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VENTAJAS DE LA UTILIZACION DE BOMBAS DE DISCO EN APLICACIONES DE CRUDO PESADO EN COLOMBIA
Jorge E. Páez Process Solutions SAS
Colombia [email protected]
RESUMEN
Debido a la presencia de crudos pesados (8-15 °API) en las
cuencas de los Llanos Orientales de Colombia, las
condiciones operacionales de los descargaderos de crudo
implicaban un reto para las aplicaciones tradicionales de
bombeo por desplazamiento positivo (Bombas de Tornillo); la
presencia de sólidos, arena y/o piedras, agua y demás
contaminantes propios del crudo del campo, así como gas
atrapado y rangos de viscosidad muy amplios (originado por
el transporte en carro-tanques desde los pozos hasta las
instalaciones de bombeo, que generaba separaciones de la
mezcla crudo-agua, y emulsiones) completaban todas las
condiciones indeseables para una bomba de tornillo
tradicional. A su vez, el requerimiento de filtros de alto grado
de mesh, el desgaste continuo de los tornillos, sellos
generaban costos del ciclo de vida, y las paradas generadas
para cambio de tornillos, ocasionaron un alto impacto
económico en la operación y sostenibilidad de los
descargaderos de crudo pesado y un “cuello de botella” que
limitaba la producción de los pozos. Su remplazo por las
Bombas de Disco DiscFlo (www.discflo.com), de mayor
tolerancia a los sólidos, a amplios rangos de viscosidad
(Agua, Crudo Semipesado, Crudo Pesado, Crudo
Extrapesado), el manejo de gas atrapado y sus bajos
requerimientos de NPSH (ANPA) permitió un aumento de la
capacidad de bombeo, la eficiencia, los factores de
disponibilidad y servicio, reduciendo los costos en el ciclo de
vida para esta aplicación en particular.
PALABRAS CLAVE
Bombas de discos, bombas de tornillo, descargadero, crudo
pesado, sólidos en suspensión, viscosidad,
INTRODUCCION
En diversas instalaciones de producción de crudo pesado se
utilizan bombas de desplazamiento positivo, ya sea en las
plantas de bombeo o para su transporte a través de tuberías
entre los campos de producción y las facilidades de
procesamiento. La razón para el uso de este tipo de bombas es
la alta viscosidad que hace ineficiente a las centrifugas.
El uso de bombas de desplazamiento positivo ya sean de
pistones, paletas, engranajes o de tornillos requiere fluidos
limpios, sin presencia alguna de arenas o finos abrasivos,
siendo la realidad de los campos petroleros diferente.
La situación se vuelve más crítica en el caso donde el fluido
en la fase de producción temprana debe ser transportado en
camiones tanques hasta instalaciones de bombeo, para ser
enviado por oleoducto a las facilidades de procesamiento. Por
efectos de la diferencia de densidad durante el trayecto en el
carro tanque, el fluido sufre un proceso de separación donde
la parte más viscosa asciende y el agua desciende, formándose
dos fases: una acuosa con gran cantidad de sólidos y otra
altamente viscosa con sólidos en suspensión.
Cuando se opera ese fluido con una bomba de desplazamiento
positivo, se presenta un fuerte desgaste tanto en sus
componentes internos estáticos como las camisas, y en los
elementos móviles como los tornillos, engranajes, paletas y
los sistemas de sello. Ver Anexo No. 1. Daños Sobre las
Bombas de Doble Tornillo.
El diseño de las bombas de disco DiscFlo se basa en el
principio de capa límite de tracción molecular, en donde dos
discos en rotación generan adhesión de capas del fluido
alrededor de los mismos, con velocidades de desplazamiento
diferentes, mayor alrededor de los discos y menor hacia el
centro. Ver figura No.1. Los sólidos presentes en el fluido se
desplazarán hacia el centro de las capas límites, disminuyendo
el contacto con los discos y la carcasa de la bomba,
reduciendo así el desgaste por abrasión.
Figura No.1. Distribución de Capas en el DiscPac.
CONDICIONES DE OPERACION
Una instalación de descarga de carro tanques contaba con 6
bombas de doble tornillo para descargar 60.000 bpd de crudo
pesado, con las condiciones descritas en el resumen de este
documento. Las bombas contaban con un sistema de filtración
de malla mesh 60, el cual generaba problemas de
taponamiento dado su tamaño de los orificios para la cantidad
y tamaño de los sólidos presentes en el fluido. El fabricante de
las bombas de desplazamiento positivo requería un mesh 100
para minimizar el desgaste, pero esto era imposible porque el
crudo no pasaba ni a 125 °F.
