Importantes Aspectos de las Pruebas de los Compresores Centrífugos – Parte 1

Todo compresor centrifugo, aun cuando nuevo o en servicio por varios años seguramente será probado para verificar su rendimiento termodinámico.  Para una máquina nueva el ensayo podría ser conducido en la facilidad de un fabricante bajo condiciones estrictas de control, o en el campo bajo condiciones actuales de aplicación operacional. Compresores más viejos que han sido puestos en servicio posterior a su mantenimiento, o han operado por un período extenso podrán requerir pruebas para verificar su eficiencia y operación normal. Este PDM revisará el procedimiento de la norma ASME PTC-10 (también referido como el Código) más otros tópicos que contribuyen a los resultados de pruebas acertadas de los compresores centrífugos.

Esta serie de dos partes revisará los aspectos salientes de una prueba de rendimiento. Parte 1 revisará los objetivos sobre el comportamiento termodinámico establecidos en el Código (Norma) así como otros factores que deben considerarse durante el procedimiento de prueba. Aun cuando esta Norma es principalmente aplicable para las pruebas de patio, también se puede aplicar para los ensayo en el campo. La Parte 2 revisará las suposiciones de la Norma así como las relaciones básicas de rendimiento. Revisará también los tres principios importantes que finalmente influyen en la certeza del la prueba de rendimiento. Estas son la relación de volúmenes, Número Mach de la Máquina, y el Número Reynolds de la misma.

Introducción

El propósito de un ensayo de prueba es el de verificar que le compresor centrífugo rinda acorde con el diseño del fabricante a las condiciones operacionales dadas en las especificaciones. También provee un método para confirmar la configuración de la curva gasto – cabezal, eficiencia, y caudales máximos y mínimos a varias velocidades de operación. Frecuentemente una prueba de comportamiento se conduce con las condiciones de operación en el campo, y el gas especificado. Sin embargo, si éste ensayo de rendimiento se lleva a cabo en un taller, pudiese ocurrir que no se podrá efectuar  el ensayo con el gas en cuestión por razones de seguridad,  o las limitaciones del área de prueba. Aunque la prueba se efectúa en el campo o el patio de pruebas, se recomienda  comprobación del diseño de la unidad, y frecuentemente necesario demostrar las obligaciones contractuales así como la integridad mecánica.

Con frecuencia la composición del gas utilizada para confirmar el rendimiento de un compresor difiere del gas especificado. Este caso se presenta en muchos casos aun cando la prueba se conduce en el campo o taller. Para los resultados de campo, en donde la composición del gas y las condiciones operativas se fijan por el proceso, se efectúan ciertos ajustes en los cómputos para confirmar las especificaciones del  diseño  del compresor.

Típicamente, un ensayo de taller se conduces con una mezcla de gases cuidadosamente seleccionadas y combinadas de manera que esta acción resulte en un gas que se aproxima el gas especificado. Hasta con el gas de reemplazo existen diferencia que impactan los resultados de la prueba.

El diseño original del compresor impone limitaciones en su comportamiento termodinámico. Las más importantes de éstas incluyen gasto, potencia, temperatura, presión, y velocidad. Existen otras restricciones (limitaciones) en el diseño que no se conocen comúnmente per que también impactar el rendimiento del compresor. Algunos de éstos factores son la relación de volumen, número mach, y número Reynolds. Estos límites fueron incorporados en el diseño del compresor y son influenciados por las propiedades del gas, condiciones de operación, y el diseño mecánico. Para verificar el diseño y límites de operación de la unidad, es menester probar la máquina. Para las unidades nuevas, estas pruebas se llevan a cabo en la facilidad del fabricante; sin embargo las mismas se completan algunas veces en el campo. Es muy útil también periódicamente probar la unidad para observar las tendencias de comportamiento. Las pruebas conducidas durante la puesta en marcha  (arranque) establecerán una línea base del comportamiento. Pruebas periódicas en el campo se conducen con frecuencia para señalizar cambios que pudiésen predecir daño mecánico, degradación interna, u otras condiciones de deterioro.

