Tutorial ejemplo-simulación con Pipephase

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NUCLEO ANZOATEGUI ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS POSTGRADO ESPECIALIZACION EN INGENIERIA DE GAS COHORTE XI – 2012 SIMULACION DE PROCESOS

ESTUDIO DE FLUJO DE FLUIDOS EN ESTADO TRANSITORIO UTILIZANDO EL PROGRAMA DE SIMULACION PIPEPHASE CON EL MODULO “TACITE” Tutorial

Prof. Jose Rengel, Msc, PhD

REALIZADO POR: -Ing. Mónica Zabala

PUERTO LA CRUZ, 22 DE ENERO DE 2013

C.I. 15.401.226

EL PROBLEMA Fuente Flujo composicional P (estimada) = 1000 kPa T= 350 K Flujo másico (fijo) = 18000 kg/h

Datos de la válvula: Di entrada (real)= 80 mm Di salida (real)= 80 mm K=1

L1 = 500 m D1= 146 mm Rugosidad absoluta= 0.01 Coeficiente U= 5.6783 W/m2.°C Componente

fracción molar

C1

0.45

C2

0.25

C3

0.02

iC4

0.02

nC4

0.02

iC5

0.02

nC5

0.02

nC8

0.20

Entrega P (fija) = 1000 kPa T= 350 K Flujo másico (estimado) = 10000 kg/h

L2 = 500 m D2= 146 mm Rugosidad absoluta= 0.01 Coeficiente U= 5.6783 W/m2.°C

Se solicita: Realizar la corrida de simulación con PIPEPHASE en transiente, considerando la perturbación del sistema de las siguientes variables: 1. Variación en el porcentaje de apertura de la válvula. 2. Variación en el flujo másico de la fuente

SOLUCION PASO A PASO 1. Se crea un nuevo archivo. Se le coloca nombre al mismo, tomando en cuenta que debe ser pequeño para minimizar errores posteriores dentro de la simulación.

SOLUCION PASO A PASO (continuación)

2. Al crear un nuevo archivo, automáticamente inicia un tutorial de inicio. Se hace clic en “siguiente”

3. Luego se selecciona el tipo de simulación. En este caso, modelo de red.


4. Se selecciona el tipo de fluido, composicional.

5. Luego se selecciona el comportamiento de fases, riguroso multifásico.


5. Se selecciona el sistema de unidades a utilizar en la simulación. Esta selección la modificaremos más adelante.

6. En esta pantalla se indica el resumen de las selecciones realizadas previamente. Se hace clic en “finalizar”.


7. El programa luego muestra la ventana que nos permitirá agregar los componentes que forman parte de la corriente a simular. Se hace clic en “add”.

8. Se ubican los componentes indicados en el problema, se seleccionan y posteriormente se hace clic en ¨add components para agregarlos.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 9. Ahora se agrega a la simulación la fuente, la entrega y posteriormente se interconectan.

Fuente

Entrega


10. Haciendo clic en ¨General Input units of measurement”, es posible modificar el sistema de unidades indicado al inicio, pues todas las unidades dadas en el problema corresponden al sistema internacional.


11. Una vez realizados los cambios en el sistema de unidades, se hace doble clic en la fuente para introducir los datos del problema.

Para introducir la composición, se hace clic primero en el tipo de composición de la que se dispone (molar, en este caso), y luego en ¨define composition¨).


12. Al hacer clic en ¨define composition¨, aparecerá una pantalla con los componentes agregados inicialmente. Se ingresa aquí la composición de cada uno (en porcentajes en este caso).


13. Ahora introducimos los datos de la entrega.


14. Ahora, se especifican los datos de las tuberías y válvula. Primero los datos correspondientes al primer tramo de tubería.

Se hace clic en ¨pressure drop method¨ y luego seleccionamos la correlación de flujo correspondiente a estado transiente ¨TACITE¨.


15. Ahora agregamos la válvula para introducir sus datos.

Finalmente, duplicamos la tubería cargada previamente pues posee los mismos datos.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 16. Una vez incluidos todos los dispositivos del link (tuberías y válvula), se procede a cargar la data de estado transiente. Para esto, se hace clic en el botón “TACITE” ubicado en el cuadro de edición del link indicado en el paso anterior. Una vez presionado el botón se desplegará un cuadro tal como se muestra en la figura. Debe hacerse clic en “activate and/or edit TACITE data para activar la función.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 17. Se introduce el tiempo de estabilización (tiempo que se tarda el sistema en alcanzar el estado estacionario), la duración del estado transiente que queremos simular y le indicamos al simulador cómo va a tomar el perfil de temperatura del análisis. Para este caso, se seleccionó como tiempo de estabilización 0 seg y como duración del estado transiente 8000 seg. Para el perfil de temperatura, se utilizará el mismo perfil que el obtenido para estado estacionario.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 18. Se procede ahora a definir los escenarios bajo los cuales el programa realizará las variaciones de los parámetros. Se hace clic en “scenario” y en la ventana que se despliega se hace clic en “add”. Si ya se dispone de un escenario y se requiere modificar, se selecciona y se hace clic en el botón “edit”.


