Presentacion 2 - Hidraulica de Gasoductos

HIDRAULICA DE GASODUCTOS

1. COMPORTAMIENTO DEL GAS NATURAL EN DUCTOS

11/01/2013

Msc. Gustavo Villavicencio P.

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1. FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE GASODUCTOS El diseño de gasoductos implica el seguimiento de varios pasos progresivos usando leyes científicas básicas y ecuaciones para determinar el tamaño óptimo y las características de operación. Los parámetros que se consideran en el diseño son: 1) Características del ducto. 2) Propiedades físicas del gas natural 3) Relación entre ambos.

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CARACTERISTICAS DEL DUCTO Las características físicas de la tubería afectan el comportamiento del gas natural en el ducto. Específicamente en tres parámetros que se deben considerar en el diseño: 1) Diámetro interno 2) Longitud 3) Rugosidad relativa interna del ducto.

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PROPIEDADES FISICAS DEL GAS Son cuatro propiedades físicas que afectan el diseño de gasoductos: 1) 2) 3) 4)

Calidad del gas natural: Hidrocarburos líquidos, H2S, CO2, etc. Densidad o gravedad específica Compresibilidad Temperatura

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RELACION ENTRE EL DUCTO Y EL GAS El diámetro del ducto, la viscosidad y la velocidad combinadas afectan al flujo, están relacionadas matemáticamente por el número de Reynolds. El número de Reynolds es usado para describir el tipo de flujo que se presenta para un gas natural en particular que fluye a través de un ducto de dimensiones determinadas.

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2. CAIDA DE PRESION EN DUCTOS

Que causas producen que el gas natural fluya del punto A al punto B? Diferencia de presión entre A y B, Pa > Pb Diferencia de elevaciones Fricción entre el gas y la tubería. 11/01/2013

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS METODOLOGIA DE CALCULO La metodología mayormente utilizada consiste de los siguientes pasos: 1) Calcular el número de Reynolds. 2) Utilizar el Diagrama de Moody y/o otro método para determinar el factor de fricción. 3) Utilizar la Ecuación General de Flujo y/o otra ecuación para determinar la caída de presión en un gasoducto.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS PRINCIPIOS UTILIZADOS EN LOS CALCULOS DE FLUJO DE GAS NATURAL.

1. Conservación de Masa: Masa no se puede crear ni destruir. En un ducto, esto significa, que el fluido que entra en la tubería es el mismo que sale o el que se acumula. 2. Conservación de Momentum: La sumatoria de fuerzas que actúan sobre un sistema debe ser igual al cambio de momentum del sistema. El flujo en una tubería siempre es acompañado por la fricción del fluido y la pared de tubo circundante. Esto causa la pérdida de la presión ya que el gas viaja abajo la tubería.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS PRINCIPIOS UTILIZADOS EN LOS CALCULOS DE FLUJO DE GAS NATURAL. 3. Conservación de Energía: La energía dentro de un sistema menos la energía fuera del sistema es igual a la energía acumulada. Quiere decir que la energía en un sistema no puede ser creada ni destruida pero puede cambiar de una forma a otra.

Donde: P = lb/ft2 ρ = lb/ft3 V = ft/s z = ft g = 32.174 ft/s2 11/01/2013

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS PRINCIPIOS UTILIZADOS EN LOS CALCULOS DE FLUJO DE GAS NATURAL. 4. Balance de energía mecánica: Es la ecuación derivada de la combinación de las tres mencionadas previamente. Esta ecuación asume lo siguiente: a) El fluido ingresa a una localización y sale a otra simple (no existe derivaciones) b) Operación en estado estacionario, no varia con el tiempo. c) Composición uniforme del gas a través de todo el sistema.

Donde: KE = Cambios por la energía cinética PE = Cambios por la energía potencial H = Transferencia de energía mecánica por calor, pérdidas por fricción. ME = Energía mecánica añadida al sistema. W = Trabajo en los límites del sistema.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS ECUACION DE BERNOULLI Principio de Conservación de la energía En un fluido que circula, la energía total del fluido permanece constante

Todos los componentes de energía han sido convertidos a unidades de cabeza en pies y g es la aceleración debido a la gravedad.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS CONDICIONES DE REFERENCIA

Varían de acuerdo a contratos Contrato de Exportación de Gas con la Argentina es: 60° F y 14,696 psia Contrato de Exportación de Gas con el Brasil es: 68° F y 14,696 psia Las condiciones de operación se deben llevar a condiciones base de acuerdo a cada contrato.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS ECUACION GENERAL DE FLUJO

Una ecuación de flujo es muy importante, tanto para el diseño como para la operación de un gasoducto. La Ecuación de Flujo General es obtenida del balance de energía descrito previamente. alrededor de un elemento de fluido que fluye por una longitud de unidad del tubo en condiciones de flujo estable y equilibrio termodinámico. La derivación de la ecuación es compleja en sí misma. Para más información sobre la derivación, consulte libros de texto sobre la mecánica de fluidos. 11/01/2013

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Donde: Q = Relación de flujo en SCFD(ft3/dia) L = Longitud del tubo, mi (millas) D = Diámetro interno del ducto, in (pulgada) P1 = Presión aguas arriba (psia) P2 = Presión aguas abajo (psia) Pb = Presión base, (psia) (normalmente 14.696 psia) Tb = Temperatura base, °R (normalmente 60+460 = 540°R) Tf = Temperatura promedio del gas, °R G = Gravedad específica del gas. Zf = Factor de compresibilidad del gas a temperatura y presión de operación, adimensional. f = Factor de fricción del gas, adimensional. 11/01/2013

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En la derivación de la presente ecuación, se asume lo siguiente: 1. 2. 3. 4. 5.

Se supone que el flujo sea isotérmico, o se acerque suficientemente a condiciones isotérmicas, como para considerar temperatura promedio. La compresibilidad del gas se asume constante durante todo el ducto. Los cambios de energía cinética se consideran despreciables. Se supone que la velocidad de flujo de gas natural, sea exactamente caracterizada por la velocidad de promedio. El coeficiente de fricción por unidad de longitud, es asumida constante durante toda la línea.

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Ejemplo 1: Calcule la relación de flujo por un gasoducto de 10 millas de largo, NPS 20, grosor de la pared de 0.375 pulgadas, transportando gas natural, con una gravedad de 0.6 y un factor de compresibilidad de 0.85. Las presiones de entrada y de salida son 1000 psig y 800 psig respectivamente. La temperatura y presión base son 60F y 14.7 psia. El temperatura promedio del gas es 70°F. Los efectos de elevación no se toman en cuenta y se asume un factor de fricción f = 0.02

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS EFECTO DE LA ELEVACION EN EL DUCTO

Longitud equivalente (adimensional)

S = Parámetro de ajuste de elevación, adimensional H1= elevación aguas arriba, pies H2= elevación aguas abajo, pies

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS ECUACION GENERAL DE FLUJO CONSIDERANDO EL EFECTO FACTOR DE TRANSMISIÓN F EN VEZ DEL FACTOR DE FRICCIÓN f.

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HIDRAULICA DE GASODUCTOS NUMERO DE REYNOLDS Donde: Re = Número de Reynolds, adimensional V = Velocidad promedio del gas, ft/s D = Diámetro interno, pies P = Densidad del gas, lb/ft3 U = Viscosidad del gas, lb/ft-s Donde: Pb = Presión base, psia Tb = Temperatura base, °R G = Gravedad específica del gas Q = Relación del flujo de gas, SCFD D = Diámetro interno, pulgadas U = Viscosidad del gas, lb/ft-s Re 4000 Re > 2000 y Re