MEMORIAS DEL XVIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM

19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2012 SALAMANCA, GUANAJUATO, MXICO

Derechos Reservados 2012, SOMIM


DISEO DE UN COMPRESOR RECIPROCANTE PARA UNA MACROPERA
AUTOSUSTENTABLE
1
J. ngel Reyes Santos,
1
Miguel Toledo Velzquez
,

2
Moiss Len Dorantes,
2
M. Antonio Muoz Prior

1
Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica, Instituto Politcnico Nacional. SEPI-ESIME ZACATENCO. Av.
IPN s/n, Edif. 5, Col. Lindavista, C.P. 07738, Mxico D. F., Tel. 57526000 Ext. 54783

2
PEMEX Exploracin y Produccin. Gerencia de Transporte y Distribucin de Hidrocarburos. Cd. del Carmen,
Campeche.

angelrsj2011@hotmail.com, mtv49@yahoo.com

RESUMEN
En este trabajo se realiza el diseo de un compresor
reciprocante de doble efecto, para la operacin en una
macropera autosustentable ubicada en el paleocanal de
Chicontepec en el estado de Veracruz, Mxico. Ya que
el compresor reciprocante satisface los parmetros
exigidos por la instalacin, el diseo fue realizado
mediante la simulacin del programa computacional
eajax. Se optimizo la potencia del equipo con respecto a
la carga nominal aumentando el claro para un ahorro de
potencia de 130.5 kW, considerando as mismo las
presiones y flujo de 4 MMPCD de gas natural a
manejar, obtenindose el punto ptimo de desempeo
del compresor a 466.7 kW de acuerdo a las condiciones
de operacin. Tomando en cuenta que el gas necesita
ser reinyectado a los pozos, se requiere una relacin de
compresin alta siendo esto el principal motivo para
funcionar en dos etapas con enfriamiento intermedio.

ABSTRACT

In this work we make the design of a double-acting
reciprocating compressor for operation in a self-
sustaining macropera located in Chicontepec in the
state of Veracruz, Mexico. Since the reciprocating
compressor meets the parameters required by the
facility, the design was done by simulating the software
eajax Cameron inc. Optimize power was achieved with
respect to equipment rated load, increasing clear to save
output of 130.5 kW and considering the same pressure
and flow rate of 4 million cubic feet of natural gas to
handle, obtaining the optimum compressor performance
466.7 kW according to operating conditions. Taking
into account that the gas needs to be reinjected into the
wells, it requires a high compression ratio to be the
main reason for this function in two stages with
intermediate cooling.


NOMENCLATURA
A= rea total de la vlvula de admisin, por cilindro
(m
2
)
C= Coeficiente de claro (%),
= Eficiencia volumtrica (%),
k= Relacin de calores especficos (-),
L= Carrera (m),
N= Revoluciones por minuto (RPM),
P= Presin (kPa),
r= Relacin de compresin (-),
V=Volumen (m
3
),
v= Velocidad promedio de la vlvula (m/min),
Z= Factor de compresibilidad (-)

Abreviaturas
ATG= Aceites Terciarios del Golfo,
BN= Bombeo neumtico,
CE= Terminal del cigeal,
CR= Compresores reciprocantes,
HE= Terminal del cabezal,
MA= Macropera autosustentable,
MG= Motor a gas,
MMSPCD= Millones de pies cbicos al da a 14.4 psia
y 59F,
Mm
3
d= Millones de metros cbicos al da

Subndices
D= Desplazamiento del pistn,
P= rea del pistn,
V= rea de la varilla,
1= Presin de succin primera etapa,
2=Presin de descarga primera etapa,
3= Presin de succin segunda etapa,
4=Presin de descarga segunda etapa

INTRODUCCIN

Actualmente la industria petrolera tiene gran
importancia en el desarrollo de los pases, ya que los
energticos ms empleados por la humanidad provienen
en su mayora derivados del petrleo [8,9]. Dentro de
las actividades que se llevan a cabo en la industria
petrolera en Mxico se encuentran: la exploracin,
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perforacin, extraccin, transporte y refinacin. La
tecnologa juega un papel muy importante dentro de la
industria petrolera, ya que regularmente se disean
nuevas mquinas para la compresin de este
hidrocarburo proveniente del subsuelo [3, 4, 5, 6].

