Cálculo hidráulico del gasoducto: métodos y formas de cálculo + ejemplo de cálculo

Para un funcionamiento seguro y fiable del suministro de gas, es necesario diseñarlo y calcularlo. Es importante seleccionar perfectamente las tuberías para las líneas principales de todos los tipos de presión, que aseguren un suministro estable de gas a los aparatos.

Para que la selección de tuberías, válvulas y equipos sea lo más precisa posible, se realiza el cálculo hidráulico del gasoducto. ¿Cómo hacerlo? Reconozca que usted no es demasiado experto en este asunto; vamos a entenderlo.

Le ofrecemos familiarizarse con información meticulosamente seleccionada y minuciosamente procesada sobre las opciones para realizar el cálculo hidráulico de sistemas de gasoductos. El uso de los datos presentados por nosotros garantizará el suministro a los aparatos de combustible azul con los parámetros de presión requeridos. Los datos cuidadosamente verificados se basan en la normativa de la documentación reglamentaria.

En el artículo se explica de forma extremadamente detallada sobre los principios y esquemas para realizar los cálculos. Se presenta un ejemplo de ejecución de cálculos. Como complemento informativo útil se utilizan aplicaciones gráficas e instrucciones en video.

Particularidades del cálculo hidráulico

Cualquier cálculo hidráulico que se realice consiste en la determinación de los parámetros del futuro gasoducto. Este procedimiento es obligatorio y también una de las etapas más importantes de la preparación para la construcción. De la exactitud del cálculo depende si el gasoducto funcionará en modo óptimo.

Al realizar cada cálculo hidráulico se determina:

• del diámetro de tuberías necesario, que garantice un transporte eficiente y estable de la cantidad de gas requerida;
• si serán aceptables las pérdidas de presión al mover el volumen requerido de combustible azul en tuberías de un diámetro determinado.

Las pérdidas de presión se producen debido a que en cualquier gasoducto existe resistencia hidráulica. Con un cálculo incorrecto, puede provocar que a los consumidores no les alcance el gas para un funcionamiento normal en todos los modos o en los momentos de consumo máximo.

Esta tabla es el resultado del cálculo hidráulico realizado teniendo en cuenta los valores dados. Para realizar los cálculos será necesario ingresar indicadores específicos en las columnas.

Esta operación es un procedimiento estandarizado por el estado, que se realiza según las fórmulas y requisitos establecidos en SP 42-101–2003.

Los cálculos debe realizarlos el promotor. Se toman como base los datos de las condiciones técnicas del gasoducto, que se pueden obtener en su empresa de gas local.

Gasoductos que requieren la realización de cálculos

El estado exige que se realicen cálculos hidráulicos para todos los tipos de tuberías pertenecientes al sistema de suministro de gas, ya que los procesos que ocurren durante el movimiento del gas son siempre los mismos.

A los gasoductos mencionados pertenecen los siguientes tipos:

• de baja presión;
• de media y alta presión.

Los primeros están destinados al transporte de combustible a viviendas, todo tipo de edificios públicos y empresas de servicios. Además, en viviendas particulares, edificios de apartamentos y casas de campo, la presión del gas no debe exceder los 3 kPa; en empresas de servicios (no productivas), este valor es mayor y alcanza los 5 kPa.

El segundo tipo de tuberías está diseñado para alimentar redes de todo tipo, de baja y media presión a través de estaciones de regulación de gas, así como para suministrar gas a consumidores individuales.

Estos pueden ser empresas industriales, agrícolas, diversas empresas de servicios públicos e incluso edificios independientes o anexos a edificios industriales. Pero en los dos últimos casos habrá restricciones significativas de presión.

Los tipos de gasoductos enumerados anteriormente son divididos convencionalmente por los especialistas en las siguientes categorías:

• interiores de viviendas, interiores de talleres, es decir, que transportan gas natural dentro de cualquier edificio y lo entregan a unidades y aparatos individuales;
• derivaciones de abonado, utilizadas para suministrar gas desde una red de distribución a todos los consumidores existentes;
• redes de distribución, utilizadas para suministrar gas a territorios específicos, por ejemplo, ciudades, sus distritos individuales, empresas industriales. Su configuración varía y depende de las características del trazado urbano. La presión dentro de la red puede ser cualquiera de las previstas: baja, media o alta.

Además, el cálculo hidráulico se realiza para redes de gas con diferentes números de etapas de presión, de las cuales existen muchas variedades.

Así, para satisfacer las necesidades, se pueden utilizar redes de dos etapas que funcionan con gas transportado a baja y alta presión, o a baja y media presión. También se emplean redes de tres etapas y diversas redes multi-etapa. Es decir, todo depende únicamente de la existencia de consumidores.

La resistencia hidráulica es la razón principal por la que es necesario realizar este tipo de cálculo. Además, depende también del material de la tubería.

