Transitorios rápidos, análisis de sobrepresión y la velocidad del sonido
Los transitorios rápidos con frecuencia se consideran una especialidad por sí mismos. Los consultores con más experiencia dedican su carrera a los transitorios rápidos, realizando análisis de sobrepresiones (surge análisis) para la simulación de ductos. La escala de tiempo en la que se producen los transitorios rápidos es claramente diferente a los escenarios operativos mencionados en la optimización de las operaciones mediante un simulador de ductos y, en adición, la velocidad del sonido es diferente en los ductos, haciendo de este un tema muy interesante para profundizar.
La seguridad es primero
Todos los ductos cuentan con una secuencia de inicio y un procedimiento de parada de emergencia. Sin embargo, ambos pueden llegar a ser catastróficos de realizarse mal. Por ejemplo, ¿qué ocurre si un evento ocurre demasiado rápido o demasiado lento?
Una acción que puede parecer segura podría tener efectos imprevistos en otras partes cuando se trata de una red de ductos compleja.
Por ello, los sistemas de control y los procedimientos que rigen el funcionamiento de un ducto se diseñan cuidadosamente y son estrictamente respetados. Su lógica se representa en el software de simulación de ductos, que ofrece escenarios que incluyen no sólo lo que ocurre en el arranque y la parada, sino también las consecuencias de una fuga, una descarga, un alivio de presión y un flujo estrangulado (flujo crítico).
La velocidad del sonido
La velocidad del sonido es más lenta en un fluido que se mueve por un ducto en comparación a ese mismo fluido fuera de un ducto. El fluido que se mueve fuera de un ducto opera a la velocidad del sonido libre, por lo que sólo se rige por dos propiedades: su módulo de compresibilidad isentrópica (Bs) y su densidad (ρ).
La velocidad del sonido para un fluido en un ducto implica métricas adicionales para realizar un cálculo corregido que considere las propiedades del ducto:
- Diámetro interno (D)
- Módulo de elasticidad (B)
- Grosor de la pared (δ )
- Factor de restricción (ϕ)
Para los ductos con pared delgada, el cálculo para la velocidad del sonido corregida sería el siguiente:
Para minimizar las posibles interrupciones del flujo, son necesarios otros cálculos, como la ecuación de Joukowsky, para garantizar la seguridad de las operaciones de los ductos, que se pueden llevar a cabo mediante programas de simulación como Atmos SIM.
Aumento repentido de presión
A continuación, se desglosa un posible escenario de aumento de presión, denominado sobrepresión (también conocido como golpe de ariete), y cómo las estrategias de mitigación activas, pasivas y automatizadas de un análisis de sobrepresión utilizando la simulación de ductos pueden mejorar las operaciones de los ductos.
Cuando el fluido de un ducto se somete a un cambio inadecuado de velocidad, se produce un aumento de presión, también conocido como golpe de ariete o choque hidráulico.
Este fenómeno normalmente lo causa un mal control de un ducto, como por ejemplo durante los procedimientos de cierre de emergencia (ESD por sus siglas en inglés). Por ejemplo, después de un corte de energía, una de las prioridades de la ESD consiste en interrumpir rápidamente el flujo mediante el cierre de las válvulas, pero cuando esto se hace cerrando las válvulas con la fuerza de los gradientes de presión inversa, existe el riesgo de flujo inverso en un ducto. Esto puede ser costoso si el flujo inverso se convierte en sobrepresión en el ducto.
Figura 1: El instante del cierre de una válvula dentro de un ducto de líquido en funcionamiento. Un aumento de presión se dirige aguas arriba y otro aguas abajo. El perfil superior es de velocidad de flujo, el segundo es de altura, el tercero es de elevación y el inferior es de presión.
Dado que la sobrepresión puede provocar accidentes catastróficos, es necesario realizar un análisis de los aumentos de presión para garantizar que las operaciones de los ductos no generen transitorios hidráulicos que superen los límites de seguridad de funcionamiento (SOL por sus siglas en inglés).
Consultores especializados se encargan de medir los equipos de alivio de sobrepresión y de evaluar estrategias lógicas de acción rápida para proteger el ducto de los peores escenarios, como las fugas o rupturas. Este trabajo se facilita con sistemas de simulación, como Atmos SIM, con nodos de menor espaciado y cálculos de tiempo a una duración convenientemente corta.
