SISTEMAS DE CONTROL EN COMPRESORES ALTERNATIVOS D. José Javier Cuevas Martín HOERBIGER IBÉRICA, S.A. javiercuevas@hoerbiger.es RESUMEN Los compresores alternativos son máquinas vitales en muchos sectores básicos de una economía industrial (refino del petróleo, petroquímica, transporte de gas, etc.). Durante muchos años el control de su capacidad para adaptarse a la demanda ha sido un problema. En este artículo se analizan los sistemas de regulación disponibles actualmente en la industria, incluyendo los últimos desarrollos aparecidos. Mediante un ejemplo práctico se detallan las implicaciones de este tipo de sistemas para la actividad de control. Por último se incluye un análisis de cómo debe afrontarse un proyecto de modificación del control de compresor al que si instale un sistema moderno y continuo de control de capacidad. 1. INTRODUCCIÓN Un compresor alternativo (también conocido como de pistón) es una máquina que se puede clasificar dentro de los de tipo de desplazamiento (frente a los dinámicos), y dentro de éstos en la categoría de los de movimiento alternativo frente a los rotativos. Este clasificación se debe a la manera en que consigue comprimir los gases: un motor con movimiento giratorio mueve, a través de un cigüeñal y una biela, un embolo o pistón con un movimiento oscilante entre dos puntos comúnmente denominados puntos muertos (superior e inferior). El aumento de presión se consigue disminuyendo el volumen ocupado por el gas, durante la fase de compresión Figura 1. Fases del ciclo de un compresor alternativo El ciclo de funcionamiento de un compresor se completa con 3 fases más, dando lugar a cuatro tiempos como los que se representan en la figura 1. Si partimos del punto situado más a la derecha en la figura, el compresor realiza la compresión hasta que la presión dentro del cilindro supera la presión en el conducto de impulsión, momento en el cual la -1-
válvula de impulsión abre y comienza la fase de descarga del gas. Cuando el pistón llega al punto extremo de su carrera la presión dentro del cilindro comienza a descender, lo que provoca el cierre de la válvula de impulsión y la disminución de la presión en el interior del cilindro (fase de expansión). Esta disminución continúa hasta que la diferencia de presiones entre el cilindro y el sistema de aspiración es suficiente como para abrir la válvula de aspiración. Esta fase se denomina aspiración y se prolonga hasta que el pistón alcanza el punto de partida. 2. OBJETIVOS En las siguientes secciones se presentarán los siguientes contenidos: 1. Sistemas de regulación de la capacidad de un compresor alternativo. 2. Circunstancias del funcionamiento del compresor que deben analizarse por parte del responsable de control para su correcto gobierno. 3. Planteamiento de un sistema de control para un compresor equipado con un moderno dispositivo de control de capacidad continuo. 3. SISTEMAS DE REGULACIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN COMPRESOR ALTERNATIVO Un compresor alternativo que gire a una velocidad constante, y que mantenga unas presiones y temperaturas de aspiración e impulsión también estables, es capaz de ofrecer una carga (o lo que es equivalente un caudal de gas) que es constante. Esto se debe a que en las mismas condiciones de presión y temperatura, la cantidad de gas atrapada por el compresor es la misma. Obviamente en las aplicaciones industriales las situaciones en que todos esos parámetros se pueden mantener constantes son muy limitadas; muy al contrario una de las exigencias suele ser que el proceso, en su conjunto, sea capaz de adaptarse a situaciones variables de oferta y demanda. En la tabla 1 podemos ver un resumen de los dispositivos de regulación de la capacidad de un compresor. Como figura en la tabla los sistemas con mayor número de ventajas (incluidos todos los de regulación continua, excepto al válvula de recirculación) son relativamente recientes, por lo que en la inmensa mayoría de las instalaciones existentes en el mundo el estándar de equipamiento de regulación ha sido una combinación de una regulación por etapas (con accionamientos neumáticos gobernados por válvulas solenoides) y una válvula de recirculación. Esta combinación es una solución de compromiso que aprovechando las bondades de la regulación continua de la recirculación, intenta mitigar su ineficiencia energética (en algunos casos esta ineficiencia es realmente muy considerable: por ejemplo un compresor de de 800 KW que trabaje 8000 horas al año, y que recircule un 15% de su caudal, tiene unas perdidas de energía en torno a los 50.000 EUR al año). Por supuesto, hay otras muchas instalaciones que tienen otras soluciones o combinaciones de las indicadas en la tabla 1. En la figura 2 se ha representado un caso que se puede considerar representativo de la situación que un técnico de control puede encontrar si bajo su responsabilidad se encuentra