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Mdp 02 p-11 accionadores de bombas y requerimientos de serv

  1. 1. PDVSA N° TITULO REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB. APROB. FECHAAPROB.FECHA BOMBAS E1994 MDP–02–P–09 ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES APROBADA NOV.97 NOV.97 NOV.97 L.R.0 L.R. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO 17 PDVSA
  2. 2. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 1 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Indice 1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ANTECEDENTES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 DEFINICIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 SELECCION DEL TIPO DE ACCIONADOR 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 MOTORES ELECTRICOS 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 TURBINAS DE VAPOR PARA USO GENERAL 8. . . . . . . . . . . . . . . . . 8 TURBINAS HIDRAULICAS 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 TRANSMISIONES 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 NOMENCLATURA 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  3. 3. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 2 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1 ALCANCE Esta subsección presenta la base para la selección del tipo de accionador y presenta los requerimientos de servicio de las unidades de bombas. 2 REFERENCIAS Prácticas de Diseño (Además de otros documentos de este capítulo) “Compresores” “Seguridad en el Diseño de Plantas” PDVSA H–251–R Requerimientos de Diseño de Tuberías de Proceso y Servicios G–203–R Turbinas a Vapor de Uso General G–201–R, Mid. Vol. 14 Turbinas a Vapor para Uso Especial NB–212, Mid. Vol. 4–II Motores Eléctricos N–201, Mid. Vol. 4–I Obras Eléctricas Otras Referencias API, Standard 611, General Purpose Steam Turbines for Refinery Services NEMA SM 20, Mechanical Drive Steam Turbines 3 ANTECEDENTES La mayoría de los servicios de bombeo en las plantas de proceso requieren accionadores de bombas en el rango de 7 a 300 kW (10 a 400 HP). Las bombas de carga de crudo y las bombas de carga de producto a tanqueros frecuentemente caen en el rango de 525 a 1500 kW (700 a 2000 HP), pero otros servicios para hidrocarburos muy pocas veces exceden los 525 kW (700 HP). Los servicios de agua de alimentación a calderas y de agua de enfriamiento de planta en refinerías y plantas químicas comúnmente requieren accionadores en el rango de 300 a 1100 kW (400 a 1500 HP), con ejemplos ocasionales de 1500 a 2100 kW (2000 a 2800 HP). Los motores de inducción se seleccionan para accionar la mayoría de las bombas. Normalmente, se usan accionadores directos con acoples flexibles. Se requieren razones y circunstancias especiales para seleccionar cualquier otro tipo práctico de accionador turbina de vapor, turbina hidráulica, máquina diesel o para justificar transmisiones de velocidad variable o ajustable para motores de inducción. La necesidad de unidades de engranaje (u otras transmisiones de velocidad constante) se determina durante la procura de los equipos.
  4. 4. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 3 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 4 DEFINICIONES Para las definiciones de los términos de clasificación de turbina a vapor, ver Manual de Diseño de Proceso, Subsección 11–M, versión 1986, PDVSA G–203–R y PDVSA G–201–R. 5 SELECCION DEL TIPO DE ACCIONADOR Alternativas Disponibles Los tipos de accionadores prácticos para bombas dentro de plantas se limitan a motores de inducción, turbinas de vapor de propósitos generales, máquinas de vapor (para bombas de vapor de acción directa) y turbinas hidráulicas. Para servicios de proceso fuera de planta, no existen oportunidades de aplicación de turbinas hidráulicas, pero las máquinas de combustión interna (usualmente diesel) encuentran una aplicación ocasional. Las turbinas de gas se usan como accionadores de bombas en tuberías y servicios de producción, pero no son económicas en el rango de potencia de las bombas. Los motores sincrónicos rara vez se usan como accionadores de bombas, ya que su mayor costo en los rangos típicos de velocidad y potencia de las bombas centrífugas rara vez se justifican el mejoramiento en el factor de potencia que ellos proveen. Bombas de Operación Normal Las dos consideraciones que mayormente influencian la selección de los tipos de accionadores para bombas de operación normal son: 1. Costos de energía del servicio industrial y 2. Balance del sistema del servicio industrial Los costos de energía y el balance del sistema es el resultado de muchos factores que han influenciado en el diseño del sistema de servicio de planta. Los accionadores para bombas de operación normal se especifican para ser consistentes con el diseño del sistema de servicio de la planta. En la mayoría de los casos, se especifican motores de inducción. Ahorros en el costo de energía de los accionadores se pueden lograr a veces por recuperación de energía de corrientes líquidas a través de la aplicación de turbinas hidráulicas, y por el uso de velocidad variable en vez de estrangulamiento de descarga o reciclos para el control del flujo de la bomba. En ambos casos, se deben realizar estudios individuales para determinar si se justifican la inversión incremental. Otros factores que a veces influencian la selección del tipo de accionador para bombas de operación normal son: 1. Reducción de la carga del mechurrio por fallas de una fuente de servicio determinada.
