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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Control y Automatización

NOMBRE DEL PROYECTO: DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE

CONTROL CRÍTICO PARA UNA ESTACIÓN DE BOMBEO EXPERIMENTAL

Clave del proyecto: 20060074

Director: M. en C. Carlos Alberto Rivera Guevara

Profesores participantes: M. en C. Leandro Brito Barrera Ing. Humberto Soto Ramírez

Alumnos participantes: Rosa Leticia Castro López Raúl Eduardo Rubio Ruiz

Enero de 2007

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Ingeniería en Control y Automatización Reporte Final PIFI

1

INDICE

Objetivo 2 Planteamiento del Problema 3 Introducción 4 Capítulo 1. Antecedentes 25 Capítulo 2. Análisis Hidráulico al Sistema Presa-Ducto-Bombas

para el Caso de una Bomba 28

Capítulo 3. Análisis Hidráulico al Sistema Presa-Ducto-Bombas

para el Caso de 5 Bombas 35

Capítulo 4. Evaluación Operativa de las Bombas 44 Capítulo 5. Alternativas de Solución 45 Capítulo 6. Conclusiones y Recomendaciones 49



2

OBJETIVO

Diseñar y simular un sistema de monitoreo y control critico para una estación de bombeo, que ofrezca eficiencia, seguridad, confiabilidad, disponibilidad y rendimiento al sistema. El monitoreo se realizara mediante un PLC de seguridad de acuerdo al análisis de datos se procederá a la construcción del sistema.



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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente, las industrias reportan grandes pérdidas, debido a paros de emergencia innecesarios, provocados por errores en los sistemas de control e instrumentación durante el proceso. Ya que los sistemas diseñados para el control de procesos no son apropiados para el control de la seguridad, una falla en estos sistemas es obvia al no efectuarse adecuadamente el control del proceso, por lo que se considera necesario un sistema que garantice la seguridad de las personas e instalaciones, el tiempo de vida del equipo, protección al medio ambiente y un sistema ininterrumpido.



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INTRODUCCIÓN

Métodos de Control Para Flujos Transitorios

Para mantener el flujo transitorio bajo condiciones límites permisibles, se usan dispositivos de control tales como tanques de oscilación, cámaras de aire, o válvulas. La principal función de estos dispositivos es reducir la razón de cambio o razón de aceleración y desaceleración del líquido dentro de la tubería. A continuación se hace una breve descripción de algunos de estos dispositivos.

Tanque De Oscilación

Un tanque de oscilación, en términos generales, consiste de una cámara de

almacenamiento de agua acoplada a la línea de conducción, la cual permite almacenar el exceso de líquido y lo proporciona cuando la línea de gradiente hidráulico en la tubería cae debajo del nivel líquido en el tanque. En la Figura 1 se muestran diferentes tipos de tanque de oscilación,

Figura 1. Tipos de Tanques de Oscilación

Cámara De Aire

Una cámara de aire, tiene aire comprimido en la parte superior (Figura 2), el cual actúa como amortiguador. Cuando la presión dentro de la tubería disminuye, hay un flujo de



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líquido desde la cámara de aire hacia la tubería, permitiendo que el aire se expanda; cuando la presión se eleva, el flujo de líquido es de la tubería hacia la cámara y el aire es comprimido. De esta forma, el aire dentro de la cámara reduce la razón de desaceleración o aceleración del líquido dentro de la tubería.

Figura 2. Cámara de Aire

Válvulas

De acuerdo con la American Water Works Association (AWWA), las válvulas son

dispositivos usados para prevenir o mitigar cambios súbitos en el flujo. En el caso de las válvulas de admisión de aire, la rapidez o velocidad de apertura de la válvula se fija, de acuerdo a la mínima presión admisible deseada, dentro de la tubería, o se fija inicialmente a un valor específico. Existen diferentes tipos de válvulas para el control de flujo transitorio, entre ellas la válvula de entrada o admisión de aire, la cual es descrita a continuación.

Las válvulas de aire, son dispositivos hidromecánicos diseñados para evacuar o admitir

automáticamente grandes cantidades de aire durante el llenado, drenaje u operación del sistema de conducción de agua. Cuando la tubería se está llenando o cuando se almacenan bolsas de aire a lo largo de la tubería, la válvula permite evacuar el aire sobrante y evita así la formación de bolsas o paquetes de aire que pueden generar reducción en el flujo de agua por disminución de la sección transversal efectiva y en algunos casos ocupar la sección entera, generando una parada del flujo. Cuando la presión del líquido dentro de la tubería cae por debajo de la presión atmosférica, la válvula se abre y admite aire, nivelando así las presiones y evitando que se alcance un valor cercano a la presión de vapor del líquido, (AWWA).

La Figura 3 muestra un esquema de una válvula de entrada de aire y sus respectivos

componentes. El diseño del orificio para el flujo de entrada, se basa típicamente en la asunción de flujo isentrópico a través de una boquilla convergente, cuyo intervalo de presiones de diseño varía desde la presión atmosférica a la entrada y presiones por debajo de 5 psi (34 kPa) o presiones negativas permisibles por debajo de la presión atmosférica con un factor de seguridad adecuado a la salida.



6

Figura 3. Esquema de una Válvula de Entrada de Aire.

Flujo Transitorio en Conductos Cerrados Teorema de Transporte de Reynolds

Sin importar su naturaleza, todas las situaciones de flujo están sujetas a las siguientes relaciones, las cuales pueden ser expresadas en forma analítica. Ø Las leyes de movimiento de Newton, las cuales deben cumplirse para cualquier

partícula en cualquier instante.

Ø La ley de conservación de masa.

Ø La primera y segunda ley de termodinámica.



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En el teorema de Reynolds, el concepto de volumen de control se relaciona con el sistema en términos de una propiedad general del sistema. Este teorema, relaciona las variables de flujo para una cantidad específica de masa de fluido, llamada sistema; a una región específica, llamada volumen de control. Todo lo externo al sistema es llamado alrededores y las fronteras del sistema separan el sistema de sus alrededores. La frontera de un volumen de control es llamada superficie de control.

Considérese una situación general de flujo, Figura 4. Sea B la cantidad total de alguna

propiedad (extensiva) dentro del sistema en el tiempo t y ß la cantidad de esta propiedad por unidad de masa (propiedad intensiva), a través del fluido. La cantidad total de B en el volumen de control, BCV , es:

Donde ? es la densidad y d∀ es el diferencial de volumen del fluido.

Figura 4. Sistema y Volumen de Control.

Considerando el sistema en el tiempo t y t + ?t. En el tiempo t, parte del sistema se

encuentra dentro del volumen de control y otra parte se mueve hacia el interior del volumen de control; en el tiempo t + ?t, parte del sistema se encuentra dentro del volumen de control y la otra parte se mueve hacia fuera del volumen de control.

