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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
Facultad de Ingeniería Mecánica
Plan de Tesis:
Propuesta de las condiciones de operación para optimizar la velocidad en distribución de Gas Natural en la región Lima
Presentado por:
Pérez Solis Richard Pedro
Para optar el título de:Ingeniero Mecánico
Huancayo, febrero de 2016
ÍNDICE
ÍNDICE..........................................................................................................................................................21 PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO.....................................................................................................3
1.1 Planteamiento del problema 3
1.2 Formulación del problema5
1.2.1 Problema general...................................................................................................................61.3 Objetivos de la investigación 6
1.3.1 Objetivo General....................................................................................................................61.4 Justificación e importancia del proyecto 6
1.4.1 Razones que motivan la investigación...................................................................................61.4.2 Importancia del tema de investigación..................................................................................6
2 MARCO TEÓRICO..............................................................................................................................72.1 Antecedentes del estudio 7
2.2 Bases teóricas 11
2.2.1 Partículas Sólidas de Erosión...............................................................................................112.2.2 Ecuación sobre la velocidad del Gas...................................................................................142.2.3 Ecuación sobre la velocidad de erosión...............................................................................152.2.4 Número de Reynolds en flujos de gas.................................................................................172.2.5 Modelo de Erosión...............................................................................................................182.2.6 Tasa de Erosión Global........................................................................................................192.2.7 Límite de velocidad del gas basado en daños indirectamente definidos.............................202.2.8 Prácticas en la Industria.......................................................................................................20
2.3 Bases conceptuales 22
2.3.1 Definiciones conceptuales...................................................................................................223 HIPÓTESIS.........................................................................................................................................23
3.1 Hipótesis de investigación23
3.2 Operacionalizacion de las variables 23
4 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN...................................................................................254.1 Método de investigación 25
4.2 Tipo de investigación 25
4.3 Nivel de investigación 25
4.4 Diseño de la investigación26
4.5 Población y muestra o unidad de observación 26
4.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 26
4.6.1 Diseño en Cuadrados Latinos..............................................................................................265 ASPECTOS ADMINISTRATIVOS....................................................................................................29
5.1 Cronograma de actividades 29
5.2 Presupuesto y financiamiento 30
6 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA.....................................................................................................307 ANEXOS.............................................................................................................................................31Anexo: matriz de consistencia.....................................................................................................................33Anexo: matrices de formulación.........................................................................................................35
1 PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
1.1 Planteamiento del problema
El gas natural al igual que el petróleo se encuentra acumulado en
el subsuelo en estructuras geológicas denominadas trampas.
Aunque generalmente se encuentra asociado al petróleo, existen
yacimientos donde el principal producto es gas, a los cuales se les
denomina yacimientos gasíferos. Si el gas en los yacimientos
contiene propano, butano y fracciones más pesadas en cantidad
suficiente, se le denomina gas húmedo, y si es mayormente gas
metano, se le denomina gas seco.
Producto de la dinámica del sistema, el gas sufre una serie de
cambios de presión, temperatura y velocidad, las cuales deben ser
evaluadas a fin de minimizar estas variaciones que generan
problemas operacionales en su transporte y distribución por red de
ductos.
En la actualidad el OSINERGMIN, es la entidad que está a cargo
de la supervisión y fiscalización del sistema de distribución de Gas
Natural a nivel nacional. Mediante Resolución Suprema N° 15 –
2002-EM, de fecha 29 de abril de 2002, el Ministerio de Energía y
Minas autoriza la cesión de posición contractual del Contrato de
Concesión de Distribución de Gas Natural por red de Ductos en
Lima y Callao, otorgado a Gas Natural de Lima y Callao S.R.Ltda.
En el “Contrato de Concesión de Distribución de Gas Natural por
red de Ductos en el departamento de Lima y la provincia
constitucional del Callao”, en la sección Anexo N° 1, se detalla las
Características Técnicas y condiciones para el diseño, construcción
y operación del sistema de distribución.
Correspondiente a los Parámetros Específicos de Diseño, se indica
que la velocidad del gas natural en el ducto no debe superar los 20
m/s en las diferentes secciones de la red de distribución
Con fecha 29 de junio de 2015, la Agencia de Promoción de la
Inversión Privada, remite al Osinergmin el Modelo de Contrato de
Concesión del Sistema de Gas Natural Centro Sur para su
evaluación.
Con miras a justificar la velocidad máxima de operación en los
sistemas de distribución que serán detallados en los contratos de
Concesión organizados por la Agencia de Promoción de Inversión
Privada, por tanto se calculará las tasas de erosión que son
provocadas por la velocidad de erosión en el sistema de
distribución por red de ductos en la región de Lima en función de
los factores que generan el fenómeno, tomando como velocidad
máxima de operación 40 m/s.
A continuación se muestran los gráficos sobre los caudales (Millón
de pies cúbicos por hora) y presiones de operación entregados al
sistema de distribución de gas natural en la región Lima en el
primer mes del año.
