción plenamente identificados sobre los cuales PDVSA lleva a cabo parte de :sus
operaciones de explotación petrolífera y gasífera en el país.
Estos bloques están agrupados de acuerdo a las características clel crudo, daiido
como resultado lo que se denomina segregación, que no es más qlue una mei:cla
específica de crudos estables en composición y propiedades. realizada con fi ies
comerciales. Desde el punto de vista geográfico los bloques se han agrupado en tres
distritos (Ver figura No 1.1):
Mto. Lagunillas (Sur- Este)
Dtto. Tía Juana (Nor-Este)
Capítulo 1. EL PROBLEMA
Dtto. Maracaibo (Nor- Oeste)
A su vez cada uno de estos distritos está formado por cuatro Unidades de
Explotación (U.E) con gerencias independientes entre sí, encargada:; de ejercer el
control de las operaciones de explotación y producción que se lleven a cabo en las
áreas a su cargo.
Dtto. Maracaibo
Dtto. Lagunillas
Bto. Tia Juana
Figura No 1.1. Los tres distritos que conforman PDVSA Occidente.
Este modelo de organización le otorga cierta autonomía a las U.E, en cuanto 21 la
forma de operar, lo que permite a la empresa mayor flexibilidad para el manejo de sus
procesos, aumento de capacidad para la obtención de los productos, así como también
mayor fluidez en los procesos gerenciales haciendo de PDVSA unci empresa niás
eficiente y rentable.
En lo concerniente al Diio. Maracaibo, las U.E. que lo confornian son: Tierra
Oeste, La Salina, Lagomar y Lagomedio, siendo las tres últimas de explotacióii
lacustre (Ver figura No 1.2).
21
Capítulo 1 EL PROBLEMA - -
0 La 8alm
@ lasm- f@ mmm 0 Ke~i.lia Oeste
Figura No 1.2. Las cuatro unidades de Explotación que confornian al
Distrito Maracaibo
Unidad de Explotación LAGOMAR
Las unidades de explotación son organizaciones creadas para ejecuta1 y
controlar todas las actividades involucradas en los procesos de extraccibn y producción
de crudo, para llevar a cabo una mejor gestión sobre las operaciones y obtener mayor
rentabilidad de manera acorde a los lineamientos de la corporación.
El trabajo que aquí se desarrollara esta relacionado con la U.E. Lagomar. Esta
segregación la constituye la mezcla de los crudos provenientes de las s~~guientes áreas:
Pilar, Flanco Oeste, y Flanco Este del Bloque 1, Bloque II y Bloque XII (Corredor). Esta
áreas se encuentra ubicadas al norte del Lago de Maracaibo (Ver figura No 1.3).
Capítulo 1. EL PROBLEMA
Figura No 1.3. Bloques del Lago de Maracaibo
El potencial actual de la segregación es de 66MBID: siendo sus reservas
remanentes de 661 MMBLs de petróleo, su Petróleo Original en Sitio (POES) es de
8542 MMBls.
Está constituida por 360 pozos activos con una producción bruta de 113
MBPD, una producción neta 54.5 MBPD, de un crudo de gravedad 32.5 "API
(promedio), con un consumo de gas lift de 190 MMPCND, y una caipacidad de
compresión de gas de 340 MMPCD, además cuenta con una infraestructura
adecuada para realizar las actividades de explotación y producción.
Los pozos manejados por la U.E. Lagomar (Ver tabla No 1.3) son
recolectados en 18 estaciones de flujo, se cuenta también con 17 múltiples de gas
lift, 7 plantas inyectoras de agua, 11 plataformas de empalme. 4 plantas
compresoras de gas, las cuales se dividen en Lagogas 4 (CI) y Lagogas 4 (C2),
23
Capitulo 1. EL PROBLEMA - -
Lagogas 5, Lagogas 6, cada una de estas plantas manejan 80 MMpced, mas de
134 Kms. de oleoductos y 137 Kms de gasoductos.
Tabla 1.3. Pozos de La Unidad de Explotación Lagomar ---- ( Pozos Activos Productores: 1
1 (17 Pozos Naturales 1 Total Pozos: 1 343 Pozos con inyección de gas) 1
612 k o ~ s o r e ~ d e Agua:
Fuente: PDVSA
Coordinación de Infraestructura y Procesos del Distrito Maracaibo
La Coordinación de Infraestructura y Procesos es una organización que
presta servicios a la Unidad de Explotación Lagomar, y a las otras unidades de
explotación del Distrito Maracaibo. Surge por la necesidad de csinalizar las
operaciones de mejoras, rediseño, etc. de la infraestructura de las instalaciones de
la Unidad con un soporte de ingeniería, ya que anteriormente no existían criterios
unificados para la realización de estas actividades.
Como objetivos principales tiene visualizar y planificar los requerimientos de
infraestructura física y oportunidades, tomando en cuenta el Plan de IIxplotación,
nuevas tecnologías, lineamientos y condiciones actuales de las instalaciones, con la
finalidad de generar planes de desarrollo que garanticen la rentabilidad del negocio.
En la tabla # 4 presentada a continuación se resume la descripción de la empresa.
Tabla l. 4. Cuadro Resumen Descripción de la Empresa -1 Nombre PDVSA Occidente -1
1 Sección donde se realizara el trabajo Coordinación de 1 n f r a e s t r u c t u r : m
( especial de grado 1 Procesos del Distrito Maracaib~o l Dirección Avenida Hollywood. Edificio Principal La 1
l ( Salina, Planta Baja. Cabimas Estado 1
Sector al que pertenece
Zulia
(Manejo de gas)
Tamaño Grande (PDVSA: 42000
l l 1 lnfraestructura y Proces.os: 95 l
1 Servicios que presta
empleados)
de lnfraestructura y1
1 1 procesos de producción de superficie 1 I I d
Fuente: PDVSA
Seguidamente se muestra el organigrama general de PDVSA (figura no 1.5),
en donde se visualiza parte de la estructura de PDVSA Occidente, así como la
ubicación en esta de la Coordinación de lnfraestructura y Procesos.
