GN-diseño de gasoductos

7/28/2019 GN-diseño de gasoductos

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Diseño de Gasoductos



Generalidades

Configuración (Layout)

Hidráulica

Materiales

Otros

Evaluación Económica



•Ducto

•Válvulas•Estaciones deCompresión

•Medidores y reguladores•Cruces

•Protección catódica•Recubrimiento•Telecomunicaciones

Configuración

Bridasaislantes

Cruces

Trampa delanzamiento

Trampa derecepción



Hidráulica (Flujo de Fluidos)Teorema de Bernoulli

H= Ze + 144 P + V2

2g

Ze1 + 144 P1 + V12 = Ze2 + 144 P2 + V2

2 + HL 1 2g 2 2g

Pérdidasde fricción

A lo largo del flujo de un fluido se producen caídas de presión, que sólopueden ser explicadas adecuadamente conociendo las propiedades físicasdel mismo. Las propiedades que más frecuentemente intervienen en lasolución 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 lade los gases se incrementa. La presión casi no tiene efecto en la viscosidadde líquidos o gases perfectos

La gravedad específica es el inverso del volumen específico. La gravedadespecífica es la relación entre la densidad de un líquido con la densidad delagua 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 PresiónLa fricción resulta en una pérdida de energía disponible para trabajo

Ecuación de Darcy-Weisbach:hL= (f m)(L)(V2) (pies) hL= ()(f m)(L)(V2) (lb/pulg2)

(144) D (2g) 2 g Df m factor de fricción de Moodyf f factor de Fanning=0.25 f m

La ecuación de Darcy-Weisbach es válida para flujo laminar yturbulento de cualquier líquido.La ecuación debe aplicarse en segmentos de línea suficientementecortos de manera que la densidad del fluido sea constante.

Flujo laminar: (Poiseuille's law)

f m= 64/Re o f f = 16/Ref m=64 e = 64 12 Pf = 0.000668 LVDV V 1488 d d2

Flujo turbulento: (Colebrook)

1 = - 2 log10 ( + 2.51 ) /D rugosidad relativa

f m 3.7D Ref m viscosidad , cp



Factores de Fricción

Re Reynold Number = DV

e

Lisas

rugosas

turbulenta

laminar

crítica



La Pérdida de Presión en gasesUna 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 1 P12 - P2

2 0.5 d 2.5 pies cúbicos/día

Pb f f S Lm Tavg Zavg

En la ecuación general, todas las irreversibilidadesy no idealidades, excepto las cubiertas por leyesexpresas, se incluyen en el factor de fricción

Factor deeficiencia

Tb = 520°R

Pb = 14.73 psia



Las Ecuaciones AGA (American Gas Asociation)

1 = 4 log10 3.7 D f f

Flujo Totalmente turbulento

Flujo parcialmente turbulento

1 = 4 log10 Re - 0.6

f f 1 f f

La Ecuación Weymouth (1912)

f f = 0.008d1/3

1 = 11.18 d 1/6 f f

•Gran aproximación en ductos cortos y sistemasde 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 QSd

1 = 7.211 (QS) 0.07305 f f 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

f f d

•El valor E en la práctica es un factor deajuste

•Este factor es un factor prácticoresultado de experiencias

•El mantenimiento ayuda a E de diseño

•Panhandle A parcialmente turbulento

•Panhandle B totalmente turbulento

Q= pc/dd= pulg



Modelo de Cálculo

Condiciones Generales

Tb = 520°R = 60°F = 16°C 20°CPb = 14.73 psia =1 atm = 1.033 kgf/cm2

Características del Fluido

Densidad:

Características del DuctoDiámetro:

Espesor:Rugosidad:

t= PD (ANSI acero)

2Sadm

CálculoCaudal:

Presión Inicial P1:Presión Final P2:Longitud:Diámetro externo:Eficiencia (E):

Opciones

Colebrook AGAPanhandle BWeymouth



Ejemplo:

CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOSPRESSAO BASE: …………………. 1.033 kgf/cm2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …... 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… (densidad relativa)

ESPESSURA DA TUBULACÁO:.... polRUGOSIDADE DA TUBULACÁO:.. 0.045 mm

VAZZAO: …………………………… x 1000 m3/dia PRESSAO INICIAL: ………………. kgf / cm2 man.