  5. 5. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 4 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 2. Costos de inversión de las líneas de suministro de servicio requerido, por ejemplo en las localidades remotas, fuera de planta. 3. Simplicidad operacional. Este factor favorece los motores eléctricos y bajo algunas circunstancias puede prevalecer sobre otras consideraciones. 4. Requerimientos de mantenimiento. Las turbinas tienden a requerir más mantenimiento que los motores. Las bombas centrífugas en línea pueden ser mantenidas más convenientemente cuando están equipadas con accionadores de motores eléctricos. Los factores que usualmente no influyen sobre la selección del tipo de accionador son: 1. Velocidad de la bomba, ya que la inclusión de una unidad de engranaje puede producir cualquier velocidad con cualquier tipo de accionador. 2. Precio del accionador, ya que otros factores son siempre más significativos en la selección del tipo de accionador para bombas que las diferencias en el costo inicial del accionador. 3. Compatibilidad entre unidades de bombeo paralelas, ya que los sistemas de control se pueden suministrar para compensar las diferencias de características de los accionadores. Bombas de Repuesto y Auxiliar Cuando el propósito primario de proveer una bomba de repuesto instalada es cubrir requerimientos de mantenimiento de la bomba, en vez de breves interrupciones en el suministro del servicio de energía, se debe usar el mismo tipo de accionador para el servicio y para el repuesto. Usar tipos diferentes de accionadores (por ejemplo, motores y turbinas) incrementa innecesariamente la inversión de la planta. Los servicios de bombeo de proceso dentro de planta normalmente se apoyan en alimentadores de poder dobles y en sistemas de reaceleración para confiabilidad de accionadores de bombas, y por lo tanto, use motores tanto para bombas de repuesto como para bombas en operación. Cuando el requerimiento de alta confiabilidad de un servicio de bombeo justifica el empleo de un segundo tipo de accionador, el arreglo común es un motor para la bomba en operación y una turbina para el repuesto. Este arreglo se aplica normalmente en sistemas de servicio para prevenir fallas en los servicios durante una falla de energía. Los sistemas de bombeo de servicio normalmente provistos con repuestos con turbinas son: los suministros de combustible, agua de alimentación de caldera y agua de enfriamiento de planta.
