REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL P.P. PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA

P.F.G. - GAS

INTRODUCCION AL DISEÑO DE UNA

PLANTA DE COMPRESION DE GAS

Profesora: Alumno: C.I.

Anibet Valdez Fernández, Mauro. 11.774.904

Punta de Mata, Marzo de 2013.

Planta Compresora:

Se entiende por planta compresora a una instalación diseñada para aumentar la presión del gas natural recolectado, desde un nivel de menor presión a uno de mayor de presión con el objeto de transportar el gas. Las plantas compresoras pertenecen al sistema básico de producción de la industria petrolera. El gas natural cumple un ciclo en su recorrido, desde su producción por los pozos productores hasta su retorno al yacimiento, pasando por las estaciones de producción y las compresoras. La mezcla de hidrocarburos crudo – agua - gas asciende desde el fondo del pozo fluyente hasta la superficie, dirigiéndose por medio de las redes de transmisión a las distintas estaciones de producción, donde se inicia el proceso de separación. El crudo es enviado a la estación de descarga para ser tratado, el agua sé reinyecta a los yacimientos y el gas se transporta por medio de tuberías hasta la planta, donde es comprimido por la acción de unidades motocompresoras para ser reinyectado en los yacimientos que han perdido su energía natural por el agotamiento de la presión.

Parámetros básicos del diseño:

Una planta compresora está normalmente formada por una o más unidades compresoras, accionadas cada una de éstas por un motor que normalmente es de combustión interna. Las unidades motocompresoras se instalan en el inferior de los edificios especialmente diseñados para protegerlas de la acción del medio ambiente y a la vez facilitar las tareas de operación y mantenimiento de las mismas. En la siguiente figura se presenta una Planta Compresora de Petróleos de Venezuela.

Componentes:

Las plantas compresoras son estaciones con una o varias unidades motocompresoras destinadas a elevar la presión del gas que proviene de las estaciones de flujo, comprimiendo en una o varias etapas. Cuando se comprime gas se suministra energía (trabajo) para reducir su volumen. Esta reducción de volumen trae asociado un aumento de temperatura en cada etapa de compresión. Para disminuir su temperatura el gas se pasa por enfriadores con una mínima caída de presión. Luego, el gas se conduce a depuradores para extraer los condensados que se formaron y reiniciar el proceso de compresión.

Las plantas compresoras están compuestas por los siguientes módulos funcionales, los cuales pueden ser apreciados:

* Depurador general de succión: estos dispositivos tienen como función extraer los hidrocarburos condensables del gas a la entrada de las unidades motocompresoras, para retirar así la mayor cantidad de líquido posible del gas de proceso.

* Válvulas de succión: permiten la entrada del gas a cada unidad motocompresora. Mediante estas se controlan la cantidad de gas manejado por cada unidad, ya que dicho valor está ligado directamente a la presión en la succión del compresor.

* Depurador de succión: este equipo extrae los líquidos contenidos en el gas residuo   del primer depurador y esta justo antes de la primera etapa del moto-compresor.

* Motocompresor: Es una maquina de desplazamiento positivo que en líneas generales se componen de 2 partes, la parte de potencia (parte motora) y la partes compresora.

-Parte motora: está compuesta por un motor de combustión interna en el cual, el combustible entra a los cilindros como una mezcla de aire y combustible. La inflamación o ignición de la mezcla es producida por una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía.En el motor ocurren una serie de eventos que se repiten de forma cíclica y que permiten el funcionamiento del mismo mediante la transformación del movimiento rectilíneo del pistón, el cual se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y viceversa, a movimiento rotatorio o de rotación a través de la biela que conecta el pistón con el muñón del cigüeñal. En el ciclo completo de combustión se cumplen las etapas de admisión, compresión, combustión y escape.

-Parte compresora: el compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro es de doble efecto y esta accionado por un   mecanismo de biela y manivela. En el caso de doble efecto la compresión tiene lugar en ambos extremos del cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disipar el calor generado por la fricción de los anillos del embolo y por la empaquetadura del vástago y parte del calor de compresión. La salida en el vástago del cilindro se cierra con una empaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro mediante válvulas que se abren según cambia la presión diferencial entre el interior del cilindro y la tubería de descarga.

* Sistema de lubricación: Este está compuesto por bombas de aceite y tuberías que le inyectan aceite a presión al motor y al compresor disminuyendo el roce entre las partes metálicas de estos.