Las velocidades de operación dependen del caudal, presión de
operación y del diámetro del ducto, el valor numérico es calculado
mediante la ecuación 1, para los cuadros mostrados se puede
determinar que las velocidades fluctúan entre 8.75 m/s y 13.12 m/s,
pero estos valores son dinámicos debido a que una variación en la
presión ocasionaría un aumento considerable en su valor, a
continuación se muestra los valores de la presión de operación en
el sistema.
Gráfico 1: Caudales de entrega a los City Gates
Gráfico 2: Presiones de Operación
El contrato Boot de Concesión1, menciona que la presión mínima
de entrega del sistema es de 40 bar y para el caso de generadores
electricos 32 bar, las velocidades límites que se podrían ocasionar
con la variaciones mostradas serían 12.49 y 18.74 m/s, los cúales
sobrepasan la recomendación de operar al 50% de la velocidad de
erosión (20 m/s)
1.2 Formulación del problema
El siguiente proyecto de investigación tiene como finalidad
identificar los factores sobre las condiciones de operación que
permitan optimizar la velocidad en los ductos de acero en
distribución de Gas Natural en la región Lima.
1.2.1 Problema general
¿Cuáles son las condiciones operación que permiten
optimizar la velocidad en la distribución de Gas Natural en
la región Lima?
1.3 Objetivos de la investigación
1.3.1 Objetivo General
Proponer las condiciones de operación para optimizar la
velocidad en la distribución de Gas Natural en la región
Lima.
1.4 Justificación e importancia del proyecto
1.4.1 Razones que motivan la investigación
1 Contrato de Concesión de Distribución de Gas Natural por red de Ductos en el departamento de Lima y la provincia constitucional del CallaoAnexo 1, Sección 3.0 .- Bases para el diseño y operación 3.6 Condiciones de operación referenciales
El presente trabajo de investigación es necesario debido a
que beneficiará al Osinergmin con respecto a emitir una
opinión técnica y sustentar el valor máximo para la
velocidad de operación, que son suscritos en los contratos
BOOT de concesión en los sistemas de distribución y así
garantizar la integridad del gasoducto instalado al término
de los 33 años de concesión otorgados por el estado.
Actualmente el sistema de Distribución de la región Lima,
presenta la más compleja configuración, por tal motivo será
motivo de análisis.
1.4.2 Importancia del tema de investigación
A pesar de que la erosión de partículas sólidas no se ha
entendido completamente, es necesario estimar las tasas
de erosión o al menos predecir velocidades de operación
que no causarían erosión excesiva. Históricamente, el
Instituto Americano del Petróleo recomienda la práctica
14E (RP API 14E) que se ha utilizado como una guía para
evitar daños por erosión significativa. Esta guía ofrece una
ecuación para calcular una "erosión" o un umbral de
velocidad, presumiblemente una velocidad de flujo que es
seguro para operar.
El presente trabajo de investigación determinará las curvas
de la velocidad de operación del sistema de distribución de
gas natural, que permitan mostrar las variaciones y efectos
que pueden surgir, cuando existen fluctuaciones entre las
presiones y características del diseño del sistema que
puedan ocasionar un deterioro acelerado del gasoducto por
el efecto de erosión interna a causa de excesiva
velocidades de operación.
Lamentablemente en el desarrollo de la fórmula del
Instituto Americano del Petróleo para determinar la
velocidad de erosión solo depende de la presión de
operación y no toma en consideración propiedades del
gasoducto (material, diámetro y espesor) como también
características del particulado (material, diámetro y flujo).
Estos son las principales variables que se ingresaran en el
simulador SOLIDWORKS – Flow Simulation, para el cálculo
de las tasas de erosión en las paredes de los ductos y
poder determinar las velocidades óptimas de operación.
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes del estudio
En la Universidad de Oriente Núcleo de Anzoátegui el año 2010 se
presentó la tesis “Evaluación hidráulica de la red de recolección de
gas del campo Siporo, ubicado en los límites del estado Barinas.” por
Bricmar José Córdova Acosta y Erasmo José Suárez Galantón para
optar el título profesional en Ingeniería Química. De este trabajo de
investigación se concluye:
Las líneas de flujo, múltiples de producción, procesos de cabezales
de pozos y otras líneas que transportan gas y líquido en flujo bifásico
deben diseñarse primeramente con base en la velocidad erosional del
fluido. La experiencia ha demostrado que la pérdida de espesor de la
pared ocurre por un proceso de erosión/corrosión. Este proceso está
caracterizado por altas velocidades del fluido, presencia de arena,
contaminantes corrosivos tales como: CO2, H2S y de accesorios que
perturban la trayectoria de la corriente como los codos (Cordova
Acosta & Suárez Galantón, 2010).
La experiencia en la industria indica que valores de c = 100 para
procesos continuos y c = 125 para procesos intermitentes, son
conservatorios. Cuando la limitación de ruido sea una consideración
importante, se recomienda velocidades comprendidas entre 50 y 60 %
de la velocidad de erosión (Cordova Acosta & Suárez Galantón,
2010).
