Bases de Diseo de Gasoductos Walter Cornejo 965
Bases de Diseño de Gasoductos Walter Cornejo 965 -4903
Generalidades Configuración (Layout) n Hidráulica n Materiales n Otros n Evaluación Económica n
Configuración • Ducto • Válvulas • Estaciones de Compresión • Medidores y reguladores • Cruces • Protección catódica • Recubrimiento • Telecomunicaciones Trampa de recepción Bridas aislantes Trampa de lanzamiento Cruces gasoducto
Hidráulica (Flujo de Fluidos) Teorema de Bernoulli H= Ze + 144 P + V 2 2 g Pérdidas de fricción Ze 1 + 144 P 1 + V 12 = Ze 2 + 144 P 2 + V 22 + HL 1 2 g 2 2 g A lo largo del flujo de un fluido se producen caídas de presión, que sólo pueden ser explicadas adecuadamente conociendo las propiedades físicas del mismo. Las propiedades que más frecuentemente intervienen en la solución de problemas de flujo de fluidos son la viscosidad y la densidad La viscosidad es dependiente de la temperatura. La viscosidad en la mayoría de los líquidos decrece con el incremento de la temperatura mientras que la de los gases se incrementa. La presión casi no tiene efecto en la viscosidad de líquidos o gases perfectos La gravedad específica es el inverso del volumen específico. La gravedad específica es la relación entre la densidad de un líquido con la densidad del agua a 60°F. En un gas es la relación entre el peso molecular del gas y el del aire. Densidad relativa: MW/28. 9625
Las Pérdidas de Presión La fricción resulta en una pérdida de energía disponible para trabajo Ecuación de Darcy-Weisbach: h. L= (fm)(L)(V 2) (144) D (2 g) (pies) h. L= ( )(fm)(L)(V 2) 2 g. D fm factor de fricción de Moody ff factor de Fanning=0. 25 fm (lb/pulg 2) La ecuación de Darcy-Weisbach es válida para flujo laminar y turbulento de cualquier líquido. La ecuación debe aplicarse en segmentos de línea suficientemente cortos de manera que la densidad del fluido sea constante. Flujo laminar: (Poiseuille's law) fm= 64/Re o ff= 16/Re fm=64 e = 64 12 Pf = 0. 000668 LV DV V 1488 d d 2 Flujo turbulento: (Colebrook) 1 = - 2 log 10 ( + 2. 51 ) /D rugosidad relativa fm 3. 7 D Re fm
Factores de Fricción crítica lamina r turbulenta rugosas Lisa s Re Reynold Number = DV e
La Pérdida de Presión en gases Una diferencia considerable entre los gases y los líquidos es el elevado cambio en el volumen que puede lograrse en los gases, usualmente definido mediante el factor de compresibilidad (Z) Z= 1 / (Fpv)2 Fpv = 1 + ( avg)(3. 444)(105)(10 (1. 785) (S)) Tavg 3. 825 S gravedad específica (aire=1) FLUJO EN UNA SOLA FASE Flujo Isotérmico Q= 38. 77 Tb E Pb Factor de eficiencia Tb = 520°R Pb = 14. 73 psia 1 ff P 12 - P 22 S Lm Tavg Zavg 0. 5 d 2. 5 pies cúbicos/día En la ecuación general, todas las irreversibilidades y no idealidades, excepto las cubiertas por leyes expresas, se incluyen en el factor de fricción
Las Ecuaciones AGA (American Gas Asociation) Flujo Totalmente turbulento 1 = 4 log 10 3. 7 D ff Flujo parcialmente turbulento 1 = 4 log 10 Re ff 1 ff - 0. 6 La Ecuación Weymouth (1912) ff = 0. 008 d 1/3 1 = 11. 18 d 1/6 ff • Gran aproximación en ductos cortos y sistemas de distribución • El grado de error se incrementa con la presión • Una forma de corregir el caudal es : • Q final = Q calculado. 1/ Z
Panhandle A (1940) Panhandle Eastern Pipeline Co Re = 1. 934 QS Q= pc/d d d= pulg 1 = 7. 211 (QS) 0. 07305 ff d • 5'000, 000 < Re < 11'000, 000 • Basado en experiencias medidas • Tuberías lisas • Recomendación: E= 0. 90 - 0. 92 • Es menos precisa con flujos altos Panhandle B (1956) Panhandle Eastern Pipeline Co 1 = 16. 70 (QS) 0. 01961 ff d • El valor E en la práctica es un factor de ajuste • Este factor es un factor práctico resultado de experiencias • El mantenimiento ayuda a E de diseño • Panhandle A parcialmente turbulento • Panhandle B totalmente turbulento
