FACULTAD: INGENIERIA CARRERA: ING. INDUSTRIAL
MATERIA: ING. De PLANTA PLAN 1.999
GAS NATURAL Definición El gas natural es una mezcla de hidrocarburos gaseosos livianos, donde el mayor porcentaje lo ocupa el metano y su composición volumétrica varía entre un 80 y 95%, el resto de la mezcla esta compuesta por etano, propano, butano, e hidrocarburos superiores y cantidades mínimas de nitrógeno, anhídrido carbónico, hidrógeno sulfurado y vapor de agua. La composición promedio del gas natural puede verse en la siguiente tabla: Producto Metano Etano Propano Butano Superiores Nitrógeno CO2 SH2
Argentina 90,5 6,2 0,4 0,1 1,0 1,5 -
El gas natural proviene principalmente de los yacimientos de petróleo y de las plantas de refinación del petróleo crudo. En nuestro país existen grandes reservas y los principales yacimientos que producen gas son los de Comodoro Rivadavia, Plaza Huincul y Campo Durán. Las principales características de estos gases se dan en la siguiente tabla: Origen Comodoro Rivadavia Plaza Huincul Campo Duran Mendoza
Presión trabajo mm de H20 200 200 200 200
Pcs Kcal/m3 9.300 9.300 9.600 13.000
Densidad Ref. al aire 0,62 0,62 0,64 0,65
El gas natural presenta una gran cantidad de ventajas respecto a otros combustibles, entre las que podemos citar:
Elevado poder calorífico.
Economía, dado que al encontrarse en estado natural no requiere de grandes procesos de separación.
Transporte directo de yacimiento a puntos de consumo mediante gasoductos y redes de distribución.
No es tóxico porque no contiene CO. Es inodoro y por tal razón en las instalaciones domiciliares se le agregan mercaptanos; para detectar fugas.
Facilidad de medición.
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No requiere almacenaje de reserva por parte del usuario.
Su combustión prácticamente no produce contaminación atmosférica.
La formación de llama es casi inmediata, sin preparaciones previas.
Los equipos que lo usan son de fácil mantenimiento.
La llama es fácilmente regulable en los artefactos.
Entre sus desventajas podemos mencionar:
Formación de mezclas explosivas con el aire en caso de fugas.
Problemas de asfixia por falta de oxígeno.
El transporte del gas se realiza en gasoductos, estos son conductos que transportan el gas desde el yacimiento a sus puntos de consumo. Gasoducto
Longitud Km.
Diámetro Medio cm.
Presión Kg/cm2
Campo Durán – Buenos Aires
1.744
60
66
El gasoducto mas largo del país es el de Campo Durán - Buenos Aires. Tiene cuatro estaciones de bombeo cada una con una potencia de 2000 HP y el caudal bombeado es del orden de los 7 millones de m3/día.
Distribución del Gas Natural. El gas a alta presión transportado por los gasoductos, va perdiendo presión por efecto de la fricción contra las paredes del ducto, por frotamiento y cambios de dirección y sección. Por esta razón deben intercalarse las denominadas "plantas compresoras" a lo largo del recorrido del gasoducto. Cuando las mismas están ubicadas en el punto de captación del gas se las denomina "planta de cabecera" y cuando se hallan en medio del recorrido se las conoce como "plantas recompresoras", en nuestro país las de mayor importancia por su potencia son las de: Cañadón Seco (Santa Cruz), Lumbreras (Salta), Deán Funes (Córdoba), etc.; Mientras que las de mayor capacidad de bombeo son las de: Lumbreras (Salta), Lavalle (Santiago del Estero), Dean Funes (Córdoba) Bell Ville (Córdoba). Estos gasoductos constituyen lo que se conoce como red primaria de distribución o red de transporte, a lo largo del recorrido de estos gasoductos, en cada región, localidad o centro industrial, parte del gas debe ser derivado para satisfacer las necesidades de esos puntos, esto se hace tomando el gas generalmente a una presión inferior a la del gasoducto (entre 4 y 14 Kg/cm2) y distribuyéndolo por medio de las redes secundarias o redes de distribución.
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La planta reguladora de presión ubicada en las tomas de las redes secundarias, se las conoce como "plantas gobernadoras" y su objetivo es tomar el gas del gasoducto a presiones variables y entregarlo a las redes secundarias o ramales a una presión constante predeterminada conocida como "presión de distribución". En la siguiente figura vemos un detalle de una red de distribución:
De las redes de distribución se alimentan las redes domiciliarias y de consumo industrial o ramales de abonados, las cuales normalmente corren por debajo de las calles o de las veredas. Las presiones de trabajo son en la mayoría de los casos inferiores a las del ramal secundario. Para disminuir la presión deben instalarse plantas de regulación para adaptar la presión a la de los artefactos que consumen el gas. En las instalaciones de gas natural se diferencian tres rangos de presión que son: 1. Tramo, Red o Gas Natural de Alta Presión: para presiones variables entre la presión de cabecera o gasoducto desde 4 hasta 70 Kg/cm2. 2. Media Presión: el intervalo entre 50 g de agua o 500 mm de columna de agua y 4 Kg/cm2. 3. Baja Presión: Presiones inferiores a 50 g o 500 mm de columna de agua.