En la Universidad Nacional Autónoma de México en el año 2011 se
presentó la tesis “Estudio preliminar sobre la erosión por arena en
tuberías que transportan hidrocarburos”, presentado por Miguel Ángel
Filiberto Sánchez Máximo para optar el título profesional en Ingeniero
Petrolero bajo esta investigación se concluye:
El coeficiente de partículas de erosión es altamente dependiente
sobre la velocidad de impacto de las partículas. Esto es generalmente
aceptado ya que el coeficiente de erosión es proporcional a la
velocidad de impacto de la partícula planteada a una potencia n (el
rango de n es de 2 y 3 para el acero).
En casos donde la erosión está dado por el impacto de la velocidad
de la partícula, la erosión es probable que sea peor que la velocidad
de flujo. Pequeños incrementos en la velocidad del fluido pueden
causar incrementos súbitamente en la relación de erosión cuando
prevalecen estas condiciones (Filiberto Sánchez, 2011).
Dentro de fluidos de densidad viscosa las partículas tienden a ser
transportadas alrededor de las obstrucciones por el fluido que impacta
sobre ellos. En cambio, en fluidos con bajas viscosidades y bajas
densidades las partículas tienden a viajar en líneas rectas,
impactando con la pared cuando el fluido cambia de dirección. La
erosión de partículas es por lo tanto más probable que ocurra en
flujos de gas, en parte porque tiene una baja viscosidad y densidad y
en parte porque el sistema de gas opera a altas velocidades (Filiberto
Sánchez, 2011).
La corrosión por erosión, tiene generalmente el aspecto de pequeños
hoyos lisos. El ataque también puede exhibir un patrón direccional
relacionado con la trayectoria tomada por el corroyente, al igual que
por movimientos sobre la superficie del metal. La corrosión por
erosión prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia,
choque, etc. De manera frecuente, aparecen en bombas,
mezcladores y tuberías, particularmente en curvas y codos. Las
partículas en suspensión duras son también frecuentes causantes de
problemas. Esto se evita mediante cambios en el diseño o
seleccionando un material más resistente. Este material, además de
ser más duro, generalmente debe presentar una resistencia a la
corrosión superior incluso en condiciones estancadas o sin
movimiento de fluidos (Filiberto Sánchez, 2011).
En la Universidad Simón Bolivar, el año 2012 se presentó la tesis
“Estudio del Flujo Líquido Sólido y el fenómeno de erosión en
boquillas” por Vanessa Isabel Mendonca Goncalves para optar el
título profesional en Ingeniería Mecánica. De este trabajo de
investigación se concluye:
El desgaste erosivo es causado por el impacto de partículas sólidas o
líquidas contra la superficie de un objeto. La erosión de superficies
sólidas se debe a dos mecanismos separados: Deformación y corte
(Mendonca Goncalves, 2012).
La deformación ocurre cuando varias partículas impactan la superficie
con un alto ángulo de impacto que deforma plásticamente las capas
de material hasta causar finalmente la pérdida de material a través de
la fragmentación de la superficie. Por otro lado, el corte ocurre a bajos
ángulo de impacto que genera un rasguño sobre la superficie. Los dos
mecanismos de erosión se muestran en la siguiente figura (Mendonca
Goncalves, 2012):
Gráfico 3: Mecanismo de erosión
El desgaste por erosión implica una serie de mecanismos los cuales
están en gran parte controlados por diferentes parámetros como el
ángulo de impacto, la velocidad, el tamaño y el material de la
partícula, el material de la superficie, entre otros (Mendonca
Goncalves, 2012).
Ángulo de Impacto: “Es el ángulo entre las superficie erosionada
y la trayectoria de la partícula antes del impacto” (Mendonca
Goncalves, 2012)
El ángulo de impacto puede variar entre 0° y 90°, como es de
esperarse para un ángulo de cero no hay erosión, ya que las
partículas no impactan la superficie. La influencia del ángulo de
impacto depende del material de la superficie impactada, si la
superficie es un material dúctil la máxima tasa de erosión se
encuentra a bajos ángulos de impacto (entre 20° y 30°), por lo
contrario si es material frágil la máxima tasa de erosión se presenta a
altos ángulos de impacto, cercanos a 90° (Mendonca Goncalves,
2012).
La turbulencia afecta el desgaste erosivo, ya que es más probable
que las partículas en flujo turbulento impacten sobre la superficie que
en un flujo laminar. La figura mostrada a continuación muestra la
diferencia del comportamiento de partículas en un flujo laminar y uno
turbulento (Mendonca Goncalves, 2012):
2.2 Bases teóricas
2.2.1Partículas Sólidas de Erosión
Gráfico 4: Representación del ángulo de impacto
Gráfico 5: Comportamiento de las partículas para los tipos de flujos
Durante la producción de petróleo y gas, las partículas sólidas
están a menudo presentes en los fluidos de producción. Las
partículas pueden ser de arena o carbonato, que se libera desde
el depósito o un material tal como magnetita resultante de escala.