un compresor alternativo. En ella se han representado una válvula de recirculación (controlada mediante un actuador, gobernado a su vez, por una señal que llamaremos V). Por otro lado se ha querido representar mediante unos símbolos con forma troncoconica una regulación por etapas del compresor. Los escalones o saltos discretos de capacidad de este tipo de regulación dependen de la configuración física del compresor. Por ejemplo un compresor con un solo cilindro, con dos cámaras de compresión, sólo podrá trabajar al 0% (para lo que en ambas cámaras el gas debe de estar recirculando gas), al 50% (cuando solo lo hace en una de ellas), o al 100% si no hay recirculación en absoluto. Estas 3 situaciones se controlan mediante un conjunto de válvulas solenoides y un sistema neumático, que para simplificar hemos denominado señal N. -2-
FIGURA NOMBRE PRINCIPIO VENTAJAS DESVENTAJAS Parada y arranque En ausencia de demanda se para el motor Ahorro energía Daños al motor por arranques continuos REGULACION DISCONTINUA Todo nada Recirculación del gas a la aspiración. Mediante un dispositivo mecanico se mantiene abierta la válvula de aspiración. El gas no se comprime sino que solo se desplaza Ahorro energía No es una regulación continua Regulación por etapas. Descarga de efectos Recirculación del gas a la aspiración Ahorro energía No es una regulación continua Cambio de poleas Variación discreta de la velocidad de giro Ahorro energía Exige parar el motor Variacion de velocidad de giro Variación continua de la velocidad de giro. 1ª variante: motor electrico con variador de frecuencia 2ª variante: motor de gas con alimentación variable Regulación continua Costes elevados Limitaciones del rango (no es continuo entre 0 y 100%) Válvula de recirculación Todo el gas que no se requiere es devuelto a la aspiración una vez comprimido. Se hace pasar por una válvula de apertura regulable Regulación continua No se ahorra enegía Puede ser lenta Exige modificaciones en el control del compresor REGULACION CONTINUA Volumen adiccional Variación del volumen Regulación continua Ahorro energético Suele ser lenta. Se limita a rangos entre 50 y 100% Exige modificacines en el control del compresor Regulación continua: Neumatica (1970) Hidráulico-electronica (1997) Recirculación del gas a la aspiración Regulación continua fina y rápida. Ahorro energético total Exige modificaciones en el control del compresor Tabla 1. Sistemas de regulación de la capacidad de los compresores alternativos El proceso que debe programarse tiene como función comprimir un gas desde un depósito usando uno de los tres compresores idénticos representados en la figura (este tipo de configuraciones se hacen cuando la disponibilidad de la unidad es absolutamente crítica, y por prudencia se instalan equipos redundantes). Se partirá de la hipótesis de que para el proceso productivo, es imprescindible mantener la presión después de los compresores en un valor constante a elección. La variable de control va a ser, por tanto la obtenida del medidor de presión PT2. En el correspondiente bucle de control habrá un selector que nos permita seleccionar (automática o manualmente) una de las tres opciones de la variable N, y la variable de consigna será la V. 4. CIRCUNSTANCIAS SINGULARES DE GOBIERNO DEL COMPRESOR Las distintas situaciones que se deben tener en cuenta en la programación de un sistema de estas características son las siguientes: 1. Arranque de uno de los compresores estando el resto parado (arranque de la planta o unidad). 2. Operación normal. 3. Parada de un compresor y arranque simultáneo de otro. 4. Modo de actuación ante fallo de los sistemas de control (fallo en la válvula de recirculación o en el sistema por etapas) o ante otros fallos o alarmas de seguridad. 4.1. Arranque del compressor. Si como es lo habitual, el motor del compresor es eléctrico, la operativa de puesta en marcha del compresor exige que, para evitar consumos excesivos puntuales de energía, el compresor arranque sin realizar trabajo de compresión. En otras palabras, la señal N al sistema debe ser tal que mantenga todo el gas recirculando y sin -3-
comprimirse. Dada la gravedad de un posible error u olvido, normalmente se programa en automático esta señal, e incluso se diseñan los sistemas mecánicos de manera que en ausencia de fuerza motriz (neumática normalmente) el compresor pueda arrancarse en descarga. Figura 2. Esquema de una instalación típica. Por otro lado, la variable V debe ser tal que durante esta operación la válvula esté completamente abierta (todo el gas recirculando). Ello se debe a que normalmente se desea que haya un crecimiento controlado de la presión del sistema de impulsión (variables PT2). Además de estas consideraciones en la secuencia de puesta en marcha de un compresor, se han de tener en cuenta las operaciones previas exigidas por el fabricante para el correcto funcionamiento del compresor (véase arrancar las bombas de lubricación, comprobar que el motor está realmente girando, etc. Por otro lado, es importante saber que existe una limitación en el tiempo durante el que el compresor puede estar trabajando en vacío, sin carga. Esta limitación se debe a que durante la recirculación del gas en la aspiración existe un calentamiento por rozamiento que no puede ser disipado al no renovarse el gas. Si se mantiene la recirculación durante largo tiempo, entonces algunos materiales del compresor pueden llegar a alcanzar temperaturas críticas. Para evitarlo es conveniente que haya un límite de tiempo programado automáticamente con objeto de impedir que este calentamiento se produzca. 