Capítulo CAPÍTULO VIII
Art. 6.
48 / 71En vigor desde 26 nov 2022
La capacidad de una red se calculará teniendo en cuenta, entre otros:
1. Sus límites de operación y de seguridad.
2. Los efectos limitantes que puedan producirse entre los equipos que la forman.
3. Los caudales de gas aportados en los puntos de entrada y la presión de entrega.
4. La demanda que atiende dicha red y las presiones mínimas garantizadas de dicho suministro.
5. Los caudales de gas a aportar y la presión mínima de entrega a otros transportistas o distribuidores en los puntos de conexión de la red.
A continuación, se describe brevemente las variables que influyen en el cálculo de la capacidad de una red.
6.1 Cálculo de la capacidad de un gasoducto. De una forma simple, se puede decir que la capacidad del gasoducto es la cantidad de gas que se desplaza por unidad de tiempo (caudal) entre el punto de entrada y el de salida del gasoducto, considerando unas presiones de entrada y salida determinadas.
Cuando un gas circula por un gasoducto pierde presión (pérdida de carga) a medida que avanza a lo largo de este, a causa del rozamiento con las paredes del tubo. Además, se pierde también presión cuando el gas pasa por un accesorio, por una curva, por un cambio de sección, etc. Para vencer esta pérdida de presión se instalan compresores que compensan la pérdida de presión. Para determinar el valor de estas pérdidas de carga se recurre a fórmulas, o simuladores basados en dichas fórmulas, que realizan el cálculo.
Desde una perspectiva técnica, la capacidad máxima de un gasoducto se determina por un conjunto de diferentes parámetros de diseño como son, principalmente, el diámetro, las condiciones de caudal y presión, la longitud, así como otros factores menos significativos que se describen a continuación.
La determinación de la capacidad máxima está sujeta a leyes relevantes de la física y, en este contexto y a modo ilustrativo, a continuación se reproduce la fórmula de Darcy, aunque otras fórmulas también pueden ser adoptadas para el cálculo
Siendo:
– p 1 y p 2 : Presión absoluta origen y final de la tubería (bar).
– λ: Factor de fricción.
– ρ 0 : Densidad del gas en condiciones normales (kg/m3(n)).
– p 0 : Presión en condiciones de referencia (1013,25 mbar).
– T 0 : Temperatura en condiciones de referencia (273,15 ºK).
– T: Temperatura del gas (ºK).
– d: Diámetro interno de la tubería (m) l: Longitud de la tubería (m).
– K: Coeficiente compresibilidad del gas respecto a condiciones normales (Z/Z0).
– q 0 : Flujo referido a condiciones normales (m 3 (n)/h).
En caso de que la diferencia de altitud entre el origen y el final del gasoducto sea significativa, pueden emplearse fórmulas como la de Fergusson:
Siendo:
Donde z 1 y z 2 representan la altura en el origen y el final de la tubería.
Para ambas ecuaciones, el factor de fricción λ se obtiene habitualmente de la fórmula de Colebrook, aunque podrían usarse otras que se encuentren dentro de los rangos de validez.
El coeficiente de compresibilidad K se obtiene de la fórmula de Van der Waals, pero también son válidas, por ejemplo, la de Redlich-Kwong, Peng-Robinson, SchmidtWenzel, Benedict-Webb-Sterling, AGA8, SGERG88, etc.
Se considerará un régimen de funcionamiento en condiciones estacionarias y la capacidad será calculada en estas condiciones, es decir, el flujo de entrada es igual al flujo de salida.
Por lo tanto, la capacidad de un gasoducto, q 0 , que vendrá dada en m3(n)/h, se calcula despejando de la expresión anterior (1).
En cualquier caso, el empleo de unas ecuaciones u otras vendrá determinado por la calibración que se realice frente a valores reales.
6.1.1 Influencia del diámetro interno y el factor de fricción. La fórmula anterior podríamos simplificarla considerando que la capacidad de un gasoducto depende básicamente de dos parámetros; el factor de fricción y el diámetro de la tubería:
Como el factor de fricción λ es una función implícita del diámetro d, se pude simplificar que la capacidad la podríamos relacionar con la expresión siguiente:
Donde, por ejemplo:
– γ = 2,595 para una rugosidad k de 0,07 mm, valor típico para tuberías de acero sin revestimiento interno.
– γ = 2,580 para una rugosidad k de 0,006 mm, valor típico para tuberías de acero con revestimiento interno.
Por lo tanto, el efecto del diámetro interno sobre la capacidad o caudal es muy pronunciado con un exponente aproximadamente de 2,6.
