aplicacion de compresores de tornillo en la industria del petroleo
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TITULO:
LOS COMPRESORES DE TORNILLO: UNA BUENA OPCIÓN PARA EL MANEJO DE VAPORES
EN LA BATERÍA BELLOTA.
AUTORES:
ING. JESUS BARRIENTOS HIDALGO
ING. WILLIAMS RUIZ MONTEJO
DELEGACIÓN COMALCALCO
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DESARROLLO DEL TRABAJO
LOS COMPRESORES DE TORNILLO: UNA BUENA OPCIÓN PARA EL MANEJO DE VAPORES
EN LA BATERÍA BELLOTA.
1.0 INTRODUCCIÓN
La Batería de Separación Bellota del Activo Integral Bellota-Jujo esta localizada en la
Ra. Mantilla 1ª. Sección del Municipio de Cunduacan, Tabasco. Inicio sus operaciones
a partir del año de 1992. A esta instalación fluyen pozos y corrientes de hidrocarburos
de los campos Yagual, Palangre, Chinchorro, Bellota y Jolote. En esta instalación
actualmente se efectúa la separación en dos etapas: baja presión ( 4.6 kg/cm2) y
superbaja presión (0.150 kg/cm2). La producción promedio que se maneja es de
41,000 BPD de crudo, 58.0 MMPCD de gas y 800 BPD de condensados.
El gas producido en la Etapa de baja presión de Batería es manejado en la Estación de
Compresión Bellota por dos módulos de turbocompresores, cada modulo esta
compuesto por 3 maquinas marca Solar modelo Centauro (40 y 50). La compresión se
efectúa en 3 etapas. La presión de succión y descarga en los módulos es de 3.85 y
38.3 kg/cm2, respectivamente. El gas comprimido es enviado a otras Estaciones para
su recompresión y envío al Complejo Procesador de Gas Cactus. Con respecto a los
vapores provenientes de estabilizado, estos eran manejados hasta antes de julio del
2005 por dos motocompresores reciprocantes, la presión de succión y descarga de
estas unidades era en promedio de 0.150 y 4.3 kg/cm2, respectivamente. Los vapores
recuperados por estas unidades lo envían a la succión de los módulos de
turbocompresores.
En la figura No. 1 se indica el diagrama de flujo de Batería y la Estación de
Compresión Bellota.
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Figura No.1 Diagrama de flujo de Batería Bellota.
El equipo que se dispuso originalmente para el proceso de recuperación de vapores
fueron dos motocompresores de tipo reciprocante Marca: Chicago Pneumatic, Modelo:
FE665A-4, de 2 etapas de compresión, con 4 cilindros impulsados por un motor
eléctrico de 1,250 H.P. De acuerdo a las curvas de comportamiento del fabricante el
volumen máximo que podía manejar esta maquina para una presión de succión y
descarga de 0.07 y 4.35 kg/cm2, respectivamente, es de 6.2 MMPCD. En la figura No.
2 se muestra el diagrama de flujo de estas maquinas.
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CABEZAL DE POZOS
TRASIEGO
SHAP
RVAP
RCVAP
A ENVIO DE GAS I.P. (F/OPN)
RCVBP
SHAP
RVBP
SOLOAIRES A.P.
SOLOAIRES B.P. T N
COMPRESORAS
R.V.
TEBP
T V
ACEITE
CONDENSADOS A.P.
CONDENSADOS A P.
ENVIO DE GAS B.P.
ACEITE
GAS
MB COND.
MB CRUDO
ENVIO DE ACEITE CABEZAL CACTUS
Figura No. 2 Diagrama de Flujo de las recuperadoras de vapor Chicago-Pneumatic
A mediados del año 2004 se decide que era necesario reemplazar los equipos para
recuperación de vapores de Batería Bellota, y dio inicio de manera formal este
proyecto. Se efectuó un análisis de la tecnología de compresión disponible en el
mercado, así como en otros centros de trabajo de la Región Sur. Finalmente se
determino que la mejor alternativa era adquirir la tecnología de compresor de tornillo
húmedo, por las razones que se explican mas adelante.
