UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA
FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico.
REDISEÑO DE LA ADMISIÓN DE AIRE DE MOTORES DIESEL Y OPTIMIZACIÓN DE LAS FASES DE SUCCIÓN Y DESCARGA DEL SISTEMA DE BOMBEO DEL POLIDUCTO QUITO - AMBATO RIOBAMBA DE LA EMPRESA PÚBLICA PETROECUADOR EN EL TERMINAL EL BEATERIO DE LA CIUDAD DE QUITO.
AUTORES: Jhonny Ariel Tituana Tituana Pedro José Tobar Espinoza
DIRECTOR: Ing. Paúl Álvarez
Cuenca – Ecuador 2011
DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD
Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones del presente trabajo, son de exclusiva responsabilidad de los autores.
Cuenca, octubre de 2011.
Jhonny A. Tituana T.
Pedro J. Tobar E.
AUTORES
2
CERTIFICACIÓN
Ing. Paúl Álvarez Lloret DIRECTOR DE TESIS
C E R T I F I C A:
Que el presente trabajo investigativo ha sido efectuado por los Sres. Jhonny Ariel Tituana Tituana y Pedro José Tobar Espinoza, el cual se ajusta a las normas establecidas por la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica Salesiana; por tanto autorizo su presentación para los fines legales pertinentes.
Cuenca, octubre del 2011.
______________________ Ing. Paúl Álvarez Lloret DIRECTOR
3
ÍNDICE
PÁG. CAPÍTULO I: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 1.1 Definición de fluido…………………………………………………………….. 1 1.2 Tipos y propiedades de fluidos…………………………………………………. 1 1.2.1 Fluidos incompresibles…………………………………………………... 1 1.2.2 Fluidos compresibles…………………………………………………….. 1 1.2.3 Propiedades de los fluidos……………………………………….………. 2 1.2.3.1 Densidad…………………………………………………….…... 2 1.2.3.2 Peso específico…….……………………………………………. 2 1.2.3.3 Viscosidad absoluta o dinámica………………………………… 3 1.2.3.4 Viscosidad cinemática..…………………………………………. 3 1.2.3.5 Temperatura…………………………………………………….. 4 1.2.3.6 Presión…………………………………….………………….…. 4 1.3 Dinámica de los fluidos……………………………………………………....... 6 1.3.1 Ecuación de los fluidos………………………………………………….. 6 1.3.1.1 Caudal o flujo volumétrico…………………………………..…. 6 1.3.1.2 Gasto másico……………………………………………...….…
6
1.3.1.3 Ecuación de continuidad………………………………...…...…
7
1.3.1.4 Velocidad de flujo…………………………………………....…
7
1.3.1.5 Ecuación de energía………………………………………….…
7
1.3.1.6 Principio de conservación de la energía…………………......….
8
1.3.2 Régimen de fluidos………………………………...……………………
9
1.3.2.1 Número de Reynolds……………………………………...……
9
1.3.2.2 Flujo laminar…………………………………………...………
9
1.3.2.3 Flujo turbulento………………………………………………… 10 4
1.3.2.4 Flujo transicional……………………………………………...… 10 1.3.3 Flujo de fluidos en tuberías……………………………………………… 10 1.3.4 Pérdidas de energía por fricción en tuberías y accesorios……………..…11 1.3.4.1 Pérdidas primarias………………………………...………...…... 11 1.3.4.2 Pérdidas secundarias…………………………..……..………….. 13 1.3.4.3 Ecuación de Bernoulli con pérdidas por fricción……………….. 15 1.3.5 Dimensionamiento de elementos para fluidos compresibles……………. 15 1.4 El sistema de tuberías………………………….………….…………………… 16 1.4.1 Tuberías en serie………………………………………………………… 17 1.4.2 Tuberías en paralelo……………………………………….……………. 17 1.4.3 Tuberías ramificadas……………………………………………………. 17 1.4.4 Selección de tuberías……………………………………………………. 18 1.4.4.1 Espesor de tuberías……………………………………………… 18 1.4.5 Parámetros del sistema de tuberías……………………………………… 19 1.4.5.1 Ecuación del sistema de tuberías………………………………... 19 1.5 Sistema de bombeo……………………………………………………………. 20 1.5.1 Bomba hidráulica………………………….……………………………. 21 1.5.1.1 Punto de operación………………………………………....…… 21 1.5.1.2 Eficiencia……………………………………………………….. 22 1.5.1.3 Potencia efectiva BHP…………………………………....…..… 22 1.5.2 Clasificación de las bombas…………………………………………….. 22 1.5.2.1 Bombas de desplazamiento positivo……………………...…..… 22 1.5.2.2 Bombas de desplazamiento no positivo o dinámicas……...……. 23 1.5.2.3 Clasificación general de las bombas…………………………..... 23 1.5.3 Parámetros de un sistema de bombeo…………………………………… 23 1.5.3.1 Presión de succión Hs…………………………………………… 24 1.5.3.2 Presión de descarga Hd………………………………………..... 24 5
1.5.3.3 Carga neta de succión positiva NPSH………………………….. 24 1.5.3.4 Cavitación…………………………………….……………….… 25 1.5.4 Configuración de sistema de bombeo……….…………………………... 25 1.5.4.1 Bombas en serie………………………….……………………… 25 1.5.4.2 Bombas en paralelo…………………….……………………...... 26 1.6 Sistema de admisión de aire del motor diesel……….…………………………. 28 1.6.1 Elementos del sistema de admisión……………………….…………….. 28 1.6.1.1 Filtro de aire………………………………..………………….…28 1.6.1.2 Conductos de aire……………………………………………….. 29 1.6.1.3 Turbocompresor………………………………………………….31 1.6.2 Flujo de aire de combustión……………………………………...….…... 32 1.6.2.1 Ecuación estequiométrica…………………………………….…. 32 1.6.2.2 Relación de aire combustible A/C…………………………....…. 32 1.6.3 Ciclo termodinámico del motor diesel………………………………...... 33 1.6.3.1 Primer tiempo: Admisión…………………...………………….. 34 1.6.3.2 Segundo tiempo: Compresión………………….…..……….….. 34 1.6.3.3 Tercer tiempo: Explosión………………………………….….… 34 1.6.3.4 Cuarto tiempo: Escape………………………………….…….…. 35 1.6.3.5 Relación de corte de admisión (rc)……………………...…….… 35 1.6.3.6 Relación de compresión (r)………………………………….….. 36 1.6.3.7 Eficiencia térmica…………………………………………….…. 36
CAPÍTULO II: DIAGNÓSTIVO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO UTILIZADO EN EL POLIDUCTO QUITOAMBATO-RIOBAMBA Y EL SISTEMA DE ADMISIÓN DE MOTORES DIESEL. 2.1 Área del proyecto……………………………………………….……………… 37 2.1.1 Estaciones del terminal…………………………………………..……… 38 6
2.1.1.1 Estación reductora de presión…………………………...………. 38 2.1.1.2 Estación de bombeo…………………………………...………… 38 2.1.1.3 Poliducto Quito-Ambato-Riobamba (Q-A-R)……………...….. 41 2.1.1.4 Estación reductora Ambato…………………………………..…. 42 2.2 Combustibles…………………………………………………………..……..… 43 2.2.1 Formas de almacenamiento…………………………………..………….. 43 2.2.2 Descripción y características……………………………………..……… 44 2.2.2.1 Gasolina súper…………………………………….......………… 44 2.2.2.2 Gasolina extra………………………………….…………………44 2.2.2.3 Diesel 1…………………………………………………..……… 44 2.2.2.4 Diesel 2…………………………………………..……………… 44 2.3 Análisis del sistema de bombeo………………………….………………..…… 45 2.3.1 Cálculo del sistema de bombeo…………………………………………. 46 2.3.1.1 Pérdida de carga en accesorios………………………….………. 46 2.3.1.2 Ecuación del sistema de tuberías…………………………..……. 47 2.3.1.3 Curva de la bomba……………………………………..………... 54 2.3.1.4 Punto de operación en el sistema de tuberías…………...………. 55 2.3.1.5 Análisis del punto de operación………………………...………..61 2.3.1.6 Eficiencia de la bomba η………………………………………... 62 2.3.2 Cálculo para descarga en Ambato…………………………………..…… 63 2.3.2.1 Pérdidas de carga en accesorios………………………....………. 63 2.3.2.2 Ecuación del sistema de tuberías………………………………... 64 2.3.2.3 Análisis de resultados…………………………………...………. 67 2.4 Verificación de resultados……………………………………………………… 69 2.4.1 Sistema de tuberías en Terminal El Beaterio……………………………. 69 2.4.2 Descarga en estación reductora Ambato………………………………… 71 2.5 Sistema de admisión de aire………………………………………………..….. 72 7
2.5.1 Descripción del sistema…………………………………………………. 72 2.5.2 Cálculos………………………………………..………………………… 75 2.5.2.1 Relación aire/combustible (A/C)……………………….……….. 75 2.5.2.2 Consumo de combustible………………………………..……….77 2.5.2.3 Volumen del aire por cilindro del motor diesel…………………. 77 2.5.2.4 Cantidad de aire consumido…………………………………...... 78 2.5.2.5 Análisis del ciclo Diesel………………………………………… 79 2.5.2.6 Pérdida de carga en el ducto..........…………………………...… 81 2.5.3 Análisis de resultados………………………………………………….…83
CAPÍTULO III: REDISEÑO DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Y ADMISIÓN DE AIRE 3.1 Fase de succión………………………………….…………………………….. 85 3.1.1 Cambios a realizarse………………………………...……………..…… 85 3.1.2 Cálculos del sistema de bombeo…………………….……………….…. 86 3.1.2.1 Determinación del flujo volumétrico………………..…………. 86 3.1.2.2 Presión de salida necesaria…………………….…….…….…… 88 3.1.2.3 Eficiencia de bomba…………………………..………...……… 92 3.1.2.4 potencia efectiva BHP……………………….…………….…… 92 3.1.2.5 Potencia requerida del motor…………………………………… 93 3.1.2.6 Espesor de la tubería…………………….……………………… 93 3.1.2.7 Ecuación del sistema de tuberías……………………………….. 94 3.1.2.8 Punto de operación en el sistema de tuberías……………....….. 96 3.1.2.9 Análisis de cavitación………………………………………….. 101 3.1.3 Análisis de resultados……………………………………………….… 102 3.2 Fase de descarga en Ambato……………………………………………….... 104 3.2.1 Ecuación del sistema de tuberías…………………………………..….. 104
8
3.2.2 Análisis de resultados…………………………………….……….…… 107 3.3 Sistema de admisión de aire…………………………………….………...….. 108 3.3.1 Pérdidas de carga en el ducto…………………………….……………. 108 3.3.1.1 Volumen y caudal de aire……………………….…………….. 108 3.3.1.2 Velocidad de aire en el ducto……………….……………..….. 109 3.3.1.3 Pérdidas en tuberías rectas………………….……...………….. 109 3.3.1.4 Cargas dinámicas…………………………….……...………… 109 3.3.2 Parámetros para selección de filtro de aire…………….…………..….. 109 3.3.2.1 Cantidad de ingreso de material particulado…….……………. 111 3.3.3 Selección de filtro y depurador………………………….….....………. 111 3.3.4 Pérdida de carga total………………………………….………………. 115 3.3.5 Restricción de admisión de aire………………………..……….…...… 115 3.3.6 Análisis de resultados……………………………………………...….. 116
CAPÍTULO IV: SIMULACIÓN DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS 4.1 Software del flujo de fluidos…………………………………………….…… 117 4.1.1 Metodología de cálculo……………………………...………………… 117 4.1.1.1 Estados del fluido……………………………………...……… 117 4.1.1.2 Viscosidad del fluido……………………………………….…. 117 4.1.1.3 Número de Reynolds (Re)……………………………….……. 117 4.1.1.4 Factores de fricción……………………………………………. 118 4.1.1.5 Resistencia al flujo………………………………..…………… 118 4.1.1.6 Pérdidas de carga en accesorios……………………………….. 118 4.1.2 Introducción al software……………………………………..………… 119 4.1.2.1 Herramientas del sistema……………………………………… 119 4.1.2.2 Ingreso de datos……………………………………………….. 121 4.1.2.3 Cálculos del sistema de tuberías…………………….………… 128 9
CAPÍTULO V: ANÁLISIS TÉCNICO FINANCIERO 5.1 Introducción………………………………………………………………..…. 138 5.2 cálculo de costos……………………………………………………………… 138 5.2.1 Activos fijos………………………………………….………………… 138 5.2.2 Costos de operación……………………………………………………. 139 5.2.2.1 Materia prima directa…………………………………….……. 139 5.2.2.2 Mano de obra directa………………………………………..…. 139 5.2.2.3 Materiales directos…………………………………………...... 142 5.2.2.4 Costos indirectos de fabricación………………………………. 143 5.2.3 Costos de producción……………………………………………...…… 144 5.2.4 Capital de trabajo………………………………………………………. 144 5.2.5 Costo de producción………………………………………….......……. 145 5.3 Evaluación del proyecto………………………………………………….…… 147 5.3.1 Estado de pérdidas y ganancias………………………………………... 147 5.3.2 Flujo de efectivo……………………………………….....……………. 148 5.3.2.1 Valor actual neto………………………………………....……. 151 5.3.2.2 Tasa interna de retorno………………………………………… 151 Conclusiones……………………………………………………………………… 153 Recomendaciones………………………………………………………………… 155 Bibliografía………………………………………………………………………. 156 Anexos
10
CAPITULO I
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.1 Definición de fluido Un fluido es cualquier gas o líquido que no tiene forma definida, estos se deforman continuamente bajo la acción de fuerzas cortantes sin importar que tan pequeña sea esta1. 1.2 Tipos y propiedades de fluidos 1.2.1 Fluidos incompresibles Un líquido es un fluido incompresible donde las moléculas están más cercanas entre sí debido a las fuerzas de atracción. A una presión y temperatura establecidas ocupan un volumen determinado adoptando la forma del recipiente que lo contiene. En los fluidos incompresibles el volumen no varía considerablemente por fuerzas externas, por lo que en la resolución de problemas en ingeniería se asume como un caso ideal, es decir no sufre ninguna variación de volumen. 1.2.2 Fluidos compresibles Un fluido compresible es un gas formado por moléculas que se mueven en todas las direcciones y a una presión y temperatura determinada ocupa todo el volumen del recipiente que los contiene, pero en libertad estos se expansionan hasta ocupar un volumen definido por un recipiente contenedor. En el fluido compresible el volumen varía de acuerdo a la presión y temperatura a la que está sometido.
1
STREETER, V., WYLIE, B.; BEDFORD, K., “Mecánica de fluidos”, 9na. Edición, Editorial McGraw Hill, Bogotá, 2000, p. 3.
11
1.2.3 Propiedades de los fluidos 1.2.3.1 Densidad (ρ) Es la masa de una sustancia por unidad de volumen.
Donde: ρ = Densidad en [Kg/m3] m = Masa en [Kg] V = Volumen en [m3] La densidad también puede ser relativa, en un líquido cuando se compara con la densidad del agua, y en un gas cuando es comparada con la del aire. Es adimensional. Densidad en los gases Está relacionada con la presión, temperatura, volumen y obedece a la ecuación:
Donde: P = Presión en [kg/m2] V = Volumen en [m3] R = Constante universal de los gases [KJ/Kg.k] T = Temperatura absoluta en [K] La ecuación 1.2 también es conocida como la Ley de los gases ideales. 1.2.3.2 Peso específico (γ) Es el peso de una sustancia por unidad de volumen. Se puede expresar de dos formas:
12
Donde: γ = Peso específico en [N/m3] P = Peso en [N] El peso específico también puede ser relativo en un líquido cuando se compara con en el peso específico del agua, y en un gas cuando es comparada con el del aire. Es adimensional. 1.2.3.3 Viscosidad absoluta o dinámica (μ) Propiedad que tienen los fluidos de oponerse al movimiento provocado por un esfuerzo cortante.
⁄ Donde: Viscosidad absoluta = Esfuerzo cortante. du/dy = Gradiente de velocidad. La unidad en el SI es newton segundo por metro cuadrado [
⁄
].
El poise es la unidad en el sistema CGS y tiene
dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado.
El
submúltiplo es centipoise [cP] o 10-2 poises que es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica. 1.2.3.4 Viscosidad cinemática ( ) Cuando la viscosidad absoluta es relacionada con la densidad de masa se la conoce como viscosidad cinemática cuya ecuación es
13
La unidad de la viscosidad cinemática en el SI es el metro cuadrado por segundo [m2/s], mientras que en el CGS es el centímetro cuadrado por segundo denominado Stoke [St] y el submúltiplo más utilizado es centistoke [cSt] o 10-2stokes. 1.2.3.5 Temperatura (T) Se define como una medida de la intensidad del calor. La temperatura absoluta en el sistema internacional y CGS tiene dimensiones en grados Kelvin [K], mientras que la temperatura en el sistema ingles está dada en grados Rankine. (
)
(
)
El uso de las escalas relativas de temperatura es más común, es decir los grados Centígrados [°C] y los grados Fahrenheit [°F]. Estos dos sistemas se relacionan de la siguiente forma: (
(
)
)
1.2.3.6 Presión (P) Es la cantidad de fuerza que se ejerce por unidad de área de una sustancia.
Donde: P = Presión A = Área
14
Las unidades utilizadas normalmente son mmHg, psi, pascal, bares, atmosferas y kg/cm2. Existen dos principios establecidos por Blas Pascal acerca de la presión, los cuales son: 1. La presión actúa de modo uniforme en todas las direcciones de un volumen pequeño de fluido. 2. En un fluido confinado por fronteras sólidas, la presión actúa de manera perpendicular a la pared2. En la figura 1.1, se representan gráficamente la relación entre la presión absoluta y la presión manométrica.
Fig. 1.1 Relación entre presiones. Fuente: CRANE., “Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías”, p. 1-7.
Presión barométrica: Es el nivel de presión atmosférico por encima del vacío perfecto. Presión atmosférica: Es la debida al peso del aire en cualquier lugar de la superficie terrestre y depende de la ubicación, altitud y latitud del lugar. Presión manométrica: Es la presión medida por encima de la atmosférica. Vacío: Es la depresión por debajo del nivel atmosférico.
2
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 12.
15
1.3 Dinámica de los fluidos Estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento a través de tuberías, siendo la base fundamental para el diseño de redes de distribución. Las partículas de un fluido en movimiento pueden tener diferentes velocidades y existen tres principios fundamentales que se aplican en este estudio: 1. El principio de la conservación de la masa. 2. El principio de la cantidad de movimiento. 3. El principio de la energía cinética. 1.3.1 Ecuaciones de los fluidos 1.3.1.1 Caudal o flujo volumétrico (Q) Es el volumen de un fluido que pasa a través de una sección transversal en un tiempo dado. La unidad de caudal es [m3/s]. Las ecuaciones de caudal son:
Donde: v = Velocidad en [m/s] A = Área de la sección transversal en [m2]
Donde: t = Tiempo dado en [s] 1.3.1.2 Gasto másico ( ̇ ) Es la cantidad de masa de un fluido que pasa por un punto dado. Su unidad es [kg/s]. ̇
16
Donde: Q = Caudal en [m3/s] ρ = Densidad del fluido en [kg/m3] 1.3.1.3 Ecuación de continuidad Se basa en el Principio de Conservación de la Masa. Al aplicar este principio a un ducto (Figura 1.2) por el cual fluye un fluido en régimen permanente se tiene:
Fig. 1.2 Ecuación de continuidad Fuente: editorial.cda.ulpgc.es
En la figura 1.2, el fluido circula con un caudal constante en cualquier sección en un tiempo dado, a esto se le denomina flujo estable. 1.3.1.4 Velocidad de flujo Para una velocidad de flujo satisfactoria deben tomarse en cuenta aspectos como clase de fluido, tipo y longitud de tubería, accesorios conectados a la tubería, caídas de presión, temperatura. De acuerdo con la ecuación de la continuidad, a menor sección de tubería las velocidades en esta serán mayores y a mayor sección se tienen velocidades más bajas. 1.3.1.5 Ecuación de energía Existen tres formas de energía a ser consideradas en el análisis de flujo de fluidos, las cuales son: 17
Energía cinética: Es la energía debida a la velocidad del fluido.
Energía de flujo o presión: Representa la cantidad de trabajo necesario para mover el elemento de fluido a través de cierta sección contra la presión.
