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Sep 28, 2023

Accionamientos hidrodinámicos para aplicaciones de bombas industriales

La energía y la electricidad son una parte esencial de la vida moderna e importantes para la economía mundial. Las tendencias energéticas mundiales muestran una demanda de soluciones tecnológicas inteligentes que deben proporcionar la mayor

La energía y la electricidad son una parte esencial de la vida moderna e importantes para la economía mundial. Las tendencias energéticas mundiales muestran una demanda de soluciones tecnológicas inteligentes que deben proporcionar la mayor confiabilidad posible y resistir todos los peligros futuros. Se deben seguir los estrictos requisitos de las normas aplicadas en estas industrias para garantizar un funcionamiento seguro. El paradigma económico moderno también impone la necesidad de maximizar la eficiencia operativa.

Los equipos rotativos, y las bombas industriales en particular, son los equipos más críticos en términos de confiabilidad y eficiencia. La selección adecuada de una bomba industrial es importante para todo el proceso. Las bombas industriales modernas también deben garantizar una alta eficiencia dentro de diversos regímenes de operación donde no solo cambian la altura y la capacidad, sino también los datos del fluido, como la gravedad específica y la viscosidad. La regulación de la bomba se utiliza comúnmente para cumplir con este requisito.

Este artículo describe diferentes formas de regulación de bombas con sus aspectos más destacados y muestra el costo total de propiedad para diversas aplicaciones. En este artículo, los usuarios aprenderán cómo la regulación de la velocidad y la aplicación de un acoplamiento hidráulico en particular ayudan a aumentar la confiabilidad y eficiencia de todo el proceso operativo.

La imagen 1 muestra tres métodos principales de control de bombas: estrangulación, uso de un acoplamiento hidráulico y un variador de frecuencia eléctrico (VFD).

En el caso del control del acelerador, la bomba se acciona directamente mediante un motor eléctrico de velocidad fija que está conectado rígidamente a la bomba mediante un acoplamiento (normalmente del tipo espaciador). El control de la altura y la capacidad de la bomba se realiza luego a través de una válvula reguladora instalada en la línea de descarga de la bomba. Un alto nivel de desgaste en la válvula de mariposa y una enorme caída en la eficiencia hacen que este método de control tenga una aplicación limitada y generalmente se usa si solo se requiere un rango de control estrecho.

Ambos métodos, mediante un acoplamiento de fluido o un VFD, utilizan control de velocidad. En el caso de una aplicación VFD, la bomba y el motor (normalmente acoplados mediante un acoplamiento tipo espaciador) giran a la misma velocidad proporcionada por el VFD. En la opción de acoplamiento de fluido, se utiliza un motor de velocidad fija estándar y el control de velocidad se realiza a través del acoplamiento de fluido. Por lo tanto, las aplicaciones de VFD y acoplamiento de fluido requieren motores diferentes. En el caso del control VFD, un motor debe estar equipado con un rodamiento aislado, así como motores adecuados para VFD con un factor de servicio más alto en comparación con los motores de velocidad fija. Esto puede generar un tamaño de bastidor del motor más grande y costos adicionales relacionados. La aplicación de un acoplamiento hidráulico permite utilizar un motor estándar de velocidad fija, lo que supone una ventaja adicional en términos de precio y fiabilidad.

El concepto de acoplamiento hidráulico utiliza el principio de transmisión de par mediante la circulación de fluido entre dos impulsores. La energía mecánica del conductor se convierte en energía cinética a través de la rueda de la bomba y, por tanto, en energía del flujo de fluido (aceite), y desde allí se convierte nuevamente en energía mecánica en la rueda de la turbina. La velocidad de la rueda de la turbina se puede cambiar cambiando la cantidad de aceite en circulación (usando un tubo o tubo con pala, estas máquinas se llaman acoplamientos de fluido) o usando paletas ajustables (tales máquinas se llaman convertidores de par).

Dado que no hay contacto metálico directo entre el conductor y la máquina accionada (el aceite actúa como medio que transmite el par), el desgaste no es típico de este tipo de transmisión de par.

El diseño y los componentes principales del acoplamiento hidráulico se muestran en la Imagen 2. El flujo de aceite circula a través del enfriador de aceite por medio de una bomba de aceite, que es impulsada por el eje del conductor a través de un engranaje. El flujo de aceite se alimenta a la rueda de la bomba, que está rígidamente acoplada al eje de transmisión, donde se acelera y se descarga a la rueda de la turbina, que está rígidamente acoplada al eje de la máquina accionada (bomba).

