Compresor elevador de presión para petróleo y gas: guía práctica de ingeniería

Defina los límites del sistema de compresión elevadora antes del dimensionamiento

Un compresor elevador de presión es una etapa de compresión secundaria: recibe gas a una presión de succión superior a la atmosférica y debe elevarlo a una presión de entrega mayor. Es fácil definir qué es un compresor elevador; los límites de la unidad determinan la complejidad del sistema.

Los límites del sistema de gas y la evidencia necesaria para seleccionar un compresor elevador también dependen del tipo de servicio: transferencia de gas por tubería, recuperación de vapores, inyección, servicio con gases industriales o pruebas de presión. Cada aplicación modifica los límites del sistema de gas y la evidencia necesaria para elegir un compresor elevador adecuado.

Para comenzar, trace el proceso desde la fuente aguas arriba hasta el usuario aguas abajo. Incluya la válvula de aislamiento de entrada, el separador de líquidos o coalescedor, las etapas del compresor, los enfriadores y separadores entre etapas, el posenfriador, el separador final, la válvula de retención, el aislamiento de descarga, la línea de recirculación o derivación, los dispositivos de seguridad, los venteos, los drenajes y el destino de la despresurización. Añada el accionamiento, los sistemas de lubricación, los servicios de enfriamiento, el panel de control, las señales de parada de emergencia, la detección de gas y las interfaces de áreas clasificadas como peligrosas. Incluya los sistemas de detección de gas e indique el tipo y la clase del área.

El catálogo actual de API indica que API 618, sexta edición, mayo de 2024, abarca compresores alternativos y los sistemas relacionados de lubricación, controles, instrumentación, enfriadores, supresión de pulsaciones y equipos auxiliares. El catálogo digital de API también incluye API Spec 11P, edición 3, para compresores alternativos montados en unidades para servicios de producción de petróleo y gas. La especificación del proyecto debe indicar qué norma y edición rigen; ninguno de los títulos sustituye la norma adquirida ni los requisitos del propietario.

Comience con el rango de condiciones del gas y la succión

Un único valor «nominal» de presión de succión oculta una condición que a menudo determina el resultado de un proyecto. Registre la presión y la temperatura de succión mínimas, normales y máximas, el caudal requerido en cada caso, la presión de descarga objetivo, el ciclo de servicio, el rango de temperatura ambiente y la disminución prevista de la producción o la variabilidad aguas arriba.

Para evaluar la relación de compresión de un fluido determinado, se debe utilizar la presión absoluta. La referencia del caudal debe quedar siempre clara: volumen real o estándar, temperatura y presión de referencia, y presencia o ausencia de vapor de agua. Un valor de caudal sin definir las condiciones no constituye un requisito de capacidad válido.

El análisis del gas debe incluir el peso molecular, la compresibilidad, la relación de capacidades caloríficas, el agua, los hidrocarburos pesados, el sulfuro de hidrógeno, el dióxido de carbono, el oxígeno cuando corresponda y cualquier componente que afecte los materiales, la lubricación, la condensación o la clasificación de áreas peligrosas. Si la composición cambia entre pozos, estaciones, lotes o modos de operación, especifique casos delimitados en lugar de un promedio.

El volumen estándar de gas y el volumen real son distintos. El volumen estándar no equivale al volumen real de gas en la entrada. Al aumentar la presión del gas, cambian su densidad y volumen; por ello, cada dato de caudal debe incluir la presión del gas, las condiciones de referencia y la base de compresibilidad. Esto es especialmente importante cuando una fuente grande de gas abastece varios sistemas de compresión o cuando los operadores comparan compresores elevadores accionados por gas de distintos proveedores.

La protección contra líquidos forma parte de la definición del servicio. Southwest Research Institute evalúa el desempeño de los separadores midiendo el arrastre de líquido en un rango de condiciones de entrada. Solicite datos de arrastre del separador para el rango previsto de cargas de gas y líquido, no solo la eficiencia en un punto.

