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Curso-Taller-Pipephase

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Jornadas Académicas de Innovación,
Tecnología, Liderazgo y Sostenibilidad 2023
Curso-Taller Modelado de Sistemas
Hidráulicos mediante Software Comercial
Impartido por:
M.C. Rosember Ovando Castelar
25 y 26 de Octubre de 2023
1
35 años de investigación, innovando con energía
Contenido
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
Pipephase
1.1 Objetivos y Alcance del Simulador de flujo multifásico
Pipephase
1.2 Resolviendo redes de tuberías con Pipephase
1.3 Correlaciones de flujo en una fase
1.4 Algoritmos de solución usados en Pipephase
1.5 Equipos y accesorios en dispositivos de flujo
1.6 Transferencia de calor en dispositivos de flujo
1.7 Cálculo de caída de presión en redes que involucran
transferencia de calor
2
35 años de investigación, innovando con energía
Modelado de Sistemas Hidráulicos mediante
Software Comercial
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
3
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1.1 Objetivos y Alcance del Simulador Pipephase
Es un programa de simulación riguroso en estado estacionario para
modelar flujo multifásico en tuberías, redes y sistemas de producción de
gas y aceite.
Pipephase tiene la potencia y flexibilidad para modelar aplicaciones que
van desde el análisis de sensibilidad de parámetros clave en un pozo
simple hasta los estudios de planeación multianual de las instalaciones de
un campo de producción y transporte de gas y aceite.
4
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Pipephase predice los perfiles de presión, temperatura y el colgamiento
del líquido (holdup), en pozos, tuberías, sistemas de colección de fluidos y
otras configuraciones lineales o redes de tuberías, bombas, compresores,
separadores, etc.
Pipephase combina un algoritmo de solución probado, con técnicas de
análisis y métodos de predicción modernos, para crear una herramienta de
planeación y diseño de sistemas de transporte de fluidos robusta y
eficiente.
Dispone de un extenso banco de datos de propiedades físicas y una
interfase de usuario intuitiva basada en Windows. Cubre el rango completo
de fluidos manejados en la industria de transporte de gas y aceite, desde
una fase (líquido, gas y vapor saturado) hasta mezclas de aceite y gas
(composicional). El programa también puede aplicarse a la simulación de
redes de inyección de vapor o CO2 de un solo componente.
5
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Motor de Cálculo de Redes
✓ Más de 30 opciones de equipo/tubería/accesorios para construir la
red:
* desde el yacimiento, a través del pozo, hasta las instalaciones
superficiales;
* modelado de la caída de presión y transferencia de calor;
✓ Interfase Gráfica para el Usuario (GUI):
*
aplicación basada en Windows de 32-bit;
*
ingreso de datos y ejecución interactiva;
*
generador de gráficas y tablas;
*
ligas a Microsoft Excel;
6
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Tipos de fluidos
✓ Blackoil (aceite negro)
✓ Condensado
✓ Gas
✓ Líquido
✓ Vapor
✓ Composicional
7
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Ambiente Amigable
✓
Menú
✓
Barra de herramientas que permite el fácil acceso a muchas de las
funciones del menú
✓
Código de colores, que indica datos requeridos faltantes
✓
Sistema de ayuda
✓
Ventana de accesorios por línea
✓
Opciones de cálculo
8
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Aplicaciones
Las múltiples aplicaciones de PIPEPHASE pueden agruparse en:
✓ Análisis por tubería:
* Cálculo de la capacidad de transporte;
* Problemas de condensación;
* Tuberías o redes complejas;
✓ Análisis de pozos
1
F1
✓ Estudios de campos de producción:
* Planeación;
* Declinación de yacimientos;
* Bombeo neumático (Gas Lift);
* Predicción de lodos (slug);
9
Mezcla
(P,T, m
 )M
Pozo
Productor
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
PIPEPHASE dispone de capacidades especiales, que incluyen:
✓ Análisis de pozos con IPR;
✓ Análisis de Bombeo Neumático (gas lift analysis);
✓ Corrida de diablos (pipeline sphering or pigging);
✓ Análisis de sensibilidad o nodal;
Estas capacidades extienden el rango de aplicaciones de PIPEPHASE
de tal forma que este simulador es capaz de resolver una gran variedad
de problemas de redes de tuberías.
10
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Funcionalidad del Simulador PIPEPHASE:
DISPOSITIVOS
DE FLUJO
•
•
•
•
•
•
•
TUBERIAS
TUBING
ANULOS
RISERS
REDES
ACCESORIOS
EQUIPO DE
PROCESO
DATOS DE PROP.
PVT
COMPOSICIONAL
• Datos de Componentes
• Datos Termodinámicos
• Prop. de Transporte
• Uso de Tacite
NO COMPOSICIONAL
Datos de:
• Blackoil (aceite negro)
• Condensado
• Vapor de agua
• Gas
• Gas (una fase)
• Líquido (una fase)
• Agua
MÉTODOS DE
CALCULO P
•
•
•
FLUIDOS EN
UNA FFASE
FLUIDOS
MULTIFÁSICOS
MODELOS DE
AJUSTE
MODELOS DE
CALCULO
•
•
•
•
•
•
•
11
REDES
SEPARACIÓN
(SPLITTING)
PREFERENCIAL
BOMBEO
NEUMÁTICO
AVANCE EN
TIEMPO (TIME
STEPPING)
ANÁLISIS NODAL
CÁLCULO DE
TAMAÑO DE
TUBERIAS
ANÁLISIS
TRANSIENTE (CON
TACITE)
APOYO A
USUARIO
• AYUDA EN LÍNEA
• VERSIÓN PC EN
WINDOWS
• SOPORTE
TÉCNICO
• DOCUMENTACIÓN
COMPLETA
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1. Dispositivos de Flujo
Pipephase se puede utilizar para simular el flujo de fluidos en una o más
fases a través de cualquier combinación de tubos, risers, tubing, ánulos,
accesorios y equipos de proceso.
✓ En Pipephase: tubos, risers, tubing y ánulos  dispositivos de flujo
✓ Tubos y risers se usan en el modelado de tuberías
✓ Tubing y ánulos se usan para modelar flujo en pozos
2. Propiedades de Fluidos
Pipephase puede simular fluidos definidos ya sea por Análisis
Composicional, Curva Assay (ASTM o TBP) y No Composicional.
12
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Para Análisis Composicional o curva Assay:
➢ los componentes y las propiedades termodinámicas/de transporte son
almacenadas/creadas de librerías de datos/cálculos de Pipephase.
Para fluidos definidos por un análisis no composicional:
➢ usa correlaciones integradas al simulador para calcular todas las
propiedades físicas requeridas para estimar la caída de presión y la
transferencia de calor.
3. Modos de Cálculo
✓ Resuelve cualquier configuración de red, desde una simple tubería
con accesorios hasta la más compleja red de tuberías y pozos,
incluyendo múltiples entradas y salidas y cualquier grado de looping o
anillos de tuberías.
13
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
En configuraciones de red, se puede fijar cualquier combinación de p y Q,
y el simulador calculará el resto de las incógnitas.
Problemas tales como:
✓
✓
✓
✓
✓
✓
determinar la capacidad de transporte de una línea;
calcular la distribución de flujo en redes de tuberías;
evaluar los efectos de la transferencia de calor;
determinar los patrones de flujo;
calcular las velocidades del líquido y del gas;
evaluar la separación de fases en T´s en sistemas de vapor de agua;
son resueltos en forma precisa por el simulador.
14
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
PIPEPHASE: Aplicaciones Típicas
✓ Evaluación y análisis de sistema existentes
✓ Diseño de sistemas nuevos
➢ Determinar:
• tamaños de tubos y tubing
• tamaño de bombas y compresores
• carga de intercambiadores de calor
• predecir p, T, Q, h, U´s, patrones de flujo
15
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1.2 Resolviendo redes de tuberías con Pipephase
LINK: UN NÚMERO DE DISPOSTIVOS, ACCESORIOS Y EQUIPO DE FLUJO
CONECTADOS EN SERIE CON UNA SOLA ENTRADA Y UNA SOLA SALIDA.
TUBERIA
CODO O
VUELTA
TUBERIA
TUBERIA
TUBERIA
TUBERIA
CODO O
VUELTA
VALVULA
16
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
RED : VARIOS LINKS CONECTADOS POR UNIONES – JUNCTIONS, UNA O MÁS
ENTRADAS Y SALIDAS, ANILLOS CERRADOS, CRUCES.
SUMIDERO
FUENTE
FUENTE
FUENTE
ANILLO
CRUCE
= JUNCTION
O UNION
SUMIDERO
SUMIDERO
17
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
UNIENDO LOS SEGMENTOS
➢
LOS SEGMENTOS DE CÁLCULO SE ENCADENAN EN SERIE Y EL PROCESO DE
CÁLCULO ES SECUENCIAL HACIA ADELANTE
➢
LOS CÁLCULOS INICIAN A LA ENTRADA DEL SEGMENTO, DONDE SE CONOCEN
LAS CONDICIONES Y SE RESUELVEN LOS BALANCES DE MOMENTUM Y
ENERGIA EN FORMA ITERATIVA, PARA DETERMINAR LAS CONDICIONES DE
SALIDA DE ESE SEGMENTO
➢
ESTAS CONDICIONES DE SALIDA SE CONVIERTEN EN LAS CONDICIONES DE
ENTRADA DEL SIGUIENTE SEGMENTO, DE MANERA QUE LOS CALCULOS
PROGRESAN SECUENCIALMENTE HASTA LLEGAR A LA SALIDA DE ESE LINK
➢
SI EXISTE EQUIPO DE PROCESO EN EL LINK, LAS CONDICIONES DE SALIDA
DEL DISPOSITIVO DE FLUJO SON LAS CONDICIONES DE ENTRADA DE ESE
DISPOSITIVO Y PERMITEN RESOLVER SUS ECUACIONES CARACTERÍSTICAS
18
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
UNIENDO LOS LINKS
➢
LOS LINKS SE UNEN EN UNA UNIÓN – JUNCTION PARA FORMAR UNA RED
➢
EL FLUIDO DE TODAS LA FUENTES DEBE SER IGUAL AL FLUIDO QUE SALE EN
TODOS LOS SUMIDEROS Y EL FLUJO NETO EN CADA UNIÓN DEBE SER CERO
➢
LA ECUACIONES DE BALANCE ACOPLADAS EN CADA UNIÓN FORMAN UN
CONJUNTO NO LINEAL DE ECUACIONES Y SE RESUELVEN NUMÉRICAMENTE
➢
EL MÉTODO USADO SE LLAMA PBAL O PRESSURE BALANCE SOLUTION
METHOD
➢
SE BASA EN EL MÉTODO DE NEWTON-RAPHSON APLICADO A REDES Y SUS
DERIVADAS SE CALCULAN NUMÉRICAMENTE
➢
LAS PRESIONES EN UNA UNIÓN O SUMIDERO SE CALCULAN PARA CADA LINK
ENTRANTE Y EL CÁLCULO TRANSVERSAL DE PRESIÓN EN CADA LINK SE
HACE EN LA DIRECCIÓN DE FLUJO DE LA ENTRADA A LA SALIDA
19
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
CONVERGENCIA
❖
❖
PRESIÓN NO FIJA EN UNA UNIÓN O SUMIDERO CON MULTIPLES LINKS
ENTRANTES
•
LAS PRESIONES EN UN NODO (FUENTE, SUMIDERO O UNIÓN) SE
CALCULAN PARA CADA LINK QUE INCIDE EN EL NODO
•
SI LAS PRESIONES SON IGUALES DENTRO DE UNA TOLERANCIA, LA
PRESIÓN DEL NODO HA CONVERGIDO
PRESIÓN FIJA EN UN SUMIDERO O UNIÓN
•
LAS PRESIONES EN UN NODO SE CALCULAN PARA CADA LINK INCIDENTE
EN EL NODO. AL IGUALARSE LA PRESIÓN DEL NODO CON LA PRESIÓN
DADA DEL NODO, DENTRO DE CIERTA TOLERANCIA, SE LOGRA LA
CONVERGENCIA
•
DE LO CONTRARIO, EL MÉTODO DE NEWTON-RAPHSON CALCULA
NUEVOS VALORES DEL FLUJO EN EL LINK ASI COMO NUEVAS PRESIONES
DE LA FUENTE PARA LA SIGUIENTE ITERACIÓN Y ASI SUCESIVAMENTE.
20
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1.3 Correlaciones de flujo en una fase
CAIDA DE PRESIÓN TOTAL EN UNA TUBERIA
PTOT = PACEL + PELEV + PFRIC
LA DERIVACIÓN A PARTIR DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA
FLUJO EN UNA FASE, ESTADO ESTABLE, PROCESO IRREVERSIBLE, SIN TRABAJO
MECÁNICO
dPTOT vdv
g
+
+
dZ + dL W = 0