En la figura no 1.6 se muestra en detalle la estructura de esta última organización,
25
Capítulo 1 EL PROBLEMA =
Figura No 1.5. Organigrama General de Pdvsa Fuente: PDVSA
Figura No 1.6. Organigrama General de La Coordinación de Infraestructura y Procei;os del Distrito Maracaibo
Fuente: PDVSA
Capitulo II Marco Teoric<>
21
Capítulo 11. MARCO TE~RICO - -
2.1. ANTECEDENTES
Para la realización de esta investigación se consultaron estudios similares realizatlos
con anterioridad y estrechamente relacionados con el tema, tales como:
O CARDENAS, German. TURBINAS A GAS. Trabajo de Grada) para optar al
título de Magíster en Ingeniería del Mantenimiento. Universidad de Los
Andes. Venezuela. 2002.
En esta investigación fueron determinadas las variables que afectan la eficiencia
de estos equipos y como se puede mejorar la operación para hacerlos niás
eficientes. Para esto se presentaron resultados de muestras tomadas en distintas
turbinas en contextos operativos diferentes.
O PDVSA. Remodelación de la Planta Osear Augusto Machado. Proyelcto
2002.
Debido al aumento de energía eléctrica y la necesidad de mantener una carga
básica confiable se realizó un proyecto que contempla la remodelación de la
planta "Osear Augusto Machado" instalando 4 unidades Westinghouse W5001-
D5 de 100 MW cada una.
o PDVSA. Planta La Raisa. Proyecto 2003.
Proyecto de instalación de 2 turbinas Siemens-Westinghouse modelo W501-D5
con las siguientes características: localización a 40 Km. de Caracas. Combustible
a ser utilizado gas natural suministrado por PDVSA Gas. As~i mismo fueroii
diseñadas las tuberías de 12" de diámetro y 4 Km. de longitud desde la estacióii
de válvulas de Arichuna. El punto de conexión eléctrica :;e situó en la
intersección de una de las líneas Pepelón O.M.Z. propiedad de la EDC. Entrarido
este proyecto en operacion comercial en el año 2004.
2.2.1. LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL
El aire constituye uno de los elementos básicos de todo ser vivo. Diariamente
nuestros pulmones filtran unos 15 Kg. de aire atmosférico, mientras que sólo
absorbemos 2,5 Kg. de agua y menos de 1,5 Kg. de alimentos.
Por ello, ya desde los tiempos más remotos, el hombre ha sido consciente del
peligro que representaba una atmósfera contaminada como la creada, de modo natural,
con ocasión de una erupción volcánica, o por efectos del polen, y como la provocéida
por él mismo, desde la invención del fuego, al hacer arder un bosque y al encender tina
antorcha para iluminarse en el interior de las cavernas donde vivía.
Pero con el advenimiento de la era industrial el problema de la c~ntaminación o
da la polución atmosférica adquiere toda su magnitud, llegando a crecer
alarmantemente en las zonas urbanas e industriales.
Se entiende por contaminación ambiental, según el Consejo de Eiuropa de 1967,
la siguiente definición:
"Hay polución del aire cuando la presencia de una sustancia extraña o Id
variación importante en la proporción de sus constituyentes, es susceptible de provocar
efectos perjudiciales o de crear molestias, teniendo en cuenta el estado de los
conocimientos científicos del momento".
2.2.1.1. Agentes Contaminantes
Esas sustancias extrañas que provocan la contaminación atmosférica son los
agentes contaminantes. Gases y sólidos, que se concentran en suspensión en la
atmósfera y cuyas potenciales fuentes de origen son las siguientes:
Los procesos industriales, que a pesar de ciertas medidas preventivas
constituyen uno de los principales focos contaminantes.
O Los productos de combustiones domésticas e industriales, principalmente los
emanados por combustibles sólidos (carbón), que producen humos, polvo y
óxido de azufre.
O Los vehículos de motor, cuya densidad en las regiones muy urbanizadas
determina una elevada contaminación atmosférica.
El bióxido de azufre es uno de los contaminantes más habituales y
representativos del aire de nuestras ciudades. Procede de la combustión de
carbones o de aceites minerales utilizados en la producción de energía, en la
industria y en la calefacción doméstica y que pueden llegar a contener azufre en
una proporción de 5%.
El bióxido de carbono o gas carbónico proviene de la combustión de los
compuestos orgánicos y las cantidades emitidas a la atmósfera son rriuy
importantes, influyendo posiblemente en el recalentamiento atmosférico.
O El monóxido de carbono, junto con los hidrocarburos y óxido:$ de nitrógeiio,
constituyen tres de los contaminantes más frecuentes, cuyas fue~ntes principales
provienen de los gases de escape de los automóviles.
Entre los polucionantes minerales se citan el flúor y sus derivados, de origen
industrial; el plomo que proviene de los vehiculos de motor, en donde se atiadi? a
la gasolina para impedir detonaciones.
A medida que crece el desarrollo industrial y el aumento de la concentración en
núcleos urbanos, la contaminación ambiental también crece al igual que la necesidad
de tener un aire más limpio para distintos procesos industriales de alta tecnologia.
2.2.1.2. Clasificación de los contaminantes
O El polvo: Se origina por erosión del viento, moliendas, trituración y dispersión de
materiales pulverizados. Está formado por lo general, por partículas menores de
100 micrones.
Los humos: Unos son provenientes de combustiones incompleta:; de sustancias
orgánicas, como por ejemplo el tabaco, carbón leña, petróleo, etc. Los otros se
originan de la sublimación y oxidación de metales fundidos. Posee un tamaño
entre 0,l y 100 micrones.
e El rocío: Está constituido por material líquido atomizado a presión y a
temperatura normal, mezcla y pulverización.
e Las nieblas: Formadas por condensación de vapores.
o Los vapores: Es la fase de sustancias tanto líquidas como sólidas en su estado
normal.
0 Los gases: Aquellos fluidos amorfos que tienden a ocupar espacios o
determinadas áreas de manera completa y uniforme.
2.2.1.3. Características del Polvo Atmosférico
El polvo atmosférico son todos aquellos contaminantes que podemos encontrar
suspendidos en el aire. El carbono libre es el elemento principal en la capacidad de
ensuciar o manchar dependiendo del lugar que puede constituir entre iin 36 y un 50%
del total del polvo.
