Using pipeline simulation to increase pump and compressor efficiencies
Compresores y bombas en ductos
Aunque las bombas y los compresores pueden funcionar con principios muy similares, es importante conocer sus diferencias. En los ductos, las bombas se utilizan para transportar líquidos y los compresores para transportar gases.1
La simulación de estos instrumentos presenta una serie de retos especiales y no todas las aplicaciones de un simulador de ductos necesitan modelarlas con exactitud. Por ejemplo, en un modelo en tiempo real desplegado únicamente para la detección de fugas, se requiere que los instrumentos sean lo suficientemente buenos como para poder aislar el interior de cada estación. Por eso, en esta aplicación es importante que la simulación no modele bombas o compresores ni dependa de que sean precisos.
Sin embargo, en otras aplicaciones, el modelado de bombas y compresores desempeña un papel fundamental para garantizar la precisión de la simulación y lograr solucionar problemas en escenarios en tiempo real.
Fuera de línea, adquieren gran importancia en los estudios de diseño para que los ingenieros consideren posibles cambios en las operaciones de los ductos o futuras actualizaciones. Es especialmente interesante ver cómo funcionan las bombas y los compresores en diferentes escenarios. Por ejemplo, pueden estudiar el ahorro a largo plazo que se puede conseguir optimizando las operaciones, ahorrando energía o decidiendo qué hacer durante el mantenimiento programado.
Este artículo abarcará:
- El rendimiento de la bomba o el compresor
- Tipos de bombas y compresores
- Bombas en ductos de líquidos
- Compresores en ductos de gas
El rendimiento de la bomba o el compresor
Si no se dispone de datos de rendimiento de la bomba, una forma rápida de modelar una bomba es utilizar lo que se conoce como bomba ideal. Una bomba o compresor ideal suministra inmediatamente una cantidad determinada de energía útil sin restricciones, haciendo exactamente lo que le dice el usuario.
Figura 1: Diagrama de volumen-presión de un compresor
Los compresores y bombas afectan el fluido del exterior de dos formas:
- Transfiriendo calor
- Y trabajando en él
Ambos son imposibles de calcular directamente porque son cantidades que dependen de la trayectoria. La manera de superar esto es calcular el calor y el trabajo de forma indirecta. Una propiedad termodinámica es una función de estado, lo que significa que es puramente una función de las variables termodinámicas que describen el estado actual del sistema (como la presión y la temperatura)1. .
Existen cuatro factores fundamentales a considerar cuando se evalúa el rendimiento de una bomba o un compresor:
- Potencia, trabajo y cabezal - ayuda a seleccionar un conductor adecuado o a predecir qué potencia consumirá un conductor existente en un escenario determinado
- Aumento de temperatura - tiene en cuenta los cambios en la densidad del producto que pueden provocar ineficiencias en el ducto
- Entalpía y entropía - medidas de energía y degradación energética
Tipoas de bombas y compresores
Casi todas las bombas y compresores funcionan según uno de los dos principios fundamentales:
- Centrífuga - funcionan según el principio dinámico, no empujan directamente
- Reciprocante - funcionan según el principio de desplazamiento positivo (PD)
La mayoría de las bombas y compresores utilizados actualmente en los grandes ductos son centrífugos.1 El aumento del área de la sección transversal de este principio reduce la velocidad aumentando la presión con la que se descarga el producto del ducto. Además, es posible obtener mayores caudales, lo que se relaciona con la eficiencia del ducto.
Los ductos están diseñados con un alto grado de resistencia. Esto ayuda a garantizar que puede suministrar al menos parte del caudal especificado incluso si una determinada bomba o compresor no está disponible.
Bombas en ductos de líquidos
La densidad de un líquido casi incompresible sólo varía ligeramente. Cuando se bombean líquidos muy compresibles, como el gas licuado de petróleo (GLP), se utilizan ecuaciones de estado especiales para calcular el cambio de densidad con la presión y la temperatura. Incluso en una bomba perfectamente eficiente, un líquido compresible tiene un aumento de temperatura isoentrópico (relativo a una entropía igual o constante).
Dado que las bombas que manejan líquidos compresibles no son isoentrópicas, se abordan de manera similar en Atmos Simulation (SIM) Suite. Para ello, calculamos la potencia y la temperatura de descarga mediante integración de la misma manera que para un compresor de gas.
Una de las formas en que Atmos SIM puede utilizarse para ayudar a las operaciones de bombeo es con estrategias de alivio de sobrepresiones a través de la lógica de control. Esto protege la bomba y ayuda a mantener las condiciones de seguridad. Atmos SIM no permite que una bomba funcione en condiciones de sobrepresión. Si un mapa de bomba no tiene la región de pendiente positiva, la oculta automáticamente y asume una pendiente negativa casi plana. El optimizador de Atmos SIM evita siempre el funcionamiento de cualquier bomba en su zona de sobrepresión.
Figura 2: Atmos SIM muestra cómo algunas bombas pueden funcionar hasta el flujo cero sin sobrepresión
Compresores en ductos de gas
El fluido compresible cambia de temperatura al ser presurizado porque su densidad cambia. Esto significa que se necesita más trabajo para comprimir una masa de gas que para bombear la misma masa de líquido incompresible.
Atmos SIM ayuda a las operaciones de los ductos de muchas maneras al modelar los compresores, por ejemplo, el cálculo del consumo de gas combustible, la planificación del mantenimiento y la gestión de la demanda. También puede ayudar modelando un compresor mal operado que entra en sobrecarga y cómo puede recuperarse de ella. Una de las medidas que pueden aplicarse para evitar las sobrecargas es reciclar parte del caudal del lado de descarga al lado de aspiración. El modelo de compresor centrífugo en Atmos SIM incluye un conveniente reciclaje interno para automatizar esta actividad. Con este control de sobretensión incorporado, el punto de funcionamiento se desplaza hacia la derecha, lo que aumenta el caudal volumétrico con la misma altura hasta que se supera la línea de sobretensión
Referencias
1 “The Atmos book of pipeline simulation”
Descargue el capítulo siete en inglés Obtenga su libro en inglés
¿Listo para el capítulo ocho?
En la operación de ductos, cada acción tiene sus consecuencias. El capítulo ocho detalla cómo la simulación de ductos puede ayudar a las tareas diarias además de responder a preguntas sobre el futuro.