gc
gc
21
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
PARA UN TUBO INCLINADO A UN ÁNGULO  DE LA HORIZONTAL, dZ = dL sen 

dz
dx
ENTONCES
dPTOT vdv
g
dLW
+
+
 sen +
=0
dL
g cdL g c
dL
INTEGRANDO PARA UN TUBO DE LONGITUD L SE OBTIENE LA ECUACIÓN DE
EULER PARA UN FLUIDO INCOMPRESIBLE ( = CTE) O LA ECUACIÓN DE
BERNOULLI PARA UN FLUIDO IDEAL SIN PÉRDIDAS DE FRICCIÓN
22
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
O BIEN:
dP vdv
g
4g 
+
+
 sen + c W = 0
dL g cdL g c
D
DONDE EL TÉRMINO DE FRICCIÓN ESTA DADO POR:
4g c  W
 dP 
 dL W 
=
=

 


dL
D
dL
  FRIC


EL FACTOR DE FRICCIÓN ORIGINALMENTE ESTABLECIDO POR FANNING PARA FLUJO
LAMINAR Y TURBULENTO f SE DEFINE COMO:
f FANNING =
ESFUERZO DE CORTE
ENERGIA CINETICA FLUIDO
23
=
W
2 W
=
v 2 / 2 v 2
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
EL FACTOR DE FRICCIÓN DE DARCY-WEISBACH O MOODY ESTA DADO POR:
fD =
W
8W
=
v 2 / 8 v 2
DE DONDE:
f DARCY = 4 f FANNING
FINALMENTE, LA ECUACIÓN DE CAÍDA DE PRESIÓN EN UN TUBO INCLINADO
AL ESTADO ESTABLE, SIGUIENDO UN PROCESO IRREVERSIBLE Y SIN
TRABAJO MECÁNICO, ESTA DADA POR:
dP vdv
g
f f u 2
−
=
+
 sen +
=0
dL g cdL g c
2g c D
24
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
FLUJO LAMINAR (Re  2300)
fD =
64
= 64 / Re
vD
PARA FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO, PIPEPHASE INCORPORA LA CORRELACIÓN
DE CHURCHILL PARA TRANSFERENCIA DE CALOR, QUE CUBRE FLUJO LAMINAR,
TRANSICIONAL Y TURBULENTO
1/ 5