Las macroperas autosustentables aprovechan la energa
del gas natural a travs de los equipos de compresin de
motor a gas para poder inyectarlo a una presin ms
elevada para que con ello aumente la produccin y
presin de crudo en el yacimiento. Las macroperas
autosustentables son sitios especiales donde se pueden
perforar hasta 21 pozos petroleros y en donde se
asentarn los equipos que se utilizan para la perforacin
exploratoria y produccin de hidrocarburos operando
en lugares estratgico [11].

Cabe resaltar que la inyeccin inicial a la macropera es
continua, una vez estabilizado el pozo se puede cambiar
a una inyeccin intermitente para la optimizacin de
dicho pozo. El gas excedente es utilizado para
transportar el crudo producido en la macropera hacia
una batera de separacin. Se cuenta con medicin de la
inyeccin a cada uno de los pozos, el control de las
vlvulas para la inyeccin intermitente y el monitoreo
de variables en tiempo real.

Un compresor es un mecanismo empleado para elevar
la presin de un fluido compresible y a la vez enviarlo
de un lugar a otro [1, 2]. Los compresores por si solos
no pueden trabajar, sino que hay necesidad de darles
movimiento por medio de un mecanismo independiente
como un motor de combustin interna, un motor
elctrico, una turbina, etc.

Los compresores pueden clasificarse principalmente
como dinmicos o de desplazamiento positivo. Entre
los dinmicos se incluyen a los flujo radial y axial,
mientras los de desplazamiento positivo son de dos
categoras bsicas: reciprocantes y rotatorios. Los tipos
de desplazamiento positivo son de dos categoras
bsicas: Reciprocantes y Rotatorias. El compresor
reciprocante tiene uno o ms cilindros en los cuales hay
un pistn o mbolo de movimiento alternativo que
desplaza un volumen en cada carrera [1, 2, 3].
Los compresores utilizados en el presente caso de
estudio, se utilizan para reinyectar gas natural a los
pozos de produccin de las macroperas y son del tipo
de desplazamiento positivo, movimiento alternativo, y
de doble efecto o accin debido a que la diferencia de
presiones (succin y descarga) es grande, y para
satisfacer esta condicin se recomienda este tipo de
compresor.

2. FILOSOFA DE DISEO

En este trabajo se analizar un compresor de
desplazamiento positivo reciprocante de dos etapas
Ajax para la instalacin en una macropera
autosustentable, para la reinyeccin de gas natural a
bombeo neumtico para mantener la presin y/o elevar
la produccin de los pozos, as permitiendo que estos
sigan produciendo continuamente, variando la
capacidad y el consumo de potencia del compresor en
funcin del claro, la velocidad, presiones de entrada y
salida para encontrar el punto ptimo de
funcionamiento.

Este modelo de compresor tienen un cigeal en comn
tanto para los cilindros de fuerza como para los de
compresin; por lo que el accionamiento se combina en
una sola flecha evitando problemas debidos a
desalineacin de ejes, por lo cual es un diseo ms
compacto que otros equipos de compresin.

De acuerdo a los datos de operacin de la instalacin se
hizo la seleccin del compresor de acuerdo a la alta
relacin de compresin y bajo caudal, aunque pueden
presentarse situaciones especiales en donde se
presenten cambios bruscos de las condiciones de
operacin de la MA, por lo que se recomiendan los CR,
como se aprecia en la Fig. 1. El nmero de etapas o
cilindros se debe seleccionar con relacin a las
presiones o temperaturas de descarga, tamao
disponible para los cilindros, carga en la varilla o biela
del compresor y el flujo a manejar.

Se realiza la simulacin para determinar las
condiciones ptimas de funcionamiento del compresor
de acuerdo a las condiciones de operacin del sitio, es
decir, capacidad manejada, presin de entrada y salida;
como tambin se obtienen grficas relevantes de
comportamiento de la mquina en el punto de
operacin como son la tensin y presin de acuerdo al
nmero de cilindros o etapas del compresor, esto es
muy importante desde el punto de vista de diseo pues
indica el esfuerzo al que estarn sometidas las bielas y
varillas en el punto de operacin recordando que esto es
muy importante en la vida del compresor para prevenir
posibles fracturas en el equipo.

La macropera recibe una produccin de gas natural de
0.11324 Mm
3
d (4 MMPCD) a una presin de 293.7 kPa
proveniente de la batera de separacin para
comprimirlo a 5102 kPa

a BN para reinyeccin
nuevamente al yacimiento.
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Fig. 1 Intervalos tpicos de aplicacin de diferentes tipos de
compresores [2].