Las partículas son un subproducto perjudicial de la producción y
no sirven a ningún propósito favorable (Revie, 2015)
Uno de los resultados potencialmente catastróficos de la
presencia de partículas es la erosión de partículas sólidas, que
puede ser definida como la eliminación mecánica de material de la
pared por la impacto de las partículas sólidas. Los autores han
examinado con el microscopio electrónico de barrido (SEM),
imágenes de los especímenes erosionados por la arena durante
varios materiales utilizados en el petróleo y el gas, tales como
aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, y otros materiales
tales como aluminio, y las superficies erosionadas dan un aspecto
similar y da una idea de la erosión típica del proceso (Revie,
2015).
Una imagen SEM de acero inoxidable 316 erosionado por harina
de sílice con un diámetro nominal de aproximadamente 20 micras
se muestra en el Gráfico 6. Las partículas chocan en la superficie
creando cráteres que empujan el material a los bordes de los
cráteres creados de labios de material que se eliminan a través
impactos posteriores. Tenga en cuenta que el impacto de 20
micras partículas sobre una superficie de acero pueden resultar
en rasguños superficiales y cráteres que son aproximadamente 2-
3 micras de longitud o de diámetro. El gráfico 7 muestra un
esquema de este proceso. Sin embargo, la eliminación de granos
a través de la fractura a lo largo de los bordes, también se ha
observado. La erosión de partículas sólidas es complejo y no se
entiende bien (Revie, 2015).
Esto se debe principalmente a la gran cantidad de factores que
afectan la erosión y la dificultad de aislar el efecto de un solo
factor. Teniendo en cuenta partículas que fluyen en un fluido de
una sola fase (Revie, 2015).
Según el Reglamento de Distribución de Gas Natural por red de
ductos podemos obtener las siguientes propiedades de las
partículas de erosión2:
2 Texto Único Ordenado del Reglamento de Distribución de Gas Natural por Red de Ductos, D.S. N° 42-99-EM Art.44.- El Gas natural deberá ser entregado por el concesionario en las siguientes condiciones:
Gráfico 6: Imagen del SEM en acero inoxidable 316 erosionado
Gráfico 7: Esquema comúnmente observado en materiales utilizados en la industria de petróleo y gas
Tabla 1: Propiedades del particulado
Particulado
Material: Acero
Diámetro: 5 µm
Flujo: 22.5 kg/millón m3
2.2.2Ecuación sobre la velocidad del Gas
Según la norma americana API RP 14E (Institute, 1991) dice
expresamente.
Donde:
Vg = Velocidad del gas (pies/s)
d1 = Diámetro interno (pulgadas)
Qg = Flujo de Gas, millón de pies cúbicos por día (14.7 psia y
60°F)
T = Temperatura de operación (°R)
P = Presión de operación (psia)
Z = Factor de compresibilidad del gas
En el contrato de Concesión de Distribución de Gas Natural por
red de Ductos en el departamento de Lima y provincia
constitucional del Callao se detalla lo siguiente3:
Tabla 2: Propiedades del gas natural en el City Gate
Factor ZA 15.6 °C y 101.325 kPa 0.9971A 15.6°C y 10.000 KPa 0.7644A 15.6°C y 15.000 KPa 0.7262
Viscosidad A 15.6 °C y 101.325 kPa 0.0109
Gravedad Específica 0.61
3 Contrato de Concesión de Distribución de Gas Natural por red de Ductos en el departamento de Lima y la provincia constitucional del CallaoAnexo 1, Sección 3.7 .- Características Referentes al Gas Natural Las siguientes son características referenciales, las características definitivas serán proporcionados por el productor, dentro de los 6 meses posteriores a la fecha de cierre.
Ecuación 1: Velocidad de operación
2.2.3Ecuación sobre la velocidad de erosión
Según la norma americana API RP 14E (Institute, 1991) dice
expresamente. Las líneas de flujo, colectores, cabeceras de
proceso y otras líneas de transporte de gas y líquido en el flujo de
dos fases deben ser de un tamaño principalmente sobre la base
de la velocidad de flujo.
La experiencia ha demostrado que la pérdida de espesor de la
pared se produce por una proceso de erosión / corrosión. Este
proceso se acelera por las altas velocidades de fluido, presencia
de arena, contaminantes corrosivos como el C02 y H2S,
accesorios que perturban la trayectoria de flujo, tales como codos
(Institute, 1991).
Ve = Velocidad de erosión de fluidos (pies / segundos)
C = Constante Empírica
pm= Densidad de la mezcla de gas
Ecuación 2: Velocidad de erosión en fluidos
La experiencia en el sector hasta la fecha indica que para sólidos
libres, valores de c = 100, para servicio continuo c = 125. Para
servicio intermitente son conservadores. Para fluidos libre de
sólidos en los que no se prevé la corrosión o cuando la corrosión
se controla por la inhibición o mediante el empleo de aleaciones
resistentes a la corrosión, los valores de c = 150 a 200, estos se
pueden usar para servicio continuo; valores de hasta 250 han sido
utilizados con éxito para el servicio intermitente. Si se prevé que la
producción de sólidos, velocidades del fluido deben ser reducidos
significativamente, diferentes valores de "c" se pueden utilizar en
estudios de aplicación específicos que han demostrado ser
apropiados (Institute, 1991).