Durante el mes de julio del 2005 se efectuó el cambio de las recuperadoras de vapor
de Batería Bellota, se sustituyeron los motocompresores reciprocantes y se instalaron
02 paquetes, cada uno compuesto por un compresor de tipo tornillo húmedo,
impulsado por un motor de combustión interna a gas natural. Precisamente el trabajo
se enfoca a dar a conocer los logros obtenidos con la puesta en operación de estos
equipos.
DESCARGA DE TANQUES ELEVADOS
ETAPA DE COMPRESIÓN
1er. PASO
ENFRIADOR DE GAS 1er. PASO
SEPARADOR DE SUCCIÓN
2do. PASO
ETAPA DE COMPRESIÓN
2do. PASO
ENFRIADOR DE GAS 2do. PASO
SEPARADOR DE SUCCIÓN
1er. PASO
RECTIFICADOR GENERAL DE
SUCCIÓN
CABEZAL DE DESCARGA
DE VAPORES
2 3 4 1
2 3 4 1
MOTOCOMPRESOR No. 2
MOTOCOMPRESOR No. 1
DESCARGA DE LIQUIDOS A
CACHADOR DE BATERIA
DESCARGA DE LIQUIDOS A CACHADOR DE BATERIA
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2.0 RAZONES QUE MOTIVARON EL CAMBIO DE EQUIPO
Las razones principales que determinaron la conveniencia de cambiar el equipo de
compresión reciprocante fueron las siguientes:
La adquisición de repuestos y refacciones se complico ya que el equipo se
encontraba en periodo de obsolescencia (fabricado en 1979).
Debido a lo anterior, la aplicación de mantenimiento se volvió ineficaz al no
contar con la suficiencia de refacciones.
Los costos de las refacciones para el compresor se incrementaron, ya que era
un compresor fuera de la línea estándar de producción.
Debido a sus características de diseño, cuando ocurría algún
malfuncionamiento en el stma. de lubricación se producían fallas catastróficas
en el equipo (roturas de bielas, de pistones, de cilindros, de camisas del
compresor, falla en los muñones del cigüeñal ó atascamiento del mismo, etc.), a
tal grado que hubo necesidad de reconstruir ambas unidades varias veces. La
gravedad de estas fallas se incrementaba tomando en consideración la inercia
del rotor del motor eléctrico principal.
No se tenía disponibilidad de estas unidades cuando ocurría falla en el
suministro de energía eléctrica de la instalación, debido a que la fuerza motriz
del equipo la proporciona un motor eléctrico. Lo anterior provocaba que la
producción de vapores se derivará a quemador.
Debido a lo fluctuante en la presión de separación de los tanques elevados y a
que la velocidad de rotación del motor es constante, no se tenía un buen control
en el proceso de compresión, ya que no era factible ajustar la velocidad de
dicho motor, de acuerdo a la variación en la presión de succión.
Las recuperadoras de vapor fueron reubicadas de otra instalación, es decir,
eran equipos con horas acumuladas en servicio.
El estado en general del equipo era deficiente.
El proceso de recuperación de vapores de hidrocarburos de Batería Bellota
demandaba un equipo que manejara un volumen relativamente bajo de vapores
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a una relación de compresión baja. La capacidad mínima y máxima de manejo
de vapores requerida seria de 1.0 a 6.0 MMPCD.
El equipo no contaba con válvulas automáticas de paro de emergencia.
En el diagrama No. 1 se explica el rango de operación de los principales tipos de
compresores disponibles en la industria.
Diagrama No.1.- Grafica de rango de operación de compresores
3.0 COMPONENTES PRINCIPALES Y AUXILIARES DEL MOTOCOMPRESOR INSTALADO EN BATERÍA BELLOTA
- COMPRESOR DE TORNILLO HUMEDO
El desarrollo del compresor de tornillo inicio en el año 1937. El concepto de su diseño
es simple, aunque es difícil de visualizar la forma de operar de este. Esta compuesto
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por dos tornillos colocados axialmente dentro de un cuerpo de acero fundido. El aceite
que utiliza el compresor húmedo se utiliza para lubricar, enfriar y sellar los lóbulos de
los 02 tornillos. Por lo tanto el calor generado por el proceso de compresión es
transmitido al aceite, este efecto produce bajas temperaturas de descarga y altos
rangos de compresión. Este compresor ha sido usado ampliamente en los últimos 30
años en distintos procesos industriales. La forma de operar es análoga a los
compresores del tipo reciprocante, es decir ambos son de desplazamiento positivo. La
construcción de estos compresores es de mucha precisión, los tornillos están
montados en rodamientos axiales y radiales, por lo que consumen menos energía por
fricción. Los rodamientos anti-friccion permiten un mejor posicionamiento de los
rotores, evitando así el consumo adicional de energía por fugas entre claros.