La propiedad B del sistema en el tiempo t y t + ?t puede ser escrita como.



8

BSIS (t) = BV.C (t) + ?BEntra

BSIS (t + ? t) = BV.C (t + ? t) + ?BSale

?BEntra , ?BSale , se refieren a la cantidad de propiedad B que ingresa o sale del volumen de control durante un intervalo de tiempo ?t.

El cambio de la propiedad B puede definirse de la siguiente manera,

Reemplazando las ecuaciones anteriores se tiene lo siguiente,

El primer término a la derecha de la última ecuación representa la razón de cambio con respecto al tiempo de la propiedad B en el volumen de control,

Sustituyendo la ecuación anterior se tiene,

El segundo y tercer término a la derecha de la ecuación anteriormente citada representa la razón a la cual una propiedad sale o entra del volumen de control. Para flujo en una dimensión se puede escribir,



9

Donde A representa el área de la sección transversal y VS representa la velocidad relativa promedio medida en la superficie de control.

Estos dos últimos términos pueden combinarse en un término único que es una integral

sobre toda la superficie del volumen de control (SC). El producto punto define si el flujo entra o sale del volumen de control.

Reuniendo y reorganizando los términos, la ecuación en cuestión lleva a

La ecuación anterior, se conoce como el Teorema de Transporte de Reynolds y establece que la tasa o razón temporal de incremento de la cantidad total de alguna propiedad extensiva (B) dentro de un sistema, es exactamente igual a la tasa temporal de incremento de la propiedad B dentro del volumen de control (fijo), más la tasa neta de flujo de B a través de la frontera del volumen de control.

Ecuación de Continuidad

Para derivar la ecuación de continuidad para flujo transitorio, se aplica la ley de

conservación de masa, se considera el flujo de un fluido compresible en un conducto de paredes elásticas. Debido a los cambios de presión, el volumen de control se puede expandir o contraer, la velocidad con respecto a los ejes coordenados de las secciones 1 y 2 debido a estas contracciones o expansiones es W1 y W2, respectivamente. Se asume que el flujo es en una dimensión, y que la presión es uniforme al final de las secciones del volumen de control, se desprecia la velocidad radial debida a la expansión o contracción de las paredes del conducto, finalmente, la distancia X, velocidad de flujo V, y la descarga Q, son consideradas positivas en la dirección aguas abajo, (Figura 5).



10

Figura 5. Volumen de Control para la Conservación de la Masa.

Para la conservación de la masa, la propiedad intensiva del fluido es dada por:

Adicionalmente para un sistema,

Por lo tanto al aplicar el teorema de Reynolds, se obtiene

Esta ecuación establece que la tasa temporal de cambio de la masa en el volumen de control, más el flujo neto de la masa a través del volumen de control es igual a cero. Puesto que, bajo flujo no permanente, y en un conducto deformable el volumen de control varía en el tiempo, se debe resolver el primer término de la ecuación anterior, mediante el teorema de Leibnitz, dado por



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Haciendo d∀ = AdX , y aplicando el teorema de Leibnitz, se obtiene

Si W1 y W2 son la velocidad de deformación de las fronteras, entonces se tiene,

El segundo término de la ecuación se resuelve de forma directa y se expresa de la

siguiente forma,

Donde VS representa la velocidad relativa promedio medida en la superficie de control y es dada por VS1 =V1 - W1 y VS2 =V2 - W2 , sustituyendo en la ecuación anterior, se obtiene

Sustituyendo las ecuaciones anteriores:

Aplicando el teorema del valor medio a la integral en la ecuación anterior, se tiene



12

En el límite cuando ?X ? 0 se tiene,

Expandiendo el término dentro de paréntesis se llega a la siguiente expresión,

Reagrupando términos, usando expresiones para las derivadas totales y dividiendo por ? A, se obtiene,

Para escribir esta ecuación en términos de las variables de interés, presión y velocidad (P,V), se expresan las derivadas de ?, A en términos de P y V como se muestra a continuación.

El módulo de elasticidad volumétrico del fluido (K) se define como,



13

La derivada de la densidad puede escribierse como,

Para un conducto circular el área es:

donde D es el diámetro del conducto. La variación del área con respecto al tiempo es

Expresando la variación en términos de la deformación, se obtiene

Sustituyendo la ecuación anterior

Para simplificar la derivación, se asume que las paredes del conducto son linealmente elásticas, por lo tanto, la deformación puede expresarse como,

Donde s 2 se define como el esfuerzo circunferencial, s1 es el axial, µ es la razón de Poisson, y E es el módulo de elasticidad.

Adicionalmente, se asume que el conducto tiene juntas de expansión a lo largo de su

longitud tal que los esfuerzos axiales son cero, por lo tanto, se tiene la siguiente expresión,



14

El esfuerzo circunferencial sobre las paredes del conducto debido a las presiones internas generadas por el fluido, está dado por la siguiente expresión

Donde P es la presión, e es el espesor de las paredes, y D es el diámetro del conducto. Derivando la expresión anterior con respecto al tiempo se obtiene

Por definición se sabe que,

Reemplazando en la ecuación

Recordando de pasos anteriores que

Sustituyendo se obtiene



15

Entonces

Finalmente

Sustituyendo las ecuaciones en la ecuación de continuidad, se obtiene,

En la mayoría de aplicaciones de ingeniería el término P/2 es mucho menor que el término eE/D , por lo tanto la ecuación anterior puede expresarse como,



16

La velocidad del sonido en el fluido a, incluyendo los efectos de la elasticidad de las paredes puede expresarse como:

Si

Sustituyendo tenemos:

Aplicando la definición de derivada total, es posible finalmente obtener la ecuación de

continuidad para flujo transitorio en un conducto cerrado como

Ecuación de Momentum

De acuerdo a la segunda ley de Newton, para un sistema

Donde F es la suma de las fuerzas que actúan sobre el volumen de control.

Aplicando el Teorema de Transporte de Reynolds a un volumen de control deformable (Figura 6), se obtiene



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Figura 6. Volumen de Control para la Derivación de la Ecuación dela Conservación de la

Cantidad de Movimiento.

Procediendo de forma similar al análisis realizado para la ecuación de continuidad, usando el teorema de Leibnitz, el primer término de la ecuación, para la componente en dirección axial, X, puede ser expresado como

El segundo término de la ecuación puede expresarse como

Reemplazando las ecuaciones , se tiene

Aplicando al primer término el teorema del valor medio, simplificando y dividiendo toda

la ecuación por ?X = X 2 - X1 , se obtiene

Asumiendo que la tubería es horizontal, las siguientes fuerzas actúan



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Fuerzas de Presión en las secciones 1 y 2.

Si se usa la formula de Darcy – Weisbach para calcular las pérdidas debidas a la fricción, los esfuerzos cortantes entre el fluido y las paredes de la tubería, son dados por

Donde f es el factor de fricción de Darcy – Weisbach, y V2 es escrita como V /V /para

considerar la dirección de flujo. De acuerdo a lo anterior, la fuerza cortante puede expresarse como.

