Comprensión del bombeo en compresores
Bombeo —lo que a menudo se denomina simplemente «bombeo del compresor»— es una violenta inestabilidad aerodinámica que se produce en los compresores centrífugos y axiales, en la que todo el flujo que atraviesa la máquina invierte periódicamente su dirección. El resultado es una oscilación de la presión y del caudal, normalmente a frecuencias de 0.5–10 Hz. En cada ciclo de bombeo, el flujo se detiene momentáneamente o se invierte, la presión de descarga se desploma, a continuación se reanuda el flujo hacia adelante y la presión se restablece, y el ciclo se repite. Estas inversiones ejercen enormes fuerzas fluctuantes sobre el rotor, lo que provoca graves vibración — sobre todo en el axial dirección: un fuerte estruendo y la capacidad de destruir un compresor en cuestión de minutos si no se detiene de inmediato.
El bombeo es, en esencia, una system inestabilidad que afecta al compresor, junto con las tuberías y el volumen conectados a él, y no es una característica exclusiva del compresor. Se produce cuando la máquina se somete a una exigencia superior a su capacidad de aumento de presión a bajo caudal, y para evitarla se requiere un control antibombeo que mantenga el caudal por encima de la línea de bombeo de forma segura.
1. El mecanismo del bombeo
El ciclo de pulsación
Un ciclo típico de bombeo se desarrolla siguiendo una secuencia repetitiva:
- Reducción de caudal: La demanda del sistema disminuye, por lo que el caudal que pasa por el compresor se reduce.
- Stall onset: A caudales muy bajos, las palas entran en pérdida y el flujo se separa de la superficie de las mismas.
- Colapso por presión: el compresor en pérdida ya no puede mantener la presión de descarga.
- Flow reversal: El gas a alta presión atrapado en la tubería de descarga o en la cámara de distribución retrocede a través del compresor.
- Equilibrado de presión: La presión de descarga disminuye a medida que el gas se escapa hacia atrás.
- Se reanuda el flujo hacia adelante: Una vez que la presión ha bajado, el compresor puede volver a impulsar el gas hacia adelante.
- La presión aumenta: El flujo hacia adelante restablecido vuelve a generar la presión de descarga.
- Cycle repeats: la alta presión vuelve a provocar la pérdida en la máquina, y el ciclo continúa.
Frecuencia de pulsación
- Viene determinado por el volumen del sistema (tuberías, cámaras de distribución, depósitos) junto con las características del compresor.
- Los volúmenes mayores dan lugar a una menor frecuencia de bombeo.
- Rango típico: 0,5–10 Hz.
- Sistemas pequeños: aproximadamente entre 5 y 10 Hz.
- Sistemas de gran tamaño: aproximadamente entre 0,5 y 2 Hz.
- La frecuencia se mantiene relativamente constante en un sistema determinado.
Esta frecuencia baja, fijada por el sistema, se encuentra dentro del rango de funcionamiento de un analizador portátil. Cabe señalar que el Balanset-1A mide las vibraciones a partir de 5 Hz, por lo que los ciclos de bombeo de mayor frecuencia de los sistemas pequeños se encuentran dentro de su banda; sin embargo, el factor diagnóstico clave no es tanto la frecuencia exacta como el patrón inconfundible de una pulsación de baja frecuencia, grande, inestable y predominantemente axial, que aparece de forma repentina.
2. Condiciones que provocan el bombeo
Operar más allá de la línea de bombeo
El mapa de rendimiento de cada compresor incluye una línea de bombeo que define su límite de estabilidad:
- Surge line: el límite operativo estable más a la izquierda del mapa.
- Operación segura: a la derecha de la línea, cuando el caudal es mayor.
- Surge zone: a la izquierda de la línea: un territorio inestable y prohibido.
- Margen: Las máquinas suelen funcionar con un margen de caudal del 10-20 % a la derecha de la línea de bombeo.
Eventos desencadenantes
- Reducción de la demanda: El proceso consume menos, por lo que el caudal desciende hacia la línea de bombeo.
- Restricción de descarga: el cierre de una válvula o una obstrucción aguas abajo.
- Reducción de la velocidad: el compresor reduce su velocidad sin que se produzca una disminución proporcional del caudal requerido.
- Cambios en la densidad: cambios en el peso molecular del gas o en la temperatura que alteran la curva característica del compresor.
- Incrustación: los depósitos en las palas que, con el tiempo, reducen la capacidad de la máquina.
3. Efectos y consecuencias
Vibración
- Amplitud: puede alcanzar los 25-50 mm/s (1-2 pulgadas/s) o más.
- Componente axial: especialmente grave a lo largo del eje del árbol.
- Baja frecuencia: Pulsaciones de 0,5 a 10 Hz.
- Movimiento de toda la máquina: Todo el conjunto del compresor se balancea y tiembla.
Daños mecánicos
- Fallo de rodamiento: Las cargas de impacto pueden destruir los rodamientos en cuestión de horas.
- Daños en el sello: El movimiento axial y los cambios de presión deterioran las juntas.
- Daños en el eje: tensiones de flexión y torsión provocadas por los cambios de sentido del flujo.
- Daño en álabe: Las cargas aerodinámicas alternas provocan fatiga y puede provocar que la pala se suelte.
