Un simulador de ductos altamente especializado
Los simuladores de procesos generalistas suelen simplificar los ductos más allá de lo razonable, siendo esta una de las razones por las que los simuladores de ductos tienen una importante ventaja estratégica. Dado que la simulación es adaptada al ducto, se incluyen características específicas relevantes para una tubería real, como un modelo térmico totalmente transitorio que captura la física de la temperatura y el calor.
La implementación cuidadosa de este tipo de características hace que una simulación sea fiable, válida y precisa para los operadores de ductos. A continuación, estudiamos los componentes básicos que generan una simulación eficaz de ductos, explorando algunos de los aspectos más especializados como la red (mesh) espacial adaptable y los nodos móviles para el seguimiento de la composición.
Este capítulo abarcará:
- Los tres enfoques más comunes utilizados para el solver numérico en un simulador de ductos
- El espaciado de los nodos y la malla espacial adaptativa
- Consideración de los componentes básicos
Los tres enfoques más comunes para un simulador de ductos
Un simulador físico utiliza un solucionador (solver) para abordar la tarea de encontrar una solución a las ecuaciones numéricamente. Entre los enfoques con más reputación para los solucionadores de Navier-Stokes se encuentran los métodos de Galerkin y de elementos finitos.
Casi todos los simuladores de ductos en el mercado utilizan uno de los tres enfoques principales para su solucionador. Aunque en la práctica, el usuario típico de un simulador no tiene en cuenta el método utilizado para resolver sus ecuaciones, es importante considerar cuidadosamente el enfoque para ciertos estudios, como el análisis de sobrepresiones (surge analysis). Cada enfoque aporta su propio conjunto de ventajas y desventajas.
Los tres enfoques para el “solver” son:
- Un método de diferencias finitas explícitas corriente arriba
- El método de características
- El esquema de cajas, un enfoque implícito de diferencias finitas – utilizado por Atmos Simulation (SIM) Suite
Un estudio de los años 80 comparó estos enfoques. Simulando un ducto de gas, concluyó que los tres eran precisos, aunque el esquema de cajas suele ser el más rápido para lograr una precisión determinada.1
Figura 1: Ventajas y desventajas de los tres enfoques que se suelen elegir para el solver de un simulador de ductos
Significa que es poco probable que la longitud de cada sección de ducto en nuestra malla se divida exactamente en este espaciamiento de nodos predeterminado. También significa que, si se hacen cambios en el paso de tiempo, debemos cambiar el espaciado de los nodos en consecuencia. Si se recurre a la interpolación para evitarlo, se pierde la principal ventaja de este método: la propiedad de evitar la dispersión.
¿Por qué el esquema de cajas frecuentemente es el mejor enfoque?
El esquema de caja ofrece varias ventajas, volviéndose el preferido entre los simuladores de ductos actuales. Es estable a pasos de tiempo más largos y admite el espaciado de nodos adaptativo, lo que significa que resuelve las ecuaciones con mayor velocidad en la práctica.
Además, cuenta con un parámetro que puede ajustarse para regular la dispersión numérica, lo que permite al usuario priorizar la precisión o la estabilidad según sea necesario. Como el enfoque del esquema de caja es más complejo que los otros dos, su aplicación es ligeramente más avanzada. Sin embargo, una vez ajustado y configurado es increíblemente flexible y no necesita modificarse cuando un desarrollador amplía el simulador para añadir nuevas funciones.
Malla espacial adaptativa
Un simulador de ductos robusto es diseñado y codificado para superar una serie de retos, a menudo en torno a cómo mantener la estabilidad numérica mientras se resuelven ecuaciones difíciles que rigen el flujo de líquidos y gases. Uno de ellos es la forma en que el simulador divide un ducto en nodos: la malla espacial, que divide un ducto continuo en muchos segmentos pequeños.
Atmos SIM utiliza una malla espacial adaptativa, que permite al usuario decidir la precisión deseada de la simulación y calcular el espaciado de los nodos automáticamente, a la vez que se mantiene la velocidad de cálculo. Esto permite al usuario observar una sección del ducto cuando algún evento interesante ocurre, con una precisión de sólo unos cientos de metros.
En secciones del ducto donde hay condiciones estables, se utiliza una separación de nodos más gruesa automáticamente. Cuando se producen efectos transitorios, se aplica un espaciado de nodos más fino a las secciones afectadas del ducto. Aumentando la precisión de la simulación cuando y donde es necesario, algo que ocurre con frecuencia en la rutina de algunos ductos.
Desde hace mucho, los simuladores de ductos y simuladores de yacimientos cuentan con una malla espacial adaptativa para resolver ecuaciones diferenciales parciales (EDP) en dos o tres dimensiones. Estos algoritmos son útiles en todos los escenarios y se han convertido en un componente integral de los simuladores de ductos actuales.
Una de las principales ventajas observadas al utilizar una malla espacial adaptativa es que el usuario de Atmos SIM no necesita ajustar la malla espacial manualmente, lo que antes era una práctica tediosa. Esta potente función ofrece una experiencia "plug-and-play" sin fisuras, brindando al usuario la confianza de que su simulación seguirá siendo precisa y robusta. Permite a los usuarios centrarse en responder a las preguntas que son importantes e interesantes para ellos con sólo pulsar un botón. La malla espacial adaptativa de Atmos SIM puede manejar muchos escenarios avanzados, al incorporar toda una gama de características innovadoras.
Nodos móviles
Atmos SIM también utiliza nodos móviles para manejar lotes de ductos o frentes de composición. Capacitándolo para:
- Mantener la fidelidad al rastrear diferentes grados de producto líquido
- Rastrear la composición en ductos de gas
- Detectar anomalías
- Rastrear el origen de un fluido
Considerando los componentes principales
Con un simulador de ductos como Atmos SIM, el usuario no necesita pensar exactamente dónde y cuándo se necesitan nodos espaciales más estrechos y pasos de tiempo más cortos, todo se hace automáticamente. Los mismos algoritmos gestionan sin problemas los escenarios en línea, los estudios fuera de línea y las previsiones, adaptando los nodos del ducto durante una simulación para que siempre se mantenga estable, con una solución rápida y precisa.
Los simuladores de ductos deben, en última instancia, facilitar el trabajo de los operadores. Por eso es importante tener en cuenta qué tipo de enfoque se utiliza para resolver las ecuaciones y los algoritmos. Los simuladores que utilizan mallas espaciales adaptativas ayudan a los profesionales que realizan estudios fuera de línea y a los operadores que gestionan ductos a confiar en la velocidad, la solidez y la precisión de su simulación en todo momento.
Referencias
1 ”The Atmos book of pipeline simulation”
Descargue el capítulo dos en inglés Obtenga el libro en inglés
¿Listo para el capítulo tres?
Es fundamental abordar las incertidumbres que pueden surgir en la simulación de ductos. El capítulo tres trata de las formas en que los operadores de ductos pueden aumentar la fiabilidad de sus resultados, optimizando el rendimiento del simulador.