  6. 6. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 5 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Los servicios de proceso, dentro de planta que requieren bombas de repuesto con turbina por razones de seguridad son limitados a los requeridos para evitar una crisis mayor de seguridad, tales como salidas grandes de vapor de válvulas de donde se justifican seguridad, durante una falla de energía. Las situaciones donde se justifican repuestos con turbinas normalmente ocurren en unidades de refinería de muy alta capacidad. Donde una bomba de repuesto tiene un servicio alterno para bombeo de emergencia se debería especificar con turbina de vapor. En servicios que usan turbinas hidráulicas para operar las bombas, la bomba de repuesto debería tener como accionador motor o turbina de vapor. Ver MDP–02–P–02, Repuesto y Multiplicidad, para Detalles Adicionales. Servicios de Bombeo de Emergencia Una de las dos bombas normalmente suministradas para servicio de bombeo de agua contra fuego debería tener un motor eléctrico. La segunda bomba debería tener una turbina de vapor si es práctica una línea de suministro de vapor hasta el sitio de instalación y si una sola contingencia no puede causar falla en suministro de vapor y energía (Ver capítulo de Seguridad de Diseño). Si cualquiera de estas condiciones no es satisfecha, se debería especificar una máquina de combustión interna (normalmente diesel). Las bombas auxiliares de los pozos de agua con frecuencia se especifican con accionadores tipo motor diesel para dar confiabilidad en el caso de fallas del sistema de servicio y para evitar tener líneas de servicio hasta los lugares remotos de los pozos de agua. Los servicios de bombeo deberían tener accionadores con vapor para tomar ventaja del mayor potencial de seguridad. 6 MOTORES ELECTRICOS Generalidades Los motores eléctricos de inducción normalmente usados como accionadores de bomba se construyen en un rango de fracciones de kW (<1) hasta 16400 kW (22000 HP). PDVSA NB–212 presenta las bases para dimensionar el motor con la siguiente ecuación: + PF nominal de la bomba centrífuga x 1.1 Eficiencia mecánica de transmisión PF requerida mínima, del accionador
  7. 7. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 6 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma El factor de carga 1.1 da un 10% de margen de seguridad. La eficiencia mecánica de la transmisión será 1.0 para un acople directo del motor a la bomba. La eficiencia de la unidad de engranaje se puede obtener de la Subsección 11–L de la versión de 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Las eficiencias de unidades de velocidad variable acarga total y parcial se debería obtener por consulta con el especialista en máquinas. Vea también la Subsección 11–L antes indicada para obtener un sumario de tamaños de motores, eficiencias, factores de potencia y cargas conectadas. Las especificaciones de diseño deberían incluir una tabla de los siguientes renglones de bombas con motor, incluyendo las notas numeradas: Equipo Operación Carga de Operación, kW(1) Clasificación de Reaceleración P–XXX N, S o I(2) XXX A, B, o C (1) Potencia al motor a la PF nominal estimado para la bomba, kW (BHP), usando una eficiencia de motor estimada. (2) N = Operación normal; S = Repuesto, I = Carga intermitente. Si el diseñador de la planta ha incluido un 20% u otra contingencia en la carga de operación reportada, tiene que anotarlo en la especificación de diseño. Ejemplo de Cálculo Q = 50 dm3/s (794 gpm), DP = 700 kPa (101 psi), Eo bomba = 72% PF + Q x DP F6 x E0 + (50) (700) (1000) (0.72) + 49 kW (66 HP) Ec. (1) En unidades métricas En unidades inglesas F6 = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas 1000 1714 PF mínimo requerido = 49 x 1.1 = 53.9. Se usará un motor de 75 kW (100 HP). La eficiencia a carga máxima es 91%; la eficiencia a 3/4 de carga es 89%. Carga de operación + 49 0.89 + 55kW (72 HP) Reaceleración Los servicios de bombeo en una unidad de proceso se deben clasificar de acuerdo a sus necesidades para reaceleración automática en el caso de un cambio
  8. 8. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 7 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma temporal de voltaje que causa un retraso o una parada de la bomba. Las clasificaciones son las siguientes: Clasificación Necesidad para Reaceleración Automática Bases A Necesario El servicio de bombeo requerido para mantener la unidad operando sin daño al equipo y sin abertura de la válvula de seguridad, pero no necesariamente en las especificaciones de producto. B Deseable Servicios de bombeo adicionales requeridos para mantener los productos en especificación. C Innecesario Arranque manual es suficiente sin efectos contrarios en la unidad o las especificaciones de producto. Las bombas accionadas por motores con bombas auxiliares con turbinas de vapor, especificadas con arranque automático se deberían incluir en la clasificación A como protección contra la contingencia de la necesidad de mantenimiento de la bomba auxiliar, su turbina o el sistema de arranque automático, cuando haya una reducción de voltaje. PDVSA N–201 “Obras Eléctricas”, especifica como las clasificaciones de reaceleración se deben implementar durante el diseño de detalles del sistema. Se deben establecer prioridades relativas entre los servicios de bombeo, y entre los servicios de bombeo y otros equipos con motores en la planta (intercambiadores de aire, compresores, etc.) para implementar la secuencia de reaceleración. Tipos Especiales de Motores Circunstancias no usuales ocasionalmente justifican investigación de los tipos de motores especiales para servicios de accionadores de bombas: 1. Motores sincrónicos para mejoramiento de factores de potencia de la planta 2. Motores de velocidad variable para control de bomba 3. Motores de dos velocidades para condiciones de operación dobles. Se debería consultar especialistas eléctricos cuando se consideran tipos especiales de motores.