PRESSAO FINAL: ………………… kgf / cm2 man. COMPRIMENTO: …………………. km DIAMETRO EXTERNO: ………….. pol EFICIENCIA DO GASODUTO: ….. 1



¿qué deseas calcular?

CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOSPRESSAO BASE: …………………. 1.033 kgf/cm2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …... 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… 0.60 (densidad relativa)

ESPESSURA DA TUBULACÁO:.... 0.50 polRUGOSIDADE DA TUBULACÁO:.. 0.045 mm

VAZZAO: …………………………… x 1000 m3/dia PRESSAO INICIAL: ………………. kgf / cm2 man.

PRESSAO FINAL: ………………… kgf / cm2 man. COMPRIMENTO: …………………. km DIAMETRO EXTERNO: ………….. pol EFICIENCIA DO GASODUTO: ….. 1

SELECÁO DO CALCULO

0. FIM DOS CALCULOS1. VAZAO2. PRESSAO INICIAL3. PRESSAO FINAL4. COMPRIMENTO5. DIAMETRO EXTERNO6. MUDAR AS PROPIEDADES7. IMPRIMIR A TELA



¿con qué método?

CALCULO DE GASODUCTOS MONOFASICOSPRESSAO BASE: …………………. 1.033 kgf/cm2 abs TEMPERATURA BASE: …………. 20 graus centigrados TEMPERATURA DO FLUXO: …... 25 graus centigrados DENSIDADE DO GAS: …………… 0.60 (densidad relativa)

ESPESSURA DA TUBULACÁO:.... 0.50 polRUGOSIDADE DA TUBULACÁO:.. 0.045 mm

VAZZAO: …………………………… x 1000 m3/dia PRESSAO INICIAL: ………………. 150 kgf / cm2 man.

PRESSAO FINAL: ………………… 30 kgf / cm2 man. COMPRIMENTO: …………………. 150 km DIAMETRO EXTERNO: ………….. 24 pol EFICIENCIA DO GASODUTO: ….. 0.92

FORMULA DE CALCULO

1. COLEBROOK2. AGA3. PANHANDLE B4. WEYMOUTH



Resultados

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

k m 3 / d

C o l e b

r o o k

A G A

P a n h

B

W e y m o

u t h

ECUACIÓN 1000 M3/D MMPCD

COLEBROOK 23059 814

AGA 23059 814

PANHANDLE 28174 995

WEYMOUTH 23216 820

Cada 100 Mw degeneración hidráulica

equivalen a 20 MMpcd

30,000 familiasconsumen 1 MMpcd

VOLÚMENES MÁXIMOS

Tubo de 24"; esp: 0.5 "P1: 150 bar; P2: 30 bar Longitud: 150 km



Escenarios de Demanda

MERCADO

5 AÑOS SGTES

GENERATION 70.00% 77.00%

INDUSTRY 80.00% 90.00%

COMMERCIAL/RESID 26.00% 30.00%

FACTOR DE CARGA

YEAR GENERATION INDUSTRY COM/DOM TOTAL MAX FLOW

MMPCD MMPCD MMPCD MMPCD MMPCD

2003 113 47 2 162 227

2004 148 63 3 215 303

2005 148 75 5 228 324

2006 149 83 9 241 348

2007 149 87 12 248 365

2008 148 91 15 254 3442009 162 95 19 276 378

2010 176 99 22 297 413

2011 201 104 26 330 461

2012 227 108 28 363 508

2013 254 113 29 396 551

2014 282 118 30 430 596

2015 312 124 30 466 644

ELÉCTRICO



Cálculo de L Tubo de 24"; esp: 0.625 "P1: 150 bar; P2: 30 bar Longitud: ? km

Bases de Diseño

Tb = 20°CPb = 1.033 kgf/cm2Temperatura media del gas= 25°CDensidad= 0.60Rugosidad de la tubería = 0.045 mmEspesor de la tubería = 0.625 "