2.2.2. CA~DA DE PART~CULAS EN UN MEDIO FLUIDO
Las partículas suspendidas en el aire tienden a desplazarse según niveles de
energia. es decir. cuando son sometidas a campos eléctricos, ellas se desplazarán
según gradientes de energía, de las zonas de mayor a las zonas de menor energia.
Las partículas se mueven en direcciones diversas resultando en depósitos sobre
superficies. Las fuerzas debido a gradientes de energia que afectan a partícclas
suspendidas son independientes de las fuerzas de inercia que resultan de las corrientes
de aire, las cuales no causan interacciones entre partículas.
Cuando un flujo de aire se presenta ante un obstáculo, éste origina un cambio de
dirección: las partículas con suficiente inercia continuarán su trayectoria hasta impactar
con la superficie del obstáculo, mientras que las partículas menores se desplazarán
alrededor de él.
2.2.3. LEY DE STOKES
La ley de Stokes consiste en que un cuerpo al caer en un medio fluido se le
opone a su movimiento una fuerza proporcional a la viscosidad del medio, a la
velocidad del cuerpo y al diámetro del mismo.
En la segunda ley de Newton tenemos que la fuerza es proporcional al pfodurto
de la masa por la aceleración (F= m * a), por ende el campo gravitatorio, que es la
fuerza, es proporcional a la masa por la aceleración de gravedad (P= m " g).
De lo anterior podemos decir que cuando la partícula cae en el aire está sujeta a
la fuerza de gravedad, a la fuerza de empuje y a la fuerza de Stokes.
En la figura No 2.1 se muestran estas fuerzas, donde:
+ Figura No 2.1. Diagrama de cuerpo de una partícula en caida en un medio fluido
(Fuente: Manual de Introducción a la Filtración de Aire Industrial)
P, es la fuerza de empuje, igual a la m ' a, donde la masa es el volumen de la esfera
por la densidad del fluido y I aceleración es la correspondiente a la gravedad.
P2 es la fuerza de la gravedad, que se calcula con el volumen de la esfera por su
densidad, por la aceleración de gravedad.
P es la fuerza de Stokes, que es la resistencia que se ejerce sobre una esfera animada
de movimiento uniforme en el seno de una corriente fluida.
Existirá un momento en que las figuras P1 y P2 equilibrarán a la fuerza P según
la figura 3, quedando la partícula en un estado de movimiento rectilíneo uniforme; se
llamará velocidad límite a la velocidad de la partícula en este estado.
Si la aceleración es cero entonces tenemos que:
Donde:
r: radio de la particular
g: aceleración de la gravedad
v: velocidad limite
p: viscosidad cinemática del fluido
p: densidad de la partícula
p': densidad del aire
La velocidad límite será entonces proporcional al cuadrado del radio de: la
partícula y a la diferencia de densidades e inversamente proporcional a la viscosidad
Capítulo 11. MARCO TEÓRICO
2.2.4. DIS'TRIBUCIÓN DE PART~CULAS POR TAMANO EN EL AIRE
Se han realizado ensayos en los Estados Unidos de Norteamérica donde se ha
demostrado que hay distribuciones porcentuales en función de sus tamaños por metlio
de contadores fotométricos de aerosoles y ensayos microscópicos, es decir, las
partículas se encuentran en concentraciones definidas de acuerdo a su tamaiio.
Además investigaciones realizadas en la fuerza aérea de U.S.A. y Cabo Kennedy
confirman esta relación.
Esto se debe a que esta relación es producto de la función logaríitmica de la Ley
de Stokes.
A continuación se muestra la tabla de velocidades de caida de partículas de
densidad unitaria en aires en reposo, en función de su tamaño.
Tabla No 2.1. Velocidad de caída de partículas vs. Tamaiio de las partícul;is
O. 1 0.000081
0.2 0.00018
0.4 0.00066
0.6 0.0010
0.8 0.0025
1 0.0036
4
6
0.048
0.1 1 , 10.8
Fuente: Manual de Introducción a la Filtración de Aire Iridustrial.
Fueron los trabajos de Philip Austin, Clifford Frith y Stewart Timmerman en Cal20
Kennedy y en la Base Olmsted de la fuetza aérea de los Estados Unidos que
demostraron la relación directa entre la cantidad porcentual de partículas suspendidas
por tamaiio e inversa a la velocidad de caída.
Es entonces en dos escalas de ordenadas donde están dispuestas la
concentración de partículas en cantidad por unidades volumen de aire y el tiempo
requerido por una partícula de densidad uniforme para que recorra 1 cm. En segundos;
en el eje de las abscisas se encontrará el tamaño de las partículas. Esto pennite
enunciar y clasificar las áreas limpias según la Norma Federal 209, con soporte técnico
verificado con la experiencia.
2.2.5. FILTRADO DE AIRE
2.2.5.1. Selección de filtros en cuanto a sus capacidades de rlemoción
Dependiendo de la forma de remoción de polvo atmosférico del ai're y la forma en
que los fabricantes reportan cuanto polvo removerán, los filtros se podrán se pod12n
seleccionar de cualquiera de las siguientes maneras:
a Por peso: consiste en la cantidad en peso de polvo removido del aire.
e Por conteo: se basa en la cantidad en número de partículas removidas del aire.
e Por área: se trata de la capacidad de un filtro para reducir las manctias
producidas por la remoción de polvo atmosférico del aire.
2.2.5.2. Tipos de prueba para filtros de aire
Lo anterior se deriva de los métodos de prueba que se usan Fiara evaluar los
filtros.
35
Capítulo 11. MARCO TEÓRICO - -
Como se ha mencionado en todo los descrito anteriormente el aire contictne
partículas con una gran variedad de tamaños, las de menor tamaño sor) imperceptibles
por el ojo, están en mayor cantidad, pero son muy ligeras como para pesarlas, mientras
que las partículas de mayor tamaño se encuentran en menor proporción y tienen mayor
peso. Es importante entonces tener en cuenta estos dos parámetros en el momento de
distinguir los tipos de prueba.