La ecuación de Joukowsky es beneficiosa en el caso de un aumento de presión, ya que permite a los responsables de los ductos seguir los picos de presión transitoria en la línea. Un ejemplo de esto podría ser durante un instante como el de la figura 1, cuando una válvula se cierra repentinamente. El análisis de los picos de presión, junto con cálculos como la ecuación de Joukowsky, garantiza que los instaladores de ductos puedan aplicar las estrategias más adecuadas para mitigar la sobrepresión, ya sean activas, pasivas o automatizadas.
Sobrepresión: estrategias de mitigación activas
Calcular la sobrepresión permite a los diseñadores de ductos instalar dispositivos y generar procedimientos para mitigar los aumentos de presión hidráulica que son críticos para la seguridad y en los que se puede confiar para mitigar las consecuencias catastróficas de un aumento de presión.
Si tomamos el ejemplo de una válvula que se cierra de golpe en el extremo de salida de un ducto corto de petróleo crudo, el ducto se romperá, pero un análisis de sobrepresión realizado por un simulador de ductos, que sea fácil de usar, como Atmos SIM, puede determinar si el aumento de presión supera la presión máxima de la línea. Esta información puede utilizarse para determinar si se necesita un procedimiento de mitigación (mitigación activa de sobrepresión) o un dispositivo de alivio de sobrepresión (mitigación pasiva de sobretensiones) en el ducto.
Sobrepresión: estrategia de mitigación pasivaassive surge mitigation strategies
Los dispositivos pasivos de mitigación de sobrepresión, como las válvulas de alivio, son críticos para la seguridad, por lo que es vital que los ductos utilicen normas y prácticas adecuadas, a fin de garantizar que funcionen en el momento y a la presión correcta.
Figura 2: La presión aguas arriba en respuesta al cierre de válvula con un segundo de duración, con una válvula de alivio (verde) colocada justo después de la válvula de cierre y sin la válvula de alivio (rojo)
Otro ejemplo de dispositivo de mitigación para sobrepresión es un tanque dedicado para este fin, que puede mitigar tanto el exceso de presión ascendente como el descendente. Si la presión de la línea supera el SOL, el líquido se desvía hacia el tanque, lo que reduce la altura del pico de presión, y si la presión cae por debajo de la presión del tanque, el líquido sale del tanque y aumenta la presión en la línea.
Análisis de sobrepresión automatizado
Es vital que cada cambio en las características de un ducto, en las especificaciones de los materiales o en las propiedades de los fluidos reciba un análisis detallado de sobrepresión. El análisis automatizado de sobretensiones puede facilitarse con soluciones como Atmos SIM, que incluye las siguientes funciones:
- Espaciado variable de nodos
- Tiempo de cálculo variable
- Modelado de velocidad inversa para el comportamiento dinámico de las válvulas de bloqueo
- Modelado del comportamiento preciso de la bomba en operaciones de inicio y parada
- Controlador lógico para el control de la simulación durante eventos de sobrepresión
- Ingreso de las características de la válvula para su cierre preciso
Con estas funciones, Atmos SIM puede ejecutar automáticamente escenarios de sobrepresión en sucesión. Genera un informe resumiendo los resultados clave, incluyendo el pico de la sobrepresión y su ubicación. El informe también resume los resultados importantes en un formato conveniente para el escrutinio y genera tendencias para cada escenario de aumento de presión.
Opere el ducto de forma eficiente y rentable
En potenciales situaciones de emergencia, como los impactos de una sobrepresión, las acciones de los ductos pueden ser críticas para la operación segura de los mismos.
El análisis de sobrepresión junto con la simulación de ductos ayuda a los operadores de ductos a responder temprano a los cambios en curso, operar con seguridad sus ductos y a evitar los costosos efectos de los excesos de presión no mitigadas.
Referencias
1 “The Atmos Book of Pipeline Simulation”
Descargue el capítulo nueve Obtenga su libro en inglés
¿Listo para el capítulo 10?
El capítulo 10 trata de cómo el modelado transitorio en tiempo real puede ser un sistema eficaz de detección de fugas que detecta rápidamente las fugas y estima con precisión su ubicación y tamaño.