Pregunte al expterto Q&A: Simulación de ductos
Contribuir a la solución de problemas en todas las fases del ciclo de vida de un ducto
Figura 1: Resumen de los módulos disponibles para Atmos SIM
Desde el diseño inicial de un nuevo ducto hasta el apoyo a las operaciones diarias del ducto, los programas de simulación de tuberías como Atmos SIM tienen el valor de ser versátiles. Se utilizan como herramienta de capacitación y la evaluación, así como para el modelado de gasoductos y oleoductos, ya que cuentan con múltiples aplicaciones, como offline, online y look-aheads (véase la figura 1). Hemos entrevistado a Jason Modisette, nuestro Jefe de Científicos de Simulación y coautor de The Atmos book of pipeline simulation, que ha respondido a algunas de las preguntas clave que nos plantean en torno a la simulación de ductos, entre ellas:
- Pregunta 1: ¿Cuánto tiempo lleva trabajando en simulación de ductos?
- Pregunta 2: ¿Qué opina de "The Atmos book of pipeline simulation"?
- Pregunta 3: ¿Qué hace la simulación de ductos?
- Pregunta 4: ¿Cuáles son los principales retos que una comañía de ductos enfrenta a la hora de utilizar software de simulación?
- Pregunta 5: ¿Cómo puede beneficiarse una empresa del uso de un modelo en línea?
- Pregunta 6: ¿Qué se puede hacer con un modelo offline?
- Pregunta 7: ¿Con cuanta precisión se puede modelar un ducto?
- Pregunta 8: En el caso de los gasoductos, hay muchas más aplicaciones de simulación en línea o en tiempo real fuera de Estados Unidos, ¿cuáles son las principales razones de tal diferencia?
- Pregunta 9: ¿Cuáles son los elementos principales para que una aplicación de simulación en línea o en tiempo real tenga éxito?
- Pregunta 10: ¿Qué impacto tendrá la computación en nube en la simulación?
- Pregunta 11: ¿Cómo contribuirá la simulación a la transición energética?
- Pregunta 12: ¿Qué es lo que más le gusta de trabajar en la simulación de ductos?
Pregunta 1: ¿Cuánto tiempo lleva trabajando en simulación de ductos?
Llevo 25 años en este sector. Durante ese tiempo, he trabajado en modelos de gas, líquido y multifase y en aplicaciones construidas sobre modelos como optimizadores, sistemas de detección de fugas y modelos en línea y fuera de línea.
Pregunta 2: ¿Qué opina de "The Atmos book of pipeline simulation"?
Estoy muy contento con el resultado. El objetivo de este libro era escribir todo lo que me hubiera gustado saber cuando empecé a trabajar en este sector.
Figura 2: El libro Atmos book of pipeline simulation y los Apéndices del libro, escritos por Moe Metwally y el Dr. Jason Modisette. Disponibles en Amazon.
Los destinatarios son realmente dos grupos. Por un lado, a los matemáticos e informáticos que quieran aprender sobre ductos y, por otro, a los que quieran conocer las técnicas numéricas utilizadas en la simulación de tuberías.
Pregunta 3: ¿Qué hace la simulación de ductos?
Un simulador offline produce en el ordenador un modelo de lo que ocurre en el ducto real. Esto puede ser útil para el diseño, para probar diferentes escenarios y para la formación.
Un simulador "look-ahead" es un tipo de simulador fuera de línea que puede ejecutar las operaciones actuales en el futuro y mostrarnos lo que va a ocurrir cuando hagamos determinadas cosas en el ducto, partiendo del estado actual.
Por último, un simulador en línea utiliza la instrumentación instalada en el ducto para impulsar el modelo. Mantiene un estado exacto de lo que está ocurriendo en el sistema en este momento. Esto puede decirnos qué presiones y flujos hay en lugares donde no hay instrumentación. También es útil para detectar anomalías.
Pregunta 4: ¿Cuáles son los principales retos que una comañía de ductos enfrenta a la hora de utilizar software de simulación?
Un modelo en línea es un equipo más estricto (en lo que respecta a los requisitos de precisión de los medidores) que cualquier otro con el que pueda encontrarse una comañía de ductos. Esto significa que, cuando instale por primera vez un modelo en línea, se encontrará con un montón de problemas en la medición existente que no le han afectado realmente hasta ahora. Estos problemas deben solucionarse para que el simulador funcione a pleno rendimiento.
