¿Actualizar o reemplazar? Descubriendo ahorros para el sector de hidrocarburos

16.09.2020
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Las refinerías y las instalaciones de procesamiento químico operan una variedad de bombas y compresores, que tienen muchas características en común y pueden beneficiarse de proyectos de modernización.
¿Actualizar o reemplazar? Descubriendo ahorros para el sector de hidrocarburos

Procesamiento químico

Como activos importantes, necesitan brindar un servicio confiable y, al mismo tiempo, seguir siendo eficientes. Con un mayor enfoque en los costos operativos, reducir el uso de energía siempre que sea posible es cada vez más importante, y también es una de las tareas que se pueden lograr mediante un diseño de actualización.

Luca Lonoce, especialista en modernización de Sulzer, analiza los beneficios de utilizar la tecnología de modernización para satisfacer las demandas cambiantes de la industria de procesamiento de hidrocarburos.

Aunque la mayoría de la gente nunca los verá, las bombas y compresores industriales son partes cruciales de la vida cotidiana. Las instalaciones de petróleo, gas y productos químicos utilizan bombas y compresores para el transporte y procesamiento; creando combustible y materiales en los que todos dependemos. Estas piezas vitales de equipo giratorio ayudan a que nuestras vidas fluyan.

La industria de procesamiento de hidrocarburos presenta un entorno desafiante para los equipos rotativos donde las bombas y los compresores deben manejar fluidos y gases que pueden contener sólidos, lo que puede tener un efecto perjudicial en el rendimiento. Los cambios en la materia prima, los parámetros del proceso y las consideraciones operativas pueden afectar las demandas que se realizan en muchos activos en el entorno de producción.

Los equipos rotativos modernos están diseñados y fabricados para funcionar dentro de pequeñas ventanas operativas, lo que significa que hay muy poca tolerancia a los cambios en el rendimiento de la materia prima. Los equipos más antiguos tienen más tolerancia al cambio, pero también tienen el alcance para adaptarse a modificaciones en el diseño del rotor sin afectar la carcasa exterior.

Por lo tanto, cuando se requieren cambios en el diseño, ya sea por problemas de rendimiento o confiabilidad, las plantas a menudo solo tienen dos opciones: invertir en un nuevo activo, que puede tener un tiempo de entrega cercano a los dos años, o desarrollar un proyecto de modernización que adapte el diseño existente. para cumplir con los parámetros deseados, una elección que reduce significativamente el tiempo del proyecto.

Compresores

Evaluaciones iniciales

El proceso comienza con una evaluación inicial para determinar la idoneidad del equipo para la recalificación mediante un proceso sistemático que considera las condiciones operativas existentes y requeridas. En el caso de un compresor, los datos mínimos necesarios para esta primera revisión son la presión de entrada, la temperatura, el caudal, la humedad relativa y las propiedades del gas (compresibilidad, peso molecular y capacidad calorífica específica) para cada condición. La presión final deseada es el único valor requerido para el lado de descarga.

Los cálculos iniciales proporcionan temperaturas de descarga, requisitos de energía y velocidad de rotación. Los datos calculados se comparan con las mediciones de campo reales o los registros operativos y se ajustan para que coincidan con la eficiencia, la velocidad y la potencia. La comparación del nuevo punto operativo con los datos del compresor operativo original determina la magnitud de los cambios requeridos.

Los tamaños de las boquillas de entrada y salida determinan los límites finales para la carcasa y el área disponible para que pase el flujo volumétrico aumentado sin ahogarse ni exceder los límites de velocidad permitidos. Si la carcasa puede manejar los nuevos requisitos de flujo, entonces puede comenzar la evaluación detallada.

Cambios de diseño

Una ecuación simple gobierna la tasa de flujo y las tres cantidades que se pueden cambiar para aumentar el flujo volumétrico: área de flujo, velocidad de flujo y densidad del gas.