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Usos del Gas Natural. El gas natural presenta múltiples aplicaciones, podemos diferenciar el consumo de la siguiente manera:
Consumo Domiciliario: como su nombre lo indica es el utilizado exclusivamente como agente de calefacción o de cocción de alimentos a nivel doméstico.
Consumo Industrial: es el gas utilizado en la industria para generación de vapor, producción de energía eléctrica, fundición de metales livianos, tratamientos térmicos, etc.
Consumo Comercial: el tercero es aquel destinado para la producción de agua caliente o para la calefacción en grandes establecimientos o edificios y lugares públicos.
Instalaciones Domiciliarias. En la generalidad de los casos las instalaciones domiciliarias de gas están formadas por tres partes: a) Conexión o Prolongación domiciliaria. b) Medidor o batería de Medidores. c) Cañerías internas y artefactos de consumo. a) Conexión o Prolongación domiciliaria. Es el tramo de cañería entre la llave de vereda y el o los medidores. Empalma por un lado con el "servicio" y por el otro los medidores que controlan o cuantifican la provisión del gas. Normalmente la prolongación se extiende en la calle hasta 20 cm fuera de la línea municipal hasta la llave de vereda, la cual permite habilitar o interrumpir el suministro del fluido a la red de distribución domiciliaria. Es obligatorio que la prolongación domiciliaria corra enterrada o embutida en la pared, de forma de evitar que quede visible en algún lugar y se puedan conectar ramales en forma intencionada o por ignorancia, los cuales no pasen por el sistema de medición. Además debe ubicarse en forma perpendicular a la línea municipal, ya que los caños maestros de la red de distribución tienen un trazado paralelo a dicha línea. Este tipo de posición facilita entonces el empalme del servicio con la red del usuario, sin necesidad de doblar cañerías o recurrir a piezas o accesorios especiales. La llave de vereda es de propiedad de la empresa proveedora del servicio y debe estar ubicada en lugares perfectamente accesibles al personal de tal empresa y que a su vez sean de acceso limitado o dificultoso a personas ajenas al uso o suministro del gas. El material de la prolongación como también los accesorios empleados, deben ser los que están contemplados en la normativa vigente: NAG – 108 (año 2009) REVESTIMIENTOS ANTICORROSIVOS DE CAÑERIAS Y ACCESORIOS. Actualmente las cañerías de gas vienen con una pintura epoxi utilizada como protección de caños enterrados o expuestos a la intemperie. Esta pintura adhiere perfectamente sobre hierro, galvanizado, etc. El color del revestimiento del caño de gas es amarillo.
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Para cubrir las uniones se utiliza una cinta de plástico conocida comercialmente con el nombre de POLYGUAY. Se comercializa en color amarillo y en bandas de distinto ancho y espesor. La protección más importante se realiza con ánodos de sacrificio confeccionados con cinc. La duración de los mismos es de alrededor de 15 a 20 años. La instalación de este tipo de protección se hace luego de un estudio especializado con diseño apropiado para cada caso. De esta forma se evitará la corrosión en el futuro de la cañería de suministro, evitándose peligrosas pérdidas de gas. b) Medidor o batería de Medidores. Estos aparatos miden los caudales del fluido que pasan a través de ellos. En las instalaciones domiciliarias el medidor empleado es de tipo volumétrico o de desplazamiento positivo. La medición del gas es necesaria tanto para el control del usuario como para la facturación de la empresa proveedora del fluido. Los medidores son de distintos tipos como los de membrana, a pistones o rotativos tipo turbina o paletas. Este tipo de medidores son utilizados por su correcto funcionamiento en caudales pequeños < 150 m3/h, para mayores caudales se utilizan medidores de placa orificio. Estos medidores contienen un mecanismo integrador compuesto por un dispositivo indicador con visor para una lectura adecuada. c) Cañerías internas y artefactos de consumo. Definimos como cañería interna la parte de la instalación domiciliaria comprendida entre el medidor de control de consumo, cilindros o baterías de medidores (conforme al tipo de gas) y a la entrada de los artefactos de consumo. Este tramo queda bajo la absoluta responsabilidad del usuario, el que debe ajustarse a las normas vigentes dictadas por la empresa proveedora del fluido y a las disposiciones municipales del lugar. Los materiales de las cañerías internas serán de hierro galvanizado, con o sin costura, acero o cobre, polietileno, conforme a la presión que deba soportar la instalación y a las normas vigentes. Para unir los distintos tramos de la instalación se deben utilizar distintos tipos de accesorios. Hay accesorios para cambiar la dirección, empalmar tramos, derivar tramos, modificar la sección, facilitar el acople de artefactos, controlar el paso de fluido, etc. En todos los casos estos accesorios deben poseer "rosca gas" en el caso de instalaciones domiciliarias.