  9. 9. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 8 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 7 TURBINAS DE VAPOR Propósitos Generales El tipo de turbina de vapor usada para manejar bombas se define en API Standards como “Propósitos Generales”. Esta clase de turbina es limitada nominalmente a las condiciones de entrada del vapor de 4100 kPa man. (600 psig) y 400°C (750°F) y 100 rps (6000 rpm). Los modelos comerciales disponibles son tan altos como 4800 kPa man. (700 psig) para el vapor de entrada y presión de descarga entre vacío total y 520–2600 kPa man. (75 a 375 psig), tamaños de bridas de entrada de vapor hasta 150 mm (6 pulg), y caudales de flujo de vapor hasta 12.6 kg/s (100000 lb/h). La potencia para turbinas está usualmente por debajo de 1120 kW (1500 HP), pero puede ser tan alta como 2200–3000 kW (3000 a 4000 HP). Las turbinas de propósitos generales tienen válvulas de admisión de vapor de modulación simple y 1 ó 2 etapas de expansión. Estas son equipadas con válvulas separadas de cierre rápido para disparo por alta velocidad, pero normalmente no se proveen válvulas reguladoras manuales con las turbinas. Tiene sistemas de lubricación simples y auto–contenidos. Condiciones de Vapor de Descarga Normalmente se selecciona vapor de 860 a 4100 kPa man. (125 y 600 psig) para turbinas de vapor accionadoras de bombas. Los accionadores de las bombas auxiliares frecuentemente descargan a la atmósfera porque la pequeña cantidad de vapor no usada no justifica su recuperación. Los accionadores de bombas en operación normal descargan a líneas de vapor de 100–860 kPa man. (15 a 125 psig). Instalaciones de condensación no son prácticas para turbinas por su pequeño tamaño y su localización dispersa en el área de la unidad de proceso. La temperatura de descarga se puede estimar con el diagrama de Mollier y la eficiencia obtenida de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Las turbinas de vapor de propósitos generales pueden tolerar hasta11–12% de humedad en la descarga sin requerimientos excesivos de mantenimiento.