10


1 
1

 Re   
=
+  2.21 ln   
20 1 / 2
f   8 10
 7  

Re  



   + 

 
  Re 

 36500  


EL USUARIO NO TIENE CONTROL SOBRE EL Re CRITICO POR DEBAJO DEL CUAL
EXISTE FLUJO LAMINAR; ES DECIR, LA PALABRA CLAVE “LAMINAR = VALOR” NO TIENE
EFECTO EN EL CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR; SIN
EMBARGO, DEBE NOTARSE QUE LA CORRELACIÓN DE CHURCHILL NO SE IMPLANTO
PARA CALCULO DE FACTORES DE FRICCIÓN. PERO LA PALABRA CLAVE “LAMINAR =
VALOR” SI INFLUENCIA EL CALCULO DE CAIDA DE PRESIÓN
25
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
FLUJO EN TRANSICIÓN
2000  Re  3000
FLUJO TOTALMENTE TURBULENTO
Re  10000
ES UNA FUNCIÓN DE Re Y LA RUGOSIDAD RELATIVA /D DEL TUBO
UNA CORRELACIÓN COMUN ES LA DE COLEBROOK:
 2
1
18.7 

= 1.74 − 2 log10  +

fD
 D Re f D 
LA CUAL REQUIERE UNA SOLUCIÓN ITERATIVA
26
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
CORRELACIONES DISPONIBLES EN PIPEPHASE
GASES
✓PANHANDLE B:
TUBOS LARGOS Y/O DE DIÁMETRO GRANDE
✓WEYMOUTH:
TUBOS CORTOS Y/O DE DIÁMETRO PEQUEÑO
✓MOODY (DEFAULT): TODOS LOS DIÁMETROS Y LONGITUDES, ALTA
VELOCIDAD, CONSIDERA PÉRDIDAS POR ACELERACIÓN
✓AGA:
RECOMENDADA POR LA AGA (AMERICAN GAS
ASSOCIATION)
LIQUIDOS
✓HAZEN-WILLIAMS: FLUIDOS DE BAJA VISCOSIDAD (AGUA, GASOLINA). NO
DEBE USARSE PARA FLUIDOS DE ALTA VISCOSIDAD
✓MOODY (DEFAULT): APLICABLE PARA TODO FLUIDO Y UN AMPLIO RANGO
DE CONDICIONES
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35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Recomendaciones sobre las correlaciones para el cálculo de caída
de presión
Métodos para una fase
Tienden a basarse más en la teoría
American Gas Association → (gas)
Experimentales
Hazen-Williams → (líquido)
Son pequeñas las desviaciones entre los resultados que
proporcionan las simulaciones entre la mayoría de los métodos.
28
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Recomendaciones sobre las correlaciones para el cálculo de caída
de presión
Métodos para una fase
Se ha encontrado que los métodos invocados “por default” dentro de
PIPEPHASE, son los que producen resultados razonables en muchos casos y
por tanto son los recomendables para la mayoría de tales escenarios
En el caso de flujo de gas a alta velocidad
Panhandle B
Ignoran el componente de la
aceleración en la caída de presión
Weymouth
Inspección y comparación
Ec. de Moody
29
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Recomendaciones sobre las correlaciones para el cálculo de caída
de presión
Métodos para una fase
En caso de determinación de flujo crítico o condiciones cercanas, entonces no hay
confianza de que las correlaciones sean consistentes en esta región.
Cambiar el modelo del fluido a composicional
Recomendación
Usar una correlación disponible especialmente para
alta velocidad (Beggs & Brill para alta velocidad)
30
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Correlaciones para el cálculo de caída de presión
Método
Fluido
Clave
Líq. o Gas
MOODY
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
Líquido
HW
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
Panhandle B3
Gas
PANB
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
Weymouth3
Gas
WEYM
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
American Gas Association3
Gas
AGA
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
TACITE-S1
TACS
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
OLGA-S2
OLGA
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
Moody3
Hazen-Williams
Aplicación
Método definido por el usuario
Líq. o Gas
UDP1
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
Método definido por el usuario
Líq. o Gas
UDP2
Tubo
Riser
Tubing
Anulo
31
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Significado de los superíndices
1
→ El método mecanístico TACITE-S es desarrollado y mantenido por las
compañías Francesas IFP, Total and Elf Aquitaine Production y la
licencia está disponible solo bajo un acuerdo separado con SIMSCI.
Favor de consultar al representante local de SIMSCI para mayores
detalles.
2
→ El método mecanístico OLGA-S está disponible bajo acuerdo de licencia
separada con SIMSCI. Para mayores detalles consultar al representante
local.
3
→ También es permitido para la opción de composicional con gas.
32
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Factor de Fricción
Factor de
elevación
 dP 


 dL  e
 dP 


 dL  f
PANHANDLE
B
WEYMOUTH
 g sen
 dP 

 =
g c (144 )
 dL  e
f v 2
 dP 

 =
2 g c d (144 )
 dL  f
1  pb

f =
94  vTb



 dP 


 dL  acc
 dP 

 =0
 dL  acc
0.04
fv 2
 dP 

 =
2 g c d (144 )
 dL  f
f =
Factor de aceleración
 dP 

 =0
 dL  acc
 g sen
 dP 

 =
dL
g c (144 )

e
1
71.6 d 0.33
GASES
 g sen
 dP 

 =
g c (144 )
 dL  e
f v 2
 dP 

 =
2 g c d (144 )
 dL  f
MOODY
(Default)
AMERICAN
GAS
ASSOCIATION
33
 2
1
18.7
= 1.74 − 2 log 
+
d
f
N
f
Re

 V1 (V1 − V2 )
 dP 

 =
144 g c L
 dL  acc




 ( P12 − P22 ) Z avgTavg

− 0.0375  e 
2
1
1
5
 g Pavg

Qg = 38.77 d 2 f 2 E 5280 2 


L




0.5
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
 ( P12 − P22 ) Z avgTavg

− 0.0375  e 
2
1
1
5
 g Pavg

Qg = 38.77 d 2 f 2 E 5280 2 


L




0.5
AMERICAN
GAS
ASSOCIATION E → Coeficiente
e → Cambio de elevación (pie)
d1 → diámetro (pg)
N Re = 1488
GASES
dv

Para valores de NRe ≤ 2000
f =
Para NRe > 2000:
N Re
16
f = (f4)2
f4 = min(f2f3)
 3.7 

f 3 = 4 log 
 
 d
 N Re 

f 2 = 3.84 log 
 1.4124 f1 
34
N 
f1 = 4 log  Re  − 0.6
 f1 
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Factor de Fricción
Factor de
elevación
 dP 


 dL  e
 dP 
 
 dL  f
fv 2
 dP 

 =
 dL  f 2 g c d (144 )
LÍQUIDOS
N Re = 1488
MOODY
(Default)
dv
 g sen
 dP 

 =
g c (144 )
 dL e
Factor de aceleración
 dP 


 dL  acc
 dP 

 =0
 dL  acc

f se obtiene del diagrama de
Moody
HAZEN
WILLIAMS
-
Q = 15.2 E d12.63
 ( P1 − P2 ) − (0.433 e ) L 