Peso: volviendo a lo anterior tenemos que este tipo de prueba se basa en la
remoción de partículas grandes, las cuales son las de mayor pesci. En la norma
ASHRAE 52-76 esta prueba es llamada arrestan ciar.
Área: a diferencia de la prueba por peso ésta sirve para remover cualqiiier
partícula que sea capaz de machar y en la norma ASHRAE 52-76 se define comci la
eficiencia de manchado de polvo atmosférico.
Conteo: en esta prueba el objetivo es eliminar aquellas partíc:ulas de meiior
tamaño y peso ligero. Este tipo de prueba se realiza en aquellos filtros donde se
necesita una gran capacidad de remoción, los filtros evaluados con esta prueba son
usados generalmente en hospitales y áreas donde se requieren condiciiones sanitarias
extremas. Esta prueba descrita en la norma MIL. STD. 282 también llamada D.O.P.
2.2.5.3. Prueba D.O.P.
Consiste en dejar evaporar por calentamiento a 19g°C en un flujo de aire no
contaminado la sustancia Di-Octil-Phtalato. Esta sustancia al condensarse genera
partículas individuales de tamaiio uniforme de 0,3 micrones. Este flujo (le aire se hace
pasar a través del filtro y la medida de esta eficiencia se hace por medio de contado1.e~
fotoeléctricos que miden la concentración del aerosol antes y después del filtro.
@ i capítulo 11. hiNZC0 TEO~ICO
2.2.5.4. Norma ASHRAE 52-76
Esta norma permite la identificación de ciertos conceptos de inanera clar~i y
concisa para evitar confusiones.
En ella se describen los parámetros y procedimientos de pruebas que mideri la
habilidad de remoción de partículas de polvo atmosférico del aire.
Además, se describe la forma de realización de los informes o reportes de
pruebas, donde se detalla el desempeiio de los filtros, así conio sus cun~as
características.
Es importante resaltar que en la norma se describe el equipo a utilizar y su forma
de manejo, para así semejar las pruebas lo mayor posible a su realidad.
2.2.5.5. Caída de presión
En cualquier proyecto donde se use filtrado de aire hay que tener en cuenta la
caída de presión que este sistema presenta.
La caida de presión no es mas que la resistencia que el filtro opoirie al paso do la
corriente de aire a través de él.
Para medir la caida de presión generalmente se usan los manómetros de
columna inclinada, los cuales están graduados en milímetros de agua o en pulgadas de
agua.
La caída de presión en los filtros es aproximadamente igual a:
Ap = A V + B V ' ( ~ )
Donde:
~p : caída de presión,
A: constante de régimen laminar,
B: constante de régimen turbulento, y
v: velocidad de paso de aire a través del filtro
Solo en el caso de los filtros HEPA, el régimen es laminar y la curva de la caida
de presión es lineal.
Para disminuir la caida de presión con la misma cantidad de área de media
filtrante se requiere aumentar el área de la sección filtrante.
2.2.5.6. Capacidad de retención de polvo
Se llama así a la carga en peso de polvo atmosférico que puede retener un filtro
cuando llega a su punto de saturación, representa su vida útil.
El punto de saturación es aquel punto donde la caída de presihn produce iina
reducción de caudal tal que éste es insuficiente para el sistema.
2.2.6. PRINCIPIOS DE FILTRACIÓN DE AIRE
2.2.6.1. Separación inercia
Los principios de cambio rápido en la dirección de aire y de inercia son usaclos
para separar la masa (partículas) de la corriente de aire.
Las partículas que se desplazan a una cierta velocidad tienden a permanecer en
esa velocidad y dirección.
En separación inercial, el flujo de aire primario hace una cambo rápido en la
dirección. Las partículas, a causa de su masa. en su curso caen sobre c:I extremo de la
persiana y son llevadas hacia fuera por un ventilador secundario que extrae un
porcentaje del flujo de aire primario.
Este principio se aplica normalmente cuando hay una concentración alta de
partículas en el curso de los pre-filtros hacia los filtros finales de alta efici'encia.
38
Copitulo 11. MARCO TEÓRICO -. -.
Es esencial darse cuenta y comprender que el oxígeno al pasar por medio de uri
campo eléctrico. es degradado al oxígeno elemental: O2 a 0,. El oxígetio elemental es
bastante inestable, tendiendo a "buscar afuera" las moléculas de oxígeno (02) dentro
del espacio servido. Esta acción conduce a la creación de ozono, 03, un gas que puede
causar severos problemas respiratorios en las personas.
2.2.6.2. Adsorción
Por medio de la encapsulación en extremo se adelgazan las capas de moléculas
de gas que están en contacto con la superficie de los cuerpos sólidos.
Para mejorar esta adhesión se pueden probar un número de inétodos corio:
aumentar el área de la superficie con que el gas está en contacto, aurrientar el tierripo
en que el gas está en contacto con la superficie.
El carbón activado es el carbón natural proveniente de la cáscara de coco u otra
materia orgánica que se haya rayado y limpiado de toda sustancia extraña por
tratamiento al vapor y destilación.
El carbón activado trabaja realmente capturando gases dentro dct las células de
su estructura. Los gases pesados a causa de su baja actividad molecular, tienden a set.
fácilmente "capturados" y retenidos hasta que cantidades suficientes de estos gases
llenan las células ocasionando penetración y migración y detención del gas (corrieiite
abajo", este es el momento cuando se debe ocurrir el reemplazo o la reactivación del
carbón activado.
Los gases livianos, por otra parte, tienen alta actividad molecular, tienden a pasar
mediante el lecho de carbón sin la retención o captura. En muchos casos, un
absorbente de tipo reactivo debe utilizarse para cambiar el gas por la reacción química
en una sustancia diferente.
Los factores que afectan la eficiencia de la adsorción son:
39
Capitulo 11 MARCO ~ € 6 ~ 1 ~ 0 - -
a El calor: Mientras mayor sea la temperatura, más alta será la actividad molecular
del gas, siendo más difícil absorberlo.
