Efecto del Peso Molecular del Gas sobre el Rendimiento del Compresor Centrífugo

Generalmente, los compresores se pueden clasificar en dos categorías.

1. Desplazamiento positivo; este tipo de compresor incluye el reciprocante ( alternativo), rotativo de tornillo, veleta deslizante, anillo líquido, y lóbulo rotativo. El principio de compresión es el de desplazamiento  volumétrico – reducción del volumen del gas aumenta la presión.

1. Cinético o dinámico: Este tipo de compresor incluye los centrífugos, y axiales. El principio de la compresión se fija en la aceleración, y desaceleración del gas – la energía cinética se convierte en un aumento de presión.

Los compresores alternativos, y centrífugos son los mas populares en aplicaciones de E&P. Compresores rotativos de tornillo aumentan en su popularidad, en el servicio de aumento módico de presión, sistemas de refrigeración, y la compresión del gas combustible para las turbinas a gas. Detalles adicionales se podrán encontrar en la referencia [1].

Desde el punto de vista solo computacional, el cálculo de la potencia es particularmente sensible a las especificaciones del gasto, temperatura y presión de alimentación, y presión de descarga. La composición del gas es importante, sin embargo un pequeño error en este sentido es de menor importancia siempre y cuando no involucra la omisión errónea de los componentes corrosivos. Un compresor busca operar según el patrón variante de las variables que impacten su rendimiento. Las condiciones de mayor dificultad en el cómputo para un compresor radican en las especificaciones de los rangos razonables para las variables, y no el cómputo en si. Maddox y Lilly [2] enfatizan que el uso de valor único para cada variable no representa la manera correcta para la evaluación de un sistema de compresión.

Normalmente los cómputos termodinámicos se efectúan en sentido ideal (proceso reversible). Los resultados de este proceso reversible, subsiguientemente se adaptan a la realidad mediante el uso de una eficiencia. En el proceso de compresión son tres los patrones que se pueden visualizar: 1) el proceso isotérmico, 2) el proceso isentrópico, y 3) el proceso politrópico. Cualquiera de estos procesos puede usarse en forma conveniente como base para la evaluación de la potencia de compresión requerida por la vía manual, o mediante la aplicación de cálculos por computadora. El proceso isotérmico, sin embargo,   es escasamente aplicado ya que el proceso normal industrial de compresión no se aproxima, ni cercanamente, a temperatura constante.

Debido a limitaciones prácticas, la relación de presión por etapa se ubica con frecuencia entre 2 a 6. Para las aplicaciones con relaciones de mayor magnitud, se emplean compresores de múltiples etapas. La selección de la presión entre – etapa, es un decisión económica que se pude aproximar aplicando relaciones de compresión idénticas para cada etapa, pero con ciertos ajustes aplicados para minimizar la potencia total requerida.

Para poder estudiar el efecto del peso molecular del gas de alimentación en el proceso de compresión centrífuga, se ejecutaron varias simulaciones aplicando el HYSIS [3]. Las mezclas de gases con las composiciones indicadas en la Tabla 1, con pesos moleculares de rango entre 18.2 a 23.17, reflejando una densidad relativa (gravedad específica) desde 0.63 hasta  0.80, respectivamente fueron empleadas en este estudio. Las curvas características de los compresores centrífugos empleados en el estudio se muestran en las Figuras 1, y 2. Estas curvas de rendimiento fueron alimentadas a la configuración computacional (software), y aplicadas en forma continua para el curso de las simulaciones.

Caso 1: Efecto del Peso Molecular sobre el Gasto para un P fijado (velocidad constante)
Para una presión fija de 700 kPa, a 35°C, y 15000 RPM, la densidad relativa del gas  de alimentación fue variada entre 0.63 hasta 0.80 con incrementos de 0.05. Para mantener la presión de descarga, el gasto debe variar. Esencialmente fijamos P1 y P2 , y esperamos observar el efecto sobre el compresor de esta variación de gasto con pesos moleculares variantes. El arreglo mostrado en la Figura 3 fue aplicado para generar los resultados de la simulación. Estos resultados se muestran en la Figura 4, para relaciones de compresión entre 2.0 y 2.5. La EDE PR [4] fue aplicada para los cómputos de las propiedades termodinámicas.