Por lo tanto, las fuerzas son

es decir,

Dividiendo por ?X , se tiene

Reemplazando

Tomando el límite cuando ? X ? 0 , se obtiene



19

Expandiendo los términos dentro de paréntesis en la ecuación anterior y reagrupando se

obtiene

Sustituyendo la expansión anterior, ecuaciones se obtiene

Finalmente

Por continuidad el primer término de la ecuación anterior se hace cero, por lo tanto

Al dividir la expresión anterior por ? A, finalmente se obtiene la ecuación de Momentum,

dada por.



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Formas Simplificadas de las Ecuaciones de Continuidad y Momentum

Las ecuaciones de continuidad y de momentum , describen el flujo en estado transitorio

en conductos cerrados. En estas ecuaciones hay dos variables independientes, la distancia, X, y el tiempo, t, y dos variables dependientes, la presión, P, y la velocidad de flujo, V. Otras variables como a, ?, f y D, son parámetros del sistema y usualmente permanecen constantes con respecto al tiempo, sin embargo pueden ser función de X. Para flujo en tuberías, los términos

son muy pequeños comparados con los otros términos de las ecuaciones gobernantes, por lo tanto pueden ser despreciados. De ahí, la expresión usual de las ecuaciones es:

Conservación de Masa

Conservación de Momentum

Adicionalmente, es común expresar las presiones en las tuberías en términos de la carga

piezométrica (H), y usar como segunda variable dependiente la descarga (Q) en lugar de la velocidad (V). la carga piezometrica se define como P = ? g H , y la descarga como Q =V A. Si se asume que el fluido es ligeramente compresible, y que las paredes del conducto son levemente deformables, se puede despreciar la variación de la densidad (?) y área de flujo (A), debido a la variación de la presión en el interior de la tubería. Es decir

Sustituyendo las ecuaciones anteriores en las ecuaciones gobernantes, se obtiene



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Conservación de Masa

Conservación de Momentum

Donde:

Las ecuaciones son conocidas como forma simplificada de las ecuaciones gobernantes para flujo transitorio en conductos cerrados, y representan un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales cuasi-lineales e hiperbólicas, cuya solución de forma exacta no es posible, sin embargo, por linealización de los términos no lineales y aplicando métodos analíticos o gráficos se puede obtener una solución aproximada. Lo más común es resolver las ecuaciones usando esquemas numéricos con la computadora digital.

Velocidad de la Onda en Flujo Transitorio

La velocidad de la onda bajo golpe de ariete en conductos cerrados depende de las propiedades elásticas de la tubería, de las propiedades del fluido, y de las restricciones o condiciones de anclaje. Las propiedades de la tubería incluyen el tamaño – diámetro, espesor y material de construcción de la tubería; Las propiedades del fluido incluyen el modulo volumétrico de elasticidad del fluido, cantidad de gases no disueltos2, densidad y viscosidad cinemática entre otras. Las restricciones o condiciones externas incluyen el tipo de soportes y la libertad del sistema al movimiento en dirección longitudinal.

Una reducción significativa en la velocidad de la onda se obtiene cuando la cantidad de

gases disueltos en el líquido aumenta, éste fenómeno puede ser generado cuando la presión del líquido cae a valores cercanos o iguales a la presión de vapor del líquido, aumentando la fracción de vacío gracias a la formación de burbujas de vapor (cavitación). Por lo tanto, la velocidad de la onda para una onda de presión positiva puede ser mucho mayor que para una onda de presión negativa.



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A continuación se muestran dos clasificaciones de la velocidad de la onda en base a la

fracción de vacío. Velocidad de la onda constante para líquidos puros, y velocidad de la onda variable para mezcla gas – líquido en la cual la fracción de vacío cambia en el tiempo.

Velocidad de onda en Líquidos Puros

Una expresión general para la velocidad de la onda constante, al considerar un líquido

puro o fracción de vacío igual a cero, es:

Donde ϕ es un parámetro adimensional que depende de las propiedades elásticas del

conducto; E es el modulo de elasticidad de Young para las paredes del conducto; K y ? son el modulo de elasticidad volumétrico y la densidad del fluido respectivamente.

Diferentes expresiones para ϕ bajo distintas condiciones ya han sido dadas, a

continuación se mencionan las de uso más común.

1.Conductos Rígidos. ϕ = 0

2.Conductos elásticos de paredes gruesas. a) Conducto anclado contra el movimiento longitudinal a lo largo de su longitud

Donde v es la razón de Poisson y Ro , Ri son el radio externo e interno del conducto

respectivamente. b) Conducto anclado contra el movimiento longitudinal en su extremo superior



23

c) Conductos con juntas de expansión frecuentes

3.Conductos elásticos de paredes delgadas. a) Conducto anclado contra el movimiento longitudinal a lo largo de su longitud

b) Conducto anclado contra el movimiento longitudinal en su extremo superior

c) Conductos con juntas de expansión frecuentes

Velocidad de la Onda en Mezclas Gas – Líquido.

La velocidad de la onda en un líquido que contiene una pequeña cantidad de gases, es menor que la obtenida en líquidos puros. Expresiones para la velocidad de la onda, pueden ser obtenidas al asumir que: Ø La mezcla de gas - líquido es homogénea, es decir, las burbujas de gas están

uniformemente distribuidas en el líquido, por lo cual es posible considerar una densidad promedio de la mezcla.

Ø Las burbujas de gas siguen una ley isotérmica, o sea, al aplicar la ecuación de gas

ideal P∀g = Po∀g- o . También, el modulo bulk de elasticidad del gas será igual a la presión (Kg = P ).

Ø La presión presión de vapor.

Las expresiones publicadas en la literatura son presentadas a continuación. Tullis (1976), aplicó las ecuaciones de conservación de momentum y continuidad para un

flujo en estado transitorio, la expresión obtenida es escrita como.



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Donde: ? es la densidad del líquido, a es la fracción de vacío para el tiempo en análisis,

Kl es el modulo de elasticidad del fluido, D es el diámetro del conducto, E es el modulo de elasticidad del conducto, y e es el espesor de las paredes del conducto. Padmanabhan encontró una expresión en función de las restricciones de la tubería, dada por

Donde µ es un factor que depende de las restricciones externas del sistema y del tipo de

tubería. Wylie simplifica el término que define el modulo de elasticidad de la mezcla y propone una expresió n similar a la obtenida por Padmanabhan, dada por,

Ø dentro de la burbuja es independiente de la tensión superficial y de la

Donde C1 es un factor que depende de las restricciones externas del sistema y del tipo de

tubería.

