PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO BOMBAS PDVSA N° MDP–02–P–06 0 NOV.97 REV. FECHA APROB. E1994 TITULO CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO APROBADA 11 DESCRIPCION FECHA NOV.97 L.R. PAG. REV. APROB. L.R. APROB. APROB. FECHA NOV.97 ESPECIALISTAS MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 1 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 CAUDAL DE FLUJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 CONDICIONES DE SUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 PRESIÓN DE DESCARGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL . . 8 8 REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 PROGRAMA DE CALCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 2 .Menú Principal 1 Indice manual Indice volumen Indice norma ALCANCE En este documento se presentan los cálculos típicos que aplican para el diseño y especificación de servicios de bombeo. Normalmente estos cálculos involucran: la estimación de la disponibilidad y los requerimientos típicos de Cabezal Neto de Succión Positiva NPSH a la entrada de la Bomba, El cabezal a ser suministrado por la bomba, Requerimientos de Potencia del servicio, condiciones de diseño, estimado de la presión máxima de succión y descarga y de el cabezal de la bomba a flujo cero “shutt–off” (ver Tabla 1 MDP–02–P–02). 2 REFERENCIAS PDVSA (Además de otros Documentos de este capítulo) MDP–01–DP–01,“Temperaturas de Diseño y Presión de Diseño” MDP–02–FF–01/06 “Flujo de Fluidos” MID 90616.1.023 Vol.14 Guía de Ingeniería “Determinación de la Altura de Succión Neta Positiva. Otras Referencias API STANDARD 610“Centrifugal Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Service”. Eighth Edition, August 1995. Maxwell, J. B. “Data Book on Hydrocarbons, Aplication to Process Engineering” 3 ANTECEDENTES Los cálculos aquí presentados están relacionados con los puntos 2 al 8 del procedimiento de diseño para servicios de bombeo presentado en el Documento MDP–02–P–02. El resto de los puntos o bien no involucra cálculos o han sido por conveniencia presentados en otra parte. Los cálculos de bombeo deben realizarse para las diferentes condiciones de flujo que se identifiquen y en el caso de existir derivaciones de flujo aguas abajo de la bomba se deben hacer los cálculos a través de los diferentes ramales para establecer cual de ellos limita el diseño, normalmente este es el circuito de mayor caída de presión dinámica, los otros circuitos ajustaran mediante valores mas altos de caída de presión en la válvula de control para operar a la presión de descarga requerida por el ramal controlante. 4 CAUDAL DE FLUJO El caudal de flujo volumétrico, Q, (a la temperatura de bombeo) puede ser calculado por una de las siguientes fórmulas: 1. Si se conocen los requerimientos de flujo másico, W: MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 3 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Q + F 1 X Wńò c 2. Indice norma Ec. (1) Si se conoce el caudal de flujo volumétrico en condiciones estándar, QS : Q + QS X T Ec. (2) donde: En unidades métricas Q = W ρc = = Qs = = F1 5 = Caudal de flujo volumétrico a la temperatura de bombeo Flujo másico Densidad del fluido a las condiciones de bombeo Caudal de flujo a cond. estándar (15°C y 101.325 kPa (60°F y 1 atm) Factor de expansión térmica, su valor puede obtenerse en “Maxwell Data Book on Hydrocarbons”. Factor que depende de las unidades usadas En unidades inglesas dm3/s gpm kg/s kg/m3 lb/h lb/pie 3 dm3/s gpm 103 0.1247 CONDICIONES DE SUCCIÓN Los criterios a utilizar para el cálculo de la presión de Succión de un servicio de Bombeo se dan en el punto 12 de el Documento MDP–02–P–02. Presión de Succión La Presión de succión de la bomba se calcula a partir de la presión de operación del recipiente de succión ,y calculando la diferencia total de presión entre el nivel de referencia en el recipiente y el nivel de referencia de la bomba. P1 = Po (del recipiente) + ∆P (recipiente –bomba) Ec.