  10. 10. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 9 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Eficiencia y Consumo de Vapor La eficiencia global de una turbina de vapor es la relación entre el trabajo de eje y la energía del vapor teóricamente disponible a entropía constante calculada con el diagrama de Mollier. Esta eficiencia global es el producto de las eficiencias mecánicas y térmicas. Las pérdidas de turbinas se debe en parte a las pérdidas por fricción mecánica del eje de la turbina sobre sus cojinetes, pero mayormente se debe a las pérdidas termodinámicas ya la turbulencia. Estimados de las eficiencias globales de las turbinas de vapor se presentan en la subsección de servicios de la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. La eficiencia de turbina tiende a incrementar con el aumento de velocidad y tamaño. Para ilustrar el efecto del tamaño, una turbina para una instalación de 1.5 kW (2 HP) tendrá aproximadamente una rueda de 230 mm (9 pulg) y una eficiencia de 10%, mientras que una de 150 kW (200 HP), de una sola etapa tendrá una rueda de 640 mm (25 pulg) y una eficiencia de 30 a 40%. Una turbina multietapa muy grande puede tener una eficiencia de 65%. El “caudal de agua” o flujo de vapor requerido por una turbina para una aplicación dada de potencia y condiciones dadas de vapor, puede variar ampliamente, dependiendo del tamaño, constructor y selección del modelo. Los flujos de agua se pueden estimar de los datos incluidos en la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño. Estas figuras están basadas en datos promedio del suplidor y se puede desviar mucho de la eficiencia de la selección de una turbina específica. La desviación, sin embargo, tenderá a cancelarse si se suman el caudal de agua de varias turbinas de una planta. En general, la correlación dará un valor de caudal de agua dentro del 10% del flujo real de agua para turbinas mayores de 19 kW (25 HP). Para turbinas menores el error puede ser mayor, pero su importancia en el diseño de planta es pequeño. Los requerimientos de vapor son iguales al flujo de agua obtenido en la Subsección 11–M de la versión 1986 del Manual de Prácticas de Diseño, multiplicado por la potencia desarrollada. Control de Velocidad Las turbinas de vapor de propósitos generales son equipadas con reguladores de velocidad con características de control seleccionadas para adaptar la aplicación. Los reguladores pueden ser mecánicos, actuando directamente en la válvula de admisión de vapor, o del tipo relé de aceite el cual opera la válvula de admisión de vapor por presión de aceite modulada hidráulicamente. Este tipo es adecuado para respuesta a una señal de control de proceso externa (como la presión de descarga de la bomba), afectando el control de velocidad variable. Ambos tipos permiten un arreglo manual de velocidad con un “regulador de velocidad manual”. Una combinación especial de los dos tipos básicos (a veces llamado “control de
  11. 11. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 10 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma carga”) se aplica una señal de control externo directamente para posicionar la válvula de admisión de vapor de turbina y emplea un regulador mecánico o de relé de aceite sólo para limitaciones de velocidad máxima (antes del disparo por exceso de velocidad). El funcionamiento de control de los reguladores de turbina es definido por NEMA SM20 y se clasifica en cuatro clases normalizadas: A, B, C, D. La clase A corresponde a un regulador mecánico de acción directa. La clase D corresponde a un regulador hidráulico preciso más comúnmente usado para turbinas de vapor para propósitos especiales, y para turbinas de vapor de propósitos generales que tienen requerimientos críticos de control como servicios de agua de alimentación a calderas o generación de potencia de emergencia para instrumentos. La clase B es el requerimiento mínimo recomendado para turbinas que normalmente manejan bombas en operación en paralelo con bombas con motores. Válvulas Manuales Se pueden colocar válvulas manuales de bajo costo en las turbinas de vapor para permitir aumentar la eficiencia térmica cuando operan a cargas menores que la máxima. Las válvulas manuales se usan para cerrar manualmente una porción de la boquilla de entrada de la primera etapa; esto incrementa la velocidad del vapor en el resto de las boquillas, incrementando la eficiencia de la turbina. Una porción de las boquillas se puede cerrar con frecuencia porque normalmente existe un margen significativo de potencia en una turbina de vapor, especialmente una en nuevas condiciones. El margen existe debido a una serie de factores conservativos usados en el diseño: 1. API 611, requiere que la turbina sea diseñada para una potencia nominal a condiciones de entrada mínima y máxima descarga de vapor. Esto da como resultado una capacidad extra de potencia a las condiciones normales de vapor. 2. PDVSA NB–212, requiere que la turbina sea calculada con 10% por encima del requerimiento de potencia nominal. 3. El requerimiento nominal de la bomba frecuentemente excede las demandas de una condición de operación real. 4. El constructor provee normalmente algún margen para asegurar obtener la potencia nominal garantizada. La válvula manual, en efecto devuelve este margen de potencia para aumentar la eficiencia a las condiciones de operación real. El aumento de eficiencia de las válvulas manuales no se requiere para accionadores de bombas auxiliares y no se requiere en turbinas de operación normal en sistemas de vapor donde el consumo de vapor no es significativo. Sin embargo, si se desea la eficiencia máxima de la turbina en las condiciones de
