Comprensión de las sobretensiones en compresores
Definición: ¿Qué es el aumento repentino de temperatura?
oleaje La sobretensión (también conocida como bombeo del compresor) es una violenta inestabilidad aerodinámica en compresores centrífugos y axiales donde todo el flujo a través del compresor invierte periódicamente su dirección, creando oscilaciones de presión y flujo con frecuencias típicamente entre 0,5 y 10 Hz. Durante un ciclo de bombeo, el flujo se detiene o invierte momentáneamente, la presión cae, luego el flujo se reanuda, la presión aumenta y el ciclo se repite. Esto genera enormes fuerzas fluctuantes en el rotor, produciendo una severa inestabilidad aerodinámica. vibración, un ruido fuerte y retumbante, y puede destruir un compresor en minutos si no se detiene inmediatamente.
El bombeo es fundamentalmente una inestabilidad del sistema que involucra al compresor y su sistema de tuberías/volumen, no solo al compresor en sí. Se produce al intentar operar más allá de la capacidad de aumento de presión del compresor a bajos caudales, y su prevención requiere sistemas de control antibombeo que mantengan el caudal por encima del umbral de bombeo.
El mecanismo de sobretensión
Descripción del ciclo de sobretensión
Un ciclo típico de aumento de volumen se desarrolla de la siguiente manera:
- Reducción del flujo: La demanda del sistema disminuye, el flujo a través del compresor se reduce.
- Inicio de la estancamiento: Con un caudal muy bajo, las palas del compresor se detienen (el flujo se separa).
- Colapso de presión: El compresor averiado no puede mantener la presión de descarga.
- Inversión del flujo: El gas a alta presión en la tubería de descarga/plenum fluye en sentido inverso a través del compresor.
- Ecualización de presión: La presión de descarga disminuye a medida que el gas fluye hacia atrás.
- Se reanuda el flujo hacia adelante: Una vez que la presión disminuye, el compresor puede volver a fluir hacia adelante.
- Aumenta la presión: El flujo hacia adelante aumenta la presión de descarga
- El ciclo se repite: La alta presión vuelve a provocar una parada, repitiendo el ciclo.
Frecuencia de sobretensión
- Determinado por el volumen del sistema (tuberías, cámaras de distribución, recipientes) y las características del compresor.
- Mayores volúmenes → menor frecuencia de sobretensión
- Rango típico: 0,5-10 Hz
- Sistemas pequeños: 5-10 Hz
- Sistemas grandes: 0,5-2 Hz
- Frecuencia relativamente constante para un sistema dado
Condiciones que propician el aumento
Funcionamiento más allá de la línea de sobretensión
La línea de sobretensión en el mapa de rendimiento del compresor:
- Línea de sobretensión: Límite operativo estable más a la izquierda en el mapa del compresor
- Funcionamiento seguro: A la derecha de la línea de oleaje (caudales más altos)
- Zona de sobretensión: A la izquierda de la línea de sobretensión (inestable, prohibida)
- Margen: Normalmente se opera con un margen de flujo 10-20% a la derecha de la línea de sobretensión.
Eventos desencadenantes
- Reducción de la demanda: La demanda del proceso disminuye, el flujo se reduce.
- Restricción de descarga: cierre o bloqueo de la válvula
- Reducción de velocidad: Disminución de la velocidad del compresor sin reducción proporcional del caudal
- Cambios de densidad: Cambios en el peso molecular o la temperatura que afectan las características del compresor
- Abordaje: Depósitos en las palas que reducen la capacidad del compresor
Efectos y consecuencias
Vibración
- Amplitud: Puede alcanzar velocidades de 25-50 mm/s (1-2 pulgadas/s) o más.
- Componente axial: Particularmente severo en dirección axial
- Baja frecuencia: Pulsaciones de 0,5 a 10 Hz
- Máquina completa: Todo el conjunto del compresor se balancea y vibra.
Daños mecánicos
- Fallo del rodamiento: Las cargas de choque destruyen los rodamientos en cuestión de horas.
- Daño del sello: El movimiento axial y las inversiones de presión destruyen los sellos.
- Daños en el eje: Esfuerzo de flexión y torsión por inversión de flujo
- Daño de la hoja: Cargas aerodinámicas alternas que provocan fatiga y posible desprendimiento de las palas.