3. DESCRIPCIN DEL MOTOR A GAS

3.1 Seleccin del motor a gas

Uno de los factores que se considera en el diseo de
estos equipos es la composicin del gas natural a
manejar ya que estos sern comprimidos por el
compresor y tambin alimentaran al sistema motriz, de
acuerdo a los datos del fabricante, este motocompresor
tolera cido sulfhdrico (H
2
S), por lo cual fue un factor
determinante en la seleccin de este tipo de equipo
porque de acuerdo a la Tabla I se cuenta con un
pequeo porcentaje de este corrosivo compuesto y este
podra ir variando de acuerdo al tiempo de operacin de
la macropera. De acuerdo al anlisis cromatogrfico
proporcionado por el laboratorio de Yacimientos de
Pemex, los componentes y caractersticas del gas son
las que se indican a continuacin.

Tabla I. Anlisis cromatogrfico del gas en la MA.

De acuerdo a la Tabla II se pueden apreciar los datos
promedio de funcionamiento de la macropera, para lo
cual se propone un motocompresor integral Ajax
modelo DPC-2804 LE; de 3 cilindros compresores, 4
cilindros de potencia.
Los compresores integrales de motor a gas son motores
con ciclos diseados para larga vida y bajo
mantenimiento adems de que permiten obtener la
misma potencia que un motor de 4 tiempos en la mitad
de revoluciones mediante lumbreras instaladas en las
paredes del cilindro de potencia.

Tabla II. Datos de operacin de macropera autosustentable.

En este tipo de motocompresor como el de la Fig. 2,
para poder producir trabajo efectivo es necesario que el
pistn recorra dos veces su carrera dentro del cilindro y
que el cigeal de una vuelta completa. La entrada de
aire y salida de gases de combustin se hace por medio
de lumbreras o puertos, en lugar de vlvulas como se
usa en los motores de cuatro tiempos. Las lumbreras se
encuentran en las paredes de los cilindros y
aproximadamente a la mitad de la carrera.


Fig.2 Compresor integral de motor a gas marca Ajax modelo DPC-
2804 LE.

Las unidades del motor se disearon para que
funcionaran continuamente a su mxima capacidad, es
decir, su rendimiento es ptimo cuando opera a plena
carga nominal a la velocidad de rgimen. La potencia
que puede producir cualquier motor de gas de barrido
de pistn disminuye al aumentar la altitud y/o la
temperatura del aire en la admisin, debido a la
reduccin de la densidad del aire y el peso del oxigeno
para la combustin en un volumen dado. La reduccin
calculada de la potencia del motor es de 3% por cada
45 m por encima de 457 m de altura y 1% por cada 5C
por encima de 21C.

COMPONENTES %MOL
Nitrgeno N2 0.013
Metano CH4 0.9012
Bixido de carbono CO2 0.006
Etano C2H6 0.04
Acido sulfhdrico H2S 0.0004
Propano C3H8 0.021
Isobutano i-C4H10 0.0027
Butano normal n-C4H10 0.0092
Isopentano i-C5H12 0.0023
Pentano normal n-C5H12 0.0029
Hexanos C6 0.0013
=1.00
Altura de la instalacin SNM 45.72 m
Temperatura promedio ambiente 26.66 C
Presin inicial del gas: 293.71 kPa
Presin requerida del pozo: 5102.1 kPa
Temperatura de succin 1er. paso: 26.66 C
Temperatura de succin 2do. paso:

26.66 C
Flujo volumtrico: 1.21 Mm
3
d

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4. METODOLOGA DEL DISEO DEL
COMPRESOR RECIPROCANTE

En general uno de los factores bsicos determinantes de
economa y rentabilidad de operacin de compresores
reciprocantes es su enfriamiento. La compresin por
etapas, es decir, con enfriamiento entre etapas o
intermedio, procura aproximar el proceso real de
compresin al isotrmico [7], el cual consume una
menor cantidad de energa como se aprecia en la Fig.3
Realizando la compresin por etapas con enfriamiento
intermedio, se consigue tambin otros beneficios como
son:

- Aumentar la eficiencia volumtrica.
- Amentar la eficiencia de compresin.

