NaturaGas
EPA POLLUTION PREVENTER
Lecciones
Aprendidas
De los participantes de Natural Gas STAR
REDUCCION DE EMISIONES AL SACAR DE SERVICIO LOS
COMPRESORES (Reducing Emissions when Taking
Compressors Off-line)
Resumen gerencial
Los compresores se usan a lo largo del sistema de gas natural para movilizar el gas natural desde los lugares de produccion
y procesamiento a los sistemas de distribucion a los consumidores. Cuando se sacan de servicio los compresores, el
metano puede fugarse por una variedad de fuentes, en una cantidad que depende de la presurizacion del sistema. En un
sistema despresurizado, las emisiones de metano son causadas por la "purga" o ventilacion del gas a alta presion que
queda en el compresory de fugas continuas de las valvulas de aislamiento de la unidad. En un sistema completamente
presurizado, el metano puede fugarse por la valvula de purga y la empaquetadura del vastago del compresor.
Los participantes de Natural Gas STAR han descubierto que unos cambios sencillos en las practicas de operacion
pueden ahorrar dinero y reducir significativamente las emisiones de metano. Mantener presurizados los compresores cuando
se sacan de servicio por razones operativas logra un pago inmediato de la inversion; no existen costos de capital y las
emisiones se reducen al evitar el "purgado". Dos opciones adicionales reducen aun mas las emisiones de metano. Conectar las
lineas de ventilacion de purga al sistema de gas combustible permite la ventilacion normal del gas que se usara mientras el
compresor esta fuera de servicio. Puede instalarse un sello estatico en los vastagos del compresor presurizado para eliminar
las fugas de la empaquetadura de los vastagos durante la interrupcion. Los beneficios de estas practicas incluyen menos
liberaciones de gas en mayoreo, tasas menores de fugas y costos menores de combustible, con un plazo de recuperacion
de la inversion en la mayoria de los casos de menos de un ano.
Medida
(Reduction de las emisiones
del compresor por:)
Opcion 1: Mantenerse presurizado
Opcion 2: Mantenerse presurizado
y dirigir el gas para combustible
Opcion 3: Mantenerse presurizado
e instalando un sello estatico
Volumen neto del gas
ahorrado (Mcf/ano)
4,400
+1 ,34s1
+1,200'
Valor neto del gas
ahorrado ($/ano)2
13,200
+4,035'
+3,600'
Costo de
implementation ($)
0
1,250
3,000
Plazo de recuperacion
de la inversion3
Inmediatamente
4 meses
1 0 meses
1 Incremental sobre la base
2 Valor del gas = $3.00/Mcf.
3 Tasa de descuento de 10 por ciento
Esta publicacion es una de la serie de resumenes de Lecciones Aprendidas preparados por EPA en colaboracion con la industria
de gas natural que tratan acerca de las aplicaciones superiores del Programa de Mejores Practicas Administrativas (BMP, por sus
siglas en ingles) de Natural Gas STAR y Oportunidades Identificadas por los participantes (PRO, por sus siglas en ingles).
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Antecedentes
tecnologicos
Los compresores usados a lo largo del sistema de gas natural se ciclan para entrar
y salir de servicio en la linea para cumplir con la demanda fluctuante de gas. El
mantenimiento y las emergencias son otras ocasiones en las cuales los compresores
se sacan de servicio. La practica estandar es "purgar" o ventilar el gas a alta presion
que queda en el compresor cuando se saca de servicio. Aunque el compresor se
purga, las fugas continuan en las valvulas de aislamiento de la unidad. Cuando el
compresor esta completamente presurizado, el metano puede fugarse por la valvula
de purga cerrada y la empaquetadura del vastago del compresor (vea el Cuadro 1).