Los rotores no están en contacto y las distancias entre ellos son muy pequeñas
(milésimas de pulgada). La combinación de lóbulos macho-hembra puede ser: 4-6, 5-7
ó 5-6. En la figura No. 3 se presenta de manera esquemática un compresor con
arreglo macho-hembra 4-6. El accionamiento del macho ó la hembra produce
diferentes velocidades y capacidades. Además, el compresor de tornillo puede trabajar
con una alta relación de compresión.
Figura No. 3 Arreglo de compresor de tornillo macho-hembra 4-6.
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Una característica que optimiza la operación del compresor de tornillo es la relación de
volumen, la cual se expresa por la siguiente relación:
Vi = Vs /Vd
Donde: Vi es la relación de volumen
Vs es el Volumen de gas en la succión
Vd es el Volumen de gas en la descarga.
Esta relación se explica de la siguiente manera: en los compresores reciprocantes la
válvula de descarga determina cuando empieza precisamente la descarga de gas,
pero los compresores tornillo no tienen estas válvulas. La localización del puerto de
descarga en el compresor de tornillo determina el inicio de esta etapa. El compresor de
tornillo se construye para dar una determinada Vi por medio del cambio de posición de
una válvula interna. Es válvula de Vi modifica su posición cuando ocurren cambios en
el proceso tales como:
Cambios en la presión de succión y/ó descarga.
Cambios en la temperatura de succión y/o descarga
Al cambiar alguna de las condiciones anteriores, y la facilidad de cambiar la posición
de la válvula de Vi, se traduce en ahorro de energía porque optimiza la presión de
descarga del compresor a un valor mínimo requerido. Ver diagramas No. 2, 3 y 4.
Diagrama No. 2 Sobre-compresión. Diagrama No. 3 Sub-compresión.
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Diagrama No. 4 Compresión Ideal.
Otra característica del compresor de tornillo es que cuenta con una válvula interna
adicional para el control de capacidad de manejo de gas. La posición de esta válvula
en efecto determina la capacidad de manejo de gas del compresor. Ambas válvulas
son controladas por medio de un P.L.C. desde el tablero de control. Estas válvulas se
aprecian mejor en la figura No. 4.
Fig. No. 4 Vista en corte de un compresor de tornillo.
Otras características relevantes de este tipo de compresores es que:
El compresor de tornillo húmedo es menos costoso que un compresor de tornillo
seco.
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kch
Valvula de control de capacidadVálvula de control de relación de volumen
Vi – 3.5Cap. – 100%
kch
Valvula de control de capacidadVálvula de control de relación de volumen
Vi – 3.5Cap. – 100%
La presión de succión que puede manejar es de hasta –0.70 kg/cm2 (-10 psig),
que es una condición apropiada para el manejo de vapores de hidrocarburos
por las presiones que se manejan en la etapa de estabilizado de Batería.
Aunque inicialmente este tipo de compresor fue usado en la industria de la
refrigeración por las bajas presiones a las que puede trabajar.
La tecnología esta ampliamente probada en la industria petrolera para manejo
de vapores amargos.
El mantenimiento de estos equipos no es complicado.
- MOTOR DEL CONJUNTO
Se eligió como elemento motriz un motor de combustión interna a gas natural,
básicamente por las siguientes razones:
Se tendría un mayor eficiencia sobre el proceso de estabilizado ya que dentro
de las características del stma. de aceleración del motor, se solicito con control
automático de la velocidad del mismo, la cual sería proporcional a la variación
de la presión de succión del compresor.
Se tendría disponibilidad del equipo de compresión a falla de energía eléctrica,
ya que se cuenta con gas combustible residual seco en la instalación.
La potencia al freno del motor se estimo para 1,000 H.P. como mínimo, de
acuerdo a la potencia de compresión requerida por el volumen de gas a
manejar.
Se requería un conjunto autónomo, es decir que el propio motor fuera capaz
suministrar toda la energía para su operación (enfriamiento del motor y el
compresor, así como la requerida por el compresor).