Modelo de Cálculo Condiciones Generales Tb = 520°R = 60°F = 16°C 20°C Pb = 14. 73 psia =1 atm = 1. 033 kgf/cm 2 Características del Fluido Densidad: Características del Ducto Diámetro: Espesor: Rugosidad: t= PD 2 Sadm Cálculo Caudal: Presión Inicial P 1: Presión Final P 2: Longitud: Diámetro externo: Eficiencia (E): (ANSI acero) Opciones Colebrook AGA Panhandle B Weymouth
Ejemplo 1: CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOS PRESSAO BASE: …………………. 1. 033 kgf/cm 2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …. . . 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… (densidad relativa) ESPESSURA DA TUBULACÁO: . . pol RUGOSIDADE DA TUBULACÁO: . . 0. 045 mm VAZZAO: ……………… PRESSAO INICIAL: ………………. PRESSAO FINAL: ………………… COMPRIMENTO: …………………. DIAMETRO EXTERNO: …………. . EFICIENCIA DO GASODUTO: …. . Pressao : presión Fluxo : flujo Tubulacao : tubería x 1000 m 3/dia kgf / cm 2 man. km pol 1 Comprimento: distancia Vazzao : caudal Espessura : espesor
¿qué deseas calcular? CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOS PRESSAO BASE: …………………. 1. 033 kgf/cm 2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …. . . 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… 0. 60 (densidad relativa) ESPESSURA DA TUBULACÁO: . . 0. 50 pol RUGOSIDADE DA TUBULACÁO: . . 0. 045 mm SELECÁO DO CALCULO 0. FIM VAZZAO: DOS CALCULOS ……………… 1. VAZAO PRESSAO INICIAL: ………………. 2. PRESSAO INICIAL PRESSAO FINAL: ………………… 3. PRESSAO FINAL COMPRIMENTO: …………………. 4. COMPRIMENTO DIAMETRO EXTERNO: …………. . 5. DIAMETRO EXTERNO EFICIENCIA DO GASODUTO: …. . 6. MUDAR AS PROPIEDADES 7. IMPRIMIR A TELA x 1000 m 3/dia kgf / cm 2 man. km pol 1
¿con qué método? CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOS PRESSAO BASE: …………………. 1. 033 kgf/cm 2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …. . . 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… 0. 60 (densidad relativa) ESPESSURA DA TUBULACÁO: . . 0. 50 pol RUGOSIDADE DA TUBULACÁO: . . 0. 045 mm VAZZAO: ……………… x 1000 m 3/dia PRESSAO INICIAL: ………………. 150 kgf / cm 2 man. FORMULA DE CALCULO PRESSAO FINAL: ………………… 30 kgf / cm 2 man. 1. COLEBROOK COMPRIMENTO: …………………. 150 km 2. AGA DIAMETRO EXTERNO: …………. . 24 pol 3. PANHANDLE B DO GASODUTO: …. . 0. 92 EFICIENCIA 4. WEYMOUTH
Resultados VOLÚMENES MÁXIMOS Cada 100 Mw de generación hidráulica equivalen a 20 MMpcd 30, 000 familias consumen 1 MMpcd Tubo de 24"; esp: 0. 5 " P 1: 150 bar; P 2: 30 bar Longitud: 150 km
Escenarios de Demanda ELÉCTRICO
Cálculo de L Tubo de 24"; esp: 0. 625 " P 1: 150 bar; P 2: 30 bar Longitud: ? km Bases de Diseño Tb = 20°C P 150 Pb = 1. 033 kgf/cm 2 Para un mismo caudal Temperatura media del gas= 25°C 1 b 2 ar 6 Densidad= 0. 60 b 10 ar Rugosidad de la tubería = 0. 045 mm ba 0 r Espesor de la tubería = 0. 625 " Caudal = 325 MMpcd Máximo = 9207 x 103 m 3 P inicial = 150 kgf/cm 2 L P final = 30 kgf/cm 2 Optimización (Colebrook) Para 600 km P inicial necesaria= 126 kgf/cm 2 = 1840 psi Resultados Para P inicial = 100 kgf/cm 2 Longitud = 889 km sólo cubre 355 kms
Diferentes distancias para distintos caudales Tubo de 24"; esp: 0. 625 " P 1: 150 bar; P 2: 30 bar Longitud: ? Km Distintos caudales P 8 50 D = C Q MP M 4 64 D Q= PC MM Q= MM 324 PCD Q= MM 365 PC D L
