The Atmos book of pipeline simulation - capítulo tres

Optimizando el rendimiento de un simulador de ductos

Los defectos e incertidumbres en la simulación de ductos no se deben únicamente a un aspecto concreto del simulador o el modelo, sino al conjunto del sistema, incluyendo los mismos propios contadores. El análisis de sensibilidad muestra el impacto potencial de varios factores que podrían generar incertidumbre. Abordar las incertidumbres que pueden surgir de estos factores ayuda a crear una simulación más precisa.

Aquí exploramos cómo superar los defectos e incertidumbres en las simulaciones de ductos para optimizar el rendimiento, abarcaremos:

1. Los principales factores que generan incertidumbre
2. La resolución de problemas cuando algo sale mal
3. Validación y establecimiento de la precisión

Los principales factores que generan incertidumbre 

Aunque parte de la incertidumbre procede del simulador, son otros aspectos, como la instrumentación del ducto, los que normalmente desempeñan el papel principal. Hay muchos factores que generan al menos cierto nivel de incertidumbre o error¹:

• Mediciones de entrada: incluyendo retrasos y desviaciones en el tiempo
• Parámetros del ducto: como la rugosidad de la pared y el diámetro interior
• Propiedades térmicas: como la temperatura ambiente y la conductividad del suelo.
• Propiedades de los fluidos: como la viscosidad, la capacidad térmica y la densidad
• Enfoque del modelo: por ejemplo, si se utiliza un modelo térmico transitorio del suelo
• Errores numéricos: dentro de los cálculos del solucionador del simulador
• Correlaciones empíricas: en las ecuaciones del modelo, como el factor de fricción.
• El estimador de estado: interpretación de los datos de los contadores en las condiciones de contorno.
• Fallos en los datos entrantes: en un contador concreto, en la conversión de datos o en el sondeo.¹

Cualquier comparación entre los datos del modelo y los del contador debe tener en cuenta que los datos del contador siempre están sujetos a sus propias inexactitudes. Cada contador está intrínsecamente asociado a una combinación de:

1. Un desplazamiento (también denominado sesgo)
2. Un nivel de imprecisión conocido como repetibilidad ¹

Otros factores que considerar son la conversión analógico-digital, que introduce un grado inevitable de error o ruido en cualquier cálculo práctico de ingeniería basado en mediciones de campo. La norma API 1149 define la precisión del valor y la diferencia con respecto a ese valor real.

Figura 1: Precisión y sesgo (API 1149), esta probabilidad puede no estar distribuida normalmente si incluye los efectos de la conversión analógico-digital

La importancia de la precisión en la simulación de ductos

En aplicaciones de simulación de ductos, necesita dictar la precisión, la velocidad y la complejidad. Por ejemplo, en el seguimiento de lotes de varios productos, las condiciones de funcionamiento de la presión y la temperatura sólo son importantes para el personal de programación en la medida en que influyen en los flujos y las trayectorias de flujo, mientras que el personal de operaciones observa si se violan los límites

Del mismo modo, en los análisis prospectivos o predictivos, los motores de la simulación están sujetos a una gran incertidumbre. Los resultados de la simulación de ductos sólo pueden ofrecer una estimación aproximada de las condiciones futuras.

Es importante entender cómo la simulación de ductos maneja los datos erróneos en los modelos en línea, donde la precisión se considera particularmente crítica.

Solución de problemas cuando algo sale mal

Como se ha mencionado, el tratamiento de los datos erróneos es una consideración importante para superar las incertidumbres. La mayoría de los problemas que surgen en la precisión de los simuladores de ductos son causados por datos de entrada de mala calidad recibidos en tiempo real de los instrumentos de campo.

Hay reglas generales para solucionar los problemas que puedan surgir durante una simulación. Por ejemplo, si se observan oscilaciones en los resultados, podrían deberse a alguna combinación del solucionador numérico y del algoritmo de malla adaptable.

Validación y establecimiento de la precisión

Una validación rigurosa es importante para establecer la precisión de un simulador de ductos. Los ingenieros necesitan confirmar que tienen los resultados correctos, sobre todo si van a utilizar el simulador para operar más cerca de los límites físicos o comerciales. En cualquier modelo siempre existe un grado de inexactitud, nuestra tarea es garantizar que siempre esté dentro de niveles aceptables. De este modo se garantiza que las operaciones de ductos se desarrollen sin problema, cumpliéndose los requisitos profesionales y legales.