Caudal = 325 MMpcdMáximo = 9207 x 103 m3

P inicial = 150 kgf/cm2P final = 30 kgf/cm2

ResultadosLongitud = 889 km

Optimización (Colebrook)Para 600 km

P inicial necesaria= 126 kgf/cm2= 1840 psi

Para P inicial = 100 kgf/cm2sólo cubre 355 kms

P

L

Para un mismocaudal



Diferentes distancias para distintoscaudales

Tubo de 24"; esp: 0.625 "

P1: 150 bar; P2: 30 bar Longitud: ? KmDistintos caudales

AÑOS OPER LONGITUDMMPCD 1000 M3/D KMS

3 324 9,178 8955 365 10,340 705

10 508 14,391 364

15 644 18,244 226

CAUDAL MAX

P

L



El Diseño a futuro

P

Kms

Horizonte de diseño

Desarrollo por etapasCaudal máximo económicoMínimos costos de operaciónMínima afectación de medio ambiente y población

600300150



Estaciones de Compresión

P

Kms

600300150

Estaciones intermedias de compresión

400

El diseño del gasoducto Camisea-Lima en 1988según Petroperú consideró tres estaciones decompresión para un flujo de diseño máximo de 450MMPCD y una presión inicial de 100 bar

1 bar = 1.01972 kgf/cm2= 0.98692 atm.



Estaciones de Compresión

P

V

p2

p1

isotérmico

real --> politrópico

15

65

MW

1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.24 1.28 1.32 k

K = Cp / Cv

Simplificado

HP= 22 . (R) . N . (MMscfd) . F

R : relación de compresión por etapasN : número de etapas

R recomendable menor a 4.5

Mayores valores llevan a temperaturas elevadas

Para gases con gravedad = 0.8 - 1.0, usar 20

En cálculos más sofisticados

es común utilizar 1.25 - 1.26

como coeficiente politrópico



Según fabricantes (14.7 PSI, 60°F)

25 50 75 100 150 200 350 500 600 750 800 900 1000 1250 1500 1750 2000 2500 3000 4000 4500 6000

0 65 100 130 145 170 190 235 250 260 275 280 290 300 315 330 345 350

10 35 65 85 105 130 1 45 1 85 2 15 230 235 240 250 255 275 290 300 310 320 330 350 360 390

25 40 55 70 95 120 150 175 185 205 210 220 230 240 255 265 275 285 295 320 330 370

50 25 40 70 80 120 140 155 170 175 180 190 205 215 230 245 255 265 280 285 325

75 20 45 55 95 120 130 145 150 155 165 180 195 205 215 225 235 260 270 300

100 30 45 75 100 115 130 135 140 145 160 170 180 195 205 215 235 245 275

150 20 55 75 85 105 110 115 120 135 150 160 165 175 185 210 220 260

200 40 60 70 80 85 95 100 115 125 140 150 165 175 195 205 240

250 25 45 55 65 70 80 85 105 115 125 135 145 160 180 190 225

300 20 35 45 55 60 70 75 80 85 100 120 130 140 160 170 205

350 25 35 50 55 60 6 5 7 5 9 0 100 110 120 130 150 160 195

400 20 30 40 45 50 55 70 80 90 105 110 120 140 150 185

450 15 20 30 35 40 50 60 70 80 100 105 115 130 140 175

500 15 30 35 40 45 55 60 75 95 100 110 125 135 165

550 15 25 30 35 40 50 55 70 90 95 110 125 130 160

600 20 25 30 35 45 55 65 85 90 100 115 125 155

750 15 20 25 35 40 55 75 80 90 105 115 140

1000 20 30 40 50 60 70 90 105 125

1250 25 30 40 50 60 75 90 110

1500 20 30 35 50 65 75 90

1750 20 30 40 55 65 80

2000 20 35 45 55 70

3000 20 35 50

4000 20 30

PRESION DE DESCARGA (psig)