La Figura 4 indica que mientras la densidad relativa aumenta, el gasto debe aumentar. Nótese que para el caso de una relación de compresión de 2.5, no se logró una convergencia para las densidades  relativas de 0.63, y 0.65 debido a que se había logrado el punto límite de inestabilidad en baja ( surge) . Para el mismo caso, la potencia requerida como función de la densidad relativa se muestra en la Figura 5. Como fue disminuido el gasto con merma de la densidad relativa, la potencia requerida se redujo.

Figure 3 – Computer set up for feed gas flow rate adjustment to maintain the outlet pressure
Figura 3 – Arreglo en la Computadora para el ajuste de gasto para matener la presión de descarga

Finalmente, la variación del cabezal politrópico como función del gasto actual se muestra en la Figura 6. Nótese que las densidades relativas se identifican en este diagrama par indicar su influencia sobre el rendimiento del compresor.

Caso 2: Velocidad Variable
Como para el caso 1, reflejando una presión de succión fijada en 700 kPa, 35°C, y flujo másico de  1000 kmol/hr, el peso molecular del gas de alimentación fue variado entre 0.63 hasta 0.80, con incrementso de 0.05. En este caso el compresor ajusta su velocidad para mantener el gasto al  ?P impuesto al sistema. El bosquejo aplicado para generar los resultados de simulación se muestran en la Figura 7. Los resultados para relaciones de compresión de 2.0, y 2.5 se muestran en las Figuras 8, 9. En adición a los resultados obtenidos por al EDE PR, los resultados obtenidos por la EDE BWRS se muestran en este diagrama. La diferencia entre estas dos EDE es insignificante.

Figura 7 – Arreglo en la Computadora para el ajuste de velocidad manteniendo la presión de descarga constante.

Como mostrado en la Figura 8, mientras se observa merma  en la densidad relativa, la velocidad del compresor se redujo. Sin embargo, mientras la densidad relativa, o peso molecular, se incrementa, la potencia se ve incrementada, ver Figura 9.

Como se observa en las Figuras 10, y 11, la eficiencia politrópica, y cabezal se reducen con aumento de la densidad relativa. Detalles adicionales se pueden encontrar en la Referencia [5].

Conclusiones
El impacto de la densidad relativa (peso molecular) en el rendimiento de un compresor centrífugo fue investigado mediante el ensayo de una serie de simulaciones por computadora. Basado en los resultados de estas simulaciones, se observó lo siguiente:

• Para las mismas condiciones de alimentación, relación de compresión, y velocidad del compresor, el gasto debe ser reducido mientras sufre merma la densidad relativa, eventualmente coincidiendo con las condiciones de inestabilidad de baja ( surge).
• Para las mismas condiciones de alimentación,  relación de compresión, y velocidad del compresor,  el aumento de la densidad relativa incurre en aumento en el gasto, lo cual incide en mayor potencia requerida.
• Para las mismas condiciones de alimentación, gasto y relación de compresión, la velocidad del compresor se ve reducida con peso molecular, pero, como anticipado, los requerimientos de potencia se ven aumentados.
• Las EDE PR, y BWRA produjeron los mismos resultados en la simulación.

ME44 (Overview of Pumps and Compressors in Oil and Gas Facilities), ME46 (Compressor Systems – Mechanical Design and Specification), PL4 (Fundamental Pipeline Engineering), G40 (Process/Facility Fundamentals), G4 (Gas Conditioning and Processing), and PF4 (Oil Production and Processing Facilities).

By: Dr. Mahmood Moshfeghian
Spanish Translation By: Dr. Frank E. Ashford

Reference:

• Campbell, J. M., “Gas Conditioning and Processing, Vol. 2, the Equipment Modules, 8th Ed., Campbell Petroleum Series, Norman, Oklahoma, 2001
• Maddox, R. N. and L. L. Lilly, “Gas conditioning and processing, Volume 3: Advanced Techniques and Applications,” John M. Campbell and Company, 2nd Ed., Norman, Oklahoma, USA, 1990.
• ASPENone, Engineering Suite, HYSYS Version 2006, Aspen Technology, Inc., Cambridge, Massachusetts U.S.A., 2006.
• Peng, Y. D., Robinson, D. B., “A New Two-Constant Equation of State,” Ind. Eng. Chem. Fund., 15, 59, 1976
• Moshfeghian, M., Bothamley, M., and Lilly, L.L., “Feed gas molecular weight affects performance of centrifugal efficiency,” Oil and Gas J., May 10, 2008