 L L


0.54
Q[brl/dia]
→ Coeficiente de Hazen-Williams
e → Cambio en elevación (pie)
d1 → diámetro (pg)
E
35
35 años de investigación, innovando con energía
Métodos para dos fases
No se puede recomendar una sola correlación para todos los procesos, a causa
del fuerte soporte experimental de cada uno de los métodos para dos fases.
La mayoría de los sistemas de tuberías contienen escenarios, dentro de los
cuales, los fluidos fluyen en todas direcciones y a través de diversas variedades
de instrumentos (válvulas, accesorios, etc.)
Por tanto, el usuario muchas veces no necesariamente elige la correlación más
apropiada para cada corrida.
36
35 años de investigación, innovando con energía
Métodos para dos fases
La mayoría de las correlaciones para sistemas en dos fases actualmente
disponibles, han sido desarrolladas para grandes sistemas de tuberías que
transportan típicamente aceite, gas y/o agua.
En tales sistemas, los gastos son relativamente altos y los análisis
desarrollados están orientados a entender los efectos del régimen de flujo y
las diferentes variables que influyen sobre la caída de presión total.
Sin embargo, estos fenómenos a
gran escala empiezan a perder
significado en traslación
Análisis a nivel de refinerías y/o
plantas químicas
37
35 años de investigación, innovando con energía
Métodos para dos fases
Para cualquier sistema de flujo en dos fases es recomendable usar dos o mas
correlaciones apropiadas, con el objeto de verificar los resultados.
El resultado es que el
usuario configura el entorno
de las soluciones para un
escenario específico
38
35 años de investigación, innovando con energía
Guías generales de orientación
Para simulaciones de flujo bifásico con dominancia de gas y flujo subcrítico
Correlación de Duckler-Eaton
Para casos de muy baja carga de líquido
(menor de 10 brl/MMSCF), validar con:
Beggs, Brill y Moody
Mukherjee-Brill es mejor para 0.1<HL<0.35
39
35 años de investigación, innovando con energía
Guías generales de orientación
Para simulaciones de flujo en una fase (líquido) y líneas de fluido con
dominancia de líquido (aceite crudo y sus productos) y/o agua
Correlación de Beggs, Brill y Moody
Para tuberías de fase densa de gas, tal como CO2 o NH3
Correlación de Beggs, Brill y Moody
Para tuberías con flujo descendente que contienen fluido bifásico o vapor
Correlación de Beggs, Brill sin resbalamiento
40
35 años de investigación, innovando con energía
Guías generales de orientación
Para todas las tuberías con flujo de vapor, excepto flujo descendente
Correlación de Beggs, Brill y Moody
Para sistemas de alta velocidad y flujo crítico
Usar las modificaciones por alta velocidad a las correlaciones
estandar de Beggs y Brill y la de Beggs, Brill y Moody
41
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1.4 Algoritmos de solución usados en Pipephase
ALGORITMO PARA UN LINK INDIVIDUAL
➢
DIMENSIONAMIENTO DE LINEAS, ANALISIS NODAL Y MODELOS DE UN LINK
➢
DOS SOLUCIONES POSIBLES
CASO A
P FIJA
1
2
P CALCULADA
Q FIJO
1
CASO B
2
P DADA
P FIJA
Q CALCULADO
EL CASO A ES DIRECTO, MIENTRAS QUE EN EL CASO B, PIPEPHASE ITERA SOBRE
EL FLUJO HASTA QUE LA PRESION DE SALIDA ES IGUAL A LA ESPECIFICADA
42
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
ALGORITMO PARA UNA RED
➢
RED: DOS O MÁS LINKS UNIDOS
➢
LINK: DEFINIDO ENTRE DOS NODOS
➢
NODO: FUENTE O SUMIDERO O UNIÓN
➢
PIPEPHASE RESUELVE CUALQUIER TIPO DE RED: COMPLEJA, MULTIFASICA
CON ANILLOS, TUBERIAS DE TRANSPORTE DE FLUIDO MONOFÁSICO !!!
➢
PIPEPHASE RESUELVE BALANCES DE MASA Y MOMENTUM (PRESIÓN) Y
UTILIZA EL MÉTODO DE NEWTON-RAPHSON PARA RESOLVER EL SISTEMA
DE ECUACIONES RESULTANTE
➢
EN EL ALGORITMO, LA SOLUCIÓN SE BUSCA MEDIANTE UNA MARCHA HACIA
ADELANTE ÚNICAMENTE
➢
ES ADECUADO PARA ESCENARIOS DONDE LA PRESIÓN DE LA FUENTE DEBE
CALCULARSE EN LINKS INDIVIDUALES, EXTENSIÓN A SISTEMAS DE DOS
NODOS
43
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MÉTODO DE BALANCE DE PRESIONES (PBAL)
➢
IDENTIFICA FLUJOS DE INICIO EN CADA LINK
➢
LINKS ESPUELA: SECCIONES AISLADAS CON FLUJO ESPECIFICADO
(INYECCIÓN DE GAS LIFT), NO AFECTAN LA SOLUCIÓN Y SE RESUELVEN POR
SEPARADO
➢
MATRIZ DE SOLUCIÓN: FLUJOS DE INICIO Y PRESIONES DESCONOCIDAS
➢
EL DESBALANCE DE PRESION SE CALCULA EN TODOS LOS LIMITES, TALES
COMO LOS SUMIDEROS DE PRESIÓN FIJA O NODOS UNIÓN Y EN NODOS CON
DOS O MÁS FLUJOS DE ENTRADA
➢
LAS ECUACIONES NO LINEALES SE RESUELVEN POR EL MÉTODO ITERATIVO DE
NEWTON-RAPHSON
➢
LOS ELEMENTOS DEL JACOBIANO DE SOLUCIÓN SE DETERMINAN MEDIANTE
DERIVADAS PARCIALES DE LAS PRESIONES DE NODO CON RESPECTO AL
FLUJO ENTRANTE EN EL LINK Y LAS PRESIONES AGUAS ARRIBA
44
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MÉTODO DE BALANCE DE MASA (MBAL)
➢
PROPORCIONA A PBAL ESTIMADOS RAZONABLES DE LA DISTRIBUCIÓN DE
FLUJOS Y PRESIONES EN LA RED
➢
SE BASA EN QUE LA SUMA DE FLUJOS EN UN NODO ES CERO
➢
FUNCIONES NO LINEALES DE LA PRESIÓN DE NODO
➢
LAS ECUACIONES NO LINEALES SE RESUELVEN POR EL MÉTODO ITERATIVO
DE NEWTON-RAPHSON
➢
SOLUCIÓN DE PRESIONES: DESACOPLADA DE LA ECUACIÓN DE ENERGÍA
(TEMPERATURAS)
➢
ECUACIÓN DE ENERGÍA SE RESUELVE EN LOS NODOS
45
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
FORMULACIÓN DE UN PROBLEMA
➢
FIJAR OBJETIVO, ENLISTAR INCÓGNITAS Y RESPUESTAS ESPERADAS
➢
CONSTRUIR LA RED EN PIPEPHASE: FUENTES, SUMIDEROS, NODOS UNIÓN, UNIR
NODOS
➢
ALIMENTAR UNA PRESIÓN Y UN GASTO POR NODO FRONTERA. LOS NODOS
UNIÓN PUEDEN TENER PRESIONES ESTIMADAS
➢
ANALOGÍA DE KIRCHHOFF
 (P + Q)fijos = Nodos −  (P + Q)por calcularse
46
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
FORMULACIÓN DE UN PROBLEMA
➢
CADA NODO FRONTERA DEBE TENER UN VALOR FIJO Y UNO ESTIMADO
➢
AL MENOS UN NODO FRONTERA DEBE TENER PRESIÓN FIJA
➢
EL FLUJO EN UNA UNIÓN ES CERO, DEBIDO A QUE QIN = QOUT Y QNETO= 0
➢
ESPECIFICAR LA ESTRUCTURA DENTRO DE CADA LINK O DISPOSITIVOS DE
FLUJO
➢
USAR LA PALABRA CLAVE ITER EN LA DECLARACIÓN PRINT ANTES DE EJECUTAR
LA SOLUCIÓN
➢
USAR LAS ESTRATEGIAS DE CONVERGENCIA DE PIPEPHASE EN CASO
NECESARIO
47
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
UNA RED TÍPICA
P=
X
Q=
P=