P R E

S I O N

D E

S U C C I Ó N

( p s

i g )

BHP / MMPCD PARA COMPRIMIR GAS NATURAL

Knight Industries U n a

e t a p a

D o s

e t a p a s

T r e s e t a p a s



Compresión: ResultadosCAUDAL

MMPCD SIMPLIFICADO KNIGHT PROGRAMA

324 34,427 34,020 28,822365 38,783 38,325 32,471

508 53,977 53,340 45,192

644 68,428 67,620 57,292

METODO

CAUDAL

MMPCD SIMPLIFICADO KNIGHT PROGRAMA

324 34427 34020 28822365 38783 38325 32471

508 53977 53340 45192

644 68428 67620 57292

METODO

COMPARACION DE RESULTADOS

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

300 400 500 600 700

MMPCD

H P

SIMPLIFICADO

KNIGHT

PROGRAMA

Un factor de corrección :(TS /520) * (FGESP)

Para:TS = 25°C=537FGESP = 0.965 (GPA)Factor= 0.9965



ASME B 31.8 - 1995Diseño

FabricaciónInstalaciónInspecciónPruebasSeguridad

Operación yMantenimiento

GasoductosRedes de distribuciónDuctos menoresEstaciones de compresiónEstaciones de Medición yregulación

Líneas de Servicio

Tuberías de acero : API 5L

: ASTM A 53: ASTM A 106

Hierro dúctil : ANSI A21.52

Tuberías plásticas y accesorios : ASTM D 2513-2517

Materiales

Componentes y detalles de fabricación : ANSI B16…, API...



Criterios de diseño

Expansión y flexibilidadEsfuerzos combinadosSoportes y anclajes

Esfuerzos circunferenciales

Factor de localización (F)Factor de tubería (E)Factor de temperatura (T)

Material y Dimensionamiento:Diámetro (D)Espesor (t)

t= PD .2 (SMYS) . FET

P presión de diseño

SMYS specified minimun yield stenght

S ADM = (SMYS) . FETesfuerzo admisible

t= PD .

2 S ADM



FactoresCLASE DE LOCALIZACIÓN F N° EDIFIC. PH

CLASE 1, DIV 1 0.80 <= 10 1.25CLASE 1, DIV 2 0.72 <= 10 1.1CLASE 2 0.60CLASE 3 0.50CLASE 4 0.40

10 < # < 46> 46

> 46 ALTO TRÁFICO

CLASE DE TUBERÍA E

A 53 SIN COSTURA 1.00

A 53 RESISTENCIA ELÉCTRICA 1.00

A 53 SOLDADURA A TOPE - HORNO 0.60

A 106 SIN COSTURA 1.00

API 5L SIN COSTURA 1.00

API 5L RESISTENCIA ELÉCTRICA 1.00

API 5L ELECTRIC FLASH WELDED 1.00

API 5L ARCO SUMERGIDO 1.00

A 106 SOLDADURA A TOPE - HORNO 0.60

TEMPERATURA ° F T250 O MENOS 1.000

300 0.967

350 0.933400 0.900

450 0.867

Usual: 0.72Ejemplo:

API 5LX 60SMYS=60000 psiE=1SADM = 43,200 psiSi:D = 24"P = 150 bar

= 2250 psiLuego:

t = 0.625 pulg(no adic. x corrosión)

Ad á



Además...