* Sistema de enfriamiento: El proceso de compresión está asociado al efecto de aumento de temperatura del gas, es por eso que después de una etapa de compresión es necesario el enfriamiento del gas. Los

sistemas pueden ser conductos y bombas de agua que ayudan a mantener en un rango la temperatura del motor ó intercambiadores de calor enfriados por aire los cuales resultan más económicos que otros. Estos enfriadores están constituidos por tubos con aletas para una mayor área de transferencia de calor. Poseen una estructura de sustentación de acero con una cámara de anillo para el ventilador, unos o mas ventiladores de flujo axial con su impulsor. Estos equipos pueden suministrar el flujo de aire ya sea en tiros forzados o tiro inducido.

* Depuradores de descarga interetapa: son depuradores cuya función es separar los hidrocarburos condensados que se generan al bajar la temperatura del gas en enfriadores, después de la compresión.

* Enfriado por aire

* Válvula de descarga: esta válvula permite el paso del gas hacia el depurador de descarga   general de la planta.

* Válvula de recirculación: están ubicadas entre la succión y la descarga de las unidades motocompresora. La función de las válvulas de recirculación es mantener la relación de presión succión-descarga constante. Pueden existir válvulas de recirculación en cada unidad motocompresora y/o una para la planta compresora en general.

* Depurador general   de descarga: es el depurador   donde se acumulan los condensados de la etapa final de compresión de todas las unidades motocompresora que conforman la planta compresora.      

* Válvulas de seguridad: estas están ubicadas al final de cada etapa de compresión y al final del proceso. Son válvulas de seguridad configuradas para activarse a una presión determinada de acuerdo a la presión de descarga de la etapa, y enviar el gas de exceso a quemar a los mecheros.

* Líneas de producción.

El sistema de compresión no estaría completo sin la presencia de otros sistemas que asisten y complementan el funcionamiento de estas plantas, ellos son:

a) Sistemas de gas combustible: integrado por un depurador e intercambiadores de calor, para suministrar combustible “seco’’ a los equipos que lo requieran a una temperatura aceptable.

b) Sistema de inyección de químicos: inyectar anticorrosivo evita el aumento de los niveles de corrosión del sistema, también se le llama proceso de endulzamiento. Este sistema tiene una división que corresponde a la inyección de química anticongelante (Metanol) al sistema de gas combustible, se realiza para evitar el congelamiento producto de la caída de presión y la inyección de secuestrante de sulfuro de hidrogeno (H2S) al gas de proceso.

c) Sistema de venteo: es un sistema de seguridad cuyo objeto es quemar el excedente de gas que en ocasiones se produce en alguna etapa del proceso de compresión. Esta provisto de líneas de venteo que dirigen el gas a un despojador de liquido donde libera al gas de humedad para luego enviarlo a los mecheros.

d) Sistema de aire para instrumentos: mantiene la operación de válvulas e instrumentos de los equipos utilizando compresores de aire.

e) Sistema de drenaje de condensado: tiene como función drenar los condensados provenientes de la depuración del gas realizada en cada uno de lo depuradores, con el fin de ser enviados al sistema de recolección, y a su vez proteger los cilindro compresores de la presencia de liquido.

Características:

Generalmente, en las plantas compresoras confluyen dos o más tramos de tuberías o gasoductos, para aspiración e impulsión. La configuración típica es de dos líneas de compresión en paralelo más una línea de respaldo, cada una con un compresor (tradicionalmente a gas) que genera la potencia necesaria para mover el compresor centrífugo de proceso.

La compresión del gas generalmente se realiza por etapas, utilizándose comúnmente tres etapas de compresión que pueden satisfacer las presiones requeridas, al tomarse en consideración la presión de entrada y la de salida, la relación de compresión, la temperatura de entrada y de salida y el peso molecular del gas; para

determinar de esta manera, la potencia de compresión requerida para determinado volumen fijo de gas.