19. Se agrega el primer escenario, en este caso al hacer clic\ en el botón “add” aparece el recuadro indicado a continuación. Haciendo clic en el único link indicado en la simulación, se selecciona el tipo de dispositivo la válvula, a su vez que se especifica el nombre de la misma. Posteriormente se define el parámetro que se estará variando en función del tiempo. Para el caso del problema, será el % de apertura de la válvula.

20. Se indica ahora cómo variará el porcentaje de apertura de la válvula en función del tiempo. Si es necesario, se hace clic en “more data: para agregar datos en caso que las filias mostradas no sean suficientes.


21. Una vez completado el primer escenario, se procede a agregar el segundo escenario. Para este problema el segundo escenario se refiere a la variación del flujo másico en la fuente. Primero se selecciona el tipo de nodo (fuente), seguidamente su respectivo nombre. Asimismo, se define el parámetro a variar y cómo lo hará en función del tiempo.


22. Fijados ambos escenarios, se hace clic en “ok” para introducir el resto de la información requerida para la simulación transiente.

23. Hacer clic en “device data”. Aparecerá un recuadro en el que es posible introducir datos de segmentación de líneas, dependiendo de cómo se prefieran segmentar los tramos de tubería para los cálculos. Para este caso, se segmentó cada tramo de 500 m en 10 segmentos cada uno.


24. Haciendo clic ahora en el botón “ source data”, se indican los datos de la fuente para la simulación transitoria. En este caso, se utiliza la metodología “component clustering”, en el cual se indica el numero de pseudocomponentes en el que se quiere que se agrupen los componentes que conforman el fluido de la fuente para realizar la corrida de simulación en estado transitorio. Para el problema dado, se le indica a el simulador que agrupe los componentes (8) en 5 pseudocomponentes. Este numero nunca podrá ser mayor que el numero de componentes presentes en el fluido.


25. Haciendo clic ahora en “ other data”, se agrega información complementaria de la simulación transiente. En este caso, únicamente se incluyen intervalos de tiempo para el cálculo de 10 segs. También es posible ingresar la frecuencia y la tolerancia, pero para este caso se dejan en blanco.


26. Una vez introducidos todos los datos, se tienen listas las condiciones de los escenarios para el estado transiente. Finalmente, se revisan las propiedades termodinámicas que no se han revisado aun, para verificar que el modelo termodinámico sea el adecuado para la simulación a realizar. Para ubicar el menú, hacemos clic en “general” en la parte superior, y posteriormente “PVT data”. Aparecerá una ventana con el grupo de propiedades 1. Se hace clic en “edit” para editar las mismas. Se revisa el sistema termodinámico y se selecciona el sistema Tacite que es el adecuado para la simulación a realizar.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 27. Una vez modificado el sistema termodinámico, se dispone de la simulación lista para iniciar la corrida. Se hace clic en el icono que corresponde a iniciar la simulación, y aparecerá una pantalla como la que sigue a continuación:

28. En la configuración de la simulación, se selecciona primeramente la opción “ component clustering”. De esta manera realizaremos el agrupamiento de los componentes en pseudocomponentes antes de correr la simulación. Una vez seleccionada esta opción, se hace clic en “run”.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 29. Una vez realizada la corrida, confirmamos que se ha creado el agrupamiento de componentes previa simulación transiente. El reporte indica que efectivamente se completo la generación de pseudocomponentes.

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 30. Habiendo creado el agrupamiento en pseudocomponentes, se selecciona nuevamente el tipo de simulación a realizar (para este caso TACITE transient, y posteriormente se hace clic en “run”

SOLUCION PASO A PASO (continuación) 31. Al correr la simulación, el cuadro mostrado abajo indica el momento que culmina y si no hubo errores en la misma. Para este caso, la simulación fue resuelta y los resultados de la misma pueden visualizarse haciendo clic en “TRAS”.

DISCUSION DE RESULTADOS OBTENIDOS En la parte lateral izquierda pueden observarse los diversos parámetros que pueden ser revisados y analizados en función de su variación al ocurrir alguno de los escenarios planteados. Asimismo, es posible que las graficas de cada parámetro sean agrupadas por tendencia (en función del tiempo) o por perfil (se generan curvas individuales para cada tiempo en función de la longitud de la tubería). Para este caso en particular se muestran únicamente las tendencias en función del tiempo.