  12. 12. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 11 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma bombeo nominales, entonces se debería indicar en las especificaciones de diseño, para que se coloque por lo menos una válvula manual. Sistema de Tuberías Los requerimientos del sistema de tuberías se presentan en PDVSA H–251–R y G–203–R. Los criterios de dimensionamiento de tubería de entrada de turbinas de vapor del capítulo de Flujo de Fluidos de este Manual, normalmente resulta en velocidades de vapor inferiores a 45m/s (150 pie/s). Las velocidades de vapor de descarga están por debajo de 75m/s (250 pie/s). Los coladores permanentes, requeridos en las líneas de suministro a las turbinas de vapor, según H–251–R, están normalmente equipadas con mallas reforzadas de 8 mesh, o con huecos de 2.5 mm (0.1 pulg) de diámetro en platos perforados. Arranque Automático Ver MDP–02–P–10. 8 TURBINAS HIDRAULICAS Situaciones de Aplicación Las unidades de proceso que operan con líquido a altas presiones (hidrocraqueadores, plantas de amoníaco, etc.) frecuentemente requieren de reducción de presión de las corrientes de líquido de caudales grandes a niveles de presión atmosférica. Esta situación se presenta en oportunidades para recuperación de energía de la corriente de líquido despresurizado. La máquina aplicada para la recuperación de energía es la turbina hidráulica del tipo de proceso. Los modelos se construyen casi idénticamente a las bombas centrífugas de proceso, pero el líquido se pasa a través de la máquina en la dirección opuesta a la de la bomba centrífuga, y se extrae potencia del eje, generalmente para manejar una bomba. Los límites comunes de aplicación son como sigue: Caudal de flujo: 13–230 dm3/s (200 a 3600 gpm) Presión de entrada: 1400–14500 kPa man. (200 a 2100 psig) Capacidad de potencia: 110–970 kW (150 a 1300 BHP) El incremento de inversión para la instalación de una turbina hidráulica sobre un motor eléctrico o una turbina de vapor requiere justificación en base de la potencia ahorrada. El ahorro potencial disponible para unidades menores de 110 kW (150 HP) es demasiado baja para justificar un número significativo de instalaciones, y por lo tanto, raramente garantiza estudios específicos de ingeniería. Los ahorros de potencia por encima de 110 kW (150HP) justifican el estudio del caso. El
  13. 13. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 12 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma potencial de recuperación de potencia para una corriente de líquido en despresurización se puede estimar con la ecuación (1). PF + (Q) DP) (E0) F6 Ec. (2) La eficiencia hidráulica de la turbina, Eo, se puede asumir igual a la de una bomba centrífuga con un caudal de flujo y un nivel de cabezal similar. Las turbinas hidráulicas se usan de la industria de energía eléctrica para manejar generadores, (en estaciones hidráulicas) pero en las plantas de proceso ellas son generalmente limitadas a manejar bombas de proceso en las unidades de corrientes líquidas de alta presión. Diseño del Sistema La consideración más importante en el diseño de un servicio de turbina hidráulica es soportar posibles fluctuaciones en el flujo disponible de líquido de alta presión, para diseñar el equipo con una potencia de eje adecuado para el manejo del equipo en todo momento. Esto se logra en una de las dos maneras siguientes: 1. Se puede colocar un accionador adicional, junto con la turbina hidráulica para suministrar potencia cuando el flujo reducido de líquido en la turbina reduce la recuperación de potencia. 2. El servicio se puede arreglar con un desvío continuo alrededor de la turbina hidráulica que tome toda variación de flujo del proceso, siempre dejando el flujo mínimo requerido en la turbina. Con el sistema de accionador doble, el motor o la turbina de vapor se dimensiona para 50 a 100% de la carga de la bomba nominal. Se usa para arranque de la unidad, antes de que el líquido de alta presión está disponible para la turbina hidráulica, y se desenergiza o se disminuye la carga,dependiendo de su clasificación (Rating), en operación normal. Con este sistema, el flujo en la turbina se modula para controlar una variable de proceso tal como el nivel en el recipiente aguas arriba. Un regulador principal y una válvula de estrangulamiento o desvío se requieren para limitar la velocidad máxima de operación. Con el sistema de desvío, la velocidad de la turbina hidráulica se mantiene constante mediante un regulador que modula una válvula aguas abajo de la turbina. El nivel en los recipientes aguas arriba se controla modulando la corriente de desvío a la turbina. Refinamientos en el sistema de control como la integración de velocidad y controles de nivel permiten aumentar la recuperación de energía a expensas de la complejidad del sistema. El arranque de la unidad se opera con la bomba auxiliar manejada convencionalmente.