4.2 Operación normal. Como ya se ha indicado anteriormente una vez que se ha superado la fase de arranque, la operación normal consistirá en ajustar la presión PT2 a los valores deseados o demandados en cada momento por los sistemas que se encuentran tras el compresor. Normalmente, el fabricante del compresor suministra información sobre los valores más adecuados del controlador (tipos de controladotes PI o PID así como de sus constantes). Una decisión importante que habrá que tomar, y que dependerá mucho de las preferencias y/o circunstancias del proceso del que se trate, será el modo en que se seleccionen los escalones de control de la variable N. Hay argumentos tanto a favor como en contra, de que se decida utilizar un rango partido en función de la señal PT2, que seleccione automáticamente la carga mediante la variable N, frente a la posibilidad de selección en manual por el operador de cada una de las posibilidades. 4.3. Parada de un compresor y arranque de un segundo. Las labores de mantenimiento, o situaciones de seguridad pueden exigir que una de las 3 unidades del caso de la figura 2 requiera ser detenida, y que para evitar la parada del proceso, su capacidad de compresión sea asumida por otro compresor. -4-
La manera en que suele comenzar esta operación es arrancando el segundo compresor según las instrucciones indicadas en el punto 4.1.. Una vez que el compresor ya está en vacío, pero dispuesto para comprimir, lo que se hace es que bien automáticamente o manualmente se disminuye la capacidad del primer compresor, y se aumenta la del recién arrancado. Estos aumentos y disminuciones progresivos se realizan hasta que el primer compresor pasa a trabajar sin carga, y el segundo ha asumido todo la labor de compresión. En ese momento se puede proceder a apagar el motor de este último, con lo que se acaba la operación. En ese intervalo la válvula de recirculación irá compensado los desequilibrios de la capacidad. 4.4. Actuación ante alarmas de seguridad o fallos. Existen una serie de situaciones (fallos de los sistemas mecánicos, eléctricos, neumáticos, alarmas, seguridades, etc.) que exigen que el sistema de control de capacidad actúe de una determinado manera para que la seguridad de los equipos, y en ultimo caso del resto de la planta e incluso del personal, no se ponga en peligro. Ejemplos típicos de estas situaciones son los disparos provocados por alta presión en la impulsión o de baja presión en la aspiración. Estas situaciones, están claramente tipificadas por el compresorista que suministra el equipo, y deben de integrarse en la parte que afecte a cada caso. Un ejemplo de las medidas tomadas para evitar las consecuencias de estas situaciones es la práctica más que común de que la válvula de recirculación sea capaz de controlar todo el caudal del compresor. En otras palabras, hacer que ante fallo de otros sistemas, la válvula pueda recircular la totalidad de la capacidad y por lo tanto pueda gobernarse el compresor sin mayor problema. 5. PROYECTO DE ACTUALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL HASTA UNA REGULACIÓN CONTINUA Figura 3. Principio de funcionamiento del sistema de regulación continua con accionamiento hidráulico y gobierno electrónico. -5-
Desde el lanzamiento en el año 1997 del más moderno sistema de control de carga para compresores alternativos, realmente es posible realizar una regulación continua sin usar la válvula de recirculación. La principal ventaja de estos sistemas, que en principio son más complejos al tener sistemas hidráulicos y electrónicos (ver figura 4), es que además de mejorar las características dinámicas de respuesta de la válvula de recirculación, se consigue que el compresor no consuma más que la energía de compresión del gas que se necesita. El éxito de estos sistemas radica precisamente en el ahorro energético que ello supone (ver ejemplo de cálculo de los ahorros en la sección 3. La actualización del sistema de regulación es realmente un proyecto en toda regla, que exige del Departamento de Control de las empresas una involucración total. Es un reto interesante, del que se van a analizar las claves para su éxito. Figura 4. Esquema de una instalación