(3) MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO Página 4 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma donde: P1 Po DP = = = Presión de succión de la bomba. Presión en el recipiente de succión. Diferencia de Presión entre el nivel de referencia del Liquido en recipiente de succión y la entrada de la bomba (a su nivel de referencia). En unidades métricas En unidades inglesas kPa kPa kPa psi psi psi La diferencia de presión total entre el nivel de referencia del recipiente y el de la bomba se calcula según los métodos presentados en el capitulo de Flujo de Fluidos de este manual, Documentos MDP–02–FF–01/06, Tomando en cuenta la diferencia de alturas, las perdidas por fricción y el cabezal de aceleración, si fuera significativo. Presión Máxima de Succión La Presión Máxima de Succión se calcula mediante la siguiente ecuación: P1 max = Po max (recipiente)+ρc x g x ∆Hs/F3 x gc Ec (4) Donde: P1max = Presión de Succión Máxima DHs = g gc = = Presión de operación Máxima del Recipiente de Succión, normalmente es la presión de ajuste de la válvula de seguridad (si existe). Diferencia de altura entre el nivel de liquido alto del recipiente y el nivel de referencia de la bomba(600 mm=2 pie). Aceleración de la gravedad Constante dimensional ρc = Densidad del líquido condiciones de operación F3 = Factor que depende de las unidades usadas Po max bombeado a En unidades métricas En unidades inglesas kPa kPa psi psi m pie 9.8 m/s2 103 kg kPa.m.s 2 32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 kg/m3 lb/pie 3 1 144 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–P–06 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 5 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Cabezal Neto de Succión Positiva Disponible (NPSHD) La presión de succión se calcula partiendo del valor de la caída de presión en la línea de succión, según el método citado anteriormente. Para servicios que manejan líquidos directamente de recipientes que operan al punto de ebullición, la presión de vapor del líquido es la misma que la presión en el espacio de vapor del recipiente. Cuando la fuente de succión del líquido está a su presión de vapor y no ocurre un cambio significativo de temperatura en la línea de succión, tal como en los servicios de torres de destilación, un método de cálculo conveniente es simplemente restar las pérdidas de la línea de succión, convertidas en cabezal, del cabezal de elevación entre el nivel de líquido del recipiente (Tangente para recipiente vertical o fondo para horizontal, según PDVSA 90616.1.023) y el nivel de referencia de la bomba: NPSH D + H S * F 3 DR línea de succión gc òC g Ec. (5) NPSHD se puede también calcular convirtiendo el margen de presión a cabezal: NPSH D + F 3 ǒP1 * P VǓ g C òC g Ec. (6) Esta fórmula es útil cuando la fuente de succión del líquido está a una presión por encima de Pv (a la temperatura real), tal como en los tanques de almacenamiento atmosférico. Donde: NPSHD = DHs DP g gc = = = ρc = P1 = Cabezal neto de succión positivo disponible Diferencia de altura entre el recipiente de succión y la bomba Caída de presión Aceleración de la gravedad Constante dimensional Densidad del líquido bombeado a condiciones de operación Presión de succión de la bomba En unidades métricas En unidades inglesas m pie m pie kPa 9.8 m/s2 103 kg kPa.m.s 2 psi 32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 kg/m3 lb/pie 3 kPa psi MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–P–06 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 6 .Menú Principal Indice manual Pv = F3 = Indice volumen Presión de vapor del líquido a las condiciones de proceso Factor que depende de las unidades usadas Indice norma En unidades métricas En unidades inglesas kPa psi 1 144 Factor de Seguridad En un diseño conservador se agrega un margen de seguridad en el cálculo y en la especificación del NPSH disponible. Sin embargo, este margen tiende a incrementar el costo de la bomba y por lo tanto requiere una cuidadosa consideración. El factor de seguridad para los cálculos de NPSHD se define como sigue: S.F. CNSP + NPSHP D calculado NPSHP D especificado