Tome el control de los transitorios de la bomba: puestas en marcha y desconexiones

Apr 06, 2024

Las bombas centrífugas están diseñadas para un funcionamiento óptimo en estado estable; sin embargo, las desviaciones inevitables del estado estacionario cuando las bombas arrancan y se detienen pueden introducir respuestas de presión dramáticas y, a menudo, peligrosas dentro de un sistema de tuberías. Los transitorios de la bomba pueden ser tan rutinarios como un arranque durante la puesta en servicio inicial o un apagado por mantenimiento.

A menudo, el golpe de ariete o el aumento repentino se asocian con la respuesta de alta presión después de un cierre rápido de la válvula. En pocas palabras, el cierre de una válvula convierte el impulso del fluido en presión cuando el fluido golpea la válvula que se cierra. La presión resultante podría exceder los valores nominales de presión de la tubería o del equipo.

El fluido que se arrastra luego choca contra el fluido detenido, lo que provoca una onda de alta presión que se transmite hacia atrás a través del sistema y provoca fuerzas desequilibradas. Estos eventos también pueden causar bajas presiones, lo que resulta en flujo inverso, condiciones de vacío o fluidos vaporizados en puntos altos del sistema.

Si bien las válvulas son la causa por excelencia de que el impulso del fluido se convierta en presión (y viceversa), las bombas también causan aumentos repentinos ya que afectan el flujo por la presión que crean. Agregar o quitar repentinamente una fuente de presión de bomba transmitirá ondas de alta y baja presión a través de un sistema de tuberías.

Al igual que los cierres de válvulas, los cambios rápidos en el funcionamiento de la bomba dan como resultado respuestas de presión y flujo más dramáticas. El software de modelado puede cuantificar estos efectos a medida que las ondas se transmiten e interactúan, lo que brinda a los ingenieros flexibilidad para modelar una amplia gama de causas transitorias de bombas.

Se pueden predecir muchos eventos transitorios de la bomba. Esto puede suceder durante la puesta en servicio inicial de un sistema, anticipando y siguiendo el mantenimiento de rutina o cuando se adapta la demanda variable con bombas adicionales. Estos transitorios de rutina deben seguir un procedimiento para minimizar los efectos transitorios negativos suavizando la transición entre las condiciones operativas.

También hay eventos reactivos en los que la bomba responde a un problema no planificado, como una falla del equipo o una emergencia. La pérdida de energía es a menudo el peor de los casos, ya que ningún proceso diseñado para suavizar la transición de una bomba entre estados no está disponible. Las preocupaciones por la pérdida de energía se agravan si se restablece la energía y se reinicia repentinamente una bomba.

Varias bombas en un solo sistema tienen consideraciones adicionales, como que las bombas paralelas provoquen un cierre brusco de la válvula de retención si se activa una sola bomba. Disparar o arrancar todas las bombas simultáneamente también causará problemas de sobretensión, aunque varias bombas pueden servir como un activo para realizar una transición gradual de un sistema entre condiciones operativas cuando se encienden o apagan de forma incremental.

Los transitorios de la bomba se pueden distinguir en dos categorías: controlados y no controlados.

Los transitorios de bomba controlados utilizan un controlador externo, como un variador de frecuencia (VFD), para facilitar el cambio de estado de una bomba controlando su velocidad. Esto permite al operador acelerar gradualmente el fluido para provocar una respuesta de presión menos dramática. Los cambios graduales en el sistema también son más fáciles para los sistemas de protección como las válvulas de retención, evitando efectos transitorios secundarios. Los transitorios controlados podrían modelarse como velocidad de la bomba versus tiempo para replicar un VFD.

Los transitorios controlados requieren energía para controlar la bomba. Sin embargo, tras un corte de energía, la velocidad de la bomba la dicta el sistema. Un disparo de bomba por pérdida de energía demuestra un transitorio de bomba no controlado.