Chaudhry obtuvo una expresió n para la velocidad de la onda en una mezcla gas – líquido. Al considerar un volumen de mezcla gas – líquido, a una presión inicial Po, confinado dentro de un conducto de paredes elásticas, y asumiendo que la presión es súbitamente incrementada en un valor dP, encontró que la velocidad de la onda es dada por.



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CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES

Las condiciones de operación evaluadas para el análisis del sistema son variables ya que

se consideraron condiciones de flujo mínimas, medias y máximas (70 MBD, 120 MBD y 170 MBD, respectivamente) para una y cinco bombas. Además, se consideraron diferentes niveles de columna de líquido por encima del nivel mínimo permitido. Se considera el perfil del ducto de 48” ∅ de la presa “A”, datos de fabricante de las válvulas y propiedades del fluido manejado.

El sistema está compuesto por una presa, salmuera, un ducto y bombas, como se muestra

en el esquema de la figura 1, el cual no está a escala y fue el que se utilizo en la simulación. Las características técnicas de cada componente del sistema se describen en las tablas 1, 2, 3 y 4, respectivamente

Tabla 1. Descripción Técnica de Diseño y Servicio de la Presa “A”

Capacidad 10 MMMBLS Nivel mínimo permitido 0 m (cota 19.5) Nivel máximo 13 m (cota 32.5) Flujo manejado Salmuera

Tabla 2. Propiedades del Fluido (Salmuera)

Gravedad Específica 1.22 Densidad 74.67 lb/ft3

Viscosidad 0.869 cP Temperatura 78 ºF Presión de Vaporización 0.4876 psia Presión Crítica 3198 psia



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Tabla 3. Descripción Técnica de Diseño y Servicio del Ducto.

Especificación Técnica de la Tubería API-STD-5L-GR.B Diámetro Nominal 48 Pulgadas Espesor Nominal 0.375 Pulgadas Longitud del ducto 3.752 Km.

Presión Máxima de Operación 5 kg/cm2

Presión de Diseño 5 kg/cm2

Descarga Presa A Succión Bombas (cota 7)

Tabla 4. Descripción Técnica de las Bombas

Marca y tipo Byron Jackson, Bomba Vertical de Barril

Modelo 20 KXF L2 3P VMT Servicio Salmuera Temperatura de Operación 78.8 ºF

Presión de Succión 0/128 psig

Presión de Descarga en la Brida 256/384 psig Carga Dinámica Total 494 ft Velocidad Nominal 1770 RPM

Velocidad de Operación 1195 RPM Eficiencia Nominal 85 % Flujo Mínimo 1443 GPM (50 MBD) Carga de Succión Requerida (NPSHr) 20 ft

Los códigos y normas aplicados en el presente análisis son: NRF-050-PEMEX-2001 (Abril-2002) “BOMBAS CENTRÍFUGAS”. México D.F.



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Esquema 1. Figura del Sistema



28

CAPÍTULO 2. ANÁLISIS HIDRÁULICO AL SISTEMA PRESA – DUCTO – BOMBAS PARA EL CASO DE UNA

BOMBA

El análisis hidráulico del sistema considera las características de la Presa “A”, del ducto de 48” ∅, del fluido manejado (salmuera) y de las bombas. Por lo tanto, las simulaciones hidráulicas están basadas en el esquema 1, el cual considera el perfil topográfico de la figura 7.

0

5

10

15

20

25

-100 400 900 1400 1900 2400 2900 3400 3900

Longitud [m]

Ele

vaci

ón

[m]

BOMBAS

PRESA "A"

Cota 19.5

Cota 7

Figura 7. Perfil Topográfico del Sistema.

Las principales características de los componentes del sistema, que se muestra en la

figura 7, y que influyen en el análisis hidráulico son:



29

• La Presa “A” tiene niveles de flujo de 0 m hasta 13 m (niveles de referencia con cota 19.5 y cota 32.5 respectivamente).

• Los coeficientes de fricción del ducto se establecen en una dimensión de acuerdo al

perfil topográfico, sin embargo, se establecen correcciones de pérdidas de fricción derivadas de los cambios de dirección del trazo de la línea.

• Las bombas tienen rangos de operación que van de 70 MBD a 170 MBD.

• Las bombas trabajan a velocidad reducida de 1195 RPM.

• La operación es de una bomba mínimo y cinco bombas máximo

Con base a los anteriores criterios se obtienen los perfiles de presión del sistema cuando

las bombas operan a flujo mínimo (70 MBD), flujo medio (120 MBD) y flujo máximo (170 MBD); considerando niveles de líquido por encima del nivel mínimo permitido (cota 19.5) de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10 y 13 metros.

Condiciones Hidráulicas a Flujo Mínimo de una Bomba (70 MBD)

La distribución de presión en el ducto cuando una bomba opera a 70 MBD para niveles

de líquido de la presa de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10 y 13 se muestra en la figura 3.

En la figura 8 se muestra que a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión inferior a la atmosférica, por lo tanto existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si hubiese una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. Sin embargo no hay condiciones que generen presión de cambio de fase, por lo que no hay riesgos de vaporización de líquido.

El nivel de líquido mínimo para evitar presiones menores a la atmosférica en el salmuero

ducto es de 7.7 metros por encima del nivel mínimo requerido.

Los parámetros de operación de una bomba a flujo mínimo se muestran en la tabla 5.

Tabla 5. Parámetros de operación de una bomba a flujo mínimo.

Parámetro Valor Cabezal [ft] 287.4 NPSHr [ft] 8.19 Eficiencia [%] 71.9 Potencia [hp] 245.3



30

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sió

n [p

si]

0 m1 m2 m

3 m4 m5 m10 m

13 m

patm=14.7 psi

pvaporización=0.4876 psi

Nivel de Liquido

Figura 8. Perfiles de presión para la operación de una bomba a flujo mínimo y diferentes niveles de

columna de líquido en la presa Condiciones Hidráulicas a Flujo Medio de una Bomba (120 MBD)

La distribución de presión en el ducto cuando una bomba opera a 120 MBD para niveles

de líquido de la presa de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10 y 13 se muestra en la figura 9.

De manera similar al caso anterior, la figura 4 muestra que, a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión inferior a la atmosférica, por lo tanto existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si se presenta una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. La zona de presión inferior a la atmosférica presenta variaciones poco significativas con respecto a la operación a flujo mínimo. Tampoco existen condiciones que generen presión de cambio de fase, por lo que no hay riesgos de vaporización de líquido.



31

El nivel de líquido mínimo para evitar presiones menores a la atmosférica en el salmuero ducto es de 7.8 metros por encima del nivel mínimo requerido.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sión

[psi

]

0 m1 m2 m

3 m4 m5 m10 m

13 m

patm=14.7 psi


Nivel de Liquido

Figura 9. Perfiles de presión para la operación de una bomba a flujo medio y diferentes niveles de

columna de líquido en la presa.


Tabla 6. Parámetros de operación de una bomba a flujo medio.