B
A
G
P=
X
Q=
Q= X
C
E
P=
X
P=
X
Q=
D
F
P=
X
P=
X
Q=
Q=
Q=
X
PARA PRESIONES: ESTIMADAS DADOS POR USUARIO O POR EL PROGRAMA
X
PARA FLUJOS: ESTIMADOS PROVISTOS POR EL USUARIO

PARA FLUJOS Y PRESIONES: VALORES FIJOS DADOS POR EL USUARIO
48
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MODELOS DE FLUIDOS USADOS EN PIPEHASE
➢ COMPOSCIONALES
➢ NO COMPOSICIONALES
➢
GAS EN UNA FASE
➢
LÍQUIDO EN UNA FASE
➢
BLACKOIL
➢
CONDENSADOS
➢
VAPOR (Y AGUA)
➢ GAS EN UNA FASE
➢ SE USA LA GRAVEDAD ESPECIFICA DEL GAS PARA CALCULAR SUS PROPIEDADES
➢ COMPRESIBILIDAD, Z:
*
STANDING-KATZ (default) – EXPERIMENTAL,
Z DEPENDE FUERTEMENTE DEL VALOR DE LA GRAVEDAD DADA
*
HALL-YARBOROUGH PARA GASES SECOS O HÚMEDOS – AJUSTE DE CURVAS
A LOS DATOS DE STANDING-KATZ, CORRECCIÓN POR CONTAMINANTES
49
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MODELOS DE FLUIDOS
USADOS EN PIPEHASE
➢ GAS EN UNA FASE
✓
✓
✓
DENSIDAD DEL GAS
VISCOSIDAD DEL GAS:
CORRELACIONES DE
LEE (DEFAULT) Y DE
KATZ
CALOR ESPECIFICO
G =
PM
zRT
G = 0.0001 K e 0.0433X
G P / zT
K = 3.5 + (986 / TA ) + 0.01M
TA = oR
CpG (BTU / lb) = 0.39 + 0.00085(T( F) − 100)
50
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
➢
LÍQUIDO EN UNA FASE:
➢
SE USA LA GRAVEDAD ESPECIFICA PARA CALCULAR SUS PROPIEDADES
➢
ESPEFICAR HIDROCARBURO O AGUA PARA ACTIVAR SUS DEFAULTS
❖VISCOSIDAD DE HIDROCARBURO LIQUIDO:
103.0324−0.02023API
L = 10 − 1; X =
T1.163
➢
TUFFP (VAZQUEZ-BEGGS)
➢
BEAL-STANDING/CHEW-CONALLY: SE BASA EN GRAVEDAD API DE
60 O MENOR Y 300ºF O MENOR - PIPEPHASE LE FIJA UN VALOR
MINIMO DE 0.2 cP y UN MÁXIMO DE 10000 cP
X
❖VISCOSIDAD DEL AGUA
➢
BEAL (DEFAULT)
➢
TABLAS DE VAPOR DE ASME
51
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
➢LÍQUIDO EN UNA FASE:
❖
CALOR ESPECIFICO = f(GRAVEDAD ESPECIFICA DE ACEITE Y
TEMPERATURA)
Cp(BTU / lb) = 0.33 + 0.0023 * API + 0.00055T(º F)
❖
VISCOSIDAD DE ACEITE-AGUA
✓
REGLA DE MEZCLAS:
✓
PROCEDIMIENTO API 14B:
 L = 1 +  2 3 para R  1
 L =  2 (1 + 2.5) para R  1
R=
52
qO
qW
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MODELOS COMPOSICIONALES
➢ Su exactitud depende de la propiedades de los componentes puros, la
exactitud y aplicabilidad del generador de propiedades termodinámicas
(separación de fases, entalpia, densidad) y la exactitud de las reglas y
correlaciones de mezclado usadas en el calculo de las propiedades de
las corrientes transportadas
➢ PIPEPHASE se basa en datos de composición dados por el usuario
➢ Las propiedades se toman de las bibliotecas de componentes
➢ Para pseudo componentes, las “propiedades puras” se calculan usando
métodos de caracterización industriales basados en la gravedad , el
punto normal de ebullición y el peso molecular
53
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
MODELOS COMPOSICIONALES
➢ Para cada componente se determina:
✓
Valores de la constante de equilibrio (separación de fases)
✓
Entalpias de gas y liquido
✓
Densidades de gas y liquido
✓
Viscosidades de gas y liquido
✓
Tensión superficial
54
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Métodos recomendados para propiedades termodinámicas
Método
55
Propiedad
Hidrocarburos
pesados
Hidrocarburos
ligeros
Gas Natural
Valor de K
Braum K10 (<100psia)
Grayson-Streed
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Lee-Kesler-Picker
Benedict-WebbRubin-Starling
Chao-seader
Peng-Robinson
Soave-RedlichKwong
Entalpía
Curl-Pitzer
Johnson-Grayson
Lee-Kesler
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Lee-Kesler-Picker
BWRS
Curl-Pitzer
Lee-Kesler
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Métodos recomendados para propiedades termodinámicas
Método
Propiedad Hidrocarburos
pesados
Hidrocarburos
ligeros
Gas Natural
Densidad
del líquido
API
Lee-Kesler
API
Lee-Kesler
API
Lee-Kesler
Densidad
del Vapor
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
Peng-Robinson
Soave-Redlich-Kwong
56
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
1.5 Equipos y accesorios en dispositivos de flujo
En sistemas donde los cambios de presión son fuertemente ocasionados por
los accesorios mas que por la misma tubería
Es importante el modelado exacto del equipo de proceso
Calentadores
Enfriadores
Bombas
PIPEPHASE también permite modelar componentes de equipo de proceso y
accesorios de tuberías, dentro de las líneas que se van declarando
57
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Es conveniente aclarar que PIPEPHASE no considera efectos de caídas de
presión ocasionadas por la longitud o cambio de elevación dentro de este
tipo de equipo
Los componentes y accesorios modelados por PIPEPHASE son:
✓
Codos, Tee´s, Expansiones, Reducciones, Entradas, etc.
✓
Válvulas Anti retorno (Check)
✓
Herramientas DPDT
✓
Estranguladores
✓
Calentadores y Enfriadores
✓
Separadores
✓
Bombas
✓
Compresores
58
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
ACCESORIOS
Los accesorios de las tuberías que se pueden especificar dentro de
PIPEPHASE, como herramientas de flujo dentro de cualquier línea, son:
Expansiones
Contracciones
Válvulas
Curvas y Codos
Orificios
Boquillas
Medidor Venturi
Entradas
Salidas
Tees
Con excepción de los medidores Venturi y de tipo agujero (Blevins),
las ecuaciones de las caídas de presión de todos los accesorios
fueron tomadas del manual CRANE.
59
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Correcciones para la caída de presión en accesorios para flujo bifásico
Las ecuaciones de las caídas de presión para los accesorios mencionados
solamente se pueden aplicar a flujo en una fase (gas o líquido).
Si existe flujo bifásico a través de alguno de estos accesorios, entonces la
caída de presión asociada tiende a ser mayor que la equivalente a flujo
monofásico.
En PIPEPHASE existen dos opciones para calcular un factor que se
puede usar como un “multiplicador bifásico” a las ecuaciones estándar
de caídas de presión para una fase.
Método de CHISHOLM
Método HOMOGÉNEO
60
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Correcciones para la caída de presión en accesorios para flujo bifásico
La forma general para este factor de corrección se puede representar como:
Pacc =  K acc
 v2
2 gc
=  Kmulacc
fd  v2
2 gc
Donde