La compresión se lleva a cabo por etapas, por las siguientes razones:

a. Para limitar la temperatura de descarga de cada etapa a niveles que sean seguros desde el punto de vista de limitaciones mecánicas o tendencia de ensuciamiento del gas.

b. Para tener disponibles corrientes laterales, en la secuencia de compresión a niveles de presión intermedia, tales como los sistemas de los procesos de refrigeración.

c. Para aumentar la eficiencia total de compresión (a fin de obtener una reducción en potencia) manteniendo la compresión tan isotérmica como sea posible, optimizando la inversión adicional en enfriadores interetapas y los costos de operación del agua de enfriamiento contra el ahorro de potencia. Esto es un factor significativo en compresiones de aire en plantas y en compresiones de aire para procesos de gran capacidad.

d. Para enfriar las entradas a las etapas y de esta manera reducir los requerimientos de cabezal de compresión total, suficientemente a fin de reducir el número de etapas de compresión requeridas. Esto da como resultado compresores más compactos y de costos de construcción más bajos.

e. Para fijar el aumento de presión por etapas a las limitaciones de presión por etapas diferencial del tipo de maquinaria: Limitaciones en carga de empuje axial en los compresores centrífugos, limitaciones de tensión en la varilla del pistón.

El gas de alimentación a la planta es recibido a través de las líneas de recolección proveniente de las estaciones de producción, dentro de planta en las líneas de entrada se encuentra un sistema de válvulas de bloqueo automático y bloqueo manual que controla la entrada de flujo hacia las líneas de succión, aguas arriba de este sistema se conecta un sistema de alivio de sobrepresión a las líneas de entrada, el cual tiene como función estabilizar la presión de entrada al proceso de compresión.

Aguas debajo de este sistema la corriente de gas es sometida a un proceso de separación de gas/liquido, a través de un recipiente

denominado Depurador, el cual retiene los líquidos que se formen (condensado) durante el transporte del fluido desde las estaciones hasta las plantas compresoras, este equipo se encuentra ubicado antes del cabezal de succión de las unidades compresoras, garantizando la ausencia de líquidos no deseados en la corriente de gas de la succión del compresor.

Especificaciones técnicas:

El gas natural se somete a un proceso de compresión para elevar su nivel energético, los compresores tienen como función principal aumentar la presión del gas, por lo cual el compresor somete el gas a un trabajo de tal manera que se incremente la energía total del mismo, este incremento se manifiesta por aumentos de presión y temperatura. El proceso de compresión del gas natural se puede representar a través de un proceso termodinámico; en donde el gas con una presión P1, se comprime y posteriormente se descarga a los niveles de presión P2 superiores requeridos. Este proceso puede darse en una o varias etapas. En la siguiente se presenta un diagrama simplificado de un sistema de compresión.

Diagrama Simplificado de un Sistema de Compresión

En la figura se puede observar que el gas proveniente de la fuente entra a un intercambiador de calor donde se reduce la temperatura desde T1 hasta T2. Producto de este descenso en la temperatura, se puede o no producir la condensación de ciertos componentes, por lo tanto en aquellos casos donde este proceso se produzca, es necesario instalar un separador, del cual salen típicamente dos corrientes, una de gas por el tope y una de líquido por el fondo; la corriente de gas es enviada hacia el compresor en donde se eleva la presión desde P2 hasta P3, lo que origina un aumento de temperatura desde T2 hasta T3; la corriente de gas que sale del compresor a T3 entra a un intercambiador de calor de donde sale a una temperatura menor T4; esta corriente de gas, con cierto contenido de líquido, es enviada a un separador de donde salen dos corrientes, una de gas por el tope y una de líquido por el fondo; así se cuenta con el volumen de gas a las condiciones de presión y temperatura requeridas por el proceso.

El proceso de compresión del gas natural se puede representar a través de un proceso termodinámico. Para ello, una cantidad determinada del gas al inicio del proceso se encuentra en un nivel inferior de presión Luego se comprime y posteriormente, se descarga a los niveles de presión superiores requeridos. Este proceso se repite de manera continua Dependiendo de la aplicación que se vaya a dar los compresores.

Todo compresor está compuesto por uno o más elementos básicos. Un solo elemento, o un grupo de elementos en paralelo, comprenden un compresor de una etapa. En realidad la mayoría de los problemas de compresión, es que están involucradas condiciones, que representan mucho más de una sola etapa de compresión. Luego, si el proceso de compresión involucra mucho más de una etapa, se relaciona con la relación de compresión, que no es otra cosa que la relación entre la presión de descarga y succión.

Una relación de compresión demasiado elevada causa una excesiva temperatura de descarga y otros problemas de diseño, uno de los principales problemas, en este caso es el calentamiento del cilindro compresor. Por lo tanto, puede ser necesario combinar elementos o grupos de elementos en serie para formar una unidad de etapas múltiples, en la cual habrá dos o más pasos de compresión. El gas se enfría con frecuencia entre las etapas para reducir la temperatura y el volumen que ingresa a la siguiente etapa. Cada etapa en sí misma es un

compresor básico individual y esta dimensionado para operar con uno o más compresores básicos adicionales, y aun cuando todos puedan operar a partir de una sola fuente de poder, cada uno sigue siendo un compresor separado.

