Evaluación de Desempeño de Bombas Centrifugas en una planta de inyección de agua mediante pruebas en campo

Resumen

En el mundo actual existen diferentes maneras de realizar estudios de condición de los activos que involucran el proceso productivo; una de estas, las más básica y elemental de estudios de ingeniería son 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 una planta de inyección de agua basada en la norma ASME PTC 8.2, tomando en cuentas las diferentes condiciones presentadas durante este estudio.

Nomenclatura

Tabla 1
Tabla 1

Introducción

En organizaciones proyectadas a las mejoras continuas en alas 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 una planta de inyección de agua mediante l procedimiento de la norma PTC 8.2, enfocándose en los elementos conducidos, posteriormente serán desarrollados los elementos conductores a posteriori.

Planta en estudio 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 centrifugas 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 las bombas era la siguiente:

Tabla 2
Tabla 2

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.

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:

Cálculo de Potencia al freno

Para el caso de las bombas de inyección que están acopladas a una turbina se obtuvo mediante la expresión 01.

Ecuación 1
Ecuación 1

Por otro lado para equipos cuyo accionador son motores eléctricos se tiene:

Ecuación 2
Ecuación 2

Cálculo de Cabezal

El cálculo del cabezal surge del principio Bernoulli el cual establece que el cabezal o altura hidráulica es igual a la carga piezometrica mas el cabezal de velocidad, así como se muestra en la ecuación 3.

Ecuación 3
Ecuación 3

Donde; Hp es la diferencia de las presiones de succión y descarga, Hz la diferencia de alturas y Hv la diferencia entre la velocidad del Fluido entre la succión y descarga, como se aprecia en las correlaciones 4, 5 y 6. 

Cabezal de Presión

Ecuación 4
Ecuación 4

Cabezal de Altura

Ecuación 5
Ecuación 5

Cabezal de Velocidad

Ecuación 6
Ecuación 6

Cálculo de potencia hidráulica

Esta representa la energía suministrada por la bomba al fluido, esta es obtenida con ecuación 7.

Ecuación 7
Ecuación 7

Cálculo de Eficiencia

El cálculo de eficiencia no es más que la relación de la energía producida con la energía suministrada, en otras palabras la potencia hidráulica u la potencia al freno como se muestra en la ecuación 8.

Ecuación 8
Ecuación 8

Leyes de Afinidad

Las leyes de afinidad permiten establecer comparaciones de las bombas si estas se comportasen a diferentes velocidades o si se variara el diámetro del impulsor; en esta sección se mostrara las ecuaciones utilizadas para el desarrollo del estudio en campo a diferentes velocidades, tomando como referencia las curvas provenientes de Aceptación en Fábrica (FAT). Para ajustar el flujo se utilizara la ecuación 9, mientras para el cabezal la ecuación 10 y finalmente para la potencia hidráulica la ecuación 11.

Ecuaciones 9, 10 y 11
Ecuaciones 9, 10 y 11

Resultados

La máxima eficiencia registrada se obtuvo como era de esperar en la unidad 1, siendo esta la proveniente de mantenimiento mayor, así como se muestra en la Figura N°1.

Figura N° 1. Máximas Eciencias registradas
Figura N° 1. Máximas Eciencias registradas

Este comportamiento se mantuvo en las pruebas realizadas en cada unidad, tal como se muestra en la figura N° 2, esto representa un indicio del aprovechamiento de las capacidades bajo condiciones favorables a la integridad mecánica.

Figura N° 2. Eciencia (%) vs Flujo (GPM)
Figura N° 2. Eciencia (%) vs Flujo (GPM)

Si es comparado el comportamiento de las bombas de las unidades con las curvas del fabricante, fácilmente se visualiza un distanciamiento entre las condiciones esperadas y las condiciones actuales de operación de la unidad (Ver figura N° 3 y 4)

Figura N° 3. Test Campo vs Fabricante Unidad 1 y 3
Figura N° 3. Test Campo vs Fabricante Unidad 1 y 3
Figura N° 4. Test Campo vs Fabricante Unidad 5 y 6
Figura N° 4. Test Campo vs Fabricante Unidad 5 y 6

Las diferencias operacionales de las unidades se vuelven más evidentes cuando se construye el mapa de operación a diferentes velocidades, en las figuras N° 6 y 7, se tomó como referencia la curva primaria del fabricante y por similitud se obtuvieron las demás trazadas, de tal forma permitir la construcción del mapa de operación para el mismo impeler en diferentes velocidades.

Figura N° 5. Mapa de operación Unidad 1 y 3
Figura N° 5. Mapa de operación Unidad 1 y 3
Figura N° 6. Mapa de operación Unidad 5 y 6
Figura N° 6. Mapa de operación Unidad 5 y 6

Conclusiones

• La aplicación de este ejercicio permitió realizar una comparación de condición entre los elementos que integran a la planta, además de establecer precedentes de condición para evaluaciones futuras

• La máxima eficiencia en la bomba de inyección Unidad 1 se obtuvo en la séptima variación con una valor de 78,37%, mientras poseía una carga de 100 MBPD, muy cercano a los valores de diseño de la unidad. Siendo el comportamiento de la Unidad 1 es acorde con el comportamiento de la pruebas en campo, por lo que se descarta algún malfuncionamiento en la misma que pudiese generar pérdidas mecánicas.

• Los puntos de operación de las unidades 3, 5 y 6, para las condiciones actuales están lejos de lo esperado en comparación con sus correspondientes pruebas de desempeño, esto aunado a los valores de eficiencia obtenidos y más si realizamos la comparación con la Unidad 1.

• Al incluir los resultados obtenidos en el mapa de comportamiento se describe la diferencia de capacidades a causa de las horas de operación de la unidad desde su último mantenimiento, siendo esta una condición determinante en la producción global de la planta, lo que genera penalizaciones debido al comportamiento obtenido.

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

1 Comentario

  1. jesus

    Las Bombas centrifugas son indispensables en la mayoría de los procesos industriales, un mal funcionamiento o avería en ella podría ocasionar desviaciones en el proceso, por ello es importante un buen plan de mantenimiento que involucre recambios e inspecciones de funcionamiento. Otro factor primordial es la correcta selección del equipo. Muchas veces encontramos en plantas equipos operando fuera del rango de funcionamiento.

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