La humedad: El valor de agua. con un punto de ebullición a 100°C (212OF), es
sumamente atraído hacia el carbón. Este puede tomar la paite superior en
muchas de las "células" reservadas por el diseñador para cont,aminantes rriás
nocivos. Por supuesto, el vapor de agua se quedará fácilmente arriba con la
introducción de gas seco. Por esta razón, el carbón se ha expuesto a la humecad
con anterioridad a la instalación puede permitir la penetración de mucho del gas
destinatario.
a La capacidad: Cuando el carbón esta cerca saturarse, el balance entre lo que se
retiene y lo que se queda fuera es un delicado uno a uno (1:1), notándose la
variedad de gases usualmente encontrados en sistemas comerc;iales de HV,4C
(Heating, Ventilation and Air Conditionate; Calefacción, Ventilación y /,¡re
Acondicionado).
Para que una molécula entre en una molécula entre en una célula de carbón, (los
o más moléculas de un gas diferente son desalojadas y pasadas "corriente abajo". El
carbón, en su saturación, puede reactivarse y rehusarse. Sin embargo, rio es el caso de
los absorbentes de tipo reactivo tal como el permanganato de potasio, la alumina
activada, etc. Que deben desecharse y ser reemplazadas. De hecho, algunos de estos
absorbentes requieren una humedad relativa no menor del 20% para comenzal- a
trabajar igual.
Como ellos efectúan reacciones químicas reales, sabiendo la sustancia principal,
la sustancia que queda en la célula puede predecirse. Este tipo de absorbente reactivo,
a pesar de ser requerido para muchas sustancias específicas, no puede ser totalmente
efectivo para la amplia gama de gases encontrados e aplicaciones de HVAC. Los filtros
de este tipo son generalmente empleados para quitar una cantidad de partículas de
mayor tamaño y como pre-filtros a los filtros de mayor eficiencia. De ellos no puítde
esperarse ser efectivos al aplicarse a la gama de partículas respirables.
2.2.6.3. Difusión
Como las partículas llegan a ser menores, su dirección y la velocidad se afecran
más por los movimientos de Bownian, que por el mismo flujo de aire.
Mientras actúan mas gases que partículas, ellos tienden a "difuntiirse" desde las
áreas de mayor concentración a las áreas de menor concentración.
Cuando se aplican filtros que usan el principio de difusión. I2.i idea está es
aprovechar de este movimiento aleatorio un esfuerzo para atraer una partícula a una
fibra, este esfuerzo que adhiere las partículas en la fibra es debido a las fuerzas de ban
der Walls.
Como una partícula se deposita en un área dentro de la media, por la atraccióii y
captura, crea un área de menor concentración donde otra partícula esparcida será
capturada por sí misma. Al mejorar la posibilidad de esta atracción, los filtros emplean
este principio de operación en medios de bajas velocidades y10 al tener mayor tiempo
una partícula en la "zona de captura", con la mayor área de superficie de la media de
recolección (fibras), son mayores las oportunidades de captura.
Los fabricantes de filtro tienen dos métodos distintos de orientar este principio:
Emplear mayor cantidad de metros cuadrados de media de fibra de vidrio tipo
esfera fina.
e Emplear menos metros cuadrados de media de fibra de vidrio gruesa de desviin.
El tiempo de residencia dentro de la media (zona de captura) excede al de la
media de fibra de vidrio tipo estera y como tal, la retención de partículas
respirables se mejora.
Los filtros electrostáticos operan el principio que los objetos portadlores de cargiis
eléctricas opuestas son atraídos uno al otro.
Las partículas al entrar en un filtro electrostático, pasan mediante una secc~ón
ionizada que crea un campo eléctrico de 12.000-14000 voltios para inducir una cai'ga
positiva. Corriente abajo, las partículas cargadas entran en una sección estrecha,
alternando por los platos cargados. Aqui, las partículas cargadas positivamente s,on
atraídas y retenidas por los platos cargados negativamente.
En ciertos intervalos, los sistemas se pagan y estos platos se lavan, removierido
las partículas aglomeradas, de forma automática o manual, y la unidad es encendida
posteriormente. Los filtros electrostáticos son muy eficientes en la eficiencia inicial de
recolección de partículas que pueden cargarse. Sin embargo, a través del tiempo, cono
la suciedad se acumula sobre los platos creando un aislante efectivo, la carga negativa
se disipa y la eficiencia de recolección disminuye.
Un filtro electrostático es mas eficiente el día en que es puesto en servic:io,
debido a que llega ser menos eficiente a través del tiempo, a diferencia de los filt1.0~
mecánicos que aumentan la eficiencia a través del tiempo.
Es por esta razón que es frecuente ver los siguientes filtros elec.trostáticos rollo
automático impregnado, de bolsa, o filtro rígidos de alta eficiencia. Para operar estos
filtros rígidos de alta eficiencia. Para operar estos filtros efectivamente en aplicaciories
de HVAC comercial, la mayoría de los fabricantes recomendarán velocidades nominales
alrededor de 300 FPM (152.4 cmlseg) para lograr eficiencias ASHFtAE de 80°A8 o
mayores.
Ellos tienen una ventaja en la caída de presión, pero frecuentemente los costos
de mantenimiento o de consumo de energía contrarrestarán 6sta.
2.2.6.5. Tamizado
El aire que fluye a través de un filtro que usa el principio de impregnación, es
forzado a hacer muchos cambios en la dirección dentro del mismo filtro. La partícula
llevada por la corriente de aire tiene una masa mayor que el aire. Mientras que el aire, y
mucha de las finas particulas de baja masa, son capaces de pasar mediante un filtro,
las partículas de masa grande, debido a su inercia, no son capaces de hacer esos
cambios en la dirección. Su inercia tiende a llevárselas a siguientes puntos donde
chocan con una fibra adhiriéndose.
Para mejorar esta capacidad de captura, muchos filtros que operan con eijte
rápidamente en el punto donde están entrando las partículas "descargas" o son
pasadas corriente abajo. Esto ocurre debido al hecho que como las fibras van
cargándose con partículas y el área abierta para el flujo de aire disminuye, la velocidad
de aire aumenta sobre las fibras.
Este aumento eventualmente llega a ser más grande como para permitir su
captura, y las partículas que están entrando migran corriente abajo.