Por ejemplo, si tiene una válvula de bloqueo y su sensor de posición lee erróneamente que está cerrada, es probable que sus operarios lleven años viviendo con ello y sepan que eso ocurre, y no les importa porque saben que ese sensor de posición no es fiable. Si lo introduces en un modelo, éste producirá resultados absurdos hasta que se solucione. Así tendrá que arreglar una serie de problemas como ese.
En muchos casos, por razones de coste, no es factible sustituir el sensor. Lo que sucede como parte del proceso de instalación del simulador es que Atmos International encontraría alguna forma de determinar si esa válvula estaba abierta a través de otros sensores. Por ejemplo, puede que haya un medidor de flujo junto a la válvula. Si el caudalímetro indica algo distinto de cero, diremos que la válvula está abierta, y si indica cero, diremos que la válvula está cerrada.
De lo contrario, tendríamos que ignorar el medidor defectuoso y eso podría causar problemas en el futuro si alguien abriera la válvula.
Pregunta 5: ¿Cómo puede beneficiarse una empresa del uso de un modelo en línea?
Un modelo en línea puede decirle mucho más sobre lo que ocurre en su tubería que sólo mirando los instrumentos. Al mostrarle las presiones en puntos alejados de los contadores, puede identificar posibles violaciones de la presión máxima o bolsas de aire (slack). También puede ofrecer estimaciones muy precisas del empaquetamiento de la línea en un gasoducto.
Los modelos en línea también sirven de base para otras aplicaciones en ductos, en particular los sistemas de detección de fugas. En los gasoductos, cualquier sistema preciso de detección de fugas necesitará un buen modelo en línea subyacente si se basará en software y no va a requerir un costoso hardware adicional añadido a la línea. Si se realiza un buen mantenimiento de los instrumentos, el modelo debería ser capaz de proporcionar una detección de fugas precisa con un mínimo de falsas alarmas y también localizaciones y tamaños de fuga precisos.
Por último, los modelos en línea son buenos para detectar otras anomalías, ya que detectan incoherencias entre los instrumentos. Pueden mostrar cuándo las bombas o los compresores están empezando a fallar y requieren mantenimiento, cuándo se está acumulando líquido en una tubería de gas o cuándo un lote en un ducto de líquido no tiene las propiedades de fluido esperadas.
Preguntas 6: ¿Qué se puede hacer con un modelo offline?
Un modelo offline puede utilizarse como herramienta de diseño para decidir qué tamaño de tubería, bombas o compresores se necesitan para alcanzar los objetivos y calcular el coste de del ducto. También puede utilizarse como base de un optimizador que determinará cómo gestionar una tubería, es decir, qué caudal y qué puntos de consigna de presión utilizar, y cuándo arrancar y parar determinadas bombas para minimizar los costes.
Los modelos offline también pueden utilizarse en un contexto de diseño para calcular los costes de explotación de un ducto que aún no se ha construido, dejando que el optimizador decida cómo cuál es la forma óptima de operar el ducto.
Por otra parte, los modelos offline pueden utilizarse para el análisis de sobrepresiones. Esto se utiliza principalmente para demostrar a los reguladores que el ducto funcionará de forma segura y dentro de los límites en distintos escenarios. El análisis de sobrepresiones también puede utilizarse para ajustar algunos equipos de la tubería, como los criterios de cierre de las válvulas de cierre de emergencia para evitar que se activen accidentalmente durante el funcionamiento normal o durante los disparos de los compresores.
Por último, los modelos transitorios fuera de línea pueden utilizarse como entrenadores. Simulan el comportamiento del gasoducto real, de modo que un aprendiz no corre el riesgo de estropear accidentalmente las operaciones del gasoducto mientras aprende cómo funciona.
Pregunta 7: ¿Con cuánta precisión se puede modelar un ducto?
En un modelo en línea (en el que los medidores tienen un mantenimiento adecuado), generalmente podemos proporcionar precisiones de aproximadamente un error PSI en toda la red. Este nivel de precisión requiere cierta dedicación por parte del operador del oleoducto y debe investigarse cualquier desviación entre las lecturas de los contadores y los valores modelados. Cualquier cambio a gran escala en el entorno operativo, como los cambios térmicos, también debe introducirse correctamente en el modelo.