  14. 14. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 13 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Los Diseños de sistemas de control específicos requieren consideración individual y se deberían desarrollar por consulta con especialistas de máquina y control. La recuperación de energía de corrientes de líquido con alto potencial se puede dividir en varias turbinas hidráulicas, en serie o en paralelo, para igualar los requerimientos de carga de bomba. Los arreglos en serie de turbinas simplifica el diseño de maquinas, pero requiere instalaciones para control de nivel de presión intermedia. El arreglo en paralelo aumenta las etapas y el costo de la turbina, pero simplifica el sistema del fluido de proceso. Existe el peligro de falla por velocidad excesiva cuando el flujo de la bomba se reduce repentinamente o se para, antes que el flujo a través de la turbina se pare, justo como con una turbina de vapor. Para evitar este tipo de fallas se debería especificar un dispositivo contra velocidad excesiva. Un factor crítico en el diseño de patrón de flujo de turbinas hidráulicas, de múltiples etapas y de cabezal alto, es la velocidad a la que el gasse forma a partir del líquido a medida que éste se despresuriza en la turbina. La especificación de diseño debería incluir un análisis completo de la corriente de líquido para que el diseñador de turbina pueda optimizar los pasos de flujo para la producción anticipada de gas. Las turbinas de una sola etapa, para cabezales de 250 a 300 m (800 a 1000 pie), son relativamente insensibles a la producción de gas. Las turbinas hidráulicas de proceso normalmente emplean sellos de eje mecánico idénticos a los aplicados en bombas. El lavado externo es frecuentemente requerido para prevenir la producción de gases en la caja de estoperas, sin embargo, la necesidad específica y el diseño de lavado externo no se puede determinar hasta que se seleccione un modelo específico de turbina. Para un caso específico en estudio, el diseño del sistema, la tolerancia de la máquina de vapor y otros detalles de funcionamiento, y preparación del texto de especificaciones, se debería consultar a los especialistas en máquinas. 9 TRANSMISIONES Velocidad Constante Las unidades de engranaje se usan entre los accionadores y las bombas para cambiar el nivel de velocidad en 5 a 10% de las unidades de la bomba usada en servicio de planta de procesos. Excepto para bombas centrífugas sofisticada de alta velocidad, el cambio de velocidad es usualmente una reducción de velocidad. El cambio de velocidad se produce para igualar la velocidad óptima de la bomba con la velocidad óptima del accionador. La necesidad de cambio de velocidad se desarrolla durante la procura de equipos. En los tamaños aplicados a los accionadores de la bomba, las unidades de engranaje consumen de 3 a 5% de la potencia transmitida; por ejemplo,tienen una
  15. 15. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 14 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma eficiencia mecánica de 95 a 97%. La potencia perdida aumenta la temperatura del aceite lubricante en la unidad de engranaje y frecuentemente necesita suministro de agua de enfriamiento a un enfriador de aceite lubricante. El uso de correas es un segundo método para alcanzar una velocidad en la bomba diferente de la velocidad del accionador. No son normalmente permitidas para servicios dentro de refinerías, pero se usan ocasionalmente en plantas químicas y servicios fuera de planta. Tienen la desventaja de la necesidad de mantenimiento frecuente y mayor peligro para la seguridad del personal, pero tienen la ventaja de un costo bajo y un ajuste fácil de velocidad con el reemplazo de una polea. Velocidad Variable Se pueden aplicar cuatro tipos