Teniendo un enfriamiento ideal, el consumo mnimo de
potencia se obtiene cuando la relacin de compresin es
la misma para todas las etapas. En general, el
funcionamiento de un compresor es usualmente
evaluado por su razn de compresin que viene dada
por la siguiente relacin:

2
1
P
r
P
=
(1)
Al aumentar la relacin de compresin disminuye la
eficiencia volumtrica, por lo tanto, disminuye el
rendimiento del compresor.
Tabla 3. Relaciones de compresin en funcin del nmero de etapas.

A medida que la produccin aumente, es conveniente
realizar la compresin por etapas, es decir, realizarla en
dos o ms pasos. La necesidad de realizar una
compresin por etapas puede obedecer a distintas
causas sin embargo, las ms comunes son las
siguientes:

- Limitaciones de temperatura
- Ahorro de energa
- Limitaciones de presin

Los factores que tienden a limitar el volumen de gas
succionado por carrera de trabajo, con lo cual se
determina la eficiencia volumtrica del compresor, son
los siguientes:


Fig. 3 Indicador terico de un compresor de desplazamiento positivo
de dos etapas con interenfriamiento perfecto [1].

- El claro del compresor o espacio muerto
- El incremento de la relacin de compresin
- Fugas por el pistn y vlvulas y calentamiento
en el cilindro

Eficiencia volumtrica, es la relacin de la capacidad
real de entrada respecto a la cilindrada del pistn, dado
que el compresor no suministrara una cantidad de gas
igual a su cilindrada, la eficiencia volumtrica siempre
es menor a 1. Tericamente es expresada por la
siguiente ecuacin:

1
2
1
100 % 1
k
V
P
C
P
(
| |
(
c =
|
(
\ .
(

(2)
Hay dos razones por la cual la eficiencia volumtrica es
modificada. La primera es por el claro al final de la
carrera del pistn y la segunda razn para modificar el
volumen desplazado es la aplicacin en campo, razn
por la cual el cilindro no alcanzara el desempeo
volumtrico por (2). En mquinas reales, otros factores
afectan la eficiencia volumtrica, estos factores son
fugas a travs de las vlvulas, anillos del pistn y
empaques o sellos y la compresibilidad variando del
gas.

Las vlvulas del compresor controlan el flujo de gas
dentro y fuera del cilindro compresor. Estas vlvulas
van montadas sobre el cilindro compresor, juegan un
papel importante en la eficiencia del cilindro y por lo
tanto en su capacidad, todas las vlvulas son
automticas, es decir, se abren y se cierran por la
diferencia de presin en el interior y el exterior del
cilindro y no por accin mecnica.
RELACIN DE
COMPRESIN
NMERO DE PASOS
Menores de 6 1
Mayores de 6- hasta 36 2
Mayores de 36 3
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Las vlvulas aqu seleccionadas son de disco (poppet)
porque funcionan rpidamente ya que poseen poco peso
e inercia reducida. La ventaja de la vlvula es que tiene
una eficiencia alta de flujo, debido a la forma
aerodinmica del asiento que permiten que los asientos
se abran y cierren ms fcilmente con una pequea
diferencia de presiones. La vlvula se usa comnmente
en el servicio de transporte de gas y en compresores de
baja velocidad, debido a la facilidad de mantenimiento
y a la capacidad de manejar gases sucios y corrosivos.
La cuarta edicin de API 618 (Diciembre 2007) define
la velocidad de la vlvula como [6]:

288
D
v
A
=
(3)
Otro factor importante que se debe tener en cuenta en la
eficiencia del compresor es el coeficiente de claro o
espacio muerto (C) de un cilindro, que es el volumen
no es desplazado por el recorrido del pistn. En un
compresor de pistn debe existir un volumen de claro al
final de la carrera de compresin. El porcentaje de claro
es usado para calcular la eficiencia volumtrica de un
cilindro. Es expresado por la siguiente relacin en
porcentaje:

Volumen de claro
C
Desplazamiento del pistn

=

(4)

El claro como se muestra en la Fig. 4, es una relacin
de volumen restante cuando el pistn alcanza el punto
muerto superior al final de la carrera de compresin y el
volumen desplazado por el pistn, el porcentaje de
claro vara entre cada terminal del cilindro ya que
pueden ser de doble efecto, aunque pueden ser
promediados.