DISCUSION DE RESULTADOS OBTENIDOS (continuación)

Para el primer intervalo de tiempo (donde ocurre el escenario 1 – variación en la apertura de la válvula), puede visualizarse que para cualquier punto de la tubería desde t= 0 seg hasta t= 100seg la presión se mantiene estable, siendo la presión mas alta la que corresponde a la fuente (x=0m). Al llegar a t=100 seg puede visualizarse un incremento en la presión , específicamente aguas arriba de la válvula. Es posible notar que la presión varia muy poco aguas abajo de la válvula, y prácticamente se mantiene estable. Los efectos de variar la apertura de la válvula no afectan la presión aguas debajo de la válvula. Aguas arriba de la válvula, se visualiza un incremento de presión hasta t=300 seg; entre t=300seg y t=400 seg se visualiza una ligera estabilización de la presión y a partir de 400 seg la presión comienza a disminuir. Esto es perfectamente lógico pues se comienza a disminuir la restricción de flujo al abrir la válvula hasta el 80%. Posterior a los 600 seg, las presiones en cualquier punto de la tubería se mantienen estables aunque con valores superiores a los que tuvieran si la válvula quedara 100% abierta.


Para el segundo intervalo de tiempo (donde ocurre el escenario 2 – variación en el flujo másico de la fuente) puede visualizarse que a medida que aumenta el flujo másico desde t=1000 seg hasta t=4000 seg se incrementa la presión, presurizándose la tubería aguas arriba de la válvula. A partir de t=4000 seg hasta t=5000 seg la presión se mantiene estable dada la estabilidad del flujo másico de la fuente . A partir de t5000 seg comienza a visualizarse una disminución de la presión a medida que va cayendo el flujo hasta t=6500, cuando el flujo se estabiliza y por ende la presión del tubo. Para este caso, no se observa ningún cambio en términos de presión para el punto de entrega, mientras que los puntos que se van acercando a la válvula muestran variaciones considerables en sus picos de presión.


En el área lateral izquierda se selecciona ahora el flujo másico de liquido, en todo el intervalo de tiempo. Nótese que para la zona donde ocurre el escenario 1 se visualiza una disminución del flujo másico y un aumento brusco posteriormente (se explicará en la siguiente lámina). Asimismo, se visualiza el incremento del flujo másico toda vez que se incremente el flujo de la fuente, se estabilice y luego disminuya (ver explicación por escenario en las próximas laminas).


Primero revisamos el intervalo donde ocurre el escenario 1, para el flujo másico de liquido. En este caso, puede visualizarse que a t=100 seg comienza una disminución brusca de flujo másico producto de la restricción de flujo provocada por la válvula. Sin embargo, aún cuando entre 200 y 400 seg se mantiene la válvula en 40% de apertura, puede observarse un incremento del flujo hasta t=400 seg. Esto ocurre debido a que la restricción de flujo no sólo produce disminución de flujo sino un aumento en la presión aguas arriba de ,la válvula (tal como se evidencia en las laminas anteriores). Como la presión comienza a elevarse gradualmente en la línea hasta la fuente, el diferencial de presión entonces es mucho mas grande y el efecto se traduce en un aumento de flujo másico, esto es por que para este caso el efecto de esta caída de presión en la válvula es mucho mas grande que el que produce la propia restricción de la válvula. Efecto contrario se produce entre t=400 y t=600 seg, pues a pesar que se está aumentando el porcentaje de apertura de la válvula en t=500 seg se observa una disminución del flujo hasta t=600 seg. Esta disminución de flujo se produce por la disminución en la caída de presión en la válvula lo cual ejerce un efecto de disminución de flujo hasta estabilizarse presión y flujo a t=600 seg.


Al revisar el segundo intervalo (t=-1000 seg a t= 8000 seg) para el flujo másico de liquido, se visualiza el efecto lógico de aumento de flujo con el aumento de flujo en la fuente. Desde 5000 hasta 6500 seg visualizamos la disminución del flujo, y a partir de 6500 observamos que el flujo se estabiliza hasta 8000 seg, mostrando un ligero aumento a partir de 375 m (aguas arriba de la válvula) hasta estabilizarse.


En esta gráfica se observa la variación del flujo másico de gas durante todo el tiempo de duración del estudio transiente a diferentes puntos de la tubería, mostrando el efecto de ambos escenarios de estudio.