Energía potencial: Es aquella energía debida a la altura del fluido respecto a un nivel de referencia.
La suma de estos tres tipos de energía representa la cantidad total de energía de un elemento de fluido.
1.3.1.6 Principio de conservación de la energía Si un fluido que circula por dos secciones de una tubería no pierde ni se le agrega energía, el principio de conservación de energía establece que: E1 = E2 Al reemplazar la ecuación 1.19 en este principio se obtiene:
Esta expresión es conocida como la Ecuación de Bernoulli, la cual toma en cuenta los cambios en la carga de elevación, carga de presión y carga de velocidad entre dos puntos en un sistema de flujo de fluido (Figura 1.3). Se supone que no hay pérdidas o 18
adiciones de energía entre los dos puntos, por lo que la carga total permanece constante3.
Fig. 1.3 Ecuación de energía Fuente: editorial.cda.ulpgc.es
1.3.2 Régimen de fluidos Corresponde al tipo de flujo que forma un fluido al transportarse por una tubería. 1.3.2.1 Número de Reynolds Es adimensional, viene dado por el cociente entre las fuerzas de inercia y las fuerzas debido a la viscosidad y determina cual es el régimen del flujo de fluido en una tubería.
1.3.2.2 Flujo laminar Es aquel flujo en el que se puede apreciar las líneas de corriente, es decir, las partículas de fluido se mueven en trayectorias paralelas u ordenadas y cumple con la Segunda Ley de Newton de la Viscosidad. Si el número de Reynolds es menor o igual a 2000, el régimen de flujo en tuberías se considera laminar.
3
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 169.
19
Fig. 1.4 Flujo laminar. Fuente: www.sitenordeste.com/mecanica/bomba_hidraulica.htm
1.3.2.3 Flujo turbulento En este flujo no se visualiza las líneas de corriente, es decir, que las partículas de fluido se mueven en forma desordenada en todas las direcciones y no cumple con la Segunda Ley de Newton de la Viscosidad. Cuando el número de Reynolds es mayor que 4000 el régimen de flujo se considera como turbulento.
Fig. 1.5 Flujo turbulento. Fuente: www.sitenordeste.com/mecanica/bomba_hidraulica.htm
1.3.2.4 Flujo transicional Tiene características tanto del flujo laminar como del flujo turbulento. Se puede apreciar algunas líneas de corriente y empieza aparecer la componente transversal de la velocidad. 1.3.3 Flujo de fluidos en tuberías A medida que un fluido circula por una tubería ocurren pérdidas de energía debido a la fricción, al diámetro de la tubería y de igual manera debido a otros accesorios presentes en las líneas de flujo. Tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo lo que hace que dichos sistemas sean creados tomando en cuenta las necesidades de transporte de los fluidos y
20
los parámetros a los cuales deben abstenerse para dicha fabricación de las líneas de flujos4. 1.3.4 Pérdidas de energía por fricción en tuberías y accesorios A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción, accesorios y otros dispositivos; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo. La aplicación más específica en la determinación de las pérdidas de energía mecánica en tuberías y accesorios, radica en el momento de seleccionar, diseñar u optimizar sistemas de flujo en tuberías comerciales en redes de distribución de flujos. 1.3.4.1 Pérdidas primarias También conocidas como pérdidas de superficie. Se produce por el rozamiento entre las partículas de la capa límite de fluido transportado con la superficie interna de la tubería. Ecuación de Darcy -Weisbach Corresponde a la fórmula utilizada para el cálculo de pérdidas de carga por fricción en tuberías y es la siguiente:
Donde: hfT = Pérdida de carga por fricción en tuberías en [m]. f = Coeficiente de fricción. L = Longitud de tubería en [m]. D = Diámetro interno de la tubería en [m]. v = Velocidad promedio del fluido en [m/s]. 4
http://www.buenastareas.com/ensayos/Flujo-De-Fluidos-Por-Tuberias/280580.html
21
Coeficiente de fricción Para un régimen laminar en toda tubería y cualquier fluido incompresible el valor f viene dado por:
Donde: f = Factor de fricción en régimen laminar. Re = Número de Reynolds. En un régimen turbulento, el valor de f se calcula a partir de la ecuación de Colebrook cuya expresión es:
√
(
√
)
Donde: f = Factor de fricción en régimen turbulento. Є = Coeficiente de rugosidad en [m]. Coeficiente de rugosidad (Є) La pared interna de una tubería está formada por irregularidades o asperezas de diferentes alturas y con distribución irregular o aleatoria. La rugosidad de las paredes de tuberías es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso.
Fig. 1.6 Irregularidades en una tubería. Fuente: MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, p. 235.
22
Rugosidad absoluta: Irregularidad que puede expresarse por la altura media de las asperezas. Rugosidad relativa: Es la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro interior del tubo.
Tabla 1.1 Coeficiente de rugosidad Material
Є [m]
Plástico
3.0 x 10-7
Tubo extruído: cobre, latón, acero
1.5 x 10-6
Acero comercial o soldado
4.6 x 10-5
Hierro galvanizado
1.5 x 10-4
Hierro dúctil, recubierto
1.2 x 10-4
Hierro dúctil, no recubierto
2.4 x 10-4
Concreto
1.2 x 10-4
Acero remachado
1.8 x 10-3
Fuente: MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, p. 235.
Diagrama de Moody Es uno de los métodos más utilizados para evaluar el factor de fricción. El diagrama muestra la gráfica del factor de fricción versus el número de Reynolds con una serie de curvas paramétricas relacionadas con la rugosidad relativa5. (Ver anexo 1.1). 1.3.4.2 Pérdidas secundarias Se conocen también como pérdidas de forma, estas pérdidas son las que ocurren en las transiciones de la tubería (la tubería se adapta de acuerdo a la geografía del terreno), codos, uniones y válvulas. Las pérdidas secundarias se pueden calcular por dos métodos:
5
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 237.
23
Primer método: Mediante fórmula y un coeficiente de pérdidas adimensional.
Donde: hfA = Pérdida de carga secundaria en accesorios. K = Coeficiente adimensional de pérdida de carga. v = Velocidad media en la tubería. El coeficiente K depende del tipo de accesorio, del número de Reynolds, de la rugosidad y de la configuración de la corriente antes del accesorio. Para cada tipo de accesorio existe una fórmula específica que aproxima el valor de su pérdida de carga en metros de tubería recta. Tabla 1.2 Coeficiente K para accesorios. Accesorio
K
Válvula de globo
10.00
Válvula de ángulo
5.00
Válvula check
2.50
Válvula compuerta
0.19
Codo en U
2.20
Tee estándar
1.80
Codo estándar
0.90
Codo de radio medio
0.75
Codo de radio largo
0.60
Fuente: STREETER, V., “Mecánica de fluidos”, p. 300. Elaboración: Los autores.
Segundo método: Por medio de la fórmula de pérdidas primarias, sustituyendo la longitud de la tubería L por la longitud equivalente Le.
24
(
)
Donde: hf = Pérdida de carga secundaria en [m]. f = Coeficiente de fricción. L = Longitud de los tramos rectos de tubería en [m]. Le = Sumatoria de longitudes equivalentes en [m]. 1.3.4.3 Ecuación de Bernoulli con pérdidas por fricción El transporte de un fluido por una tubería no es ideal debido a que se tiene pérdidas por fricción, por lo que el balance de energía, entre dos puntos, tomando en cuenta estas pérdidas es:
Donde: Altura de pérdidas en [m]. 1.3.5 Dimensionamiento de elementos para fluidos compresibles Cuando se dimensionan elementos de longitud corta como boquillas o tramos cortos de tuberías se utiliza condiciones isotérmicas. Para dimensionar sistemas de tuberías por su comportamiento se emplearan ecuaciones de flujo adiabático. Se tiene dos opciones para diseñar una red: 1. Podemos transportar el fluido a velocidades bajas en un régimen subsónico. Ventajas: -
Baja pérdida de carga.
-
No se genera ruido.
-
Compresores, bombas, sopladores de menor potencia.
25
Desventajas: -
Diámetros muy grandes de tubería.
-
Si es que el fluido compresible viene acompañado de un elemento como material articulado se puede producir sedimentación.
-
Incremento en costo de elementos de control.
2. Podemos transportar al fluido en velocidades altas en régimen supersónico. Ventajas: -
Los diámetros de la tubería son menores.
-
No se produce sedimentación en las paredes de la tubería.
-
Se optimiza el tamaño de los elementos de control.
Desventajas: -
Se incrementa la pérdida de carga.
-
Bombas, compresores y sopladores de mayor potencia, por ende mayores costos operativos.
-
Se genera ruido especialmente en los cambios de dirección.
La pérdida de carga existente en la ecuación de energía de Bernoulli puede ser resuelta por la aproximación de Darcy -Weisbach (Ecuaciones 1.22 y 1.24). 1.4 El sistema de tuberías El sistema de tuberías se divide en tres grupos para su estudio los cuales son: -
Tuberías en serie.
-
Tuberías en paralelo
-
Tuberías ramificadas
26
1.4.1 Tuberías en serie Es cuando dos o más tuberías de tamaños o rugosidades diferentes se conectan de tal manera que el fluido fluye a través de cada tubería, en este caso el caudal es el mismo en todos los tramos y las pérdidas se acumulan de tramo a tramo.
Fig. 1.7 Tuberías en serie. Elaboración: Los autores.
1.4.2 Tuberías en paralelo Es una combinación de dos o más tuberías conectadas de tal manera que el caudal se divide entre las tuberías y luego se unen nuevamente. Las pérdidas de carga son las mismas en cada una de las líneas y los caudales son acumulables.
Fig. 1.8 Tuberías en paralelo. Elaboración: Los autores.
1.4.3 Tuberías ramificadas El caudal de cada tubería se debe determinar conociendo las elevaciones de los depósitos; el flujo debe ser desde el depósito más elevado hacia el más bajo. Se debe satisfacer la ecuación de Darcy-Weisbach y la ecuación de continuidad para cada tubería.
27
Fig. 1.9: Tuberías ramificadas. Fuente: Elaboración propia.
1.4.4 Selección de tuberías Los sistemas de tuberías se diseñan de tal forma que tengan una resistencia e integridad estructural, además de cumplir con los requerimientos del flujo a transportarse, caídas de presión y potencia de bombeo, también se toman en cuenta aspectos como6: -
Presión interna.
-
Fuerzas estáticas debido al peso de la tubería y el fluido.
-
Fuerzas dinámicas debido a los fluidos en movimiento dentro de la tubería.
-
Cargas externas generadas por sismos, cambios de temperatura, procedimientos de instalación y otras condiciones específicas de la aplicación.
1.4.4.1 Espesor de tubería El espesor de pared nominal mínimo de tubería se calcula con la siguiente fórmula: [
6
(
)
]
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 343.
28
Donde: tnom = Espesor nominal de pared [pulg] p = Presión de diseño [PSI] D = Diámetro exterior de tubería [pulg] S = Esfuerzo permisible en tensión [PSI] E = Factor de calidad. Y = Factor de corrección, material y temperatura. A = Tolerancia a la corrosión. 1.4.5 Parámetros del sistema de tuberías -
Caudal (Q): Es la cantidad de fluido manejado por la bomba por unidad de tiempo.
-
Altura Geodésica (Hgeo): Es la diferencia de alturas entre el nivel de succión y el nivel de descarga.
-
Altura Estática (Hest): Corresponde a la suma entre la altura geodésica y la diferencia de presiones.
-
Altura de succión (Hs): Es la diferencia de alturas entre el eje de la bomba y el nivel de succión.
-
Altura de descarga (Hd): Es la diferencia de nivel entre el eje de la bomba y el nivel de descarga.
-
Altura Dinámica Total (TDH): Corresponde a la suma entre la altura estática y las pérdidas de carga en tuberías y accesorios.
Todos los valores correspondientes a la altura se expresan en metros. 1.4.5.1 Ecuación del sistema de tuberías La ecuación de la curva de un sistema de tuberías representa su comportamiento dependiendo del caudal que circula por el sistema y las pérdidas producidas en el mismo. siguiente: ∑[
29
]
La expresión es la
γ Donde: Hest = Altura estática. ΔP = Variación de presiones en [N/m2].
Fig. 1.10 Parámetros de sistema de tuberías. Fuente: Práctica de Aprendizaje N°1, Máquinas Hidráulicas, El sistema de Tuberías.
1.5 Sistema de bombeo Un sistema de bombeo se constituye por una bomba y una serie de tuberías por donde circula un fluido que puede ser transportado a grandes distancias y a diferentes niveles de altitud. Se dispone de depósitos tanto para succión como descarga, además de elementos de control de flujo como valvulería y accesorios para las tuberías.
30
1.5.1 Bomba hidráulica Una bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de un fluido procedente de una energía mecánica que se transmite en su eje por medio de un motor. Los parámetros que gobiernan el funcionamiento de una bomba son: -
Altura de succión
-
Altura de descarga
-
Caudal volumétrico
-
Pérdidas en el sistema.
La bomba puede representarse matemáticamente por medio de una ecuación de la forma:
1.5.1.1 Punto de operación La curva de rendimiento de la bomba es la gráfica del flujo volumétrico que la bomba distribuye como función de la carga total a la que está sujeta por el sistema del que forma parte.
Fig. 1.11 Punto de operación de una bomba. Elaboración: Los autores.
Por tanto, el punto de operación verdadero de la bomba es donde se interseca la curva de esta con la curva de rendimiento del sistema. 31
1.5.1.2 Eficiencia Mide la relación de la potencia transmitida al fluido a la potencia de entrada de la bomba. Toma en cuenta el flujo volumétrico entregado por la bomba respecto al valor teórico (eficiencia volumétrica), la fricción mecánica de sus partes móviles (eficiencia mecánica) y las pérdidas de energía del fluido conforme se mueve a través de la bomba (eficiencia hidráulica)7.
Donde: ηV = Eficiencia volumétrica. ηH = Eficiencia hidráulica. ηM = Eficiencia mecánica. 1.5.1.3 Potencia efectiva BHP Es la potencia requerida en la bomba, la cual aumenta debido a las pérdidas en las tuberías. Relaciona la potencia hidráulica o útil del sistema con el rendimiento máximo de la bomba.
1.5.2 Clasificación de las bombas Estas se clasifican en dos grupos principales que son: 1.5.2.1 Bombas de desplazamiento positivo En estas bombas, la energía es suministrada a un volumen de fluido y por aplicación de fuerza directa se incrementa su presión al valor requerido para descargarlo en un depósito.
7
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 392.
32
1.5.2.2 Bombas de desplazamiento no positivo o dinámicas Son aquellas en que la transferencia de la energía se produce por el impulso de un álabe que recibe el movimiento debido a la energía mecánica de rotación que recibe de un motor. 1.5.2.3 Clasificación general de las bombas
Fig. 1.12 Clasificación de las bombas. Fuente: http://www.watergymex.org/contenidos/tecnicos.pdf
1.5.3 Parámetros de un sistema de bombeo
Fig. 1.13 Representación de un sistema de bombeo. Elaboración: Los autores.
33
1.5.3.1 Presión de succión (Hs) Es la diferencia de elevación entre el eje de la bomba y el nivel mínimo del agua en la fuente de aspiración, afectado por la pérdida de carga en el lado de la succión. 1.5.3.2 Presión de descarga (Hd) Se refiere a la altura a la cual puede ser bombeado un fluido. 1.5.3.3 Carga neta de succión positiva (NPSH) Corresponde a la energía presente en la brida de la bomba en la fase de succión. NPSH Requerido Es proporcionado por el fabricante y corresponde a la carga mínima que necesita la bomba para mantener un funcionamiento estable. Cuando no se dispone del dato facilitado por el fabricante, se puede realizar una estimación con la fórmula:
√(
⁄
)
Donde: n = Número de revoluciones (rpm). Q = Caudal (m3/s). NPSH Disponible Es función del sistema de succión de la bomba, se calcula en metros de agua, mediante la siguiente fórmula:
34
Donde: NPSHD = Carga neta de succión positiva en [m] P0 = Presión en el depósito de succión en [Pa] Psat = Presión de saturación en [Pa] Hr = Altura de pérdidas en [m] 1.5.3.4 Cavitación Cuando la corriente en un punto alcanza una presión inferior a la presión de saturación del fluido, este se evapora y se originan burbujas dentro del líquido, las mismas que son arrastradas por la corriente y cuando llega a zonas con presiones muy elevadas se produce una condensación violenta del vapor, elevando la presión hasta 1000 bares8. Cuando una bomba presenta cavitación se produce una disminución en su rendimiento conforme el flujo volumétrico desciende y se hace ruidosa, generando un ruido fuerte e intermitente9. La condición indispensable para que no exista cavitación en una bomba es la siguiente: NPSHD > NPSHR 1.5.4 Configuraciones de sistemas de bombeo 1.5.4.1 Bombas en serie El caudal permanece sin variación y aumenta la altura de cabeza de cada bomba y se utiliza principalmente cuando los requerimientos del sistema son de altos niveles de fricción.
8
MATAIX, Claudio, “Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas”, 2da. Edición, Editorial Alfaomega, México, 2007, p. 323. 9 MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 412.
35
Fig. 1.14 Bombas en serie. Elaboración: Los autores.
Balance de caudales QA = QB
Fig. 1.15 Bombas en serie. Elaboración: Los autores.
Balance de energía HT = HB1 + HB2+HB3
Ec. 1.37
Donde: HT = Altura total del sistema. HB = Altura de la bomba. 1.5.4.2 Bombas en paralelo Se utiliza cuando se requiere un gran caudal y para disponer de otra bomba como prevención cuando se presenten averías y labores de mantenimiento. La característica principal es que la cabeza a través 36
de cada bomba es igual y el caudal se distribuye por igual entre las bombas pero esto no representa que el caudal aumente de forma proporcional al número de bombas instaladas.
Fig. 1.16 Bombas en paralelo. Elaboración: Los autores.
Balance de caudales QB = Q1 + Q2 + Q3
Ec. 1.38
Fig. 1.17 Bombas en paralelo. Elaboración: Los autores.
Balance de energía HT = HB1 = HB2 = HB3
37
1.6 Sistema de admisión de aire del motor diesel Este sistema tiene por objetivos proporcionar aire fresco y limpio para la combustión y, al mismo tiempo, minimizar la caída de presión de aire de admisión al turbocargador. El motor debe tener un volumen suficiente de aire para convertir todo el combustible en potencia, ya que la presencia de humo negro por el escape proveniente del motor significa que no está recibiendo suficiente aire para quemar todo su combustible. 1.6.1 Elementos del sistema de admisión 1.6.1.1 Filtro de aire Es necesario para retener las partículas que pueden ingresar a los conductos de aire debido a las siguientes causas: Materiales residuales en la fabricación y armado de los conductos de aire. -
Cambios de filtros.
-
Fugas en el sistema de conductos.
-
Flujo de aire de admisión.
Los filtros de aire son elementos muy eficientes y garantizan que ingrese aire limpio al motor, de modo que las partículas de polvo o suciedad no ocasionen un desgaste acelerado en las partes móviles del mismo. Cantidad de ingreso de material particulado La absorción de polvo específico para varios motores, filtros de aire y de los entornos puede calcularse usando la siguiente fórmula. (
38
)
Donde: D = Absorción de polvo específico en [mg/hora/cilindro] V = Flujo de aire de admisión en [pie³/min] d = Concentración de polvo en [mg/pie³] e = Eficiencia promedio del filtro de aire (elementos de papel = 0,99 y elementos de material diferente al papel = 0,95). n = Número de cilindros del motor. Restricción de admisión de aire La vida útil máxima del filtro depende parcialmente del diferencial de
presión
absoluta
entre
la
entrada
al
compresor
del
turbocompresor y la atmósfera. La restricción de aire de admisión incluye pérdidas de presión entre el filtro de aire y la conexión de admisión de aire del motor. Para filtros de aire de montaje remoto pueden usarse las siguientes fórmulas para calcular la restricción del conducto.
Donde: P = Presión de restricción en [kPa] L = Longitud equivalente total en [m] Q = Flujo de aire en [m3/min] D = Diámetro interno en [mm] Para maximizar la vida útil del filtro de aire es importante mantener la restricción total del conducto por debajo de 0,5 kPa. 1.6.1.2 Conductos de aire Son los encargados de conducir el aire filtrado hacia el turbocompresor.
Los conductos deben diseñarse teniendo en
cuenta los siguientes aspectos: 39
-
Tener un acceso adecuado para permitir labores de inspección y mantenimiento.