El porcentaje de claro es de vital informacin para
clculos en los compresores reciprocantes. Para
estimaciones de clculo con errores mximos de 10%,
si el claro es desconocido, un razonable valor seria 15%
[1, 2, 3].

Es conveniente considerar el desplazamiento por
unidad de tiempo, es decir, en m
3
/min o bien en
ft
3
/min, por lo que se debe multiplicar el volumen
desplazado para una carrera por el nmero de
revoluciones por minutos (en unidades inglesas, cfm=
ft
3
/min).


Fig. 4 Diagrama P-V para indicar la eficiencia volumtrica.

El volumen desplazado para un compresor de simple
efecto queda de la siguiente manera:

D P
V A L N = (5)

Para el volumen desplazado de un compresor de doble
efecto tendr que considerarse el efecto de la varilla
instalada en el pistn ya que esta ocupa una pequea
rea dentro del cilindro:

( ) 2
D P V
V A A L N =
(6)

Como se trata de obtener el trabajo en un compresor de
movimiento alternativo, en primer lugar se considera
que el compresor tiene un espacio muerto nulo. El
trabajo total realizado sobre el gas se ve ahora que es
, o sea, el rea detrs de la curva. Puesto que
las reas en un diagrama representan energa, el
rea encerrada corresponde al trabajo efectuado por
este compresor. Comenzando con la ecuacin se
obtiene:

1 1
.
3 1 2 4
1 3
1 1
1 1
k k
k k
D D
kPV kPV P P
W
k P k P

( (
| | | |
( (
= +
| |
( (

\ . \ .
( (

(7)
En el caso del volumen de gas admitido, se utiliza V
D

(m
3
/min), si los procesos de compresin y expansin
son politrpicos, se emplea n en la ecuacin anterior.
Esta potencia es terica y debe ser modificada por la
compresibilidad, eficiencia de la vlvula y eficiencia
mecnica. La eficiencia de la vlvula permite cada de
presin a travs de las mismas que resultan en una
mayor presin de descarga y en una menor presin de
succin dentro del cilindro. La eficiencia mecnica es
basada en las prdidas en el cigeal, friccin en el
cilindro y la eficiencia normalmente es 95%. Entonces
se puede decir que la eficiencia de compresin depende
de muchos factores de efectividad de la vlvula,
relacin de compresin, composicin de gas y tamao
del compresor.
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Entonces, la potencia real puede ser calculada mediante
la siguiente frmula:


.
1 1 2
Re
4
1
1 1
10 2 . . .
V
al
D
P Z Z BHP
W V
MMPCD Z Ef Valvula Ef Mec
c +
=

(8)

La ecuacin deber ser usada para encontrar la potencia
real. Para mquinas existentes, el desplazamiento es
conocido y la eficiencia volumtrica puede ser
calculada.

5. Anlisis de resultados del compresor reciprocante

De acuerdo a los datos de operacin de la MA se trat
de optimizar el funcionamiento del compresor en base a
obtener el menor consumo de energa de acuerdo a la
capacidad manejada por la macropera, as como
encontrar el punto donde se obtiene la mayor capacidad
del equipo y el que consume mayor potencia por el
compresor. Tambin se determin la influencia del
claro en el funcionamiento del compresor, el volumen
de gas admitido es siempre menor que el volumen de
desplazado por el pistn, cuanto mayor sea el espacio
muerto, ser menor la cantidad de gas descargado as
como tambin de la potencia necesaria para comprimir
el gas dentro del cilindro.

Tabla 4 Datos del motocompresor integral.

En la Tabla 4 se presenta los datos generales del diseo
propuesto del motocompresor en los cuales se aprecian
los aspectos ms relevantes de su funcionamiento.

Los diagramas de las Figuras 5 y 6 son una herramienta
para determinar el funcionamiento del compresor
reciprocante, porque muestran el comportamiento de la
presin respecto al volumen de barrido, durante los
procesos de compresin y expansin. Para la primera
etapa se observa en la Fig. 5 que la presin de admisin
es de 293. 7 kPa y lo descarga a 1307.2 kPa pero
tomando en cuenta que la cada de presin de 2% del
interenfriador en las tuberas es de aproximadamente
20.6 kPa psig, la presin de entrada a la segunda etapa
ser de 1282.4 kPa descargndolo 5102.12 kPa como se
observa en la Fig. 6.