Tasa de flujo = área de flujo x velocidad de flujo x densidad del gas

Cambiar el área de flujo es el método más complejo para aumentar el caudal. Esta medida implica un nuevo montaje aerodinámico que incluye impulsores, diafragmas y piezas estructurales. Un aumento del área de flujo se logra mediante impulsores más anchos, impulsores con un diámetro más grande, nuevos diseños de palas impulsoras, conductos de difusores más grandes o una combinación de todos estos. Siempre que las piezas nuevas encajen en el espacio de la carcasa anterior, el proyecto es factible.

Las técnicas de diseño modernas, como la dinámica de fluidos computacional (CFD) y las tecnologías de fabricación, han permitido la producción de perfiles de álabes impulsores tridimensionales. Estos han aumentado en gran medida la superficie activa de la hoja, lo que proporciona una mayor velocidad y capacidad volumétrica en cada etapa, así como una mayor eficiencia.

De hecho, las mejoras son tales que tres etapas que utilizan un diseño 3-D pueden reemplazar un rotor de cuatro etapas equipado con impulsores bidimensionales y ofrecer la misma salida utilizando hasta un 10% menos de energía. Del mismo modo, la producción se puede aumentar sobre las cifras originales sin tener que cambiar las dimensiones externas o el equipo circundante y todo esto se puede lograr durante una ventana de mantenimiento planificada.

Mejora del rendimiento

La velocidad del flujo se mejora aumentando la velocidad de rotación de la unidad o el diámetro del impulsor. Las secciones del compresor estacionario convierten el aumento de la velocidad del gas en la salida del impulsor en una altura más alta, lo que da el mismo resultado que un aumento en el coeficiente de flujo real.

Un aumento del 1% en la velocidad equivale a una mejora del caudal del 3%, siendo la resistencia mecánica de las partes giratorias y las tolerancias de montaje de los impulsores así como los acoplamientos determinando los límites del diseño final. Todos estos cálculos y evaluaciones se pueden realizar durante la etapa de planificación del proyecto para determinar el diseño más factible que entregará el resultado deseado.

Bombas

Mejoras de materiales

Para las bombas, tanto de diseño de una sola etapa como de múltiples etapas, las actualizaciones toman un camino muy similar en términos de evaluación y modificación del diseño. Las bombas de barril claramente tienen muchos aspectos de diseño en común con los compresores, mientras que las bombas centrífugas de una etapa pueden beneficiarse del diseño moderno de impulsor 3-D y el uso de CFD para establecer un diseño más eficiente.

Determinar el mejor diseño y mejoras de materiales para un diseño original requiere una experiencia considerable. Sin embargo, esto debe ponerse en contexto con la aplicación más amplia, teniendo en cuenta los requisitos de energía, los diseños de acoplamientos y sellos, así como el impacto en el equipo aguas abajo del propio activo.

Diagnóstico de fallas

Ejemplo 1: Bomba diesel de hidrotratamiento en caliente.

Una bomba de 8 etapas consecutivas, que produce 193 m3 / h (708 gpm) a 1'143 metros (3'750 pies) de altura con un rango de temperatura de funcionamiento de 10 a 230 ° C (50 a 446 ° F) mostraba una pérdida de rendimiento a lo largo del tiempo cuando una falla inesperada hizo que el fluido del proceso escapara a la atmósfera. Se realizó un análisis de causa raíz (RCA) para determinar la acción correctiva más adecuada.

La bomba estaba equipada con piezas de desgaste de polímero, que fueron diseñadas para funcionar con espacios más reducidos, mejorando así la eficiencia y eliminando el riesgo de desgaste de metal con metal. Sin embargo, RCA reveló que un casquillo de polímero de alta presión se había salido de su retenedor, lo que provocó una sobrepresurización del sello mecánico.

La refinería disponía de varias opciones para reparar la bomba, que decidió eliminar por completo el riesgo de una falla repetida mediante la adopción de materiales cerámicos para los casquillos de alta presión. Se seleccionaron piezas de cerámica de circonio macizo para los casquillos estacionarios, mientras que los anillos de desgaste y las piezas giratorias se habían aplicado revestimientos cerámicos pulverizados térmicamente.

