SIMULACIÓN DE PROCESOS La simulación de procesos se ha convertido en los últimos años en una herramienta fundamental para el diseño, evaluación y optimización de los diferentes procesos encontrados en la industria del gas natural, desde su producción hasta su comercialización. La existencia en el mercado de una gran variedad de paquetes de computación para la simulación de procesos, cada vez con mayor capacidad para simular cualquier tipo de proceso, por más complejo que éste sea y con interfaz usuario-simulador más amigable, permite al ingeniero de procesos incorporar estas herramientas de cálculos en su trabajo cotidiano, dándole así un uso imprescindible y frecuente en su área. La simulación de procesos de gas es una técnica que permite predecir en forma rápida y confiable el comportamiento de un proceso o planta de gas, a partir de una representación matemática y realista del mismo, mediante ecuaciones de estado, modelos matemáticos y ecuaciones de diseño para cada operación, prediciendo las propiedades y el comportamiento de las corrientes involucradas en un proceso determinado. SIMULADOR PIPEPHASE®[23] El simulador Pipephase es un programa de simulación de flujo de fluidos en redes de tuberías simples en estado estacionario, el cual fue desarrollado por la empresa “Simulation Sciences”, (SimSci). El programa de simulación maneja los siguientes conceptos: (a) Caracterización de la tubería (LINK): un link está formado por uno o más equipos, tales como equipos de flujo o tuberías, o equipos de proceso (bombas, separadores, compresores, válvulas, entre otros.) (b) Nodo (JUNCTION): Es la conexión entre los equipos que conforman un sistema de tuberías. (c) Fuente (SOURCE): es un extremo libre de la red o link, de donde parte el fluido, también es considerado como un nodo. (d) Destino (SINK): es un extremo libre de la red o link, donde llega el fluido; también se considera nodo. Estructura del programa Pipephase® : La entrada (INPUT) del programa está conformada por las siguientes ventanas o categorías que van apareciendo en el siguiente orden: (a) Descripción de la simulación (Simulation Description): esta es la primera ventana que se muestra al momento de iniciar una simulación nueva. En esta ventana se especifican los siguientes datos: • PROJECT (Nombre del proyecto.) • PROBLEM (Nombre del problema.) • USER (Nombre del usuario.) • DATE (Fecha.) • SITE (Lugar.)
(b) Definición de la simulación (Simulation Definition): en esta ventana se define el tipo de simulación y fluido. El tipo de simulación se puede clasificar en: • Network (cálculo de redes de tubería). • Single (cálculo de las líneas simples). • Gaslift (cálculo del sistema gas lift). • PVT (usados para generar tablas de datos PVT). El tipo de fluido se puede clasificar en: • Blackoil: dos o tres fases (crudo, gas y/o agua), donde el crudo es dominante. • Condensate: dos fases o tres fases (crudo, gas y/o agua), donde el gas es dominante. • Liquid: líquido fase simple (hidrocarburo o agua). • Gas: gas fase simple (hidrocarburo dominante). • Compositional: el fluido es representado por componentes definidos. (c) Dimensiones (Input Dimention): esta ventana permite definir el sistema de unidades dimensionales de entrada y salida del problema (d) Propiedades de los fluidos (fluid property data): • Termodynamic method (métodos termodinámicos.) • Blackoil PVT data (Presión, Volumen y Temperatura [PVT] del crudo) • Gas condensate PVT data (PVT condensado.) • Single phase liquid PVT data (PVT fase líquida.) • Single phase gas PVT data (PVT fase gaseosa.) • Steam PVT data (PVT fase vapor.) • Datos de los elementos de la red de trabajo: luego de introducir la información requerida para el sistema, se comienza la construcción de la red de trabajo. Después de construida la red es necesario definir los parámetros fijos de la tubería, así como los valores operacionales de presión, temperatura, producción de crudo y producción de gas.