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Condiciones Hidráulicas a Flujo Máximo de una Bomba (170 MBD)

La distribución de presión en el ducto cuando una bomba opera a 170 MBD para niveles de líquido de la presa de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10 y 13 se muestra en la figura 5.

La figura 10 muestra que a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión inferior

a la atmosférica, por lo tanto, existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si hubiese una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. La zona de presión inferior a la atmosférica presenta variaciones poco significativas con respecto a la operación a flujo mínimo y flujo medio. De manera similar no existen condiciones que generen presión de cambio de fase, por lo que no hay riesgos de vaporización de líquido.


ducto es de 7.9 metros por encima del nivel mínimo requerido.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sión

[ps

i]

0 m

1 m2 m3 m4 m

5 m10 m13 m

patm=14.7 psi


Nivel de Liquido

Figura 10. Perfiles de presión para la operación de una bomba a flujo máximo y diferentes niveles de

columna de líquido en la presa



33

Los parámetros de operación de una bomba a flujo máximo se muestran en la tabla 7.

Tabla 7. Parámetros de operación de una bomba a flujo máximo.


Condiciones Hidráulicas de Succión para Una Bomba.

En la sección anterior se puede observar que el sistema en todo su rango de operación no

presenta problemas de cambio de fase del líquido, pero si presenta condiciones de entrada de aire al sistema. Así mismo los parámetros de operación de las bombas indican que la operación a flujo mínimo es poco aceptable y la operación a flujo máximo ya no es recomendable por lapsos de tiempo prolongados, dado que serían una operación ruidosa acompañada de vibraciones de la maquina y consecuentemente produciría condiciones de cavitación.

La cavitación inmediata en el sistema, sin considerar todavía los parámetros

operacionales de las bombas, se presenta de acuerdo a las condiciones de presión de succión del sistema (NPSHa) que tienen que ser mayor que las condiciones de presión requeridas por la bomba (NPSHr) para evitar cavitación en las bombas.

El sistema tiene una tubería de succión muy larga que por tanto produce perdidas por

fricción considerables, sin embargo, la columna de líquido mínima disponible para el sistema desde el nivel mínimo permitido por la presa hasta el nivel medio de succión de la bombas es de 12 m y el fluido manejado es de mayor densidad que el agua, la salmuera con densidad relativa de 1.22. Con estas condiciones los valores de NPSH requeridos por la bomba (NPSHr) y disponibles por el sistema (NPSHa) para flujo mínimo, medio y máximo de una bomba se muestran en la figura 6.

La figura 11 muestra que la operación de una bomba no genera condiciones de carga de

succión insuficiente tanto para el NPSHr de 20 ft a condiciones nominales de la bomba (condiciones de operación a 1770 RPM) como para NPSHr a las diferentes condiciones de operación (generadas para la operación de 1195 RPM). Por lo tanto, no existen condiciones para una cavitación inmediata ya que existe carga suficiente carga neta de presión a la succión.



34

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12

Elevación [m]

NP

SH

a [f

t]

Flujo Mínimo

Flujo MedioFlujo Máximo

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo MedioNPSHr Flujo Mínimo

NPSHr Nominal

Condiciones Disponibles del

SistemaNPSHa

Condiciones Requeridas

por la Bomba

Figura 11. Comparación del NPSH requerido por la bomba y el NPSH disponible por el sistema.

Análisis de Resultados para la Operación de Una Bomba.

Con base a los perfiles de presión, parámetros de operación y condiciones de succión del sistema cuando opera con una bomba, se resume los siguientes aspectos:

i. No hay cambios de fase en el sistema, entonces, no hay presencia de vaporización que afecte la operación de la bomba.

ii. Se presentan condiciones para entrada de aire en varias zonas del ducto, por lo que válvulas abiertas o fugas en el ducto producirían que entre aire de la atmósfera que será arrastrado hasta la bomba y su operación será afectada por el bloqueo del paso entre alabes evitando cumplir su función de bombeo.

iii. Hay posibilidades de que se presentase cavitación en la bomba si se trabaja a condiciones de flujo mínimo y máximo por periodos de tiempo prolongados. Lo que se esta presente en esta condición es una operación poco eficiente, de alto consumo energético que será acompañada de ruido y vibraciones de la maquinaria.



35

iv. Existe suficiente carga de succión para que no se genere cavitación por carga de presión de succión, NPSH, insuficiente.

CAPITULO 3. ANÁLISIS HIDRÁULICO AL SISTEMA PRESA – DUCTO – BOMBAS PARA EL CASO DE CINCO

BOMBAS

El análisis con cinco bombas considera el mismo sistema, sus mismos componentes, características y premisas, con la salvedad de que la operación ya no será con una bomba, por lo tanto el esquema para simular es el mismo de la figura 7 y la figura 8 tendrá a su llegada el siguiente arreglo de bombas de condiciones similares que se muestra en figura 12.

Figura 12. Arreglo de cinco bombas a la llega del ducto.

Sin embargo, para este escenario operativo del sistema se consideran nivel de columna del líquido en la presa de 0, 1, 5 y 10 metros, ya que para efectos análisis estos valores son suficientes.



36

Condiciones Hidráulicas para Cinco Bombas a Flujo Mínimo (70 MBD)

La distribución de presión en el ducto cuando cinco bombas operan a 70 MBD para niveles de líquido de la presa de 0, 1, 5, y 10 se muestra en la figura 8.

En la figura 13 se muestra que a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión

inferior a la atmosférica, por lo tanto, existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si hubiese una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. Así mismo, se observa que solo para el nivel de columna de líquido de 0 m a la altura del kilómetro 2+250, punto donde se localiza la zona más alta del perfil topográfico (cota 18.5), se presenta vaporización de líquido por cambio de fase, situación que permitiría empezar a arrastrar gases a la bomba provocando el fenómeno de bloqueo en el paso de sus alabes de la bomba.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sión

[ps

i]

0 m1 m5 m10 m

patm=14.7 psi


Nivel de Liquido

Figura 13. . Perfiles de presión para la operación de cinco bombas a flujo mínimo y diferentes niveles

de columna de líquido en la presa


ducto es de 8.5 metros por encima del nivel mínimo requerido. El nivel de líquido mínimo requerido para evitar cambio de fase por vaporización es de 0.1 metros. El número de



37

bombas mínimo para producir el fenómeno de cambio de fase por vaporización es de cinco operando todas a las condiciones de flujo de 70 MBD.


Tabla 8. Parámetros de operación de una bomba en operación conjunta de cinco bombas a flujo mínimo.

Parámetro Valor

Cabezal [ft] 287.4 NPSHr [ft] 8.19 Eficiencia [%] 71.9 Potencia [hp] 245.3

La operación conjunta de cinco bombas no altera en nada los parámetros de operación

comparados con el caso de una sola bomba, son los mismos.