Otras condiciones de operación:
FLUIDO: CRUDO, AGUA, ARENA
CAPACIDAD: 420 USGPM /600 BPH
PRESIÓN DE DESCARGA: 70 - 110 PSI
TOTAL DYNAMIC HEAD: 300 FEET(TDH)
TAMAÑO SOLIDOS: SAND (<2mm)
% SOLIDOS: 7%
VISCOSIDAD: 0.6 - 4500 cP
GRAVEDAD ESPECÍFICA: 0.98
PH: NEUTRAL
AIR/GAS ENTRAINMENT: SI
MOTOR: Toshiba TEFC 100HP
Sello: Flowserve Plan 53
El desgate asociado a la contaminación del fluido y a los
baches de agua que manejaban las bombas, hacía de la
operación un proceso de altísimo costo.
Las camisas, los tornillos y los sellos se deterioraban con un
tiempo de trabajo de cuatro meses, lo cual implicaba que en
un año de operación se debían reparar las bombas tres veces
con un costo asociado de US$120,000 por bomba es decir
US$720,000 por año para las seis bombas del descargadero.
Además, la capacidad de bombeo disminuía dramáticamente
a los 45 días de trabajo, lo cual implicaba tener en operación
todas las bombas a una muy baja eficiencia y con el
correspondiente gasto energético. La rata de bombeo bajaba
de 500 BPH (79.49 M3/H) a 200 BPH (31,79 M3/H) o menos
por bomba.
Objetivos de la Instalación:
1. Confirmar los beneficios de la tecnología de discos en el
ciclo de vida de la bomba en la aplicación de descargue de
crudo pesado.
Se pudo comprobar que la bomba de discos no presentó
derrateo o pérdida en su capacidad de manejo de flujo en el
tiempo, llegando a manejar hasta 1,400 BPH desde su
instalación en campo. Adicionalmente de la inspección
interna realizada a los 69 días de trabajo continuo, se
demostró que no existían deformaciones, corrosión, desgaste
o abrasión en ninguno de los internos de la bomba. Por otro
lado la inspección del sello y del fluido barrera del plan 53
demostró por su color que no tenía contaminación.
2. Comparar la sencillez en la adecuación de las facilidades
para los sistemas de bombeo que presentan las bombas
Discflo frente a las bombas tradicionalmente empleadas.
La bomba de discos fue montada sobre el patín remplazando
las bombas de doble tornillo y fue anclada mediante pernos
sin grouting en el patín; pese a esto, los niveles de vibración
en la bomba estuvieron dentro de los niveles de aceptación.
Otro aspecto a resaltar, es que la bomba de discos requiere un
bajo NPSH, con lo cual los grandes fosos que requieren las
bombas de doble tornillo o centrífugas no son requeridos en la
bomba de discos, facilitando la instalación y reduciendo los
costos de instalación para futuras bombas, lo que se debe
garantizar por las condiciones de operación de la bomba de
discos, es que el fluido llegue a la bomba sin bolsas de aire.
3. Comprobar la facilidad y versatilidad de los componentes
de la bomba Discflo para su operación y mantenimiento.
Los dos componentes esenciales en la operación de la bomba
son el DiscPac y el sello. Para la aplicación del descargadero
se seleccionó un DiscPac de 17” (Figura 2) y un sello doble
en plan API 53A (Figura 3)
Figura 2. DiscPac 17”
Figura 3. Sistema de Sello Doble con Plan 53ª.
Durante la inspección, luego de la operación continua por 69
días, no se encontraron evidencias de desgaste, abrasión,
corrosión o problemas en ninguno de los dos componentes
mencionados anteriormente.
ANALISIS DE RESULTADOS
Durante el arranque y a lo largo de la operación, se realizaron
numerosas pruebas a la bomba, que mostraron desde el inicio
la capacidad en el manejo de flujo, llegando hasta ratas de
1,400 BPH (222,58 M3/H). Dentro de las pruebas que se
hicieron en el descargadero, se incluyó la conexión de seis
carro tanques simultáneamente a la bomba y ésta los descargó
en 1 hora y 20 minutos aproximadamente, adicionalmente se
conectó a la bomba un carro tanque con crudo de mayor
viscosidad y frio cuyo tiempo de llenado en el clúster fue de 3
horas y la bomba los descargó en 35 minutos
aproximadamente, es decir, una rata de flujo de 400 BPH.
Cabe anotar que en los crudos pesados el medidor ultrasónico
instalado no marca el flujo y presenta errores en su lectura,
con lo cual, no es confiable para estos baches fríos y crudos
altamente viscosos.