Factor de Diseño:

La compresión del gas generalmente se realiza por etapas, utilizándose comúnmente tres etapas de compresión que pueden satisfacer las presiones requeridas, al tomarse en consideración la presión de entrada y la de salida, la relación de compresión, la temperatura de entrada y de salida y el peso molecular del gas; para determinar de esta manera, la potencia de compresión requerida para determinado volumen fijo de gas.

Temperatura de diseño, presión de diseño.

Las plantas compresoras juegan un papel importante en el ámbito gasífero, porque mediante ellas se pueden comprimir el gas natural que proviene de las estaciones de producción y ser trasladado a través de los sistemas de transmisión a los lugares donde es requerido o es consumido.

Las plantas compresoras tienen la función de elevar la presión del volumen de gas recolectado de los campos de producción, de bajo y mediano nivel (60, 250, 450, 500,800 Psig) a una temperatura aproximada de 90 °F, hasta una presión de 1200 psig a una temperatura no mayor a 120 °F a la salida de las plantas, dentro de condiciones de seguridad, eficiencia y costos planificados para las mismas.

Potencia de compresión.

El requisito de potencia de cualquier compresor es la base principal para calcular las dimensiones del impulsor, así como para seleccionar y diseñar los componentes del compresor El requisito de potencia real se relaciona con un ciclo teórico mediante la eficiencia de compresión, la cual se ha determinado con base en pruebas de cilindros compresores.

Al calcular los caballos de potencia (HP) debe tomarse en consideración el factor de compresibilidad (Z), en vista que su influencia

es considerable en muchos gases, sobre todo cuando se trabaja a altas presiones. También es importante tener una base de volumen de succión, lo cual es prácticamente universal en los compresores de desplazamiento positivo. Es importante diferenciar entre un volumen de succión en una base de gas ideal (Vgi) y otro en una base de gas real (Vgr). Los volúmenes se dan a la presión y temperatura de succión (Ps y Ts), luego: se tiene la siguiente fórmula.

Vgr = Vgi x Zs

La fórmula básica para determinar los caballos de potencia de una sola etapa teórica adiabática es la siguiente:

En términos generales la potencia requerida para comprimir un flujo dado de gas a una relación de compresión en un compresor reciprocante es:

Donde:(HP) es la potencia requerida; ( ) es la tasa de flujo a condiciones de base o en condiciones estándar en millones de pies cúbicos normales por día, lo cual se representa de la siguiente manera: (MMPCND); (PCE) es la presión base o estándar; (k) es la relación de los calores específicos; (Zs) es el factor de compresibilidad a las condiciones de succión; (TS) es la temperatura a la succión; (E i) es la eficiencia del compresor; (ZCE) es el factor de compresibilidad en las condiciones estándar; (TCE) es la temperatura estándar; (Pd y Ps) son las presiones a las condiciones de descarga y succión, respectivamente.

Todos los elementos básicos de los compresores, sin importar el tipo, tienen ciertas condiciones que limitan su operación. Los elementos básicos son de una sola etapa, es decir, la compresión y la entrega del gas se logra en un solo elemento, mientras que los requisitos reales de

potencia, por lo general se deberían de realizar en más de una etapa. Las principales limitaciones de un proceso de una sola etapa son: La temperatura de descarga, el diferencial de presión; el efecto del espacio libre, la cual se relaciona con (r) y, ahorro de energía Cuando alguna limitación en el proceso de compresión esta presente, se hace necesario llevar el proceso de compresión a etapas múltiples. Cada paso o etapas deberán al menos tener un elemento básico diseñado para operar en serie con los otros elementos del compresor. En un compresor reciprocante, todas las etapas suelen combinarse en un ensamblaje unitario.

Eficiencia.

La eficiencia de compresión es la relación de los caballos de potencia teóricos del gas sobre los reales, y tal como se emplea en la industria, no incluye las pérdidas por fricción mecánica, las cuales se agregan después, ya sea al emplear una eficiencia mecánica o al sumar las pérdidas mecánicas reales determinadas con anterioridad, para el caso de los compresores reciprocantes la eficiencia mecánica oscila entre 88 y 95%, dependiendo del tamaño y tipo de Compresor.