6.1.2 Influencia de la presión. Otro factor importante que afecta a la capacidad de un gasoducto es la presión, ya que simplificando la formula (2) podemos obtener la relación:
Para observar mejor el efecto de la presión sobre la capacidad la ecuación cuadrática anterior, se puede expresar de forma lineal aproximada:
Es decir:
Por lo tanto, se puede considerar que la capacidad, o el caudal, es proporcional a la pérdida de carga lineal y a la presión media. Esto significa que, para una caída de presión constante, la capacidad se incrementa con la raíz cuadrada de la presión media de operación.
La caída de presión máxima a la que normalmente se transporta el gas está comprendida entre 0,1 y 0,2 bar/km.
6.1.3 Otros factores que influyen en la capacidad de un gasoducto. De acuerdo con las fórmulas expuestas, también influyen otros factores como las propiedades físicas del gas (densidad, coeficiente de compresibilidad, temperatura). Otro de los parámetros que limitan la capacidad es la velocidad máxima a considerar para el transporte y distribución, debido a que es necesario que el ruido y las vibraciones que se producen a lo largo de este se encuentren dentro de los límites máximos establecidos. A nivel internacional, se considera como velocidad máxima para el transporte y distribución por gasoducto 20 m/s.
La longitud del gasoducto también influye, puesto que, por ejemplo, la fórmula anterior de Darcy está basada en una curva función de la caída de presión que se produce a lo largo del transporte, por lo que tiene un efecto más pronunciado cuanto más se desplaza el fluido a lo largo de la conducción.
La capacidad también se ve afectada por las condiciones ambientales donde es transportado el gas, en concreto, la temperatura del terreno y los coeficientes de transferencia de calor de la tubería y el terreno. Estos parámetros los deben considerar cada operador en función de los valores en sus respectivas localizaciones.
6.1.4 Parámetros y consideraciones para el cálculo de las capacidades de un gasoducto. En resumen, la capacidad de un gasoducto se calculará, utilizando simuladores y programas de cálculo, teniendo en cuenta los siguientes parámetros y consideraciones:
– El diámetro interior y la longitud del gasoducto.
– El factor de fricción del gasoducto.
– La presión de entrada.
– La presión mínima de garantía en los puntos de entrega del mismo.
– Una velocidad máxima del gas de 20 m/s, independientemente de que las presiones resultantes sean superiores a los valores mínimos indicados.
– La diferencia de altitud entre el origen y el final del tubo si es esta significativa.
– La temperatura del gas.
– El coeficiente compresibilidad del gas.
– La densidad del gas natural.
Los operadores de las infraestructuras colaborarán con el GTS en los análisis que necesite realizar.
6.2 Cálculo de la capacidad de una estación de compresión. En una estación de compresión se pueden identificar las siguientes secciones:
a) Sección de entrada.
b) «Bypass» de la estación.
c) Filtros.
d) Unidades de compresión.
e) Sistema de anti-bombeo.
f) Aerorefrigerantes.
g) Sección de medida.
h) Sección de salida.
El proceso de compresión se realiza normalmente con compresores centrífugos, aunque también pueden ser alternativos, transfiriéndoles la energía mecánica que produce una turbina de gas o motor alternativo para aumentar la presión del gas que se vehicula por el compresor.
Las prestaciones de la estación de compresión quedan determinadas por:
1. La potencia instalada que, en el caso de no ser suficiente para comprimir el gas a los requerimientos solicitados, limitará la presión de aspiración o de impulsión de la misma.
2. Las curvas de operación de los compresores.
3. Los componentes de la estación, como los filtros, aerorrefrigeradores, etc. Es posible caracterizar el proceso de compresión con pocos parámetros tales como:
1. La altura isentrópica o politrópica.
2. La eficiencia politrópica.
3. La potencia absorbida por el compresor.
La altura politrópica representa la energía acumulada en el fluido como incremento en energía termodinámica. También se podría realizar el cálculo de la altura adiabática (sin transferencia de calor con el exterior).
Utilizando la relación entre la presión y el volumen específico del gas en una transformación politrópica de exponente n (PVn constante) entre los puntos 1 y 2, se obtiene la altura politrópica como:
Siendo:
– Z 1 : Coeficiente de compresibilidad del gas en la sección de entrada o aspiración.
– P 1 y P 2 : Presiones aspiración e impulsión.
– R: Constante característica del gas.
– T 1 : Temperatura del gas en la sección de entrada o aspiración.
Teniendo, por otra parte, en cuenta el rendimiento o eficiencia politrópica η, la potencia absorbida por el compresor en kWh será:
Siendo:
– q 0 : Caudal en Nm 3 /h.
– γ: Peso específico del gas en Kg/Nm 3 .
Y considerando la eficiencia politrópica η como el factor que determina el rendimiento y teniendo en cuenta que el compresor está constituido por diferentes etapas en las cuales se producen pérdidas de presión de remanso.