Para este primer intervalo (donde se observa la ocurrencia del escenario 1) el comportamiento del flujo másico de gas es similar que para el flujo de liquido: se visualiza una disminución del flujo de gas durante la restricción otorgada por el cierre parcial de la válvula a t=100 seg hasta t=200 seg; luego un aumento brusco a partir de este punto hasta t=300 seg y luego gradual hasta t=500seg (por el efecto que genera el aumento de la caída de presión), a partir d aquí una disminución hasta t= 600seg donde se estabiliza (por la disminución d la caída de presión, lo cual hace que su efecto sobre el flujo sea de disminución). Nótese que las variaciones de flujo se muestran de forma más evidente a distintos puntos a lo largo de la tubería, no así en la fuente ( a x= 0 m) donde se visualiza una ligera disminución entre t=100 seg y t=600seg, para luego estabilizarse nuevamente a partir de t=600 seg hasta 1000 seg.


Para el flujo másico de gas en el segundo intervalo (donde se visualiza el escenario 2), se observa el mismo comportamiento que el obtenido para el flujo másico de liquido: aumento desde t=1000 seg hasta t=4000seg, estabilización hasta t=5000 seg, disminución hasta t=6500seg y estabilización hasta la finalización del estudio transiente. En este caso, las variaciones realizadas a la fuente se evidencian a lo largo del tiempo en todos los puntos de la tubería.


En esta gráfica se observa la fracción de slug que se forma en la tubería durante los diferentes escenarios, en función del tiempo y de la distancia. Nótese que el pico más alto de slug se observa en el momento en que se mantiene la restricción de flujo por la válvula, y justamente a 575 m (justo a la salida de la válvula). Se observa que una vez inicia la apertura de la válvula hasta 80 % ocurre una disminución del slug hasta que, luego de oscilar un poco entre subir y bajar se estabiliza hasta t=1000 seg. A partir de acá la fracción de slug comienza a disminuir producto del aumento en el flujo másico de la fuente, esto se explica debido a que a mayor flujo mayor presión y por ende menos probabilidad de formarse acumulaciones de liquido dentro del tubo (se visualiza una especie de arrastre de liquido). Entre t=4000 seg y t= 5000seg ocurre una ligera estabilización, y una vez que el flujo comienza a disminuir hasta t=6500 seg la acumulación de líquido en la tubería es mayor, pues la disminución del flujo másico se traduce en una reducción de la velocidad y por ende mayor tendencia del liquido a acumularse en la tubería. Finalmente, luego de t=6500seg la fracción de slug se mantiene estable.


En esta gráfica se es posible visualizar la cantidad de liquido que se acumula en la tubería (hold up) durante todo el estudio transiente. Para este problema, visualizamos un pico de acumulación de liquido en el tiempo donde ocurre el primer escenario y otro pico en el segundo escenario. En las siguientes láminas se puede ver con mayor detalle.


Para el tiempo donde ocurre el primer escenario, puede visualizarse que a partir de t=100 seg comienza a aumentar la cantidad de líquido en la tubería hasta t=300seg, donde ligeramente se mantiene hasta t =400seg, tiempo en el cual la cantidad de liquido comienza a disminuir producto del arrastre ocurrido debido a la apertura de la válvula hasta 80% en t=600seg, tiempo en el cual la cantidad de liquido acumulado en la tubería comienza a estabilizarse hasta t=100seg.


Para el tiempo donde ocurre el segundo escenario, puede observarse una disminución gradual de la cantidad de líquido acumulado en la tubería desde t=100 seg hasta t=4000 seg; esto producto del aumento en el flujo másico desde la fuente que hace que el liquido sea arrastrado de la tubería y no se acumule. La estabilización en la cantidad de liquido desde t=4000 seg hasta t= 5000seg coincide con el flujo másico constante de la fuente para este intervalo de tiempo. Del mismo modo, entre t=5000 seg y t=6500 seg se observa un aumento en la cantidad de liquido producto de la disminución del flujo másico en la fuente.

ALGUNAS CONCLUSIONES DERIVADAS DE ESTE EJERCICIO -

Es posible verificar el comportamiento de un gran número de variables, creando escenarios que permitan evaluar el efecto de la variación de diversos parametros en intervalos de tiempo dados para un sistema o proceso específico.

-

La presión aguas arriba de la válvula aumenta a medida que se disminuye el porcentaje de apertura de la válvula. Asimismo, la presión aumenta a medida que el flujo másico aumenta.

-

Pudo visualizarse en el primer escenario que, aunque el porcentaje de apertura de la válvula disminuyera y el resultado lógico de esto fuese una disminución del flujo másico, el efecto que produjo esta acción en la caida de presión hizo que el flujo aumentara por el aumento en dicha caida de presión.

-

La cantidad de líquido acumulado en la tubería aumenta a medida que disminuye el flujo másico, sea cual sea el origen de la disminución (por disminución del flujo desde la fuente ó por restricción del flujo debido a la disminución del porcentaje de apertura de la válvula).

Tutorial ejemplo-simulación con Pipephase

Recommend Documents