Condiciones Hidráulicas para Cinco Bombas a Flujo Medio (120 MBD)


-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sió

n [p

si]

0 m

1 m5 m

10 mpatm=14.7 psi

pvaporización =0.4876 psi

Nivel de Liquido

Figura 14. Perfiles de presión para la operación de cinco bombas a flujo medio y diferentes niveles de




38

En la figura 14 se muestra que a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión inferior a la atmosférica, por lo tanto, existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si hubiese una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. Así mismo se observa que solo para niveles de columna de líquido de 0 y 1 m en la zona entre el km 2+100 y el km 2+500, zonas que tienen los puntos más altos del perfil topográfico, se presenta vaporización de líquido por cambio de fase, situación que permitiría empezar a arrastrar gases a la bomba provocando el fenómeno de bloqueo en el paso de sus alabes de la bomba.


ducto es de 9.9 metros por encima del nivel mínimo requerido. El nivel de líquido mínimo requerido para evitar cambio de fase por vaporización es de 1.6 metros. El número de bombas mínimo para producir el fenómeno de cambio de fase por vaporización es de tres operando todas a las condiciones de flujo de 120 MBD.

Los parámetros de operación de una bomba a flujo mínimo se muestran en la tabla 9. La

operación conjunta de cinco bombas no altera en nada los parámetros de operación comparados con el caso de una sola bomba, son los mismos.

Tabla 9. Parámetros de operación de una bomba en operación conjunta de cinco bombas a flujo medio.

Parámetro Valor

Cabezal [ft] 207.2 NPSHr [ft] 9.52 Eficiencia [%] 84.7 Potencia [hp] 257.4



39

Condiciones Hidráulicas para Cinco Bombas a Flujo Máximo (170 MBD)


-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sió

n [

psi

]

0 m

1 m

5 m10 m

patm=14.7 psi


Nivel de Liquido

Figura 15. Perfiles de presión para la operación de cinco bombas a flujo máximo y diferentes niveles de


La figura 15 muestra que a estas condiciones el sistema presenta zonas de presión inferior a la atmosférica, por lo tanto, existe el riesgo latente de entrada de aire en esas zonas si hubiese una fuga o ruptura en el ducto o un accesorio como una válvula en posición abierta. Así mismo, se observa que solo para niveles de columna de líquido de 0, 1, 2 y 3 m en la zona entre el km 2+100 y el km 2+500, zonas que tienen los puntos más altos del perfil topográfico, se presenta vaporización de líquido por cambio de fase, situación que permitiría empezar a arrastrar gases a la bomba provocando el fenómeno de bloqueo en el paso de sus alabes de la bomba.


ducto es de 12.1 metros por encima del nivel mínimo requerido. El nivel de líquido mínimo requerido para evitar cambio de fase por vaporización es de 3.7 metros. El número de bombas mínimo para producir el fenómeno de cambio de fase por vaporización es de dos, operando todas a las condiciones de flujo de 170 MBD.



40

Los parámetros de operación de una bomba a flujo mínimo se muestran en la tabla 10. La operación conjunta de cinco bombas no altera en nada los parámetros de operación comparados con el caso de una sola bomba, son los mismos.

Tabla 10. Parámetros de operación de una bomba en operación conjunta de cinco bombas a flujo máximo.


Condiciones Hidráulicas de Succión para Cinco Bombas.

Como se muestra en las secciones anteriores el sistema con la operación de más de dos bombas es susceptible de presentar problemas de cambio de fase del líquido. Las condiciones de entrada de aire al sistema están presentes en cualquier momento. De manera análoga que en el caso de la operación del sistema con una bomba, la operación a flujo mínimo escasamente es aceptable y la operación a flujo máximo ya no es recomendable por lapsos de tiempo prolongados, dado que sería una operación ruidosa acompañada de vibraciones de la máquina y consecuentemente produciría condiciones de cavitación.

La evaluación de la carga de succión disponible del sistema, NPSHa con respecto a la

carga de succión requerida por la bomba, NPSHr para un sistema de 5 bombas es conveniente presentarse para cada una de ellas cuado operan de manera conjunta y a condiciones de flujo mínimo, medio y máximo. La nomenclatura utilizada para cada una de ellas es con base a la figura 12. Las gráficas de NPSHa vs NPSHr se muestran en las figuras 16, 17, 18, 19 y 20 que presentan la evaluación de cada una de las bombas.



41

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nivel [m]

NP

SH

a [f

t]

FLUJO MINFLUJO MED

FLUJO MAX

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo Mínimo

NPSHr Flujo Medio

NPSHr Nominal


SistemaNPSHa


por la Bomba

Figura 16. . NPSHa vs NPSHr en operación conjunta de cinco bombas, para la bomba 1.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nivel [m]

NP

SH

a [f

t]

FLUJO MIN

FLUJO MEDFLUJO MAX

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo Mínimo

NPSHr Flujo Medio

NPSHr Nominal


SistemaNPSHa


por la Bomba

Figura 17. . NPSHa vs NPSHr en operación conjunta de cinco bombas, para la bomba 2



42

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nivel [m]

NP

SH

a [f

t]

FLUJO MINFLUJO MED

FLUJO MAX

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo

NPSHr Flujo Medio

NPSHr Nominal


SistemaNPSHa


por la Bomba

Figura 18. . NPSHa vs NPSHr en operación conjunta de cinco bombas, para la bomba 3.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nivel [m]

NP

SH

a [f

t]

FLUJO MIN

FLUJO MEDFLUJO MAX

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo Mínimo

NPSHr Flujo Medio

NPSHr Nominal


SistemaNPSHa


por la Bomba

Figura 19. NPSHa vs NPSHr en operación conjunta de cinco bombas, para la bomba 4.



43

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nivel [m]

NP

SH

a [f

t]

FLUJO MIN

FLUJO MEDFLUJO MAX

NPSHr Flujo Máximo

NPSHr Flujo Mínimo

NPSHr Flujo Medio

NPSHr Nominal


SistemaNPSHa


por la Bomba

Figura 20. . NPSHa vs NPSHr en operación conjunta de cinco bombas, para la bomba 5

En las figuras 16,17, 18, 19 y 20 se muestra que la operación con cinco bombas a carga

máxima de 170 MBD tendría problemas de falta de carga de succión en todas ellas, esto derivado a que a mayor flujo las pérdidas por fricción son mayores y disminuyen la NPSHa, aunado a que a mayor flujo la NPSHr de la bomba aumenta. Por lo tanto, se tienen condiciones serias de cavitación inmediata en el sistema cuando se opere a flujo máximo.

El nivel de columna de líquido mínimo para cada bomba para evitar cavitación, a

condiciones de flujo máximo, se presenta en la tabla 11. Tabla 11. Nivel de columna de líquido mínimo para cada bomba y evitar cavitación, a condiciones de flujo máximo

Bomba Nivel de Columna 1 1.7 m 2 1.9 m 3 2.0 m 4 1.8 m 5 1.8 m



44

Análisis de Resultados para la Operación de Cinco Bombas.