Hay diferentes formas de validar un modelo. Podemos comparar los resultados simulados con los resultados analíticos o los valores medidos, o bien someter el modelo a cualquiera de las siguientes pruebas:¹

• Soluciones analíticas para casos especiales de detención, estado estacionario o transitorios
• Aproximaciones numéricas confirmadas manualmente mediante hojas de cálculo
• Cifras aproximadas de sentido común, perfiles razonables, balances de masas
• Resolver de nuevo en el mismo simulador de ductos con una malla más refinada
• Resolver de forma independiente utilizando paquetes de software de diferentes proveedores
• Pruebas de campo utilizando conjuntos de datos históricos para verificar lo que ocurre in situ

Comparación entre resultados simulados y resultados analíticos

Muchos cálculos manuales son lo suficientemente sencillos como para que los ingenieros se refieran a ellos como "back-of-the-envelope". Estos cálculos suelen ser en estado estacionario, pero un valioso ejemplo de cálculo directo que valida una operación transitoria es la ecuación de Joukowsky. Los resultados analíticos son una forma de determinar la precisión de los resultados de un simulador. En el caso de la ecuación de Joukowsky, valida los eventos de sobrepresión transitoria rápida en condiciones isotérmicas.

Pruebas de aceptación y conjuntos de datos históricos

Una vez realizadas las comprobaciones internas en el modelo, se aprovechan los datos reales del proceso para generar confianza en el modelo mediante la verificación de los cálculos del mismo in situ.

Todos los proyectos tienen hitos importantes, como la prueba de aceptación en fábrica (FAT), la prueba de integración en fábrica (IFAT) y una prueba de aceptación in situ (SAT). Estas pruebas pueden darse con años de diferencia si el ducto está en construcción, lo que supone un reto para la entrega del proyecto, así como para el registro y la validación de los datos. Algunos proyectos tienen una prueba de aceptación del modelo (MAT) que inspecciona el modelo de forma aislada.

Los operadores de ductos dependen de los modelos en tiempo real para estimar el inventario mantenido como paquete de línea, por lo que es crucial que tengan confianza en su modelo. Hay varias formas de validar el modelo con respecto a los datos históricos. Al evaluar el rendimiento de un simulador de ductos in situ, nos hacemos varias preguntas simultáneas, entre ellas:

• ¿Podemos deducir con precisión el valor de un contador que hace falta y que no conoce?
• ¿Cuál es el impacto global de un parámetro del modelo especialmente incierto (por ejemplo, el modelo térmico)?
• ¿Puede el sistema global de extremo a extremo manejar eficazmente los periodos de datos erróneos de los contadores?1

La precisión de un modelo es lo que nos permite plantear preguntas sobre los resultados posteriores, como por ejemplo:

• ¿Una toma no medida activa una alarma de fuga durante todo tipo de operaciones y en detención?
• ¿Proporciona el sistema de detección de fugas una estimación precisa del caudal de fuga y de su ubicación?
• ¿Concuerda el tiempo estimado de llegada (ETA) de un raspador o de un pico de composición con la realidad?

Disponiendo de los datos del emplazamiento, existe un periodo de validación para este, ajustando los parámetros del modelo, recalibrando y configurando el ajuste automático (aprendizaje) para que se actualice continuamente.

Superar las incertidumbres en la simulación de ductos

La implantación de sistemas de simulación ofrece a los operadores de ductos la posibilidad de responder a muchas preguntas y ayudar en las tareas cotidianas. Sin embargo, es crucial mantener un proceso adecuado para la puesta en marcha que ayude a reducir la incertidumbre de la implementación del sistema.

El uso de técnicas de validación, como la comparación de los resultados simulados con los resultados analíticos y el sometimiento del modelo a pruebas razonables, ayuda a establecer la precisión.

Referencias

¹ “The Atmos book of pipeline simulation”

Descargue el capítulo tres en inglés Obtenga el libro en inglés

¿Listo para el capítulo cuatro?

El capítulo cuatro abarca una serie de ecuaciones de estado que pueden utilizarse para expresar las propiedades termodinámicas que dependen de otras dos y las particularidades al considerar estos cálculos para la simulación de ductos.

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