-
Debe situarse lo más alejado posible de tubos de escape, ventilaciones o procesos que puedan descargar materiales particulados o suciedades.
-
El peso del soporte de la red de conductos, no debe ser sostenido por el turbocompresor ni por otros componentes instalados en el motor.
-
Evitar transiciones abruptas para tener una trayectoria de flujo de aire con el menor número de obstáculos posibles.
-
Las tuberías tendrán conexiones de caucho flexibles.
-
El diámetro de la tubería debe ser igual o mayor que la admisión de aire del motor.
Pérdidas de carga por fricción Se da conforme el aire circula a través de secciones rectas.
Donde: HL = Perdida por fricción en [Pa] hL = Pérdida de fricción por cada metro de ducto en [Pa/m] Pérdidas dinámicas Ocurren cuando el aire pasa a través de acoplamientos, accesorios o dispositivos de control. (
)
Donde: C = Coeficiente de pérdida Hv = Carga de velocidad en [Pa] ( 40
)
Donde: v = Velocidad de flujo en [m/s] 1.6.1.3 Turbocompresor Es un sistema de sobrealimentación que se basa de una turbina para comprimir aire, por lo que un motor con turbocompresor tiene mayor potencia para una cilindrada dada.
Fig. 1.18 Turbocargador. Fuente: http://www.taringa.net/posts/turbocargadores.html
Los elementos principales de un turbocargador son: 1. Turbina del compresor. 2. Entrada de aire. 3. Salida de aire comprimido. 4. Eje o flecha de la turbina. 5. Cubierta de la turbina. 6. Turbina del cargador. 7. Salida de gases de escape. 8. Cubierta del compresor. 9. Cojinete. 10. Entrada de gases de escape. El turbocompresor está formado por una turbina movida por los gases de escape, en su eje se localiza un compresor centrífugo que 41
toma el aire del exterior y lo comprime antes de introducirlo en los cilindros. Al aumentar el volumen de aire durante la admisión mediante el uso de un turbocompresor se logra aumentar considerablemente el rendimiento del motor. 1.6.2 Flujo de aire de combustión La combustión eficiente del motor se basa en la relación apropiada de flujo másico de combustible y aire. La combustión es una reacción química durante la cual se oxida un combustible, liberando una gran cantidad de energía.
El aire es el oxidante más empleado debido a su fácil
disponibilidad.
Fig. 1.19 Proceso de combustión. Fuente: Cengel, Boles, Termodinámica, 5ta. Edición, p. 755.
La figura 1.16 muestra un proceso de combustión real, a la izquierda se tiene los reactivos que son el combustible y el aire, y a la derecha los productos de la reacción química entre los cuales se tiene CO2, CO, O2, N2, H2O entre otros. 1.6.2.1 Ecuación estequiométrica Las ecuaciones químicas se balancean en base al principio de conservación de masa. Es decir, la masa total de cada elemento en el lado derecho de la ecuación de la reacción (productos) debe ser igual a la masa total de ese elemento en el lado izquierdo (reactivos). 1.6.2.2 Relación aire-combustible (A/C) Esta relación cuantifica las cantidades de aire y combustible en un proceso de combustión.
42
⁄
Aire teórico Se refiere a la cantidad mínima de aire necesaria para una combustión completa. 1.6.3 Ciclo termodinámico del motor diesel En el ciclo diesel la combustión se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante, transformando la energía química del combustible en trabajo mecánico.
El aire se comprime hasta una
temperatura superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión inicia al contacto cuando el combustible se inyecta en el cilindro. Los motores diesel son diseñados para operar a relaciones de compresión generalmente entre 12 y 24. Los cuatro tiempos del ciclo se explican a continuación.
PMS
PMI
Fig. 1.20 Ciclo termodinámico motor diesel. Elaboración: Los autores.
43
1.6.3.1 Primer tiempo: Admisión Al bajar, el émbolo aspira aire a través de la válvula abierta. En los motores sobrealimentados, el aire es previamente comprimido (compresión isentrópica) por un turbocompresor que lo impulsa al cilindro a presión.
1.6.3.2 Segundo tiempo: Compresión Estando las válvulas cerradas, al subir el émbolo, se comprime el aire contenido en el cilindro que por consiguiente se calienta a más temperatura que la de inflamación del combustible (adición de calor a presión constante). Poco antes de alcanzar el émbolo su punto muerto superior, se inicia la inyección de combustible a alta presión en la cámara de combustión. La inyección sigue después de alcanzado el punto muerto superior. 1.6.3.3 Tercer tiempo: Explosión El combustible inyectado se inflama en el aire caliente y se quema (expansión isentrópica). En el momento de la combustión se produce una presión muy alta, a consecuencia de lo cual el émbolo es movido hacia abajo. El movimiento rectilíneo del pistón se transforma por medio de la biela y la manivela en movimiento giratorio.
44
1.6.3.4 Cuarto tiempo: Escape Estando abierta la válvula de escape, el émbolo y su movimiento ascendente impele los gases de combustión a la tubería de escape (rechazo de calor a volumen constante).
Una vez terminado el proceso de escape, vuelve a cerrarse la válvula de escape abriéndose la de admisión e iniciándose de nuevo el ciclo. La cantidad de calor añadida al fluido a presión constante y rechazada por éste a volumen constante, se expresa de la siguiente forma. (
)
Donde: Qent = Calor de entrada. Cp = Calor específico a presión constante. T = Temperatura. (
)
Donde: Qsal = Calor de salida. Cv = Calor específico a volumen constante. 1.6.3.5 Relación de corte de admisión (rc) Es la relación entre los volúmenes del cilindro antes y después del proceso de combustión.
45
Donde: v = Volumen. 1.6.3.6 Relación de compresión (r) Es la relación entre el volumen máximo y el volumen mínimo de aire en el ciclo.
1.6.3.7 Eficiencia térmica La eficiencia de los motores diesel con sobrealimentación llega a superar el 40%.
Donde: ηter = Eficiencia térmica. wneto = Qent – Qsal , Trabajo neto.
46
CAPITULO II
DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE DERIVADOS DE PETRÓLEO UTILIZADO EN EL POLIDUCTO QUITO - AMBATO RIOBAMBA Y SISTEMA DE ADMISION DE MOTORES DIESEL.
2.1 Área del proyecto Los derivados de petróleo, especialmente diesel (1 y 2) y gasolinas súper y extra, se almacenan y distribuyen en el Terminal “El Beaterio” cuyo inicio de operaciones se dio en el año de 1980, y se encuentra ubicado en la ciudad de Quito a una altura de 2910 metros sobre el nivel del mar.
Fig. 2.1 Terminal El Beaterio. Fuente: http://www.petrocomercial.com
Las principales actividades que se desarrollan en este terminal son: -
Recepción de combustibles provenientes de los poliductos Esmeraldas Quito y Shushufindi - Quito.
-
Reducción de presión de los productos recibidos en el poliducto.
-
Almacenamiento de combustibles en tanques verticales.
-
Bombeo de combustibles a través del poliducto Quito-AmbatoRiobamba.
-
Carga y distribución de combustibles por medio de vehículos tanqueros.
47
2.1.1 Estaciones del Terminal
2.1.1.1 Estación Reductora de Presión Recibe los productos limpios a través de los Poliductos Esmeraldas - Quito y Shushufindi - Quito, reduciendo la presión desde 900 PSI hasta 80 PSI.
Fig. 2.2 Estación reductora. Fuente: Poliducto Q-A-R.
2.1.1.2 Estación de Bombeo Está compuesta por tres grupos de bombeo (601, 602, 603) con motores diesel y un grupo de bombeo (604) con motor eléctrico, los cuales están acoplados a bombas de ocho etapas. Se bombea un caudal entre 20000 GPH y 22000 GPH a través del Poliducto Quito-Ambato-Riobamba, con una presión de 1200 PSI.
Fig. 2.3 Estación de Bombeo. Fuente: Poliducto Q-A-R.
48
Cabe recalcar que los grupos de bombeo funcionan mediante configuración de bombas en serie, esto, debido a que se necesita aumentar la altura de presiones, especialmente para vencer las cotas más elevadas en el trayecto del poliducto (Ver anexo 2.1), pero sin variar el caudal bombeado hasta Ambato. La estación trabaja con dos de los grupos de bombeo motor a diesel, quedando un grupo (igualmente en óptimas condiciones) como reserva para sustituir el trabajo de cualquiera de los grupos cuando uno de ellos necesite de mantenimiento debido a reparaciones en sus elementos o tenga una parada inesperada. Motor diesel Tabla 2.1 Características Marca
MAN
Año fabricación
1990
Potencia
0 msnm
2910 msnm
600 HP
500 HP
Velocidad
1500 rpm
Nº cilindros
8 en línea
Fuente: Estación de Bombeo PQAR. Elaboración: Los autores.
Fig. 2.4 Motor diesel. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
49
Bomba multietapa La bomba es de tipo centrífuga de ocho etapas de rodetes en serie, diseñada especialmente para uso en derivados de petróleo. Tabla 2.2 Características Marca
Byron Jackson
Tipo
DVMX
Caudal
600 gal/min
Velocidad
3774 rpm
Fuente: Estación de Bombeo PQAR. Elaboración: Los autores.
El modelo de esta bomba es el siguiente: 3 x 6 x 9 E-8 et. Los dígitos de esta leyenda se leen de esta forma: 1er. Dígito: Diámetro de descarga en pulgadas -> 3 2do. Dígito: Diámetro de succión en pulgadas -> 6 3er. Dígito: Diámetro de rodete en pulgadas -> 9 4to. Dígito: Número de etapas E -8 et -> 8etapas
Fig. 2.5 Bomba multietapas. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
50
Los grupos de bombeo de la estación son vigilados desde una sala de operaciones mediante un sistema de control computarizado cuyas actividades principales son: -
Arranque neumático de los motores.
-
Control del nivel de los tanques de almacenamiento.
-
Control de apertura y cierre de válvulas.
-
Registro de las propiedades físicas y químicas de los combustibles.
-
Detección de daños y fugas en el poliducto mediante un sistema de alarmas.
2.1.1.3 Poliducto Quito - Ambato- Riobamba (Q-A-R) El Poliducto Q-A-R tiene una extensión de 110.4 km con diámetro nominal de 6 pulgadas y especificación API 5LX, por el cual se transportan gasolina súper, gasolina extra, diesel 1 y diesel 2. En el Terminal “El Beaterio” se bombea los combustibles por medio del poliducto hasta la Estación Reductora Ambato. Tabla 2.3 Especificaciones técnicas tubería 5LX-X52. RESISTENCIA MECÁNICA Límite Elástico
Carga de Rotura
Grado X52
PSI
Mpa
PSI
Mpa
52000
358
66000
455
DIMENSIONES Diámetro Nominal
Diámetro Exterior
Espesor
Pulg
pulg
mm
pulg
mm
6
6,625
168,3
0,219
5,6
Fuente: API Specification 5LX, Forty-Second Edition, January 2000. Elaboración: Los autores.
51
2.1.1.4 Estación Reductora Ambato Esta estación se encuentra a 2750 msnm y es el lugar de destino de los combustibles bombeados por el poliducto. Los combustibles se descargan en el terminal El Beaterio aproximadamente a 1200 PSI y en la estación de Ambato llegan a 208 PSI, luego aquí se reduce este valor, mediante válvulas reductoras de presión, a 6 PSI que es la presión operativa.
Fig. 2.6 Presión de entrada y salida Ambato. Fuente: Estación Reductora Ambato.
Fig. 2.7 Válvula reductora de presión. Fuente: Estación Reductora Ambato.
Las principales funciones de la estación son receptar hidrocarburos limpios, almacenarlos, controlar su calidad, comercializarlos y despacharlos a la red de distribuidoras autorizadas.
52
2.2 Combustibles 2.2.1 Forma de almacenamiento Los combustibles se almacenan en tanques de acero verticales estacionarios construidos según Norma API 650. Las especificaciones de esta norma han sido elaboradas para proveer a la industria petrolera tanques de adecuada seguridad y economía para usarlos en el almacenamiento de petróleo y sus derivados10. En el terminal El Beaterio la capacidad de almacenamiento es de 600.705 barriles distribuidos en 20 tanques. (Ver anexo 2.2). Estos tanques de almacenamiento están conectados a tuberías dirigidas a un distribuidor que alimentan a un sistema de bombeo para su posterior despacho hasta a la Estación Reductora Ambato, y al área de carga y distribución mediante tanqueros.
Fig. 2.8 Almacenamiento y despacho de combustibles. Fuente: http://www.petrocomercial.com
10
AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE, API Standard 650, “Welded Steel Tanks for Oil Storage”, Tenth Edition, November, 1998, p. 98.
53
2.2.2 Descripción y características 2.2.2.1 Gasolina súper Presenta
una
mezcla
de
hidrocarburos,
especialmente
izoparafínicos y aromáticos, y se utiliza como combustible para motores de combustión interna de alta compresión. 2.2.2.2 Gasolina extra Es una mezcla compleja compuesta de naftas de todos los grupos. Esta gasolina ha sido diseñada para ser utilizada en motores de combustión interna de compresión moderada. 2.2.2.3 Diesel 1 Los componentes de este producto son hidrocarburos que se destilan entre los 200 y 300 °C, está compuesto principalmente de parafínicos, aromáticos, nafténicos y estructuras mixtas naftenoaromáticas. Es utilizado como combustible de uso industrial, diluyente para ajuste de viscosidad y en el transporte de hidrocarburos por poliductos como interface para la separación de productos. 2.2.2.4 Diesel 2 Es la fracción más pesada que se obtiene del petróleo por destilación atmosférica, por lo tanto es la fracción que destila entre la temperatura que termina la destilación del Diesel 1 y aquella temperatura hasta la cual se puede calentar sin que se produzca rompimiento de moléculas.
54
Tabla 2.4 Características técnicas de combustibles PRODUCTO G. Súper
G. Extra
Diesel 1
Diesel 2
0.7507
0.7455
0.8128
0.8488
57
58.3
42.5
35.2
0.8528
0.8587
2.35
6.75
0.0395
0.0486
0.14
0.165
90.3
81.6
-
-
Norma
ANÁLISIS Gravedad Específica
Densidad API a 15.6 °C Viscosidad Cinemática a 15.6 °C (cSt) Contenido de Azufre (%P) Núm. de Octano RON
ASTM D-1298 ASTM D-6822 INEN 810 INEN 929 ASTM D-2699
Fuente: Laboratorio de Control de Calidad Terminal Beaterio. Elaboración: Los autores.
2.3 Análisis del sistema de bombeo El análisis se realizó a partir de la descarga de las bombas Booster11 601 y 602 en la estación de bombeo del Terminal El Beaterio hasta la recepción de los combustibles en la Estación Reductora Ambato.
Los planos respectivos se
muestran en el Anexo 2.3.
Fig. 2.9 Descarga de Bomba Booster. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
11
Booster: Sistema de aumento de presión. www.google.traslate.com
55
Fig. 2.10 Recepción de combustibles en Ambato. Fuente: Estación Reductora Ambato.
2.3.1 Cálculos del sistema de bombeo 2.3.1.1 Pérdidas de carga en accesorios Se obtuvo la curva del sistema de tuberías tomando en cuenta la pérdida de carga en los accesorios presentes en toda la red. La tabla 2.5 muestra un listado de cada uno de los accesorios con el respectivo factor de pérdida de carga. Este factor se calcula mediante un software especializado para simulación de flujo de fluidos incompresibles. Tabla 2.5 Listado de accesorios. Accesorio
Características
Cantidad
Factor K
Ampliación
3" - 4"
3
0,08
Ampliación
3" - 6"
3
0,33
Ampliación
4" - 6"
1
0,13
Reducción
4" - 3"
2
0,06
Reducción
4" - 3"
5
0,09
Codo
90° x 3"
2
0,22
Codo
45° x 4"
2
0,27
Codo
90° x 4"
7
0,21
Codo
45° x 6"
4
0,24
Codo
90° x 6"
16
0,19
56
Accesorio
Características
Cantidad
Factor K
Tee
3" x 150
2
1,08
Tee
4" x 150
1
1,02
Tee
6" x 150
4
0,90
Válvula bola
3" x 150
4
0,05
Válvula Check
4" x 150
1
2.00
Válvula compuerta
4" x 150
1
0,14
Válvula compuerta
6" x 150
5
0,12
Filtro
6
10,10
Filtro Streiner
2
1,40
Tee
6" x 900
3
0,90
Válvula Check
6" x 900
2
1,85
Válvula bola
4" x 900
1
0,05
Válvula bola
6" x 900
3
0,05
Fuente: Estación de Bombeo PQAR. Elaboración: Los autores.
2.3.1.2 Ecuación del sistema de tuberías La ecuación (1.29) permite obtener la ecuación para el sistema de tuberías de la estación de bombeo en estudio.
Primeramente
realizamos el cálculo con gasolina súper. Datos: Hgeo = 0.52 m Pdescarga = 560 PSI = 3861064 Pa Psucción = 80 PSI = 551580.6 Pa γ = 7361.42 N/m3
γ
Se determinan 6 tramos en el sistema debido a que, en cada tramo, se tiene un diámetro nominal de tubería diferente, por lo cual se 57
tendrá que sumar los valores del término de Q2 de estas seis partes para obtener la ecuación final del sistema de tuberías con cada uno de los fluidos bombeados a través del poliducto. Se realizará una primera aproximación con los datos de cada tramo y luego se realizará iteraciones hasta obtener una variación en caudal de 0.0001 m3/s. Datos tramo 1 L = 3.83 m Dint = 4.026 pulg = 0.1023 m ν = 8.52E-7 m2/s Є = 4.6E-5 m (Tabla 1.1) g = 9.8 m/s2 Primera aproximación La velocidad en las tuberías para una primera aproximación se obtiene con la siguiente fórmula empírica. √ v = 2.0064 m/s Con esta velocidad se calcula el número de Reynolds.
Re = 2.41 x 105 Mediante la ecuación de Colebrook se calcula el factor de fricción con un factor inicial fo = 0.025. (
√
f = 0.0182 58
√
)
Tabla 2.6 Accesorios tramo 1. Accesorio
Cantidad
Ktotal
Codo 90° x 4”
5
1.05
Válvula Compuerta 4”x150
1
0.14
Válvula Check 4”x150
1
2.00
Tee 4”
1
1.02
Ampliación 4” – 6”
1
0.13
TOTAL
9
4.34
Fuente: Estación de Bombeo PQAR. Elaboración: Los autores.
La ecuación para el primer tramo será de la siguiente forma: ∑[
]
Resultados de la última iteración v = 2.42 m/s Re = 2.90 x 105 f = 0.0180 La ecuación para el primer tramo de tubería será la siguiente:
Para los tramos dos a seis se repite el mismo procedimiento de cálculo anterior. Inicialmente se comienza realizando una primera aproximación, luego se efectúan las respectivas iteraciones.
A
continuación se muestran los resultados de las correspondientes iteraciones finales.
59
Tabla 2.7 Datos de los tramos 1 al 6. Tramo
L (m)
Dint(pulg)
Ν (m2/s)
Є (m)
1
3.83
4.026
8.52x10-7
4.6x10-5
2
9.51
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
3
6.09
3.068
8.52x10-7
4.6x10-5
4
10.23
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
5
5.49
4.026
8.52x10-7
4.6x10-5
6
6.80
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
Fuente: Estación de Bombeo PQAR. Elaboración: Los autores.
Se obtienen los valores de la siguiente tabla. Tabla 2.8 Resultados Tramo
v (m/s)
Re x 105
f
ΣK
1
2.42
2.90
0.0180
4.34
2
1.069
1.93
0.0178
3.37
3
2.088
1.91
0.0193
6.62
4
1.069
1.93
0.0178
7.32
5
2.42
2.90
0.0180
1.66
6
1.069
1.93
0.0178
1.81
Elaboración: Los autores.
Las ecuaciones resultantes son: Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3 Tramo 4 Tramo 5 Tramo 6 60
Según se observa en los resultados, el tramo 2 presenta la mayor pérdida de carga, este tramo corresponde al sitio donde se encuentra ubicado el filtro separador, aquí es filtrado el fluido reteniendo las partículas sólidas mediante la acción de seis filtros internos.
Fig. 2.11 Filtro separador. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
En el tramo 3, que corresponde al sitio donde están ubicados los contadores de combustible, también se presenta una mayor cantidad de pérdidas.