Los accesorios más comunes son:
Curvas: cambian la dirección 90º o 45º. Codos: cambian la dirección 90º con menor radio de curvatura. Tees: derivan ramales del tramo principal. Cuplas: permiten unir dos cañerías, si son de distintos diámetros se denominan cuplas de reducción. Bujes: Similares a las anteriores pero con una rosca macho y una hembra. Niples: Pequeños tramos de cañería con rosca macho en sus extremos. Uniones Dobles: piezas formadas por tres elementos, dos que ajustan entre sí y una tercera que hace efectiva la unión entre los dos anteriores, son usados para facilitar la conexión de artefactos. Cruces: permite mezclar dos corrientes, para luego derivarlas formando un ángulo de 90 o 180º. Entreroscas: Son similares a los niples pero de longitud mínima. 5
Válvulas: Tienen por objeto controlar el paso del gas y aseguran un perfecto cierre que no permite fugas a través de un sistema de cierre con empaquetadura. Trabajan a 1/4 de vuelta.
Al proyectar la instalación se debe buscar el recorrido mas corto y directo, siempre pasando por lugares que no puedan dañar la cañería o que eventuales deficiencias en el funcionamiento no provoquen inconvenientes posteriores. Así existen una serie de normas básicas a considerar, además de las legales de cada Municipio, entre las que podemos citar: Las cañerías subterráneas deben tener una tapada mínima de 30 cm (baja presión). Las cañerías embutidas en paredes no deberán contactarse con instalaciones eléctricas. Tampoco deberán contactarse con cañerías de agua ni con sectores húmedos o muy calientes sin la correspondiente aislación térmica. Las cañerías subterráneas deben ser protegidas contra la corrosión de una forma similar a la vista para el tramo de prolongación. Las cañerías expuestas deben ser pintadas de amarillo, color que se le asigna a cañerías que transportan gas natural. La cañería debe tener una pendiente de 1% en lo posible dirigida al medidor, en donde se instala un sifón de un diámetro similar al de la cañería para retener y purgar los condensados de agua. Si la pendiente va hacia los artefactos, cada uno de ellos deberá proveerse de un sifón si la longitud de la cañería es mayor a 1,5 m. En estos casos el sifón debe quedar bloqueado con la llave del artefacto y debe ser de fácil acceso para su manipulación. No utilizar tramos de cañería en "U", para evitar la formación de tapones hidráulicos (con el condensado) que impidan el paso de gas. Las cañerías deben ir soportadas en partes estables y rígidas por medio de grampas o soportes. Todo artefacto debe estar provisto por una llave de paso del tipo "macho". La hermeticidad de las uniones entre cañería y accesorios debe lograrse pastas autorizadas, prohibiéndose el uso de pinturas y/o cáñamo. Las instalaciones una vez terminadas deben ser sometidas a pruebas de hermeticidad, obstrucción y localización de fugas. La hermeticidad se comprueba por el mantenimiento de la presión de aire insuflada (0,2 Kg/cm2) durante un período de tiempo determinado, generalmente 15 minutos, la obstrucción se verifica después de la hermeticidad abriendo las llaves de paso de cada artefacto y observando si hay o no salida de aire. Finalmente la detección de fugas se realiza aplicando agua con detergente a todas las juntas de la instalación. Las instalaciones una vez probadas deben ser inspeccionadas por la empresa distribuidora, de forma que deben estar expuestas para este trámite en todo su recorrido.
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UTILIZACIÓN INDUSTRIAL DEL GAS NATURAL. Cuando el gas natural va a ser utilizado en escala industrial puede ser provisto por la empresa distribuidora en cualquiera de los tres rangos de presión mencionados: alta, media o baja. Para el caso de provisión de gas a baja presión con consumos inferiores a 10 m3/h, es aplicable todo lo explicitado para uso domiciliario, para baja presión y si el consumo está entre los 10 m3/h y los 150 m3/h deben usarse medidores de mayor capacidad que los vistos y de funcionamiento distinto, para consumos que superan normalmente los 150 m3/h se utilizan los medidores industriales de placa orificio o Venturi. Para el caso de media y alta presión es necesario además una etapa de control y regulación de la presión del gas, esto puede hacerse conforme al consumo y presión, así para pequeñas capacidades basta con una válvula reguladora mientras que para grandes capacidades o presiones es necesaria una estación gobernadora o receptora - reguladora.