- Daños en el acoplamiento: Las sacudidas torsionales dañan los acoplamientos.
- Cojinete de empuje: Un empuje axial que se alterna rápidamente puede destruir el cojinete de empuje — a menudo la primera víctima de un bombeo.
Consecuencias del proceso
- Las oscilaciones de presión y caudal se propagan hacia la fase posterior del proceso.
- Las variaciones de temperatura se deben a la compresión y expansión repetidas.
- Esto puede provocar alteraciones en el proceso o la activación de los sistemas de seguridad.
- La calidad del producto puede verse afectada por las condiciones inestables.
4. 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.
- Amplitud inestable y en constante variación.
Esa firma es inconfundible en un espectro de vibración and on a forma de onda temporal: una repentina ráfaga de energía muy por debajo de velocidad de funcionamiento, dominante en el canal axial, que crece y se contrae en lugar de mantenerse estable. Monitoreo de vibraciones La observación del cojinete de empuje del compresor es una de las formas más rápidas de detectar un fenómeno de oscilación en curso, ya que es allí donde la pulsación axial se registra con mayor intensidad.
Firma acústica
- Un ruido sordo y retumbante o un silbido.
- Pulsación rítmica audible a la frecuencia de oscilación.
- Característico y, para cualquiera que lo haya escuchado, inconfundible.
Indicadores de proceso
- Presión de descarga oscilante.
- Un flujo oscilante, que incluso puede invertir su sentido.
- Variaciones de temperatura.
- Fluctuaciones en la corriente del motor.
5. Prevención: control antibombeo
Componentes del sistema
Recycle valve. Una válvula de acción rápida que desvía el gas de descarga de vuelta a la aspiración. Se abre para aumentar el caudal cuando el punto de funcionamiento se aproxima a la línea de oscilación y está dimensionada para el caudal total del compresor en caso de que sea necesario.
Medición de caudal y presión. La supervisión continua del caudal y el aumento de presión permite visualizar el punto de funcionamiento en tiempo real en el mapa del compresor y detectar cualquier aproximación a la línea de bombeo.
Controller. El controlador calcula la distancia a la línea de bombeo, abre la válvula de recirculación con un margen de seguridad a medida que se aproxima el bombeo y, en las instalaciones modernas, utiliza algoritmos adaptativos. El tiempo de respuesta es fundamental, ya que suele requerir una actuación en menos de un segundo.
Procedimientos operativos
- Nunca trabaje a la izquierda de la línea de bombeo.
- Mantenga un margen de caudal del 10-20 % respecto al bombeo.
- Realice los cambios de carga de forma gradual y evite caídas bruscas de la demanda.
- Compruebe que el sistema antibombeo funcione correctamente antes de cada puesta en marcha.
- Compruebe periódicamente el sistema antibombeo.
6. Respuesta ante emergencias
Si se produce pulsación
- Acción inmediata: Abra la válvula de recirculación manualmente si el sistema automático ha fallado.
- Increase flow: abrir la descarga, reducir la resistencia o poner en marcha unidades en paralelo.
- Reducir el aumento de presión: Reduzca la velocidad del compresor si es de velocidad variable.
- Parada de emergencia: Si no se consigue detener el bombeo en un plazo de 10 a 30 segundos, desconecte la máquina.
- No reiniciar: hasta que se haya identificado y corregido la causa.
Inspección posterior al bombeo
- Compruebe si los álabes presentan daños.
- Compruebe el estado de los cojinetes.
- Compruebe que la junta esté en buen estado.
- Inspeccione el cojinete de empuje.
- Llevar a cabo análisis de vibraciones antes de volver a poner la máquina en servicio: un espectro de referencia revelará cualquier nuevo desequilibrio, desalineación o daños en los cojinetes provocados por el incidente.
7. Bombeo frente a otras inestabilidades
Bombeo frente a pérdida rotativa
- Golpe de ariete / Aumento súbito: una oscilación del flujo en todo el sistema a una frecuencia muy baja (0,5-10 Hz).
- Estancamiento rotatorio: células de estancamiento localizadas que giran alrededor del anillo a una frecuencia mayor, normalmente entre 0,2 y 0,8 veces la velocidad del rotor, lo que las sitúa entre las subsincrónico fenómenos.
- Gravedad: El bombeo es el más destructivo de los dos; la pérdida rotativa puede ser un precursor del bombeo.
Bombeo frente a recirculación
- Golpe de ariete / Aumento súbito: una inversión del flujo en todo el sistema específica del compresor.
- Recirculación: puede producirse en bombas o compresores, consiste en una inversión localizada del flujo y suele ser menos grave.
- Relación: La recirculación puede derivar en un bombeo total en los compresores.
El fenómeno de «surge» es la condición de funcionamiento más peligrosa para los compresores centrífugos y axiales, ya que puede destruir el equipo en cuestión de minutos. Comprender el mecanismo del «surge», reconocer el límite de la línea de «surge», aplicar un control eficaz contra el «surge» y mantener unos márgenes de funcionamiento adecuados son aspectos absolutamente fundamentales para garantizar un funcionamiento seguro de los compresores en los servicios de compresión de gases industriales.