Cuadro 1: Diagrama del compresor
Panorama de purgado
Empaquetadura
del vastago del
compresor
4
D
Valvula
l^ de purga
*=td (abierta)
sspresuhzado
Valvula de
la unidad
(fuga cerrada)
Panorama presurizado
Empaquetadura
del vastago del
compresor (fuga)
Valvula
de purga
(fuga cerrada)
Valvula de
la unidad
(cerrada)
Fugas
- Valvulas
de la unidad
(1.4 Mcf/hora)
- Purgado
(15 Mcf/evento)
Fugas
- Valvulas de purga
(1.5 Mcf/hora)
- Empaquetadura
del vastago del
compresor
(4 vastagos por
compresor,
0.30 Mcf/hora)
El numero de veces que el compresor se purga para fines operatives depende
de su modalidad de operacion. Algunos compresores tienen carga base, lo que
significa que pueden operar la mayoria del tiempo, y pueden purgarse solamente
tres veces al ano. El tiempo fuera de servicio de estos compresores es un promedio
de 500 horas al ano. Otros compresores funcionan en servicio de carga maxima,
entrando en servicio conforme aumenta la demanda y se requieren presiones mas
altas de tuberia, y sale de servicio cuando la demanda del mercado baja. Estos
compresores pueden estar fuera de servicio un promedio de 40 veces al ano,
por aproximadamente 4,000 horas.
La proporcion de los compresores con carga base a los compresores de carga
maxima varia ampliamente entre las companias de tuberias por las estrategias
distintas de operacion, la configuracion de los sistemas y los mercados. En algunas
tuberias, el 40 por ciento de los compresores pueden ser de carga base; en otros,
el 75 por ciento pueden operar en modalidad de carga base.
La fuente mas grande de emisiones de metano relacionadas con sacar de servicio
compresores es del purgado o ventilado del gas que queda en el compresor (por
ejemplo, la despresurizacion del programa). En promedio, un solo purgado
causara la liberacion de aproximadamente 15 Mcf de gas a la atmosfera.
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Las valvulas de aislamiento son otra fuente de emisiones de metano de los
compresores que estan fuera de servicio. Estas valvulas grandes aislan el compresor
de la tuberia y pueden fugar cantidades importantes de metano entre la tuberia de
presion alta y la presion atmosferica. Una tasa tipica de fuga en las unidades es
1,400 scf por hora (scfh). Aunque las valvulas de la unidad reciben mantenimiento
periodicamente para reducir fugas, su poca accesibilidad causa mayores fugas
entre las fechas de mantenimiento programado.
Otras fuentes de emisiones en los compresores fuera de servicio son las
empaquetaduras de los vastagos del compresor y las valvulas de purga. Los sellos
de los vastagos de los pistones del compresor tendran fugas durante las operaciones
normales, pero estas fugas aumentan aproximadamente cuatro veces (a cerca
de 75 scfh por vastago, o 300 scfh en un compresor de cuatro cilindros) cuando el
compresor esta parado y completamente presurizado, es decir, sin purgar. Las fugas
ocurren a traves de espacios entre los anillos de los sellos y su ranuras de apoyo,
las cuales estan cerradas por el movimiento dinamico del vastago del pison y el
aceite lubricante (vea las Lecciones Aprendidas de EPA: Reduce/on de Emisiones
de Metano de los Sistemas de la Empaquetadura del vastago de Compresor). Las
valvulas de purgado tambien tienen fugas de los sistemas presurizados a una
tasa tipica de 150 scfh.
Los participates de Natural Gas STAR han reducido significativamente las emisiones
de metano de los compresores fuera de servicio por razones operativas aplicando
una o mas de las siguientes tres medidas:
1. Mantener presurizado el compresor. Evitar las emisiones al purgar el compresor
manteniendolo completamente presurizado. Esto reducira sustancialmente la tasa
de fuga de 1,400 scfh en la valvula de la unidad a aproximadamente 450 scfh de la
valvula de purga y la empaquetadura del vastago. Al no requerirse modificaciones
de las instalaciones, esta es la mejor manera para todos los compresores siempre
que sea posible.