- Daños en el acoplamiento: Acoplamientos dañados por choque torsional
- Cojinete de empuje: Un empuje alternante rápido puede destruir los cojinetes de empuje.
Consecuencias del proceso
- Oscilaciones de presión y flujo que afectan al proceso aguas abajo
- Excursiones de temperatura por ciclos de compresión/expansión
- Posibles fallos en el proceso o activaciones del sistema de seguridad
- Problemas de calidad del producto debido a condiciones inestables
Detección
Firma de vibración
- Aparición repentina de pulsaciones de baja frecuencia y gran amplitud
- Frecuencia en el rango de 0,5 a 10 Hz
- Severo vibración axial
- Inestable, amplitud variable
Firma acústica
- Sonido fuerte, retumbante o sibilante
- Pulsación rítmica audible a la frecuencia de sobretensión
- Distintivo e inconfundible
Indicadores de proceso
- presión de descarga oscilante
- Flujo oscilante (puede invertirse)
- fluctuaciones de temperatura
- fluctuaciones de la corriente del motor
Prevención: Control anti-sobretensiones
Componentes del sistema anti-sobretensiones
Válvula de reciclaje
- Válvula de acción rápida que desvía la descarga del compresor a la succión
- Se abre para aumentar el caudal al acercarse a la línea de sobretensión.
- Dimensionado para soportar el flujo máximo del compresor si fuera necesario.
Medición de flujo y presión
- Monitoreo continuo del caudal y del aumento de presión
- Trazar el punto de funcionamiento en el mapa del compresor
- Detectar aproximación a la línea de sobretensión
Controlador
- Calcula la distancia a la línea de sobretensión
- Abre la válvula de recirculación al aproximarse a la sobretensión (con margen de seguridad).
- Los sistemas modernos utilizan algoritmos adaptativos.
- Tiempo de respuesta crítico (< 1 segundo (requisito típico)
Procedimientos operativos
- Nunca opere a la izquierda de la línea de sobretensión.
- Mantenga un margen de flujo de 10-20% frente a la sobretensión.
- Cambios de carga graduales (evitar caídas bruscas de la demanda)
- Verifique que el sistema de protección contra sobretensiones funcione correctamente antes de encender el equipo.
- Prueba periódica del sistema anti-sobretensiones.
Respuesta de emergencia
Si se produce una sobretensión
- Acción inmediata: Abra la válvula de recirculación manualmente si falla el sistema automático.
- Aumentar el flujo: Descarga abierta, reducción de la resistencia, puesta en marcha de unidades en paralelo
- Reducir el aumento de presión: Compresor lento si la velocidad es variable.
- Parada de emergencia: Si la sobrecarga no se puede detener en 10-30 segundos
- No reiniciar: Hasta que se identifique y corrija la causa
Inspección posterior a la sobretensión
- Inspeccione si hay daños en la hoja.
- Comprobar el estado de los rodamientos
- Verifique la integridad del sello.
- Examine el cojinete de empuje
- Realizar un análisis de vibraciones antes de la puesta en servicio.
Sobretensión frente a otras inestabilidades
Sobretensión frente a pérdida rotatoria
- Aumento: Oscilación del flujo en todo el sistema, frecuencia muy baja (0,5-10 Hz)
- Estancamiento rotatorio: Células de bloqueo localizadas que giran alrededor del anillo, frecuencia más alta (0,2-0,8× velocidad del rotor)
- Gravedad: El aumento repentino es más destructivo; el estancamiento puede ser un precursor del aumento repentino.
Sobretensión frente a recirculación
- Aumento: Inestabilidad del sistema, específica del compresor y de inversión de flujo
- Recirculación: Puede ocurrir en bombas o compresores, inversión de flujo localizada, menos severa.
- Relación: La recirculación puede provocar sobretensiones en los compresores.
El bombeo es la condición de operación más peligrosa para los compresores centrífugos y axiales, capaz de destruir el equipo en minutos. Comprender el mecanismo del bombeo, reconocer los límites de la línea de bombeo, implementar un control antibombeo eficaz y mantener márgenes de operación adecuados son absolutamente cruciales para el funcionamiento seguro de los compresores en aplicaciones de compresión de gases industriales.
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