P= (2 S) t (0.32)(D-t)

General: menor o igual a 100 psi

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 CompresiónLocalización . Espacios abiertos

Edificio albergue. ANSI/NFPA 220Salidas >= 2Áreas cercadasFacilidades eléctricas. ANSI/NFPA 70Equipos. Tratamiento de gas y otrosTuberías en la estación

Tuberías de plástico

Válvulas(transporte y distribución)•Espaciamiento•Localización

LOCATION DISTANCIA MÁX

CLASE 1 20 mi

CLASE 2 15 mi

CLASE 3 10 mi

CLASE 4 5 mi

LINEAS DE TRANSPORTE



Evaluación económica

Ducto de 600 kms

Demanda indicadaNo std by compressor Módulos de 15000 HPUS$ 1500 / HPUS$ 2000 / ton+10000/km-"

OPCION 1Ducto 24"Presión máxima : 150 bar t= 0.688"Peso = 255 kg/mTotal en 600 km : 153,000 tonTubería : US$ 450 millones

OPCION 2Ducto 24"Presión máxima : 100 bar t= 0.438"Peso = 164 kg/mTotal en 600 km : 98,400 tonTubería : US$ 340 millones



Costos de compresión

YEAR TOTAL MAX FLOW HP HP REQ INV HP HP REQ INV MMPCD MMPCD 150 BAR COMER mm$ 100 BAR COMER mm$

23

2003 162 227 23,804 30,000 NO 0 15,869 15,000 1 68

2004 215 303 31,802 45,000 NO 0 21,202 30,000 2 0

2005 228 324 34,026 45,000 NO 68 22,684 30,000 2 0

2006 241 348 36,524 45,000 1 0 24,350 30,000 2 0

2007 248 365 38,315 45,000 1 0 25,543 30,000 2 135

2008 254 370 38,850 45,000 1 0 25,900 30,000 5 0

2009 276 378 39,723 45,000 1 0 26,482 30,000 5 0

2010 297 413 43,320 45,000 1 23 28,880 30,000 5 113

2011 330 461 48,441 60,000 1 180 32,294 45,000 5 0

2012 363 508 53,336 60,000 3 0 35,557 45,000 5 0

2013 396 551 57,902 60,000 3 32 38,602 45,000 5 0

2014 430 596 62,595 67,000 3 0 41,730 45,000 5 0

2015 466 644 67,622 67,000 3 0 45,081 45,000 5 0



Comparación de NPVYEA R TOTA L R EQ INV M ANTTO M AX INGRESOS REQ INV M ANTTO M AX INGRESOS

MMPCD mm$ mm$ MMPCD mm$ mm$ mm$ MMPCD mm$

450 363

2003 162 NO 0 9 227 62 1 68 11 227 62

2004 215 NO 0 9 303 83 2 0 13 303 83

2005 228 NO 68 9 324 89 2 0 13 324 89

2006 241 1 0 11 348 95 2 0 13 348 95

2007 248 1 0 11 365 100 2 135 13 365 100

2008 254 1 0 11 370 101 5 0 19 370 101

2009 276 1 0 11 378 104 5 0 19 378 104

2010 297 1 23 12 413 113 5 113 19 413 113

2011 330 1 180 12 461 126 5 0 20 461 126

2012 363 3 0 14 508 139 5 0 20 508 139

2013 396 3 32 14 551 151 5 0 20 517 142

2014 430 3 0 15 596 163 5 0 20 517 142

2015 466 3 0 15 644 176 5 0 20 517 142

TASA NPV NPV NPV NPV NPV NPV

0% 752 154 5,488 1,502 678 221 5,248 1,437

10% 544 79 2,721 745 510 112 2,647 725

12% 519 71 2,417 662 487 100 2,358 645

GASODUCTO A 150 BARNPV@10% ING-EG = $122 mm

NPV@12% ING-EG = $72 mm

GASODUCTO A 100 BARNPV@10% ING-EG = $103

NPV@12% ING-EG = $58

US$0.75 / mpc

GN-diseño de gasoductos

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