2. Mantener presurizado y dirigir el gas para combustible. Conectar las lineas
de ventilacion de purga al sistema de gas combustible permite la ventilacion normal
del gas que se usara mientras el compresor esta fuera de servicio. Una vez que la
presion entre el sistema combustible y el compresor se iguale, el compresor "flota"
a la presion de gas combustible (tipicamente 100 a 150 libras por pulgada cuadrada
(psi)). Las fugas de la empaquetadura del compresor y la ventila de purga se reducen
a aproximadamente 125 scfh. Las fugas a lo largo de las valvulas de la unidad en el
compresor continuan alimentando el sistema combustible a traves de la conexion
de la ventila.
3. Mantener la presurizacion e instalar un sello estatico. Un sello estatico en los
vastagos del compresor elimina las fugas de la empaquetadura de vastagos durante
la interrupcion cuando el compresor se mantiene presurizado. Un sello estatico
se instala en cada eje de vastago fuera de la empaquetadura convencional. Un
controlador automatico se activa cuando el compresor esta fuera de servicio
para meter un sello ajustado alrededor del eje; el controlador desactiva el sello en
el arranque. Las fugas ocurren solamente de la valvula de purga a aproximadamente
150 scfh cuando esta a presion del sistema.
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Proceso
de decision
Beneficios economicos y para el medio ambiente
Los participantes de Natural Gas STAR pueden lograr beneficios importantes
economicos y ambientales al tomar pasos sencillos para evitar el purgado, o la
despresurizacion de los compresores fuera de servicio siempre que sea posible:
* Menos liberaciones de gas en grandes cantidades: Al no despresurizar
los compresores fuera de servicio, los operadores pueden ahorrar 15 Mcf
cada vez que el compresor se saque de servicio. Suponiendo que las
unidades con carga base se purguen tres veces al ano y las unidades
optimas 40 veces, podran ahorrarse entre 45 Mcf y 660 Mcf al ano.
* Tasas menores de fuga: Mantener los compresores completamente
presurizados evita fugas importantes a traves de las valvulas de la unidad
de 475 Mcf al ano para las unidades de carga base y 3,800 Mcf al ano
para las unidades de carga maxima.
* Costos mas bajos de combustible: Dirigir el gas al compresor para el
sistema de combustible usa el gas combustible que de otra manera se
habria ventilado de los compresores, por lo tanto reduciendo el costo
de combustible.
Los operadores pueden con facilidad y economicamente reducir las emisiones
de metano de los compresores fuera de servicio siguiendo los cuatro pasos a
continuacion:
Paso 1: Identificacion de alternativas al purgado. Las tres opciones, descritas
en la seccion Antecedentes Tecnologicos, estan disponibles cuando se sacan de
servicio los compresores por razones operativas:
* Opcion 1, mantener el compresor presurizado
* Opcion 2, mantener el compresor presurizado y dirigir el gas para
combustible
* Opcion 3, mantener el compresor presurizado e instalar un sello
estatico
La mejor opcion para todos los compresores es simplemente evitar despresurizarlos
cuando sea posible. Las Opciones 2 y 3 ofrecen ahorros adicionales de gas cuando
se usan en conjunto con la Opcion 1. La Opcion 2 puede usarse cuando se sacan de
servicio los compresores para darles mantenimiento o por razones de emergencia;
purgar el gas del compresor al sistema de combustible antes de purgar el compresor
puede reducir las emisiones y ahorrar dinero.
Paso 2: Calculo de la cantidad y el valor de las emisiones de metano. El
total de las emisiones de metano de los compresores que se sacan de servicio y
se purgan es la suma de las perdidas de la ventilacion del compresor y las perdidas
a traves de las valvulas de la unidad por el periodo de tiempo que el compresor este
despresurizado. El aporte clave para calcular las perdidas totales por compresor al
ano incluyen:
* El numero de purgados al ano (B).
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* El volumen del compresor presurizado entre las valvulas de aislamiento
de la unidad (V). El volumen del gas ventilado por purgado depende del
volumen de la cavidad del compresor, la tuberia entre las valvulas de aisla-
miento y la presion. Usando la Ley de Henry (el volumen es inversamente
proporcional a la presion o P^ = P2V2) esto puede calcularse directamente.
(El valor predeterminado de EPA es 15 Mcf por purgado.)