Revise en conjunto la relación de presión, las etapas y la temperatura

La relación total de compresión es la presión absoluta de descarga dividida por la presión absoluta de succión. En una máquina multietapa, deben revisarse la relación y la temperatura prevista de cada etapa para todos los casos determinantes. Las relaciones equilibradas pueden ser un punto de partida útil, pero la aproximación del enfriador, las pérdidas de presión, las propiedades del gas, la selección de cilindros, el comportamiento de las válvulas y el control de capacidad pueden modificar la distribución práctica.

El principio de funcionamiento de los compresores elevadores es bien conocido: aumentan la presión de un gas que ya tiene una presión de entrada positiva. Una vez que se alcanza esa presión, es necesario controlar el aumento de presión y el calor resultante. Esta aparente simplicidad puede inducir a error a los compradores. Un compresor de alta presión debe ajustarse a la presión del aire o del gas en la entrada, a la presión del gas en la salida y a todo el rango de operación. Los compresores elevadores solo funcionan dentro de los límites mecánicos y térmicos establecidos para la máquina seleccionada.

Ariel señala que las relaciones más altas elevan la temperatura de descarga, reducen la eficiencia volumétrica, afectan los eventos de las válvulas, aumentan la sensibilidad a los cambios de presión y pueden incrementar la carga de la biela. Su advertencia práctica sobre la relación es un motivo para revisar la aplicación, no un límite universal.

Solicite al proveedor las temperaturas previstas de succión y descarga, la capacidad, la potencia absorbida, la eficiencia volumétrica, las cargas de las bielas, los límites de las válvulas y la carga del accionamiento para cada etapa y cada caso de operación. Los límites de temperatura deben basarse en el gas y el lubricante, los materiales de sellado, el diseño de las válvulas y los cilindros, las restricciones aguas abajo y la especificación aplicable, no en un blog general.

Elija la configuración y el accionamiento según el servicio

Los compresores alternativos son adecuados para relaciones de presión más altas, condiciones de succión variables y caudales bajos a moderados. Los compresores de tornillo pueden abarcar caudales continuos más amplios y tolerar mejor el gas húmedo, si el sistema de separación y el diseño seleccionado lo permiten. Los compresores centrífugos pueden manejar caudales mayores y más constantes dentro de un mapa de operación aerodinámica. Los compresores de diafragma pueden atender servicios de alta pureza o sensibles a las fugas con caudales bajos y presión alta.

Estas son orientaciones para una evaluación inicial, no reglas de selección. Verifique la compatibilidad con el gas, la tolerancia a fugas, la reducción de capacidad, la estrategia de mantenimiento, los arranques por hora, las pulsaciones y vibraciones, el espacio requerido, los servicios auxiliares y el accionamiento disponible.

Tanto una unidad alternativa como un compresor rotativo pueden elevar la presión, pero sus limitaciones de control y mantenimiento son distintas. Algunos servicios requieren alta presión con caudales moderados; otros favorecen la transferencia continua. Una etiqueta de alta presión para aire o gas, o una afirmación de entrega eficiente de gas, no sustituye la revisión del desempeño del compresor en las condiciones de gas especificadas.

Un cilindro «sin lubricación» significa que no se inyecta lubricante en el cilindro. Los contaminantes aguas arriba, las fugas del empaque, los residuos de desgaste, los productos de corrosión y los equipos aguas abajo aún pueden afectar la calidad del gas. Si la limpieza es importante, especifique un objetivo medible de calidad del gas, un punto de muestreo, un método de prueba y un criterio de aceptación.

Para conocer con más detalle los límites de cada configuración, compare la guía sobre compresores de diafragma y alternativos, la lista de verificación para compresores alternativos API 618 y la guía de unidades de compresión de gas diseñadas a medida. Estos artículos abordan preguntas más específicas y no sustituyen la revisión del rango de servicio de este documento.

Diseñe controles para un rango de operación variable

La descripción de control debe explicar qué hace la unidad cuando la presión de succión, la demanda de caudal, la presión de descarga, la temperatura ambiente, el desempeño del enfriador o la composición del gas se alejan de los valores normales. Incluya las zonas de operación permitidas, las zonas de alarma y parada, y las acciones para pasar de una zona a otra.