típica con un sistema de regulación continuo hidráulico-electrónico. Para ilustrar las características de dicho proyecto vamos a usar el mismo caso práctico que se ha analizado en el punto anterior. Para estudiar brevemente las características del sistema usaremos la figura 4. En ella puede verse como el compresor A, ha sido el elegido para albergar el nuevo sistema. Se ha supuesto que se instalará en solo uno de ellos, por lo que en los otros dos no se modificará en nada el anterior sistema por etapas. Igualmente se mantiene la válvula de recirculación Como puede verse el nuevo sistema, exige una serie de instalaciones nuevas: 1. Un ostroboscopio situado en el volante de inercia que es el que permite medir cual es la posición del punto muerto superior del compresor en el volante de inercia (en la figura 4 se ha representado el motor y el volante, pero estos no son nuevos, sino que se han incluido por claridad únicamente). Esta medición es necesaria para que la electrónica del sistema (CIU) sea capaz de regular el tiempo que deben permanecer las válvulas de aspiración abiertas para atrapar la cantidad de gas estrictamente necesaria y dejar recircular el resto (ver figura 3). 2. Una unidad hidráulica con su motor de corriente continua. Esta máquina es la que proporciona el fluido a presión que permite mantener abiertas las válvulas mediante los descargadores. Además habrá un circuito hidráulico para llevar el fluido hasta cada uno de los actuadotes (ver figura 3) 3. Los actuadores. Son los dispositivos que mediante una válvula solenoide y una tarjeta electrónica situados en su interior permiten que cada válvula permanezca abierta el tiempo necesario. Se colocan uno sobre cada válvula de aspiración controlada (se han representado en la figura 4 con una L de color verde; y los elementos que contienen, entre otros, son los pistones y la válvula solenoide de la figura 3). -6-
4. Una CIU (o unidad electrónica). Es una unidad multifunción que sirve como alimentación continua de electricidad a la electrónica de los actuadores, como traductor de la señal de control (%) del control principal del cliente a señal para los actuadotes que controlan físicamente la capacidad del compresor, sirve igualmente de panel de control y diagnostico para el sistema, etc. Al asumir la CIU el control del sistema, autónomamente respecto al DCS o al PLC del compresor (solo se comunica con éstos únicamente mediante señales de control analógicas y digitales), se evita la dificultad de programar en el DCS la operativa básica de control de capacidad. La selección de la arquitectura tal y como se acaba de describir, simplifica enormemente el trabajo del ingeniero de automatización, pero no elimina su decisivo papel en el proyecto. En pocas palabras, su misión será revisar como se ven afectadas cada una de las situaciones de operación descritas en el apartado anterior al montarse el nuevo control de capacidad. A continuación se repasa como abordar estos cambios. 5.1 Arranque del compresor. Con respecto a un sistema como el descrito en la figura 3, la nueva regulación presenta 2 características diferenciadoras: a) A las operaciones previas al arranque del compresor, se ha de añadir la puesta en marcha de la unidad hidráulica. Esta anticipación es necesaria para asegurar que el sistema hidráulico está presurizado y puede mantener abiertas las válvulas de aspiración para que el compresor arranque completamente descargado (esta operación equivale a asegurarse que en el compresor de la figura 3, tenemos presión neumática en la red para poder actuar sobre los descargadores y arrancar en vacío). b) Por otro lado, la situación de la válvula solenoide que gobierna la comunicación del circuito de alimentación con la de retorno (ver en la figura 3 como ambos están comunicados cuando se quiere que la válvula de aspiración se encuentre cerrada y el compresor en compresión), y por tanto decide si el compresor está completamente en descarga (0% de carga) se diseña de manera que incluso ante cualquier fallo eléctrico o de señal permita que el compresor jamás pase a estar en carga (gracias al muelle que posiciona la válvula solenoide en dicha situación,ver figura 3) 5.2. Operación normal En esta situación encontramos una enorme diferencia con el sistema de la sección anterior: ya no es necesario prefijar un valor sobre la variable N, y después controlar mediante el valor de consigna de la señal V. Ahora actuando sobre una solo señal (indicada con un símbolo de %) es posible conseguir que el compresor ajuste perfectamente la demanda al valor de consigna de la presión de impulsión PT2. La manera de conseguirlo es gracias a que la electrónica, y el sistema hidráulico-electrónico son capaces de fijar un determinado tiempo de apertura de la válvula de admisión, y por tanto una cierta cantidad de gas atrapado en el cilindro. Si las condiciones varían o el sistema no es