Frecuentemente los adhesivos se pueden secar, por lo tanto hace que estos
filtros sean menos efectivos. Es común ver instrucciones de fabricantes afirmando que
estos filtros se cambian mensualmente. En muchos casos, es después de este período
de tiempo que el filtro puede dejar pasar más polvo a la corriente de aire (todo lo que ha
cargado).
2.2.7. FILTROS DE AIRE
2.2.7.1. Los filtros de aire y sus aplicaciones
Los filtros de aire se pueden clasificar en dos grandes grupos según su funcióri:
Los filtros que son para eliminar contaminantes en el lugar donde se originan, !os
cuales se usan en lugares donde la cantidad de polvo unidad de volumen de aire
es muy alta.
Los filtros para proveer aire con un determinado grado de purez,a, son aquel os
de medios porosos o fibrosos. generalmente usados en veritilación o aire
acondicionado.
2.2.7.2. Clasificación de los filtros
a Separadores centrífugos o ciclones
Como su nombre lo dice, el principio de funcionamiento de éstos equipos se basa
en la utilización de la fuerza centrífuga para separar las particulas del flu~o de aire.
La eficiencia de este tipo de equipo es una función de la fuerza centrífuga; eslos
son efectivos para separar partículas con tamaños superiores a 15 microiies.
Recolectores de polvo de mangas filtrantes
El medio filtrante es una tela de tejido cerrado con formas dle bolsas para
aumentar el área. disminuyendo su caída de presión.
Su principio de funcionamiento es la intercepción; tiene alta eficiencia en la
separación de particulas finas y va en aumento con la acumulación de polvo sobre las
mangas. Por lo tanto estas mangas deben ser sacudidas por medio:; mecánicos o
inyección de aire comprimido en sentido inverso para desprender de ellas el polvo
acumulado, recolectándose en una tolva.
e Separadores inerciales
Son dispositivos mecánicos constituidos por celdas metálicas, donde la
separación de las particulas se debe a su inercia, la efectividad de este dispositivo
incrementa con la velocidad y la masa de las particulas.
La eficiencia de los mismos es alta en particulas superiores a los 10 microní!~;
esta no varía con la concentración de polvo y pueden ser utilizados con-io pre-filtros de
dispositivos muchos más eficientes.
Su principal ventaja es que son auto limpiantes.
O Precipitadores electrostáticos
Son filtros con altas eficiencias en partículas de tamaño pequeiio. La caída de
presión en ellos es baja y se mantiene constante a lo largo del tiempo. Su costo inicial
es alto y requieren de mantenimiento adecuado.
Son generados iones positivos con un ionizador de alto potencial (12000 volt), las
partículas al pasar por este campo adquieren una carga y al ser llevadas por el cautlal
de aire a la sección donde existen un conjunto de placas cargadas con diferencias de
potencial de 6000 volt son atraídas quedando retenidas en la superficie de las mismas;.
Se necesitan elementos de protección y seguridad debido a los voltajes utilizados
y además, se requieren pre-filtros para evitar la penetración de materiales gruesos uq
puedan dañarlos.
0 Cortinas lavadoras de agua
Se aplica el principio de inercia y adsorción; el aire pasa a través de chorros ale
agua o por medios fibrosos humedecidos continuamente.
También se hace pasar la corriente de aire por deflectores suspe!ndidos a p o ~ x
distancia de la superficie de agua.
El efecto secundario es la humidificación del aire.
0 Filtros con medio filtrante fijo y viscoso
Su construcción por lo general es de paneles planos con medio fil.trante metálico
de alambre tejido, metal desplegado o lana de vidrio; los marcos son también metálicos
o de cartón.
Son filtros donde la caída de presión aumenta en función de la carga de polvo,
trabajan por el principio de separación inercial, donde el agente principal es el adhesivl,.
Son adecuados para ser usados con velocidades entre 260 y 650 fUmin, su caitla
de presión oscila entre 0.3 y 0.4 pulgadas de agua. El factor limitante en estos filtros es
4t
Capítulo 11 MARCO TE~RICO - -
la caída de presión excesiva o el secado del adhesivo. La eficiencia dc? manchado de
polvo atmosférico según la norma ASHRAE no se reporta por ser menos del 20%.
8 Filtros con medio filtrante seco y plegado
Este tipo de filtros son frecuentemente usados en ambientes coritaminados con
humos, óxidos metálicos, nieblas salinas, cementos y otros.
Su elemento filtrante es más fino que el de los filtros con adhesi\ro y con mayor
caída de presión debido a que sus fibras son de menor diámetro y con merior
separación entre sí, es decir, de alta densidad y fabricados con fibra de vidrio ultra fina
dispuesta en pliegues.
Su construcción debe ser tal que no exista el paso (by-pass) de aire no filtrado al
interior del área donde se requiere aire con ciertas condiciones de limpieza.
Filtros HEPA
El más eficiente de todos los filtros con medio seco y extendiclo, este meclio
filtrante es un papel de microfibra de vidrio plisado, de manera que k i superficie es
hasta 50 veces el área de la sección de entrada de aire.
Este tipo de filtro según la norma militar MILSTD.282 debe tener una eficienc:ia
mínima del 99.97% en aerosoles de D.O.P. de 0.3 micrones de diámetro.
Filtros con renovación automática de medio filtrante
Estos filtros se usan para trabajar con grandes caudales de aire con baj,as
eficiencias ASHRAE menores al 20%.
El medio filtrante son bobinas de lana de vidrio o filtro de rollo, que :;e
desenrollan automáticamente por medio de un mecanismo de presostat:o o por medio
de un temporizador (timer).
2.2.8. TURBINAS DE GAS
Las turbinas de gas se han venido generalizando cada vez mas, esto se debe? a
su capacidad para suministrar potencia eléctrica en los periodos picos y durante las
variaciones en los ciclos diarios.
El ciclo básico de las turbinas de gas es el ciclo Brayton; este ciclo se realiza en
las siguientes etapas: Compresión adiabática, evaporación a presitln constante y
expansión adiabática. El trabajo real del ciclo es la diferencia entre el trabajo de
compresión y el de expansión.