* La duracion de los periodos fuera de servicio (T).
* La tasa de fugas en las valvulas de la unidad (U). Las fugas de las valvulas
de la unidad pueden medirse en la ventila de purgado usando dispositivos
manuales de medicion. Las tasas de fuga generalmente aumentan a partir
del ultimo mantenimiento de las valvulas. En este analisis se usa un valor
predeterminado de 1,400 scfh.
Las emisiones totales (TE) se calculan asi: TE = BV + TU. El valor total (TV) o costo
de estas emisiones es TE veces el precio (P) del gas o TV = TE x P.
La mayoria de esta informacion esta facilmente accesible en los registros de operacion
y las especificaciones de la placa de datos, o puede calcularse. El Cuadro 2 presenta
dos calculos de muestra de perdidas, una para un compresor con carga base y
otra para uno de carga maxima.
Cuadro 2: Calculos de muestra
Supuestos: Carga base
Num. de purgados al ano
Volumen de gas comprimido (scf)
Horas fuera de servicio al ano
Tasa de fugas de valvula de la unidad (scfh)
3
15,000
500
1,400
Muestra 1: Compresor con carga base
Emisiones totales
Valor total
Carga maxima
40
15,000
4,000
1,400
= (3 x1 5 Mcf) + (500 horas x 1 .4 Mcf/h)
= 745 Mcf/ano
= 745 Mcf/ano x $3.00/Mcf
= $2,235 al ano
Muestra 2: Compresor de carga maxima
Emisiones totales
Valor total
= (40x15 Mcf) + (4,000 horas x 1 .4 Mcf/h)
= 6,200 Mcf/ano
= 6,200 Mcf/ano x $3.00/Mcf
= $1 8,600 al ano
-------
Paso 3: Calculo del costo de cada alternativa. El costo de cada alternativa
incluye la inversion de capital, los costos incrementales de operacion y mantenimiento
y la tasa de fugas fuera de servicio relacionadas con la opcion. El costo de cada
opcion se resume a continuacion.
* Opcion 1, mantener el compresor completamente presurizado. Esta
opcion no tiene capital ni costos de operacion y mantenimiento. Cuando se
instituye, las fugas ocurren en la empaquetadura del vastago del compresor
(300 scfh por compresor) y la valvula de purga (150 scfh), con un total
aproximado de 450 scfh cuando el compresor esta completamente
presurizado.
* Opcion 2, mantener presurizado y conectar el compresor al sistema
de gas combustible. Esta opcion implica afiadir tuberia y valvulas para
purgar gas de un compresor parado dentro del sistema de gas combustible
de la estacion del compresor. El costo de modificacion de las instalaciones
fluctuan entre $900 y $1,600 por compresor. Determinantes importantes
del costo son el tamano del compresor, el numero de accesorios, las
valvulas y los apoyos, el tamano, la longitud de tuberia y si se instala un
analizador automatico. Una vez que la presion del compresor se equilibre
con la presion de la linea de combustible, las fugas de la empaquetadura
del vastago del compresor bajan a 50 scfh aproximadamente y las de la
valvula de purga a 75 scfh aproximadamente, dando un total de 125 scfh.
* Opcion 3, mantenerlo presurizado e instalar un sello estatico positive
en los vastagos del compresor. Aunque es tecnicamente posible y
compatible con cualquiera de las dos, la Opcion 3 no es economica
cuando se usa en conjunto con la Opcion 2 (debido a que las tasas de
fuga son bastante menores cuando se ahoga el compresor a presiones
de linea de combustible menores). El costo de los sellos estaticos es
aproximadamente $500 por vastago, mas $1,000 por un controlador
automatico de activacion para el compresor entero, por un total de $3,000
por compresor de cuatro vastagos. Con las fugas de la empaquetadura
de los vastagos del compresor practicamente eliminadas, la unica fuga
restante es de las valvulas de purgado, aproximadamente 150 scfh.
El Cuadro 3 muestra el costo relacionado con estas opciones. Las fugas fuera de
servicio son la suma de las fugas de la empaquetadura del vastago del compresor
y la valvula de purgado, anualizadas usando la duracion de horas fuera de servicio
en el Cuadro 2.