de transmisión de velocidad variable para accionadores de bombas, pero se utilizan con muy poca frecuencia: 1. Acople hidráulico 2. Acople electromagnético 3. Accionadores de frecuencia ajustable (El costo inicial alto es una desventaja) 4. Unidades de correas variables. Las dos principales razones para usar accionadores de velocidad variable son la de ahorrar potencia en el control de flujo, desarrollando sólo la presión de descarga de la bomba que el servicio requiere y para mantener la velocidad de la bomba tan baja como sea posible para evitar la erosión o la fractura de partículas sólidas. El acople hidráulico y el electromagnético desperdician una parte de la energía que ahorran en calor y por lo tanto requieren agua de enfriamiento. Ambos factores tienen un efecto adverso en la economía de la aplicación. Se recomiendan estudios de casos de aplicación para muchos servicios de refinería cuando el nivel de energía exceda 370 kW (500 HP) y para servicios con requerimientos de presión de descarga por encima de 220 kW (300 HP). El alto mantenimiento es la principal desventaja de la unidad con correa variable. Los especialistas de máquinas deberían ser consultados en servicios donde se consideran transmisiones de velocidad variable.
  16. 16. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 15 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 10 AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA BOMBAS Las bombas en servicios por encima de 200°C (400°F) pueden requerir agua de enfriamiento para los cojinetes, camisas de cajas de estoperas, y líquido de lavado de sello. Debido a que la mayoría de estos pasajes de enfriamiento están en el cuerpo del equipo y no son fáciles de limpiar o sustituir, se prefiere el agua fresca. No se debería usar agua salada para enfriamiento sin reconocer los costos altos de mantenimiento por corrosión y los requerimientos de limpieza. También, el taponamiento de los pasajes de enfriamiento hace inefectivo el uso de agua salada. Para enfriamiento con agua fresca, el agua a las camisas de enfriamiento en los enfriadores de aceite de sello, cojinetes y caja de estoperas se envía en serie para bombas con un solo cojinete y en dos corrientes paralelas para bombas con dos cojinetes. Para servicio de agua salada, el agua es enviada en paralelo para evitar un aumento excesivo de temperatura y depósitos de sal, lo cual incrementa el caudal requerido de agua de enfriamiento. Para propósitos de diseño preliminar de plantas, se pueden usar los siguientes caudales de flujo aproximados de agua de enfriamiento se pueden usar para propósitos de diseño preliminar de plantas. Para sistemas de agua salada, las cantidades indicadas se deben duplicar. Estos caudales de flujo son valores aproximados, solamente se deben revisar después que se conozcan los valores reales para los modelos de bomba seleccionada. Caudal de Flujo de Agua de Enfriamiento Tamaño de la Bomba dm3/S Bombas v63 >63 Temperaturas de bombeo: <200°C ninguno ninguno 200°C – 260°C 0.13 dm3/s 0.25 dm3/s >260°C 0.19 dm3/s 0.38 dm3/s Turbinas de vapor Vapor de entrada: v860 kPa man. 0.13 dm3/s >800 kPa man. 0.25 dm3/s Para convertir de: a: multiplique por: °C °F use °F = °C* 1.8 + 32 kPa psig 0.145 dm3/s gpm 15.85
  17. 17. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 16 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 11 NOMENCLATURA (Ver MDP–02–P–02)
  18. 18. REVISION FECHA PRACTICAS DE DISEÑO ACCIONADORES DE BOMBAS Y REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES SEP.780 PDVSA MDP–02–P–09 Página 17 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig 1. SECCION TRANSVERSAL DE UNA TURBINA DE VAPOR TIPICA PARA PROPOSITOS GENERALES.

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