Cambiar la posición del tubo de pala cambia la cantidad de aceite que contribuye al proceso de transmisión de potencia. La consecuencia resultante: más aceite en el acoplamiento hidráulico aumenta la velocidad de salida a la bomba o viceversa. Siempre queda un deslizamiento mínimo de alrededor del 2% para transmitir energía entre la rueda de la bomba y la rueda de la turbina. La imagen 3 muestra cómo se comporta el acoplamiento a lo largo de la curva característica según la posición del tubo de pala. El rango típico de control de velocidad mediante acoplamiento hidráulico es del 20% al 98% de la velocidad del motor.

Otra característica de un acoplamiento hidráulico es su capacidad para funcionar también como un sistema de aceite lubricante, lo cual es necesario si la bomba y/o el motor funcionan con cojinetes de deslizamiento. Por lo tanto, no se requiere un sistema de aceite lubricante separado.

Cerrando la descripción general con la opción VFD, cabe señalar que se habla de tecnología sofisticada con muchos componentes que añaden una complejidad sustancial a los diseños del proyecto. Un VFD típico de 4 megavatios (MW) y 6 kilovoltios (kV) consta de una sección de transformador, un par de secciones de red eléctrica, una sección de control y requiere bastante espacio en comparación con un acoplamiento hidráulico: aproximadamente 6.000 milímetros (mm) de ancho. 1.500 mm de fondo y 3.000 mm de alto.

En este artículo, se consideran el siguiente ejemplo y una comparación de tres criterios económicos principales: gasto de capital (capex), ahorro de energía y costos de mantenimiento. La aplicación es la siguiente:

La división del gasto de capital para las tres opciones de control se muestra en la Imagen 4, donde se observa lo siguiente:

La unidad de bomba de accionamiento directo requiere una válvula de descarga de estrangulación que forma parte del sistema hidráulico y no se considera en el estudio actual; sin embargo, esto también debe tenerse en cuenta al diseñar todo el sistema hidráulico.

Las bombas son las mismas para las tres unidades de bomba: una bomba para una opción de acoplamiento de fluido podría tener un diámetro de impulsor grande para compensar el deslizamiento del acoplamiento de fluido. Por lo general, se trata simplemente de un ajuste del impulsor diferente que no provoca cambios en el costo.

Las opciones de accionamiento directo y acoplamiento de fluido utilizan un motor de velocidad fija, mientras que la opción VFD utiliza un motor especial adecuado para VFD (con rodamiento aislado). El aumento de coste para esta ejecución de motor especial suele ser de +5% del precio del motor de velocidad fija.

Las unidades de bomba de accionamiento directo y VFD utilizan la misma placa base; La placa base para una opción de acoplamiento de fluido suele ser un poco más larga ya que un acoplamiento de fluido se instala directamente en la placa base entre la bomba y el motor. Sin embargo, si se requiere un sistema de aceite lubricante y se debe instalar en la placa base, el espacio ocupado para las tres opciones es casi igual.

La opción de acoplamiento de fluido requiere dos acoplamientos de conexión por unidad, mientras que la opción de accionamiento directo y VFD requiere solo uno por unidad; sin embargo, el costo de los acoplamientos de conexión es casi insignificante para las tres opciones.

El costo del VFD en sí es más caro en comparación con el costo del acoplamiento de fluido; Los VFD también requieren gabinetes con auxiliares (sistema HVAC); Dependiendo del proyecto, podría ser necesaria una sala limpia adecuada separada; esto podría generar costos de construcción que no se consideraron en el estudio actual pero que deben observarse en la fase de diseño de la planta de energía.

El gasto de capital total para la unidad de bomba con acoplamientos hidráulicos es un 41 % mayor en comparación con la unidad de bomba de accionamiento directo; La unidad de bomba accionada por VFD tiene un gasto de capital dos veces mayor que la unidad de bomba de accionamiento directo.