Simulador de Gasoductos PIPEPHASE Para el cálculo y diagnóstico del comportamiento de las redes de gas objeto de estudio, se utilizó el programa
para la simulación de redes de tuberías PIPEPHASE. Este programa es un simulador de flujo en tuberías en condiciones de estado estable, el cual es capaz de producir la caída de presiones, temperatura, velocidades, posible condensación de líquido en líneas, etc. Los fluidos a ser considerados en las simulaciones de PIPEPHASE incluyen líquidos, gas, vapor y flujo multifásicos de mezclas de gas y líquidos. El programa utiliza un lenguaje específico para la programación el cual es perfectamente relacionado con los accesorios de trabajo y puede ser adaptado a la aplicación de estudio por poseer una serie de opciones entre los cuales se destacan: versatilidad en el manejo de unidades, diferentes tipos de ecuaciones, variación en las condiciones para la realización de análisis de sensibilidad, eficiencia de transporte en las tuberías, cálculos de transferencia de calor sobre el fluido de trabajo, etc. Adicionalmente los resultados incluyen perfiles de presión, temperatura, velocidad y la distribución de los flujos en el arreglo. Es útil para diseñar nuevos sistemas, supervisar sistemas actuales y prevenir o solucionar problemas. Algoritmos de Resolución. Una vez especificados el sistema de unidades a utilizar (inglés, internacional, etc.) y de haber seleccionado el modelo de fluido, bajo el cual va correr la simulación (black oil, vapor, etc.) se procede a estructurar y armar la simulación. En el caso de redes de tubería, el flujo se mueve de un origen a su destino a través de tuberías, accesorios, bombas y otros dispositivos. Frecuentemente siguen trayectorias únicas o bien se mezclan con otros flujos provenientes de otras líneas. Para resolver las condiciones de operación y predecir el comportamiento de todos los fluidos involucrados a lo largo de toda la red, PIPEPHASE trabaja con la siguiente estructura. Fuente. Son los puntos de donde sale un flujo cualquiera. Dependiendo del modelo de fluido seleccionado, la configuración de la fuente cambia. Según el caso se puede especificar: caudal total, presión del flujo en ese instante, porcentaje de agua de la mezcla, temperatura en ese punto y gravedad específica (ºAPI en caso de crudo) del flujo. De una fuente solo puede salir un flujo. Enlaces. Son los dispositivos que se encuentran entre la fuente y el destino del flujo. En un enlace se pueden definir y especificar cualquier equipo involucrado en la simulación: Tuberías (horizontales y verticales), válvulas (globo, compuerta, mariposa etc.), codos, bombas, compresores y oros. En los enlaces es que se ubican todos los dispositivos que de una u otra forma afectarán el comportamiento de un flujo. Destinos. Son los sumideros o llevaderos en donde llega el flujo. Igualmente permite especificar el caudal de llegada, presión, temperatura del fluido. A un destino puede llegar únicamente un solo flujo.
Cálculo por segmento. El PIPEPHASE determina unidades ó divisiones llamadas segmentos, para calcular la diferencia de temperatura, caída de presión, acumulación de líquidos y las propiedades del flujo en una tubería ó tubo. El procedimiento es dividir una tubería en segmentos de manera que se puedan realizar por equilibrios de fases. Por supuesto el usuario debe ingresar datos que el PIPEPHASE ejecute sus cálculos. Anteriormente se señalaron los valores a ingresar tanto en la fuente como en el destino, pero se debe recalcar que no se deben ingresar todos, ya que el simulador con datos de entrada debe obtener datos de salida. Resoluciones de Redes. Se debe tener en cuenta que las redes poseen la misma estructura fuente- enlacedestino, pero con la diferencia que existen varios flujo ó varios recorridos involucrados. Como una fuente puede generar un solo flujo, deben existir por lo tanto tantas fuentes como flujos diferentes existan. Igualmente a un mismo destino puede llegar únicamente un solo flujo, por lo que para simular casos reales se hace uso de los nodos. Los nodos tienen como función unir 2 ó más enlaces de flujo diversos en uno ó más enlaces.