En la Fig.5 se puede apreciar el diagrama p-V del
cilindro de la primera etapa, en donde se observa que es
ms pequeo el lado del HE que el lado del CE esto se
debe al aumento de 5.08 cm de claro de la botella o
cavidad de volumen variable en el HE ocasionando que
la capacidad del compresor disminuya as como
tambin la potencia requerida para la compresin.



Fig. 5 Diagrama p-V del cilindro de la primera etapa.

En lo que se refiere a la segunda etapa Fig. 6 para
obtener los 0.11324 Mm
3
d (4 MMPCD) con un ptimo
funcionamiento, solamente se requiri variar el claro en
los cilindros de la primera etapa ya que cualquier
incremento adicional en el cilindro de la segunda etapa
se obtendra una capacidad menor a la requerida, por
eso durante la optimizacin se consideraron varios
modelos de arreglos en los cilindros, resultando el
cilindro de la segunda con un dimetro menor que el de
la primera etapa, de 22.86 cm puesto que el gas ya ha
sido comprimido y enfriado por lo tanto ocupa menos
volumen que en la primera etapa.

0
400
800
1200
1600
0 25 50 75 100
P
r
e
s
i

n

(
k
P
a
)
Volumen de barrido (% Carrera)
H.E. C.E.
Diseo del compresor
Etapa 1 1 2
Dimetro
cilindro (cm)
30.48 30.48 30.48 30.48 22.86 22.86
Dimetro
varilla (cm)
- 6.35 - 6.35 - 6.35
Presin
mxima
trabajo (kPa)
3757 3757 3757 3757 5640 5640
Velocidad
vlvula
(m/min)
1387 1327 1387 1327 1269 1171
Claro real (%) 14.6 13.6 14.6 13.6 19.9 18.3
Mximo claro
con botella
abierta (%)
69.1 69.1 81.8
Tipo de
vlvula
poppet poppet poppet
Datos del motor
Velocidad del compresor integral (RPM) 440
Potencia disponible (kW) 596.55
Mxima carga en la varilla (kN) 177.92
Carrera (m) 0.4064
Dimetro (m) 0.381
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Fig. 6 Diagrama p-V del cilindro de la segunda etapa.

Otra manera de analizar el comportamiento de la
presin dentro de los cilindros del compresor es
respecto a la rotacin que se est dando en el cigeal,
la Fig. 7 muestra la variacin de la presin respecto a la
rotacin completa del cigeal, de manera que se
aprecia que los picos de presin se alcanzan cuando las
vlvulas de descarga se abren por la carrera de
compresin del pistn y el gas escapa, y disminuye
poco a poco hasta que la presin del cilindro es inferior
a la de admisin para que una nueva cantidad de entre y
este siga nuevamente el ciclo.


Fig. 7 Diagrama Presin-Angulo del cigeal de los cilindros del
compresor.

La carga en la varilla de un compresor de pistn es de
gran importancia en la operacin de este tipo de
equipos porque principalmente los daos al compresor
son causados por exceder las cargas recomendadas.
Desde el punto de vista del diseador, las cargas deben
mantenerse dentro de los lmites de diseo impuestos a
la mquina. Cuando est en marcha el compresor, este
debe operar con un rendimiento ptimo sin
sobrecargarse. En la Fig. 8 se observa que la mxima
carga en las fuerzas de tensin es de 71.5 kN

en los
cilindros del compresor 1 y 2 (primera etapa) y una
fuerza de compresin de -75.5 kN, mientras que en la
segunda etapa como se observa en la Fig. 9 la fuerza
mxima de tensin es de 143.13 kN y mxima fuerza
de compresin es de -165 kN,

los cuales se encuentra
dentro de la mxima carga soportada por las varillas de
177.92 kN y -177.92 kN. Es importante que los
clculos de tensin sean positivos y los de compresin
sean negativos. Si ambos valores salen ms y menos,
esto indica que la varilla no est cambiando de ms
compresin a menos tensin, lo que significa que no
habr reversin en el pasador de la cruceta y no habr
lubricacin en esa parte.

Fig. 8 Diagrama Fuerzas-Angulo del cigeal de la primera etapa del
compresor.

Probamente el periodo ms crtico es el de arranque y
parada, porque se puede daar el compresor por
disminuir la presin de succin o incrementar la presin
de descarga demasiado lejos sobre las presiones que
puede soportar.