Si se tiene un modelo en funcionamiento que era bueno cuando se puso en marcha, pero se deja durante unos años y no se hace nada con él, la precisión será probablemente de unos diez PSI de error en toda la red. En muchas circunstancias, esa precisión es suficiente para muchas aplicaciones. En un gasoducto, la precisión es bastante buena, pero cuesta dinero localizar los errores de los medidores y controlar el modelo constantemente, así que hay que plantearse qué nivel de precisión merece la pena mantener. Es importante proporcionar el nivel de atención adecuado para las aplicaciones de gasoductos que se contemplan.
En el caso del modelado de líquidos, nos encontramos con algunos problemas ambientales en los que podemos tener parámetros erróneos sobre el sistema, el mayor de los cuales es la viscosidad en los lotes de crudo. A menudo están mal caracterizados y pueden producir errores de modelo significativos superiores a la cifra de diez PSI.
Por último, una tubería expuesta a la atmósfera, como la luz del sol, las nubes, el viento, etc., puede dar lugar a errores significativos debidos a las condiciones térmicas desconocidas relacionadas al ducto, pero esto es bastante raro, afortunadamente, porque la mayoría de las tuberías están enterradas. Los demás parámetros, como el diámetro y la longitud, suelen ser bien conocidos por las empresas y no constituyen una fuente importante de error.
Pregunta 8: En el caso de los gasoductos, hay muchas más aplicaciones de simulación en línea o en tiempo real fuera de Estados Unidos, ¿cuáles son las principales razones de tal diferencia?
Históricamente, los reguladores estadounidenses no han exigido la detección de fugas en los gasoductos en la medida en que lo han hecho los reguladores de otros países, y hasta hace poco también se permitía la incineración del gas residual (venteo de gas). Los principales usos de los modelos de gas en línea son la gestión de la capacidad y la detección de fugas en línea, y son muy rentables en comparación con otras opciones, como la detección de fugas basada en hardware.
Vemos que el entorno normativo está cambiando y esperamos ver en el futuro más modelos de gas en línea en el mercado estadounidense. Los recientes acontecimientos en Europa también ponen de relieve la importancia de garantizar el suministro de gas y el valor que puede generar el gas norteamericano. Los modelos de gas en línea pueden ayudar a operar eficientemente las complejas redes sin venteo. Esto ayudará también a reducir las emisiones de metano.
Pregunta 9: ¿Cuáles son los elementos principales para que una aplicación de simulación en línea o en tiempo real tenga éxito?
Como ya he mencionado, lo primero que hay que hacer es solucionar los problemas con los medidores. Esto suele ocurrir durante la puesta en marcha del sistema y es mucho más fácil si existe un canal directo de comunicación entre el proveedor de simulación y la compañía del ducto, en lugar de tener que pasar por el intermediario de la empresa SCADA, por ejemplo, que es un arreglo habitual.
Figura 3: Configuración de una interfaz de usuario para supervisar los ductos mediante Atmos SIM
Una vez puesto en marcha el modelo, es necesario que alguien de la empresa de oleoductos y gasoductos se haga cargo de él y lo vigile para garantizar su precisión. Con el tiempo, surgirán problemas y los medidores empezarán a desviarse de los resultados del modelo. Esto dará lugar a alarmas, pero alguien tiene que examinar las alarmas y averiguar qué las causa. Frecuentemente, esto es algo que puede hacerse completamente dentro de la comañía de ductos. Pero a veces es necesario recurrir al proveedor de simulación para que nos ayude con el análisis.
En el caso de una aplicación de detección de fugas, esto probablemente dará lugar a falsas alarmas y es importante que se entienda la causa de cada falsa alarma. Analizar las falsas alarmas lleva tiempo y cuesta dinero, por eso es importante que el sistema no produzca muchas de ellas en primer lugar. Estas son las principales aspectos para conseguir aplicaciones modelo precisas.
Pregunta 10: ¿Qué impacto tendrá la computación en nube en la simulación?
Ejecutar simulaciones en la nube nos permite realizar rápidamente varios escenarios en paralelo, lo que puede utilizarse para responder a preguntas de ingeniería. Por ejemplo, alguien puede querer conocer a qué velocidad puede cerrar una válvula para mantener la sobrepresión en un punto determinado por debajo de la presión máxima permitida. Se pueden realizar escenarios con distintos tiempos de cierre a la vez para ver cuál es el mejor.
Atmos también está explorando el uso de la nube en la optimización operativa de gasoductos, donde determinamos la forma más eficiente de realizar una operación próxima probando varios escenarios diferentes, ejecutándolos todos en paralelo y viendo cuál es el más eficiente.