Marca
Denominación
1
Contador
2
Filtro
Fig. 2.12 Tramo 3. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
Las causas para que esta pérdida de carga sea elevada se debe a los siguientes factores:
61
-
Se tiene dos medidores de flujo con filtro que no se utilizan.
-
El diámetro interno de la tubería es el menor de todos los tramos analizados ya que es de 3 pulgadas.
-
Mayor cantidad de accesorios de diámetro reducido en comparación con el resto de la tubería.
El tramo 6, que corresponde a la tubería de succión de la bomba multietapa, presenta menor pérdida de carga, ya que su diámetro es mayor (6 pulg) y por ende la velocidad será menor reduciendo el factor de fricción. Además, no existe una cantidad considerable de accesorios (Factor K = 1.81) que afecten el caudal transportado por esta tubería.
Fig. 2.13 Tubería de succión de bomba. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
Al tener un diámetro reducido de tubería, la velocidad es mayor, por tanto aumenta el coeficiente de fricción. Las velocidades recomendadas para tuberías en el transporte de combustibles son: Tabla 2.9 Velocidades recomendadas Línea
Velocidad (m/s)
Succión
0.6 a 1.2
Retorno
1.5 a 4.0
Descarga
2.0 a 5.5
Fuente: MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, p. 164. Elaboración: Los autores.
62
Según la tabla 2.8, las velocidades en los tramos uno, tres y cinco (que corresponden a las tuberías con diámetro de 3 pulg y 4 pulg respectivamente) varían desde 2.088 m/s a 2.42 m/s, excediendo los rangos recomendados en la Tabla 2.9 para líneas de succión. También los tramos dos, cuatro y seis, se encuentran en valores casi al límite de las velocidades permitidas (1.069 m/s). Por tal razón, debemos tener cuidado en este aspecto al momento del rediseño del sistema. Finalmente, luego de haber analizado las ecuaciones por cada tramo de tubería, se obtiene la ecuación general para el sistema de tuberías.
Todo el procedimiento de cálculo realizado se efectúa de la misma forma hasta llegar a la ecuación general del sistema de tuberías ya sea para la gasolina extra, diesel 1 y diesel 2, cambiando los valores de las propiedades físicas dependiendo del tipo de fluido. Tabla 2.10 Propiedades físicas de los fluidos Densidad
G. Súper
(Kg/m3) 750.4
Peso específico (N/m3) 7361.42
Viscosidad cinemática (m2/s) 8.52x 10-7
G. Extra
745.3
7311.39
8.59 x 10-7
Diesel 1
812.4
7969.64
2.35 x 10-6
Diesel 2
848.4
8322.80
6.75 x 10-6
Fluido
Fuente: Poliducto Q-A-R, Laboratorio de Control de Calidad. Elaboración: Los autores.
63
Ecuaciones del sistema de tuberías por tipo de fluido
Gasolina Súper Gasolina Extra Diesel 1 Diesel 2 2.3.1.3 Curva de la bomba Se realizó un ajuste de curva mediante el método de mínimos cuadrados. Los puntos de referencia fueron tomados de la hoja de pruebas proporcionado por el fabricante.
Tabla 2.11 Datos para elaborar la curva de bomba multietapas. Q 0 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030
H1 488,7577 485,5909 479,7070 471,3732 460,1676 446,6435 430,3367
H2 962,2646 959,0978 953,2139 944,8801 933,6745 920,1504 903,8436
Fuente: Manual de bombas multietapas Byron Jackson. Elaboración: Los autores.
Las ecuaciones de las bombas en serie son las siguientes: Bomba 601:
H = 488.76 -75836.79Q2
Bomba 602:
H = 962.30 - 75836.79Q2
64
Fig. 2.14 Curvas de bombas. Elaboración: Los autores.
Como se observa en la Figura 2.14, la curva de la bomba del grupo 601 se encuentra debajo de la curva de la bomba del grupo 602. Esto se debe a que como el sistema de bombeo es mediante configuración de bombas en serie, la altura de presión de fluido bombeado aumenta sin que el caudal recibido, tanto en la primera como en la segunda bomba, sufra variaciones. 2.3.1.4 Punto de operación en el sistema de tuberías Obtenidas las ecuaciones del sistema de tuberías y las ecuaciones de las bombas, procedemos a evaluar el punto de operación, para cada tipo de fluido.
65
Tabla 2.12 Resultados del punto de operación. Caudal Fluido
Bomba
Altura
m3/s
GPH
[m]
601
0.01992
18950
458.64
602
0.01992
18950
932.15
601
0.01911
18177
461.05
602
0.01911
18177
934.56
601
0.01931
18368
460.46
602
0.01931
18368
933.97
601
0.01818
17295
463.67
602
0.01818
17295
937.18
G. Súper
G. Extra
Diesel 1
Diesel 2
Elaboración: Los autores.
Las respectivas gráficas se muestran a continuación:
66
GASOLINA SÚPER
Fig. 2.15 Punto de Operación G. Súper. Elaboración: Los autores.
67
GASOLINA EXTRA
Fig. 2.16 Punto de Operación G. Extra. Elaboración: Los autores.
68
DIESEL 1
Fig. 2.17 Punto de Operación Diesel 1. Elaboración: Los autores.
69
DIESEL 2
Fig. 2.18 Punto de Operación Diesel 2. Elaboración: Los autores.
70
2.3.1.5 Análisis del punto de operación Las curvas del sistema y de la bomba son las representaciones gráficas del comportamiento de las mismas. Debido a que estas curvas dependen de la variable Q (caudal volumétrico), cuando se da la intersección de estas, existe un valor en el cual se satisface los requerimientos de ambas, que en este caso es el punto de operación. En las gráficas mostradas anteriormente, los valores de la altura estática y las pérdidas de carga cambian debido a las diferentes características que tienen los productos transportados, sin que se haya producido cambios en el sistema de tuberías o en los grupos mecánicos, por lo que el punto de operación varía en cada uno de ellos. Otro dato importante es el valor de la altura de presión a la que opera el sistema. Este valor se incrementa desde un valor medio de 458 m en la curva de la primera bomba hasta un valor medio de 937 m en la curva de la segunda bomba. Los caudales que se obtienen en el punto de operación de cada una de las curvas son bastante aproximados (entre 17294.87 GPH y 18949.62 GPH) a los valores reales bombeados a través del poliducto (alrededor de 20000 GPH). Los factores que afectan a que no se tenga los mismos resultados son: -
Las propiedades físicas de los productos no siempre son constantes, debido a que estos están expuestos a cambios de temperatura que va desde los 3°C hasta los 25°C.
-
Las características físicas de la tubería, accesorios y valvulería cambiaron por el tiempo de uso, tales como sus diámetros internos y rugosidades.
-
Existe un error admisible en los instrumentos de medición, especialmente manómetros y caudalímetros.
61
-
La curva de la bomba está representada en operación bajo condiciones ideales, es decir sin desgastes y reposiciones de sus elementos mecánicos, por tanto, podría no aproximarse a la curva real que se debería tener en los actuales momentos.
2.3.1.6 Eficiencia de la bomba (η) Es el factor que indica el rendimiento de la misma, y su valor se ve afectado por las pérdidas de energía que se suscitan tanto en los elementos mecánicos como en el rozamiento del fluido con las partes internas de la bomba. Para la bomba de ocho etapas en estudio la ecuación es la siguiente: η = 4327.25Q – 63650.82Q2 La gráfica correspondiente se muestra a continuación.
Fig. 2.19 Curva de Eficiencia de la Bomba Multietapa. Elaboración: Los autores.
62
Analíticamente, el valor de eficiencia se obtiene reemplazando el valor del caudal del punto de operación de la bomba en la ecuación de la eficiencia. Primeramente se toma los datos del punto de operación del sistema cuando se opera con gasolina súper (Q = 0.019926m3/s) y se procede a calcular de la misma forma con los demás tipos de combustibles. η = 4327.25Q – 63650.82Q2 η = 61 % Tabla 2.13 Eficiencia de la bomba por tipo de combustible. Caudal (m3/s)
Eficiencia (%)
Gasolina Súper
0.0199
61
Gasolina Extra
0.0191
59
Diesel 1
0.0193
60
Diesel 2
0.0182
58
Fluido
Elaboración: Los autores
En un sistema de bombeo, la eficiencia de una bomba debe ser mayor o igual al 65%, por tanto los valores obtenidos no se ajustan a esta condición. 2.3.2 Cálculos para descarga en Ambato 2.3.2.1 Pérdidas de carga en accesorios El factor se calculó y escogió mediante un software especializado en flujo de tuberías, cuyos valores se muestran a continuación.
63
Tabla 2.14 Listado de accesorios. ACCESORIO
CARACTERISTICAS CANTIDAD
FACTOR K
Reducción
6" - 3"
2
0,62
Reducción
6" - 4"
1
0,16
Ampliación
3" - 6"
4
0,33
Codo
45° x 2"
2
0,3
Codo
90° x 3"
2
0,22
Codo
45° x 6"
4
0,24
Codo
90° x 6"
5
0,19
Tee
6" x 150
5
0,9
Válv. bola
3" x 150
2
0,05
Válv. compuerta
6" x 150
2
0,12
Filtro Fram
6 filtros
1
60,6
Tee
6" x 900
1
0,9
Válv. bola
2" x 150
2
0,06
Válv. bola
2" x 900
2
0,06
Válv. bola
6" x 900
2
0,05
Válv. con filtro
6" x 900
1
1,1
Fuente: Estación Reductora Ambato. Elaboración: Los autores.
2.3.2.2 Ecuación del sistema de tuberías Primeramente realizamos el cálculo con gasolina súper. Hgeo = 0.117 m ΔP= 201.13 PSI = 1.38 x 106Pa γ = 7361.42 N/m3
γ
64
Se determinan 5 tramos en el sistema con diámetro nominal de tubería diferente. Datos tramo 1: L = 29.2 m Dint = 6.065pulg = 0.154 m ν = 8.52E-7 m2/s v = 1.069 m/s Є = 4.6E-5 m (Tabla 1.1) g = 9.8 m/s2 Número de Reynolds
Re = 1.93 x 105 Factor de fricción: Factor inicial fo = 0.025 (
√
√
)
f = 0.0178 Tabla 2.15 Accesorios tramo 1. Accesorio
Cantidad
KTotal
Codo 90° x 6”
2
0.38
Válv. esfera 6”x900
2
0.10
Codo 45° x 6”
2
0.48
Tee 6”
1
0.90
Válvula con filtro
1
1.10
TOTAL
8
2.96
Fuente: Estación Reductora Ambato. Elaboración: Los autores.
65
La ecuación para el primer tramo será la siguiente:
Para los tramos dos a cinco se repite el mismo cálculo. Tabla 2.16 Datos de los tramos. Tramo
L [m]
Dint [pulg]
ν [m2/s]
Є [m]
1
29.2
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
2
1.1
2.12
8.52x10-7
4.6x10-5
3
13.1
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
4
6
3.068
8.52x10-7
4.6x10-5
5
1.94
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
Fuente: Estación Reductora Ambato. Elaboración: Los autores.
Se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 2.17 Resultados Tramo
v (m/s)
Re x 105
f
ΣK
1
1.07
1.93
0.0178
2.96
2
4.37
2.76
0.0200
0.84
3
1.07
1.93
0.0178
5.03
4
4.17
3.81
0,0140
7.10
5
1.07
1.93
0.0178
0.33
Elaboración: Los autores.
Las ecuaciones resultantes son: Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3 Tramo 4 Tramo 5 66
2.3.2.3 Análisis de resultados Según se observa en los resultados, en el tramo 2, que corresponde al sitio donde se reduce la tubería de 6 a 2 pulg, se presentan la mayor cantidad de pérdidas.
Fig. 2.20 Tramo 2. Fuente: Estación Reductora Ambato.
Las causas para que la pérdida de carga sea elevada se debe a los siguientes factores: -
Se tiene una reducción muy abrupta en la tubería que va desde 6” a 2”.
-
El diámetro interno de la tubería es el menor de todos los tramos analizados ya que es de 2 pulgadas.
-
Es un tramo con menor longitud y accesorios de diámetro reducido en comparación con el resto de la tubería.
Al tener un diámetro reducido de tubería, la velocidad es mayor, por tanto aumenta el coeficiente de fricción. Las velocidades recomendadas según la Tabla 2.9 se sobrepasan en los tramos 2 y 4 (Tabla 2.17) que corresponden a las tuberías con diámetro de 2 pulg y 3 pulg respectivamente, por lo que se debería tener cuidado en este aspecto. Los tramos 3 y 5 presentan menor pérdida de carga, ya que su diámetro es mayor (6 pulg) y por ende la velocidad será menor reduciendo el factor de fricción. Además, no existe una cantidad considerable de accesorios que afecten el caudal transportado por esta tubería.
67
Fig. 2.21 Tramos 3 y 5. Fuente: Estación Reductora Ambato.
Ecuación general para el sistema de tuberías
El procedimiento de cálculo, ya sea para la gasolina extra y diesel (1 y 2), es el mismo, con la diferencia de que varían los valores de las propiedades dependiendo del tipo de fluido. Tabla 2.18 Propiedades de los fluidos. Densidad (Kg/m3)
Peso específico (N/m3)
Viscosidad cinemática (m2/s)
Gasolina Súper
750.4
7361.42
8.52x 10-7
Gasolina Extra
745.3
7311.39
8.59 x 10-7
Diesel 1
812.4
7969.64
2.35 x 10-6
Diesel 2
848.4
8322.80
6.75 x 10-6
Fluido
Fuente: Laboratorio de Control de Calidad Terminal Beaterio. Elaboración: Los autores.
Las ecuaciones generales del sistema de tuberías para cada fluido son:
68
Gasolina súper Gasolina extra Diesel 1 Diesel 2
2.4 Verificación de Resultados Los valores obtenidos mediante los cálculos realizados para los respectivos sistemas de tuberías y bombas, se comparan con un software especializado para flujo de fluidos en tuberías (Ver anexo 2.4). 2.4.1 Sistema de bombeo en Terminal El Beaterio Tabla 2.19 Eficiencia de bombas (601 y 602). Software (%)
Calculado (%)
Gasolina Súper
61
61
Gasolina Extra
59
59
Diesel 1
59
60
Diesel 2
57
58
Fluido
Elaboración: Los autores.
Se observa que la variación entre el cálculo realizado manualmente y el software es del 1%.
69
Tabla 2.20 Resultados de simulación por tipo de fluido.
Tramo
Velocidad (m/s) Software
Número Reynolds
Calculado
Software
Calculado
Factor Fricción Software
Calculado
GASOLINA SÚPER 1
2,423
2,42
290971
290457
1,80E-02
1,80E-02
2
1,026
1,068
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
3
2,086
2,088
190913
190994
1,94E-02
1,93E-02
4
1,026
1,068
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
5
2,423
2,42
290971
290457
1,80E-02
1,80E-02
6
1,026
1,068
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
GASOLINA EXTRA 1
2,326
2,327
276942
277116
1,80E-02
1,80E-02
2
0,985
1,025
180240
183957
1,79E-02
1,79E-02
3
2,002
2,004
181709
181827
1,94E-02
1,94E-02
4
0,985
1,025
180240
183957
1,79E-02
1,79E-02
5
2,326
2,327
276942
277116
1,80E-02
1,80E-02
6
0,985
1,025
180240
183957
1,79E-02
1,79E-02
DIESEL 1 1
2,35
2,352
102265
102152
2,01E-02
2,01E-02
2
0,995
1,036
66556
67810
2,08E-02
2,07E-02
3
2,023
2,025
67098
67023
2,19E-02
2,18E-02
4
0,995
1,036
66556
67810
2,08E-02
2,07E-02
5
2,35
2,352
102265
102152
2,01E-02
2,01E-02
6
0,995
1,036
66556
67810
2,08E-02
2,07E-02
DIESEL 2 1
2,204
2,214
33385
33535
2,42E-02
2,41E-02
2
0,933
0,976
21728
22268
2,60E-02
2,59E-02
3
1,897
1,907
21905
22012
2,67E-02
2,66E-02
4
0,933
0,976
21728
22268
2,60E-02
2,59E-02
5
2,204
2,214
33385
33535
2,42E-02
2,41E-02
6
0,933
0,976
21728
22268
2,60E-02
2,59E-02
Elaboración: Los autores.
70
2.4.2 Descarga en Estación Reductora Ambato Tabla 2.21 Resultados de simulación por tipo de fluido. Velocidad (m/s)
Tramo
Software
Número Reynolds
Calculado
Software
Calculado
Factor Fricción Software
Calculado
GASOLINA SUPER 1
1,026
1,069
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
2
4,6
4,37
283507
276192
2,01E-02
2,00E-02
3
1,026
1,069
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
4
4,172
4,17
381828
381404
1,84E-02
1,84E-02
5
1,026
1,069
189371
193238
1,78E-02
1,78E-02
GASOLINA EXTRA 1
0,985
1,025
180240
183821
1,79E-02
1,79E-02
2
4,415
4,196
269838
263008
2,02E-02
2,01E-02
3
0,985
1,025
180240
183821
1,79E-02
1,79E-02
4
4,005
4
363418
362874
1,85E-02
1,85E-02
5
0,985
1,025
180240
183821
1,79E-02
1,79E-02
DIESEL 1 1
0,995
1,036
66556
67926
2,08E-02
2,07E-02
2
4,462
4,24
99642
97086
2,18E-02
2,17E-02
3
0,995
1,036
66556
67926
2,08E-02
2,07E-02
4
4,047
4,046
134197
134167
2,00E-02
2,00E-02
5
0,995
1,036
66556
67926
2,08E-02
2,07E-02
DIESEL 2 1
0,939
0,975
21848
22258
2,60E-02
2,59E-02
2
4,207
4
32708
31694
2,53E-02
2,54E-02
3
0,939
0,975
21848
22258
2,60E-02
2,59E-02
4
3,816
3,81
44052
43812
2,33E-02
2,33E-02
5
0,939
0,975
21848
22258
2,60E-02
2,59E-02
Elaboración: Los autores.
71
Como se observa en las tablas anteriores, tanto para el sistema de bombeo y la fase de descarga en Ambato, los valores calculados comparados con los valores obtenidos en el software son muy parecidos, prácticamente no difieren significativamente, por lo que se puede asumir que estos valores representan el comportamiento real del sistema con cada uno de los fluidos transportados en el poliducto. 2.5 Sistema de admisión de aire 2.5.1 Descripción del sistema El sistema de admisión de aire para los motores diesel de la estación de bombeo utiliza un filtro ciclónico adaptado a conductos de chapa metálica con espesor de 2.2 mm.
1
Fig. 2.22 Filtro de aire. Fuente: Estación de bombeo PQAR.
El filtro de aire tipo ciclónico (Figura 2.22) es un equipo donde el flujo de aire ingresa a alta velocidad por la toma perimetral (1) y que al descender por la camisa cilíndrica exterior impacta en el reservorio de aceite quedando en este las partículas gruesas. A partir de aquí se genera una corriente ascendente helicoidal, provocada por el efecto del ciclón inferior que arrastra consigo pequeñas gotas de aceite y el polvo remanente. Esta acción de centrifugado se realiza dentro del cuerpo principal de la unidad hasta que la corriente alcanza el nivel del segundo ciclón el cual actúa como un guiador del flujo que impacta sobre los elementos filtrantes, estos 72
están construidos por dos paquetes de resorte de alambres, formando de tal manera un laberinto húmedo, por la presencia del aceite, donde queda retenido el polvo fino. El aire limpio seguirá el camino hacia las cámaras de admisión de la máquina. Un sistema de drenaje continuo desde los elementos filtrantes hacia el depósito, permite asegurar el arrastre de las partículas de polvo junto con el fluido. Estas partículas, debido a su mayor densidad, se depositarán en el fondo del recipiente, debiéndose proceder periódicamente al recambio de aceite.
Fig. 2.23 Esquema filtro ciclónico. Fuente: Manual Motor MAN, Carpeta de accesorios, p. 12.
Tabla 2.22 Dimensiones y caudales del filtro ciclónico. DIMENSIONES CAUDALES (2) MOD.
A-310
Aceite SAE
A (1)
B
C
D
E
mm
mm
mm
mm
mm
m3/min
pie3/min
20/30
861
1058
1947
285
50.26
1775
56
(1) De acuerdo con el modelo y tamaño de la máquina.
(2) Pérdida de carga 110 mmH2O. Fuente: Manual Motor MAN, Carpeta de accesorios, p. 12. Elaboración: Los autores.