- COMPONENTES AUXILIARES DEL MOTOCOMPRESOR
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Para preservar la integridad del compresor el paquete cuenta con un filtro separador
en la succión del mismo, para evitar el ingreso de partículas extrañas al interior de los
lóbulos de los tornillos.
El sistema de control de todo el conjunto es de tecnología de punta a base de un
P.L.C. El sistema es totalmente automático y capaz de gobernar el arranque,
aceleración, paro manual y paro de emergencia por falla del motocompresor. Cuenta
con control de proceso, por cambio de velocidad del motor, además de control de
carga del compresor por cambio en la posición de la válvula de capacidad y de Vi.
El enfriador es de tiro inducido y esta montado en el mismo patín junto con el resto de
los componentes del paquete.
Cada motocompresor tiene integrado un juego de válvulas automáticas en las líneas
de acometidas de succión, descarga, venteo y gas combustible, para dar mayor
protección del equipo. Sobre el mismo patín están montados los separadores de
succión y descarga del compresor.
El conjunto es totalmente automático, de tal forma que la rutina de arranque,
aceleración, paro normal y el paro de emergencia la efectúa el tablero de control
incorporado al equipo.
En la figura No. 5 se muestra el diagrama de flujo del compresor de tornillo de la
Estación de Compresión Bellota, en el diagrama No. 5 se indica la distribución del
equipo en el patín y la figura No. 6 muestra la pantalla principal de monitoreo del
compresor en el tablero de control. En la figura No. 7 se muestra una imagen
fotográfica del motocompresor actual que se encuentra operando en Batería Bellota.
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Diagrama No. 5 Vista en planta del compresor de tornillo actual.
Diagrama No. 5 Vista en planta del compresor de tornillo actual.
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ACTIVO INTEGRAL BELLOTA-JUJOCOORD. OPERACIÓN DE EXPLOTACION
SECTOR BELLOTA-CHINCHORRO
Diagrama de Flujo Compresor de TornilloRecuperadoras de Vapores Estc’n. de Compresión Bellota
Reviso:
ING. J.B.H. ING. J.B.H.
Dibujo: Aprobó:
ING. W.R.M.
Fecha:
07/Sep/2005
DIAGRAMA DE FLUJO DEL COMPRESOR DE TORNILLOESTC´N. DE COMPR´N. BELLOTA
GAS DE PROCESO
STMA. DE ACEITE DEL COMPRESOR
EENFRIADOR
F FILTROBOMBA
NEUMATICA
CCOMPRESOR DE
TORNILLO
SIMBOLOGIA
BN
GAS DE PROCESO
STMA. DE ACEITE DEL COMPRESOR
EEENFRIADOR
F FILTROBOMBA
NEUMATICA
CCOMPRESOR DE
TORNILLO
SIMBOLOGIA
BNBN
62 psig
FILTRO SEPARADORDE SUCCIÓN
0.0 psig
C
E
CA
BE
ZA
L G
RA
L. D
E D
ESC
AR
GA
8”
CA
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L. D
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ON
D. S
UC
IOS
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CIÓ
N 2
4”
0.5 psig
SEPARADORDE DESCARGA
F
F
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EN
TE
O
BN62 psig
FILTRO SEPARADORDE SUCCIÓN
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SEPARADORDE DESCARGA
F
F
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TE
O
BNBN
Fig. No. 6 Pantalla principal de monitoreo.
Figura No. 7 Imagen fotográfica del Motocompresor de tornillo.
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4.0 RESULTADOS OBTENIDOS CON LA APLICACIÓN DEL COMPRESOR DE TIPO TORNILLO HUMEDO
La primera unidad entro en operación a partir del 26 de agosto del 2005, luego de
efectuar algunos ajustes el control de velocidad y control de carga del motocompresor,
actualmente operan de manera normal de ambos motocompresores. Después de
analizar el comportamiento del proceso con el equipo, se obtuvieron los siguientes
resultados:
El control de velocidad como respuesta a la variación de la presión de succión
ha permitido tener más control y estabilidad en el proceso de recuperación de
vapores. Se ha logrado mantener hasta -0.10 kg/cm2 en la succión de las
recuperadoras, sin arrastre de líquidos hacia la succión de las unidades.