El control de capacidad puede utilizar control de velocidad, dispositivos de volumen muerto, descargadores, recirculación o derivación, y secuencias de arranque y parada. La secuencia de control seleccionada debe evaluarse en función de la carga del accionamiento, la velocidad mínima, el comportamiento de las válvulas, la temperatura, la carga de la biela, las pulsaciones y la vibración mecánica. Una solución de control de proceso está incompleta si no contempla la respuesta mecánica.

En los proyectos no deben utilizarse presiones de ajuste públicas. Las regulaciones pueden establecer criterios específicos para instalaciones claramente definidas, pero la matriz aprobada de causa y efecto del sitio, el estudio de seguridad de alivio, el diseño de áreas peligrosas y la jurisdicción determinan cómo debe responder la unidad. Utilice como dato de diseño documentado la norma aplicable para compresores y su edición; el catálogo de normas de API identifica el alcance y la edición actuales de los documentos API pertinentes.

Defina las interfaces de enfriamiento, separación y seguridad

El enfriamiento entre etapas puede reducir la temperatura de entrada a la etapa siguiente y disminuir el trabajo de compresión, pero también puede condensar agua e hidrocarburos. Cada enfriador debe evaluarse teniendo en cuenta la fase aguas abajo, el servicio del separador, la integridad y confiabilidad de los drenajes, la protección de nivel y la ruta de disposición.

Un compresor está diseñado para manejar gas, no una mezcla general de gas y líquido. El enfriamiento puede convertir parte de la corriente de gas en líquido, por lo que el sistema debe separar ese líquido antes de que llegue a la etapa siguiente. Por eso, prometer que se elevará la presión del gas no basta si no se definen los drenajes, la protección de nivel y la respuesta ante el arrastre de líquido.

Defina las pérdidas de presión permitidas a través de los equipos de succión y los enfriadores, tanto limpios como sucios. Confirme el acondicionamiento para invierno, la protección contra congelamiento, el diseño para la temperatura ambiente y los límites del medio de enfriamiento. Especifique qué ocurre si no hay enfriamiento. Evalúe el separador por su capacidad para eliminar gotas en todo el rango de operación, no solo por los datos de su placa de identificación.

La parada y la despresurización requieren un caso de operación propio. La EPA distingue entre paradas operativas y de mantenimiento, paradas de emergencia y pruebas de parada de emergencia; según las instalaciones, el gas aislado puede ventearse, enviarse a una antorcha o tratarse mediante un sistema de recuperación. Defina el volumen aislado, el destino, el control de ignición, la duración permitida, las condiciones de reinicio y la responsabilidad de informar conforme a las reglas aplicables.

Las interfaces de seguridad no son accesorios del compresor. Determinan si la unidad puede entrar, permanecer y salir de cada estado operativo sin transferir a la planta un peligro sin controlar.

Ponga en marcha la unidad con evidencia, no solo con una inspección visual

Acepte la unidad según el desempeño demostrado en servicio, no por el simple hecho de que haya llegado al sitio. La finalización mecánica incluye la verificación de los diagramas de tuberías e instrumentación, la alineación de válvulas, los dispositivos de seguridad, los venteos, los drenajes, la limpieza, los sistemas de lubricación y enfriamiento, las comprobaciones eléctricas, la calibración de instrumentos, las verificaciones de giro, las pruebas de fugas y la simulación de permisos.

La lista de verificación de arranque de Ariel incluye registros de presión y temperatura, verificación de tuberías e instrumentación, protección de seguridad y atención a ruidos o vibraciones anormales. Utilice el procedimiento aplicable del fabricante original, la documentación de la unidad y las reglas del sitio; no se base únicamente en una lista genérica. El catálogo de publicaciones de API confirma que API 618 abarca el compresor y los controles, la instrumentación, los enfriadores y los equipos auxiliares relacionados que deben constar en el conjunto de evidencias del proyecto.

Durante la carga controlada, registre la presión y la temperatura de succión y descarga por etapa, el caudal, la velocidad, la posición de los dispositivos de control, la carga del accionamiento, la vibración, los datos de lubricación, la aproximación del enfriador, los niveles de los separadores, el comportamiento de los drenajes, las observaciones sobre el empaque o los sellos y los eventos relacionados con emisiones.