Teniendo en cuenta la confiabilidad de la válvula de mariposa y el costo de mantenimiento para ambas opciones de regulación de velocidad, el acoplamiento hidráulico es una pieza de equipo mecánico. Se trata de una máquina centrífuga que funciona con aceite y que requiere poco mantenimiento anual. La revisión importante suele realizarse una vez cada ocho años. Un VFD, por otro lado, normalmente requiere más repuestos y funciona anualmente. Además, las revisiones importantes a lo largo de su vida se ejecutan con mayor frecuencia. La imagen 5 muestra la dinámica de los costos de mantenimiento durante 30 años para ambos variadores de velocidad (VSD): acoplamiento de fluido y VFD. Los datos se basan en la experiencia del mercado y en los comentarios de los operadores.

La bomba funciona ocho meses al año en el punto nominal y los otros cuatro meses a capacidad reducida. La Imagen 6 muestra las curvas de la bomba para estos puntos de operación y el consumo de energía de la bomba relacionado.

La interacción de una curva del sistema (S1, S2, S3, S4) y las curvas de capacidad de altura de la bomba (HQ) están provocando puntos de funcionamiento de la bomba. El punto de funcionamiento 1 es el punto de funcionamiento nominal de la bomba en el que la bomba funciona la mayor parte del tiempo. La curva HQ de la bomba aquí está clasificada para la velocidad nominal del motor, que es igual a la velocidad de la bomba en caso de accionamiento directo. En el caso de utilizar un acoplamiento hidráulico, la velocidad de la bomba es igual a la velocidad del eje de salida del acoplamiento hidráulico, que es un poco menor que la velocidad del motor debido al deslizamiento del acoplamiento hidráulico.

Para mantener los mismos valores de altura y capacidad, los fabricantes de bombas utilizan diferentes ajustes del impulsor (diámetro mayor), lo que normalmente no provoca ningún cambio en el precio. Por tanto, la bomba sigue funcionando en el punto de funcionamiento 1 para las tres opciones de control como nominal. Al cerrar la válvula de mariposa en la línea de descarga de la bomba, las curvas del sistema hidráulico se hacen más pronunciadas y se alcanzan los puntos 2, 3 y 4. En el caso del control de velocidad, la curva de la bomba desciende según las leyes de afinidad y se alcanzan los puntos de funcionamiento 2, 3 y 4. Las leyes de afinidad también permiten dibujar las curvas de potencia consumida por la bomba. Dado que la potencia consumida de la bomba cambia a la potencia de tres de la velocidad de la bomba, muestra que todos los puntos de operación alcanzados por el control de velocidad requieren menos energía en comparación con la aceleración.

La imagen 7 muestra el ahorro de energía respecto a la aceleración. Este cuadro toma en consideración el escenario operativo, analiza la potencia consumida y la eficiencia del motor y detalla el acoplamiento de fluido sobre VFD, incluido el transformador integrado y su equipo auxiliar. Ambas opciones permiten ahorrar en el control del acelerador durante una vida útil de 30 años.

Al resumir los tres aspectos económicos principales (gasto de capital, costos de mantenimiento y ahorro de energía), se muestra que ambos métodos de control de velocidad no solo proporcionan los modos operativos requeridos sino que también ahorran dinero.

Muchas instalaciones en todo el mundo y años de operación confirman que el acoplamiento de fluido es una solución confiable, robusta y rentable cuando se trata de control de bombas, no solo para el mercado de energía, sino también para muchas aplicaciones en la industria del petróleo y el gas.

Un mayor desarrollo de los VSD con engranajes utiliza un engranaje planetario y el principio de transmisión de potencia separada. Un accionamiento de este tipo consta de un convertidor de par y un engranaje planetario, ambos instalados en la misma carcasa. Aproximadamente el 75% de la potencia se transmite a través de un engranaje planetario y el 25% restante se transmite a través de un convertidor de par. Cambiar la posición de las paletas guía (que se muestran en verde) ajusta la velocidad y la dirección de rotación de los portasatélites y, por lo tanto, se regula la velocidad del engranaje solar. El engranaje solar está conectado rígidamente al eje de salida que hace girar la máquina accionada.

Existen diferentes formas de regular la velocidad de la bomba; la elección de cada uno está determinada por las tareas específicas y las condiciones operativas de cada proyecto individual. La confiabilidad y durabilidad, así como la alta eficiencia de los acoplamientos hidráulicos y los VSD con engranajes, los convierten en una buena solución para regular bombas industriales.

Aleksei Kobzev es director de ventas en Voith Turbo y tiene experiencia en equipos rotativos y bombas en particular. Puede comunicarse con Kobzev en [email protected]. Para obtener más información, visite voith.com.