A continuación las gráficas de desempeño de la bomba DiscFlo comparada con las bombas de doble tornillo.
Gráfica 1. Desempeño Bombas de Doble Tornillo
Gráfica No.2 Desempeño de la Bomba de Discos DiscFlo
De las gráficas anteriores se puede resaltar que la bomba de
discos no sufre derrateo o pérdida de eficiencia en el tiempo,
y el flujo alcanza valores superiores a los 1,000 BPH.
La diferencia entre el flujo promedio de la bomba de discos
de 800 BPH comparado con una bomba de doble tornillo de
350 BPH le ha generado al cliente un beneficio en mayores
barriles bombeados por día estimados así:
800 BPH-350BPH= 450BPH Multiplicado por 20 Horas
(Horas Trabajo Netas)
450 BPH x 20 H= 9000 Barriles Multiplicado por 90% de
corte de agua BSW
9,000 * 10% = 900 Barriles por Día por US$50 por Barril
900 BBL* US$50 = US$45,000 por día por 365 días.
US$ 16,425,000 Dólares estimados por año de operación
(por aumento de producción al eliminar del cuello de
botella en este punto)
Las bombas de doble tornillo emplean motores de 120 HP
mientras que la bomba de disco utilizan motores de 100 HP,
lo que representa un beneficio adicional de eficiencia
energética.
La siguiente gráfica muestra un comparativo de los costos
asociados a cada tipo de bomba.
0
50
100
0
200
400
600
1 2 3 4 5 6 7 8 9
P 050
Pd (psig) Q (bph) Q (bph)
Gráfica 3. Comparación costos ciclo de vida.
CONCLUSIONES
Luego de la operación continua de la bomba por 73 días y la
revisión de los internos durante la parada para verificación del
estado general del equipo, se puede concluir que la prueba fue
exitosa, se cumplieron con los objetivos planteados y se
comprobó la eficiencia y eficacia del uso de la bomba de
discos DiscFlo para el manejo del crudo pesado, arena y agua,
presente en las facilidades de una las cinco empresas mas
importantes de producción en Colombia, destacando:
1. La bomba seleccionada 603-17-2HHDH superó las
expectativas en manejo de flujo, llegando hasta
1,400 BPH, sin presentar derrateo o pérdida en el
tiempo de la capacidad de flujo.
2. La presencia de arena, mugre y sólidos en general,
no causa en la bomba daños, corrosión o abrasión
que generen pérdida en la capacidad de manejo de
flujo.
3. El amplio rango de viscosidades presente en la
aplicación del descargadero, hace de la bomba de
discos la mejor alternativa tecnológica, dado que,
bombea de la misma forma agua (Viscosidad 0)
como crudos de viscosidades medianas y altas
(4,500 – 10,000 cP), además de los sólidos,
facilitando la operación.
4. El bajo requerimiento de NPSH de la bomba de
discos, permite instalar la bomba, sin la necesidad
de fosos o altas cabezas, generando una reducción
en los costos de facilidades o adecuaciones para
bombeo.
5. La capacidad en el manejo de sólidos, permite
utilizar grillas de filtrado menos exigentes y la
tecnología de capa límite, genera las mayores
velocidades del flujo en el punto medio entre los
discos y las menores velocidades del flujo en los
límites de los discos, con lo cual se produce un
desgaste mínimo por abrasión o corrosión en los
internos de la bomba, aumentando la vida útil y
disminuyendo el costo en el ciclo de vida de la
bomba.
6. El plan API53A suministrado, ha demostrado su
efectividad para proteger la bomba, evitando fugas
de crudo a la atmósfera.
7. Los esfuerzos radiales y axiales de las bombas de
disco DiscFlo son mínimos alargando la vida útil de
los sellos.
8. La bomba fue instalada en Agosto de 2014 y a la
fecha, Enero 2017, no se ha hecho mantenimiento
mas allá del cambio del fluido barrera y del ajuste
de la presión en el reservorio del mismo fluido.
Para mayor información puede contactarnos:
Jorge E. Páez Process Solutions SAS Distribuidor DiscFlo Colombia y Argentina Carrera 57 No.125B-81 Bogotá – Colombia Tel.+57 1 6052116 e-mail: [email protected]
Daniel Ragazzini Gral Urquiza 720 Acassuso, Buenos Aires - Argentina Teléfono: 011 47935210 Celular: 011 15 66587137
Anexo 1. Daños en las Bombas de Doble Tornillo
Foto 1. Daño de los Sellos de las Bombas
Foto 2. Desgaste en la camisa por sólidos y cavitación.
Foto 3. Desgaste en los tornillos por sólidos