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 globales muestran la demanda de soluciones tecnológicas inteligentes que deben proporcionar la mayor confiabilidad posible y resistir todos los peligros que se avecinan. Se deben seguir los estrictos requisitos de las normas aplicadas en estas industrias para garantizar un funcionamiento seguro. El paradigma económico moderno también dicta 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 varios regímenes de operación donde no solo cambian la cabeza y la capacidad, sino también los datos del fluido, como la gravedad específica y la viscosidad. La regulación de la bomba se usa 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 varias 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 la eficiencia de todo el proceso operativo.

La imagen 1 muestra tres métodos principales de control de la bomba: estrangulamiento, uso de un acoplamiento de fluido y un variador de frecuencia eléctrico (VFD).

En el caso del control del acelerador, la bomba es accionada directamente por medio de un motor eléctrico de velocidad fija conectado rígidamente a la bomba a través de un acoplamiento (generalmente de tipo espaciador). Luego, el control de la cabeza y la capacidad de la bomba se realiza 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 gran caída en la eficiencia hacen que la aplicación de este método de control sea limitada y generalmente se usa si solo se requiere un rango de control estrecho.

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

El concepto de acoplamiento de fluidos utiliza el principio de transmisión de par por medio de la circulación de fluidos entre dos impulsores. La energía mecánica del impulsor se convierte en energía cinética a través de la rueda de la bomba, por lo 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 circulante (usando un tubo de cuchara o un tubo de cuchara, estas máquinas se denominan acoplamientos de fluido) o usando paletas ajustables (estas máquinas se denominan convertidores de par).

Dado que no hay contacto metálico directo entre el conductor y la máquina impulsada (el aceite actúa como medio que transmite el par), el desgaste no es típico para 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 motor 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 descarga a la rueda de la turbina, que está rígidamente acoplada al eje de la máquina accionada (bomba).

Cambiar la posición del tubo de la cuchara 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% que queda 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 escape. El rango típico de control de velocidad por medio de acoplamiento fluido 20% a 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 manguito. 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 agregan una complejidad sustancial a los diseños de los proyectos. Un VFD típico de 4 megavatios (MW) y 6 kilovoltios (kV) consta de una sección de transformador, un par de secciones de redes eléctricas, una sección de control y requiere bastante espacio en comparación con un acoplamiento de fluido: aproximadamente 6000 milímetros (mm) de ancho, 1.500 mm de profundidad y 3.000 mm de altura.

En este artículo, se considera el siguiente ejemplo y 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 indica lo siguiente:

La unidad de bomba de accionamiento directo requiere una válvula de descarga del acelerador que es 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 hidráulico podría tener un impulsor de gran diámetro para compensar el deslizamiento del acoplamiento hidráulico. Por lo general, es solo un ajuste diferente del impulsor que no provoca un cambio en el costo.

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

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

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

El costo de VFD en sí mismo es más caro en comparación con el costo del acoplamiento de fluidos; Los VFD también requieren gabinetes con auxiliares (sistema HVAC); dependiendo del proyecto, podría requerirse una sala limpia adecuada por separado; esto podría generar costos de construcción que no se consideraron en el estudio actual, pero que deben tenerse en cuenta 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 % más alto en comparación con la unidad de bomba de transmisión directa; La unidad de bomba impulsada por VFD es dos veces más costosa en gasto de capital en comparación con la unidad de bomba de transmisión directa.

Teniendo en cuenta la confiabilidad de la válvula de mariposa y el costo de mantenimiento para ambas opciones de regulación de velocidad, el acoplamiento de fluido es una pieza mecánica del equipo. Se trata de una máquina centrífuga de aceite, que requiere poco mantenimiento anual. La revisión mayor suele ser una vez cada ocho años. Un VFD, por otro lado, generalmente requiere más repuestos y funciona anualmente. Además, las revisiones importantes a lo largo de la 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 los comentarios de los operadores.

La bomba funciona ocho meses al año en el punto nominal y los otros cuatro meses con capacidad reducida. La imagen 6 muestra las curvas de la bomba para estos puntos de funcionamiento 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 carga de la bomba (HQ) están causando puntos de operación 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 transmisión directa. En el caso del uso de un acoplamiento hidráulico, la velocidad de la bomba es igual a la velocidad del eje de salida del acoplamiento hidráulico, que es un poco más baja que la velocidad del motor debido al deslizamiento del acoplamiento hidráulico.

Para mantener los mismos valores de cabeza y capacidad, los fabricantes de bombas utilizan diferentes ajustes del impulsor (diámetro más grande), lo que generalmente no provoca ningún cambio en el precio. Por lo tanto, la bomba sigue funcionando en el punto de funcionamiento 1 para las tres opciones de control nominales. Mediante el cierre de la válvula de mariposa en la línea de descarga de la bomba, las curvas del sistema hidráulico se vuelven más empinadas 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 por la bomba está cambiando 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 potencia en comparación con la regulación.

La imagen 7 muestra el ahorro de energía con respecto a la regulación. Este cuadro tiene en cuenta el escenario operativo, analiza la potencia consumida y la eficiencia del motor y detalla el acoplamiento de fluidos sobre VFD, incluido el transformador integrado y su equipo auxiliar. Ambas opciones permiten ahorros sobre el control del acelerador en una vida útil de 30 años.

Al resumir los tres aspectos económicos principales (capex, costo de mantenimiento y ahorro de energía), muestra que ambos métodos de control de velocidad no solo brindan los modos operativos requeridos sino que también ahorran dinero.

Muchas instalaciones en todo el mundo y años de operación confirman que el acoplamiento de fluidos 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.

El desarrollo posterior de VSD engranados utiliza un engranaje planetario y el principio de transmisión de potencia separada. Dicho accionamiento 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. Al cambiar la posición de las paletas guía (que se muestran en verde), se 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 rígidamente conectado al eje de salida que hace girar la máquina impulsada.

Hay 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 fiabilidad y durabilidad, así como la alta eficiencia de los acoplamientos hidráulicos y VSD de engranajes, los convierten en una buena solución para regular bombas industriales.

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