El PIPEPHASE al resolver las redes implementa proceso iterativo, por lo que ciertos datos de entrada deben ser suministrados por el usuario, como una presión ó flujo estimado. El PIPEPHASE utiliza un esquema matricial y de Newton Raphson para resolver redes de este tipo, ya que tiene que efectuar los balances energéticos y de masa para todos los enlaces presentes. La resolución de las redes se puede llevar bajo varios enfoques, que se explican a continuación: Método de Balance de presión (PBAL). Se utiliza para determinar la distribución de presión y caudal en una línea cualquiera. Como punto de partida trabaja con cada enlace sin importar que estén interconectados entre sí por medio de nodos. Toma los valores iniciales de caudal y presión de las
fuentes ó destinos involucrados y resuelve las incógnitas presentes. Los desbalances de presión entre enlaces contiguos, se registran y luego se produce resolver el conjunto de ecuaciones no lineales con el método de Newton Raphson. Método de Balance de Masa (MBAL). Es un método que permite proporcionar al PBAL unos valores de iteración, más cercanos a la realidad de presión y caudal. Lleva a cabo sumas y balances de flujos en los nodos (entrantes y salientes), donde el valor total debe ser cero (0). Estos balances de masa en nodos, se pueden interpretar como ecuaciones no lineales de funciones de presión y temperatura en dichos nodos. Por lo que se aplica el principio de conservación de masa y energía e igualmente se hace de Newton Raphson. Especificación de Tuberías. El PIPEPHASE posee distintas ecuaciones que afectan la simulación de equipos como bombas, compresores, válvulas codos, etc. En el caso concerniente a ésta investigación el simulador se aplicará al tratamiento de redes de tuberías, por lo que a continuación se menciona lo siguiente: - El simulador posee valores de diámetro tuberías estándar, así como también celdas en donde se pueden asignar valores medidos de campo. - La Rugosidad, factor de fricción y grado de obstrucción de las tuberías debe ser especificado. La rugosidad y el factor de fricción pueden ser especificados por el usuario ó calculados por el programa a partir de la selección del material integrante de la tubería. En cuanto al grado de obstrucción, es un porcentaje modificable por el usuario que refleja el desgaste de la tubería (eficiencia de flujo). Si es 100% significa que no se encuentra en desgaste y que el diámetro efectivo es el interno estándar. - El Schedule puede ser especificado por el usuario y el coeficiente global de transferencia de calor (U) puede ser calculado por el programa ó especificado. El coeficiente de transferencia (U) se encuentra preestablecido en el simulador, pero se encuentra sujeto al medio circundante y a su temperatura. Esto se debe que la mayor resistencia para la transferencia de calor, para tuberías sin aislante, es la convección externa. Se puede especificar como medio circundante agua, tierra, aire y otros a cualquier temperatura.
ELABORACIÓN DEL MODELO DE DISEÑO EN PIPEHASE Para realizar un caso en el simulador PIPEPHASE se debe introducir la data siguiendo la metodología descrita a continuación:
Crear Nueva simulación ( Create new simulation) Al comenzar con Pipephase, en la barra de herramientas se debe crear una simulación, de esta manera se comenzaran los procedimientos para preparar la corrida que se desee realizar. Al realizar esto se debe introducir el nombre que se le quiere agregar y el lugar o dispositivo electrónico donde se desea guardar dicho caso. Selección del tipo de simulación (Select the simulation type) En esta etapa se hace la selección entre tres casos, Modelo de red (Network Model), levantamiento de análisis de gas (Gas Lift Analysis) o generación de tablas PVT (PVT Table Generation), dependiendo del tipo de simulación que se desea realizar. Selección del tipo de fluido En esta ventana se selecciona el tipo de fluido a el cual se le desea realizar la simulación, encontramos una lista de siete tipos de fluidos. Para esta simulación se utilizará el tipo de fluido compositional, dicha especificación calcula las propiedades termodinámicas y de transporte de las corrientes dependiendo de las propiedades de los fluidos puros. Selección de la composición de la fase (Compositional Phase Designation) En esta ventana se selecciona si el sistema contiene una sola fase, líquido o vapor, también contiene la opción de que el sistema sea bifásico, líquido-vapor. Para nuestro caso en particular se utilizará el sistema bifásico (Rigorous Multi-Phase) debido a que se estudiará un sistema de condensados de una corriente de gas. Selección del sistema de unidades (Select the Default Units of Measurement) En esta ventana se selecciona entre cinco opciones el sistema de unidades de los datos relacionados con la simulación a establecer. Para muestra simulación necesitamos un sistema de unidades relacionado con el ambiente petrolero o gasífero, por ello se selecciona el sistema de unidades Petroleum. Selección de los componentes del sistema (Component Data) En esta parte se introducen los componentes referentes a la simulación a realizar. Los componentes puros se seleccionan de una tabla muy completa, dependiendo de lo que la simulación requiera. En este caso se tomaron componentes orgánicos que comprenden desde el Metano hasta el Hexano e inorgánicos como el agua, dióxido de carbono y Nitrógeno. Aparte la corriente a estudiar contiene seudo componentes o componentes de características no puras, las cuales son introducidas conociendo el peso molecular, la densidad y el punto normal de ebullición. En nuestra simulación encontramos 3 componentes de este tipo. Construcción del modelo hidráulico y definición de la corriente. En esta parte se elaboró el diagrama de flujo de la tubería y se introdujeron las
condiciones a la corriente en la salida de los tanques. La tubería se diseño por tramos y se tomaron en cuenta las elevaciones, tomando como origen la altura de los tanques, porque es donde comienza la tubería, y como fin la entrada a la URV. Es importante acotar que los accesorios de dicha tubería no fueron tomados en cuanta, se tomo como primordial la distancia y la altura que presenta el recorrido de la tubería. Corrida de la simulación (Run Simulation and view Results) La configuración de la corrida tiene varias opciones, para este caso se utilizará flujo Estacionario (Network Simulation) y la acción será la de ejecutar la simulación (Run the Simulation).