La densidad de la mezcla de gas/líquido se puede calcular
utilizando la siguiente ecuación derivada:
P = Presión de operación
Sl= Gravedad específica del líquido (agua=1)
R= Relación Gas / Liquido, pies3/barriles a condiciones
estándar
T= Temperatura de operación °R
Sg= Gravedad específica del gas (aire =1)
Z= Factor de compresibilidad del gas (adimensional)
Debido a que la densidad ρ gas puede ser expresada en términos
de presión y temperatura, utilizando la ecuación ley de los gases,
la ecuación de velocidad máxima puede ser escrito como:
Ecuación 3: Densidad de mezcla gas - líquido
P = Presión de operación
R= Constante de los gases = 10.73 ft3.psia/lb.moles°R
T= Temperatura del gas °R
G= Gravedad específica del gas (aire =1)
Z= Factor de compresibilidad del gas (adimensional)
El valor recomendado para la velocidad del gas en líneas
principales de transporte de gas es normalmente 40% a 50 % de
la velocidad de erosión (es decir, un valor de 10 a 13 m/s o 33 a
43 pies/s es un valor aceptable para fines de diseño). Este valor
podría aumentar a 15 a 17 m/s para las no principales líneas o
laterales (Kent Muhlbauer, 2004).
2.2.4Número de Reynolds en flujos de gas
Como se discutió anteriormente en las tuberías de líquido, un
parámetro importante en el flujo de fluidos en una tubería es el
término adimensional, el número de Reynolds. El número de
Reynolds se utiliza para caracterizar el tipo de flujo en una
tubería, tales como laminar, turbulento, o flujo crítico. Para el flujo
de gas en una tubería, el número de Reynolds es una función de
la tasa de flujo de gas, tubería de diámetro interior, y la densidad
del gas y la viscosidad (Shashi Menon, 2011). Es calculado a
partir de la siguiente ecuación:
Ecuación 4: Velocidad máxima de erosión
Ecuación 5: Número de Reynolds
Pb= Presión base, psia
Tb= Temperatura base, °R
G= Gravedad específica del gas (aire =1)
Q = Flujo de Gas, millón de pies cúbicos por día (14.7 psia
y 60°F)
D= Diámetro interior de la tubería, pulgadas
µ= Viscosidad Dinámica del gas, lb/ft.s
El flujo laminar se produce en una tubería cuando el número de
Reynolds está por debajo de una valor de aproximadamente
2000. El flujo turbulento se produce cuando el número de
Reynolds es mayor que 4000. Para números de Reynolds entre
2000 y 4000, el flujo es indefinido y se conoce como flujo crítico
(Shashi Menon, 2011).
2.2.5Modelo de Erosión
El modelo Finnie es el más utilizado en lo que a estudio d erosión
se refiere. Establece que para casi todos los metales la erosión
varia con el ángulo de impacto y la velocidad de la partícula de
acuerdo a la siguiente expresión (Mendonca Goncalves, 2012).
Donde:
E= Masa de material erosionado
k= Factor para adimensionalidad, (s/m)
f(y)= Función adimensional del ángulo de impacto
Ecuación 6: Masa de material erosionado
Vp = Velocidad de la partícula (m/s)
n= Varía entre 2 y 2.5 para metales
y = Ángulo de impacto (rad)
La función del ángulo de impacto está dado por la siguiente
expresión:
Y el facto k está dado por:
Donde: Vo es la velocidad de referencia m/s
2.2.6Tasa de Erosión Global
La erosión de la pared debido a una partícula es calculada a
través de la siguiente expresión (Mendonca Goncalves, 2012).
Donde:
N= Número de partículas por unidad de tiempo (1/s)
Ecuación 7: Función del ángulo de impacto
Ecuación 8: Coeficiente de adimensionalidad
Ecuación 9: Tasa de Erosión Global
mp= Masa de la partícula, (kg)
La masa de partícula y el número de partículas por unidad
de tiempo son calculadas mediante la siguientes expresiones:
Donde:
Dp= Diámetro de partículas (m)
pp= Densidad de la partícula, (kg/m3)
fp = Flujo de partículas (kg/s)
Notando de lo anterior que la tasa de erosión global depende de
la masa de las partículas sino del flujo de las mismas. Dando
como resultado una tasa de erosión en kg/s (Mendonca
Goncalves, 2012).
2.2.7 Límite de velocidad del gas basado en daños indirectamente
definidos
En contraste con los dos límites anteriores de velocidad del gas,
este límite requiere un análisis especializado y detallado de la
configuración de la tubería en particular. Además, los resultados
del análisis no se refieren directamente a los límites de velocidad.
En cambio, las soluciones a los problemas predichos se han
desarrollado sobre la base de otras directrices (pulsaciones, el
ruido, las vibraciones, los errores de medición) que tienen un
efecto directo sobre las velocidades del gas (Mohitpour, Szabo, &
Van Herdeveld, 2005).