73
El conducto de circulación de aire filtrado se acopla al turbocompresor, el cual es el encargado de suministrar la suficiente cantidad de aire a los cilindros del motor para la respectiva combustión. 1
5 2
3
4
Fig. 2.24 Esquema sistema admisión. Fuente: Estación de Bombeo PQAR.
Marca
Denominación
1
Conducto de admisión de aire
2
Turbocompresor
3
Distribuidor de aire a cilindros
4
Motor diesel
5
Salida de gases de escape
74
2.5.2 Cálculos 2.5.2.1 Relación Aire/Combustible (A/C) Análisis de gases Los valores de los porcentajes de los productos son obtenidos mediante un análisis de gases en la chimenea de los gases de escape. Tabla 2.23 Resultados de análisis de gases. Producto
O2
CO2
CO
CO
Unidad
%
%
ppm
%
Motor 2
9.8266
8.8466
977.83
0.0978
Motor 3
9.2333
9.3350
560.83
0.0561
Promedio
9.5299
9.0908
-
0.0769
Fuente: Seguridad Industrial Terminal Beaterio. Elaboración: Los autores.
Ecuación estequiométrica Para realizar el balance de masa, se tendrá como reactivos: Diesel (C12H26) y aire teórico [At (O2 + 3.76N2)], y como productos: CO2, CO, O2, H2O, N2. La expresión será la siguiente: C12H26 + At (O2 + 3.76N2) → xCO2 + yH2O + zN2 C: x = 12 H: 2y = 26 y = 13 O2: At = x + y/2 At = 18.5
75
Con exceso de aire xC12H26 + 18.5λ (O2 + 3.76N2) → 9.09CO2 + 0.077CO + 9.53O2 + bN2 + cH2O C: 12x = 9.09 + 0.077 x = 0.764 H: 26x = 2c c = 9.932 N2: 18.5*λ*3.76 = b 69.56*λ = b O2: 18.5*λ = 9.09 + 0.077/2 + 9.53 + c/2 λ = 1.277 b = 88.828 Aire teórico At = 18.5*λ At = 23.62 La ecuación estequiométrica final es la siguiente: C12H26 + 30.92 (O2 + 3.76N2) → 11.89CO2 + 0.1CO + 12.47O2 + 116.27N2 + 13H2O
⁄
⁄
( (
⁄
)( ) (
⁄
⁄
) ⁄
)
⁄
Este resultado indica que el motor necesita quemar 25.11 kg de aire por cada kilogramo de combustible.
76
2.5.2.2 Consumo de combustible Se realiza un promedio para determinar el consumo de combustible en un motor diesel cualquiera. Tabla 2.24 Consumo diario de combustible. Día
Volumen (gal/día)
1
591.3
2
560.7
3
544.1
4
560.6
5
477.9
6
513.3
7
548.6
8
476.3
Promedio
534.1
Fuente: Sala de Operaciones, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
Masa de combustible consumida en una hora Datos: V = 11.13 gal = 0.04213 m3 ρ = 848.4 kg/m3
2.5.2.3 Volumen de aire por cilindro del motor diesel Datos: Diámetro cilindro = 160 mm Carrera émbolo = 180 mm
77
2.5.2.4 Cantidad de aire consumido Masa Ideal Datos: V = 0.00361 m3 ρ@55ºC = 1.041 kg/m3
La cantidad de aire que el motor necesita girando a 1200 rpm será: (
)(
)(
)
Este valor es la cantidad de aire que idealmente necesita el motor para su funcionamiento. Se coloca el valor de 600 rpm porque el motor necesita dar 2 vueltas para completar un ciclo de trabajo de 4 tiempos. Es decir, necesita dar 600 rpm de admisión y 600 rpm para compresión, explosión y escape. Masa Real
⁄ Este valor es el correspondiente a la masa real de consumo de aire por parte del motor que necesita para la admisión de los 8 cilindros. Como el valor de masa ideal mI es mayor al valor de masa real mR (1079.4 > 898) admitida por el motor, se deduce que el sistema de admisión no entrega la cantidad de aire suficiente requerida por el motor. 78
2.5.2.5 Análisis del ciclo Diesel Ahora se realiza el estudio del ciclo Diesel para determinar temperaturas en los cilindros y finalmente determinar la eficiencia del motor. Datos: maire = 898 kg r = 13:1 rc = 4.5 Pentrada aire = 17,62 PSI Tentrada = 55 ºC ρ@328K = 1.077 kg/m3 R = 0.287 kJ/kgK k@328K = 1.398 cp@328K = 1.005 kJ/kgK cv@328K = 0.718 kJ/kgK Esquema
Fig. 2.25 Diagrama P vs. V Elaboración: Los autores.
79
Volumen de aire
Proceso 1-2: Compresión ( )
( )
Proceso 2-3: Adición de calor P2 = P3 = 635.8 PSI
Proceso 3-4: Expansión ( )
( )
80
Calor de entrada y salida (
)
(
)
Eficiencia térmica
2.5.2.6 Pérdidas de carga en el ducto de aire Datos: m = 898 kg ρ@15ºC = 1.21 kg/m3 D = 0.304 m Volumen y caudal de aire
Velocidad del aire en el ducto
⁄ 81
Pérdidas en tuberías rectas hL = Factor de pérdida por fricción en ductos. (Ver anexo 2.5).
Tramo
L(m)
hL(Pa/m)
HL(Pa)
1
10
0.37
3.7
2
0.82
0.37
0.303
Cargas dinámicas (
)
(
)
C = 0.33 (Codo a 90º, 5 piezas redondeado).
Tabla 2.25 Coeficiente C de pérdida dinámica. Accesorio
C
Codo 90º Liso, redondeado
0.22
Codo 90º 5 piezas, redondeado
0.33
Codo 90º 4 piezas, redondeado
0.37
Codo 90º 3 piezas, redondeado
0.42
Codo 90º Biselado, redondeado
1.20
Codo 90º Liso, rectangular
0.18
Tee, ramal
1.00
Tee, flujo a través del tramo principal
0.10
Y simétrica
0.30
Fuente: MOTT, Robert, Mecánica de fluidos, 6ta. Edición, p. 576. Elaboración: Los autores.
82
Pérdida de carga total Este valor corresponde a la suma entre los valores de pérdidas de carga en los tramos rectos, accesorios y filtros.
Restricción de admisión de aire Datos: L = 10.82 m (tramo recto). ρ = 1.21 kg/m3 Q = 12.97 m3/min D = 300 mm
Como este valor se mantiene por debajo de lo admisible, (0.5 > 0.0087), este valor es aceptable.
2.5.3 Análisis de resultados -
La cantidad de aire ingresada en el motor es inferior a la que este necesita ya que ingresa 898 kg/h y la mínima necesaria para este motor es de 1079 kg/h.
-
La velocidad para el transporte del aire en ductos circulares (Ver Anexo 2.5) se encuentra dentro de los parámetros recomendados, por lo que el diámetro del ducto es el adecuado, sin embargo, la
83
longitud del ducto (10.82 m) no es la apropiada, ya que genera pérdidas de carga por accesorios que son innecesarios. -
El filtro actualmente instalado es demasiado grande en tamaño, pues, con otro filtro de menores dimensiones se puede lograr la misma capacidad de filtración e inclusive mejorar su eficiencia.
Fig. 2.26 Filtros y depuradores de aire instalados. Elaboración: Los autores.
-
La restricción de aire se mantiene por debajo de los parámetros admisibles, pudiendo ser aceptado su diseño, pero se debe tomar en cuenta que este sistema de admisión instalado se encuentra totalmente expuesto a las condiciones climáticas del sector, siendo difícil su mantenimiento por el gran volumen del elemento y ocupando un espacio que puede ser aprovechado para otras labores de la estación de bombeo.
84
CAPÍTULO III REDISEÑO DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO Y ADMISIÓN DE AIRE 3.1 Fase de succión 3.1.1 Cambios a realizarse De acuerdo al diagnóstico, las velocidades en los tramos de tubería de 3 pulgadas (distribuidor para contadores sin utilizar) se encuentran elevadas, entre 2 a 2.42 m/s (Tabla 2.8), respecto a los valores recomendables de 0.6 a 1.2 m/s (Tabla 2.9), además que estos elementos, al no encontrarse en funcionamiento, ocasionan que al momento de transportarse el fluido por dicha tubería se produzca un rozamiento y por ende una pérdida de carga en los mismos. Por ello la propuesta es suprimir dicho distribuidor y colocar una tubería de 6 pulgadas que reemplace todo estos elementos, mencionando que la misión de tales contadores fue reemplazada por un contador de flujo másico.
Fig. 3.1 Contador de flujo másico. Fuente: Poliducto Q-A-R.
Otra alternativa planteada es que la tubería de descarga de la bomba Booster sea ampliada de 4 a 6 pulgadas, de forma que se tenga un diámetro de tubería, en toda la fase de succión, lo más uniforme posible.
85
Todos estos cambios planteados e ilustrados en el Anexo 3.1 se realizan tomando en cuenta que no se debe reemplazar por ningún motivo los grupos motor-bomba. 3.1.2 Cálculos del sistema de bombeo Se empleara un método de cálculo utilizado para sistemas donde las pérdidas menores juegan un papel principal en la determinación del que puede ser el máximo flujo volumétrico cuando existe una caída de presión limitante en el sistema, para una cantidad especificada12. 3.1.2.1 Determinación del flujo volumétrico Datos: ΔZ = 0.52 m (Diferencia de alturas) γ = 8322.8 N/m3 (Diesel 2) Ltub = 39.22 m D = 6.065 pulg PA = 80 PSI (Entrada) PB = 72 PSI (Salida) Ecuación de la energía
Como el sistema en el punto A se encuentra a velocidad cero (Entrada a bomba Booster), entonces se elimina y se tiene: (
)
(
)
Ecuación de pérdidas de carga en el sistema (
12
)
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006, p. 336.
86
El valor de K para cada accesorio se calcula con un software especializado en flujo de tuberías. Tabla 3.1 Listado de válvulas y accesorios. Accesorio
Cantidad
K
Ktotal
Codo 90°
19
0.19
3.61
Codo 45°
4
0.24
0.96
Tee
3
0.9
2.70
Válvula compuerta
5
0.12
0.60
Válvula check
2
1.85
3.70
Válvula bola
3
0.05
0.15
Expansión 4" a 6"
1
0.13
0.13
Expansión 3" a 6"
2
0.33
0.66
Reducción 6" a 3"
2
0.62
1.24
Filtro separador
6
10.1
60.6
ΣK TOTAL
74.35 Fuente: Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
Se comienza estableciendo un factor de fricción f = 0.020 (13). La ecuación de las pérdidas de carga obtenida será: (
)
Reemplazando esta ecuación y los datos en la ecuación de la energía del sistema de tuberías, se obtiene la velocidad vB: [( √
13
)
MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, p.338.
87
]
Por tanto, el número de Reynolds es:
Re = 2.99 x 104 (Régimen turbulento) El factor de fricción calculado con un factor inicial fo = 0.020 es:
√
(
√
)
f = 0.0245 Este nuevo valor de f reemplazamos en la ecuación de velocidad vB, para obtener un nuevo número de Reynolds y por consiguiente un nuevo factor de fricción. Este proceso iterativo se realiza hasta que el factor de fricción no varíe, el mismo que se efectuó en una hoja de cálculo de Excel (Ver Anexo 3.2).Los resultados finales fueron: vB = 1.31 m/s Re = 2.99 x 104 f = 0.0246 Con la velocidad vB se calcula el flujo volumétrico.
⁄ 3.1.2.2 Presión de salida necesaria Ahora se determina la presión de salida que se requiere en el terminal “El Beaterio” para vencer la cota más alta del perfil del poliducto (Ver Anexo 2.1) ubicado en las faldas del volcán Cotopaxi.
Se toma en cuenta que la presión mínima que se
requiere para vencer esta altura es 30 PSI. Se fijan 3 sitios para realizar este cálculo, los cuales son: 88
Tabla 3.2 Puntos de referencia. Zona Beaterio
Temperatura [°C] 15.6
Altura [msnm] 2910
15.6
3156
5
3555
Romerillo Nasa
Fuente: Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
Tramo Nasa – Romerillo Datos: P2 = 30 PSI Z2 = 3555 m Z1 = 3156 m v = 1.31 m/s γ = 8332.80 N/m3 L = 6323 m Kcdd = 14.68(Ver anexo 3.3) Pérdidas de carga Se realiza la sumatoria entre las pérdidas por fricción, pérdidas en válvulas y pérdidas por cambios de dirección (cdd)14. Tabla 3.3 Válvulas tramo Nasa - Romerillo Tipo de válvula
Cantidad
K
Válvula compuerta
1
0.12
Válvula check
1
1.85
TOTAL
1.97 Fuente: Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
14
PARRA JÁCOME, Rony Mauricio, “Optimización de la operación en el transporte de derivados de petróleo”, Tesis de Grado, Quito, marzo, 2010.
89
(
)
Ecuación de energía
Como v1 = v2 y despejando P1 se tiene: [
(
)
]
Este el valor de presión en el sitio el Romerillo. Tramo Beaterio – Romerillo Datos: P2 = 4.27x106Pa Z1 = 2910 m Z2 = 3156 m v = 1.31 m/s γ = 8322.80 N/m3 L = 28658 m Kcdd = 76.48 (Ver anexo 3.4) Pérdidas de carga Tabla 3.4 Válvulas tramo Beaterio - Romerillo Tipo de válvula Válvula compuerta
Cantidad
Ktotal
3
0.36
Fuente: Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
90
(
)
Ecuación de energía
Como v1 = v2 y despejando P1finalmente se tiene: [
]
Este último valor (P1) es el correspondiente a la presión de descarga con la que el fluido debe salir del terminal “El Beaterio” para poder vencer la cota más alta del poliducto a 3555 msnm, tomando en cuenta que en Ambato se encuentra abierta completamente la válvula reductora de presión. Realizando el mismo cálculo a partir de la determinación del flujo volumétrico hasta obtener la presión de descarga necesaria en el terminal, se obtiene los resultados según el combustible bombeado. Tabla 3.5 Resultados por tipo de fluido. Q
Pdescarga
FLUIDO (GPH)
(m3/s)
(PSI)
Gasolina Súper
24875
0.02616
1145
Gasolina Extra
24955
0.02624
1131
Diesel 1
23872
0.02510
1266
Diesel 2
23226
0.02442
1407
Elaboración: Los autores.
91
3.1.2.3 Eficiencia de bomba Según el valor de caudal obtenido por tipo de fluido se obtiene la eficiencia de la bomba por medio de la siguiente ecuación. η = 4327.25Q – 63650.82Q2 Tabla 3.6 Eficiencia de bomba por tipo de fluido. Caudal (m3/s)
Eficiencia (%)
Gasolina Súper
0.02616
70
Gasolina Extra
0.02624
70
Diesel 1
0.02510
69
Diesel 2
0.02442
68
Fluido
Elaboración: Los autores.
3.1.2.4 Potencia efectiva BHP Se calcula con Diesel 2 debido a que es el fluido con mayor densidad y viscosidad. Datos: Q = 0.02442 m3/s H = 764.25 m ρ = 848.4 Kg/m3 g = 9.81 m/s2 η = 68%
Con el valor de la potencia hidráulica o útil (P) se calcula la potencia efectiva (BHP).
92
3.1.2.5 Potencia requerida del motor15 El motor se encuentra trabajando a una altitud de 2910 msnm, y debido a que la densidad del aire y temperatura disminuye a mayor altura, provoca una pérdida de potencia que influye en el dimensionamiento de las características del mismo. Cada 300 msnm pierde 3% y cada 5.6 ºC a partir de 15.6 ºC pierde 1%, por tanto, como el motor diesel trabaja a la temperatura promedio de 15.6 ºC, solo es necesario corregir el valor de altura en 29.1%. Pmotor = (0.291*306) + 306 Pmotor = 395 HP Según datos de placa (Tabla 2.1), la potencia del motor a 2910 msnm es de 500 HP, lo que indica que la potencia requerida por el motor para bombear el nuevo caudal de Diesel 2 (Combustible más pesado) satisface la necesidad, ya que se encuentra por debajo de la potencia instalada en la estación. 3.1.2.6 Espesor de tubería Se determina el espesor de tubería (tnom) adecuado para garantizar que el tipo de tubería escogida es la óptima para el sistema de tuberías rediseñado. La tubería escogida es la 5LX-X52, la cual es la misma tubería del poliducto. Datos: P = 1200 PSI D = 6.625 pulg. S = 52000 PSI 15
CRUZ, Ricardo; LÓPEZ, Mario, “Adecuación de tierras”, http://www.cenicana.org/pdf, p. 101.
93
E = 1.00 Y = 0.40 A = 0.08 pulg.
[
(
)
]
El espesor de la tubería escogida es 0.28 pulg. Comparando con el valor obtenido de 0.17 pulg mediante la fórmula se observa que el valor escogido es mayor al calculado, por tanto se satisface el requerimiento de diseño con este tipo de tubería. 3.1.2.7 Ecuación del sistema de tuberías Datos: Hgeo = 0.52 m Pdescarga = 4.13x106Pa Psucción = 4.96x105Pa γ = 8322.8 N/m3
γ
Se determinan dos tramos en el sistema con un diámetro interno de tubería diferente. Tabla 3.7 Datos de tramos. Tramo
L [m]
Dint [pulg]
ν [m2/s]
Є [m]
1
39.22
6.065
6.75x10-6
4.6x10-5
2
10.76
4.026
6.75x10-6
4.6x10-5
Elaboración: Los autores.
94
Tabla 3.8 Valores de tramos 1 y 2. Tramo
Dint[pulg]
v [m/s]
Re
f
1
6.065
1.23
2.81x104
0.0246
2
4.026
2.79
4.23x104
0.0230
Elaboración: Los autores.
Tabla 3.9 Accesorios tramo 1. Accesorio
Cantidad
Ktotal
Codo 90° x 6”
19
3.61
Codo 45° x 6”
4
0.96
Válvula Compuerta 6”x150
5
0.6
Válvula Check 6”x150
2
3.7
Válvula Bola 6”x150
3
0.15
Tee 6”
3
2.7
Ampliación 4” – 6”
1
0.13
Ampliación 3” – 6”
2
0.66
Reducción 6”- 3”
2
1.24
Filtro Fram
6
60.6
ΣK TOTAL
74.35 Fuente: Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
La ecuación para el primer tramo será de la siguiente forma: ∑[
]
Las ecuaciones para los tramos de tubería serán las siguientes:
95
Finalmente, la ecuación general para el sistema de tuberías es:
Todo el procedimiento de cálculo realizado se efectúa de la misma forma hasta llegar a la ecuación general del sistema de tuberías ya sea para la gasolina extra, diesel 1 y diesel 2, cambiando los valores de las propiedades físicas dependiendo del tipo de fluido. Las ecuaciones resultantes son las siguientes: Gasolina Súper Gasolina Extra Diesel 1 Diesel 2
3.1.2.8 Punto de operación en el sistema de tuberías Realizando la intersección entre la curva del sistema con la curva de la bomba, se obtiene el punto de operación, para cada tipo de fluido. Tabla 3.10 Resultados del punto de operación. Caudal Fluido
Bomba
Altura
m3/s
GPH
[m]
601
0.02616
24879
436.9
602
0.02616
24879
910.4
601
0.02624
24955
436.5
602
0.02624
24955
910.1
601
0.02521
23975
440.6
602
0.02521
23975
914.1
601
0.02370
22539
446.2
602
0.02370
22539
919.7
G. Súper
G. Extra
Diesel 1
Diesel 2
Elaboración: Los autores.
96
GASOLINA SÚPER
Fig. 3.2 Punto de Operación G. Súper. Elaboración: Los autores.
97
GASOLINA EXTRA
Fig. 3.3 Punto de Operación G. Extra. Elaboración: Los autores.
98
DIESEL 1
Fig. 3.4 Punto de Operación Diesel 1. Elaboración: Los autores.
99
DIESEL 2
Fig. 3.5 Punto de Operación Diesel 2. Elaboración: Los autores.
100
3.1.2.9 Análisis de cavitación Este cálculo se lo realiza para saber si la bomba multietapa se encuentra o no con fenómeno de cavitación.