→ Multiplicador para dos fases en la ecuación estándar de caída
de presión
Kacc
→ Factor para una fase
Kmulacc → Multiplicador (L/d) para una fase
fd
→ Factor de fricción de la herramienta
61
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Correcciones para la caída de presión en accesorios para flujo bifásico
✓
Método de Chisholm
La ecuación para la caída de presión a través de los accesorios es:
=
Donde:
 PTP
C
1
= 1+ + 2
 PL
X X
P 
X =  G 
  PL 
0.5
0.5

 vlg  
C =  + (C2 −  )   x
v  

 g 

 = 0.5(22 −n − 2)
62
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
PL y PG →
Las caídas de presión a través de los accesorios con una sola
fase fluyente (líquido o gas)
v →
Volumen específico del gas (vG), del líquido (vL) o de la
diferencia entre ambas fases (vG - vL = vGL)
n →
Constante que PIPEPHASE la fija en cero (entonces por
“default” el valor de  es igual a 1.00). El usuario puede alterar
el valor de acuerdo con los accesorios.
C2 →
Constante definida por el usuario dentro de PIPEPHASE de
acuerdo con las características de los accesorios
PIPEPHASE establece por “default” estos valores. Los cuales son
conservadores en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, el usuario
puede cambiarlos de acuerdo con las características que se vayan
encontrando en el sistema.
63
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
✓
Método Homogéneo
El valor apropiado de  para la herramienta se puede obtener como:
  vGL  
 x 
 = 1 + 
  vL  
Donde x es la calidad de la masa de vapor
64
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Las válvulas Antiretorno o Check se utilizan para permitir el flujo solo en una
dirección. Esto previene el regreso del flujo.
PIPEPHASE es capaz de simular este tipo de accesorios
Ecuaciones de placa de orificio análogas a las aplicadas a los estranguladores
Si se determina flujo multifásico → PIPEPHASE asume una mezcla uniforme
65
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
HERRAMIENTAS DPDT
Sirven para simular equipo, que específicamente no considera PIPEPHASE
en sus modelos.
Estas herramientas se usan típicamente para modelar el comportamiento de
válvulas y accesorios diseñados de manera especial.
Dentro de las herramientas DPDT se proporcionan, en forma tabular, los datos
que relacionan el flujo, el cambio de presión y el cambio de temperatura.
PIPEPHASE interpola linealmente la tabla de valores proporcionada
PIPEPHASE interpola linealmente la tabla de valores proporcionada
66
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
ESTRANGULADORES
Al seleccionar el tipo de modelo de fluido, quedan definidas las
correlaciones que se utilizarán para calcular las caídas de presión a través
de un estrangulador.
67
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Modelos para una sola fase (solo gas o solo líquido)
Con base en la figura:
La ecuación gobernante es:
P = P1 + P2
68
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Modelos para una sola fase (solo gas o solo líquido)
En donde P1 y P2 se definen como:
 vo  o 