Ecuación 10: Masa y número de partículas
El control del dimensionamiento de la válvula es un ejemplo en el
que se consideran las directrices de ruido. En ningún momento es
recomendado flujo sónico a través de la válvula; en cambio, se
debe utilizar una cascada de caída de presión. De lo contrario,
daños por fatiga acústica es probable que ocurra (Mohitpour,
Szabo, & Van Herdeveld, 2005).
La vibración destructiva de la tubería puede resultar cuando
vórtices en una camiseta (depende de la velocidad del gas) se
bloquea con la resonancia acústica y estructural local. Cabe
señalar que API RP14 E (como una alternativa a los estudios
detallados) sugiere una velocidad máxima de gas de 18 m/s para
reducir el potencial de "ruido" (Mohitpour, Szabo, & Van
Herdeveld, 2005).
2.2.8Prácticas en la Industria
En general, la industria ha aceptado que la velocidad instantánea
en el sistema de gasoductos no debe exceder de 21 m/s en
cualquier punto de un sistema de transmisión de gas / medición
(antes de la regulación a puertas de la ciudad). Algunas de las
prácticas de la industria están representados a continuación
(Mohitpour, Szabo, & Van Herdeveld, 2005):
a) Red de Transmisión de Gas en el Oeste de Canadá
Los límites de velocidad que se aplican a sus instalaciones de
medición y en tramitación se basan en los requisitos de los
siguientes límites:
• Para el diseño inicial de las nuevas instalaciones del límite
de velocidad de la tubería será de 15 m/s.
• Para el diseño de las adiciones y aumento del flujo de las
instalaciones existentes, el límite de velocidad de la tubería
será de 21 m/s.
• Para aumentar el flujo a las instalaciones existentes o
situaciones en las que se requiere un aumento del flujo a
corto plazo, debido a las restricciones del sistema que
resultan en velocidades de más de 21 m/s, el aumento de
las velocidades pueden ser autorizados con carácter de
excepción tras el análisis de las instalaciones existentes y su
distribución.
b) Red de Transmisión de Gas en el Este de Canadá
• Limitar la velocidad máxima de 20 a 21 m/s (75 km/h) para el
gas limpio filtrado.
• Limitar la velocidad del gas a 15 m/s, donde "el polvo negro"
es un problema.
• Límite de ruido de 80 dBA, a todos los alisadores en las
puertas de la ciudad
c) Gasoductos en Estados Unidos
• Limitar la velocidad del gas a 50 pies/s (15 m/s) entre
puertas de la ciudad y puntos de entrega.
• Limite en estaciones de medición a un máximo de 100 pies/s
(30 m/s)
• Si el ruido es una preocupación, utilice tubería de pared
pesada, aislamiento de tuberías, difusores o válvulas de
control enterrados.
2.3 Bases conceptuales
2.3.1Definiciones conceptuales
El presente trabajo de investigación se compone de una variable
dependiente que es la velocidad y la variable independiente es la
Condiciones de operación
VI: Condición de Operación
Son los parámetros de funcionamiento de sistema de distribución
de gas natural, los cuales suministran características específicas
como presión y flujos de caudal de gas natural, según la demanda
contratada por los usuarios Industriales, comerciales, gasocentros
y usuarios residenciales.
Gas Natural: Mezcla de hidrocarburos en estado gaseoso,
predominantemente compuesto por metano, puede presentarse
en su estado natural como Gas Natural Asociado o Gas Natural
no Asociado. Puede ser húmedo si tiene condensado o ser seco
si no lo contiene (Minas M. d., Reglamento de Transporte de
Hidrocarburos por ductos N°081-2007-EM, 2007).
Presión de Operación: Presión a la cual se distribuye el gas
natural seco en una red de distribución, de acuerdo a la
reglamentación nacional técnica vigente que establece 50 bar
como valor máximo (Minas M. d., Reglamento de Transporte de
Hidrocarburos por ductos N°081-2007-EM, 2007).
Metro cúbico estándar de Gas Natural: Cantidad de gas natural
que ocupa un metro cúbico (m3) a una temperatura de quince
punto cinco grados centígrados (15.5°) y a una presión absoluta
de 1013.25 milibar (mbar)
Flujo de particulado: Cantidad de partículas sólidas de diámetro
menor o igual a 5 micrones; y libre de gomas, aceites, glicoles y
otras impurezas, que son transportados por cada millón de metros
cúbicos estándar de gas natural.
Estación de Regulación: Recinto donde se realiza la regulación,
reducción de presión, medición (presión, temperatura y caudal) y
odorización del gas natural.
VD: Velocidad
Magnitud física que mide el desplazamiento de un fluido (gas
natural) con respecto al tiempo, el cuál es utilizado en el proceso
de dimensionamiento de los gaseoductos en la etapa de diseño.
Erosión: Desgaste producido en la superficie de un cuerpo por el
roce o frotamiento de otro.
3 HIPÓTESIS
3.1 Hipótesis de investigación
Las condiciones de operación que permiten optimizar la velocidad en la
distribución de Gas Natural en la región Lima están determinadas por el
flujo de particulado, presión y diámetro del ducto.