Para mejorar el rendimiento de este ciclo se agrega un ciclo de interenfriamierito
en el compresor y uno de recalentamiento intermedio del fluido de trabajo durante la
expansión, además se agrega un regenerador para recuperar el calor procedente clel
escape de la turbina.
Tomándose aire en condiciones ideales y que no existen pérdidlas internas, el
rendimiento térmico de la turbina sólo dependería de la relación de presión tlel
compresor (P2/P1), siendo éste determinado por la siguiente ecuación:
Eficiencia = 1 - l (~21~1Xk - 1)1~(14)
Donde:
P2: Presión de salida del compresor
P1: Presión de entrada del compresor
k: conductividad térmica del fluido
En el ciclo real, las pérdidas también dependen de la temperatura de admisión.
Este es más pequeiio que el ideal, esto se debe a que las propiedades del aire (k; cp;
calor específico a presión constante) no con constantes en el intervalo dle temperatura
del ciclo, a esto se suman las pérdidas internas.
Capítulo 11. MARCO ~ € 6 ~ 1 ~ 0
2.2.8.1. Tipos de Turbinas de Gas
Las turbinas de gas se pueden clasificar en: abiertas y cerradas.
En la primera el fluido de trabajo (aire y productos de combustión) pasan a través
de la máquina una sola vez.
En las turbinas del tipo cerrado, la principal diferencia con las anteriores es que el
fluido de trabajo recircula de manera continua y el calor proveniente de una fuerite
externa se transmite por medio de un calentador cerrado.
Las ventajas de las turbinas del tipo cerrado son: la limpieza del fluido de trabajo
y la facilidad para controlar su densidad. Las desventajas de este tipo cle turbinas s3n
las dimensiones y los cambiadores de calor de alta temperatura.
2.2.8.2. Componentes de una Turbina de Gas
Compresor: La potencia neta de una turbina de gas está prcxiucida por la
diferencia de presiones entre la turbina y el compresor, de donde las dos terceras
partes (213) son para impulsar el compresor.
Por lo anterior se toma como medida de protección, la utilización de filtros a la
entrada de aire con lo que se busca impedir la entrada de polvo, giases y sal qiJe
pueden provocar efectos adversos como erosión, corrosión o depósitos en el
compresor y turbina trayendo como consecuencia una notoria reducción el
rendimiento.
Componentes del compresor:
a) Filtros: Son el primer componente de admisión de aire, su función 12s
minimizar efectivamente la entrada de aire sucio al cornpresor con la
finalidad de evitar el ensuciamiento, erosión y corrosión de SIJS
componentes, por el polvo en el aire. Los filtros utilizados deben tener
un alto rendimiento de recolección de polvo y capacidad de retencitjn
del mismo; la caída de presión a través de los filtros debe ser baja y
deben tener una larga vida.
b) Estator: Es la parte estática del compresor y está cornpuesto por la
carcaza, el anillo y los alabes
c) Rotor: Es la parte que rota o gira. Está compuesto básicamente por el
tambor o disco y alabes.
e Turbina: Es donde ocurre el proceso de expansión adiabática, por lo general son
de flujo axial. Cada día se ha incrementado el incentivo por operar con
temperaturas mayores conduciendo a complicados diseños de los conductos o
cámaras de enfriamiento. También, se trabaja en el estudio de materiales
cerámicas para partes que funcionan a altas temperaturas.
2.2.9. FILTRACIÓN DE AIRE EN TURBINAS DE GAS
Las casas de filtros están más expuestas a las condiciones ambientales, que los
filtros usados en otras aplicaciones. Debido a esto tendremos que eliniinar partículas
que pueden ocasionar daños como: el ensuciado, corrosión y erosión de los alabes.
Cualquiera de los daños modifica el perfil de los alabes variando el rendimierito
de la turbina; en el caso de la erosión y corrosión se deben cambiar los alabes y en el
ensuciado a pesar de no ser tan grave provoca una limpieza.
La erosión se considera con partículas mayores de 10 micrones y crítico cuando
son mayores de 20 micrones. Esta erosión va a depender de la masa, la inercia y el
ángulo de impacto sobre los alabes. En muchos casos provoca hasta la rotura de IIJS
alabes por reducción de su sección.
El ensuciado se debe a partículas muy pequeñas, inferiores a 5 microni?~
provenientes de gotas de aceite, vapores oleosos, hollín, etc. El ensuciado de los filtri~s
puede ser eliminado con filtros de alta eficiencia.
4s.
Capítulo 11. MARCO TE~RICO - -
La corrosión es provocada por depósitos húmedos, nieblas s.alinas, ácidos.
cloruro de sodio, núcleos cristalinos y particularmente las sales de sodio, potasio,
vanadio y plomo. En la cámara de combustión las sales metálicas combinadas con el
azufre y el oxígeno de combustión, provocan la oxidación de los eltementos de la
turbina.
Además del uso de filtros de alta eficiencia para eliminar las partículas más
pequeñas y las partículas con contenido salino se debe verificar un efectivo sedo enre
el filtro y la estructura de soporte o banco de filtros.
En esta sección se describirá el tipo de investigación que se aplicará durante el
desarrollo del trabajo de grado, siguiendo a esto se presentará el diseño de la
investigación.
3.1. Tipo de Investigación
Sabino, C (1994) expone que "toda investigación puede definirse como el interito
de conocer, indagar, saber algo, con el propósito de ampliar nuestros conocimientos
sobre una cierta esfera de problemas. La investigación se justifica simplemente por la
necesidad de esclarecer algún problema que resulta de interés dentro del mundo
científico, por mas que no se vislumbre aplicaciones directas para sus resultados".
Este mismo autor refiere que la investigación descriptiva "propone conoc:er
grupos homogéneos de fenómenos, de acuerdo a criterios sistemáticos, para poner de
manifiesto su comportamiento". Seguidamente, señala que "no se ocupa de la
verificación de hipótesis, sino de la descripción de hechos a partir de iin criterio o de
una teoría previamente definida".
Según Chávez, (1994) "el tipo de investigación se establece en función del ti30
de problema que se desea solucionar, los objetivos que se pretendan lograr y la
disponibilidad de recursos". Este autor afirma que "los estudios aplicados tienen corio
fin resolver un problema en un período corto de tiempo".