El cálculo se lo
realiza con gasolina, por ser el fluido del cual se dispone el valor de presión de vapor. Cálculo de NPSHR Datos: n = 3774 rpm Q = 0.02616 m3/s Debido a que no se dispone el dato de catálogo del NPSHR de la bomba, se estimará este valor mediante la expresión:
√(
Cálculo de NPSHD Datos: P0 = 80 PSI = 5.51x105Pa Psat = 5.6x104 Pa Hasp = 0.52 m Hr = 7.91 m γ = 7361.42 N/m3
101
⁄
)
Condición de cavitación
Este resultado indica que la bomba multietapa no se encuentra en cavitación, por lo que es óptima para el sistema de bombeo. 3.1.3 Análisis de resultados -
Los caudales estimados de cada uno de los fluidos transportados a través del sistema rediseñado se incrementaron con relación a los valores actuales (Tabla 3.11), y por consiguiente, se reduce las velocidades altas en los tramos modificados teniendo en cuenta que no se cambiaron los grupos motor bomba. Tabla 3.11 Caudales Caudal (GPH) Fluido Anterior
Estimado
Gasolina Súper
18925
24879
Gasolina Extra
18164
24955
Diesel 1
18355
23975
Diesel 2
17309
22539
Elaboración: Los autores.
-
Otro valor significativo es la eficiencia de la bomba, la cual logra incrementarse en un 10% (Tabla 3.12), esto indica que es factible mejorar la capacidad de bombeo, además de haberse comprobado que no existe cavitación, independientemente del fluido bombeado.
102
Tabla 3.12 Eficiencia de bomba Eficiencia (%)
Fluido
Anterior
Estimada
Gasolina Súper
61
70
Gasolina Extra
59
70
Diesel 1
60
69
Diesel 2
58
68
Elaboración: Los autores.
-
El punto de operación cambia respecto al sistema actual (Tabla 3.13), porque debido al aumento de caudal se disminuye la altura de cabeza tal y como debería suceder en los sistemas de tuberías, por tanto, el sistema rediseñado se comporta acorde a los siguientes valores: Tabla 3.13 Punto de operación Caudal (GPH) Fluido
Altura (m)
Bomba Actual
Estimado
Actual
Estimado
601
18950
24879
458.6
436.9
602
18950
24879
932.1
910.4
601
18177
24955
461.0
436.5
602
18177
24955
934.56
910.1
601
18368
23975
460.46
440.6
602
18368
23975
933.97
914.1
601
17295
22539
463.67
446.2
602
17295
22539
937.18
919.7
G. Súper
G. Extra
Diesel 1
Diesel 2
Elaboración: Los autores.
103
3.2 Fase de descarga en Ambato Se estima un valor de presión máxima de descarga de 320 PSI. Se establecen dos tramos de tubería, con diámetro nominal de cuatro y seis pulgadas respectivamente. 3.2.1 Ecuación del sistema de tuberías Se realiza el cálculo con gasolina súper, debido a que con este fluido se bombea el mayor caudal a través del poliducto. Datos: Hgeo = 0.117 m ΔP= 320 PSI = 2.21 x 106 Pa γ = 7361.42 N/m3 Altura estática
γ
Se establecen los datos de acuerdo al diámetro de tubería. Tabla 3.14 Datos de tramos. Tramo
L [m]
Dint [pulg]
ν [m2/s]
Є [m]
Q [m3/s]
1
29.62
6.065
8.52x10-7
4.6x10-5
0.02615
2
18.3
4.026
8.52x10-7
4.6x10-5
0.02615
Elaboración: Los autores.
Ahora se determina el número de Reynolds y el factor de fricción mediante las ecuaciones 1.21 y 1.24 respectivamente.
104
Tabla 3.15 Resultados. Re x 105
f
1
v [m/s] 1.4
2.54
0.0176
2
3.18
3.82
0.0172
Tramo
Elaboración: Los autores.
Se fijan las válvulas y accesorios que se requieren en el nuevo diseño y se determina el valor del coeficiente de fricción. Tabla 3.16 Accesorios y válvulas. Tramo 1
Tramo 2
D=6”
D=4”
Accesorios y Válvulas
Cantidad
KTotal
Cantidad
KTotal
Codo 90°
4
0.76
9
1.89
Codo 45°
2
0.48
1
0.27
Válvula Compuerta
3
0.36
0
0
Válvula Bola
2
0.10
8
0.40
Válvula con Filtro
1
1.10
0
0
Tee 6”
3
2.70
5
5.10
Reducción 6”- 4”
4
0.64
0
0
Reducción 6”- 2”
2
34.52
0
0
Reducción 4”- 3”
0
0
2
0.18
Reducción 3”- 2”
0
0
2
0.92
Ampliación 2”- 6”
2
1.70
0
0
TOTAL
23
42.36
27
8.76
Fuente: Estación Reductora Ambato. Elaboración: Los autores.
Obtenidos los datos se establecen las ecuaciones con la siguiente fórmula: ∑[
105
]
Las ecuaciones serán las siguientes: Tramo 1 Tramo 2 La ecuación general para el sistema de tuberías con gasolina súper es:
El procedimiento de cálculo, ya sea para la gasolina extra y diesel (1 y 2), es el mismo, con la diferencia de que varían los valores de las propiedades dependiendo del tipo de fluido. Tabla 3.17 Propiedades de los fluidos. Densidad (Kg/m3)
Peso específico (N/m3)
Viscosidad cinemática (m2/s)
Gasolina Súper
750.4
7361.42
8.52x 10-7
Gasolina Extra
745.3
7311.39
8.59 x 10-7
Diesel 1
812.4
7969.64
2.35 x 10-6
Diesel 2
848.4
8322.80
6.75 x 10-6
Fluido
Fuente: Poliducto Q-A-R, Laboratorio de Control de Calidad. Elaboración: Los autores.
Las ecuaciones generales del sistema de tuberías para cada fluido son: Gasolina Súper Gasolina Extra Diesel 1 Diesel 2
106
3.2.2 Análisis de resultados -
Debido al incremento de caudal en la fase de succión las velocidades en la fase de descarga se elevan, por tanto fue necesario aumentar el diámetro de tubería en los tramos de sección reducida, sobre todo en los ramales donde se encuentran las válvulas reductoras de presión, a fin de evitar el aumento de la velocidad sobrepasando los valores recomendados en la Tabla 2.9 y por ende disminuir la fricción entre el fluido, tubería y accesorios.
-
Se disminuye las pérdidas de carga por fricción. Al eliminar accesorios y válvulas innecesarias, se facilita la circulación del fluido (Ver anexo 3.1).
-
En el tramo de las válvulas reductoras de presión antes se utilizaba los dos ramales de 2 pulg de diámetro sin tener un ramal secundario o de paso alterno, por tal motivo, el rediseño toma en cuenta este aspecto y se propuso ocupar un solo ramal de 4 pulg y disponer de otro de paso alterno para ser utilizado cuando se presenten labores de mantenimiento preventivo o correctivo.
Fig. 3.3 Tramo 2. Elaboración: Los autores.
107
3.3 Sistema de admisión de aire Se propone modificar la distancia del ducto de aire, por las siguientes razones: -
El filtro se encuentra a una distancia de 3 metros respecto al ducto de escape del motor, produciendo contaminación en el aire de ingreso.
Fig. 3.4 Ubicación del filtro de aire respecto al escape. Fuente: Poliducto Q-A-R
-
Proteger el filtro de las condiciones climáticas de la zona según se observa en la figura 3.3.
El plano respectivo del rediseño propuesto se indica en el Anexo 3.5. 3.3.1 Pérdidas de carga en el ducto Datos: m@1500rpm = 1350 kg ρaire@15ºC = 1.21 kg/m3 3.3.1.1 Volumen y caudal de aire
108
⁄
⁄
3.3.1.2 Velocidad del aire en el ducto Datos: D = 0.304 m L = 0.8 m
⁄ 3.3.1.3 Pérdidas en tuberías rectas hL = 0.7 Pa/m (Ver anexo 3.6).
3.3.1.4 Cargas dinámicas C = 0.33 (Codo a 90º, 5 piezas redondeado, Tabla 2.25). (
)
(
)
3.3.2 Parámetros para selección de filtros de aire Los aspectos principales para seleccionar un filtro adecuado son: 1. Escoger filtros suministrados por fabricantes que puedan proporcionar el mejor control de calidad.
109
2. Optar por filtros resistentes a daños en el armado inicial o durante la limpieza. Si el sello final y el material del filtro son susceptibles de daño, puede generarse una fuga de aire. 3. Para elegir un filtro, se debe tomar en cuenta los contaminantes presentes en el ambiente alrededor del motor. Los valores de los compuestos
orgánicos
volátiles
y el
material
particulado
circundante a la estación de bombeo se encuentran en las tablas 3.18 y 3.19 respectivamente. Tabla 3.18 Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) Ensayo
Unidades
Resultado
3
0.0002
Tolueno
3
mg/m
0.0007
Xileno
mg/m3
0.0002
Benceno
mg/m
Fuente: Seguridad Industrial, Terminal Beaterio. Elaboración: Los autores.
Tabla 3.19 Muestreo de material particulado. Punto de muestreo
CA 2
Fecha de medición
09-09-2010
MP10 (µg/m )
30.6
Concentración máxima permisible en 24 horas (µg/m3) 150
MP2,5 (µg/m3)
105.1
65
CO (µg/m3)
< L.D.
10000*
NO2 (µg/m3)
82.7
150
SO2 (µg/m3)
< L.D.
350
O2 (µg/m3)
194.23
160**
Temperatura (°C)
16.8
---
Presión (mmHg)
538.2
---
3
< L.D. = Menor al límite de detección del equipo. *Concentración obtenida para un período de 8 horas. **Concentración obtenida para un período de una hora. Fuente: Seguridad Industrial, Terminal Beaterio. Elaboración: Los autores.
110
3.3.2.1 Cantidad de ingreso de material particulado Los motores no deben absorber más de 34,5 mg/hora/cilindro (16) de polvo a potencia nominal para lograr una vida útil aceptable. (
)
Datos: V = 656.67 pie3/min d = 3.84E-3 mg/pie3 e = 0.95 n=8 D = 0.94 mg/h/cilindro 3.3.3 Selección de filtro y depurador Para escoger el filtro más adecuado para el sistema de admisión, se establece los siguientes parámetros: 1. Flujo de aire: 18.6 m3/min. 2. Se escogerá un depurador con filtro de la marca Cummins Sistema Optiair para uso industrial.
Fig. 3.5 Diseño de filtro y depurador de aire seleccionado. Fuente: cumminsfiltration.com
3. Según la tabla 3.20, el filtro más adecuado para el caudal de 18.6 m3/min es el modelo AH19481.
16
CATERPILLAR, “Guía de Aplicación e Instalación de Sistemas de Admisión de Aire”, 2005, p. 7.
111
Tabla 3.20 Selección de filtros de aire
Fuente: Selecting An Air Filter, cumminsfiltration.com, p. 5-6.
112
4. La pérdida de carga para este modelo es de 1.25 kPa. Tabla 3.21 Pérdida de carga vs. Flujo de aire.
Fuente: Modelo AH19481, cumminsfiltration.com, p. 5-31.
5. El depurador indicado para el filtro escogido es el modelo AH19080 (Ver Tabla 3.23), cuyas características y planos se indican en el Anexo 3.7. La pérdida de carga para este depurador es de 1 kPa. Tabla 3.22 Pérdida de carga del depurador seleccionado.
Fuente: Metal Air Cleaners, cumminsfiltration.com, p. 5-101.
113
Tabla 3.23 Selección del depurador de aire.
Fuente: Selecting An Air Filter, cumminsfiltration.com, p. 5-6.
114
3.3.4 Pérdida de carga total Corresponde a la suma entre los valores de: HL = 0.57 Pa, en tramos rectos HL= 3.50 Pa, de cargas dinámicas HL= 1250Pa, del filtro de aire HL= 1000Pa, del depurador de aire
3.3.5 Restricción de admisión de aire Datos: L = 0.8 m (tramo recto) ρ = 1.21 kg/m3 Q = 18.6 m3/min D = 300 mm # Codos = 3 Según la guía para motores diesel Caterpillar17, la longitud equivalente para un codo de radio largo es:
Por tanto, el rediseño es factible porque 0.0116 < 0.5. 17
CATERPILLAR, “Guía de Aplicación e Instalación de Sistemas de Admisión de Aire”, 2005, p. 20.
115
3.3.6 Análisis de resultados -
De acuerdo a los análisis de gases (Ver Anexo 3.8) realizados en la estación de bombeo, los valores de material particulado, compuestos orgánicos volátiles y otros contribuyeron a una mejor selección del filtro y depurador de aire, los cuales son los más adecuados para el sistema de admisión rediseñado. Tabla 3.24 Elementos seleccionados. Elemento
Marca
Modelo seleccionado
Filtro
Cummins
AH19480
Depurador
Cummins
AH19080
Fuente: cumminsfiltration.com
-
El depurador y filtro escogidos tiene una eficiencia del 99.9 %, además que son elementos de fácil instalación, reposición y de tamaño reducido en comparación con el instalado actualmente.
-
Según la guía de aplicación e instalación de sistemas de admisión de aire de Caterpillar, un diseño es favorable solo si la presión de restricción se mantiene por debajo de 0.5 kPa, y, como el valor calculado se mantiene por debajo de lo admisible (0.5 > 0.0116) este diseño es aceptable.
116
CAPÍTULO IV SIMULACIÓN DE FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERÍAS 4.1 Software para flujo de fluidos 4.1.1 Metodología de cálculo Este software permite calcular las variables tales como presión, velocidad, número de Reynolds, factor de fricción, entre otros, que determinan el comportamiento de los fluidos incompresibles en un sistema de tuberías. Los resultados calculados se muestran por cada tubería, de acuerdo a los siguientes datos de entrada: -
El tamaño interno, rugosidad interna y longitud de cada tubería de unión.
-
La elevación de cada punto de unión (nodo).
-
Las condiciones de entrada y salida del fluido en cada punto de unión.
-
La elevación, el líquido, nivel y datos de presión superficiales para cada tanque.
-
Los datos de funcionamiento para cada bomba.
4.1.1.1 Estados del fluido Se refiere al régimen de flujo, el software maneja tanto flujos laminares como turbulentos. 4.1.1.2 Viscosidad del fluido Puede ser descrito por su viscosidad dinámica (absoluta) o la viscosidad cinemática. 4.1.1.3 Número de Reynolds (Re) Describe la relación entre velocidad de fluido, diámetro interno de tubería y la viscosidad cinemática.
117
El software utiliza este valor para definir el estado del fluido. Si se tiene un número de Reynolds aproximadamente de 2100 el software considera al flujo como laminar, si el número supera este valor el flujo se considera turbulento. 4.1.1.4 Factores de fricción Para un flujo turbulento, se aplica la ecuación de Colebrook cuya expresión es: [
√
√
]
Donde: f = Factor de fricción. e = Rugosidad interna de tuberías. D = Diámetro interno de tuberías. 4.1.1.5 Resistencia al flujo Se refiere a las pérdidas de carga presentes en el sistema de tuberías. Se calcula por medio de la fórmula de Darcy - Weisbach.
Donde: H = Pérdida de flujo. L = Longitud de trabajo de tuberías. v = Velocidad de fluido. g = Aceleración de la gravedad.
4.1.1.6 Pérdidas de carga en accesorios Estas pérdidas son las que se producen en los accesorios de tuberías. El factor K es un valor adimensional para cada tipo de
118
accesorio que ayuda al cálculo de esta pérdida, por medio de la expresión:
Donde: K = Factor de pérdida publicado por el fabricante. El software dispone de una base de datos para selección de válvulas y accesorios. Además dispone de una ayuda para el cálculo en accesorios como: -
Ampliaciones graduales y bruscas.
-
Contracciones graduales y bruscas.
-
Curvas de tuberías largas.
4.1.2 Introducción al software El software especializado en flujo de fluidos permite simular el comportamiento de estos en sistemas de tuberías sin importar el tipo de configuración de la red, así como el tipo de fluido a utilizar, ya que se puede cargar a la base de datos las propiedades físicas de cualquier clase de fluido, características de la tubería y cualquier tipo de accesorio o válvula a utilizar. 4.1.2.1 Herramientas del sistema Permiten la navegación en el programa ya sea para elaborar archivos nuevos o para editar los existentes.
Las principales
funciones son:
Barra de menú Es aquella en donde se puede crear y editar archivos, modificar unidades, definir características de fluidos y configurar los sistemas de tuberías. 119
Figura 4.1 Barra de Menú.
Botones de herramientas La mayor parte de las funciones pueden ser realizadas usando un botón sobre la barra de herramientas.
Figura 4.2 Botones de herramientas.
Marca
Denominación
1
Botones de edición de archivos.
2
Unidades del sistema.
3
Tipo y características del fluido.
4
Configuración de sistema de tuberías.
5
Botón para cálculo del sistema.
120
4.1.2.2 Ingreso de datos Sistema de unidades Se establece el sistema métrico para los cálculos respectivos, excepto para la presión en donde se fija la unidad PSI por ser la unidad a la cual están calibrados los instrumentos de medición en el sistema de bombeo.
Figura 4.3 Especificación de unidades.
Material de tubería La tubería 5LX-X52 es de acero con cédula 40.
El software
especifica los diámetros a escoger y sus principales características.
121
Figura 4.4 Especificación de tubería.
Tipo de fluido Se agregan a la base de datos los fluidos con las características proporcionadas por el Laboratorio de Control de Calidad del Terminal Beaterio.
Figura 4.5 Tipos de fluidos ingresados.
Plantilla de dibujo El sistema de tuberías será dibujado en un plano isométrico ya que permite una mejor apreciación de la configuración de toda la red de tuberías incluyendo accesorios, válvulas y bombas.
Figura 4.6 Selección de plantilla de dibujo.
El sistema de tuberías dibujado se muestra en el Anexo 4.1.
122
Datos de bomba Se ingresan datos obtenidos del catálogo de bombas Booster y multietapas, los cuales ayudan a construir las respectivas curvas tanto de la bomba como de su eficiencia. Se muestran los datos y las curvas de la bomba multietapa del grupo 601.
Figura 4.7 Ingreso de datos de bomba.
Figura 4.8 Curva de bomba.
123
Diámetro de tubería La tubería utilizada es de diámetro de 4 y 6 pulgadas respectivamente.
Figura 4.9 Características de tubería.
Accesorios y válvulas Se muestra el cálculo del factor K y una lista de los accesorios y válvulas empleados en este sistema y sus características principales.
Figura 4.10 Ampliación 3” a 4”.
Figura 4.11 Codo 90° x 6”.
124
Figura 4.12 Entrada brusca 3” – 6”.
Figura 4.13 Inserción de accesorios en tuberías.
Tabla 4.1 Listado de accesorios ingresados por cada tubería. Tub. Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Descripción No Fittings Codo largo 90º Expansión 4" - 6" Codo largo 90º Codo largo 90º Check Swing Valve GateValve Codo largo 90º Codo largo 90º Codo largo 90º Codo largo 90º Codo largo 90º GateValve Codo largo 90º No Fittings No Fittings Codo largo 90º Codo largo 90º GateValve Branch Tee Codo largo 90º
125
Cant. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1
K Unitario 0.21 0.13 0.19 0.19 1.85 0.12 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.12 0.19 0.19 0.19 0.12 0.90 0.19
K Total 0.21 0.32 0.19 1.97 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.31 0.19 0.38 0.12 0.90 0.19
D Nominal 4" 4" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6"
Tub. Nº 19 20 21
22
23 24 25 26
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
Descripción Branch Tee Codo largo 90º GateValve Reducción 6" - 3" Expansión 3" - 6" Reducción 6" - 3" Expansión 3" - 6" Codo largo 90º GateValve Codo largo 90º Codo largo 90º Codo largo 90º BallValve Full Bore Check Swing Valve Branch Tee BallValve Full Bore Elbow 45º Codo largo 90º Codo largo 90º No Fittings Expansión 3" - 4" Reducción 4" - 3" Codo largo 90º Codo largo 90º Elbow 45º Elbow 45º BallValve Full Bore Entrada brusca 4" - 6" No Fittings BallValve Full Bore Elbow 45º Codo largo 90º Codo largo 90º No Fittings Expansión 3" - 4" Reducción 4" - 3" Codo largo 90º Codo largo 90º Elbow 45º Elbow 45º BallValve Full Bore Entrada brusca 4" - 6" No Fittings
Cant. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -
K Unitario 0.90 0.19 0.12 0.62 0.33 0.62 0.33 0.19 0.12 0.19 0.19 0.19 0.05 1.85 0.90 0.05 0.24 0.19 0.19 0.08 0.09 0.21 0.21 0.27 0.27 0.05 0.35 0.05 0.24 0.19 0.19 0.08 0.09 0.21 0.21 0.27 0.27 0.05 0.35 -
Elaboración: Los autores
126
K Total 0.9 0.19 1.07
1.26
0.19 0.19 0.19 3.7
0.53 0.19 0.19 0.38 0.21 0.27 0.67 0.53 0.19 0.19 0.38 0.21 0.27 0.67 -
D Nominal 6" 6" 6" 6" 3" 6" 3" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 6" 3" 4" 4" 4" 4" 4" 4" 4" 6" 6" 6" 6" 3" 4" 4" 4" 4" 4" 4" 4" -
Demanda de flujo Corresponde al caudal de salida total de todo el sistema (Out Flow), es decir cuando el líquido sea dirigido a la fase de descarga de la última bomba y sea enviado por medio del poliducto hasta Ambato.