3.2 Operacionalizacion de las variables
Con el fin de uniformizar el significado de la hipótesis, en las tablas 3 y
4, se desarrolla la definición conceptual y operacional de las variables
que se están utilizando en la investigación.
VD: Velocidad
Está variable se determinara mediante los resultados de las
simulación y los valores límites que puede alcanzar para evitar
erosionar el gaseoducto, a partir de las condiciones de operación que
se presentan en la región Lima, para lo cual se tomará su valor óptimo
de operación, las unidades estarán expresadas en m/s. La medición
se realizará en modelamiento de la tubería de salida de la estación de
regulación de presión (ERP) y el valor será determinado por la
intersección de: Curvas de velocidad de operación y curva de tasas
erosión máxima permitida.
VI: Condición de Operación
Es la variable que permite cuantificar los factores que influyen en el
cálculo de la velocidad de erosión, como las características del
particulado que es transportado, presión de operación y diseño de la
instalación del gasoducto.
Sobre la presión de Operación, esta variable está definida por las
presiones de operación de las estaciones de regulación y medición
en la región Lima, las cuales se muestran en la tabla 4, siendo sus
unidades el Bar.
Sobre el flujo de particulado, esta variable está definida por las
condiciones de operación en el Reglamento de Distribución de Gas
Natural, obteniendo un valor máximo de 22.5 kg/millón de m3 de gas,
por lo cual se definen los escenarios de flujo de particulado de 16.87,
11.25 y 5.63 para poder ser ingresados al simulador y determinar
sus efectos.
Sobre el diámetro del ducto, esta variable está definida por el
diámetro delos gasoductos construidos que conectan las estaciones
de regulación en la región Lima, las cuales se muestran en la tabla
4, siendo sus unidades las pulgadas.
Tabla 3: Operacionalizacion de la variable independiente
Variable Independiente: Condiciones de operaciónDefinición conceptual Dimensión Indicador
Son los parámetros de funcionamiento del sistema de distribución de gas natural, los cuales suministran características específicas tales como presión y flujo de caudal de gas natural, según la demanda contratada por los usuarios
Presión de Operación (Bar) 50 bar 19 bar 10 bar 5 bar
Flujo de particulado (kg/millón de m3
gas)
22.5 16.87 11.25 5.63
Diámetro del ducto (pulg)
4” 6” 8” 10” 12” 14” 20” 30”
Fuente: elaboración propia.
4 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
4.1 Método de investigación
Estudio Explicativo.
Estudia las variables de un problema y cómo influyen en otras
variables, cuando hay una relación causa y efecto. Para establecer si
existe una relación causa-efecto, se aíslan y eliminan los factores que
pueden ser causa de un resultado particular y probar sólo los que se
quieren medir directamente (Burns, 2010).
4.2 Tipo de investigación
Tipo Experimental
Los experimentos manipulan tratamientos, estímulos, influencias o
intervenciones (denominadas variables independientes) para observar
sus efectos sobre otras variables (las dependientes) en una situación
de control (Hernández, Fernández, & Baptista, 2010)
4.3 Nivel de investigación
Investigación de nivel Experimentos Puros
Estos diseños llegan a incluir una o más variables independientes y
una o más dependientes. Asimismo, pueden utilizar prepruebas y
pospruebas para analizar la evolución de los grupos antes y después
del tratamiento experimental. Desde luego, no todos los diseños
experimentales “puros” utilizan preprueba; aunque la posprueba sí es
necesaria para determinar los efectos de las condiciones
experimentales (Hernández, Fernández, & Baptista, 2010)
4.4 Diseño de la investigación
Diseño Experimental
Los experimentos manipulan tratamientos, estímulos, influencias o
intervenciones (denominadas variables independientes) para observar
sus efectos sobre otras variables (las dependientes) en una situación
de control. Es decir, los diseños experimentales se utilizan cuando el
investigador pretende establecer el posible efecto de una causa que se
manipula.(Hernández, Fernández, & Baptista, 2010).
4.4.1Diseño en Cuadrados Latinos
En un diseño en cuadrado latino intervienen los siguientes
factores: un factor principal y dos factores secundarios o variables
de bloque. Se supone que no existe interacción entre esos tres
factores. Así el modelo empleado es un modelo aditivo.
Ecuación 11: Modelo estadístico
Donde:
yij(h): representa la observación correspondiente a la i-ésima fila,
j-ésima columna y h-ésima letra latina.
µ: es la media global.
Τi: es el efecto producido por el i-ésimo nivel del factor fila. Dichos
efectos están sujetos a la restricción
Βj: es el efecto producido por el j-ésimo nivel del factor columna.
Dichos efectos están sujetos a la restricción
Yh: es el efecto producido por la h-ésima letra latina. Dichos
efectos están sujetos a la restricción
uij(h): son variables aleatorias independientes con distribución
N(0, σ)
A fin de ilustrar el análisis de la varianza de los diseños en
cuadrado latino, consideremos la situación de referencia, en la
que se ha realizado el experimento con la aleatorización
correspondiente y hemos designado por las letras (A, B, C, D) a
los tratamientos que para este análisis es el flujo de particulado
(kg/millón de m3 de gas).