Por tal motivo, se puede plantear que la presente investigación será clasifica~la
por su propósito como descriptiva aplicada, ya que estará orientada a brindar mejoras
ante las frecuentes paradas de las turbinas de gas, obteniéndose las causas de las
fallas más frecuentes que impiden el normal funcionamiento de las piezas m,$s
importantes, haciendo hincapié en los alabes y los filtros. Así mismo en el trabajo será
desarrollada una metodología para la evaluación técnica y económica de las partes y
piezas que deben sustituirse en las turbinas, en especial la posibilidad de utilización de
los filtros venezolanos.
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capítulo 111. MARCO METODOL~GICO - -
3.2. Diseño de la investigación
Según Hernández y otros (1998). el término diseño "se refiere al plan o estrategia
concebida para responder a las preguntas de investigación. El dis,eño señala al
investigador lo que debe hacer para alcanzar sus objetivos de estudio, contestar as
interrogantes que se han planteado y analizar la certeza de la hipótesis formulada en un
contexto particular".
De acuerdo a lo plantea Castro F., (1993), la investigación de campo es ''el
análisis sistemático de problemas en realidad, con el propósito bien sea de describirlos,
interpretarlos, entender su naturaleza y factores constituyentes, explica~r sus causas y
efectos, o predecir su ocurrencia, hacia uso de métodos característicos, de cualquiera
de los paradigmas o enfoques de investigación conocidos o en desarrollo. Los datos de
interés son recopilados en forma directa de la realidad; en este sentido se trata tle
investigaciones a partir de datos originales ó primarios". Es por esto que se considera
una investigación de campo.
3.3. Técnicas de recolección de datos
Las técnicas son los medios para recolectar la información necesaria para el
entendimiento de la información.
* Observación documental
La gran multiplicidad y diversidad de los documentos constituye en su conjuni:~
un arsenal inmenso de fuentes para la investigación prácticamente inagotables. En él se
encuentran recogidas y reflejadas. desde tiempos muy remotos, si bien de manera
dispersa, desordenada y fragmentada, gran parte de las manifestaciones de la vida de
la humanidad en su conjunto y encada uno de sus sectores. (SIERRA, 1906).
De ahí la importancia de este tipo de recolección de datos para la investigacióri.
En cuanto a las investigaciones sobre la realidad actual, además medios de
observación de la realidad, han de partir de las anteriores investigaciones realizadas de
tipo similar, que respecto a ellas constituyen también fuentes documentales. (SIERRA,
1996).
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capítulo 111 MARCO METODOL~GICO - -
Para esta investigación se hizo uso de la observación documental debido a que
consiste en el diseno de los procedimientos de operación y mantenimi~!nto preventivo,
tomando como guía los catálogos del fabricante, la información existente acerca de os
equipos que componen el sistema de turbinas a gas, con el objeto cle estandarii:ar
todas las labores de mantenimiento y operación, basándose en normas de calidad, que
permita obtener un control eficiente y confiable de este sistema.
0:. Observación directa
Según Tamayo y Tamayo (1994), "la observación directa es aquella en la cual el
investigador puede observar y recoger datos mediante su propia observacióii",
concretamente mediante inspecciones que se realicen en el sitio.
Para esta investigación se hizo necesaria la observación directa, para tomar
información desde el sitio (PDVSA), donde se llevará a cabo todo lo referente al diseiio
de los procedimientos de operación y mantenimiento del sistema de turbirias a gas.
0 : Entrevistas estructuradas
La entrevista es una técnica de recolección de información que permite
profundizar en un fenómeno determinado, sea éste un tema relevante para el
investigador, una opinión o un problema detectado por él. Generalmente las entrevistzis
comparten una estructura básica en la que el investigador tiene las preguritas y el sujeto
(o informante) de las respuestas.
Las preguntas del investigador están contenidas en una pauta que han ciclo
previamente definidas en función de los intereses de la investigación. De esta manera.
pueden encontrarse diferentes tipos de entrevistas, según sea el grado de: especificidad
de las preguntas que están contenidas en las pautas; entre las cuales se encuentran:
estructuradas, semi-estructuradas, abiertas, no estructuradas, mixtas, entre otras.
Entrevista estructurada: Se basan en un marco de preguntas determinadas. Las
preguntas se establecen antes de que se inicie la entrevista y todo sodicitante debe
responderla, este enfoque mejora la entrevista, pero no permite que el entrevistadctr
explore las respuestas interesantes y poco comunes. El formato de respuestas para las
preguntas de este tipo de entrevista pueden ser abiertos o cerrados, en el caso de qde
sean abiertos, el usuario podrá dar cualquier respuesta que considere apropiada; en el
caso de preguntas cerradas se proporciona al usuario un conjunto de respuestas que
pueda seleccionar.
Para este tipo de investigación se utilizarán entrevistas de tipo estructuradas con
un formato de respuestas abiertas al personal especializado, ya que estais proporcionan
datos más específicos sobre las turbinas a gas.
0:. Técnicas de lectura evaluativa
Es la que se utiliza para realizar una lectura crítica; es decir, aquella que no solo
permite comprender el mensaje del autor sino también lo valora. (FUENMAYOR y col.
1999)
En esta investigación se utilizarán las técnicas de lectura evaluativa, debido a
que se realizará una revisión analítica de otros autores, documentos propios de PDVSA
y otras empresas e información referente al tema.
3.4. Fases
1. ldentificar los sistemas que componen una turbina a gas.
2. ldentificar las fallas más frecuentes de las turbinas a gas.
3. Recopilar datos sobre las pruebas técnicas que se realizarán a los filtro!; y
prefiltros venezolanos.
4. Realizar pruebas y analizarlas.
5. Recopilar los datos económicos y comparar los costos entre filtros importados y
nacionales.
6. Diseñar un programa de mantenimiento preventivo considerando las actividades
más importantes para el funcionamiento óptimo de las turbinas a gas.
7. Establecer dentro del programa la metodología para la evaluación de la
factibilidad técnica económica del uso de piezas y repuestos vene!zolanos.