Figura 4.14 Ingreso de la demanda de flujo.
Si este valor no es introducido en el software, este no puede ejecutar el cálculo del sistema de tuberías. Configuración de parámetros de cálculo Una vez dibujado todo el sistema de tuberías con sus respectivas válvulas, accesorios y medidas, previo al cálculo del sistema, se debe establecer los límites de las variables a calcularse para que el software pueda advertir los valores sobredimensionados, además de limitar el número de iteraciones.
El software tiene valores limitantes, sobre todo para la velocidad, la cual puede ser modificada de acuerdo a la necesidad del análisis del sistema de tubería en cuestión.
127
Figura 4.15 Parámetros de cálculo.
4.1.2.3 Cálculos del sistema de tuberías Ingresados los datos del sistema de tuberías en el software, se procede a calcular el mismo para observar en qué condiciones trabaja de acuerdo a las variables asignadas a este sistema.
Figura 4.16 Indicador de resultado de simulación.
La ventana anterior nos indica que el sistema fue resuelto satisfactoriamente, por lo tanto los valores se aceptan por defecto, ya que, el programa realiza múltiples iteraciones para obtener los resultados finales que se muestran en las siguientes tablas:
128
Estación de bombeo
Tabla 4.2 Resultados de simulación FLUID: Gasolina Súper DENSITY: 750,4 kg/m³ FLOW: 0,0262 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 6" P10 6" P11 6" P12 6" P13 6" P14 6" P15 6" P16 6" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 6" P23 6" P24 6" P25 6" P26 6" P27 6" P28 6" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 6" P36 6" P37 6" P38 6" P39 6" P40 4" P41 4" P42 4" P43 4" P44 6"
Velocity (m/sec) 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,406 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 3,19 3,19 3,19 3,19 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 3,19 3,19 3,19 3,19 1,351
Reynolds Number 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,54E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 2,49E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 2,49E+05
129
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724
Tabla 4.3 Resultados de simulación FLUID: Gasolina Extra DENSITY: 745,3 kg/m³ FLOW: 0,0262 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 6" P10 6" P11 6" P12 6" P13 6" P14 6" P15 6" P16 6" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 6" P23 6" P24 6" P25 6" P26 6" P27 6" P28 6" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 6" P36 6" P37 6" P38 6" P39 6" P40 4" P41 4" P42 4" P43 4" P44 6"
Velocity (m/sec) 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,406 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 3,19 3,19 3,19 3,19 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 3,19 3,19 3,19 3,19 1,351
Reynolds Number 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,52E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 2,47E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 2,47E+05
130
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726
Tabla 4.4 Resultados de simulación FLUID: Diesel 1 DENSITY: 812,4 kg/m³ FLOW: 0,0252 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 6" P10 6" P11 6" P12 6" P13 6" P14 6" P15 6" P16 6" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 6" P23 6" P24 6" P25 6" P26 6" P27 6" P28 6" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 6" P36 6" P37 6" P38 6" P39 6" P40 4" P41 4" P42 4" P43 4" P44 6"
Velocity (m/sec) 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,352 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 3,068 3,068 3,068 3,068 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 3,068 3,068 3,068 3,068 1,3
Reynolds Number 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,86E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 8,69E+04 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 8,69E+04
131
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01988 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01988
Tabla 4.5 Resultados de simulación FLUID: Diesel 2 DENSITY: 848,4 kg/m³ FLOW: 0,0237 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 6" P10 6" P11 6" P12 6" P13 6" P14 6" P15 6" P16 6" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 6" P23 6" P24 6" P25 6" P26 6" P27 6" P28 6" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 6" P36 6" P37 6" P38 6" P39 6" P40 4" P41 4" P42 4" P43 4" P44 6"
Velocity (m/sec) 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,272 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 2,886 2,886 2,886 2,886 1,222 1,222 1,222 1,222 1,222 2,886 2,886 2,886 2,886 1,222
Reynolds Number 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,90E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 2,85E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 2,85E+04
132
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02454 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02454
Estación Reductora Ambato
Tabla 4.6 Resultados de simulación FLUID: Diesel 1 DENSITY: 812,4 kg/m³ FLOW: 0,0252 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 4" P10 4" P11 4" P12 4" P13 4" P14 4" P15 6" P16 4" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 4" P23 4" P24 6" P25 4" P26 4" P27 4" P28 4" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 4" P36 6" P37 6" P38 4" P39 4" P40 4"
Velocity (m/sec) 1,352 1,352 1,352 1,352 1,352 1,352 1,352 1,352 3,068 3,068 3,068 3,068 3,068 3,068 1,352 3,068 1,352 1,352 1,352 1,352 1,352 3,068 3,068 1,352 3,068 3,068 3,068 3,068 1,352 1,352
Reynolds Number 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 8,86E+04 1,34E+05 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 8,86E+04 1,34E+05 1,34E+05 8,86E+04 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 1,34E+05 8,86E+04 8,86E+04 Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed
133
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01939 Turbulent 0,01984 Turbulent 0,01984
Tabla 4.7 Resultados de simulación FLUID: Diesel 2 DENSITY: 848,4 kg/m³ FLOW: 0,0237 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 4" P10 4" P11 4" P12 4" P13 4" P14 4" P15 6" P16 4" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 4" P23 4" P24 6" P25 4" P26 4" P27 4" P28 4" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 4" P36 6" P37 6" P38 4" P39 4" P40 4"
Velocity (m/sec) 1,272 1,272 1,272 1,272 1,272 1,272 1,272 1,272 2,886 2,886 2,886 2,886 2,886 2,886 1,272 2,886 1,272 1,272 1,272 1,272 1,272 2,886 2,886 1,272 2,886 2,886 2,886 2,886 1,272 1,272
Reynolds Number 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 2,90E+04 4,37E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 2,90E+04 4,37E+04 4,37E+04 2,90E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 4,37E+04 2,90E+04 2,90E+04 Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed
134
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02295 Turbulent 0,02446 Turbulent 0,02446
Tabla 4.8 Resultados de simulación FLUID: Gasolina Extra DENSITY: 745,3 kg/m³ FLOW: 0,0262 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 4" P10 4" P11 4" P12 4" P13 4" P14 4" P15 6" P16 4" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 4" P23 4" P24 6" P25 4" P26 4" P27 4" P28 4" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 4" P36 6" P37 6" P38 4" P39 4" P40 4"
Velocity (m/sec) 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 3,19 3,19 3,19 3,19 3,19 3,19 1,406 3,19 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 3,19 3,19 1,406 3,19 3,19 3,19 3,19 1,406 1,406
Reynolds Number 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 2,52E+05 3,80E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 2,52E+05 3,80E+05 3,80E+05 2,52E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 3,80E+05 2,52E+05 2,52E+05 Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed
135
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01762 Turbulent 0,01726 Turbulent 0,01726
Tabla 4.9 Resultados de simulación FLUID: Gasolina Super DENSITY: 750,4 kg/m³ FLOW: 0,0262 m³/sec Pipe Name Diameter P1 6" P2 6" P3 6" P4 6" P5 6" P6 6" P7 6" P8 6" P9 4" P10 4" P11 4" P12 4" P13 4" P14 4" P15 6" P16 4" P17 6" P18 6" P19 6" P20 6" P21 6" P22 4" P23 4" P24 6" P25 4" P26 4" P27 4" P28 4" P29 6" P30 6" P31 4" P32 4" P33 4" P34 4" P35 4" P36 6" P37 6" P38 4" P39 4" P40 4"
Velocity (m/sec) 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 3,19 3,19 3,19 3,19 3,19 3,19 1,406 3,19 1,406 1,406 1,406 1,406 1,406 3,19 3,19 1,406 3,19 3,19 3,19 3,19 1,406 1,406
Reynolds Number 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 2,54E+05 3,83E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 2,54E+05 3,83E+05 3,83E+05 2,54E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 3,83E+05 2,54E+05 2,54E+05 Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed Closed
136
Flow Type Friction Factor Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01761 Turbulent 0,01724 Turbulent 0,01724
Las tablas de resultados anteriores, indican el comportamiento del sistema de bombeo del poliducto, los mismos que fueron exportados a una hoja de Excel. Los resultados por cada tubería también pueden apreciarse en una escala de colores.
Figura 4.17 Escala de colores.
El color verde indica una velocidad baja (1.1 m/s) y a medida que aumenta la velocidad el color desaparece hasta llegar a tornarse de coloración completamente roja cuando alcanza la velocidad máxima (2.6 m/s).
Figura 4.18 Escala de colores por tuberías.
137
CAPÍTULO V ANÁLISIS TÉCNICO FINANCIERO 5.1 Introducción Es una propuesta de acción técnico económica para resolver una necesidad, con el objetivo de incrementar, mantener o mejorar la producción de bienes o la prestación de servicios utilizando un conjunto de recursos disponibles ya sean humanos, materiales, tecnológicos entre otros. La Empresa Pública PETROECUADOR cuenta con recursos propios ya que dispone de personal técnico calificado, así como de materiales y equipos necesarios
y
suficientes
para
realizar
trabajos
de
mantenimiento
e
implementación de sistemas propuestos acorde a las necesidades previamente identificadas. Además, para efectuar este análisis se trabaja sólo con Diesel 2, debido a que este combustible es el de mayor consumo en el medio, además es el fluido que se bombea con mayor dificultad. 5.2 Cálculo de Costos A continuación se indican los costos necesarios para aumentar la capacidad de bombeo en el Terminal El Beaterio, Poliducto Quito - Ambato – Riobamba. 5.2.1 Activos Fijos Corresponde a los bienes propios de la empresa, en este caso son el vehículo para movilización y transporte de materiales, así como maquinaria y herramienta para ejecutar los trabajos tanto de soldadura y de ajuste. Tabla 5.1 Vehículo Descripción Vehículo
Cantidad
Costo
1
16,500.00
Total
16,500.00
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
138
Tabla 5.2 Maquinaria Descripción
Cantidad
Costo
Soldadora + Generador eléctrico
1
22.580,60
Amoladora
1
146,30
Elevador de carga
1
2.300,00
Total Anual
25.026,90
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
5.2.2 Costos de Operación Para el cálculo de los costos se tiene en cuenta los siguientes aspectos: 5.2.2.1 Materia Prima Directa Se estableció al Diesel 2, pero no es utilizado para producir un bien específico, sino más bien es el fluido bombeado como producto final de la refinación de petróleo, sin embargo es el producto sobre el cual se considera la realización de las modificaciones en el sistema de bombeo. Tabla 5.3 Materia Prima Directa Descripción
Gal/h
Gal/año
Costo Un.
Costo Anual
Diesel 2
22.539
194.736.960
0,13
25.315.804,80
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
5.2.2.2 Mano de Obra Directa Comprende el recurso humano necesario para la operación de la estación de bombeo y transporte de los tipos y cantidades de combustibles planteados en el presupuesto de producción. A partir del segundo año solo se considerará la mano de obra directa de dos técnicos mecánicos y un técnico de seguridad industrial.
139
Tabla 5.4 Mano de Obra Directa
Cant. 1 3 1
Cargo Téc. Soldador Téc. Mecánico Téc. Seg. Ind.
Sueldo Básico
Décimo Tercero
Décimo Cuarto
Vacación
Aporte Patronal (12.15%)
1,464.09 2,001.00 1,330.94
122.01 166.75 110.91
22.00 22.00 22.00
61.00 83.38 55.46
177.89 243.12 161.71
Total Mensual Total Anual
Valor 1,846.99 2,516.25 1,681.02 6,044.25 72,531.02
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
140
Tabla 5.5 Mano de Obra Directa a Partir de 2do Año.
Cant.
Cargo
Sueldo Básico
Décimo Tercero
Décimo Cuarto
Vacación
Aporte Patronal (12.15%)
2
Téc. Mecánico
1.334,00
111,17
22,00
55,58
162,08
1.684,83
1
Téc. Seg. Ind.
1.330,94
110,91
22,00
55,46
161,71
1.681,02
Valor
3.365,85
Total Mensual Total Anual
40.390,17 Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
141
5.2.2.3 Materiales Directos Representa un costo importante y pueden identificarse con la cantidad de combustible bombeado. Tabla 5.6 Materiales Directos
10
Codo 90° Radio Largo
6”
Ced. 40
Costo Unitario 59,00
2
codo 90° Radio Corto
6”
Ced. 40
59,00
118,00
6
codo 90° Radio Largo
4”
Ced. 40
22,00
132,00
4
Reducción
6”-4”
Ced. 40
88,00
352,00
2
Reducción
4”- 3”
Ced. 40
25,00
50,00
1
Tee
6”
Ced. 40
108,00
108,00
2
Tee
4”
Ced. 40
47,00
94,00
6
Brida de Ext. Soldables
6”
Clase 150
79,00
474,00
4
Brida de Ext. Soldables
4”
Clase 900
160,00
640,00
4
Brida de Ext. Soldables
4”
Clase 600
157,00
628,00
12
Brida de Ext. Soldables
4”
Clase 150
45,00
540,00
2
Brida de Ext. Soldables
6”
Clase 150
79,00
158,00
2
Válv. de Bola Bridada
4”
Clase 900
1.954,97
3.909,94
6
Válv. de Bola Bridada
4”
Clase 150
1.665,00
9.990,00
2
Válv. Red. de Presión
4”
Clase 600
39.692,53
79.385,06
3
Válv. Compuerta Bridada
6”
Clase 150
737,84
2.213,52
2
Válv. Check Bridada
6”
Clase 150
737,84
1.475,68
12
Empaque Metálico
4”
Clase 150
5,00
60,00
4
Empaque Metálico
4”
Clase 600
11,00
44,00
4
Empaque Metálico
4”
Clase 900
8,00
32,00
8
Empaque Metálico
6”
Clase 150
7,00
56,00
32
Esparrago con Tuerca
1 1/8” X 6 ½” (4”x 900)
10,00
320,00
32
Esparrago con Tuerca
7/8” X 6”
(4”x 600)
6,00
192,00
96
Esparrago con Tuerca
3/4” X 4”
(4”x 150)
4,00
384,00
64
Esparrago con Tuerca
3/4” X 4”
(6”x 150)
4,00
256,00
1
Caja de Electrodos
5/32"
E7010
124,18
124,18
1
Caja de Electrodos
1/8"
E6010
132,00
132,00
2
Disco Abrasivo
1/4"
Esmerilado
1,19
2,38
2
Disco Abrasivo
1/8"
Corte
1,14
2,28
Cant.
Descripción
Características
Costo Total 590,00
8m
Tubería sin costura
6”
5X-LX52
4,17xft
109,42
13 m
Tubería sin costura
4”
5X-LX52
4,17xft
177,85
TOTAL
102.750,31 Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
142
5.2.2.4 Costos Indirectos de Fabricación Se utiliza para acumular los materiales indirectos, la mano de obra indirecta y los demás costos indirectos de fabricación que no pueden identificarse directamente en el producto final. Tabla 5.7 Mano de Obra Indirecta
Cant.
1 1
Cargo Sup. Mant. Electromecánico Sup. Operaciones Ambato
Sueldo Básico
Décimo Tercero
Décimo Cuarto
Vacación
Aporte Patronal (12.15%)
987.00
82.25
22.00
41.13
119.92
1,252.30
987.00
82.25
22.00
41.13
119.92
1,252.30
Valor
2,504.59
Total Mensual Total Anual
30,055.09 Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
Tabla 5.8 Materiales Indirectos Descripción
Cantidad
Costo
Recarga tanque de O2
1
17,00
Recarga tanque acetileno
1
25,00
Antorcha para oxicorte
1
147,18
Total
189,18
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
Tabla 5.9 Depreciación % Depreciación
Vida útil (años)
Valor
Vehículo
20%
5
16.500,00
1.650,00
2.970,00
Maquinaria Total
10%
10
25.026,90
2.502,69 4.152,69
4.504,84 7.474,84
Detalle
Valor Residual
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
143
Depreciación
5.2.3 Costos de producción Tabla 5.10 Sueldos del Personal Administrativo
Cant.
1 1 1
Cargo Intendente PQAR Coord. Mant. Elect. Secretaria
Téc. Mant. Elect. Total Mensual 1
Sueldo Básico
Décimo Tercero
Décimo Cuarto
Aporte Patronal (12.15%)
Vacación
Valor
2,528.51
210.71
22.00
105.35
307.21
3,173.79
2,200.08
183.34
22.00
91.67
267.31
2,764.40
532.00
44.33
22.00
22.17
64.64
685.14
1,305.52
108.79
22.00
54.40
158.62
1,649.33 8,272.66
Total Anual
99,271.87 Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto QAR. Elaboración: Los autores.
Tabla 5.11 Servicios Básicos Descripción Luz
Costo mensual 40
Costo Anual 480.00
Teléfono
30
360.00
Internet
20
240.00
Total
1,080.00
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
5.2.4 Capital de Trabajo Está constituido por los gastos que se van a efectuar durante el primer año de actividades.
144
Tabla 5.12 Capital de Trabajo DENOMINACIÓN ACTIVOS FIJOS Vehículo Maquinaria Total de Activos Fijos COSTOS DE OPERACIÓN Materia Prima Directa
Costo
Costo Total
16,500.00 25,026.90 41,526.90 25,315,804.80 72,531.02 102,750.31
Mano de Obra Directa Materiales Directos Costos Indirectos de Fabricación Mano de Obra Indirecta Materiales Indirectos Total Costo de Operación COSTOS DE PRODUCCIÓN Gastos de Administración Sueldos Personal Administrativo Servicios Básicos Gastos de Operación y Servicios
30,055.09 189.18 25,521,330.40
99,271.87 1,080.00
Implementación del sistema de admisión de aire Inspección radiográfica de soldadura Total de Capital de Operaciones
5,000.00 1,027.00
TOTAL
106,378.87
25,669,236.17
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
5.2.5 Costos de Producción También llamados costos de operación, son los gastos necesarios para mantener el proyecto en funcionamiento. El costo de producción tiene dos características: 1. Para producir se debe gastar; esto significa generar un costo. 2. Los costos deben mantenerse tan bajos como sea posible, eliminando aquellos innecesarios. Esto no significa el corte o la eliminación de los costos indiscriminadamente.