La velocidad del motor de combustión interna presenta una rampa de
aceleración apropiada al comportamiento de la presión de succión y es
configurable, por lo que se puede adaptar a distintas condiciones de proceso.
El motocompresor dispone de dos modos de control automático de la presión de
succión los cuales son configurables: Por velocidad del motor de combustión
interna entre 900 y 1200 RPM) y por la válvula de control de capacidad. Estas
opciones de control hacen del equipo muy versátil.
La variación en la presión de succión es menor (el valor oscila entre –0.07 y
0.100 kg/cm2) comparado a cuando se operaba con los motocompresores
reciprocantes; lo anterior ha propiciado que el proceso de separación en la
etapa de superbaja presión sea más estable, favoreciendo la disminución del
PVR del crudo a un nivel aceptable.
5.0 AHORRO DE COSTOS ENERGIA CON LA PUESTA EN OPERACIÓN DEL COMPRESOR DE TORNILLO HUMEDO
Sin duda una de las mejoras más notables con la implementación de estos equipos en
el proceso de recuperación de vapores de hidrocarburos en Batería Bellota es el
ahorro por costo de energía, comparando el motocompresor reciprocante usado
anteriormente, contra el Motocompresor de tornillo instalado actualmente.
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Lo anterior se explica con el siguiente cálculo:
El costo de energía eléctrica para la operación del motocompresor reciprocante que se
tenía instalado anteriormente, (tomando en consideración únicamente el motor
principal trabajando a plena carga) se estima con la siguiente formula:
P = . V.I.cosφ/1000
Los datos de placa del motor son los siguientes:
Potencia: 1250 H. P., @ 880 RPM
V = 4160 Volts
I = 167 Amperes
Considerando un factor de potencia de 0.90 para este servicio y sustituyendo los datos
en la formula tenemos que:
P = ( 4,160)(167)(0.90)/1,000
P = 1,082.96 kW
La energía eléctrica consumida por día (PD) es entonces del orden de:
PD = (1,082.96)(24)
PD = 25,991.04 Kw-hr.
El precio por kW-hr generado por P.E.P. en la Planta Eléctrica del Castaño asciende a
$ 1.1092, tomando como referencia el del mes de julio del 2005 para efectos de
análisis.
Por lo tanto el costo por día (CD) del equipo reciprocante en operación asciende a:
CD = (25,991.04)(1.1092)
CD = $ 28,829.26
Considerando una paridad del Dólar de 10.52
Tenemos que el costo por día en operación de un motocompresor Chicago Pneumatic
asciende a:
CD = 28,829.26/10.52
CD = 2,740.42 USD/día
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Para el caso del compresor de tornillo y tomando como referencia el consumo de gas
para el motor de combustión interna que desarrolla una potencia de 1,024 H.P. a plena
carga girando a 1,200 RPM. De acuerdo al diagrama proporcionado por el fabricante,
(ver diagrama No. 6) tenemos que el consumo nominal es de 7,500 BTU/BHP-hr.
Diagrama No. 6 Curva de comportamiento motor Waukesha
Para determinar el consumo estimado promedio de gas residual (recibido en Batería
Bellota), utilizaremos la siguiente formula:
Qp = Qn*P*24
Donde:
Qp = Consumo promedio de gas natural en BTU/día del motor.
Qn = Consumo nominal de gas natural del motor a una potencia especifica, para este
caso Qn es igual a 7,500 BTU/BHP-hr, tomado del Diagrama No. 6 del fabricante.
P = Potencia desarrollada por el motor a plena carga en H.P. Para nuestro caso es de
1,024 H. P.
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Sustituyendo datos en la formula tenemos que:
Qp = (7500)(1,024)(24)
Qp = 184,320,000 BTU/día
El dato anterior representa el consumo de energía calorífica a plena carga del motor
de combustión interna del compresor de tornillo por dia.
Para determinar el costo del volumen de gas requerido para la operación del motor,
consideraremos un poder calorífico del gas de 1,053.02 BTU/pie3. Para este cálculo
usaremos la siguiente formula:
CD = Qp* Cg/ Pcg *106
Donde:
Cd = costo en U.S.D. por día, usando gas natural en el motocompresor.