Con base a los perfiles de presión, parámetros de operación y condiciones de succión del sistema cuando opera con cinco bombas de manera conjunta, se resume los siguientes aspectos:

i. Se presentan cambios de fase por vaporización de líquido en el sistema, cuando el sistema de bombeo empieza a operar con dos bombas, condición que arrastraría aire hacia la bomba bloqueando el paso del líquido por ella.

ii. Se presentan condiciones para entrada de aire en varias zonas del ducto, por lo que válvulas abiertas o fugas en el ducto producirían que entre aire de la atmósfera que será arrastrado hasta la bomba y su operación será afectada por el bloqueo del paso entre alabes evitando cumplir su función de bombeo.

iii. Hay posibilidades de que se presentase cavitación en la bomba si se trabaja a condiciones de flujo mínimo y máximo por periodos de tiempo prolongados. Lo que se esta presente en esta condición es una operación poco eficiente, de alto consumo energético que será acompañada de ruido y vibraciones de la maquinaria.

iv. Para la operación a flujo máximo, se presentará cavitación por generarse problemas de carga de presión de succión insuficiente, NPSH, en la bomba.

CAPITULO 4. EVALUACIÓN OPERATIVA DE LAS BOMBAS

Las bombas utilizadas en el sistema tienen un rango de operación que va de 70 MBD a

170 MBD. Las bombas operan a una velocidad reducida de 1195 RPM cuando su velocidad nominal es de 1770 RPM, por lo que sus condiciones de operación de las curvas de operación ofrecidas por el fabricante no son aplicables. Bajo esta circunstancia se realizo las consultas de fabricante y las aproximaciones matemáticas para representar todos los parámetros de operación de las bombas a velocidad reducida.

El flujo donde la bomba ofrece la máxima eficiencia de 85.7% es de 112.413 MBD. La

norma NRF-050-PEMEX-2001 establece que la operación nominal de una bomba tiene que estar entre flujos del 70 al 120 % con respecto al flujo de mayor eficiencia. Los rangos de operación recomendados por los fabricantes de una bomba son para eficiencias mayores al 70%, pero si se considera que la bomba opera a velocidad reducida se debe aplicar valores poco más conservadores.



45

Las operaciones de las bombas que estén fuera de los valores mencionados presentarán condiciones no favorable de operación, ya que su operación sería ruidosa acompañada de vibraciones y en operaciones prolongadas posibilidades de empezar a generar cavitación.

La tabla 12 resume los parámetros operacionales y la condición que de acuerdo a la

normatividad vigente y parámetros del fabricante sería de operación adecuada.

Con base a la tabla 12 se observa que existen rangos de operación no recomendados para trabajar las bombas, la filosofía de operación de PEMEX y periodos de operación cortos permitirán tomar la decisión sobre utilizarlos o no. Sin embargo, una operación de estas en conjunto con gases en la succión de la bomba, por entrada de aire o por vaporización de líquido, tendría consecuencias severas sobre el equipo.

Tabla 12. Parámetros de operación de la bomba a diferentes flujos de bombeo.

OPERACIÓN POR MBD BOMBEADOS PARÁMETRO 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

Cabezal [ft] 287.4 274.2 258.7 243.3 227.9 207.2 184.9 163 137.7 107.7 77.74 NPSHr [ft] 8.19 8.21 8.26 8.3 8.35 9.52 11.06 12.59 13.72 14.31 14.9 Eficiencia [%] 71.9 79.1 81.1 83.2 85.2 84.7 82.7 79.1 74.2 67.4 60.5 Potencia [hp] 245.3 243 251,6 256.5 258 257.4 254.9 252.9 244.2 224.4 191.4 % Flujo Nominal

62.3 71.2 80.1 89.0 97.9 106.7 115.6 124.5 133.4 142.3 151.2

Operación Segura

NO SI SI SI SI SI SI SI NO NO NO

CAPITULO 5. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN.

La entrada de aire de la atmósfera al sistema es inminente en todos los casos por lo que se debe evitar que el ducto tenga fugas y que los accesorios, como las válvulas, estén debidamente cerrados. Para el caso de la válvula de venteo se debe de instalar una válvula check que evite la entrada de aire al sistema pero que permita la salida de gases del sistema.

La cavitación derivada por operar los equipos en condiciones no adecuadas se evitaría

con operaciones de lapsos de tiempo cortos.

Las condiciones de carga de presión de succión insuficientes en las bombas y el cambio de fase por vaporización del líquido están ligadas completamente a la topografía del perfil de la línea y son dependientes de las condiciones de fricción de la misma, por lo que variaciones en ella influyen en los valores de los parámetros mencionados.



46

La solución para evitar vaporización y NPSH insuficiente se plantea en dos casos en los que esencialmente se modifican las condiciones del perfil del ducto. El primer caso es una condición lineal que considera ducto recto que desde el punto de vista construcción no es práctico pero los resultados obtenidos con la simulación son significativos. El segundo caso es buscar una alternativa de solución que no involucre la complejidad de cambiar todo el ducto, por lo que se plantean las condiciones mínimas de modificación de éste.

Caso I

Está alternativa de solución es una condición lineal que considera que el perfil del ducto

baje directamente de la cota 19.5 hasta la cota 9 y de ahí en línea recta hasta las bombas, como se muestra en la figura 21.

0

5

10

15

20

25

-100 400 900 1400 1900 2400 2900 3400 3900

Longitud [m]

Ele

vaci

ón

[m]

PRESA "A"Cota 19.5

Cota 9

BOMBAS

Cota 7

Figura 21. Perfil topográfico del sistema caso I.

La evaluación del sistema de la figura 21 se plantea con base a las condiciones más críticas en cuanto a generación de gases en el sistema y de condiciones insuficientes de presión de succión en la bomba, esto es con la operación del sistema con cinco bombas a



47

flujo máximo y nivel de columna de líquido en la presa de 0 metros; bajo estas condiciones se evalúo el sistema obteniéndose el perfil de presión de la figura 17.

En la figura 22 se aprecia que se siguen presentando valores de presión menor a la

atmosférica, pero se las condiciones de generación de cambio de fase por vaporización, disminuyen considerablemente.

La altura de columna de líquido mínima para evitar presiones menores a la atmosférica en

el caso I es de 0.7 metros. La operación de las bombas en este sistema no es afectada por la variación del perfil por lo que los parámetros operacionales ya han sido contemplados en los análisis anteriores. No se presentan problemas de NPSH insuficiente ya que el NPSHa del sistema es de alrededor de 23 ft en promedio para cada bomba.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sió

n [p

si]

patm=14.7 psi


Figura 22. . Perfil de presión del caso I con la operación de cinco bombas a flujo máximo y nivel de

columna de líquido de 0 m en la presa

Caso II

El caso I presenta condiciones de operación muy favorables para evitar vaporización de líquidos y problemas de NPSH insuficiente, pero desde el punto de vista de construcción implica realizar una instalación complicada en muchos aspectos del ducto. Por tal motivo se presenta una alternativa de solución que permita reducir el cambio de fase por vaporización mediante una modificación mínima al ducto, lo cual se logra con el perfil mostrado en la figura 23 que permite una altura máxima en el ducto de 14.1 metros (cota 14.1).