145
Tabla 5.13 Costos de Producción COSTOS COSTOS DE PRODUCCIÓN Costo Primo Materia Prima Directa Mano de Obra Directa Materiales Directos Total de Costo Primo Costos Indirectos de Fabricación Mano de Obra Indirecta Materiales Indirectos Depreciación de Activos de Planta Total Costos Indirectos de Fabricación TOTAL COSTOS DE OPERACIÓN Gastos de Administración Sueldos Personal Administrativo Servicios Básicos Gastos de Operación y Servicios Implementacion del sistema de admisión de aire Inspección radiográfica de soldadura. TOTAL TOTAL DE COSTOS
AÑO 1
AÑO 2
AÑO 3
AÑO 4
AÑO 5
25,315,804.80 72,531.02 102,750.31 25,491,086.13
25,315,804.80 40,390.17 0.00 25,356,194.97
25,315,804.80 40,390.17 0.00 25,356,194.97
25,315,804.80 40,390.17 0.00 25,356,194.97
25,315,804.80 40,390.17 0.00 25,356,194.97
30,055.09 189.18 7,474.84 37,719.11 25,528,805.24
30,055.09 0.00 7,474.84 37,529.93 25,393,724.90
30,055.09 0.00 7,474.84 37,529.93 25,393,724.90
30,055.09 0.00 7,474.84 37,529.93 25,393,724.90
30,055.09 0.00 7,474.84 37,529.93 25,393,724.90
99,271.87 1,080.00
99,271.87 1,127.95
99,271.87 1,178.03
99,271.87 1,230.34
99,271.87 1,284.96
5,000.00 1,027.00 106,378.87 25,635,184.11
0.00 0.00 100,399.82 25,494,124.72
0.00 0.00 100,449.90 25,494,174.80
0.00 0.00 100,502.21 25,494,227.11
0.00 0.00 100,556.83 25,494,281.73
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
146
5.3 Evaluación del Proyecto En esta etapa se determina la factibilidad del proyecto, mediante el análisis de los indicadores económicos VAN, TIR indispensables para medir la ejecución del mismo. Cabe indicar que para el presente análisis financiero se mantiene como precio de producción el valor de US$ 0,13 establecido mediante el Estado Financiero de la Empresa Pública de Hidrocarburos del Ecuador EP PETROECUADOR; así como el valor del precio de venta al público fijado en US$ 1,03 por el Estado Ecuatoriano en la persona del Presidente Constitucional de la República en la ley de Hidrocarburos vigente por disposición dada en la Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 326 de 29 de Noviembre de 1993. Incluida Fe de Erratas a Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 344 de 24 de Diciembre de 1993; por tal motivo los resultados obtenidos se verán reflejados en base a los valores reales antes mencionados.18 Los costos se mantendrán constantes puesto que el Terminal El Beaterio cuenta con la provisión de materiales con empresas exclusivas. En cuanto a la mano de obra, los sueldos de los trabajadores se mantendrán igualmente constantes acorde a las políticas establecidas por la compañía petrolera. La única variación que se reflejará será con respecto a los servicios básicos que incluyen luz, teléfono, internet; en cuanto al agua potable la compañía procede a un tratamiento de aguas que permite ser utilizada por todo el terminal. 5.3.1 Estado de Pérdidas y Ganancias Es un informe económico financiero donde se muestra en forma ordenada los ingresos proyectados, con el fin de obtener la utilidad neta durante el horizonte de planteamiento. Para efectos de los impuestos, la Ley de Hidrocarburos manifiesta lo siguiente:
18
Ley de hidrocarburos, Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 326 de 29 de Noviembre de 1993. Incluida Fe de Erratas a Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 344 de 24 de Diciembre de 1993.
147
“Art. 94.- Participación Laboral: En el caso de los trabajadores vinculados a la actividad hidrocarburífera, éstos recibirán el 3% del porcentaje de utilidades y el 12% restante será pagado al Estado, que lo destinará, única y exclusivamente, a proyectos de inversión social en salud y educación, a través de los Gobiernos Autónomos Descentralizados que se encuentren dentro de las áreas delimitadas por cada contrato, donde se lleven a cabo las actividades hidrocarburíferas, en partes iguales. Dichos proyectos deberán estar armonizados con el Plan Nacional de Desarrollo”.19 5.3.2 Flujo de Efectivo Constituye uno de los elementos más importantes del estudio de un proyecto, ya que la evaluación del mismo se efectuará sobre los resultados que en él se determinen. Se obtiene de la diferencia entre los ingresos totales y los egresos totales de cada año. A continuación se realiza el flujo de caja que sirve de base para calcular el VAN y TIR respectivamente. Se ha optado por proyectar el flujo de efectivo a 5 años para efectos de obtener resultados más confiables. Los resultados se muestran a continuación: Tabla 5.14 Venta Anual Descripción
Gal/h
Gal/año
Costo Un.
VENTAS
Diesel 2
22.539
194.736.960
1,03
200.579.068,80
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R.
Elaboración: Los autores
19 Ley de hidrocarburos, Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 326 de 29 de Noviembre de 1993. Incluida Fe de Erratas a Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 344 de 24 de Diciembre de 1993.
148
Tabla 5.15 Estado de Pérdidas y Ganancias
Denominación
AÑO 1
AÑO 2
AÑO 3
200,579,068.80
200,579,068.80
200,579,068.80
25,528,805.24
25,393,724.90
25,393,724.90
175,050,263.56
175,185,343.90
175,185,343.90
106,378.87
100,399.82
100,449.90
174,943,884.69
175,084,944.08
175,084,894.00
5,248,316.54
5,252,548.32
5,252,546.82
169,695,568.15
169,832,395.76
169,832,347.18
20,363,468.18
20,379,887.49
20,379,881.66
Utilidad antes de Impuestos
149,332,099.97
149,452,508.27
149,452,465.52
(-) 25% Impuesto a la Renta
37,333,024.99
37,363,127.07
37,363,116.38
111,999,074.98
112,089,381.20
112,089,349.14
11,199,907.50
11,208,938.12
11,208,934.91
100,799,167.48
100,880,443.08
100,880,414.22
Ingresos por Ventas (-)Costo de producción (=)Utilidad Bruta en Ventas (-)Costo de Operación Utilidad antes de Impuestos (-)3% Utilidades trabajadores Utilidad antes de Inversión (-) 12% Proyectos Inversión Social
Utilidad antes de Reserva (-) 10% Reserva Legal Utilidad Neta
Fuente: Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
149
AÑO 4
AÑO 5
200,579,068.80 200,579,068.80 25,393,724.90
25,393,724.90
175,185,343.90 175,185,343.90 100,502.21
100,556.83
175,084,841.69 175,084,787.07 5,252,545.25
5,252,543.61
169,832,296.44 169,832,243.46 20,379,875.57
20,379,869.21
149,452,420.87 149,452,374.24 37,363,105.22
37,363,093.56
112,089,315.65 112,089,280.68 11,208,931.56
11,208,928.07
100,880,384.08 100,880,352.61
Tabla 5.16 Flujo de Efectivo DESCRIPCIÓN
Año 0
Ventas de derivado (Diesel 2) Valor Residual Total de Ingresos Inversión Inicial Costo de Producción Costo de Operación Total de Egresos Utilidad Antes de Impuestos
200,579,068.80
200,579,068.80
200,579,068.80 200,579,068.80 EGRESOS
Año 3 200,579,068.80
Año 4
Año 5
200,579,068.80
200,579,068.80
200,579,068.80
200,579,068.80
4,152.69 200,583,221.49
25,669,236.17
25,669,236.17
(-)3% Utilidades trabajadores Utilidad antes de Inversión F (-) 12% Proyectos Inversión Social u Utilidad antes de Impuestos e (-) 25% Impuesto a la Renta n Utilidadt antes de Reserva (-) 10%eReserva Legal Utilidad: después de Reserva (+) Depreciación
FLUJO NETO DE EFECTIVO
Año 1 Año 2 INGRESOS
-25,669,236.17
25,528,805.24
25,393,724.90
25,393,724.90
25,393,724.90
25,393,724.90
106,378.87 25,635,184.11 174,943,884.69 5,248,316.54 169,695,568.15 20,363,468.18 149,332,099.97 37,333,024.99 111,999,074.98 11,199,907.50 100,799,167.48 7,474.84 100,806,642.32
100,351.87 25,494,076.77 175,084,992.03 5,252,549.76 169,832,442.27 20,379,893.07 149,452,549.20 37,363,137.30 112,089,411.90 11,208,941.19 100,880,470.71 7,474.84 100,887,945.55
100,351.87 25,494,076.77 175,084,992.03 5,252,549.76 169,832,442.27 20,379,893.07 149,452,549.20 37,363,137.30 112,089,411.90 11,208,941.19 100,880,470.71 7,474.84 100,887,945.55
100,351.87 25,494,076.77 175,084,992.03 5,252,549.76 169,832,442.27 20,379,893.07 149,452,549.20 37,363,137.30 112,089,411.90 11,208,941.19 100,880,470.71 7,474.84 100,887,945.55
100,351.87 25,494,076.77 175,089,144.72 5,252,674.34 169,836,470.38 20,380,376.45 149,456,093.93 37,364,023.48 112,092,070.45 11,209,207.04 100,882,863.40 7,474.84 100,890,338.24
Terminal Beaterio, Poliducto Q-A-R. Elaboración: Los autores.
150
5.3.2.1 Valor Actual Neto Este método consiste en determinar el valor presente de los flujos de costos e ingresos generados a través de la vida útil del proyecto. Representa los valores actuales, el total de los recursos que queden en manos de la empresa al final de toda su vida útil; es decir, es el retorno líquido generado por el proyecto. -
Si el VAN es cero, la inversión es indiferente ya que el inversionista gana justo lo que esperaba obtener.
-
Si el VAN es mayor que cero, la inversión es aceptable ya que muestra cuanto más gana, por sobre lo que deseaba ganar.
-
Si el VAN es menor que cero, la inversión se debe rechazar ya que aunque no indica pérdida, significa cuanto faltó para que el inversionista ganara todo lo que deseaba ganar.
La tasa de descuento utilizada para el cálculo del VAN es del 3,5% considerada según Regulación N° 009-2010 fijada por el Banco Central del Ecuador, donde se estipula esta tasa de interés pasiva efectiva máxima para inversiones en empresas del sector público. Esta tasa de interés es aplicable a proyectos del sector público con ausencia de créditos bancarios. VAN = VA (1 a 5 años) – Inversión VAN = 455.437.818,95 - 25.669.236,17 VAN = US$ 429.768.582,78 El VAN es mayor a cero, y por tanto, el proyecto es considerado aceptable. 5.3.2.2 Tasa Interna de Retorno Este método de evaluación considera el valor en el tiempo del dinero y las variaciones de los flujos de caja durante los cinco años de vida útil del proyecto. La TIR es aquella tasa que, igual al valor presente de los flujos, de ingresos con la inversión inicial.
151
Los criterios que se consideran para aceptar o rechazar un proyecto en base a la TIR son los siguientes: -
Si la TIR es mayor que la tasa del costo del capital se acepta el proyecto.
-
Si la TIR es igual que la tasa del costo del capital es indiferente ejecutar el proyecto.
-
Si la TIR es menor que la tasa del costo de capital se rechaza el proyecto.
De acuerdo al cuadro de flujo de efectivo obtenido, el valor de la TIR será: TIR = 392,64 % Como 392,64% > 3,5%, el proyecto es factible de ejecución, ya que se cuenta con el respaldo económico por parte de la Empresa Pública PETROECUADOR.
152
CONCLUSIONES
1. El funcionamiento actual del sistema de bombeo del Terminal El Beaterio del Poliducto Quito - Ambato - Riobamba es susceptible de mejoramiento con el rediseño propuesto, ya que las falencias son reducidas a tal punto que la capacidad de bombeo se puede aumentar sin la necesidad de cambiar los grupos motor bomba.
2. Para la optimización del sistema de bombeo se modificó la fase de descarga de las bombas Booster 601 y 602 aumentando el diámetro nominal de tubería de 4 a 6 pulgadas, suprimiendo los contadores de flujo, filtros Streiner, y reemplazando los accesorios suprimidos por una tubería de 6 pulgadas, con lo cual se reduce la velocidad en el ducto de 2.42 m/s a 1.23 m/s.
3. Debido al aumento de capacidad de bombeo, fue necesario rediseñar el tren de válvulas de reducción de presión en la Estación Reductora Ambato, ya que no era posible recibir el caudal estimado de bombeo porque no se contaba con las garantías necesarias para que la Estación Reductora pueda operar eficientemente con las cantidades de flujo transportadas por el poliducto. Los cambios realizados fueron el aumento del diámetro nominal de tubería y válvulas de 2 a 4 pulgadas, lo que permite reducir la velocidad del fluido (aproximadamente de 5.8 m/s a 3.18 m/s), además de suprimir uno de los ramales con contador de flujo y reemplazarlo por tubería de diámetro de 4 pulgadas.
4. Los caudales estimados de bombeo obtenidos en el rediseño del sistema de tuberías son los siguientes:
153
Fluido
Caudal anterior (GPH)
Caudal estimado (GPH)
Gasolina Súper
18925
24879
Gasolina Extra
18164
24955
Diesel 1
18355
23975
Diesel 2
17309
22539
5. Los depuradores de aire se encuentran ubicados en la parte externa del terminal, a una distancia de 10.82 m desde el turbocargador, ya que se teme la contaminación del aire de ingreso al motor con compuestos orgánicos volátiles que puedan modificar abruptamente el funcionamiento del motor diesel. Por tanto, el rediseño propuesto fue colocar los depuradores a una distancia de 0.8 m respecto al turbocargador del motor, por la razón de que los análisis de gases efectuados en la estación indican que no existe una considerable contaminación del aire que influya en el trabajo de los motores.
6. El software especializado en flujo de fluidos utilizado en este proyecto arroja resultados bastante aproximados a los calculados, por lo que puede usarse como herramienta de apoyo para comparar y verificar cálculos realizados de forma manual.
Además, nos representa gráficamente y en escalas las
variables presentes en un sistema de tuberías. 7. El proyecto es factible de ejecución debido a que el Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR) proporcionan resultados muy confiables que garantizan un rédito económico con la inversión a realizarse.
154
RECOMENDACIONES
1. Si la demanda de combustibles en la ciudad de Ambato es mayor que la actual, se debería tener en cuenta que los grupos motor bomba instalados prácticamente se encuentran en su capacidad máxima, por lo que sería necesario sustituir las bombas actuales por otras que brinden mayor altura de cabeza y caudal.
2. Considerar el reemplazo de los motores diesel por modelos más actuales y eficientes térmicamente para evitar el desabastecimiento de las piezas originales de recambio y mejorar la confiabilidad de la estación de bombeo. 3. Se sugiere que en las estaciones, tanto de bombeo como reductora de presión, los tramos de tubería enterrados se encuentren visibles para facilidad de mantenimiento y posibles modificaciones. 4. Evitar en lo posible cambios de direcciones bruscos en el trayecto del poliducto para disminuir pérdidas de carga por fricción entre el fluido, tubería y accesorios. 5. Realizar un análisis técnico sobre el estado actual del sistema de enfriamiento de agua del motor. 6. Optimizar y actualizar el plan de mantenimiento considerando tiempos de funcionamiento, vida útil de los elementos y personal disponible para la ejecución de las ordenes de trabajo. 7. Capacitar permanentemente y de forma programada al personal de mantenimiento electromecánico y de línea del poliducto.
155
BIBLIOGRAFÍA
1. AGUERA SORIANO, José, “Mecánica de fluidos incompresibles y turbomáquinas hidráulicas”, 4ta. edición, Editorial Ciencia, Madrid, 1996. 2. CHAPRA, STEVEN C.; CANALE, RAYMOND P. “Métodos numéricos para ingenieros” McGraw-Hill. 4a. ed. México. 2003. 3. CATERPILLAR, “Guía de Aplicación e Instalación de Sistemas de Admisión de Aire”, 2005. 4. CRANE CO., “Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías”, Editorial McGraw-Hill, México, 1992. 5. GILES, Ranald,”Mecánica de los fluidos e hidráulica”, 3era. Edición, Editorial McGraw Hill, Madrid, 2003. 6. Ley de hidrocarburos, Ley No. 44, publicada en Registro Oficial 326 de 29 de Noviembre de 1993.
Incluida Fe de Erratas a Ley No. 44, publicada en
Registro Oficial 344 de 24 de Diciembre de 1993. 7. MATAIX, Claudio, “Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas”, 2da. Edición, Editorial Alfaomega, México, 2007. 8. MOTT, Robert, “Mecánica de fluidos”, 6ta. Edición, Pearson Educación, México, 2006. 9. SHAMES, IRWIN, “Mecánica de fluidos”, 3ra. Edición, Editorial McGrawHill, Bogotá, 1995. 10. STREETER, Víctor, WYLIE, Benjamín; BEDFORD, Keith, “Mecánica de fluidos”, 9na. Edición, Editorial McGraw Hill Interamericana, Bogotá, 2000. 11. CRUZ,
Ricardo;
LÓPEZ,
Mario,
“Adecuación
de
tierras”,
http://www.cenicana.org/pdf. 12. http://www.scribd.com/doc/17670139/Perdidas-de-Energia-Mecanica-PorFriccion-en-Tuberias. 13. http://www.monografias.com/trabajos15/mecanicafluidos/mecanicafluidos.shtml 14. http://www.fisicanet.com.ar/fisica/dinamica_fluidos/ap01_hidrodinamica.php 15. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/laminar_turbulento.htm. 16. http://www.buenastareas.com/ensayos/Flujo-De-Fluidos-PorTuberias/280580.html. 17. http://www.cumminsfiltration.co 156
ANEXOS
157
ANEXO 1.1 DIAGRAMA DE MOODY
158
ANEXO 1.2 FACTOR K PARA VÁLVULAS Y ACCESORIOS Ampliación 3” – 4”
Ampliación 3” – 6”
Ampliación 4” – 6”
Reducción 6” – 3”
Reducción 6” – 4”
Reducción 4” – 3”
159
Reducción 4” – 3”
Codo 90° x 6”
Codo 90° x 4”
Codo 90° x 3”
Tee salida lateral
160
Codo 45°
Válvula check
Válvula de compuerta
Válvula de bola
Válvula con filtro
161
Salida brusca 6” – 4”
Entrada brusca 3” – 6”
Entrada brusca 4” – 6”
Reducción 3” – 2”
Ampliación 2” – 6”
Reducción 6” – 2”
162
ANEXO 2.1 PERFIL POLIDUCTO QUITO - AMBATO - RIOBAMBA
163
ANEXO 2.2 CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DEL TERMINAL BEATERIO
Fuente: http://www.petrocomercial.com/wps/portal/ne_gst_beaterio
164
ANEXO 2.3
PLANOS ESTACIÓN DE BOMBEO POLIDUCTO QUITO AMBATO RIOBAMBA Y ESTACIÓN REDUCTORA AMBATO.
165
ANEXO 2.4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN
166
ANEXO 2.5 PÉRDIDA DE CARGA EN CONDUCTOS CIRCULARES RECTILÍNEOS POR ROZAMIENTO DEL AIRE
Fuente: MOTT, Robert, Mecánica de Fluidos, Figura 19.3, p. 572.
167
ANEXO 3.1
PLANOS DE REDISEÑO SISTEMA DE BOMBEO BEATERIO, AMBATO
168
ANEXO 3.2
HOJA DE CÁLCULO DE EXCEL
169
ANEXO 3.3
FACTOR DE PÉRDIDA POR CAMBIOS DE DIRECCIÓN
Kp
K
29+400
2.97
30+000
1.58
30+100
1.93
30+500
0.68
30+700
0.35
30+900
0.46
31+600
1.27
32+000
1.58
33+800
0.00
34+100
0.60
34+200
2.99
34+400
0.28
TOTAL
14.68
FUENTE: PARRA JÁCOME, Rony Mauricio, “Optimización de la operación en el transporte de derivados de petróleo”, Tesis de Grado, Quito, marzo, 2010.
170
ANEXO 3.4
FACTOR DE PÉRDIDA POR CAMBIOS DE DIRECCIÓN
Kp 10+900 10+980 11+100 11+200 11+400 11+700 11+800 11+950 12 12+100 12+300 13 13+100 13+600 13+800 14+600 15+100 15+200 15+300 15+600
K 2.89 0.03 1.47 2.01 1.93 1.05 1.47 0.77 0.09 2.01 0.15 2.44 0.15 2.77 1.00 0.64 0.88 2.96 0.05 0.01 TOTAL
Kp 16+300 17+400 17+600 17+800 18 18+300 19 19+200 19+800 22+400 23 23+800 24+200 54+400 26+400 26+700 27 28 28+800 29+400
K 2.56 0.33 0.17 0.02 54.18 2.82 2.24 1.19 0.53 0.81 2.60 1.61 0.01 2.51 2.76 0.51 1.21 0.14 0.38 2.97 76.48
FUENTE: PARRA JÁCOME, Rony Mauricio, “Optimización de la operación en el transporte de derivados de petróleo”, Tesis de Grado, Quito, marzo, 2010.
171
ANEXO 3.5
PLANOS REDISEÑO SISTEMA ADMISIÓN
172
ANEXO 3.6 PÉRDIDA DE CARGA POR ROZAMIENTO DEL AIRE EN CONDUCTOS CIRCULARES RECTILÍNEOS
173
ANEXO 3.7
CARACTERÍSTICAS DEL DEPURADOR AIRE Y PLANOS RESPECTIVOS
Especificación
AH19080
Longitud del cuerpo
583.2 mm
Diámetro del cuerpo 255 mm Flujo mínimo
13.3 m3/min
Flujo máximo
34.5 m3/min
Material
Metal
Fuente: Modelo AH19080, cumminsfiltration.com, p. 5-100. Elaboración: Los autores.
174
ANEXO 3.8
ANÁLISIS DE GASES
175
ANEXO 4.1
SISTEMA DE TUBERIAS
176
177