Qp = Consumo promedio de gas natural en BTU/día del motor,
Qp = 184,320,000 BTU/día
Cg = Costo del gas en USD/MMPCD, tomando como referencia el costo del gas al mes
de julio del 2005, tenemos que asciende a: 6,053 USD/MMPCD.
Pcg = Poder calorífico del gas = 1,053.02 BTU/pie3
Sustituyendo datos en la formula, tenemos que el costo por día de operación del
motocompresor asciende a:
CD = (184,320,000)(6,053)/(1,053.02*106)
C = 1,059.51 USD/día
El valor anterior representa el costo de operación por día del motocompresor de
tornillo, usando gas natural residual seco como combustible.
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Finalmente podemos efectuar una comparación de los costos de operación de ambos
equipos en la siguiente tabla:
OPCIÓNTIPÓ DE
MOTOCOMPRESOR
COSTO POR DÍA
EN U.S.D.
COSTO ANUAL
EN U.S.D.
A Motocompresor
reciprocante2,740.42 1,000,253.30
B Motocompresor
de tornillo 1,059.51 386,721.15
AHORRO 1,680.91 $ 613,532.15
Tabla No. 1 Comparación de costos de operación.
Como se aprecia en la tabla No. 1, la opción B es más conveniente, considerando el
ahorro por consumo de energía.
Para este análisis económico se considero que el suministro de energía eléctrica
proviene de generación de PEMEX (Planta El Castaño), sin embargo en ocasiones se
recibe el suministro de C.F.E., pero el costo por kW-hr de C.F.E. es aproximadamente
3 veces mayor que el costo por kW-hr generado por PEMEX. Por lo que cuando se
operaba con el suministro de Comisión Federal de Electricidad, el costo era tres veces
mayor.
También para este análisis no se tomaron en cuenta los consumos de energía eléctrica
de los motores eléctricos auxiliares (un motor de 10 H.P. del ventilador de enfriamiento
y otro de 5 H.P. de la bomba de agua de enfriamiento) que estaban integrados a los
motocompresores reciprocantes instalados anteriormente, ni otros insumos propios de
la operación de estos equipos.
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6.0 CONCLUSIONES
La optimización de las instalaciones superficiales requiere de un análisis e
investigación de nuevos métodos que nos permitan modificar los patrones
tradicionales de explotación de hidrocarburos para lograr su implementación y
adaptación a nuestros procesos con el propósito de disminuir costos de producción,
que se traduzcan en incrementos sustantivos en las utilidades de nuestra empresa.
La aplicación de nuevas tecnologías disponibles en el mercado deben ser valoradas
a detalle previo a su aplicación, y ya implementadas, valorar sus resultados que
sirvan de referencia para nuevos proyectos.
El análisis del comportamiento de un equipo con cambio tecnológico constituye una
fase muy importante y complementaria al concluir un proyecto.
Una selección apropiada del equipo de compresión es aquella que nos permite tener
flexibilidad en la operación cuando ocurren cambios en las condiciones de proceso,
además de la capacidad de manejo de gas.
El compresor de tornillo permite mayor flexibilidad operativa en el proceso de
recuperación de vapores de hidrocarburos.
Se obtuvieron ahorros en los costos de operación por el cambio de tecnología de
compresión en el proceso de recuperación de vapores de Batería Bellota.
La aplicación del compresor de tornillo se considera una alternativa viable para
recuperación de vapores, complementándose con el uso de un sistema de control
versátil, que incluya distintos modos de control de proceso (control de velocidad,
control de carga, control de Vi, etc). Lo que contribuirá al mejoramiento de la
estabilización de crudo.
El uso del compresor de tornillo como alternativa para el proceso de manejo de
vapores de hidrocarburos queda de manifiesto con este caso real.
Ganancia intangible al disminuir los vapores en tanques elevados al succionar por
debajo de 0 kg/cm2, lo cual trae como consecuencia una mejor estabilización del
aceite y por ende una menor presión de vapor reíd.
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7.0 REFERENCIAS
Richard W. Greene. “Selección, Uso y Mantenimiento de Compresores” . Mc Graw
Hill, Inc. 1988.
Virgil Moring F.,”Termodinamica”, Ed. UTEHA S. A. de C. V., 1992.
Manuales de Fabricante de Compresores de Tornillo.
Manual de Fabricante del motor a gas natural.
Manuales de Operación y Mantenimiento de Compresores de tornillo.
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