El Diseño a futuro P Horizonte de diseño Desarrollo por etapas Caudal máximo económico Mínimos costos de operación Mínima afectación de medio ambiente y población 9 44 D = C Q MP ño M oa 9 5 63 D Q= PC o MM o añ 13 150 300 Q MM = 317 PC D año , 3 er 600 Kms
Estaciones de Compresión P El diseño del gasoducto Camisea-Lima en 1988 según Petroperú consideró tres estaciones de compresión para un flujo de diseño máximo de 450 MMPCD y una presión inicial de 100 bar Q= 31 MMPC 7 D, 3 er año 1 bar = 1. 01972 kgf/cm 2 = 0. 98692 atm. 5 63 D Q= PC o MM o añ 13 Q= MM 44 9 9 o PC añ D o 150 300 400 600 Kms Estaciones intermedias de
Estaciones de Compresión P K = Cp / Cv p 2 65 real --> politrópico isotérmico MW p 1 V 15 1. 04 1. 08 1. 12 1. 16 1. 20 1. 24 1. 28 1. 32 k Simplificado HP= 22. (R). N. (MMscfd). F R : relación de compresión por etapas N : número de etapas En cálculos más R recomendable menor a 4. 5 sofisticados es común Mayores valores llevan a temperaturas elevadas utilizar 1. 25 - 1. 26 como Para gases con gravedad = 0. 8 - 1. 0, usar 20 coeficiente politrópico
Según fabricantes (14. 7 PSI, 60°F) BHP / MMPCD PARA COMPRIMIR GAS NATURAL Knight Industries Una etapa Dos etapas PRESION DE SUCCIÓN (psig) Tres etapas PRESION DE DESCARGA (psig)
Compresión: Resultados Un factor de corrección : (TS/520) * (FGESP) Para: TS = 25°C=537 FGESP = 0. 965 (GPA) Factor= 0. 9965
ASME B 31. 8 - 1995 Diseño Fabricación Instalación Inspección Pruebas Seguridad Operación y Mantenimiento Materiales Tuberías de acero Gasoductos Redes de distribución Ductos menores Estaciones de compresión Estaciones de Medición y regulación Líneas de Servicio : API 5 L : ASTM A 53 : ASTM A 106 Hierro dúctil : ANSI A 21. 52 Tuberías plásticas y accesorios : ASTM D 2513 -2517 Componentes y detalles de fabricación : ANSI B 16…, API. . .
Criterios de diseño Expansión y flexibilidad Esfuerzos combinados Soportes y anclajes t= PD. 2 (SMYS). FET Esfuerzos circunferenciales Factor de localización (F) Factor de tubería (E) Factor de temperatura (T) Material y Dimensionamiento: Diámetro (D) Espesor (t) P presión de diseño SMYS specified minimun yield stenght S ADM = (SMYS). FET esfuerzo admisible t= PD 2 S . ADM
Factores Usual: 0. 72 Ejemplo: API 5 LX 60 SMYS=60000 psi E=1 SADM = 43, 200 psi Si: D = 24" P = 150 bar = 2250 psi Luego: t = 0. 625 pulg (no adic. x corrosión)
Además. . . Tuberías de plástico General: menor o igual a 100 psi P= (2 S) t (0. 32) (D-t) P presión de diseño SMYS long term hydrostatic stenght Diseño termoplástico • operación mayor a -20°F • menor a "long term temp" y 140°F Diseño reforzado • -20°F <operación<150°F • t>0. 060" Estaciones de Compresión Localización. Espacios abiertos Edificio albergue. ANSI/NFPA 220 Salidas >= 2 Áreas cercadas Facilidades eléctricas. ANSI/NFPA 70 Equipos. Tratamiento de gas y otros Tuberías en la estación Válvulas (transporte y distribución) • Espaciamiento • Localización
Evaluación económica Ducto de 600 kms OPCION 1 Ducto 24" Presión máxima : 150 bar t= 0. 688" Peso = 255 kg/m Total en 600 km: 153, 000 ton Tubería : US$ 450 millones OPCION 2 Ducto 24" Presión máxima : 100 bar t= 0. 438" Peso = 164 kg/m Total en 600 km: 98, 400 ton Tubería : US$ 340 millones Demanda indicada No std by compressor Módulos de 15000 HP US$ 1500 / HP US$ 2000 / ton+10000/km-"
Costos de compresión
Comparación de NPV US$0. 75 / mpc GASODUCTO A 150 BAR NPV@10% ING-EG = $122 mm NPV@12% ING-EG = $72 mm GASODUCTO A 100 BAR NPV@10% ING-EG = $103 NPV@12% ING-EG = $58 f
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