96.26 YC 

P1 =
2
1
 v02
  v02
v22  2
2 2
−
−

(
1
−

) 
0 

64.4 64.4
64.4




P2 =
144
1 P 
P2 = 1 − (0.41 + 0.35  4 )  1 − 0 
P1 
k
69
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Las variables C y  se definen como:
C=
Ddesc
(1 −  )
4 0.25
d0
=
d1
Con:
k→
La relación de calores específicos Cp/Cv
Y→
El factor de expansión del gas para orificios
Ddesc → Coeficiente del orificio de descarga
d →
Diámetro del estrangulador en 64avos de pulgada.
Si se llegase a introducir un valor de cero como coeficiente de descarga
PIPEPHASE lo calcula a partir de la relación de diámetros () y el Re.
70
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Modelos de estranguladores (GF) Familia Gilbert
Gilbert, Ros, Baxendel, Achong
Son modelos de estranguladores, únicamente para flujo crítico → no
modelan flujo subcrítico.
En flujo crítico
El flujo a través de un estrangulador es función
lineal de la presión de entrada. Los otros
parámetros permanecen constantes en el modelo
Por tanto los modelos de estranguladores no predicen la presión a la salida
del estrangulador y podrían no ser aplicables si el flujo es subcrítico.
Lo anterior influye en que el modelo sea incompleto.
71
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Para lograr que el modelo sea suficientemente completo, se realizan las
siguientes implementaciones:
a)
PIPEPHASE determina cuando ocurre el flujo crítico, en el cual
físicamente la presión de salida necesita ser igual o menor que la presión
crítica.
La presión crítica es la presión a la salida del estrangulador en el
momento que inicia el flujo crítico. Posteriormente al bajar la presión de
salida ya no aumentará el flujo.
b) El usuario puede asignar una relación crítica de presión Rcrit
(Psalida/Pentrada) medidas al inicio del flujo crítico. PIPEPHASE tiene una
salida para notificar si la relación de presión calculada no es
consistente. El valor establecido por “default” para Rcrit es de 0.55
El usuario es el que debe elegir el modelo de estrangulador a usar
72
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Modelos de estranguladores (GF) Familia Gilbert
Gilbert, Ros, Baxendel, Achong
Los modelos de estranguladores GF son representados por:
A (ql ) ( Rp) B
P1 =
dC
Las constantes A, B y C se definen de acuerdo con la tabla
73
Modelo GF
A
B
C
Gilbert
10.0
0.546
1.89
Ros
17.4
0.500
2.00
Baxendell
9.56
0.546
1.93
Achong
3.82
0.650
1.88
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
El algoritmo en la solución de redes con presencia de un estrangulador GF
Checa la presencia de estranguladores GF en las fuentes. Se pueden
presentar tres posibles escenarios:
a)
Presión fija en la fuente y flujo estimado.
b)
Flujo fijo en la fuente y Presión estimada.
c)
Presión y flujo fijos en la fuente.
Si ocurre el caso (a):
Para determinar el flujo crítico en las herramientas antes del
estrangulador, se calcula la intersección de la curva del estrangulador
con la del pozo.
74
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Si ocurre el caso (b)
Determina la presión aguas arriba del estrangulador usando el modelo del
estrangulador. Se calcula la presión en la fuente que satisfaga la presión
del pozo y el flujo.
Si ocurre el caso ( c)
Entonces solamente calcula la presión aguas arriba del estrangulador y
redimensiona su diámetro
El algoritmo en la solución de redes con presencia de un estrangulador
GF en las uniones y descargas.
Si se especifica más de un estrangulador GF en la fuente o si éstos
están presentes en alguna unión interna o en alguna descarga, debe
buscarse que los cálculos se simplifiquen.
75
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
El algoritmo en la solución de redes con presencia de un estrangulador
GF en las uniones y descargas.
La relación de presiones se usará para calcular la presión a la salida.
Se asumirá que el diámetro del estrangulador no causa efectos.
Así, el estrangulador GF simplemente actuará como una herramienta que
causa una caída de presión de acuerdo con la relación de presiones
especificada.
Extensiones de la aplicabilidad del modelo GF
Los estranguladores GF son aplicables de manera clásica para sistemas de
aceite negro (con GLR > 0)
PIPEPHASE
Para modelo de fluido en dos fases (Vaporlíquido); esto es, modelos de composicional a
condiciones estándar y condensado (LGR > 0)
76
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Extensiones de la aplicabilidad del modelo GF
Es necesario identificar cuando aplicar este modelo, a través del valor
estándar de GLR.
Para lo cual se recomienda primero ajustar los datos de campo con el
modelo y correlacionar los valores de los coeficientes A, B y C, antes de
modelar los estranguladores con PIPEPHASE.
Buscando flexibilidad el modelo ha sido ampliado para sistemas de una sola
fase.
Líquido
ó
Gas
Si el modelo de flujo predice una sola fase líquida a condiciones estándar
El programa fija el valor de la relación gas-líquido de producción (Rp) = 1 en
la ecuación para estranguladores.
77
35 años de investigación, innovando con energía
Extensiones de la aplicabilidad del modelo GF
Si el modelo de flujo predice una sola fase vapor a condiciones estándar:
El programa entonces usa la ecuación:
A Qg
P1 = C
d
Donde Qg es el flujo estándar de gas en mscf/dia
En algunas ocasiones es recomendable, ajustar primero los datos de
campo al modelo de líquido o gas y correlacionar los valores de los
coeficientes A y C, antes de modelar los estranguladores en PIPEPHASE.
Para modelos de vapor no se permiten los modelos de estranguladores GF
78
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
Si la relación de presión calculada en la red es mayor que la relación de
presión especificada por el usuario entonces aparecerá un mensaje
indicando que el estrangulador podría encontrarse dentro de la región de
flujo subcrítico.
Otros modelos de fluido
PIPEPHASE calcula las caídas de presión por estranguladores a partir de
las correlaciones desarrolladas para fluidos multifásicos. El método de
Fortunati comprende:
a)
Interpolar la curva de Fortunati para determinar si el flujo es subcrítico
o crítico.
b)
En caso de flujo subcrítico se usa la curva de Fortunati para determinar
la relación de presiones en la entrada y salida. A partir de esta relación
se calcula la presión aguas arriba o aguas abajo. En caso de flujo crítico
se usa la relación de presión crítica para calcular la presión de salida, la
cual es la máxima presión posible que permite el flujo crítico.
79
35 años de investigación, innovando con energía
1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
al Estado Estable Pipephase
CALENTADORES Y ENFRIADORES
El modelo de fluido que se seleccione es importante en la definición de las
correlaciones a usar relativas a los calentadores y enfriadores que influyen
en el cambio de la temperatura del fluido.
Para modelos de fluido de una sola fase, gas o líquido, se tiene:
Q = m Cp T
Para modelos de fluido composicional y vapor, se aplica:
Q = m H
La caída de presión a través de un calentador o de un enfriador puede
modelarse, tanto por:
a)
Especificación del valor directamente ó
80
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b) Definiendo el coeficiente y el término exponencial de la relación:
P = Coeficiente (Flujo)
exp
El flujo es expresado siempre en unidades de lb/seg.
SEPARADORES
La fase separada a condiciones de separación se determina a partir de los
cálculos de equilibrio del modelo de fluido.
El modelo de separador remueve un porcentaje de volumen o flujos
volumétricos de la fase o fases, según las especificaciones que se le
proporcionen al programa.
81
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Aceite negro
La fase separada se determina usando las correlaciones empíricas para
aceite negro. Solamente el gas puede ser removido del sistema.
Condensado
La fase separada se determina a partir de los cálculos de equilibrio.
Pueden ser removidos del sistema el condensado y/o el agua.
Composicional
La fase separada se determina por flasheo a presión y temperatura de
separación. El fluido puede ser removido de cualquier corriente: gas, aceite
y/o agua.
82
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BOMBAS Y COMPRESORES
Fluidos incompresibles
Bombas
Fluidos compresibles
Compresores
PIPEPHASE utiliza la ecuación estándar que relaciona la potencia con el
incremento en la presión:
Qv P
Pow =
1715 
Pow → Potencia en hp
Qv → Flujo volumétrico (gpm)

→ Eficiencia de flujo (%)
83
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Modelos de Bombas en el Simulador Pipephase
El simulador Pipephase tiene la capacidad de modelar bombas centrífugas
simples o de velocidad variable. Adicionalmente, Pipephase puede modelar
una bomba eléctrica sumergible.
✓ Modelo de una Bomba Centrífuga Simple
Este modelo se aplica a una bomba de velocidad constante. El usuario debe
proporcionar ya sea la potencia o la presión de salida y el simulador
calculará el resto de parámetros desconocidos. Se pueden imponer límites a
estos parámetros, los cuales se usarán como restricciones en los cálculos.
Adicionalmente se puede suministrar una curva Caudal-Carga y CaudalEficiencia para la bomba. Si se especifica más de una etapa, Pipephase
tomará estas curvas como si correspondieran a una sola etapa.
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✓ Modelo de una Bomba Centrífuga de Velocidad Variable
Este modelo se aplica a una bomba de múltiples velocidades. El usuario
debe proporcionar las diferentes curvas características Caudal-Carga y
Caudal-Eficiencia, para las distintas velocidades de la bomba. El código
Pipephase permite un máximo de 5 velocidades distintas.
En forma similar que el modelo de velocidad constante, se pueden
establecer límites máximos a la Potencia, Presión y Velocidad de la bomba.
En el caso de bombas multi-etapas, las curvas características se interpretan
como si éstas correspondieran a una sola etapa.
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✓ Modelo de una Bomba Eléctrica Sumergible
Este modelo es una extensión del modelo PUMP de Pipephase, donde
además de los rasgos distintivos de los modelos anteriores, el usuario
puede suministrar una curva de Potencia de accionamiento del motor
eléctrico, ya sea en forma tabular o los coeficientes de una ecuación
característica. Se debe especificar el valor de la potencia auxiliar
suministrada a la bomba.
El usuario puede especificar la degradación de la carga como función del
porcentaje de ingestión de gas más la sumergencia mínima, la carga de
presión en la carcaza y el gradiente de presión vertical debido a la columna
de gas.
89
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Bomba Eléctrica Sumergible (ESP)
El modelo ESP en Pipephase es una extensión del modelo básico de bombas
Regularmente el modelo ESP es un método artificial de producción aplicable
a pozos en producción con flujos que pueden variar desde unos cuantos
cientos de barriles por día a varios miles de barriles por día.
La aplicación del modelo ESP se ve limitada por el excesivo gas libre y las
altas temperaturas asociadas con los pozos profundos.
El comportamiento de un modelo ESP es caracterizado por la curva de
potencia de la bomba, definida como una función del flujo.
El efecto de los fluidos viscosos es modelado a través del factor de corrección
de Riling
PIPEPHASE también acepta la introducción de datos específicos del efecto de
gas libre sobre la curva de comportamiento.
91
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Bomba Eléctrica Sumergible (ESP)
Con el objeto de reducir el flujo del gas de inyección
ESP son configuradas muchas veces con separadores en línea
El gas separado puede ser reinyectado en la línea de producción o
venteado a la atmósfera.
92
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COMPRESORES
Pipephase usa la ecuación estándar para obtener la potencia del compresor
y la presión de salida:
k −1


k


P
1545 m zavgTentrada  2  − 1
 P

1 



Pow =
 k −1
550 M  

 k 
Zavg → Compresibilidad a T y P promedio
 →
Eficiencia adiabática del compresor
m →
Flujo másico
P2 →
Presión a la salida
P1 →
Presión a la entrada
k →
Relación de calores específicos (Cp/Cv)
93
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COMPRESORES
Se asume que la pérdida del trabajo (por la ineficiencia) se convierte en
calor, el cual puede causar incremento en la temperatura del fluido.
Tsalida = Tentrada
 P2 
Tentrada 
P1 