Figura 4: Una simulación de 24 horas en la sala de control de un gasoducto mediante Atmos SIM
Por último, la computación en nube puede utilizarse en aplicaciones de simulación en línea para caracterizar parámetros desconocidos de la línea. Esto suele ocurrir en ductos de crudo, donde no se conoce bien la viscosidad de un lote entrante. Con un modelo en línea ejecutándose en la nube, podemos dividirlo en varios modelos paralelos, probar distintas viscosidades, ver cuál se ajusta mejor a lo que vemos en la instrumentación, quedarnos con ese y seguir ejecutando a partir de ahí.
Pregunta 11: ¿Cómo contribuirá la simulación a la transición energética?
Las empresas de ductos están a la vanguardia de la transición energética. En el caso de los gasoductos, hay tres aspectos principales: la mezcla de hidrógeno con el gas existente, el transporte de dióxido de carbono (posiblemente en los gasoductos existentes o en nuevos gasoductos), y el tratamiento de picos muy elevados de cargas, en las que las centrales eléctricas de gas se utilizan para cubrir lagunas en la energía suministrada por fuentes renovables como la eólica y la solar. Lo que se requiere en el caso de la simulación de la mezcla de CO2 e hidrógeno es que sea capaz de modelar con precisión las ecuaciones de estado que rigen estos fluidos. En la actualidad, las ecuaciones son bastante precisas para el dióxido de carbono siempre que sea puro, pero lo que esperamos ver en el futuro es dióxido de carbono mezclado con otras impurezas, como productos de combustión, y se están investigando las ecuaciones de estado necesarias para modelizarlo con precisión.
En cuanto a las cargas máximas, esperamos ver una optimización del gas más interesante, ya que los ductos deben funcionar en regímenes de flujo nuevos y más transitorios que antes, y los programas informáticos pueden ayudarnos a conseguirlo.
Fuera del ámbito de los ductos de gas, esperamos ver más ductos de líquidos compresibles que transporten materiales como líquidos de gas natural o gases licuados de petróleo. Los simuladores existentes, como Atmos SIM, pueden modelizarlos con precisión, pero es necesario comprender que el comportamiento de las bombas es muy diferente en estos casos y disponer de ecuaciones de estado precisas. Los oleoductos de crudo están experimentando una disminución de los caudales a medida que se agotan los yacimientos y no se perforan nuevos, y este es también un punto en el que la simulación de ductos puede ser de ayuda. Se necesita un modelo térmico preciso, tanto del fluido como del entorno térmico del exterior del ducto, para saber cuándo los crudos se volverán demasiado fríos y viscosos para bombearlos sin añadir calentadores u otros cambios en el equipo del ducto.
Pregunta 12: ¿Qué es lo que más le gusta de trabajar en la simulación de ductos?
Lo bueno de los simuladores de ductos, a diferencia de otros tipos de aplicaciones de dinámica de fluidos, es que se ejecutan muy rápido. Esto se debe a que los ductos son 1D. Si está haciendo algo como un modelo 3D del flujo de aire sobre el ala de un avión, puede tardar todo el día en obtener los resultados, pero la mayoría de nuestros simuladores pueden ejecutar los problemas sencillos que nos encontramos durante el desarrollo en unos pocos segundos. Esto hace que el ciclo de ejecutar la simulación, ver lo que ha hecho, arreglarlo o cambiarlo de la forma que quiera y volver a ejecutarlo sea bastante rápido. También es rápido desarrollar nuevas funciones, corregir errores y ese tipo de cosas. Eso hace que todo el proceso de trabajo sea más agradable y más rápido. También me gusta mucho trabajar con optimizadores.
Lo mejor de redactar un optimizador es que su programa brinda una solución que no se le habría ocurrido y haga algo inteligente. Es casi como cuando su hijo hace algo inteligente. De vez en cuando, cuando tenemos suerte, nos encontramos con un problema en el que podemos hacer algo equivalente a una búsqueda global sobre todas las soluciones. A veces surgen estos problemas, que son los más divertidos, porque entonces es probable que el optimizador produzca una solución que no se me habría ocurrido a mí.
Conozca más acerca de la simulación de ductos
Jason Modisette es coautor del libro de Atmos book of pipeline simulation, que ofrece una visión única y en profundidad de la tecnología de simulación de ductos, con ejemplos concretos demostrados mediante Atmos Simulation (SIM) Suite.