Media Presión - Reguladores de Presión. La selección de la válvula reguladora debe hacerse en base a las características estimadas de consumo y a las presiones de entrada y salida de la misma, actualmente se dispone de válvulas de amplio rango de operación en lo que respecta a caudal y presión, así que el método de selección se realiza como lo indica el fabricante. Para ello se utiliza el manual de la válvula. La función de esta válvula reguladora es la más importante, ya que debe amortiguar las variaciones de presión de la línea de servicio y entregar el fluido a la salida a una presión constante inferior. La caída de presión se produce al hacer pasar el fluido por el orificio, y la acción de regulación se logra por el equilibrio de fuerzas entre el resorte de regulación y la presión del gas que actúa sobre el diafragma. Estos reguladores poseen además en algunos casos, un sistema de regulación fina o indirecto de presión o sistema de piloto. Como se puede ver en esta figura, el regulador puede venir provisto de un filtro en la línea auxiliar de alimentación del piloto, de forma de prevenir la obstrucción de la tobera por impurezas que pueda arrastrar el gas. En algunos casos tiene incorporado un visor que permite apreciar el grado de apertura de la válvula. Los requisitos que se le piden a todo regulador de presión son fidelidad, precisión, sensibilidad, estabilidad, estanqueidad al cierre o flujo nulo al cierre del obturador, y una sobrepresión al cierre mínima. Un efecto importante es considerar el grado de enfriamiento que sufre el gas por efecto de su pérdida de presión, para el caso del gas natural este efecto es cercano a los 0,5 ºC por cada Kg/cm2 de caída de presión. Otro efecto a considerar es el nivel sonoro del silbido que se observa en algunos casos, lo cual puede ser molesto y perturbar al personal, de forma que debe ser aislado acústicamente en caso de presentar este inconveniente.
Alta Presión. Plantas Reguladoras. En este caso el gas suministrado a alta presión (presión > 4 Kg/cm2), debe ser regulado en su presión hasta el valor de operación de los equipos, esto se realiza normalmente en dos pasos o etapas, de alta a media presión y luego de media a la presión de trabajo (que puede ser media o baja). Esta tarea requiere de una serie de artefactos y equipos auxiliares, que son los que componen la Planta de Regulación y Medición.
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Los sistemas que componen una planta de regulación y de medición son: Sistema separador de polvos y líquido. Sistema inhibidor de formación de Hidratos. Sistema de Regulación. Sistema de Medición. Sistema de Seguridad. Sistema de Odorización. El esquema completo de una planta de regulación y medición de servicio continuo puede verse en la siguiente figura. Generalmente las plantas presentan una línea en paralelo formada por los mismos equipos. Esto permite la puesta en marcha en caso de parada o mantenimiento de la primera línea, a veces son conectadas en forma automatizada, logrando que en caso de falla de una de ellas, la otra entra en servicio inmediatamente.
Se puede observar en la figura la existencia de una serie de equipos. Estos cumplen funciones específicas y se detallaran seguidamente.
Sistema de Filtrado. Tiene por objeto la eliminación de partículas extrañas que pueda arrastrar el gas y que pueden provocar erosión en las válvulas y reguladores que se encuentran más adelante. Los filtros utilizados pueden ser del tipo seco o separadores de polvo y de tipo húmedo, los primeros pueden ser de mallas microcelulares tipo canasto, construidos en fundición metálica, y retienen partículas sólidas de hasta 80 micrones.
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Pueden ser también de tipos multitubos horizontales, donde el gas es sometido a cambios de dirección reiterados en las chicanas, provocándose la separación de las partículas sólidas y líquidas por pérdida de velocidad e impacto. Los filtros de tipo húmedo consisten de un cuerpo cerrado vertical, en el cual el gas ingresa por la parte media y se dirige a la parte inferior donde burbujea en aceite que retiene las impurezas finas, luego asciende por un conducto central ciclónico con una trayectoria helicoidal, de forma que las partículas gruesas son separadas por efecto de centrifugación. Finalmente el gas pasa a la parte superior o cámara de nieblas o chicana donde por cambios de dirección el gas pierde las partículas líquidas que pudiese contener.