Además, para el cálculo de la potencia se deberán tener en cuenta las pérdidas debidas a la fricción mecánica, así como las pérdidas producidas en su instalación interior.
Normalmente, la potencia instalada suele ser un poco mayor que la requerida para cubrir situaciones inesperadas y tener un cierto margen de capacidad instalada.
Para cada compresor el fabricante entrega una curva de operación donde están representadas las líneas de isovelocidad y de isoeficiencia dentro de los ejes de altura en ordenadas y el flujo en el de abscisas. En este mapa de curvas, se observan los siguientes márgenes operativos que deben ser respetados para el correcto funcionamiento del compresor y, por lo tanto, para el cálculo de la capacidad.
1. Línea de bombeo (1).
2. Línea de máxima velocidad (2).
3. Línea de mínima velocidad (3).
4. Línea de máximo caudal («chocking line») (4).
5. Línea de máxima potencia (en rojo), por encima de la cual la turbina no puede dar potencia al compresor. (5).
Estos márgenes definen el área de operación del compresor centrífugo.
Además de estos márgenes operativos, es necesario tener en cuenta la influencia de las condiciones medioambientales para el cálculo de la potencia máxima disponible para el compresor. Por ejemplo, una mayor temperatura del aire de entrada a la turbina hace bajar la línea de máxima potencia, reduciéndose el rango de potencia disponible para el compresor.
Para el cálculo de la capacidad en una estación de compresión, la presión de aspiración no deberá ser nunca inferior a 40 bar, ni la de impulsión superior a la presión de diseño del gasoducto donde descarga y, además, se tendrá en cuenta que una de las unidades de compresión no estará disponible, manteniéndose de reserva.
Para el cálculo de la capacidad de una estación de compresión, se tendrá también en cuenta la configuración interna de sus compresores, es decir, si están alineados en serie, en paralelo o ambas. En relación con una configuración normal, la de serie incrementa el diferencial de presión manteniendo el flujo y la de paralelo incrementa el flujo manteniendo el diferencial de presión.
En resumen, la capacidad de una estación de compresión se calculará teniendo en cuenta:
– La configuración de los compresores de la estación.
– La curva de operación de cada compresor que facilita el fabricante, donde están representadas las líneas de isovelocidad y de isoeficiencia en función del flujo y, en particular, los márgenes operativos que determinan la línea de bombeo, la línea de máxima velocidad, la línea de mínima velocidad, la línea de máximo caudal («chocking line») y la línea de máxima potencia.
– Que la presión de aspiración no sea inferior a 40 bar.
– Que la presión de impulsión no sea superior a la presión de diseño del gasoducto donde descarga.
Si otro parámetro diferente a los mencionados fuese considerado en los cálculos, el operador lo tendrá que informar para que sea conocido por los usuarios del sistema.
Si para el cálculo de la capacidad de las estaciones de compresión fuera preciso un mayor nivel de detalle técnico, el GTS publicará dicho detalle en el SL-ATR.
6.3 Cálculo de la capacidad de una estación de regulación y medida (ERM) y/o en una instalación de medida (EM). En una ERM se pueden identificar las siguientes secciones a efectos del cálculo de capacidad:
a) Sección de entrada.
b) «Bypass» de la estación.
c) Filtros.
d) Sección de calentamiento del gas.
e) Sección de regulación.
f) Sección de medida.
g) Sección de salida.
Un factor determinante es la presión operativa de entrada, puesto que, si se sitúa en valores cercanos a la presión mínima de entrada, la capacidad disminuiría.
Además, asumiendo que las diferentes secciones mencionadas deberán estar diseñadas para soportar la capacidad requerida de la instalación de regulación, para el cálculo de la capacidad de la unidad las dos secciones clave son:
1. Capacidad del sistema de regulación de presión.
2. Capacidad de la unidad de medida.
En ambos casos la capacidad se calcula por línea de regulación, siendo la capacidad total de la ERM la suma de cada línea, pero considerando una línea de reserva como margen operativo de seguridad para el hipotético caso de que una de las líneas en servicio pudiera fallar y, por lo tanto, debiera entrar a funcionar inmediatamente la que se encontrase de reserva.
6.3.1 Sistema de regulación de presión. El sistema de regulación de presión está constituido en general por reguladores de presión, de acuerdo a la norma UNE-EN 12186. La capacidad de caudal se calcula para los reguladores de acuerdo a las ecuaciones del apartado 6 de la norma UNE-EN 334, siendo su expresión para cálculos simplificados:
a) Caudal con una relación de presión subcrítica (p u – p d ) ≤ 0,5 x (p u + p b ).
b) Caudal con una relación de presión crítica.
Donde:
– K G es el coeficiente del caudal, valor característico de la capacidad de caudal del regulador, declarado por el fabricante.