Ec. (7) Se recomienda usar los siguientes valores en el diseño de servicios de bombeo: Servicio Condiciones de instalación muy bien definidas, como el rearranque de una unidad existente o un servicio de bombeo, con tubería existente. La mayoría de los diseños de servicios nuevos Agua de alimentación a caldera (asumiendo 20 minutos de capacidad de almacenamiento del deareador) Solvente pobre sulfolane S.F.NPSH 1.00 1.10 1.25 1.25 Catacarb 1.60* Carbamato de amonio 2.00* * Consulte un especialista en máquinas para obtener datos de NPSHR de un suplidor de bomba con experiencia. Una vez que se ha aplicado un factor de seguridad adecuado en los cálculos de NPSHD, no se necesita un margen de seguridad entre el NPSHD de servicio y el NPSHR de la bomba seleccionada. La Guía de Ingeniería PDVSA 90616.1.023 recomienda en general un margen mínimo de 0.6 m (2 pies) entre el NPSHR y el NPSHD calculado (no el especificado), este es un criterio complementario que puede ser usado con el de el factor de seguridad. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO Página 7 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Cabezal Neto de Succión Positiva Requerido (NPSHR) Ver MDP–02–P–02 para una discusión sobre estimación de requerimientos de NPSH a partir de valores típicos, valores a otras condiciones , etc. 6 PRESIÓN DE DESCARGA Ver el punto 14 Presión de Descarga, del documento MDP–02–P–02, para los criterios que aplican al calculo de las condiciones de descarga. La presión de descarga de la bomba se calcula a partir de la presión de operación del recipiente de descarga, el cual es el recipiente de destino del fluido bombeado, recipiente de presión controlada o abierto a la atmósfera aguas abajo de la bomba. A la presión del recipiente de descarga debe adicionársele la diferencia de altura entre la bomba y el recipiente expresada en presión, las perdidas dinámicas del circuito (fricción + aceleración cuando no sean despreciables) y la caída de presión de la válvula de control. Las perdidas dinámicas incluyen las caídas de presión de líneas, intercambiadores, orificios de restricción y cualquier otro elemento entre la bomba y el recipiente de descarga y deberán ser calculadas mediante los métodos presentados en el Capitulo de Flujo de Fluidos de este Manual, Documentos MDP–02–FF–01/06. P2 = Po (recipiente) + ρc x g x ∆Hs/F3 x gc + ∆P(Din.) + ∆P(V.C.) Ec.(8) Donde: P2 = Po ∆Hs = g gc = = rc = DP(Din.) = DP(V.C.) = = F3 Presión de Descarga Presión de operación del Recipiente de Descarga. Diferencia de altura entre el nivel de liquido alto del recipiente de descarga y el nivel de referencia de la bomba(600 mm=2 pie). Aceleración de la gravedad Constante dimensional Densidad del líquido bombeado a condiciones de operación Caída de presión dinámica de la bomba al recipiente de descarga Caída de presión de la Válvula de Control Factor que depende de las unidades usadas En unidades métricas En unidades inglesas kPa kPa psi psi m pie 9.8 m/s2 103 kg kPa.m.s 2 32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 kg/m3 lb/pie 3 kPa psi kPa 1 psi 144 La Caída de presión de la válvula requerida puede escojerse así: MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO Página 8 .Menú Principal Indice manual Indice volumen DP (V.C) = 0.2 x ∆P(Din.) + Contribución del C.E. Indice norma Ec. (9) C.E.= Cabezal Estático ρc x g x ∆Hs/F3 x gc C. E. <1400 kPa Contribución del C.E. 7 0.1xC.E. 1400–2800 kPa 140 kPa >2800 kPa 0.05xC.E. PRESIÓN DIFERENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CABEZAL Ver los criterios que aplican en MDP–02–P–02. La cantidad de energía que la bomba debe ser capaz de suministrar a cada unidad de masa del líquido por conversión en presión se define como requerimiento de cabezal porque las unidades de energía de entrada son equivalentes a las de una columna de líquido. energía x g c masa x g + cabezal Los requerimientos de cabezal se calculan convirtiendo el aumento en presión de la succión a la descarga a la altura de una columna equivalente de líquido bombeado, a las condiciones de bombeo: H + F 3 DR gc òc x g Ec. (10) donde: H = DP = ρc = g gc = = F3 = Cabezal de presión desarrollado por la bomba Aumento de presión entre la succión y la descarga de la bomba (P2–P1) Densidad del fluido a las condiciones de bombeo Aceleración de la gravedad Constante dimensional Factor que depende de las unidades usadas En unidades métricas En unidades inglesas m pie kPa psi kg/m3 lb/pie 3 9.81 m/s2 103 kg kPa.m.s 2 1 32.2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 144 Las presiones nominales de succión y descarga se usan para el Cálculo de presión diferencial y del cabezal. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 9 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma No es necesario reportar el cabezal en las Especificaciones de Diseño, ya que los valores necesarios para calcularlo, diferencial de presión y densidad absoluta, se especifican separadamente. Se debe tomar precaución para presentar el requerimiento de cabezal de la bomba y el NPSH disponible, ambos en términos del líquido bombeado, a las condiciones de bombeo, y no en términos de agua fría. Por ejemplo, cuando ∆P = 700 kPa (100 psi) para un fluido con una densidad absoluta de 750 kg/m3 (46.82 lb/pie3), H= (700) 10 3 x = 95.2 m (312 pie) 750 9.8 Si la bomba estuviese manejando agua, el cabezal requerido para el mismo ∆P sería H= (700) 10 3 x = 71.4 m (234.25 pie) 9.8 1000 Presión máxima de descarga Típicamente la caída de presión máxima se toma como un 120% de la normal y corresponde a la condición de cero flujo (Shut Off). P 2 max + P 1 max ) 1.2 x ǒP 2 * P 1Ǔ 8 Ec. (11) REQUERIMIENTOS DE ENERGÍA Cálculo de Requerimientos de Energía Los requerimientos de energía de una bomba se calculan como sigue: Potencia hidráulica = Caudal de flujo másico x energía entregada al líquido/unidades de masa de líquido Potencia al freno, + PotenciaHidráulica Eficiencia g PF + W X H X g EO X F 4 c Substituyendo Q y ρc por W se obtiene: Ec. (12) MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 10 .Menú Principal Indice manual PF + Indice volumen Q X òc X H g X g EO X F 5 c Indice norma Ec. (13) Si ∆P está disponible: PF + Q X DR F 6 X EO Ec. (14) donde: En unidades En unidades métricas inglesas PF W H = = = g gc = = Eo = Q = ρc DP = = F4 = F5 = F6 = Potencia al freno Flujo másico de líquido Cabezal de presión desarrollado por la bomba Aceleración de la gravedad Constante adimensional Eficiencia global, incluyendo pérdidas hidráulicas y mecánicas Caudal de flujo volumétrico a condición de operación Densidad del flujo a condiciones Aumento de presión entre la succión y la descarga de la bomba Factor que depende de las unidades usadas Factor que depende de las unidades usadas Factor que depende de las unidades usadas kW kg/s m HP lb/h pie m/s2 103 kg kPa.m.s 2 pie/s2 32.2 lb.pie lbf.s2 dm3/s gpm kg/m3 kPa lb/pie 3 psi 1 1.98x10 6 1x10 3 246873.0 1x10 3 1714 Eficiencia La eficiencia global de la bomba incluye dos categorías de pérdida, hidráulica y mecánica. Las pérdidas mecánicas son causadas por la fricción en los cojinetes y en el sello del eje y son muy pequeñas con respecto a las pérdidas hidráulicas. Las pérdidas hidráulicas son causadas por turbulencia, fricción del revestimiento y del disco, y deslizamiento o fugas internas desde la zona de descarga de la bomba hacia la zona de succión. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO PDVSA CALCULOS EN SERVICIOS DE BOMBEO PDVSA MDP–02–P–06 REVISION FECHA 0 NOV.97 Página 11 .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Las pérdidas hidráulicas son una parte tan grande de las pérdidas totales que las eficiencias hidráulica y global se pueden intercambiar para propósitos de diseño de servicio de bombas. En las Figuras 3 y 4 del documento MDP–02–P–02 se presentan valores de eficiencia para ser usados en Cálculos de potencia y para estimados de flujo mínimo permisible. 9 PROGRAMA DE CALCULO En la colección de programas PROCALC se encuentra disponible un programa para calculo automatizado de Bombas. 10 NOMENCLATURA Ver documento MDP–02–P–02.