Las piezas y revestimientos cerámicos ofrecen una alta resistencia mecánica, excelente resistencia al desgaste y a la abrasión, así como un coeficiente de expansión similar al del acero cromado, lo que eliminaría el riesgo de que el ajuste de interferencia se vea comprometido. Como tal, la actualización de las piezas de cerámica ofreció una solución mucho mejor para la aplicación y aseguró que la bomba continuaría funcionando de manera confiable y eficiente durante los próximos años.

Ejemplo 2: aumento de la producción de refinería

Una refinería estaba examinando la posibilidad de recalificar una bomba de barril grande de 38'000 bpd a 43'000 bpd, así como aumentar la altura de 1'420 m (4'600 pies) a 1'798 m (5'900 pies) , sin exceder la clasificación máxima del motor existente. Además, el proyecto debía incluir una actualización de API 610 sexta edición a API 610 octava edición para garantizar el cumplimiento de los estándares actuales de la industria.

Para lograr el resultado deseado, la carcasa interior de baja capacidad y los impulsores fueron reemplazados por componentes de alta capacidad, conservando el cañón original. El diseño se completó de tal manera que aseguró que el caudal y la altura requeridos se entregaran dentro de las capacidades del motor de accionamiento existente.

Esta solución rentable requirió una inversión considerablemente menor que una nueva bomba, que habría necesitado cambios adicionales en la placa base, así como en las tuberías de succión y descarga. La actualización también se completó en un plazo mucho más corto que un proyecto de reemplazo.

Soluciones de vanguardia

Ejemplo 3: extensión de la vida útil del rotor del compresor

Un cliente del sector petroquímico estaba experimentando problemas de rendimiento con un turbocompresor de óxido de etileno de tres etapas que necesitaba una extensión de su vida útil. El proyecto requirió un alto nivel de fabricación de precisión para crear todos los componentes necesarios.

Se necesitaba una considerable experiencia en fabricación para realizar ingeniería inversa de la geometría del impulsor, así como conocimiento de los materiales para lograr el ajuste por contracción requerido de los impulsores. La combinación de experiencia en turbomáquinas, experiencia en diseño y tecnología de soldadura láser permitió crear los nuevos componentes con un tiempo de entrega mínimo.

La capacidad de realizar revestimientos láser y equilibrar el rotor a alta velocidad fue crucial para la entrega de un rotor y un impulsor hechos con precisión que alargaron considerablemente la vida útil del compresor.

Actualización y reparación

Si bien, en circunstancias ideales, los proyectos de modernización se completan durante los períodos de mantenimiento planificados, también pueden ofrecer una solución rentable en caso de avería. Cuando el tiempo de espera de las piezas nuevas retrasa un proyecto de reparación de manera significativa, un proyecto de modernización tiene la capacidad de reducir el tiempo de inactividad y ofrecer una mayor confiabilidad para el futuro.

Utilizando técnicas de ingeniería inversa, junto con procesos de fabricación rápidos, incluida la fabricación aditiva, es posible crear piezas de precisión que coinciden, o incluso superan, las especificaciones del fabricante de equipos originales (OEM). Al colaborar con proveedores de mantenimiento expertos, capaces de reunir rápidamente todo el conocimiento y los recursos necesarios, los operadores pueden reducir el tiempo de inactividad y mejorar la fiabilidad y la productividad.

Experiencia en la industria

Para entregar una solución llave en mano para el aceite y amp; sector del gas, se requieren muchas áreas de especialización, entre ellas un conocimiento profundo de la industria y las aplicaciones en las que opera el equipo rotativo. Junto con las capacidades de diseño especializadas, los recursos de fabricación y las instalaciones de prueba, es posible ofrecer soluciones de ingeniería de vanguardia que combinan confiabilidad, eficiencia y rendimiento, sin las implicaciones de tiempo y costo asociadas con las nuevas inversiones en activos.

Fuente: Sulzer Ltd.

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