– p d es la presión del gas a la salida del regulador.
– p b es la presión atmosférica (presión absoluta).
– p u es la presión del gas a la entrada del regulador.
– d es la densidad relativa del gas.
– t u es la presión del gas a la salida del regulador.
Para determinar correctamente la capacidad del sistema de regulación, se tendrá en cuenta además las siguientes consideraciones:
– La capacidad disminuirá con la presión de entrada, por lo que se debe considerar el escenario de la presión mínima de entrada esperable.
– En configuraciones con varios sistemas de seguridad de presión, de acuerdo a lo indicado en la norma UNE-EN 12186, en aquellos en los que se instalen en las líneas de regulación un regulador principal y u regulador monitor y/o una válvula de interceptación de seguridad, se debe tener en cuenta la reducción de capacidad y pérdida de carga de cada elemento.
6.3.2 Unidad de medida. En cuanto a la unidad de medida, se considera que en las ERM la medición del gas se realiza con turbina, siendo el cálculo de su capacidad:
Q = 1,6 G Psal
En esta fórmula se observa como la capacidad de medida de una turbina se calcula por G, que es el tamaño estándar de la turbina, Psal que es la presión absoluta de contaje y el coeficiente 1,6 (el tamaño estándar siguiente al considerado).
6.3.3 Medidores por ultrasónicos. En el caso de que la medida se realice con un medidor por ultrasonidos, su capacidad será la indicada por el fabricante, siendo la velocidad del gas el parámetro que limitará esta capacidad. Esta velocidad no debe superar los 20 m/sg.
6.3.4 Parámetros y consideraciones para el cálculo de las capacidades de una estación de regulación y/o medida. En resumen, la capacidad de una estación de regulación y/o medida se calculará teniendo en cuenta:
– Número de líneas.
– Capacidad de regulación conjunto de las válvulas de regulación.
– Capacidad de medida del contador empleado, función del tamaño estándar del mismo.
– Condiciones de presión y temperatura, y en particular la presión operativa de entrada y la presión absoluta de salida.
Si otro parámetro diferente a los mencionados fuese considerado en los cálculos, el operador lo tendrá que informar para que sea conocido por los usuarios del sistema.
Toda esta información será considerada durante el desarrollo anual del documento de «Criterios de definición del grado de saturación de las ERMs/EMs y procedimiento de realización de propuestas de actuación».
6.4 Cálculo de la capacidad de llenado de un gasoducto. La cantidad de gas que un gasoducto puede contener se determina en función del producto de tres variables, de la forma siguiente:
V = (Pm . Vg)/Z
Siendo:
– V: Capacidad del gasoducto en m 3 (n).
– Pm: Presión absoluta media del gasoducto en bar.
– Vg: Volumen geométrico del gasoducto en m 3 .
– Z: Factor de compresibilidad del gas en condiciones normales.
La presión media (P m ) existente entre el origen y final del gasoducto se calcula con la expresión siguiente:
Siendo:
– P 1 : Presión en el origen del gasoducto.
– P 2 : Presión en el final del gasoducto.
El factor de compresibilidad es la relación entre el volumen molar de un gas real y el volumen molar del mismo gas considerado como ideal. Este factor depende de la presión, la temperatura y la composición del gas, y su cálculo se realiza según lo establecido en el procedimiento SGERG-88 incluido en la norma UNE-EN ISO 12213. Como cálculo aproximado para gasoductos de más de 4 bar se puede utilizar la fórmula práctica:
6.5 Cálculo de la capacidad de una conexión internacional. En una conexión internacional, al menos, se debe tener en cuenta para el cálculo de la capacidad lo siguiente:
– Capacidad de la instalación de medida según lo establecido en el apartado 5.3 de este capítulo.
– Capacidad de la válvula de regulación de caudal basándose en el diferencial de presión considerado.
– Presión de entrega por el operador aguas arriba de la conexión.
– Presión de impulsión y aspiración de las estaciones de compresión, en caso de conexiones internacionales delimitadas por dos estaciones de compresión.
Teniendo en cuenta que las dos primeras no deben ser limitativas al considerarse su diseño compatible con los requisitos operativos, la más importante es la presión de entrega, teniendo que ser ésta superior a la presión del sistema que se obtenga aguas abajo de la conexión.
Todo esto es de aplicación si se considerase, además, la conexión como reversible y el sentido del flujo por la misma pudiese variar entre los sistemas.
Según la regulación europea en esta materia, para las conexiones internacionales con otros países de la UE, los operadores de redes adyacentes deberán maximizar la oferta de capacidad agrupada mediante la optimización de la capacidad técnica en la/s conexiones internacionales que compartan.
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Proeli/es/res/2022/11/10/(4)#6-4