A pesar de la gran variedad de opciones de gasoductos, el cálculo hidráulico es similar en todos los casos. Esto se debe a que para la fabricación se utilizan elementos constructivos de materiales similares y dentro de las tuberías ocurren los mismos procesos.

Resistencia hidráulica y su papel

Como se indicó anteriormente, la base para realizar el cálculo es la presencia de resistencia hidráulica en cada gasoducto.

Actúa sobre toda la estructura de la tubería, así como sobre sus partes y componentes individuales: tes, puntos de reducción significativa del diámetro de las tuberías, válvulas de cierre, diversas válvulas. Esto provoca una pérdida de presión del gas transportado.

La resistencia hidráulica siempre es la suma de:

• resistencia lineal, es decir, la que actúa a lo largo de toda la estructura;
• resistencias locales, que actúan en cada componente de la estructura donde se produce un cambio en la velocidad de transporte del gas.

Los parámetros mencionados afectan constante y significativamente las características operativas de cada gasoducto. Por lo tanto, como resultado de un cálculo incorrecto, se producirán pérdidas financieras adicionales considerables debido a que el proyecto tendrá que ser rediseñado.

Reglas para realizar el cálculo

Anteriormente se indicó que el procedimiento de cualquier cálculo hidráulico está regulado por el Código de normas correspondiente número 42-101–2003.

El documento indica que el método principal para realizar el cálculo es el uso de una computadora con programas especiales que permiten calcular la pérdida de presión prevista entre las secciones del futuro gasoducto o el diámetro requerido de las tuberías.

Cualquier cálculo hidráulico se realiza después de crear un esquema de cálculo que incluya los parámetros principales. Además, en las columnas correspondientes, el usuario ingresa los datos conocidos.

Si no existen dichos programas o la persona considera que su uso no es adecuado, se pueden aplicar otros métodos permitidos por el Código de normas.

Entre las que se incluyen:

• el cálculo mediante las fórmulas proporcionadas en el SP es el método más complejo;
• el cálculo mediante los llamados nomogramas es una opción más simple que el uso de fórmulas, ya que no será necesario realizar ningún cálculo, porque los datos necesarios están indicados en una tabla especial y se proporcionan en el Código de normas, y simplemente hay que seleccionarlos.

Cualquiera de los métodos de cálculo conduce a los mismos resultados. Por lo tanto, el gasoducto recién construido podrá garantizar un suministro oportuno e ininterrumpido de la cantidad planificada de combustible incluso en las horas de máximo uso.

Opción de cálculos mediante computadora

Realizar el cálculo usando una computadora es el menos laborioso: todo lo que requiere la persona es ingresar los datos necesarios en las columnas correspondientes.

Por lo tanto, el cálculo hidráulico se realiza en unos pocos minutos, y esta operación no requiere un amplio bagaje de conocimientos, que es necesario cuando se utilizan fórmulas.

Para su correcta ejecución, es necesario tomar de las condiciones técnicas los siguientes datos:

• densidad del gas;
• coeficiente de viscosidad cinemática;
• la temperatura del gas en su región.

Las condiciones técnicas necesarias se obtienen en el servicio de gas del municipio donde se construirá el gasoducto. De hecho, el diseño de cualquier tubería comienza con la obtención de este documento, ya que contiene todos los requisitos principales para su construcción.

El uso de programas especiales es la forma más sencilla de realizar un cálculo hidráulico, eliminando la necesidad de buscar y estudiar fórmulas para llevar a cabo los cálculos.

A continuación, el promotor debe conocer el consumo de gas para cada aparato que se planea conectar al gasoducto. Por ejemplo, si el combustible se transportará a una vivienda particular, allí se suelen utilizar placas de cocina, diversas calderas de calefacción, y en sus pasaportes siempre figuran las cifras necesarias.

Además, será necesario conocer la cantidad de quemadores de cada placa que se conectará a la tubería.

En la siguiente etapa de recopilación de datos necesarios, se obtiene información sobre la caída de presión en los lugares de instalación de cualquier equipo — puede ser un contador, una válvula de cierre, una válvula termoobturadora, un filtro, otros elementos.

En este caso, las cifras necesarias son fáciles de encontrar — están contenidas en una tabla especial adjunta al pasaporte de cada producto. El diseñador debe prestar atención a que debe indicarse la caída de presión al máximo consumo de gas.

De la tabla especial adjunta al pasaporte de los productos, se puede obtener información sobre la pérdida de presión al conectar los aparatos a la red.

En la siguiente etapa, se recomienda conocer cuál será la presión del combustible azul en el punto de conexión. Dicha información puede estar contenida en las condiciones técnicas de su servicio de gas local, o en el esquema previamente elaborado del futuro gasoducto.