Paso 4: Analisis de los aspectos economicos. Una vez que se calculan la
cantidad y el valor de las emisiones de metano y el costo de cada alternativa,
debe realizarse el analisis economico. Una manera sencilla de evaluar los aspectos
economicos es mediante un analisis de flujo de caja, en el cual el costo del primer
ano de cada opcion se compara con el valor descontado de la cantidad neta de
gas ahorrado.
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Cuadro 3: Costo de capital y tasas de fuga de las alternativas
Capital
L Option 1 Option 2 Option 3
mantenerlo mantenerlo presurizadoy mantenerlo presurizado e
presurizado enlazado al gas combustible instalar un sello estatico
Ninguno
$1,250/compresor
$3,000/compresor
Fugas fuera de servicio
Carga base
Carga maxima
225 Mcf/ano
$675
1 ,800 Mcf/ano
$5,400
63 Mcf/ano
$189
500 Mcf/ano
$1,500
75 Mcf/ano
$225
600 Mcf/ano
$1,800
Nota: El panorama con la carga base supone que el compresor esta fuera de servicio 500 horas/ano;
el panorama de carga maxima supone que el compresor esta fuera de servicio 4,000 horas/ano.
Costo del gas = $3.00/Mcf.
Para la Opcion 1, los ahorros son la diferencia entre la cantidad de emisiones de
metano (que se calculan en el Cuadro 2) y las fugas fuera de servicio que ocurren
cuando el compresor se mantiene completamente presurizado (que se calculan en
el Cuadro 3). Los ahorros de las Opciones 2 y 3 se derivan al reducir mas las fugas
netas de gas en la Opcion 1 haciendo cambios a las instalaciones.
El Cuadro 4 presenta los ahorros calculados en la Opcion 1 y los ahorros incrementales
de establecer las Opciones 2 y 3 ademas de la Opcion 1. La Opcion 1 demuestra
una recuperacion inmediata de la inversion al no requerir ninguna inversion. En la
Opcion 3, los ahorros incrementales en una modalidad de carga base no recuperan
la inversion para las instalaciones en un periodo de cinco anos. Aun mas, los ahorros
incrementales de instalar los sellos de los vastagos de piston ademas del enlace del
sistema al gas combustible (Opcion 2) no son atractivos economicamente para
la modalidad de carga base ni para la de carga maxima.
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Cuadro 4: Comparacion economics de las opciones
Ahorros netos
de gas (Mcf/ano)
Ahorros de
dolares/ano1
Inversion de
las instalaciones
Plazo de recuperation
de la inversion2
IRR3
I Option 1
mantenerse
presurizado
Base
520
$1,560
0
Inmediato
>100%
Optima
4,400
$13,200
0
Inmediato
>100%
mantenerlo
presurizado y enlazado
al gas combustible
Base
+207
$621
$1,250
3 anos
41%
Optima
+1,345
$4,035
$1,250
4 meses
323%
Option 3
mantenerlo
presurizado e instalar
un sello estatico
Base
+150
$450
$3,000
Ninguno
Negative
Optima
+1,200
$3,600
$3,000
1 0 meses
118%
1 Valor supuesto del gas de $3.00/Mcf.
2 Vida de 5 anos y tasa de descuento del 10 por ciento
3 Vida de 5 anos (sin incluir los costos anuales de operacion y mantenimiento)
Consejos de implementacion
A continuacion se encuentra una lista de consejos que los participantes de
Natural Gas STAR usan para evaluar las opciones y reducir las emisiones de
los compresores fuera de servicio:
* Los operadores generalmente realizan servicios de mantenimiento de la
estacion entera cada 12 a 18 meses, dando reparacion general a las valvulas
aisladoras de la unidad y haciendo las modificaciones principales como los
enlaces de gas combustible. Para el final del ciclo operative entre servicios de
mantenimiento, las valvulas de la unidad, las valvulas de purgado y las empa-
quetaduras de los vastagos de compresores muy probablemente sufren tasas
maximas de fugas.