Resumen del la normativa ASME PTC – 10 – Código de Prueba de Rendimiento

El procedimiento presentado en el Código presenta un método de verificación del rendimiento termodinámico de compresores centrífugos y axiales. El código ofrece dos tipos de pruebas que se basan en la desviación entre las condiciones de prueba y las especificadas. Un procedimiento detallado se presenta para el cómputo y corrección de los resultados considerando diferencia en las propiedades del gas y pautas de la prueba. A continuación se describe brevemente un guía de los principios del Código:

• La prueba Tipo 1 de se realiza con un gas específico en las condiciones de operaciones o cerca de éstas. Mientras que las condiciones actuales y las de prueba pudiésen diferir algo, estas diferencias están limitadas. Véase las Tablas 1, 2 , y 3 para los limites de variación de variables de un prueba Tipo 1.
• La prueba Tipo 2 se conduce con un gas especificado, o uno de sustituto. Las condiciones de operación podrán diferir sustancialmente con frecuencia de las condiciones especificadas. Las condiciones de operación están sujetas a las limitaciones basadas en el diseño aerodinámico.
• Véase las Tablas 2, y 3 para las variaciones permisibles de las condiciones de operación, y las propiedades del gas de prueba.
• El método de cálculo de una prueba Tipo 1, y 2 podrán conformarse a las leyes de un gas ideal o uno actual. Limitaciones en las propiedades físicas se presentan en la Tabla 3 si se aplica la metodología de un gas ideal.

El Código también arroja procedimientos para el cómputo, y correcciones de los resultados entre condiciones de prueba y las especificadas. También realiza  recomendaciones para los regímenes acertados para las pruebas del trabajo de los  compresores

El Código también arroja procedimientos para el cómputo, y correcciones de los resultados entre condiciones de prueba y las especificadas. También realiza  recomendaciones para los regímenes acertados para las pruebas de instrumentación, configuración de tuberías, e inseguridad en los valores de la prueba. A continuación se resume cada tópico:

• Los cómputos termodinámicos pueden aplicar o la entalpía, o métodos isoentrópicos, o politrópicos. El Código provee ecuaciones y ejemplos para determinar el trabajo del compresor (también designado el cabezal), eficiencias ponderadas y del gas, potencia de barra, y pérdidas parasíticas.
• El Código arroja un procedimiento de corrección para los gases de prueba y las condiciones de ésta que se hayan desviado de las condiciones especificadas de operación.
• Las pruebas de Compresión podrán ser de circuito abierto o cerrado; sin embargo los resultados están sujetos a los limites que podrían darle preferencia a las pautas de prueba.
• Se disponen de los métodos de instrumentación e inseguridades de medición (refiérase a la series de Estandares  PTC – 19) aplicados para la prueba de compresores.
• También se arrojan recomendaciones para el diseño de tuberías.

Selección  del Gas de Prueba

Existe una variación de gas que comúnmente se aplican para las pruebas de compresores.  Estos se seleccionan basados en sus propiedades físicas, toxicidad, inflamabilidad, y las consideraciones ambientales. Véase la Tabla 4 para una lista de los gases de uso más frecuente. Los fabricantes a veces mezclan (ligan) éstos para reproducir el criterio de equivalencia, y limitaciones en las facilidades de prueba. Se observa en lo siguiente las recomendaciones a considerarse cuando se debe seleccionar un gas de prueba.

• El diseño mecánico pude imponer limitaciones en la prueba. Considere la dinámica del rotor, exceso de velocidad, temperatura máxima, y limitaciones de potencia cuando se selecciona un gas de prueba.
• Evite la falta de coincidencia en el flujo de los impulsores. La equivalencia de la relación de volúmenes es el parámetro de mayor importancia en la selección de un gas. Esto también pudiese imponer limitaciones en las condiciones operativas. Se presentará mas sobre este tema en la Parte 2 de esta serie.
• El peso molecular del gas de prueba debe reproducir el peso molecular del gas especificado.
• El valor k del gas de prueba debe coincidir muy cercanamente el gas especificado para duplicar el número Mach de la Máquina. Si esto no es práctico se debe optar por un valor de k de prueba ligeramente mayor para evitar las limitaciones fallas de cabezal en alta (estrangulación).
• Seleccione un gas de prueba con variación mínima en el Numero Reynolds del gas especificado. Esto contempla minimizar la eficiencia, y las correcciones del cabezal. Estos es particularmente importante para la máquinas con Numero de Reynolds bajo.