Si la red consta de varios tramos, es necesario numerarlos e indicar la longitud real. Además, para cada uno se deben especificar por separado todos los parámetros variables: el consumo total de cualquier aparato que se utilice, la caída de presión, otros valores.

Obligatoriamente se necesitará el coeficiente de simultaneidad. Este considera la posibilidad de funcionamiento conjunto de todos los consumidores de gas conectados a la red. Por ejemplo, todos los equipos de calefacción ubicados en un edificio de apartamentos o en una vivienda particular.

Estos datos son utilizados por el programa que realiza el cálculo hidráulico para determinar la carga máxima en algún tramo o en todo el gasoducto.

Para cada apartamento o casa individual, no es necesario calcular el coeficiente mencionado, ya que sus valores son conocidos y se indican en la tabla a continuación:

Tabla de coeficientes de simultaneidad, cuyos datos se emplean en cualquier tipo de cálculo. Basta con seleccionar la columna correspondiente al aparato doméstico específico y tomar la cifra necesaria.

Si en algún lugar se planea usar más de dos calderas de calefacción, estufas o calentadores de agua con acumulador, entonces el coeficiente de simultaneidad siempre será 0,85. Eso es lo que se deberá indicar en la columna correspondiente empleada para el cálculo del programa.

A continuación, debe indicar el diámetro de las tuberías; además, se necesitarán los coeficientes de rugosidad de las mismas, que se utilizarán en la construcción del gasoducto. Estos valores son estándar y se pueden encontrar fácilmente en el Código de normas.

Influencia del material de las tuberías en el cálculo

Para la construcción de gasoductos se pueden utilizar tuberías fabricadas únicamente con ciertos materiales: acero, polietileno. En algunos casos se emplean productos de cobre. Pronto se usarán masivamente las estructuras de metaloplástico.

Cada tubería tiene rugosidad, lo que provoca una resistencia lineal que afecta el proceso de desplazamiento del gas. Además, este valor es significativamente mayor en los productos de acero que en los de plástico.

Hoy en día, los datos necesarios solo se pueden obtener para tuberías de acero y polietileno. Como resultado, el diseño y el cálculo hidráulico solo se pueden realizar teniendo en cuenta sus características, tal como lo exige el Código de normas específico. Además, en el documento se indican los datos necesarios para el cálculo.

El coeficiente de rugosidad siempre se equipara a los siguientes valores:

• para todas las tuberías de polietileno, independientemente de si son nuevas o no, — 0,007 cm;
• para productos de acero ya usados — 0,1 cm;
• para estructuras de acero nuevas — 0,01 cm.

Para cualquier otro tipo de tubería, este valor no se indica en el Código de normas. Por lo tanto, no se deben usar para la construcción de un nuevo gasoducto, ya que los especialistas de la compañía de gas municipal podrían exigir modificaciones. Y eso, nuevamente, son gastos adicionales.

Cálculo del caudal en un tramo limitado

Si el gasoducto consta de tramos separados, el cálculo del caudal total en cada uno de ellos deberá realizarse por separado. Pero esto no es complicado, ya que para los cálculos se necesitarán cifras ya conocidas.

Determinación de datos mediante programa

Conociendo los indicadores iniciales, teniendo acceso a la tabla de simultaneidad y a las fichas técnicas de las estufas y calderas, se puede proceder al cálculo.

Para ello, se realizan las siguientes acciones (el ejemplo se da para un gasoducto interior de baja presión):

1. La cantidad de calderas se multiplica por el rendimiento de cada una.
2. El valor obtenido se multiplica por el coeficiente de simultaneidad, refinado mediante una tabla especial para este tipo de consumidores.
3. La cantidad de placas destinadas a la preparación de alimentos se multiplica por el rendimiento de cada una de ellas.
4. El valor obtenido después de la operación anterior se multiplica por el factor de simultaneidad tomado de una tabla especial.
5. Las sumas obtenidas para calderas y placas se suman.

Se realizan manipulaciones similares para todas las secciones del gasoducto. Los datos obtenidos se ingresan en las columnas correspondientes del programa con el cual se realizan los cálculos. Todo lo demás lo hace la electrónica por sí misma.

Cálculo utilizando fórmulas

Este tipo de cálculo hidráulico es similar al descrito anteriormente, es decir, se requerirán los mismos datos, pero el procedimiento será prolongado. Ya que todo deberá realizarse manualmente, además, el diseñador deberá llevar a cabo una serie de operaciones intermedias para utilizar los valores obtenidos en el cómputo final.

Además, habrá que dedicar bastante tiempo para comprender muchos conceptos y cuestiones que uno no encuentra al utilizar un programa especial. Se puede constatar la veracidad de lo anterior al revisar las fórmulas que se emplearán.