Así, el cuadrado latino resultante junto con las observaciones
obtenidas que serán las velocidades de operación óptimas
calculadas con el simulador, se muestra en la siguiente tabla, a la
que se han añadido las filas y columnas necesarias para su
resolución.
Tabla 4: Esquema 1
Presiones de
operación
Diámetros de los gasoductos
4 pulgadas 6 pulgadas 8 pulgadas 10 pulgadas
P1(5 bar) C (16.87) D (22.5) B (11.25) A (5.63)
P2(10 Bar) B (11.25) A (5.63) C (16.87) D (22.5)
P3(19 Bar) D (22.5) C (16.87) A (5.63) B (11.25)
P4(50 Bar) A (5.63) B (11.25) D (22.5) C (16.87)
Tabla 5: Esquema 2
Presiones de
operación
Diámetros de los gasoductos
12 pulgadas 14 pulgadas 20 pulgadas 30 pulgadas
P1(5 bar) C (16.87) D (22.5) B (11.25) A (5.63)
P2(10 Bar) B (11.25) A (5.63) C (16.87) D (22.5)
P3(19 Bar) D (22.5) C (16.87) A (5.63) B (11.25)
P4(50 Bar) A (5.63) B (11.25) D (22.5) C (16.87)
4.5 Población y muestra o unidad de observación
En el presente estudio el sistema de distribución por red de ductos de
acero de la región Lima será analizada como una unidad de
observación que consta de 3 City Gates y 25 Estaciones de Regulación
de Presión (ERP).
4.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Se utilizará la técnica empírica mediante los procesos de simulación de
SOLIDWORKS Flow- Simulation. Con respecto al instrumento de
medición será el diseño de cuadrado latino que se muestra a
continuación.
Tabla 6: Esquema 1
Filas Columnas
C1 C2 C3 C4
F1 C D B A
F2 B A C D
F3 D C A B
F4 A B D C
Tabla 7: Esquema 2
Presiones de
operación
Diámetros de los gasoductos
C5 C6 C7 C8
F1 C D B A
F2 B A C D
F3 D C A B
F4 A B D C
5 ASPECTOS ADMINISTRATIVOS
5.1 Cronograma de actividades
Tabla 5.8: Cronograma de actividades
Actividades Enero Febrero Marzo Abril M
Definir el tema de investigacion
Informe Plan de tesis
Operacionalización de la investigación.Recoleccion de datos Modelo de observaciones.1er informe de avanceRealizacion del modelamiento y simulación de eventos Análisis e interpretación de resultados 2do informe de avanceRedacción de borrador de tesisNormas APAPresentaciones.
Presustentación
Informe de aprobación Los informes son presentados por el asesor al decano.
5.2 Presupuesto y financiamiento
Tabla 9: Presupuesto y financiamiento
Item Descripción Precio unitario Precio total01 Bienes:
Compra de libros especializados Material de impresión Fotocopias
1000.00200.00100.00
1300.0002 Servicios:
Internet Asesoria en Simulación
SOLIDWORKS
500.001500.00
2000.00
TOTAL GENERAL 3300.00
6 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
1. Burns, N. (25 de Mayo de 2010). Tiposde.com. Obtenido de
http://www.tiposde.com/ciencia/estudio/tipos-de-estudio.html
2. Cordova Acosta, B. J., & Suárez Galantón, E. J. (2010). Evaluación
hidráulica de la red de recolección de gas del campo Siporo, ubicado en
los límites del estado Barinas. Barcelena: Tesis.
3. Filiberto Sánchez, M. Á. (2011). Estudio preliminar sobre la erosión por
arena en tuberías que transportan hidrocarburos. México: Tesis.
4. Hernández, R., Fernández, C., & Baptista, P. (2010). Metodología de la
Investigación. México: Mc GrawHill Interamericana.
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6. Kent Muhlbauer, W. (2004). Pipeline Operation & Maintenace, a practical
Approach. United States of America: American Society of Mechanical
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7. Mendonca Goncalves, V. I. (2012). Estudio del Flujo Líquido Sólido y el
fenómeno de erosión en boquillas. Lima: Tesis.
8. Minas, M. d. (2002). Contrato de Concesión de Distribución de gas
Natural por red de Ductos en el departamento de Lima y la provincia
constitucional del Callao. Lima: El Peruano.
9. Minas, M. d. (2007). Reglamento de Transporte de Hidrocarburos por
ductos N°081-2007-EM. Lima: El Peruano.
10.Minas, M. d. (2008). Texto Único Ordenado del Reglamento de
Distribución de Gas Natural por Red de Ductos, D.S. N° 42-99-EM. Lima:
El Peruano.
11.Mohitpour, M., Szabo, J., & Van Herdeveld, T. (2005). Pipeline Operation
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American Society of Mechanical Engineers.
12.Revie, R. W. (2015). Oil and Gas Pipelines, integrity anda safety
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13.Shashi Menon, E. (2011). Pipeline Planning and Construction Field
Manual. United States of America: Elsevier.