Sistema Inhibidor de formación de Hidratos. A los hidratos se los define como una estructura formada por la combinación física de agua y otras moléculas pequeñas para producir un sólido que tiene una apariencia parecida al hielo pero con una estructura diferente a este. Estos compuestos se forman cuando el agua líquida y algunos hidrocarburos ligeros, principalmente C1 (metano), C2 (etano), C3 (propano), CO2 y H2S se combinan físicamente bajo ciertas condiciones de presión y temperatura. Esto ocurre por efecto de las fuertes expansiones a que va a ser sometido el gas, por lo cual el mismo sufre caídas de temperaturas importantes, provocando la formación de hidratos, los que cristalizan formando hielo o una especie de nieve, por ello es necesario evitar este efecto cuando los gradientes de presión son elevados. Su formación en el gas natural y/o sistemas de líquidos de gas natural pueden taponar tuberías, equipos y instrumentos, restringiendo o interrumpiendo el flujo. 9
Las estrategias para inhibir los hidratos generalmente consisten en modificar una o varias de las condiciones necesarias para su formación a fin de desestabilizar el hidrato, entre ellas se encuentran: Control de temperatura. Uno de los métodos más empleados para prevenir la formación de los hidratos consiste en mantener la temperatura del fluido de producción por encima de la temperatura de formación del hidrato; ello se logra con el calentamiento o recubrimiento de tuberías en los procesos de operación o transporte.
Sistema de Regulación. Se realizan con válvulas reguladoras similares a las ya descriptas para las instalaciones de media presión.
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Sistema de Medición. Los medidores utilizados son de tipo diafragma, rotativos (volumétricos) y de placa orificio. Los rotativos constan en su interior de un rotor accionado por el flujo de gas, de forma que cuentan las vueltas y calculan el volumen que ha pasado en m3/h. Los medidores de placa orificio miden el volumen de gas transportado en el tiempo mediante la integración de valores de presión y temperatura que se originan al pasar el gas por una placa con un orificio calibrado, de esta forma se registran las presión regulada, la presión diferencial o caída y la temperatura, luego un equipo integrador automático conjuga los tres parámetros e infiere el valor del gas consumido, por esta razón se los conoce también como medidores inferenciales. Para utilizar estas placas deben colocarse los medidores a distancias determinadas según el diámetro de la cañería, y dado que estas longitudes pueden ser muy altas se suelen utilizar enderezadores de vena, que son dispositivos fijos que laminan el flujo de gas. El enderezador de venas debe ser ubicado aguas arriba de la placa orificio y no tienen limitación en su aplicación para rangos de presión y consumos. Generalmente los sistemas de medición son colocados en paralelo con una cañería en by-pass y accionadas por válvulas con extremos bridados.
Sistema de Seguridad. La seguridad de una planta reguladora se logra con los siguientes accesorios:
Brida dieléctrica: en la entrada de la planta, de forma de aislar las instalaciones de las corrientes vagabundas existentes en el interior de la tierra. La aislación se logra mediante el empleo de un material aislante como es la micarta (fenol-formaldehído), que se emplea en forma de juntas o arandelas.
Los reguladores pueden trabarse durante su funcionamiento provocando presiones elevadas en la red de consumo, por ello es necesario también agregar como elemento de seguridad válvulas, que pueden ser de dos tipos: de bloqueo y de venteo.
Válvulas de bloqueo: este artefacto cierra el paso de gas cuando la presión controlada supera el límite de la presión de ajuste o cuando por el contrario esa presión 11
tiene valores inferiores a los admisibles para el trabajo seleccionado. Es decir que cierran por exceso o defecto de presión y permanecen abiertas cuando la presión oscila entre los valores de operación del diafragma del regulador. Normalmente deben ser rehabilitados manualmente, una vez que han cortado el paso del fluido.
Válvulas de venteo: Esta válvula permite la salida del fluido a la atmósfera, constituyen en elemento de seguridad y se ubican, normalmente, antes de los medidores.
Sistema de Odorización. Con el propósito de dotar al gas natural de un olor característico que lo haga fácilmente detectable en caso de fugas, al mismo se le agregan sustancias odorantes. Normalmente la empresa proveedora realiza esta tarea, pero en algunos casos puede suministrarlo sin el odorante, razón por la que es obligatorio prever una etapa de odorización en una planta reguladora. Esta se ubica al final de la instalación, antes de la boca de salida de planta.