48

Como se observa en la figura 23, se tendía que bajar un tramo de ducto de

aproximadamente 700 hasta mínimo hasta la cota 14.1.

El perfil de presión de esta configuración del caso II se muestra en la figura 24. En el perfil se observa que se siguen presentando condiciones de presión menor a la atmosférica pero que se determino la altura de tubería permitida para la generación de vaporización de líquido en el sistema.

La altura de columna de líquido mínima para evitar presiones menores a la atmosférica en

el caso I es de 8.3 metros. La operación de las bombas en este sistema no es afectada por la variación del perfil por lo que los parámetros operacionales ya han sido contemplados en los análisis anteriores.

0

5

10

15

20

25

-100 400 900 1400 1900 2400 2900 3400 3900

Longitud [m]

Ele

vaci

ón

[m]

Condición de Elevación Máximas Requeridas para Evitar Cambio de

Fase en el Ducto14.1 m

PRESA "A"

BOMBAS

Cota 19.5

Cota 7

Figura 23. Perfil topográfico del sistema caso II.



49

0

5

10

15

20

25

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Longitud [m]

Pre

sió

n [p

si]

patm=14.7 psi


Figura 24. Perfil de presión del caso I con la operación de cinco bombas a flujo máximo y nivel de

columna de líquido de 0 m en la presa

Un inconveniente más que presenta el sistema del caso II son problemas de NPSH

insuficiente. Para corregirlo hay tres alternativas, 1) hacer la tubería lo más recta posible para lo cual caemos al caso I pero esto presenta inconvenientes técnicos de construcción, 2) reducir el rango de operación de las bombas de 170 MBD solo hasta 160 MBD, 3) permitir una elevación de columna de líquido mínima de 1.7 metros y 4) Operar con más de cinco bombas.

CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con base a los escenarios simulados se puede concluir lo siguiente:

• La generación de gases dentro del sistema por vaporización de líquido o la entrada

de aire en el ducto provocan que determinadas cantidades de gas se empiecen a acumular en el espacio entre alabes de la bomba (paso), al empezar a aumentar esta condición y dado que el gas es un fluido menos denso que un líquido (hasta 1000 a 1) queda atrapado en esas cavidades acumulándose y bloqueándolas evitando que líneas de flujo líquido sean bombeadas, a éste fenómeno se le conoce como bloqueo.



50

• La presencia de presiones menores a la atmosférica se presentara de forma inherente en el sistema independientemente del número de bombas, cantidad de flujo manejado y columna de líquido en la presa, por lo tanto esta latente la entrada de aire al sistema durante la operación de este.

• La operación de más de una bomba a determinadas condiciones genera en el sistema

condiciones para la vaporización del líquido.

• La operación de cuatro bombas o más genera condiciones de carga neta de succión (NPSH) insuficientes en el sistema para requerimientos de flujo de 170 MBD por bomba.

• Los rangos de operación de una bomba a 70, 150, 160 y 170 MBD presentan

condiciones mecánicas de diseño no favorables para una operación estable, fuera de los rangos recomendados por los fabricantes y la normatividad vigente. La operación en estas condiciones suele estar acompañada de ruido y vibraciones en los equipos y por lapsos de tiempo prolongados genera condiciones para la cavitación.

• La carga neta de presión de succión NPSH requerida por las bombas presenta

valores no suficientes para condiciones de flujo máximo de 170 MBD por bomba, cuando se operan 5 unidades.

• La generación de vaporización de líquido por cambio de fase y la carga neta de

presión de succión (NPSH) insuficiente en el sistema están relacionados con el perfil topográfico de la línea.

Con base a las conclusiones presentadas, se plantean las siguientes recomendaciones que

toman en cuenta las soluciones más prácticas desde el punto de vista construcción y operación, de tal forma que:

• Para evitar la posible entrada de aire por tener presiones menores a la atmosférica en el sistema, dado que es una situación inherente en el sistema, se recomienda:

a) Establecer un programa de inspección continua que permita evitar posibles fugas del ducto, ya que son objeto posterior de una posible entrada de aire.

b) Cerrar apropiadamente todas las válvulas de purga o aquellas en las que exista contacto con el aire, cuando el sistema este operando. Siempre y cuando el fabricante no especifique condiciones de operación específicas de las válvulas.

c) Para el caso de la válvula de venteo instalar una válvula check o cualquier otro dispositivo que permita la salida de fluidos condensables (gases) pero evite la entrada de aire la sistema.



51

• Para evitar vaporización del líquido por cambio de fase en el sistema se requiere tener una altura máxima del ducto hasta la cota 14.1, esto es bajar la tubería como mínimo 4.4 metros en una distancia aproximada de 700 metros, entre el km 2+000 al 2+700 aproximadamente.

• Para evitar cavitación por carga neta de presión de succión (NPSH) insuficiente del

sistema, que se presenta en la operación a condiciones de flujo máximo de 170 MBD de cada bomba, se debe:

a) Operar solo hasta cuatro bombas a flujo máximo. b) Disminuir la condición de flujo máximo de 170 MBD a 160 MBD. c) Operar más de cinco bombas que en conjunto proporcionen el mismo flujo

total, pero que estarían a condiciones de flujo diferentes a las de flujo máximo.

• Para alcanzar rangos operacionales de las bombas recomendados por los estándares

actuales y los fabricantes que no se traduzcan en vibraciones, ruido y posible cavitación derivada de un periodo de operación considerablemente largo, se recomienda

a) Operar las unidades en rangos de 70 MBD a 160 MBD. b) Para flujos de 70, 150 y 160 MBD operar por lapsos de tiempo cortos. c) La operación de las bombas a condiciones de flujo de 170 MBD genera

problemas de NPSH insuficiente (cavitación inmediata en el sistema), vaporización de líquido cuando se operen cuatro bombas o más y niveles de operación fuera de los establecido por lo estándares y fabricantes, por lo tanto no es recomendable operar en esta condición.

d) Para cubrir las necesidades de bombeo total del sistema de 850 MBD con cinco bombas a flujo máximo de 170 MBD y evitar los problemas derivados de esta condición, se recomienda operar con más de cinco bombas como por ejemplo con seis bombas a 140 MBD cada una.

La aplicación de esta recomendación y los tiempos de ejecución dependerán de la

filosofía de operación de la estación y de la confiabilidad de los equipos de bombeo la estación.

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