capaz de ajustarse a la demanda, la señal de control aumentará o disminuirá el tiempo de apertura de la válvula, y por tanto el gas que entra en el cilindro (ver figura 3). Este modo de control es, no sólo automático, más rápido y exacto en mantener estable la presión de impulsión PT2, que cualquiera de los otros métodos conocidos hasta el momento. Y todo ello con una eficiencia energética óptima. Una precaución adicional que se plantea ante la posibilidad de control sin etapas entre 0 y 100%, es que se ha de evitar que la máquina trabaje a baja carga durante un período largo de tiempo. Si la demanda baja puede que sea necesario que la carga del compresor se reduzca muy cerca de la descarga total. En ese caso, como ya hemos mencionado anteriormente, el compresor se calentaría y algunos elementos podrían deteriorarse (segmentos, bandas, etc.). Por lo tanto, dentro de las situaciones de seguridad que se tienen que adoptar habrá que evitar que -7-
el compresor trabaje por debajo de un determinado valor (entre 0 y 20 ó 30% según las circunstancias), no solo en el arranque sino en cualquier situación de control. Esto se verá en la sección de protecciones. 5.3. Parada de un compresor y arranque de otro La posibilidad de control de capacidad de la regulación continua simplifica y hace más suave también, esta operación. Tanto si el compresor A equipado con el sistema continuo es el que arranca o el que para, su capacidad para adaptarse perfectamente a los puntos de consigna hace que baste operar el compresor por etapas manualmente a voluntad, para que el compresor A se adapte sin más problema para mantener el proceso estable. Lo único que hay que determinar es como hacer físicamente la parada final de uno de los compresores. 5.4. Actuación ante alarmas de seguridad o fallos. El hecho de que se introduzcan unos dispositivos adicionales en el compresor (sistema electrónico e hidráulico) supone que hay que contemplar nuevas situaciones de alarma y seguridad. Esto en ningún caso supone que se ponga en peligro ninguno de las seguridades preexistentes del compresor. Todo lo contrario, el nuevo sistema requerirá nuevas protecciones, pero ninguna de las existentes deberá verse alterada en lo más mínimo. Estas nuevos enclavamientos se estudiarán a continuación. Figura 5. Diagrama de bloques para cambio de control a válvula recirculación. a) Fallo en el sistema electrónico o hidráulico del sistema continuo. Aunque ambas situaciones son distintas (una provoca que el compresor se descargue completamente: la electrónica), normalmente se asemejan puesto que en caso de que se reciba una señal de error por parte de la CIU, el DCS/PLC debe detener la bomba, con lo que el compresor se situaría en situación de plena carga (misma situación que provoca el Figura 6. Diagrama de bloques para control con rango partido. fallo de la -8-
unidad hidráulica). Una vez alcanzada esta situación se daría control de la presión de impulsión a la válvula de circulación a través de la variable V. De esta manera el compresor quedaría bajo control, sin afectar a la producción ni al control del sistema. Lo que obviamente no se conseguiría a partir de ese momento es el ahorro energético. b) Como ya se ha descrito en la sección anterior hay que evitar que por bajada de la presión de aspiración el compresor trabaje por debajo de un determinado valor de carga. Hay dos métodos para realizar este objetivo uno es usar un valor de consigna de la presión de aspiración para que, por debajo del cual, el sistema de regulación continua cede el control a la válvula de recirculación (o también llamada de bypass ) y el otro es hacer un rango partido con la señal de control. La primera opción se ha representado en la figura 5 y la segunda en las 6 y 7. Ambas son igual de eficaces y solo se diferencian en el modo de programarlas en el DCS/PLC. 6. CONCLUSIONES Los nuevos desarrollos en la regulación de los compresores alternativos ofrecen grandes ventajas al usuario, si bien, representan un reto para el ingeniero de control. Sin embargo, un análisis concienzudo de todas las posibles situaciones permite abordar estos proyectos con totales garantías de éxito. Figura 7. Representación del rango partido. REFERENCIAS Dr. E.H. Machu: New developments in the stepless reverse flow capacity control system for reciprocating compressors, C477/019 ImechE 1994 pp.55-65 Dr. P. Steinruck,Dr. F. Ottisch, A.Oberhuber,M.Linskeseder: HydroCOM -Active suction valves for efficient control of a reciprocating compressor s capacity. Hoerbiger Engineering report. Dr. E.H. Machu: Stepwise or on/off capacity control of reciprocating compressors. Hoerbiger Engineering report. 1992 J.Ott: Pneumatische regulung von Kolbenverdichtern. 1973 R.J.M. Schutte: Capacity control by means of Hydralic operated variable clearance pocket. 2 nd European Forum for Reciprocating Compressors Den Haag, The Netherlands -9-