Los odorantes utilizados deben poseer una serie de características para poder ser utilizados, ellas son:
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a) Líquidos de bajo punto de volatilización. b) Atóxicos. c) Económicos. d) Químicamente inactivos. e) Bajo contenido de derivados sulfúricos. f) Quemar completamente. g) No ser absorbido por suelos, paredes o cañerías. h) Tener olor característico e inconfundible. i) Tener bajo umbral de percepción olfativa. j) No provocar acostumbramiento. Estas propiedades las reúnen una serie de productos químicos conocidos en general como mercaptanos (compuestos sulfurados). Gas NOR usa 80 % de TERBUTILMERCAPTAN y 20 % de METIL-ETIL-SULFURO se utilizan a razón de 8 a 10 miligramos/m3 de gas, y su concentración es 1/25 del límite inferior de las condiciones explosivas o sea el 0,20 % en volumen en mezcla con el aire. La forma de agregar el odorante al gas depende del tamaño de la planta, así para bajos consumos el gas puede ser odorizado por equipos de mecha instalados directamente en el ducto de salida. Para instalaciones de mayor capacidad y hasta 15 Kg/cm2 de presión se utilizan odorizadores por arrastre, donde el gas se hace burbujear dentro del tanque de odorización ubicado en by-pass con la línea de salida. Finalmente para presiones superiores a 15 Kg/cm2 el odorante debe ser suministrado necesariamente por inyección a través de bombas adecuadas.
CALCULO DE LAS INSTALACIONES DE GAS El cálculo de las instalaciones o redes de distribución de gas natural está sometido a una serie de normas establecidas en forma legal para cada país, en nuestro caso Gas Nor es el Ente regulador y responsable del cumplimiento de estas normas, por lo que toda instalación, sea domiciliaria o industrial debe ser solicitada a tal empresa, y la misma inspeccionará y autorizará o no la instalación realizada. Esta tarea debe ser realizada en acuerdo con las normas impuestas por Gas del Estado, quien establece no solo la forma de cálculo sino las planillas necesarias a cumplimentar y presentarle para que ella autorice la conexión del servicio. Por supuesto estas planillas y la forma del cálculo son distintas para el caso de instalaciones domiciliarias y las industriales. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE CAÑERIAS DE GAS DE BAJA PRESIÓN Para la determinación de las dimensiones de las cañerías de gas, es necesario definir dos aspectos fundamentales, que hacen al escurrimiento del fluido dentro de las mismas, que son: a) Caudal circulante y b) Caída de presión a) Caudal circulante: si se supone el gas en movimiento dentro de una cañería, a través de una sección transversal S cualquiera, normal al eje, pasará en un lapso determinado una cierta cantidad de fluido.
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Se denomina caudal, a la cantidad de fluido que pasa a través de la sección de cañería en la unidad de tiempo y se expresa con la ecuación: C = S.v Donde: C: caudal de gas (m3/h) S: sección transversal de la cañería (m2) v: velocidad de circulación (m/h) b) Caída de presión: Se define la presión, como la fuerza que se ejerce por unidad de superficie. Los fluidos, al desplazarse por las cañerías encuentran resistencias que son de dos tipos: * Frotamiento del fluido con las paredes de la canalización. * Frotamiento interno de las partículas del mismo fluido conocido también como viscosidad. Ambos producen una caída de presión a lo largo de la red de cañerías, que suele denominarse también como pérdidas de carga. Si se analiza un tubo recto de sección constante, por la que circula el gas, puede considerarse que esa pérdida de presión o pérdida de carga es proporcional al largo del mismo. Si P1 es la presión en el punto inicial y P2 en el final del tramo de conducto, puede decirse que: P1 - P2 = L R En la que: P1: presión inicial (Kg/cm2 o mm ca) P2: presión final (kg/cm2 o mm ca) L: longitud del tramo de cañería (m) R: pérdida de carga por metro o gradiente (mm ca/m) A R se lo denomina gradiente, dependiendo de las características del gas utilizado, longitud y diámetro, así como del material de la cañería y del material de circulación. Sin embargo, en la red, también se producen pérdidas de carga en los distintos accesorios que la componen, como codos, tes, curvas, cambios de sección y dirección, etc., denominadas resistencias individuales o resistencias aisladas. La caída de presión, por dicho efecto, depende fundamentalmente de la forma o característica particular del accesorio o elemento que se trate. Hay una forma sencilla de establecer una relación entre la caída de presión de cada accesorio con respecto al que tendría una determinada longitud de caño del mismo diámetro, denominado longitud equivalente. Así en el reglamento se incluye una tabla práctica, que se muestra en el cuadro que se detalla a continuación en la que se expresa la longitud equivalente de accesorios de cañerías en función del diámetro.