Fig. 9 Diagrama Fuerza-Angulo del cigeal de la segunda etapa del
compresor.
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 25 50 75 100
P
r
e
s
i

n

(
k
P
a
)
Volumen de barrido (% Carrera)
H.E. C.E.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
400
800
1200
1600
0 90 180 270 360
P
r
e
s
i

n


(
k
P
a
)
ngulo del cigueal ()
Clindro 1,2 Clindro 3
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
0 90 180 270 360
F
u
e
r
z
a
s

(
k
P
a
)
Grados (C)
Fuerzas gases Fuerzas combinadas Inercia
-200
-100
0
100
200
0 90 180 270 360
F
u
e
r
z
a
s

(
k
P
a
)
Grados (C)
Fuerza gases Fuerzas combinadas Inercia
ISBN 978-607-95309-6-9 Pgina | 199
MEMORIAS DEL XVIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
19 al 21 DE SEPTIEMBRE, 2012 SALAMANCA, GUANAJUATO, MXICO
Derechos Reservados 2012, SOMIM


La simulacin realizada consider todos los parmetros
necesarios que pueden afectar el desempeo del
compresor (dimetros del pistn y de la varilla, carrera,
velocidades, claro, prdidas en la vlvula y cargas en la
varilla).
Los resultados de las Figuras 8 y 9 muestran las cargas
de los gases, de inercia y combinadas para cada ngulo
especificado del cigeal de acuerdo a su rotacin. Este
anlisis fue elaborado en base al entendimiento de las
cargas en las varillas, presiones y las cavidades de
volumen de variable que redujeron la potencia del
compresor as mismo la capacidad de volumen que se
desea manejar por el CR para la reinyeccin a BN a los
pozos de produccin de la macropera.


Fig. 10 Diagrama Flujo-presin con influencia de cavidades de
volumen variable en los cilindros del compresor.

La Fig. 10 muestra la influencia que tiene el aumento
de claro en la capacidad del compresor as como en la
potencia desarrollada, sin influir demasiado la variacin
de la presin de descarga, donde se observa que la
mxima capacidad del compresor se obtiene cuando se
mantienen cerradas las cavidades de volumen variable
y la mnima capacidad de volumen se obtiene al
aumentar el volumen de variable del terminal del
cilindro hasta 10.16 cm.

En la Tabla 5 se obtienen los datos de operacin del
compresor siendo la potencia necesaria para manejar
los 0.11324 Mm
3
d de 466.7 kW a las condiciones de
operacin de la MA, en el diagrama de la Fig. 10 se
aprecia que el punto ptimo es cuando se aaden 5.08
centmetros a la botella de volumen variable logrando
un volumen adicional de 2574.4 cm
3
en los cilindros de
la primera etapa ya que cualquier aumento en la botella
de volumen del cilindro de la segunda etapa disminuira
la potencia pero tambin disminuira la capacidad
manejada.
Tabla 5 Datos de operacin del CR para funcionamiento en la
macropera.

6. CONCLUSIONES
Los resultados de la aplicacin de compresores
reciprocantes de motor a gas en macroperas
autosustentables, resultan en instalaciones de
producciones modernas, eficientes y autnomas, por
sus bajos costos de operacin y mantenimiento.

La ventaja de la seleccin de compresor reciprocante,
es que se puede considerar que en el futuro podra
aumentar la cantidad de flujo a 0.1302 Mm
3
d (4.6
MMPCD), por lo que este tipo de compresor podra
manejar este flujo sin ningn inconveniente
adaptndolo a las condiciones de operacin requeridas
sin necesidad de modificar su diseo, por lo que resulta
un equipo flexible y confiable para los diferentes
problemas que se puedan presentar en la instalacin.