Identifique el límite de desempeño. La potencia termodinámica del lado del gas, la potencia indicada o derivada de la carga de la biela, la potencia en el eje del compresor y la potencia de entrada al accionamiento no son intercambiables. El registro de aceptación debe identificar el punto de medición, las pérdidas incluidas, la precisión de los instrumentos, el método de cálculo, el método de corrección y la garantía sometida a prueba.

Qué incluir en la solicitud de cotización

Una solicitud de cotización útil incluye el rango de condiciones del gas completo; el flujo de proceso y los límites de suministro; los casos requeridos; las normas y ediciones aplicables; el accionamiento y los servicios auxiliares; los datos de temperatura ambiente y áreas peligrosas; los materiales y la base de corrosión; los criterios de separación y drenaje; la descripción de control; las interfaces de seguridad de alivio, venteo y despresurización; los requisitos de ruido y vibración; las pruebas; la documentación; el alcance de la puesta en marcha y los criterios de aceptación. Cite explícitamente la edición que rige; consulte el catálogo de normas de API para verificar los títulos y las ediciones actuales de los documentos API antes de emitirla.

Solicite al proveedor que explique cómo su sistema de compresión elevadora recibe el gas, controla el gas de entrada y mantiene la presión de salida requerida. La explicación debe distinguir una unidad para petróleo y gas de las soluciones para aire comprimido y justificar la solución de compresión para la fuente de gas. No acepte propuestas de compresión elevadora que no definan el caso de operación.

Solicite a cada proveedor la misma tabla de casos. Normalice las exclusiones, las cargas auxiliares, el servicio de los enfriadores, las pérdidas de presión, las piezas de repuesto, los servicios en campo y los límites de garantía antes de comparar precios. Un precio menor por la unidad puede ocultar equipos adicionales en el sitio, demanda de servicios auxiliares, manejo de emisiones o restricciones operativas.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un compresor elevador de presión para petróleo y gas?

Es un compresor secundario que eleva el gas ya presurizado a una presión requerida más alta.

¿Hay una relación de compresión máxima para un compresor elevador?

No existe un único límite universal, pero las referencias de ingeniería señalan que, en compresores alternativos, cuando la relación de compresión supera 4.0, el gas suele comprimirse en varias etapas, según su calor específico. La relación de presión es un dato para revisar la aplicación. Primero pueden ser determinantes otros factores, como las propiedades del gas, la temperatura de descarga, la eficiencia volumétrica, las cargas de las bielas, el margen del accionamiento, el estado de control y la flexibilidad operativa.

¿Que no se use aceite significa que el gas entregado está libre de contaminantes?

Los cilindros sin lubricación eliminan una vía de inyección de aceite, pero la contaminación aguas arriba, las fugas del empaque, los residuos de desgaste, los productos de corrosión, los materiales y los equipos aguas abajo aún pueden afectar el gas. Defina un objetivo medible de limpieza, un punto de muestreo, un método de prueba y un criterio de aceptación para todo el recorrido del gas.

¿Por qué es importante un separador de succión?

Los compresores están diseñados para manejar gas; la entrada de líquidos puede dañar sus componentes. El separador y sus drenajes y protecciones de nivel ayudan a evitar la entrada de líquidos que podrían causar daños, pero su desempeño debe verificarse en las condiciones de entrada previstas.

¿Qué debe verificarse durante la puesta en marcha?

Verifique el gas real y el caso de servicio, las presiones y temperaturas por etapa, el caudal, el límite de potencia definido, las funciones de control y protección, el enfriamiento y los drenajes, la vibración, la lubricación, las observaciones sobre fugas y la referencia para el monitoreo futuro.

Referencias y fuentes

• Instituto Americano del Petróleo, catálogo de refinación 2025
• Catálogo digital de API
• Manual de aplicación de Ariel: relación de compresión
• Manual de aplicación de Ariel: control de capacidad
• Southwest Research Institute: pruebas de separación de gas y líquido
• Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos: despresurización de estaciones de compresión