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Codo a 45º Codo a 90º Curva Te flujo a través Reducciones Te flujo a 90º Válvula globo Válvula esclusa Válvula macho Medidores 20-30 m3/h Medidores de 50-200 m3/h Medidores de 200- 500 m3/h FILTRO
14 d 30 d 20 d 20 d 10 d menor 60 d 333 d 7 d 100 d 12,7 mm de Hg 12,5 mm de Hg 10,00 gr/cm2 0,5 gr/cm2
CAÍDA DE PRESIÓN La caída de presión que se produce en los tramos rectos y resistencias individuales en la red de cañerías, se expresa como la suma de la caída de presión por la línea recta más la caída de presión por los accesorios. CÁLCULO La circulación del gas por la cañería, presupone de acuerdo a lo indicado, la existencia de un gradiente o pérdida de presión por metro (R), en el sentido de avance del fluido. Al circular el gas por las cañerías, para la determinación de las caídas de presiones adquieren fundamental importancia las características de los fluidos, como ser: viscosidad, peso específico, temperatura, presión de trabajo, etc., así como la rugosidad de las paredes de las conducciones y el régimen de escurrimiento. Existen numerosas ecuaciones aplicables a estos estudios de transporte de gas, por lo que se han seleccionado aquellas que han dado buenos resultados en los problemas de aplicación práctica. Para el cálculo de cañerías de baja presión, el reglamento adopta la fórmula del Dr. Poole, de acuerdo a lo siguiente: d = [(2.C2.s.l)/(p1 - p2)]1/5 Donde: d: diámetro interior (cm) C: caudal de gas (m3) s: densidad del gas (con respecto al aire s = 1) l: longitud del caño (m) p1: presión en la entrada del gas (en mm ca o kg/m2) p2: presión en la salida del gas (en mm ca o kg/m2) Con esta fórmula se han confeccionado tablas para el cálculo, que especifican los diámetros de las cañerías en función del caudal y longitud de las mismas. Estas son la Tabla Nº 1, Tabla Nº 2 y Tabla Nº 3 que se muestran más adelante. Estas tablas se realizaron sobre la base de una caída de presión de 10 mm ca. El cálculo de las cañerías de gas en el interior de los edificios se lo encara según el criterio del reglamento, en dos partes fundamentales: 15
* Cálculo de la cañería interna: que comprende la cañería desde el medidor hasta los artefactos de consumo. * Cálculo de las prolongaciones domiciliarias: comprende las cañerías desde la conexión a la red hasta el medidor. El cálculo se basa en el supuesto de suministrar el suficiente gas como para cubrir la demanda máxima, sin superar una pérdida de presión admisible entre el medidor y el artefacto más alejado. El diámetro necesario de cañería para suministrar el máximo caudal de gas correspondiente a una instalación, depende de los siguientes factores: a) Caudal máximo de gas a consumir. b) Longitud de la cañería y longitud equivalente por accesorios. c) Pérdida de carga admitida. d) Densidad del gas. e) Factor de simultaneidad. CRITERIOS DE CALCULO El cálculo de las líneas de baja presión se realiza teniendo en cuenta lo siguiente: I)
El máximo caudal que circula por el tramo.
II) La máxima longitud que contiene el tramo.
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Tabla Nº 1
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Tabla Nº 2
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Tabla Nº 3
Las Tablas Nº1, Nº2 y Nº3 se utilizan para el dimensionado de las redes de baja presión.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE CAÑERÍAS DE GAS DE MEDIA Y ALTA PRESIÓN Se establece para el dimensionado de las cañerías que las mismas transporten el caudal requerido por los equipos, incluyendo las futuras ampliaciones, teniendo en cuenta ciertas limitaciones en las pérdidas de carga y velocidad de circulación. CRITERIOS DE CÁLCULO I) El tramo de la cañería comprendida entre la válvula de bloqueo de servicio al lado del gasoducto y la entrada a los reguladores primarios, se calculará con una caída de presión máxima no superior al 10 % de la presión mínima de suministro. II) Los tramos de la red interna comprendidos entre dos etapas de regulación se calcularán con una caída máxima del 20 % de la presión regulada al comienzo de esos tramos. III) Los tramos de cañería que alimentan directamente artefactos de consumo, serán calculados de tal manera que la caída de presión entre el regulador que los abastece y los artefactos no exceda el 10 % de la presión regulada.
Para gases de media y alta presión el reglamento autoriza la utilización de la fórmula debida a Renouard, simplificada: 19
Donde
P12 P22 48.600.s.L.Q1,82 .D .4,82 P1: presión absoluta a la entrada del tramo de cañería (kg/cm2) P2: presión absoluta a la salida del tramo de cañería (kg/cm2) s: densidad relativa del gas (aire = 1) L: longitud de cálculo de la cañería (km); incrementada con la longitud equivalente de los accesorios que la componen. Q: caudal de gas normal a 15ºC y 760 mm Hg (m3/h) D: diámetro interior de la cañería (mm) Debe aclararse lo siguiente: * Esta fórmula es válida para Q/D menor que 150 * La presión absoluta es igual presión manométrica más la atmosférica P(abs) = P(man) + 1,033 (kg/cm2) * La longitud de cálculo L, será la longitud real del tramo más la longitud equivalente por accesorios del mismo. L(calculo) = L(real) + L(eq) (km) Se observa de la fórmula, que para determinar la caída de presión, es necesario predimensionar los diámetros de la canalización, lo que permite, además, establecer la longitud equivalente por accesorios, dado que los mismos también dependen del diámetro. Una vez efectuado el predimensionamiento se efectúa el cálculo de verificación con la fórmula de Renouard, para constatar si las caídas de presión son las admisibles. PREDIMENSIONAMIENTO El caudal de gas que pasa por a través de una cañería vale Q = S.v Donde: Q: caudal de gas circulante (m3/h) v: velocidad de circulación (m/h) S: sección transversal de la cañería (m2) Esta ecuación es válida para instalaciones de baja presión donde, prácticamente, se trabaja con la presión atmosférica. Sin embargo, para presiones mayores, debe tenerse en cuenta que el fluido se comprime por efecto de las mismas, por lo que el caudal se incrementa en función de la relación de presiones como se indica seguidamente.