3.25
3.5
3.75
4
4.25
4.5
4.75
5
4800 5000 5200 5400 5600
F
l
u
j
o

(
M
M
P
C
D
)
Presin de descarga (kPa)
T1=0; T2=0;
T3=0
T1=1; T2=1;
T3=0
T1=2; T2=2;
T3=0
T1=3; T2=3;
T3=0
T1=4; T2=4;
T3=0
Punto de operacin
Presin de succin (kPa) 293.71
Presin de descarga (kPa) 5102.1
Velocidad de rotacin (RPM) 440
Temperatura succin 1era etapa (C) 26.66
Temperatura descarga 1era etapa (C) 118.5
Temperatura succin 2da etapa (C) 26.66
Temperatura descarga 2da etapa (C) 122.1
Relacin de presiones 1era etapa (-) 3.5704
Relacin de presiones 2da etapa (-) 3.7506
Carga (kW) 466.7
Capacidad (Mm
3
d) 0.11324
PS
(kPa)
PD
(kPa)
TS
(C)
TD
(C)
ZS
(-)
ZD
(-)
VS
(%)
VD
(%)
Cil.# 1
HE
293.71 1308.6 26.66 118.5 0.992 0.991 48.7 17.7
Cil. #
1 CE
293.71 1308.6 26.66 118.5 0.992 0.991 72.6 26.4
Cil. #
2 HE
293.71 1308.6 26.66 118.5 0.992 0.991 48.7 17.7
Cil.# 2
CE
293.71 1308.6 26.66 118.5 0.992 0.991 72.6 26.4
Cil.# 3
HE
1287.2 5102 26.66 122.1 0.974 0.971 59.1 20.6
Cil.# 3
CE
1287.2 5102 26.66 122.1 0.974 0.971 62.1 21.7
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Derechos Reservados 2012, SOMIM


Su velocidad ms lenta de funcionamiento reduce el
calor y la friccin en las piezas mviles. El cigeal en
comn, hace que no requiera alineacin por lo tanto no
habr tantas prdidas mecnicas comparado con otros
tipos de compresores que requieren ser acoplados o
requieren una caja de engranes.

Otro beneficio de la instalacin de este tipo de
compresor es que adems de comprimir el gas natural a
las condiciones requeridas para la reinyeccin a BN,
ser utilizado para el propio consumo del motor, lo que
permitir explotar el hidrocarburo de manera ms
eficiente, inteligente y racionablemente.

Con esto se lograr utilizar la propia energa de para
operar y optimizar la produccin por pozo, el proyecto
para el cual ser destinado ser para el paleocanal de
Chicontepec ATG, el cual es de gran relevancia para el
pas, ya que representa 39 por ciento de la reserva total
de hidrocarburos, es decir, 17 mil 700 millones de
barriles de petrleo crudo equivalente.

REFERENCIAS
(1) Heinz P. Block, John J. Hoefner, Reciprocating
Compressors: Operation and maintenance, GPP Ed.,
1996.

(2) Royce N. Brown, Compressors: Selection and
sizing, 3
rd
Edition, Gulf Publishing, 2005.

(3) J.A. Reyes Santos, Anlisis de los equipos de
compresin de la estacin de compresin Tajin II, Tesis
Licenciatura Ingeniera Mecnica Elctrica,
Universidad Veracruzana, Diciembre 2010.

(4) Charles W. Gibbs, Compressed air and gas data, 2
nd
Edition, Ingersoll Rand Company, 1971.

(5) A.P. Budagyan ,P.I. Piastinin, Optimization of
reciprocating compressors, UDC 621.512-71 62-192,
March 1981.

(6) American Petreoleum Institute, API 618
Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical,
and Gas Industry Services, API Standard 618, 5
TH
Ed.,
December 2007.

(7) W. H. Severns, H.E. Degler, J.C. Miles, Energia
mediante vapor, aire o gas, Editorial Reverte, 2007.

(8) Heinz P. Bloch, "Compressor and Modern Process
Application", John Wiley and Sons, 2006, pp 3-21.

(9) Heinz P. Bloch, "A Practical Guide To Compressor
Technology", Second Edition, John Wiley and Sons,
2006, pp 110-120.

(10) S. Foreman, "Compressor Valves and Unloaders
for Reciprocating Compressors An OEM's
Perspective", Dresser-Rand Technology
Paper,
http://www.dresser-rand.com/e-tech/recip.asp.

(11) Instalacin de macroperas autosustentables ATG,
PEMEX

(12) NRF-132-PEMEX-2007, Compresores
Reciprocantes, pp 6-20.

(13) A. Almasi, Reciprocating Compressor Optimum
Design and Manufacturing with respect to
Performance, Reliability and Cost, World Academy of
Science, Engineering and Technology 52, 2009.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece por parte del personal de PEMEX que
apoyo a la realizacin de este trabajo y se agradece al
Laboratorio de Ingeniera Trmica e Hidrulica
Aplicada (LABINTHAP).


ISBN 978-607-95309-6-9 Pgina | 201