No controlado no implica que un transitorio de la bomba sea impredecible, sino que el comportamiento de una bomba lo dicta el sistema en lugar de un controlador electrónico ajustado. Por ejemplo, un arranque de rutina de una bomba podría comenzar contra una válvula parcialmente cerrada o una válvula de retención para evitar el descentramiento, luego la válvula se abriría gradualmente para alcanzar el punto de funcionamiento previsto. Aunque el proceso general es rutinario, la bomba simplemente se enciende y desarrolla flujo dependiendo del sistema circundante.

Si bien los VFD ofrecen un enfoque de mitigación de sobretensiones, los ingenieros pueden mitigarlas de manera similar al comprender la mecánica subyacente de los transitorios no controlados de la bomba. Esta comprensión es fundamental en circunstancias de pérdida de energía donde no hay alternativa para controlar la bomba.

Los transitorios no controlados de la bomba dependen de la mecánica de rotación de la bomba y su sistema. En estado estable, el motor y el equilibrio de fluidos aplican a la bomba todos los pares de torsión de los componentes. Este punto está etiquetado en el diagrama de par versus velocidad en la Imagen 2. Sin embargo, durante un transitorio, la bomba acelera debido al par desequilibrado. En el caso de un arranque de la bomba, el motor aplica más torque que el torque resistivo del sistema, acelerando la bomba. En el caso de un disparo de la bomba, el par del motor llega a cero y la bomba desacelera, potencialmente invirtiendo la dirección si no se soluciona.

La tasa de aceleración depende de la inercia del impulsor de la bomba y del fluido, por lo que puede modificarse para crear transiciones más suaves entre estados. Esta es a menudo la razón por la que las bombas, especialmente las grandes, incorporan volantes para aumentar la inercia de la bomba. El aumento de la inercia es beneficioso tanto en los casos de arranque como de apagado para facilitar el cambio entre estados operativos.

Teniendo esto en cuenta, la interacción entre el par, la inercia y el sistema circundante es fundamental para modelar con precisión los transitorios no controlados de la bomba.

Las preocupaciones generales sobre el aumento se mitigan al suavizar la transición entre estados. Los transitorios controlados de la bomba pueden ajustar cómo la velocidad de la bomba aumenta o disminuye gradualmente. Sin embargo, los transitorios no controlados de la bomba requieren cambios en la bomba misma o en el sistema circundante para mitigar el aumento repentino.

Para transitorios rutinarios no controlados, un procedimiento operativo para cambiar las válvulas circundantes antes del arranque o el apagado puede reducir los efectos del golpe de ariete. De manera similar, encender y apagar gradualmente las bombas en sistemas multibombas puede suavizar la respuesta general del sistema.

En casos reactivos, el sistema debe modificarse para reducir pasivamente el potencial de sobretensión. Estas modificaciones podrían agregar un recipiente de compensación para complementar el flujo, aumentar la inercia de la bomba con un volante, usar tuberías más fuertes, cambiar a válvulas de retención que no se golpeen o dimensionar los sistemas de alivio para adaptarse al aumento de presión.

En todos los casos, se recomienda utilizar software para modelar una respuesta transitoria prevista, considerando escenarios de rutina y del peor de los casos, para confirmar que el sistema físico funcionará dentro de los requisitos. Debido a la complejidad de los componentes que interactúan y de los frentes de onda que interactúan, el análisis de sobretensiones es comprensiblemente difícil y simplificar los cálculos manuales no siempre es conservador.

El software podría evaluar muchas causas del aumento repentino para ayudar a desarrollar estrategias de mitigación, como justificar un VFD o abogar por equipos adicionales.

Nick Vastine es ingeniero de aplicaciones empresariales en Applied Flow Technology (AFT). Vastine tiene una licenciatura en ingeniería química con especialización en economía de la Escuela de Minas de Colorado. Para obtener más información, visite www.aft.com.