Q S .v.
P Po
Donde: P: presión absoluta [P(man) + 1,033 (kg/cm2)] Po: presión atmosférica normal [1,033 (kg/cm2)] 20
Despejando v queda:
v
Q.Po S .P
Tratándose de secciones circulares de cañerías se puede obtener:
D2 S . 4 Siendo: D: diámetro de la cañería (m) De modo, entonces, que:
v
Q.Po .4 P. .D 2
Por otra parte se emplean las siguientes unidades: v : velocidad en m/seg en lugar de m/h D : diámetro en mm en lugar de m Po: presión atmosférica normal [1,033 (kg/cm2)] Por ello reemplazando en la ecuación anterior se tiene:
Q.1,033.4.10002 v 3,1415.P.D 2 .3600 Queda, por lo tanto:
v 365,35
Q P.D 2
Siendo entonces: v: velocidad de circulación (m/seg) Q: caudal de gas normal (m3/h) P: presión absoluta de cálculo (kg/cm2) D: diámetro interno de la cañería (mm) El reglamento establece que la velocidad de circulación del gas debe ser siempre inferior a 40 m/seg en todos los puntos de la instalación Esta limitación tiende a prevenir niveles de ruido excesivos y erosión de las cañerías.
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Para efectuar el predimencionamiento, de la red, se adopta con cierto margen de seguridad una velocidad de 30 m/seg, lo que permite con la presión absoluta de trabajo y el caudal circulado, efectuar el cálculo de los diámetros. Así, despejando de la ecuación anterior:
d
365,35.Q v.P
d
365,35 Q Q 3,49 mm 30 P P
Metodología: El predimensionamiento de los diámetros de los tramos se efectúa con la ecuación deducida precedentemente, dada la presión de salida del regulador primario, se supone que esa presión permanece constante, de modo que con el caudal transportado por el tramo y con la fórmula indicada anteriormente, se determina el diámetro en mm, el que por supuesto debe ajustarse a los valores comerciales nominales mayores. Tramos: son los espacios de cañería comprendidos ya sea entre la válvula reguladora primaria y alguna derivación, entre alguna derivación y la válvula reguladora secundaria o entre dos derivaciones. Caudales: se consideran los caudales normales a transportar por tramos, en función de las necesidades de consumo establecidas por los distintos aparatos por instalarse. Longitud: la longitud de cálculo va a estar constituida por la longitud real de cada tramo, más la longitud equivalente en metros debido a los accesorios (curvas, tes, válvulas, etc.) P1man: presión manométrica de entrada en el tramo (Kg/cm2) Se comienza con el primer tramo de salida de la planta reguladora principal, que es el dato del problema, las presiones de entrada de los demás tramos son los de salida de los anteriores P2man: presión manométrica de salida del tramo (Kg/cm2) La presión de salida P2 de los distintos tramos, se determina con la fórmula de Renouard que permite establecer la diferencia de las presiones absolutas al cuadrado entre la entrada y salida del tramo, o sea:
P P12 P22 De modo que:
P22 P12 P De no lograrse este objetivo, la solución consiste en aumentar los diámetros predimensionados, de modo de reducir la caída de presión, a los valores admisibles. Diámetro: de ser necesario efectuar las modificaciones adecuadas para que la caída de presión sea la admisible.
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Velocidad de circulación: la velocidad máxima de circulación es de 40 m/seg. Como se ha seleccionado la cañería con una velocidad menor de 30 m/seg, y adoptado el diámetro nominal mayor, evidentemente se cumplirá con dicho requisito. La velocidad real establecida en la columna, se calcula con la fórmula vista anteriormente.
v 365,35
Q P.D 2
Bibliografía: - Tratado General de Gas
(Llobera Raúl)
- Gas Natural
(Borras Brucast Enrique)
- Instalaciones para Gas
(Jorge Serrano)
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