Evaluación de Desempeño de Compresor Axial de Turbinas de Gas después de Lavado en línea en una planta de inyección de agua mediante pruebas en campo (Parte II)

Resumen

En el mundo actual existen diferentes maneras de realizar estudios de condición de los activos que involucran el proceso productivo; entre ellas, la más básica y elemental de estudios de ingeniería, radica en las pruebas de eficiencia. Estas proveen una idea de la condición del activo al realizar estudios puntuales o de tendencia; esto para determinar o no posteriormente acciones de mantenimiento y operaciones. En este documento se plantea el procedimiento aplicado a un activo ubicado en una planta de inyección de agua, mediante la norma ASME PTC 10. El objetivo para esta prueba fue describir el incremento en la eficiencia asociada a compresor axial de una turbina a gas bajo condiciones normales de operación, tomando en cuentas las diferentes condiciones presentadas durante este estudio.

Nomenclatura

Introducción

En organizaciones proyectadas a las mejoras continuas en aras de crecimiento, es necesario establecer estrategias de operaciones y mantenimiento, siendo la medición de tendencias y evaluaciones las más comunes para realizar comparaciones con las metas de la organización.

Las pruebas de eficiencia son indicadores tanto de ajustes como de condición de los activos que integran nuestro proceso productivo. Durante este artículo revisaremos algunas nociones básicas, así como el proceso para la obtención de eficiencia aplicado para el compresor axial de una turbina a gas de una planta de inyección de agua mediante procedimiento propuesto en la norma PTC 10, el objetivo es demostrar la porción de eficiencia recuperada por factores de ensuciamiento al realizar lavado de esta sección de la turbina a gas.

Equipo y condiciones actuales

La planta tiene como función principal inyectar de 600 – 842 mil barriles de agua al día (MBPD) a una presión comprendida entre 3800 – 4300 PSIG. El proceso consiste en cuatro (04) turbo-bombas y 2 moto-bombas centrífugas multietapas, todas en paralelo, de las cuales una (01) bomba es de respaldo operacional, con capacidad de manejo de 142 MBPD por unidad, las cuales elevan la presión de 200 – 230 Psig de 3800 – 4300 Psig; las turbinas que accionan a cuatro (04) bombas son a gas y los motores accionan al resto de las bombas (02) son eléctricos.

Durante este estudio la condición de la turbina a gas era la siguiente:

Adquisición de datos

La recopilación de información necesaria para la realización de los cálculos fue obtenida directamente de dos (02) fuentes; la primera provino de la instrumentación en campo o instrumentos locales; la segunda del sistema de control de operaciones o panel de operaciones, tomando en cuenta que la estructura de instrumentación que provee la noma ASME PTC referido a la localización de estos puntos de medición y haciendo énfasis en la necesidad de ajustes y calibración de estos; siendo necesario referirse a la norma ASME PTC 19.

La realización de lavados solo permitirá recuperar la porción de eficiencia asociada al ensuciamiento de tal manera como se describe en la figura N° 1; esto debido a factores de modificación descritos por el fabricante. La figura N° 2 describe que la metodología empleada y el tipo de detergente aplicado también influenciaran en la efectividad de los resultados. Debido a que la prueba es susceptible a la variación de las condiciones ambientales, y a factores de modificación de comportamiento y desempeño, se estableció que las pruebas debían realizarse bajo condiciones que garanticen la integridad y repetitividad de los resultados.

Figura N° 1
Figura N° 1
Figura 2
Figura N° 2

Metodología de análisis

La metodología de análisis, referida a la norma ASME PTC 8.2 es muy específica sobres las variables necesarias para llevar acabo el estudio; siendo el cálculo poco complejo y de rápida visualización. Para esto es necesaria la determinación de los siguientes parámetros:

 Calculo de Factor de Schultz:

Ecuación 1
Ecuación 1

Cálculo Coeficiente Isentrópico:

Ecuación 2
Ecuación 2

Cálculo del Cabezal Isentrópico:

Ecuación 3
Ecuación 3

Cálculo de Coeficiente Politrópico:

Ecuación 4
Ecuación 4

Calculo de Cabezal Politrópico:

Ecuación 5
Ecuación 5

Calculo Isentrópica:

Ecuación 6
Ecuación 6

Calculo Isentrópica:

Ecuación 7
Ecuación 7

Resultados

Durante la prueba se evidenció para ambos escenarios politrópico e isentrópico el incremento en la eficiencia del compresor axial luego del lavado, la misma fue cercana al 10%, para condiciones de operación similares; también cabe destacar que la diferencia entre los métodos politrópicos e isentrópicos fue relativamente cercana por lo que la utilización de un método dependerá del analista.

Figura N° 3. Eciencias Politrópicas
Figura N° 3. Eciencias Politrópicas
Figura N° 4. Eciencias Isentrópicas

Conclusiones

El incremento del 10% en la eficiencia del compresor axial, significa que del trabajo aportado por la turbina de potencia se verá reducido para la realización del trabajo que conlleva al desarrollo del cabezal y por ende de la eficiencia del ciclo.

Si son establecidas tendencias del comportamiento de la unidad se pueden establecer intervalos oportunos para la ejecución de lavado en línea del compresor axial. Estos intervalos permitirán la recuperación de la eficiencia perdida a causa de factores de ensuciamiento del rotor, transformándose en la disminución de costos por preservación del activo y consumo de valor energético.

Los lavados axiales solo permiten la recuperación de la porción de eficiencia perdida asociada al ensuciamiento del rotor, por lo que la ejecución de estos influye en la tendencia de los coeficientes de degradación alternos característicos de la unidad establecidos por el fabricante.

La efectividad de la ejecución de los lavados en línea dependerá de la velocidad del rotor y detergentes empleados, por lo que no se garantiza la misma efectividad en diferentes escenarios de aplicación.

Referencias

  • I. PTC 10, 1997, “Centrifugal Pumps”, American Society of Mechanical Engineers, USA.
  • II. PTC 19.1, 1998, “Test Uncertaly”, American Society of Mechanical Engineers, USA.
  • III. PTC 19.2, 1987, “Pressure Measurement”, American Society of Mechanical Engineers, USA.
  • IV. López E., Aboites F., Jáuregui J., 2009 “Evaluación de Desempeño de turbinas a gas, Compresores centrífugos y bombas centrifugas de estaciones de Gas natural y LPG”, Mexico.
  • V. Girdha P., 2008 “Performance Evaluation of Pumps and Compressors”, LULU.
  • VI. Stalder J., 2001 “Gas Turbine Compressor Washing State of the Art: Field Experiences1”, ASME.

Autor: Ing. Luigi Anthony Rondón
Correo: luigi.rondon@eymsolutions.com

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