El cálculo con fórmulas es complejo, por lo que no está al alcance de todos. En la imagen se muestran las fórmulas para calcular la caída de presión en redes de alta, media y baja presión, y el coeficiente de fricción hidráulica.

En la aplicación de fórmulas, al igual que en el caso del cálculo hidráulico mediante un programa especial, existen particularidades para los gasoductos de baja, media y, por supuesto, alta presión. Y esto debe tenerse en cuenta, ya que un error conlleva, y siempre, considerables costes financieros.

Cálculos mediante nomogramas

Cualquier nomograma especial es una tabla que indica una serie de valores; al estudiarlos se pueden obtener los indicadores necesarios sin realizar cálculos. En el caso del cálculo hidráulico: el diámetro de la tubería y el espesor de sus paredes.

Los nomogramas de cálculo son una forma sencilla de obtener la información necesaria. Basta con consultar las filas que corresponden a las características dadas de la red.

Existen nomogramas separados para productos de polietileno y acero. En su cálculo se utilizaron datos estándar, por ejemplo, la rugosidad de las paredes internas. Por lo tanto, no hay que preocuparse por la exactitud de la información.

Ejemplo de realización del cálculo

Se presenta un ejemplo de cálculo hidráulico mediante un programa para gasoductos de baja presión. En la tabla propuesta, se resaltan en color amarillo todos los datos que el diseñador debe introducir por sí mismo.

Estos se enumeran en el apartado sobre el cálculo hidráulico informático presentado anteriormente. Son la temperatura del gas, el coeficiente de viscosidad cinemática y la densidad.

En este caso, se realiza el cálculo para calderas y placas de cocina, por lo cual es necesario especificar la cantidad exacta de quemadores, que pueden ser 2 o 4. La precisión es importante, ya que el programa seleccionará automáticamente el coeficiente de simultaneidad.

En la imagen, las columnas resaltadas en amarillo son aquellas donde el diseñador debe ingresar los indicadores. Abajo se muestra la fórmula para calcular el caudal en el tramo.

Vale la pena prestar atención a la numeración de los tramos: no se inventa por cuenta propia, sino que se toma de un esquema previamente elaborado, donde se indican cifras similares.

A continuación, se registra la longitud real del gasoducto y la llamada longitud de cálculo, que es mayor. Esto ocurre porque en todos los tramos donde hay resistencia local, es necesario aumentar la longitud en un 5-10%. Esto se hace para evitar una presión de gas insuficiente en los consumidores. El programa realiza el cálculo de forma automática.

El caudal total en metros cúbicos, para el cual se ha dispuesto una columna separada, se calcula de antemano en cada tramo. Si la casa es de varios departamentos, se debe indicar la cantidad de viviendas, comenzando por el valor máximo, como se ve en la columna correspondiente.

Obligatoriamente, se ingresan en la tabla todos los elementos del gasoducto donde se pierde presión al pasar. En el ejemplo se indican la válvula termocerrante, la válvula de cierre y el contador. El valor de la pérdida en cada caso se tomó de la ficha técnica del producto.

Con un solo programa se pueden hacer cálculos para todos los tipos de gasoductos. En la imagen se muestran cálculos para red de presión media.

El diámetro interno de la tubería se indica según el pliego de condiciones técnicas, si el Gorgás tiene algún requisito, o según el esquema previamente elaborado. En este caso, en la mayoría de los tramos se especifica un tamaño de 5 cm, ya que gran parte del gasoducto va a lo largo de la fachada y el Gorgás local exige que el diámetro no sea menor.

Si uno se familiariza superficialmente con el ejemplo presentado de cálculo hidráulico, es fácil notar que, además de los valores ingresados por la persona, hay una gran cantidad de otros. Todo ello es resultado del trabajo del programa, ya que después de introducir los números en las columnas específicas resaltadas en amarillo, el trabajo de cálculo para la persona ha terminado.

Es decir, el cálculo en sí se realiza con bastante rapidez, tras lo cual con los datos obtenidos se puede acudir a la aprobación en el Gorgás de su ciudad.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Este video permite entender dónde comienza el cálculo hidráulico, de dónde obtienen los diseñadores los datos necesarios:

En el siguiente video se muestra un ejemplo de uno de los tipos de cálculo informático:

A continuación, se puede ver un ejemplo de cálculo utilizando un programa informático:

Para realizar un cálculo hidráulico con la ayuda de una computadora, como lo permite el perfilado Código de normas, basta con dedicar un poco de tiempo a familiarizarse con el programa y recopilar los datos necesarios.

Sin embargo, todo esto no tiene valor práctico, ya que la elaboración de un proyecto es un procedimiento mucho más amplio e incluye muchas otras cuestiones. Por ello, la mayoría de los ciudadanos tendrá que recurrir a la ayuda de especialistas.

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