* La seguridad puede convertirse en un problema cuando mantener la presion
del gas en los compresores parados causa un aumento en las fugas de la
empaquetadura de los vastagos. Instalar un sello estatico en los vastagos
del compresor elimina estas fugas.
* La despresurizacion de los compresores fuera de servicio para gas combustible
es eficaz solamente cuando existe suficiente demanda de combustible para
consumir el gas a la tasa de la fuga de la valvula de aislamiento de la unidad
(calculada en 1.4 Mcf/h).
* Mantener ajustadas las valvulas de aislamiento de la unidad. El sellado ajustado
de las valvulas de aislamiento de la unidad eliminara el 90 por ciento de las
emisiones anuales de las practicas tipicas fuera de servicio y de purgado. Sin
embargo, las reparaciones son costosas en terminos de materiales de valvulas
y mano de obra y emisiones de sacar de servicio y despresurizar la estacion
entera para tener acceso a esas valvulas.
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Estudio de un caso: Experiencia de un participante
Con el interes creciente del aumento de ahorros y la reduction de las fugas de gas, la
Compania A investigo varias practices para ayudar a reducir las fugas de la empaquetadura
de los vastagos del compresor. Durante el perfodo cuando los compresores se sacan de servicio,
la companfa enlazo el compresor al sistema de gas combustible. A esta presion mas baja del
cilindro compresor, los casos de fuga a traves de la empaquetadura de los vastagos y las valvulas
de purgado se redujo considerablemente. En 3,022 cilindros compresores (un total de 577
unidades compresoras) operando el 40 por ciento del tiempo, el total de los ahorros de
gas llego a 1.58 mil millones de pies cubicos al ano.
Lecciones
aprendidas
Los participantes descubriran que se obtendran reducciones importantes de
emisiones y ahorros de costo al evitar el purgado de rutina de los compresores,
y en donde corresponda, la eliminacion o redireccion de la fuga. Los ahorros se
acumulan al retener producto o el desplazamiento a gas combustible. Las princi-
pales lecciones aprendidas de los participantes de Natural Gas STAR son:
* Evitar despresurizarlos siempre que sea posible. Pueden obtenerse grandes
ahorros inmediatos sin costo alguno manteniendo presurizados los compresores
que esten fuera de servicio.
* Debe educarse al personal de campo sobre los beneficios de evitar el purgado.
* Identificar el horario en que se sacaran de servicio los compresores para
determinar si funcionan con carga base o carga maxima. Usar esta informacion
para realizar un analisis economico de las Opciones 2 y 3.
* Preparar un horario para adaptar los compresores con sistemas dirigidos
con gas combustible instalando un sello estatico a los vastagos del compresor,
en donde se justifique economicamente.
* Registrar las reducciones de cada compresor.
* Las reducciones de emisiones de metano deben incluirse en los informes
anuales presentados como parte del Programa Natural Gas STAR.
Nota: La informacion de costo provista en este documento se basa en calculos
para Estados Unidos. Los costos de equipo, mano de obra y el valor del gas
variaran dependiendo del lugar, y podrian ser mayores o menores que en los
Estados Unidos. La informacion sobre costo presentada en este documento
solamente debe usarse como guia al determinar si las tecnologias y las
practicas son convenientes economicamente para sus operaciones.
-------
Borders, Robert S. C. Lee Cook, contacto personal.
Referencias
Campbell, Alastair J. Bently Nevada Corporation, Houston, Texas. Optical Alignment
of Reciprocating Compressors.
"Compressor Shutdown Leakage." Pipeline & Gas Journal, diciembre de 1985.
France Compressor Products. Mechanical Packing - Design and Theory of
Operation, Bulletin 691.
Maholic, James. France Compressor Products, contacto personal.
Minotti, Marcello. ENRON, contacto personal.
10
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11
-------
4>EPA
Agenda de Proteccion del Medic
Ambiente de los Estados Unidos
Aire y Radiacion (6202J)
1200 Pennsylvania Ave., NW
Washington, DC 20460
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