Table 4
Typical Test Gas Mediums (1)

Nota:

1. Del Curso: ”Compressors 201” en Seminario de Turbomaquinarias
2. Valores del Instituto Nacional de Estandars y Tecnología, y la Asociación de Procesadores y Suplidores del Gas
3. Valores a  60 0F (15.6 C) y 14.696 lpca (101.3 kPa)
4. Composición del Gas y Propiedades físicas con utilidad local

Objetivos de la Prueba
Los siguientes son algunos factores a considera como parte del procedimiento de la prueba de rendimiento.

• El API 617 requiere un adquirir un mínimo de cinco puntos de prueba a la velocidad de operación para demostrar le punto de falla en baja (cabeceo – surge), falla en alta (estrangulación – “stonewall”), punto operativo de operación y dos punto alternos. El usuario puede optar el requerimiento de puntos adicionales para verificar el rendimiento del compresor a  velocidades alternas. Por ejemplo puntos adicionales pueden ser necesarios para verificar la línea de “cabeceo”  o condiciones críticas de operación para máquina de velocidad variable.
• La prueba se puede llevar a cabo como (clasificación) Tipo 1, o Tipo 2. La de Tipo 1 es normalmente de mayor certeza y típicamente reservada cuando las condiciones de prueba pueden reproducir de manera cercana la condiciones específicas de operación. Una prueba Tipo 2 es típicamente un prueba de taller aplicando un gas sustituido.
• Si una prueba Tipo 2 es recomendable, el gas de prueba pudiése ser uno puro tales como los citados en la Tabla 4, o una mezcla de gases. La composición del gas debe ser acordada antes del ensayo.
• En adición, la composición del gas debe ser muestreada antes y después de la prueba. Algunas mezclas de gases tienden a estratificarse, arrojando resultados erróneos.
• Las propiedades físicas del gas de prueba son críticas para los resultados especialmente si representa una mezcla de gases. Un acuerdo sobre las propiedades físicas es recomendable.
• Normalmente se logra un acuerdo sobre la aplicación de una “ecuación de estado” (EDE)  para calcular los resultados de la prueba. No todos los programas de EDE arrojan los mismos resultados, ni existe algún acuerdo a nivel Industrial acertando cual método es el de mayor certeza.
• Discutir aspectos sobre la unidad de potencia usada en la prueba. Se aplicará la misma de unas del taller, o la especificada? Será esta unidad una de velocidad fija o variable? Se aplicará motor, turbine de gas, o de vapor de agua, si es una unidad variable?
• Si un engranje es integrado a la prueba, será éste del suplidor (fabricante) o del usuario?
• Se enfriará el gas con intercambiador de agua o aéreo? Habrán limitaciones con el refrigerante a ser aplicado?
• Son la presiones operativas del equipo y los sistemas de tuberías auxiliares adecuadas para el ensayo?  Se requerirá una válvula de seguridad para proteger el sistema, y es ésta de dimensión apropiada.
• Es de importancia un acuerdo sobre la medición de la potencia de alimentación. Las opciones incluyen balance de calor, unidad de potencia calibrada, dinamómetro, y medidor de torque. Se debe revisar el método específico de medición de la potencia de alimentación con el fabricante.
• Es recomendable un esquemático de las tuberías auxiliares, e instrumentación.  El bosquejo debe arrojar los detalles del lazo de prueba incluyendo la colocación de los equipos mayores, número y ubicación de los instrumentos, mas dimensiones de las tuberías conexas. Esto es especialmente importante para los compresores con secciones múltiples, entrada lateral, y configuración de punta a punta.
• Antes de proceder con el ensayo de rendimiento se recomienda un procedimiento escrito que bosqueja con se conducirá la prueba. Este procedimiento debe arrojar con claridad el alcance de la prueba, las responsabilidades de cada integrante, arreglos de las tuberías de prueba e instrumentación, métodos de medición, calibración de los límites de inseguridad, la adquisición de la data, como interpretar los resultados, y los criterios de aceptación.

By Joe Honeywel
Traducido al Español: Dr. Frank E. Ashford

References

1. ASME PTC-10, “Performance test Code on Compressors and Exhausters”, 1997.
2. API Standard 617, “Centrifugal compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Services Industries”, 1995.
3. Kurz, R., Brun, K, & Legrand, D.D., “Field Performance Testing of Gas Turbine Driven Compressor Sets”, Proceeding of the 28th Turbomachinery Symposium, 1999.
4. Short Course “Centrifugal Compressors 201”, Colby, G.M., et al. 38th Turbomachinery Symposium, 2009.
5. National Institute of Standards and Technology, Web Site for Properties of Fluids.