+
94
k −1
k
−1

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al Estado Estable Pipephase
1.6 Transferencia de calor en dispositivos de flujo
❖
DEPENDE DE SI EL FLUIDO ES COMPOSICIONAL O NO COMPOSICIONAL
❖
LOGICA DE CALCULO DE ENTALPIAS ➔ CAP. 2 DEL KEYWORD MANUAL
FLUIDOS NO COMPOSICIONALES
dq = UdAT
➢
➢
➢
➢
➢
➢
dq = TRANSFERENCIA DE CALOR A LOS ALREDEDORES
U = COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
T= DIFERENCIA DE TEMPERATURAS ENTRE EL FLUIDO Y EL AMBIENTE
dA = AREA POR DONDE FLUYE EL CALOR
D = DIÁMETRO
L = LONGITUD
95
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al Estado Estable Pipephase
➢
EL CAMBIO DE TEMPERATURA
DEL FLUIDO SE DEFINE MEDIANTE:
➢
SI SE IGUALAN LAS ECUACIONES
Y SE INTEGRAN EN L, SE OBTIENE
EL CAMBIO DE TEMPERATURA DE
FLUIDO
➢
•
•
•
d q = m Cp d T
•
d q = cambio de calor del fluido
•
m = flujo másico de fluido
•
UNA TECNICA ESPECIAL PROPORCIONA
UN METODO DE CURVA EXPONENCIAL DE
LA TEMPERATURA DEL FLUIDO HACIA LA
TEMPERATURA AMBIENTE
96
d T = cambio de temperatura del fluido
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FLUIDOS COMPOSICIONALES Y VAPOR
➢ COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR
COEFICIENTE DE PELÍCULA
TRANSFERENCIA DE CALOR
AISLANTE
Proporcionar: Coeficiente de
transferencia de calor
gas
PARED DEL TUBO
Proporcionar:
liquido
Conductividad
Calor específico
Densidad
97
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CALCULO DE U:
U = 1 /  (RESISTENCI AS TERMICAS )
 (RESISTENCI AS) = R FILM + R TUBO + R AISLANTE
+ R ALREDEDORE S + R INSIDE + R OUTSIDE + R RAD
RPELICULA = COEFICIENTE DE PELÍCULA INTERNA
RTUBO = MATERIAL DEL TUBO
RAISLANTE = MATERIAL AISLANTE (HASTA 5 CAPAS CONCENTRICAS)
RALR = MEDIO AMBIENTE (SUELO, AIRE, AGUA, OTRO)
RINSIDE = RESISTENCIA ADICIONAL INTERNA (OPCIONAL)
ROUTSIDE = RESISTENCIA ADICIONAL EXTERNA (OPCIONAL)
RRAD = RADIACION (OPCIONAL)
98
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CALCULO DE RESISTENCIAS EN PIPEPHASE
R INSIDE =
Re =
d
0.27k f Re 0.8
(L L + G  G )(VL + VG )d i124.016
 L L + G  G
R TUBO =
R AISL
d ln( d o / d i )
24k TUBO

1  n 1
=  d  ln( d J / d J −1 ) 
24  J =1 k J

R ENTERRAM
2
d ln (2D + (4D 2 − DT + AISL )0.5 ) / DT + AISL 


=
24k ENTERR
99
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CALCULO DE RESISTENCIAS EN PIPEPHASE
RAIRE O AGUA =
Re AIRE O AGUA =
dO
12 k AIRE O AGUA10[log10 (Re AIRE O AGUA )1.3861] Pr 0.333
181 .89( V ) AIRE O AGUA Dt
 AIRE O AGUA
RINSIDE = 1 / h INSIDE
ROUTSIDE = 1 / h OUTSIDE
hINSIDE , hOUTSIDE = POR USUARIO USANDO ESTAS KEYWORDS
RRADN = 1 / hRADN ; KEYWORD H RAD
100
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TUBERIAS PARCIALMENTE ENTERRADAS
➢
TRANSFERENCIA DE CALOR AL AIRE O AGUA Y SUELO
➢
PIPEPHASE PERMITE VALORES NEGATIVOS DE BDTOP
➢
VALORES DE BDTOP < 0 Y ABS(BDTOP) < 0, INDICAN UN TUBO PARCIALMENTE
ENTERRADO
➢
PIPEPHASE CALCULA DOS hs: UNA PARA LA PARTE ENTERRADA Y OTRA
PARA LA PARTE EXPUESTA
➢
SE USA UN AREA PESADA EQUIVALENTE PARA EL COEFICIENTE EXTERNO
➢
NO SE CONSIDERA VARIACION DE TEMPERATURA ENTRE AMBAS
PORCIONES DEL TUBO
101
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TRANSFERENCIA DE CALOR EN REGIMEN LAMINAR
➢
OCURRE EN EL TRANSPORTE DE FLUIDOS MUY VISCOSOS
➢
PIPEPHAS E USA LA CORRELACION DE CHURCHILL PARA FLUJO LAMINAR Y
TRANSICIONAL
➢
EL FACTOR DE FRICCION DE ESTE METODO SOLO SE USA PARA CALCULAR
LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE ESTE METODO
1/ 5




10 

1 
1

 Re   
=
+  2.21 ln   
20 1 / 2
f   8 10
 7  

Re  



   + 

 
  Re 

36500

 


102
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1. Introducción al Simulador de Flujo Multifásico
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CORRELACION DE CHURCHILL PARA TRANSFERENCIA DE CALOR
FLUJO LAMINAR: Nu = 3.66 (UWT); 4.36 (UHF) PARA RE  2100
FLUJO TRANSICIONAL Y TURBULENTO: RE > 2100
 1
1
Nu T = 
+
2
2
(
Nu
)
(
Nu
)
t
i

Nu t = Nu 0º +

+ 

−1 / 2
Nu t =
( A)
0.079 Re Pr f
(1 + Pr )
0.8 5 / 6
Nu 0º
+
0.079 Re Pr f
(B)
(1 + Pr )
0.8 5 / 6
(B); Nui = Nu lc e(Re −2200 ) / 730
1/ 8
Nu 0º = 8( UHF ) y 5.76( UWT ) Teoría
Nu 0º
= 6.3( UHF ) y 4.8( UWT ) Experim.
103
  276 Pr D 8 / 3 
Nu lc = 3.661 + 
 
L

 

1/ 6
  287 Pr D 2 
Nu lc = 4.361 + 
 
L
 
 
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ECUACION GENERALIZADA PARA TODO Re Y Pr




( 220−Re) / 365

e
1
Nu10 = Nu10
+
l 

0.079 Re Pr f
( Nu lc ) 2
 Nu 0º +

0.8 5 / 6


1 + Pr


(
LA CUAL SE REDUCE A:
)







2 −5







Nu = Nulc para Re  2100
LA ECUACION (A) PARA: Re >2100;
A LA ECUACION (B) PARA: Re > 10000
Nu = 0.079 Re Pr1/ 3 f
Y PARA Pr >100, SE REDUCE A:
1/ 8
  276 Pr D / L 8 / 3 
Nu l = 3.661 + 
 
7
.
6
 
 
1/ 6
  287 Pr D / L 2 
Nu l = 4.361 + 
 
7
.
3
 
 
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